CN104302488A - 具有用于改善耐用性的优化厚度的轮胎的辐条 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在使用时不易疲劳的用于非充气轮胎的辐条几何形状。特别地，该几何形状带有在辐条的长度上的优化厚度分布。该优化导致辐条中的峰值应变能量密度水平的减小，由此减小裂纹萌生和扩展的可能性，这又增强辐条和轮胎的耐用性。

Description

具有用于改善耐用性的优化厚度的轮胎的辐条

优先权声明

本申请要求名称为“具有用于改善耐用性的优化厚度的轮胎的辐条(Spoke for a Tire with Optimized Thickness for Improved Durability)”、分配的美国序列号为61/620,687的在先提交的美国临时专利申请的权益；上述申请于2012年4月5日提交，并且为了所有目的通过引用完整地被合并于本文中。

技术领域

本发明提供一种在使用时不易疲劳的用于非充气轮胎的辐条几何形状。特别地，该辐条几何形状被提供有在辐条的长度上的优化厚度分布。该优化导致辐条中的峰值应变能量密度水平的减小，由此减小裂纹萌生和扩展的可能性，这又增强辐条和轮胎的耐用性。

背景技术

在本领域中已公开非充气或结构支撑轮胎。例如，由本发明的申请人共同拥有的美国专利第7,201,194号涉及一种在没有内部气压的情况下支撑载荷的结构支撑弹性轮胎。该专利的内容通过引用完整地被合并于此。在示例性实施例中，该非充气轮胎包括外环形剪切带和横向地越过环形带并且从环形带径向向内延伸并且锚固在车轮或轮毂中的多个连接辐条。在某些示例性实施例中，环形剪切带还可以包括剪切层、附着到剪切层的径向向内范围的至少第一薄膜和附着到剪切层的径向向外范围的至少第二薄膜。除了能够在没有所需的充气压力的情况下操作以外，美国专利第7,201,194号的发明提供的优点也包括在接触区域的长度上更均匀的地面接触压力。因此，该轮胎模仿充气轮胎的性能。

图1显示这样的轮胎，所述轮胎限定径向方向R和横向方向T(其垂直于径向方向并且垂直于轮胎滚动的方向)。为了引用，在本文中使用的所有附图标记100’s表示先前的轮胎和辐条设计，而在本文中使用的所有附图标记200’s表示根据本发明的实施例的新的和改进的轮胎和辐条设计。轮胎100、200包括胎面102、202，所述胎面附连到辐条106、206的向外范围104、204，所述辐条又通过本领域中已知的手段在它们的向内范围110、210处连接到轮毂或车轮108、208。对于所示的轮胎100、200的型式，通过将聚亚安酯液体浇注到模具、例如旋转模具中，然后液体在所述模具中固化或硬化，形成辐条106、206。也可以看到辐条106、206成对地分组并且每对内的单独的辐条106’、106”、206’、206”彼此一致地间隔并且每对围绕轮胎的圆周与相邻对一致地间隔。每对内的间距和每个相邻对之间的间距不需要相同。

如‘194专利的摘要和第2栏第28-41行所述，辐条106、206支撑轮胎100、200，靠近轮胎100、200的顶部张紧并且无压缩。相反地，在靠近接地面的轮胎的底部处的辐条106、206容易压缩或弯曲，所述接地面是轮胎的胎面102、202接触路面的地方。这有助于轮胎模拟充气轮胎的气动支撑功能。可以设想，这些辐条106、206经历从张紧到压缩的大量周期应力，尤其当轮胎100、200以高速旋转时。这产生辐条的疲劳失效的风险。因此，辐条106、206的耐用性和轮胎100、200的可操作性明显地取决于制造辐条106、206所用的几何形状。

现在参见图2，显示易受由裂纹萌生和扩展导致的疲劳失效的先前辐条设计的侧视截面图。为了清楚起见，仅仅示出辐条。辐条的厚度T106比较一致，为2.8mm，并且辐条连接到轮毂和胎面处的辐条106’、106”的端部112’、112”厚出大约1mm，为3.8mm。因此，在辐条的任一端部处有过渡区域，其中辐条的厚度逐渐减小使得在离任一端部的辐条的径向高度Hr的大约25％处，辐条处于2.8mm的最终减小厚度。

该辐条设计的测试已表明辐条的疲劳极限限制轮胎的载荷能力。如果载荷太大，则轮胎具有随着时间形成最终扩展的裂纹的趋势，原因是当轮胎100在路面上滚动时辐条106在张紧和压缩之间周期地变化。因此，需要一种改进的辐条设计，其减小裂纹萌生和扩展将在更高载荷极限下发生的可能性。而且，可以容易地模制并且不降低其它轮胎性能的这样的设计将是特别有益的。

发明内容

根据本发明的方面的一种轮胎限定径向方向和横向方向并且还包括胎面和辐条，所述辐条具有主体几何形状，所述主体几何形状包括沿着在大体径向方向上的所述辐条的长度变化的厚度，所述厚度开始于一个值，逐渐减小到第二值，然后逐渐增加到第三值，然后减小到第四值，并且再次增加到第五值。

在一些情况下，所述辐条的厚度的所述第一值、所述第三值和所述第五值是基本相同的。当是这种情况时，所述辐条的厚度的所述第二值和所述第四值也可以是相同的。在这样的情况下，所述厚度的所述第二值和所述第四值可以是所述第一值、所述第三值和所述第五值的值的60％。在特定实施例中当所述轮胎是205/55N16尺寸轮胎时，所述辐条的厚度的所述第一值、所述第三值和所述第五值为大约3.4mm，而所述辐条的厚度的所述第二值和所述第四值为大约2.0mm。在这样的情况下，所述辐条的径向高度可以为大约76mm。所述辐条也可以具有从所述辐条的两个端部之间的完全笔直路径的所述辐条的偏移或偏离并且所述偏移可以是所述径向高度的25％或以下，并且优选地可以是所述径向高度的大约15％。这样的轮胎的辐条可以能够在受到朝着轮胎的中心的15mm的偏转时弹性地变形。

在一些情况下，当所述辐条的厚度沿着所述辐条的长度增加和减小两次时，所述辐条可以包括四个区段或区域并且可以具有沿着所述辐条的长度的中心线，其中所述中心线具有两个拐点和沿着所述中心线在所述拐点之间出现的中点。所述辐条的厚度的所述第一值可以出现在所述辐条的一个端部处，而所述辐条的厚度的所述第五值可以出现在所述辐条的另一端部处。在这样的情况下，所述第一区段可以是在所述第一端部和第一拐点之间的过渡区域，其中所述厚度减小到所述第二值，所述第二区段可以是在所述第一拐点和所述中点之间的过渡区域，其中所述厚度增加到所述第三值，所述第三区段可以是在所述中点和第二拐点之间的过渡区域，其中所述厚度增加到所述第四值，并且所述第四区段可以是在所述第二拐点和所述辐条的所述另一端部之间的过渡区域，其中所述厚度增加到所述第五值。

再次在这样的情况下，所述厚度的所述第二值和所述第四值可以是所述第一值、所述第三值和所述第五值的值的60％。在特定实施例中当所述轮胎是205/55N16尺寸轮胎时，所述辐条的厚度的所述第一值、所述第三值和所述第五值为大约3.4mm，而所述辐条的厚度的所述第二值和所述第四值为大约2.0mm。在这样的情况下，所述辐条的径向高度可以为大约76mm。所述辐条也可以具有从沿着所述径向方向的完全笔直路径的所述辐条的偏移或偏离并且所述偏移可以是所述径向高度的25％或以下，并且优选地可以是所述径向高度的大约15％。这样的轮胎的辐条能够在受到朝着轮胎的中心的15mm的偏转时弹性地变形。

在以上实施例的任何一个中，所述中心线可以由一系列分析曲线、例如线和弧构成，并且在所述中心线的任一侧的所述辐条的边界也可以由一系列分析曲线、例如线和弧构成。而且，以上实施例的任何一个可以具有由例如以商品名VIBRATHANE B836销售的聚亚安酯制造的辐条。在一些情况下，轮胎包括一系列辐条，所述辐条成对，具有围绕轮胎的圆周重复的相同辐条几何形状。

未必在概述部分表达的本主题的附加实施例可以包括和包含在以上概述对象中引用的特征、部件或步骤和/或在本申请中另外论述的其它特征、部件或步骤的方面的组合。本领域的普通技术人员通过阅读说明书的剩余部分将更好地领会这样的实施例和其它实施例的特征和方面。

附图说明

在参考附图的说明书中叙述了对于本领域的普通技术人员来说包括本主题的最佳模式的本主题的完整和能够实现的公开，其中：

图1是具有辐条的非充气轮胎的透视图。

图2是沿着轮胎的中平面获得的以前在非充气轮胎中使用的第一配置的一对辐条的侧视截面图，为了清楚起见去除了胎面和剪切环，所述中平面是平行于轮胎的径向方向并且与在轮胎的横向方向上的轮胎的中点重合的平面。

图3是沿着轮胎的中平面获得的本发明的第一实施例的一对辐条的侧视截面图，为了清楚起见去除了胎面，所述中平面是平行于轮胎的径向方向并且与在轮胎的横向方向上的轮胎的中点重合的平面。

图4A是先前辐条设计和根据本发明的实施例的辐条设计在偏转和非偏转状态下的FEA结果的绘图，显示在15mm的偏转处与两种设计关联的峰值应变能量密度。

图4B是图4A的FEA结果的绘图，其与横向方向成角地显示使得可以更清楚地看到靠近辐条的中间出现的峰值应力。

图4C是根据表1中出现的数据绘制的、与具有本发明的实施例的设计的先前设计的辐条关联的峰值应变能量密度的曲线图。

图4D是显示与先前辐条设计相比的根据本发明的实施例的设计的材料的更有效使用的曲线图。

具体实施方式

现在将详细地参考本发明的实施例，在图中示出其中的一个或多个例子。每个例子作为本发明的解释被提供，而不表示本发明的限制。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一实施例一起使用以产生又一第三实施例。本发明旨在包括这些和其它修改和变型。应当注意为了论述，可以在一个或多个图中描绘示例性轮胎实施例的仅仅一部分。附图标记在图中仅仅用于帮助读者识别各种要素并且不旨在引入实施例之间的任何限制区别。一个实施例的相同或相似编号指示其它实施例中的相似要素。

已知由于裂纹萌生和扩展引起的疲劳产生的先前几何形状有时失效的趋势，本发明的发明人着手理论化如何改善几何形状使得该现象较少发生。经验表明具有减小的峰值应变能量密度的设计将具有裂纹萌生和扩展的相应减小。因此，他们使用迭代过程来确定什么几何形状可以有效地降低峰值应变能量密度并且下面所述的内容是他们发现的、由FEA结果支持的有效解决方案的内容。如下所述，该设计使峰值应变能量密度降低大约40％，基于经验数据，这将导致辐条的疲劳寿命的大约200％改善。也如下面将进一步详述，该改善幅度和在辐条的相同质量和硬度下产生这样的改善而不降低其它轮胎性能的几何形状是预料不到的结果。

现在参见图3，可以看到本发明的一个实施例的辐条的侧视截面图。为了清楚起见，从结构的剩余部分去除辐条。参见辐条206’、206”的横截面形状，应当注意辐条的主体的厚度T206在沿着轮胎的径向方向的辐条的长度上在辐条206’、206”的端部212’、212”之间变化。而且，辐条的形状使得它具有中心线214，所述中心线具有辐条的曲率在其附近改变方向的两个拐点216、218和出现在两个拐点之间的中点220。而且，存在径向高度Hr，所述径向高度是在径向方向上的直线距离，辐条的中心线可以沿着所述径向方向延伸，但是由于拐点而不是如此。

此外，存在辐条的中心线从Hr的偏移或偏离O，所述偏移或偏离可以在垂直于Hr的方向上到中心线214被测量，并且对于这些特定辐条该偏移在中点220处达到它的最大值。而且，拐点位于离辐条的任一端部大约等于值Hr的25％的距离处。对于该实施例，在辐条的一个端部212’处的厚度逐渐减小直到它在第一拐点216处达到最小值。第一端部212’和第一拐点216之间的辐条的截面可以被称为第一区段222。辐条然后在厚度上增加直到它到达中点220，在所述中点处它达到最大值。第一拐点216和中点220之间的该区域可以被称为第二区段224。辐条然后开始在厚度上减小直到它到达第二拐点218，在所述第二拐点处它达到另一最小值。中点220和第二拐点218之间的区域可以被称为第三区段226。最后，辐条开始变厚直到它到达辐条的另一端部212’，在所述另一端部处它达到另一最大值。第二拐点218和辐条212’的另一端部之间的区域可以被称为第四区段228。

对于该实施例，轮胎是205/55N16尺寸轮胎，由于辐条的前和后末端的凹轮廓(如图1中最佳地所见)，这意味着在轮胎的横向方向上的辐条的深度在胎面附近为大约205mm并且在轮毂附近为大约155mm。辐条端部212’和中点220的厚度全部具有大约相同的大小，为大约3.4mm，而在拐点处的辐条的厚度大致相同，为大约2.0mm。这意味着辐条的最薄区域与最厚区域的比率为大约60％。这些辐条设计成当在径向方向上朝着轮胎的中心偏转15mm时弹性地变形。用于该轮胎的辐条的径向高度Hr为大约76mm并且偏移O为大约12mm。因此对于该轮胎O与Hr的比率为大约15％，但是可以预料这可以更大，例如25％，或更小，例如在辐条完全笔直的情况下为0％。

此外，可以预料辐条的端部和辐条的中间部分的相对厚度可以与拐点处的辐条的厚度一样变化，只要辐条沿着辐条的中心线的长度在厚度上继续增加和减小。例如，辐条的第一端部的厚度可以为3.4mm，第一拐点处的辐条的厚度可以为2.4mm，中点处的辐条的厚度可以为3.0mm，第二拐点处的辐条的厚度可以为1.5mm，并且另一端部处的辐条的厚度可以为3.6mm。而且，限定辐条的几何形状的曲线可以具有任何性质。然而，对于该特定实施例用作辐条的中心线以及内和外边界的曲线的类型全部是分析曲线，例如线和弧，从而易于几何形状的制造和检查。而且，几何形状有着实际限制以便允许模具制造和填充，因此最小厚度不应当太小以致于使这些任务困难。

可以使用适合于加工并且适合于提供辐条工作所需的物理性质的任何材料制造辐条。例如，可以使用任何合适的热固性材料，例如聚亚安酯。特别地，可以使用以商品名VIBRATHANE B836销售的聚亚安酯。而且，各辐条之间的空间和一个辐条具有的几何形状可以不同于另一辐条的几何形状。

参见图4A，我们看到先前设计和新设计的、在ABAQUS中制造并且分析的非偏转网格或模型以及这些模型的偏转绘图，显示它们的关联峰值应变能量密度。应当注意旧设计的15mm偏转处的峰值应变能量为大约1.09×10^-2(daN-mm/mm³)，而根据本发明的实施例的设计的15mm偏转处的峰值应变能量为大约6.7×10^-3(daN-mm/mm³)，如图4B中最佳地所见，其中这些关联峰值应变能量密度在由绘图中的字母“A”表示的位置中出现。通过进一步图示，已使用两种设计的FEA计算的位置“A”处的应变能量密度相对偏转或位移的值包含在紧接下面的表1中并且在图4C中图形地显示。

表1

预料不到地，增加峰值应变能量密度最高处的辐条的中间附近的厚度实际上使峰值应变能量降低超过40％。这确实是想不到的，原因是在本领域中公知的将应变与梁的厚度相关的方程是ε＝t/(2*ρ)，其中ε是应变，t是梁的厚度并且ρ是梁的曲率半径。本领域的普通技术人员将预期增加梁的厚度将实际上减小应变，原因是该方程指示应变随着厚度的增加线性地增加。发明人已发现梁的曲率半径实际上是梁的厚度的函数，使得增加厚度时确实倾向于以一种方式增加应变，它也作用为以更大方式增加曲率半径，这实际上导致总体更低的应变。

通过参见图4D可以看到该现象。通过薄化靠近拐点的区域，这些点的作用更像是铰链使得靠近中点的辐条的区域实际上挠曲较小，导致在变形期间的较小峰值应变能量密度。而且，增加辐条的中心的厚度允许它挠曲较小并且靠近拐点的区域挠曲较大，也造成峰值应变能量的减小。因此，通过改变辐条的位置而不是质量的大小，获得峰值应变能量密度的改善。换句话说，辐条中的材料的使用已变得更高效。而且，可以获得相同硬度，允许载荷对比辐条的偏转保持相对相同，由此保持辐条和轮胎的其它性能。替代地，发明人预料到可以用峰值应变能量密度的减小和辐条的疲劳寿命的增加的该收益可以换取辐条的较短径向高度，这可以导致减小的质量，意味着较小的滚动阻力和增加的制动间隙。

应当注意本发明也包括未在本文中公开的其它辐条几何形状。例如，可能的是辐条可以由除了已在本文中公开的以外的胎面和轮毂附近的其它结构附连。换句话说，具有在轮毂和胎面之间在厚度上收缩和在厚度上膨胀至少两次的沿着在轮胎的大体径向方向上的它的中心线的几何形状的截面的任何辐条设计是本发明的实施例。应当注意在轮胎的中平面处获得该轮廓，所述中平面平行于轮胎的圆周方向或轮胎滚动的方向和径向方向，并且该优选轮廓可以在横向方向上变化，只要辐条的大部分具有遵循本文中所述的几何形状的轮廓。例如，可以预料在横向方向上的辐条的向前和向后末端可以具有倒角或倒圆端部使得横截面减小并且仍然在本发明的范围内。

而且，拐点的存在不是实施本发明所必需的，原因是即使直的辐条在它弯曲时也将具有形成拐点的趋势。此外，三个或更多个拐点的存在也被认为在本发明的范围内，前提是当辐条处于接地面中或附近时它可以为必要的偏转提供足够的挠性，同时也不太长从而当辐条处于与接地面径向相对的轮胎的顶部附近时在张力上提供所需的载荷承载能力。而且，任何拐点的位置可以根据需要变化并且最大偏移的位置不必需要在辐条的中点处发生。而且，该技术可以应用于不同尺寸并且需要不同偏转的轮胎。

总之，应当理解本发明包括可以对本文中所述的示例性实施例进行的各种其它修改，所述实施例属于发明内容中的权利要求及其等效替代的叙述的范围内。例如，给出的具体例子涉及聚亚安酯的使用，但是可以预料可以使用其它热固性或热塑性材料。另外，本文中所述的模具是旋转模具，但是可以使用其它模制或铸造技术，例如注模。这些和其它实施例在本发明的精神和范围内。

Claims (16)

1.一种轮胎，所述轮胎限定径向方向和横向方向并且包括胎面和辐条，所述辐条具有主体几何形状，所述主体几何形状包括沿着在大体径向方向的所述辐条的长度变化的厚度，所述厚度开始于一个值，逐渐减小到第二值，然后逐渐增加到第三值，然后减小到第四值，并且再次增加到第五值。

2.根据权利要求1所述的轮胎，其中所述辐条的厚度的所述第一值、所述第三值和所述第五值是基本相同的。

3.根据权利要求2所述的轮胎，其中所述辐条的厚度的所述第二值和所述第四值是基本相同的。

4.根据权利要求3所述的轮胎，其中所述辐条的厚度的所述第二值和所述第四值是所述第一值、所述第三值和所述第五值的值的大约60％。

5.根据权利要求4所述的轮胎，其中所述轮胎是205/55N16尺寸轮胎，所述辐条的厚度的所述第一值、所述第三值和所述第五值为大约3.4mm，而所述辐条的厚度的所述第二值和所述第四值为大约2.0mm，并且所述轮胎包括多个类似配置的辐条。

6.根据权利要求5所述的轮胎，其中所述辐条的径向高度为大约76mm。

7.根据权利要求6所述的轮胎，其中所述辐条具有在所述辐条的两个端部之间的它的路径的偏移或偏离，其中所述偏移是所述辐条的径向高度的25％或以下，并且优选地是所述辐条的径向高度的大约15％。

8.根据权利要求7所述的轮胎，其中所述辐条配置成在受到朝着所述轮胎的中心沿其径向方向15mm偏转时弹性地变形。

9.根据权利要求1所述的轮胎，其中所述辐条的厚度沿着所述辐条的长度增加和减小两次，并且所述辐条包括四个区段或区域并且具有沿着所述辐条的长度的中心线，并且其中所述中心线具有两个拐点和沿着所述中心线在所述拐点之间出现的中点。

10.根据权利要求9所述的轮胎，其中所述辐条的厚度的所述第一值可以出现在所述辐条的一个端部处，并且所述辐条的厚度的所述第五值可以出现在所述辐条的另一端部处，并且其中所述第一区段是在所述第一端部和第一拐点之间的过渡区域，在此所述厚度减小到所述第二值，所述第二区段是在所述第一拐点和所述中点之间的过渡区域，在此所述厚度增加到所述第三值，所述第三区段是在所述中点和第二拐点之间的过渡区域，在此所述厚度增加到所述第四值，并且所述第四区段是在所述第二拐点和所述辐条的所述另一端部之间的过渡区域，在此所述厚度增加到所述第五值。

11.根据权利要求10所述的轮胎，其中所述厚度的所述第二值和所述第四值是所述第一值、所述第三值和所述第五值的值的大约60％。

12.根据权利要求11所述的轮胎，其中所述轮胎是205/55N16尺寸轮胎，并且所述辐条的所述第一值、所述第三值和所述第五值为大约3.4mm，并且所述辐条的厚度的所述第二值和所述第四值为大约2.0mm，并且所述轮胎包括多个类似配置的辐条。

13.根据权利要求12所述的轮胎，其中所述辐条具有大约76mm的径向高度。

14.根据权利要求13所述的轮胎，其中所述辐条具有从沿着所述径向方向的完全笔直路径的所述辐条的偏移或偏离，并且所述偏移是所述辐条的径向高度的25％或以下，并且优选地是所述辐条的径向高度的大约15％。

15.根据权利要求14所述的轮胎，其中所述辐条配置成在受到朝着所述轮胎的中心沿着所述轮胎的径向方向15mm的偏转时弹性地变形。

16.根据权利要求9所述的轮胎，其中所述中心线由一系列分析曲线、例如线和弧构成，并且所述辐条还包括也由分析曲线、例如线和弧构成的边界曲线。