CN105593035A

CN105593035A - 自行车轮胎

Info

Publication number: CN105593035A
Application number: CN201480053983.3A
Authority: CN
Inventors: L·贝斯滕; D·尔索默
Original assignee: Michelin Recherche et Technique SA Switzerland; Compagnie Generale des Etablissements Michelin SCA
Current assignee: Compagnie Generale des Etablissements Michelin SCA
Priority date: 2013-10-02
Filing date: 2014-10-01
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2034-10-01
Also published as: FR3011199A1; BR112016005571A8; FR3011199B1; BR112016005571A2; EP3052324B1; WO2015049263A1; BR112016005571B1; EP3052324A1; CN105593035B; US20160236520A1

Abstract

自行车轮胎，更特别地，旨在与电气辅助设备配合的自行车轮胎。本发明的目的在于提出一种自行车轮胎(1)，其包括母线(G)大致沿径向的齿组(5)，该齿组沿周向布置在轮胎的胎侧(2)上，并旨在与用于自行车的电气辅助设备的驱动小齿轮的互补齿组配合。根据本发明，由于齿组(5)由以齿距p等距间隔的齿(51)组成，因而每个齿(51)在母线(G)的方向上具有长度l且在垂直于母线(G)的平面内具有高度为h的大致三角形的横截面，每个齿(51)包括具有弹性剪切模量G*的弹性材料，齿(51)的弹性材料的弹性剪切模量G*至少等于阈弹性剪切模量G*_s，阈弹性剪切模量G*_s使得在由互补齿组施加至形成最小开放角的侧边的均匀压力的作用下每个齿(51)的顶部的位移d等于0.2乘以齿(51)的高度h，所述均匀压力等于650/(l×h×(2.67-0.33×p))。

Description

自行车轮胎

技术领域

本申请涉及一种自行车轮胎，更特别地，涉及一种旨在与电气辅助设备配合的自行车轮胎。

背景技术

电气辅助设备是指安装在自行车上且能够驱动至少一个自行车轮旋转的电力设备。

文献DE-20314210-U1描述了使用电气辅助设备或者电动马达驱动自行车的原理，其中驱动小齿轮与固定于自行车前轮辋的环箍的齿组啮合，所述齿组是内齿组，这就是说该齿组的齿面向车轮的轴线。这种设备的一个缺点是轮辋的齿组易于被石子卡住。

文献DE-4011567-A1和US-5165776描述了一种发电设备，其用于自行车照明，旨在与包括径向母线沿周向布置在轮胎的胎侧上的齿组的轮胎配合，且旨在与发电设备的小齿轮的互补齿组配合。布置在轮胎的胎侧上的齿组设计成使发电设备的自由小齿轮转动。但是，这种齿组并没有设计成被电气辅助设备的驱动小齿轮驱动。

发明内容

本发明的一个目的在于提出一种自行车轮胎，其包括母线大致沿径向的齿组，该齿组沿周向布置在轮胎的胎侧，从而与用于自行车的电气辅助设备的驱动小齿轮的互补齿组配合。

出于该目的，本发明提出一种自行车轮胎，包括：

两个胎侧，该两个胎侧将胎面连接至两个胎圈，

-连续的齿组，其母线大致相对于轴向方向的轮胎的旋转轴线呈径向，所述齿组沿周向布置于至少一个胎侧的轴向外表面上，且旨在与互补齿组相配合，

-所述齿组由以齿距p等距间隔的齿组成，

-每个齿在母线方向上具有长度l，并在与母线垂直的平面内具有大致三角形的截面，

-所述大致三角形的截面包括发源于第一顶点的第一侧边和第二侧边，以及与所述第一顶点相对的且位于所述胎侧的轴向外表面上的第三侧边，所述第一顶点代表所述齿的齿顶，

-所述第一侧边和第二侧边分别与垂直于第三侧边的方向形成第一和第二角，

-所述齿的齿顶与其到所述第三侧边的正投影之间的距离限定所述齿的高度h，

-每个齿包括具有弹性剪切模量G*的弹性材料，

-所述齿的弹性材料的弹性剪切模量至少等于阈弹性剪切模量G*_S，该阈弹性剪切模量G*_S使得在由互补齿组施加至形成最小角的侧边的均匀压力P的作用下每个齿的齿顶的位移d等于0.2乘以所述齿的高度h，所述均匀压力P等于650/(l×h×(2.67-0.33×p))。

自行车轮胎的外部几何形状的特征特别在于，均在经过轮胎的旋转轴线的子午平面上测得的外部直径、轮辋直径、截面高度和宽度。特别地，根据欧洲轮胎轮辋技术组织或者ETRTO标准的规定，这些几何特征在安装至轮辋且充气至工作压力的轮胎上进行测量。

胎侧是轮胎的侧面部分，其将旨在与地面接触的胎面连接至旨在与轮辋接触的胎圈。

齿组在几何上通过母线来限定。在根据本发明的齿组的情况下，母线大致是沿径向的，这就是说母线与轮胎的径向方向(垂直于轮胎的旋转轴线的轴向方向)形成小角。更具体地，大致沿径向的母线与相切于胎侧的轴向外表面的方向形成至多等于45°的角，该方向位于与轮胎的旋转轴线垂直的轮胎的子午平面或者径向平面中。轮胎胎侧的轴向外表面是与大气空气相接触的胎侧的面，与和轮胎所充空气相接触的胎侧的轴向内面相反。

此外，该齿组沿周向位于至少一个轮胎胎侧的轴向外表面，这就是说在与轮胎的胎面表面相切且指向轮胎运转方向的周向方向。此外，齿组是连续的，这就是说其位于胎侧的整个圆周上。

更特别地，齿组由以齿距p而呈等距离的齿组成，这就是说通过齿的并列使每个齿与下一个齿隔开恒定的距离或者齿距。齿组的齿距是齿组与电气辅助设备的驱动小齿轮的互补齿组啮合的能力的特性，特别地，控制同时与小齿轮的互补齿组相接触以传递预期的驱动扭矩的齿组的齿的数目。齿组的齿距还依赖于小齿轮的直径。

每个齿的几何特征在于长度为l(沿着齿组的母线测量)，并且在于在垂直于母线的平面内的大致三角形的截面。大致三角形的截面是三个侧边的截面，其可以具有圆滑的顶点(也就是说不必须是角形的顶点)，以及不必须是直线形的侧边。在数学意义上，大致三角形的截面可以内接于三角形部分内。该大致三角形的截面包括发源于第一顶点的第一侧边和第二侧边，以及与所述第一顶点相对的且位于所述胎侧的轴向外表面的第三侧边，所述第一顶点代表所述齿的齿顶。所述第一和第二侧边分别与垂直于第三侧边的方向形成第一角和第二角。所述齿的齿顶与其到所述第三侧边的正投影之间的距离限定所述齿的高度h。

齿的长度l限定与互补齿组啮合的最大可能长度。齿的高度h限定与互补齿组啮合的最大可能深度。

考虑到形成齿的材料，每个齿包括具有弹性剪切模量G*的弹性材料。

根据本发明，齿的弹性材料的弹性剪切模量G*至少等于阈弹性剪切模量G*_S，该阈弹性剪切模量G*_S使得在由互补齿组施加至形成最小角的侧边的均匀压力的作用下每个齿的齿顶的位移d等于0.2乘以齿的高度h，该均匀压力等于650/(l×h×(2.67-0.33×p))。

根据标准ASTMD5992-96，在23℃的温度下在10％振幅范围内，使用粘度分析仪(例如MetravibVA4000)在标准测试样本上测得弹性剪切模量G*或者复合动力剪切模量G*。

考虑到齿的弹性材料的不可压缩性，通过使用有限元模拟与非线性平面变形建模，计算确定阈弹性剪切模量G*_S。因此，使用以下边界条件模拟一个单独的齿：位于胎侧的轴向外表面的第三侧边被阻止位移，具有最小角的第一侧边或者第二侧边受到等于650/(l×h×(2.67-0.33×p))的均匀的压力。齿的弹性材料是不可压缩的胡克材料，具有杨氏模量E*和泊松比0.49。对于给定的杨氏模量E*，齿的顶点的位移d则可以通过计算确定。由此可以推导出齿的齿顶的位移与齿的高度的比例d/h。通过对杨氏模量E*的不同值重复该步骤，能够确定杨氏模量E*和齿的齿顶的位移与齿的高度的比例d/h之间的关系。通过连续逼近，则可以确定阈杨氏模量E*_S使得该比例d/h等于0.2。然后可以通过使用关系式G*_S＝E*_S/3来推导出阈弹性剪切模量G*_S。

在数字模拟中取施加至齿的均匀压力P使其等于650/(l×h×(2.67-0.33×p))，P以巴表示。均匀压力P(以巴表示)等于P＝F×10/(S×N)，其中F(以牛顿表示)是由电气辅助设备的驱动小齿轮的互补齿组施加至轮胎的齿组的驱动力，S(以平方毫米表示)是驱动力施加至齿的表面积，N是同时与互补齿组啮合的齿的数目。在本发明中，相应于驱动功率215W且在约3.3m/s的速度下施加的最大驱动力等于65N。驱动力施加至齿的表面积等于S＝l×h，其中l和h分别是以毫米表示的齿的长度和高度。最后，以N＝2.67-0.33×p估算同时啮合的齿的数目N(考虑驱动小齿轮的直径)，其中p是以毫米表示的齿组的齿距。

在不对称的齿的情况下，均匀压力施加至第一或者第二侧边，该第一或者第二侧边发源于齿的齿顶并形成较小的角。受到均匀压力的侧边指的是驱动边或者驱动面。不受到均匀压力的侧边指的是非驱动边或者非驱动面。在不对称的齿的情况下，有利的是，均匀压力施加至形成最小角的侧边，也即驱动侧边具有最小角。这使得相比于具有对称齿轮廓的情况(即第一侧边和第二侧边的角相等)传递更高的驱动扭矩。这是因为与对称轮廓相比，非对称轮廓导致更少的齿弯曲，因此使得传递更大的载荷。

取齿的齿顶的位移d与齿的高度h之间的比例d/h的最大值(用以确定阈杨氏模量E*_S)等于0.2，以保证在由驱动扭矩产生的均匀压力的作用下齿的最小抗弯刚度，该驱动扭矩一般在20Nm和50Nm之间，也可以高达60Nm。这样的结果是保持变形的齿与不变形的互补齿组之间的接触，从而确保传递驱动扭矩。

有利地，齿的高度h至少等于0.6mm，至多等于3mm。

还更有利地，齿的长度l至少等于0.15乘以(至多等于0.50乘以)轮胎的截面宽度S。轮胎的截面宽度S是平行于轮胎的旋转轴线、在轮胎胎侧的轴向最外点之间测量的轴向距离，在欧洲轮胎轮辋技术组织或者ETRTO标准的规定下，轮胎安装在其轮辋上并且充气至其工作压力。

齿的高度h和长度l的不同值的这些范围意味着，在轮胎的齿组的齿和电气辅助设备的小齿轮的互补齿组的齿之间的接触面积包括在允许由电气辅助设备产生的驱动扭矩传递至车轮的值的范围之内，所述轮胎的齿组旨在与电气辅助设备的小齿轮的互补齿组配合。高度h和长度l的值的这些范围还将对可用于在轮胎的胎侧上放置齿的空间的限制考虑在内。

齿组的齿距有利地至少等于1.8mm且至多等于5.5mm。齿组的齿距是在垂直于母线的平面内，在两个连续的齿的齿顶之间测量的距离。

已经发现齿组的齿距越高，其产生的噪音越多。相反，较高的齿距更耐受轮胎的齿组与小齿轮的互补齿组之间的不对准。此外，较高的齿距对外部物体(例如，更容易去除的雪或者泥)的存在不太敏感。另一方面，更短的齿距更安静，但是不太耐受不对准或者外部物体的存在。建议的齿组的齿距的范围因而能够获得这样的齿组：其高效地传递扭矩，相对安静且耐受不对准或者外部物体的存在。

齿组的齿距p还更有利地至少等于2mm且至多等于3mm。齿组的齿距的值的这种优选的范围能够优化齿组的效率、噪音和对环境的耐受度之间的折中。通过示例的方式，2.3mm的齿组齿距针对这种折中产生良好的效果。

还有利的是，齿组的母线与相切于胎侧的轴向外表面的径向平面的方向形成至少等于4°且至多等于40°的角。该角度对应于螺旋形齿组的螺旋角。

齿组的母线相对于与胎侧的轴向外表面相切的径向平面的方向的这种倾斜使在轮胎的齿组和小齿轮的互补齿组之间的接触的接触比例增加。从而，与齿组具有严格沿径向的母线(这意味着母线相对于径向方向形成零度角)相比，产生的噪音明显减少。

甚至更有利的是，齿组的母线与相切于胎侧的轴向外表面的径向平面的方向形成至少等于15°且至多等于30°的角度。25°角是在产生噪音方面特别有利的构造。

有利地是，每个齿的大致三角形的截面的第一侧边和第二侧边具有直线形的轮廓。这是因为直线形的侧边具有用于与互补齿组接触的更大的面积，并因而允许传递较高的扭矩。

还更有利地是，每个齿的大致三角形的截面的第一侧边和第二侧边具有曲线形的轮廓。这是因为曲线形的侧边能够增加齿的抗弯刚度并因而传递更高的扭矩。

驱动侧边和非驱动侧边还可以具有结合直线形部分和曲线形部分的轮廓，从而兼具前述优点。

齿组的母线还可以为曲线形的，从而与一般直线形的母线相比增加啮合长度，因此潜在地增加能够传递的扭矩。

根据一个优选的实施方案，齿组含有纺织材料，优选为脂肪族聚酰胺类型。

纺织材料优选为脂肪族聚酰胺或者尼龙，其由于成本和与弹性材料的相容性而成为通常用于轮胎领域的材料。

纺织材料通常形成为机织织物的形式。但是，也可以同样由分散的增强剂形成。

除了弹性材料之外纺织材料的存在改进了由啮合周期产生的齿组的耐磨损度。还能够通过纺织材料具有的阻尼效果而减少产生的噪音。最后，从制造的观点来看，随着轮胎在硫化过程中形成，具有正交各向异性的弹性的纺织材料在模制齿的形状的过程中遵循这种变形。

根据优选实施例的优选的替换形式，齿组在弹性材料的轴向外侧包括纺织材料，优选为脂肪族聚酰胺类型。

位于弹性材料外侧的纺织材料具有易于就位的优点。此外，能够通过在轮胎的齿组和相应的齿组之间提供更好的滑移而增加传递效率，从而通过润滑效应而减少摩擦损失。

附图说明

借助于所附附图将更好地理解本发明的特征和其他优点，这些附图是示意性的且并非按比例绘制：

图1：根据本发明的包含齿组的自行车轮胎的一部分的立体视图，

图2：根据本发明的齿组在垂直于齿组母线的截面内的截面视图，

图3A具有直线形侧部的齿的第一示例的截面视图，

图3B：在图3A中显示的齿的第一示例情况下，弹性材料的杨氏模量E*如何随着齿的齿顶位移的比例d/h而进行的变化，

图4A：具有直线形侧部和圆形齿顶的齿的第二示例的截面视图，

图4B：在图3B中显示的齿的第二示例情况下，弹性材料的杨氏模量E*如何随着齿的齿顶位移的比例d/h而进行的变化。

具体实施方式

图1示出根据本发明的包含齿组5的轮胎1的一部分。轮胎1包括将胎面3连接至两个胎圈4的两个胎侧2，该胎面旨在与地面(未示出)接触；该胎圈旨在与安装轮辋(未示出)接触。方向XX’、YY’和ZZ’分别指示与轮胎的胎面3相切且指向轮胎运转的方向的周向方向、与轮胎的旋转轴线(未示出)平行的轴向方向、与轮胎的旋转轴线垂直的径向方向。轮胎1具有截面宽度S，其在胎侧2的轴向外表面21的轴向最外点之间，在轴向方向YY'上测得。轮胎1包括连续的齿组5，其母线G相对于轴线方向YY'上的轮胎的旋转轴线基本上沿径向，该齿组5在方向XX’上沿周向布置在至少一个胎侧2的轴向外表面21上。母线G与方向TT’(位于径向平面或子午面YZ内且与胎侧2的轴向外表面21相切)形成角B。齿组5包括齿51，齿51具有高度h和长度l，齿51包括具有弹性剪切模量G*的弹性材料。

图2是根据本发明的齿组5在垂直于齿组5的母线G的截面UV的平面上的截面。齿组5由齿51并列形成，齿51以恒定的齿距p隔开。齿距p是在与胎侧2的轴向外表面21平行的方向UU'上，在两个接连的齿51的齿顶之间测得的距离。每个齿51具有高度h，该高度h在与胎侧2的轴向外表面21垂直的方向VV’上，在齿51的齿根和齿顶之间测得。每个齿51包括驱动面或驱动侧52和非驱动面或非驱动侧53。在图2显示的实施方式中，驱动面52相对于方向VV’的角A₁小于非驱动面53相对于方向VV'的角A₂。进一步地，图2示出包括直线形驱动面和非驱动面的齿。在曲线形面的情况下，上述角需要在与齿的半高度处相应的曲线形面上的点的切线与方向VV’之间测得。

图3A和4A是根据本发明的齿51在与齿组5的母线G垂直的截面UV的平面内的截面视图。图3A和3B中显示的每个齿分别具有大致三角形的截面IJK，其包括发源于第一顶点I(表示齿的齿顶)的第一侧边和第二侧边(IK、IJ)，以及与第一顶点I相对且位于胎侧2的轴向外表面21上的第三侧边JK。第一和第二侧边(IK、IJ)分别与垂直于第三侧边JK的方向(VV’)形成第一和第二角(A₁、A₂)。在所显示的示例中，第一侧边IK是齿51的驱动侧或者驱动面52，齿51的驱动侧或者驱动面52上施加有均匀压力P，第二侧边IJ是齿51的非驱动侧或者非驱动面52，不受到均匀压力P。第一侧边IK的第一角A₁小于第二侧边IJ的第二角A₂。齿组的齿距p等于第三侧边JK的长度。齿51的齿顶I与其到第三侧边JK上的正投影H之间的距离限定出齿51的高度h。d是齿顶I在齿51的驱动面52受到均匀的压力P的时候的位移。在图3A和4A中仅仅显示了齿51的未变形的初始状态。

图3B和4B分别显示，在图3A和4A中分别显示的齿的杨氏模量E*如何随齿的齿顶的位移d与齿的高度h的比例d/h而变化的曲线。在每种情况下，都能够从这些曲线推算出杨氏模量的阈值E*_S，该阈值相应于等于0.2的比例d/h。换句话说，该阈值相应于20％的齿变形量。

已经使用有限元模拟对本设计的齿组的各种构造进行优化，这是由发明人对尺寸37-622的自行车轮胎所进行的试验项目。

在图3A和图3B中显示的齿的第一示例由以下特征限定：

-齿组齿距p＝1.8mm

-齿长度l＝8mm

-齿高度h＝1.22mm

-第一角A₁＝16°

-第二角A₂＝48°

-均匀压力P＝32.1巴(从公式P＝650/(l×h×(2.67-0.33p)推算出)

下面的表1给出在齿的第一示例上进行的有限元数值模拟的结果：

表1

相应于比例d/h为0.2的阈杨氏模量E*_S是3.46巴。因此，阈弹性剪切模量G*_S等于3.46/3＝1.15巴。得出结论，对于第一齿几何形状来说，齿的弹性材料的弹性剪切模量需要至少等于1.15巴。

在图4A和图4B中显示的齿的第二示例由以下特征限定：

-齿组齿距p＝2.3mm

-齿长度l＝8mm

-齿高度h＝0.94mm

-第一角A₁＝17°

-第二角A₂＝42°

-均匀压力P＝45.2巴(从公式P＝650/(l×h×(2.67-0.33p)推算出)

表2给出在齿的第二示例上进行的有限元数值模拟的结果：

表2

杨氏模量(巴)	位移d/高度h
		0.50	0.323
1.00	0.243
		1.50	0.201
2.00	0.174
		2.50	0.153
3.00	0.138
		3.50	0.125

相应于比例d/h为0.2的阈杨氏模量E*_S是1.59巴。因此，阈弹性剪切模量G*_S等于1.59/3＝0.53巴。得出结论，对于第二齿几何形状来说，齿的弹性材料的弹性剪切模量需要至少等于0.53巴。

本发明主要描述了旨在使用给定几何形状的齿组来传递给定水平的驱动力的齿组，在齿组仅由弹性材料制成的情况下，重点在于优化该材料的弹性剪切模量G*。除了弹性材料还使用纺织材料将会有利于增加齿的剪切刚度，这样的话，该齿由弹性体/纺织组合材料制成，这意味着可以降低其弹性材料的弹性剪切模量G*。此外，当然可以根据要传递的最大驱动扭矩并根据电气辅助设备的驱动小齿轮的互补齿组的几何形状(决定同时啮合的齿数)来适配齿组的几何形状以及同时啮合的齿数之间的关系(表示施加的均匀压力随驱动力的变化)。

Claims

1.自行车轮胎(1)，包括：

-两个胎侧(2)，该两个胎侧将胎面(3)连接至两个胎圈(4)，

-连续的齿组(5)，其母线(G)大体上相对于轴向方向(YY’)的轮胎的旋转轴线呈径向，所述齿组沿周向布置于至少一个胎侧(2)的轴向外表面(21)上，且旨在与互补齿组配合，

-所述齿组(5)由以齿距p等距间隔的齿(51)组成，

-每个齿(51)在母线(G)的方向上具有长度l，并在与母线(G)垂直的平面(UV)内具有大致三角形的截面(IJK)，

-所述大致三角形的截面(IJK)包括发源于第一顶点(I)的第一侧边和第二侧边(IK、IJ)，以及与所述第一顶点(I)相对的且位于所述胎侧(2)的轴向外表面(21)上的第三侧边(JK)，所述第一顶点代表所述齿的齿顶，

-所述第一侧边和所述第二侧边(IJ、IK)分别与垂直于所述第三侧边(JK)的方向(VV’)形成第一角和第二角(A₁、A₂)，

-所述齿(51)的齿顶(I)与齿顶到所述第三侧边(JK)的正投影之间的距离限定所述齿(51)的高度h，

-每个齿(51)包括具有弹性剪切模量G*的弹性材料，

其特征在于，所述齿(51)的弹性材料的弹性剪切模量G*至少等于阈弹性剪切模量G*_S，所述阈弹性剪切模量G*_S使得在由互补齿组施加至形成最小角(A₁、A₂)的侧边(IK,IJ)的均匀压力P的作用下每个齿(51)的齿顶(I)的位移d等于0.2乘以齿(51)的高度h，所述均匀压力P等于650/(l×h×(2.67-0.33×p))。

2.根据权利要求1所述的自行车轮胎(1)，其中所述齿(51)的高度h至少等于0.6mm，至多等于3mm。

3.根据权利要求1和2其中之一所述的自行车轮胎(1)，所述轮胎(1)具有截面宽度S，其中所述齿(51)的长度l至少等于0.15乘以轮胎的截面宽度S，至多等于0.50乘以轮胎的截面宽度S。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的自行车轮胎(1)，其中所述齿组(5)的齿距p至少等于1.8mm，至多等于5.5mm。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的自行车轮胎(1)，其中所述齿组(5)的齿距p至少等于2mm，至多等于3mm。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的自行车轮胎(1)，其中齿组(5)的母线(G)与相切于所述胎侧(2)的轴向外表面(21)的径向平面(YZ)的方向(TT’)形成至少等于4°且至多等于40°的角(B)。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的自行车轮胎(1)，其中齿组(5)的母线(G)与相切于所述胎侧(2)的轴向外表面(21)的径向平面(YZ)的方向(TT’)形成至少等于15°且至多等于30°的角(B)。

8.根据权利要求1至7任意一项所述的自行车轮胎(1)，其中每个齿(51)的大致三角形截面(IJK)的所述第一侧边和第二侧边(IK、IJ)具有直线形轮廓。

9.根据权利要求1至8任意一项所述的自行车轮胎(1)，其中每个齿(51)的大致三角形截面(IJK)的所述第一侧边和第二侧边(IK、IJ)具有曲线形轮廓。

10.根据权利要求1至9任意一项所述的自行车轮胎(1)，其中齿组(5)含有纺织材料，优选为脂肪族聚酰胺类型。