CN107074023B - 包含胎冠部分中的带束帘布层的重型卡车轮胎的最佳主体帘布层形状 - Google Patents

包含胎冠部分中的带束帘布层的重型卡车轮胎的最佳主体帘布层形状 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种具有均匀充气增大的轮胎。所述轮胎包含主体帘布层，所述主体帘布层通过提供从胎圈部分到胎圈部分的更均匀充气增大的方式，沿着所述轮胎的胎圈、侧壁和胎肩部分从常规平衡曲线偏离。此类构造降低载荷敏感性，减少或消除轮胎磨合期和/或减小开裂倾向——尤其是沿着胎肩中的胎面的沟槽底部开裂。

Description

包含胎冠部分中的带束帘布层的重型卡车轮胎的最佳主体帘 布层形状
技术领域
本发明的主题大体上涉及用于包含宽底单轮胎的轮胎的一种主体帘布层或胎体的新颖的形状。
背景技术
轮胎的主体帘布层，有时也称为胎体或胎体帘布层，从胎圈部分穿过两个对置的侧壁部分和轮胎的胎冠部分延伸。其构造中通常使用包含称为例如帘线的基本上不可延伸的材料的一层或多层。对于径向轮胎，在胎冠部分内，这些帘线通常定向在从轮胎的赤道面测量大于大约80度的位置。在充气轮胎中，主体帘布层有助于限制充气压力并且确定充气后轮胎的整体形状。当轮胎充气到给定压力时，主体帘布层将在子午面中具有特定形状或轮廓，被称作平衡曲线(equilibrium curve)。
主体帘布层设计为所有轮胎尤其是为宽底单(wide wide-based single，WBS)轮胎造成难题，宽底单轮胎是这样的轮胎：它们具有相对较宽的胎冠部分，并且可以用来取代各具有相对较窄的胎冠部分的一对轮胎。所有轮胎，尤其是WBS轮胎，通常在轮胎中心与胎肩部分之间有硬度差异。这个差异可能相比于被单WBS轮胎取代的常规双轮胎中的任一个轮胎都尤其明显。硬度差异可能导致轮胎在充气时不均匀地增大，这包含沿着胎面所在的胎冠部分的增大差异。因此，当轮胎滚动时，轮胎胎肩的运动可能比中心更强烈，这样可能引起一些问题，例如胎面中的沟槽底部开裂，以及接地面形状对载荷变化的敏感性增大。
对于重型卡车轮胎来说，不均匀的充气增大也可使得轮胎在初始使用期间经历磨合期(例如，前一千英里左右)。在磨合期期间，由于不均匀的充气增大所产生的应力，轮胎的橡胶会发生粘弹性松弛。结果，轮胎的形状或轮廓发生演变，以便使应力消散。这个演变的形状会阻碍针对胎面磨损性能来优化轮胎的设计，从而导致在磨合期期间通常高到不可接受的胎面磨损率。
常规上，用于轮胎设计和构造的平衡曲线是基于传统的三层隔膜模型。令人遗憾的是，因为轮胎尤其是WBS轮胎的中心与胎肩部分之间有很大的硬度差异，所以这种传统模型可能会得到充气增大不均匀的轮胎。同样，这种不均匀的充气增大可能会在轮胎的胎肩中形成活动点，这个活动点可能会对胎肩沟槽的底部造成较大应力，并且相对于轮胎的中心减小胎肩部分的硬度。
先前实现均匀充气增大的尝试是集中于例如增加胎冠部分中的带束层组合件的结构性刚度，以便在机械上限制不希望的充气增大，和/或添加橡胶部分，以试图使充气增大定形。令人遗憾的是，这些方法会增加轮胎成本以及轮胎质量。质量增加可能不利地影响例如滚动阻力之类的轮胎性能。
因此，采用提供更均匀充气增大的主体帘布层的轮胎将是有用的。在比如例如WBS轮胎之类的轮胎中具有还能防止或阻止例如胎面中的沟槽底部开裂、减小载荷变化敏感性、降低或消除磨合影响和/或提供其它益处的这些特征将是有用的。如果既能实现这些有利的益处，又不会增加质量或对滚动阻力或其它性能标准造成不良影响，那么将尤其有益。一种形成或设计此轮胎的方法也将是有用的。
发明内容
本发明的另外目标和优点将部分在以下描述中进行阐述，或可以从所述描述中显而易见，或可以通过实践本发明来获悉。
在本发明的一个示范性实施例中，本发明提供轮胎，所述轮胎限定径向方向、轴线方向和轮胎中心线。轮胎包含一对对置的胎圈部分；一对对置的侧壁部分，其与对置的胎圈部分连接；和胎冠部分，其连接对置的侧壁部分。至少一个主体帘布层，其在所述胎圈部分之间延伸并且通过所述侧壁和胎冠部分，所述主体帘布层沿着子午面具有曲线，其中s是沿着所述曲线从所述轮胎的中心线的单位为mm的长度。
这个示范性轮胎包含至少两个带束帘布层，其安置于所述胎冠部分中，每个带束帘布层包含带束帘布层加固元件，所述带束帘布层加固元件从一个带束帘布层到另一个带束帘布层交叉，所述加固元件相对于所述轮胎的赤道面形成角度± α，所述角度具有在10°和45°之间的绝对值。对此轮胎，sM指代至少两个带束帘布层中在子午面中的最宽带束帘布层的沿着轴向方向的最大曲线宽度的二分之一。提供周向层，其包含周向加固元件并且沿着轴向方向具有在一些实施例中可能超过带束帘布层中的每一个的轴向宽度的宽度。
当对于主体帘布层构造具有三个相切点p、d和q的基础曲线时，沿着轮胎中心线的至少一侧，主体帘布层具有
i)在点P1＝0.13sq+0.87sm-56.6mm处与基础曲线的偏离D(s)，范围为-4.25mm≤ D(s)≤-0.5mm，和
ii)在点P2＝0.8sq+0.2sm-13mm处与基础曲线的偏离D(s)，范围为-0.5mm≤D(s)≤1.25mm；其中sq为沿着出现点q的基础曲线的曲线的长度。
参考以下描述以及所附权利要求书，本发明的这些以及其它特征、方面以及优点将得到更好的理解。并入在本说明书中并且构成本说明书的一部分的附图图示了本发明的实施例，并且与所述描述一起用以说明本发明的原理。
附图说明
本说明书中阐述本发明的针对所属领域的一般技术人员的完整且启发性揭示内容 (包含其最佳模式)，说明书参考附图，在所述附图中：
图1示出本发明的轮胎的示例性实施例的横截面图。横截面是沿着轮胎的子午面截取的，并且未必是按比例绘制的。
图2示出沿着子午面的示例性主体帘布层的横截面图。仅仅示出了表示主体帘布层的曲线的二分之一——即在s＝0处沿着轮胎中心线的一侧的曲线部分。
图3是沿着两个曲线的子午面的横截面图，其表示在点s0处曲线与参考曲线的偏离。
图4是沿着子午面的横截面图，其示出当充气到参考压力与标称压力之间时的主体帘布层的形状变化。
图5是常规轮胎和具有本发明的创造性主体帘布层的轮胎的充气增大的曲线图。
图6示出主体帘布层的曲线的基础曲线的构造中的组件。
图7是本发明的示例性轮胎的正视图。
图8是本发明的示例性主体帘布层和由示例性主体帘布层构造的基础曲线的沿着子午面的横截面图。
图9、10、11、12、13、16和17是本文中所充分描述的依曲线长度而变的偏离的曲线图。
图14、15、18是本文中所充分描述的依曲线长度而变的充气增大的曲线图。
图19和20是本文中进一步描述的在点P1和P2处的偏离的充气增大的曲线图。
图21是本文中所充分描述的经模型化以确定第一原理柯西应力P1的轮胎的沟槽的横截面图。
图22示出本发明的轮胎的示例性实施例的横截面图。图23示出本发明的轮胎的示例性实施例的另一横截面图。每一视图中的横截面是沿轮胎的子午面截取的，且不一定按比例绘制。
具体实施方式
出于描述本发明的目的，现在将详细参考本发明的实施例，图式中示出了本发明的实施例的一个或多个实例。每个实例是为了说明本发明而提供，而非限制本发明。实际上，所属领域的技术人员将显而易见，在不脱离本发明的范围或精神的情况下可以在本发明中进行各种修改和改变。举例来说，被示出或描述为一个实施例的一部分的特征可以与另一实施例一起使用以产生再一实施例。因此，希望本发明涵盖如落入所附权利要求书及其等效物的范围内的此类修改和改变。
如本文所使用，应用以下定义：
“子午面”是轮胎的旋转轴所在的平面。图1是沿着子午面截取的本发明的示例性轮胎100的横截面。如本文所使用，子午面包含右侧笛卡尔坐标系的y-z平面，其中y＝0 沿着轮胎的中心线C/L定位，且x垂直于旋转轴，与轮胎的周长相切，且在接触点处平行于轮胎所滚动的平坦表面。
轮胎的“中心线”(C/L)是从子午面中看将轮胎分成两半的一条线。
“赤道面”是垂直于将轮胎沿着其中心线(C/L)分成两半的子午面的平面。如本文所使用，赤道面EP包含笛卡尔坐标系的x-z平面。
轮胎的“胎冠部分”是在轮胎的侧壁部分之间沿着轴向方向A(其是平行于轮胎的旋转轴的方向)延伸的部分，包含胎面以及在胎面径向内侧定位的组件。胎冠部分和其组件围绕轮胎沿圆周延伸。
“主体帘布层”或“胎体”或“胎体帘布层”是在子午面中看到的在轮胎的相对侧上的胎圈部分之间延伸并且从所述胎圈部分延伸通过相对的侧壁部分并且跨越轮胎的胎冠部分的层。如本文所使用，主体帘布层具有加固件，比如例如相对于子午面成10 度或更小的角度的帘线。
“带束帘布层”是在子午面中看到的主要位于胎冠部分中、在胎面部分的径向内侧并且在主体帘布层的径向外侧的帘布层。带束帘布层不延伸超过轮胎的胎肩部分。
“平衡曲线”或“主体帘布层的曲线”是指在轮胎的子午面中看到的主体帘布层的形状或几何形状的模型。轮胎，包含主体帘布层，当安装到车轮或轮辋上并且充气时具有平衡形状。平衡曲线可用于例如在这个平衡条件下为主体帘布层的形状建模。
“最大侧壁压力”是指通常标记在轮胎的侧壁上的轮胎的最大充气压力。
“径向方向”垂直于轮胎的旋转轴。在以下描述中也使用笛卡尔坐标系，其中y轴平行于旋转轴而z轴平行于径向方向。“周向方向”是指围绕y轴的旋转。
“截面宽度”是指沿通常在轮胎赤道处出现的子午面看到的沿着轴向方向的轮胎的最大总宽度。“截面高度”是指沿子午面看到且通常从胎圈部分的底部延伸到胎冠部分的顶部的沿着径向方向的所述的最大总高度。
“高宽比”是轮胎的截面高度与其截面宽度的比率。
所属领域的技术人员将理解，本文中根据轮胎和轮辋协会(Tire and RimAssociation) 公开和使用的惯例参考轮胎尺寸。
本文中和随附权利要求书中使用例如带束、胎圈和/或帘布层之类的术语，并不将本发明限于从半成品构造的轮胎或由必须从扁平轮廓改变成环面形式的轮廓的中间产品形成的轮胎。
图1提供沿着本发明的轮胎100的示例性实施例的子午面的横截面。轮胎100包含一对对置的胎圈部分102、104。一对对置的侧壁部分106、108与对置的胎圈部分102、 104连接。胎冠部分110连接对置的侧壁部分106、108。一或多个带束帘布层112、114 和116安置于胎冠部分110中。带束帘布层112、114和116是用例如帘线118、120和 122之类的元件加固的层——每一层的帘线与赤道面EP(在子午面被置于y-z平面中的情况下，赤道面也可被称作x-z平面)形成相同或不同角度。在一个示例性实施例中，本发明的轮胎100包含至少一个带束帘布层，所述带束帘布层具有与赤道平面EP成5 度或更小的角度的帘线或其它加固件。在另一示例性实施例中，本发明的轮胎包含至少一个带束帘布层，所述带束帘布层具有平行于赤道平面EP(即相对于赤道平面EP形成约零度的角度)的帘线或其它加固件。这些实施例将包含例如沿着周向方向C的波浪形或曲线形带束，所述带束在其长度内平均小于5度或在其长度内约为零度。
至少一个本发明的示例性主体帘布层H在胎圈部分102、104之间延伸，穿过对置的侧壁部分106、108和胎冠部分110。主体帘布层含有相对于子午面以通常10度或更小的角度(即，与赤道平面EP成80度或更大)定向的帘线或其它加固件。举例来说，主体帘布层H的此类加固件可包含标称上不可延伸的材料，例如金属缆线、芳族聚酰胺、玻璃纤维和/或碳纤维组份。
胎面部分124位于胎冠部分110中，在带束帘布层112、114和116的径向外侧。胎面部分124包含肋状物126，肋状物126通过沿着每个胎肩部分132和134的沟槽(例如第一沟槽128和130)隔开。应注意，本发明不限于图1中所示的轮胎100的特定尺寸或外观。实情为，本发明还可用于具有例如与图1中所示的不同的宽度、高宽比、胎面特征和带束的轮胎——应了解，仅举例提供轮胎100。另外，本发明不限于具有如胎圈部分102、104所示的围绕胎圈芯的上翻部分的主体帘布层H。实情为，也可使用具有另外端接于胎圈部分102、104中的端部的其它主体帘布层。
在一个示例性实施例中，轮胎100具有在50到80范围内的高宽比。在另一示例性实施例中，轮胎100具有在275到455mm范围内的截面宽度。在再一示例性实施例中，轮胎100具有在445到455mm范围内的截面宽度。也可使用其它尺寸和物理配置。
如上所述，本发明提供一种具有跨越轮胎的整个主体帘布层H的更均匀的充气增大——即轮胎在被充气时的增大——的轮胎。均匀性可例如通过轮胎的本文中限定的充气增大幅度A来指定。本发明轮胎的均匀充气增大能降低载荷敏感性，减少或消除磨合期和/或减小开裂倾向——尤其是沿着例如轮胎100的胎面部分124的沟槽128和/或130 的胎肩区域中的一或多个沟槽底部开裂。
在典型的轮胎制造过程中，在模具中将轮胎硫化，轮胎在模具中呈现其最终几何形状。常规上，主体帘布层通常设计成在模具中尽可能接近平衡以便于制造。对于本发明，提供一种偏离常规平衡曲线(即主体帘布层的常规几何形状或形状)的发明性主体帘布层H(图1中的主体帘布层H只是它的一个实例)。已发现这种发明性偏离能补偿加固复合物典型的结构效应，这种结构效应发生在轮胎的胎肩部分132和/或134中的靠近带束末端的位置。此外，发明人发现，通过将主体帘布层H安置成使其以特定方式(本文中指定为偏离D)沿着胎肩、侧壁和胎圈部分从常规平衡曲线偏离(即位移)，可以实现均匀的充气增大。
如本文所使用，参照两条曲线之间的差异，可以更全面地量化和理解术语“充气增大”。更具体来说，假设R是标示子午面中的主体帘布层的形状的参考曲线，X是标示子午面中的另一主体帘布层的形状的另一曲线，并且DRX标示沿着从曲线R朝向曲线X 的在任何给定点垂直于曲线R的方向的曲线X离曲线R的偏离。还假设曲线R和X是共面的，并且在众所周知的圆柱形极坐标系中处于相同的y-r平面中。可以在笛卡尔y-z 平面中指定曲线R和X，因为任何y-r平面可以旋转到y-z平面中——即本文所定义的子午面。
参看图2，参考曲线R可以通过定义而根据其曲线长度s参数化。假设曲线长度s经定义为一参数，所述参数是从零延伸到L的集合中的元素，即s∈[0,L]，其中L是从s＝0的曲线R的总长度(因为参考曲线R可以表示主体帘布层， L在本文中也被称作主体帘布层的一半长度)。这个曲线具有切线向量和法线向量因此，如图3中所说明，用如下方式定义点R(s0)处的曲线R 与曲线X之间的距离DRX(s0)：
1.定位点R(s0)并且计算在此点曲线的垂线。
2.形成与穿过R(s0)的共线的光线。这个光线将在一组点{qi}处与曲线X相交。
3.将DRX(s0)定义为DRX(s0)≡mini‖qi-R(s0)‖，其为点qi与R(s0)之间的欧几里德距离的最小值。这个定义确保如果法线光线在多于一个点与曲线X相交，那么将选择最近的点。
继续图3，如果曲线X表示充气之后的示例性轮胎100的主体帘布层H(即沿子午面看到的主体帘布层H的形状)，并且参考曲线R表示此充气之前的主体帘布层H，那么如上所述，任何点处的充气增大可以确定为DRX(s0)≡mini‖qi-R(s0)‖。举例而言，如果在y-z平面(即子午面)中切割轮胎100，那么主体帘布层H将定义曲线C，其可以根据其曲线长度s:参数化。曲线C具有切线向量 和法线向量类似地，还可以分别通过具有法线向量和的曲线 I(s1)和E(s2)描述轮胎100的内表面I和外表面E。
使用这些定义，在本发明的一种示例性方法中，可以在轮胎的例如0.5巴的极低压力状态(在本文中被称作“参考压力”)与期望设计压力(在本文中被称作“标称压力”——这可以例如是最大侧壁压力)之间测量到充气增大。优选地，参考压力足够高，可以将轮胎100的胎圈部分102、104安放在轮辋上，但是又足够低，可以避免以其它方式改变轮胎100的形状。更具体来说，为了保持边界条件在这两个压力状态之间不变，对于本示例性方法，轮胎100的胎圈部分102、104在轮辋上的位置固定在其在标称压力下占据的位置。这可以例如实验上通过使用内部胎圈支座实现，并且还可以容易用例如计算机使用有限元分析(FEA)或计算机辅助设计程序模拟或建模。
接下来，在任何期望方位角下对轮胎100进行测量，得到曲线I、E和/或C。举例来说，可以直接测量(例如通过x射线技术)或通过FEA从计算机模型获得主体帘布层 H的曲线C(s)。如图4中所示出，用上文指定的边界条件获得的两个主体帘布层曲线可以被定义为C(s)N(标称压力下的主体帘布层曲线)和C(s)R(参考压力下的主体帘布层曲线)。接着将点s0处的主体帘布层的充气增大G(s0)定义为
图5的曲线图U示出使用FEA在0.5巴的参考压力和8.3巴的标称压力下向常规445/50R22.5WBS轮胎应用这种测量充气增大的示例性方法的结果。在轮胎中心线C/L 处y＝0(且s＝0)的情况下，这种常规轮胎的胎面部分从-195mm(毫米)延伸到+195mm。曲线图U示出了仅沿着轮胎的一侧(即，中心线C/L的左侧)的充气增大，但是应了解，所述结果对于围绕轮胎中心线对称地构造的轮胎将基本上是对称的。
对于制造轮胎，曲线图U中的大峰值出现在沿着曲线长度s的大约142mm处。因为轮胎是对称的，所以这意味着在±142mm出现的两个峰值与胎面部分124的第一胎肩沟槽120或130的位置紧密对准，并且使沟槽底部处在强拉伸延伸下，这样可能会大大促进裂纹形核和传播。这样的强增大，结合胎面带的边缘处的增大的急剧减少，可能会使沟槽128或130的位置中的轮胎的胎冠部分110弯曲。弯曲而不是气动地作用，因而会减小轮胎的整体竖直硬度。这样会在轮胎的胎冠中每一个这样的点中引入铰接点，使得轮胎结构上这个铰接点会在存在或不存在胎肩沟槽的情况下发生，但是当它与轮胎中的沟槽的位置重合时尤其会造成问题。
另外，因为这个铰接点处的弯曲程度会随载荷改变，所以随着载荷的变化，轮胎的印迹相对于轮胎的中心线C/L在胎肩132和134处的演变很快。举例来说，在高载荷下，胎肩132和134的长度相对于中心与地面的接触过多。相反，在较低的载荷下，胎肩132 和134相对于中心变得过短；它们在最低使用载荷下甚至可能完全失去与地面的接触。被称为载荷敏感性的这种现象对于均匀并且有规律的胎面带磨损是不希望的，并且会导致轮胎的更换里程缩短。
本发明解决这些和其它问题的办法是通过提供跨越整个主体帘布层H的平坦且稳定的充气增大曲线(例如，从胎圈部分102到胎圈部分104)，如图5中的示例性曲线图 K所表示。这些曲线在本文中将定义的点st处结束。曲线图K中所示的本发明轮胎的充气增大在从轮胎中心线C/L到点的窄范围内变化且没有峰值和谷值。
举例来说，同样如图5中所示，在常规轮胎的曲线图U的侧壁部分(从大约s＝184mm延伸到s＝256mm)中，主体帘布层展现出充气增大G变负的显著波谷。这意味着常规轮胎当充气到标称压力时，在这个区域中快速地向内拉。由于这个环形区域的大表面积，所以对轮胎的胎冠部分施加了很大的力，这又对胎肩区域施加了很大的径向力，从而导致前述铰接影响。本发明的主体帘布层H移除这个波谷，且伴随不合需要的内部应力，且在小得多的改变情况下实现增大。更确切地说，本发明提供从胎圈部分102到胎圈部分104的均匀的充气增大，且没有常规轮胎构造中的实质性峰值和谷值。本文中量化的峰值和谷值的缺失参考定义术语——充气增大幅度A。
由曲线图K表示的示例性充气增大是通过如下方式获得的：提供用于轮胎100的示例性主体帘布层H的在子午面中查看的某一发明性几何形状或曲线(沿着中心线C/L的一侧或两侧)。本文中参看与可以针对任何期望轮胎明确地构造的“基础曲线”(图中标示为BC)的偏离D指定和主张用于主体帘布层H的这个发明性曲线的位置。更具体来说，所属领域的技术人员将理解，基础曲线BC可以由实际轮胎的物理样品的测量值明确地构造，或者由比如例如计算机模拟模型或计算机辅助设计(CAD)模型之类的轮胎的一或多个模型构造。因此，本文中使用基础曲线BC为本发明的主体帘布层的将来测量和位置规范提供清晰的参考。
因此，如现在将参看图6所示的具有带束帘布层W和主体帘布层H的假设轮胎的示例性轮廓所述，限定并构造在本说明书中和随附权利要求书中使用的“基础曲线”或“基础曲线BC”。应理解，本发明的轮胎可具有多于一个带束帘布层。带束帘布层W 用于表示沿着轴向方向具有最长带束长度的带束帘布层——即在子午面中看的沿y方向的最宽带束。举例来说，如图1中所示，带束帘布层122是最宽的带束帘布层并且在图 6所示的具有带束帘布层W和主体帘布层H的假设轮胎的示例性轮廓所述，限定并构造在本说明书中和随附权利要求书中使用的“基础曲线”或“基础曲线BC”。参看图6，除了沿着轴向方向的最长带束长度之外，带束帘布层W也是具有相对于赤道面EP在大约-80度≤α≤+80度范围内的角度α的帘线或类似加固件的最长带束。因此，带束帘布层 W的这个定义不包括胎冠部分110中的任何可以实际上充当主体帘布层的带束。
作为构造主体帘布层H(或构造基础曲线BC作为参考的任何其它主体帘布层)的基础曲线BC的方法的一部分，使用形状主体帘布层H确定主体帘布层H的形状，假设当轮胎在0.5巴的参考充气压力(例如，图4中标示为C(s)R)下安装在应用轮辋上，此轮辋提供上文在论述充气增大时阐述的边界条件。如所述，在轮胎的实际物理样品的情况下，可以使用例如X射线技术或激光轮廓测定法实验上测量在这样的低充气条件下子午面中的主体帘布层H的形状。在比如例如计算机生成模型之类的轮胎模型的情况下，下可以使用例如有限元分析(FEA)或计算机辅助设计程序来确定这样的低充气条件下子午面中的主体帘布层H的形状。
图6示出子午面中看到的轮胎100的主体帘布层H的一部分的形状，并且仅仅示出主体帘布层H的二分之一。图6中标示为BC的基础曲线以及本发明的其余描述将使用 y-z平面的左手边(负y)(即在图1中看，在中心线C/L左侧的轮胎部分)阐述，但是应了解，本发明对于具有对称带束架构(即相对于围绕z轴的180°旋转)的轮胎胎冠部分是对称的。使用本文中所揭示的教示，所属领域的技术人员将容易理解将本文中所描述的程序应用于非对称带架构。主体帘布层H与y＝0线的交叉点限定轮胎中心线C/L 处的点a。可以通过曲线CR(s)在y-z平面中将主体帘布层H参数化，其中s是从点a测量到的曲线长度，其由中心线与主体帘布层的交叉定义，且轮胎已经充气到上文所定义的参考压力。显然s∈[0,L]，其中L是主体帘布层的一半长度(即子午面中沿着曲线 CR(s)测量到的主体帘布层H的整个长度的二分之一)。
接下来，考虑轮胎的胎冠部分中的所有具有相对于赤道平面EP成大约-80度≤α≤+ 80度范围内的角度α的帘线的带束帘布层(比如，例如，图1中的帘布层112、114和 116)，将点M限定为位于在子午面中看的所有这样的带束中的最宽带束(即，对于此实例为带束W)的末端的点，其中参数sM表示在子午面中沿着这样的带束W的轴向方向的最大曲线一半宽度。另外，sb被定义为sb＝sM-65mm，并且点b被定义为b＝CR(sb)。
使用上文的定义，由两个部分构造基础曲线BC。继续图6，基础曲线BC的第一部分包含具有胎冠半径rs的圆弧A，它开始于点a并且穿过点b。通过要求所述圆弧与水平线在点a成切线来确定胎冠半径rs。应注意，这就相当于要求描述圆弧的圆心位于z 轴上。
为了指定基础曲线BC的第二部分J，现在在本描述和所附权利要求书中限定几个另外的点。首先，假设se是主体帘布层H在y中具有其最小值时的参数值，且假设sz是主体帘布层H在z中在其最小值处的参数值。赤道点e被定义为e＝CR(se)＝(ye,ze)，且点z被定义为z＝CR(sz)＝(yz,zz)。
L被定义为穿过点e的竖直线。点h(h＝(yh,zh))是穿过点z的水平线T与线L之间的交叉点。应注意，点h一般不在主体帘布层H上。将距离n定义为n＝‖e-h‖(即点e与h之间的欧几里德距离)。
中间点f(未必在主体帘布层H上)现在相对于点h定义为f＝(yh,zh+0.3*n)。穿过点f构造水平线，且其与主体帘布层H的最接近相交的点被定义为点t，它发生在参数st下，从而使得t＝CR(st)。半径20mm的圆C构造成在点t与主体帘布层成切线。圆心限定为沿着由主体帘布层H在点t处的垂线限定的在主体帘布层的20mm处的点g。
因此，基础曲线BC的第二部分包含径向平衡曲线J，现在可以用以下方式容易地确定径向平衡曲线E。如所属领域的技术人员应理解，径向平衡曲线通过2个参数表征： rc，中心半径，和re，赤道半径。这里r是常见圆柱形极径向坐标，且当在y-z平面中时等于z。径向平衡曲线可以通过差分等式描述，并且还可以通过计算每个后续半径处的曲线的切线角度和曲率κ从中心半径开始明确地构造。用于径向平衡曲线的切线角度和曲率的表达式是众所周知的，并且如下给定：
等式1和2
为了唯一地确定径向平衡曲线J的参数rs和re，施加三相切条件(tri-tangencycondition)。首先，径向平衡曲线J必须与弧形A成切线。总的来说，这两条曲线的切线交叉点将发生在点p≠b。以垂直于主体帘布层H的参考曲线的方式将点b投影到基础曲线BC上以获得其等效点。通常，点p将与点b的侧向向外弧形相交，在这种情况下，这个投影是没有必要的，因为这个投影只会产生原始点b。三次相切的第二要求是径向平衡曲线J和线L必须彼此相切，这会在表示为图6所示的具有带束帘布层W和主体帘布层H的假设轮胎的示例性轮廓所述，限定并构造在本说明书中和随附权利要求书中使用的“基础曲线”或“基础曲线BC”。一般来说，相切点d≠e。三次相切的第三要求是径向平衡曲线J必须与圆C相切，这会在如图6中所示的点q处发生且在所附权利要求书中参考。同样在所附权利要求书中参考，点q沿着主体帘布层H在曲线长度 sq处出现。一般来说，这个相切点q≠t。这些约束条件唯一地确定径向平衡曲线J。
因此，基础曲线BC经定义为从a到p的弧线段A与点p和q之间的径向平衡曲线 J的并集，即基础曲线BC＝A∩J。可以通过所属领域的一般技术人员已知的许多方式确定径向平衡曲线的值rc和re。举例来说，一种方法开始是通过取rc＝zb并且re＝ze然后迭代寻解。
现在参看图8，上文定义用以构造示例性主体帘布层H的基础曲线BC。如所示出，在参考压力条件下，本发明的示例性主体帘布层H的新几何形状或形状与沿着轮胎100 的胎肩和侧壁区域的基础曲线BC的形状有很大不同。可以如将描述的，通过根据曲线长度s按参数规定示例性主体帘布层H的这个发明性几何形状从基础曲线BC的偏离 DBC-H来划定这个发明性几何形状。
通过引入移位参数s’＝s–sb，还可以观察到，随着轮胎宽度的改变，本发明的新主体帘布层H与常规轮胎以对称方式偏离。如图9中所示出，同与常规轮胎的主体帘布层 N的基础曲线BC的偏离D(s’)相比，本发明主体帘布层H与基础曲线BC的偏离D(s’) 是新颖且独特的。举例来说，不仅仅是本发明的主体帘布层H的偏离D(s’)的绝对值的量值不同，与本发明的主体帘布层H的基础曲线BC的偏离方向也与常规主体帘布层N 的偏离方向相反。更确切地说，对于沿着其长度s的大量部分，本发明的主体帘布层H 位于基础曲线BC的不同于常规轮胎的主体帘布层N的侧上。
图10示出依据移位参数s’描绘的四个常规轮胎的偏离D(s’)。如图所示，对于四个常规轮胎中的每一个，偏离D(s’)是不同的。通过比较，图11示出图10中所使用的相同但是配备有本发明主体帘布层H的四个轮胎大小的偏离D(s’)。如图所示，偏离D(s’)是对称的，且对于s’的某些部分，在基础曲线BC的与相同轮胎大小的常规主体帘布层相反的侧上。
另外，参看图11，本发明人发现所示的曲线的形式是不变的，且在将与基础曲线BC的偏离描绘为依据标称且移位参数s”时，所有轮胎大小之间的对准定义如下：
等式3
其中sb＝参数s在点b处的值，先前定义为
sM–65mm
sq＝先前定义的在点q处的参数s的值。
参数s”的使用标称化例如不同胎面宽度、截面宽度和轮辋尺寸的轮胎的偏离。
如图12中所示，随s”而变的偏离D(s”)的曲线图揭示本发明的主体帘布层H内日共的不同大小的四个轮胎之间的对准。通过比较，图13提供随没有本发明主体帘布层H 的相同大小的四个常规轮胎而变的偏离D(s”)的曲线图。类似于以上论述，对于具有本发明主体帘布层H的轮胎，与具有相同大小的常规轮胎相比较，偏离D(s”)的方向和量值是不同的。
重要的是，本发明主体帘布层H导致所要均匀的充气增大G。图14是如图10和 13中使用的相同的四个常规轮胎的充气增大G(单位为mm)的曲线图。如图所示，对于这些常规轮胎，充气增大G在曲线长度s上是不均匀的。通过比较，图15提供配备有本发明主体帘布层H的相同轮胎大小的充气增大G的曲线图。每一轮胎具有在本发明主体帘布层H的整个长度s内的均匀的充气增大。
返回参看图12，本发明人发现偏离D(s”)的曲线图揭示出沿着对应于曲线图中的最小和最大峰值的本发明主体H的两个关键位置：
P1，其出现在s”＝0.13处
P2，其出现在s”＝0.8处
使用上文等式2且替换sb＝sM-65mm会产生沿着主体帘布层H的曲线长度s的点P1和P2，其中对于其与基础曲线BC的偏离D(s”)：
等式4
P1出现在s＝0.13sq+0.87sm-56.6处(单位为mm)
等式5
P2出现在s＝0.8sq+0.2sm–13处(单位为mm)
通过在P1和P2点处将与基础曲线BC的偏离D(s)维持在指定范围内，可以获得本发明主体帘布层H的所要均匀充气增大G。更确切地说，在点P1处，应将与基础曲线的偏离D(s)维持在-4.25mm≤D(s)≤-0.5mm的范围内，且在点P2处，应将与基础曲线的偏离D(s)维持在-0.5mm≤D(s)≤1.25mm的范围内。如本文中所使用，D(s)的范围的表达式包含指定范围的端点。
图16示出先前图10、13和14中所参考的四个常规轮胎的偏离D(s”)的曲线图。如图所示，这四个常规轮胎的主体帘布层处于P1和P2的偏离D的指定范围之外。图17 示出用本发明主体帘布层H构建的相同轮胎大小。偏离D(s”)也处于P1和P2处的偏离D 的指定范围内。
通过构造具有所指定的偏离D的在本发明主体帘布层H内的轮胎，获得从胎圈部分102到胎圈部分104的均匀充气增大G.为了获得本发明的益处，充气增大G的量值并非临界值。实情为，峰值和谷值的缺失很重要。回想点t处的距离参数的值为st(如上文所阐述)，在给定方位角θ处在-st到st的区域内的充气增大G的最大值、最小值和幅度定义如下：
等式6
等式7
等式8
A(θ)＝Gmax(θ)-Gmin(θ)
Gmax(θ)是在给定角度θ处在参数点-st与st之间发现的最大充气增大G。类似地，Gmin(θ)是在给定角度θ处在参数点-st与st之间发现的最小充气增大。A(θ)是在角度θ处的充气增大的幅度，且为Gmax(θ)与Gmin(θ)之间的差值。举例来说，这在图18中使用来自图5的常规轮胎进行说明。
充气增大G的有限元计算通常为2d轴对称模拟，预测在方位角θ处的相同幅度A。然而，为了进行物理轮胎测量，充气增大G可在轮胎周围的方位角之间变化。因此，如所附权利要求书中所使用，最终幅度测量值在本文中以如下方式定义为n≥4个均匀间隔开的方位角测量值的平均值：
等式9
使用等式6、7和9，使用先前参考的四个常规轮胎以及配备有本发明的主体帘布层H的相同大小的轮胎计算以下结果：
表I
在本发明的一个示例性实施例中，当用这类主体帘布层H进行构造时，轮胎100具有充气增大幅度A，当轮胎从约0.5巴的压力充气到约最大侧壁压力时，所述充气增大幅度小于或等于约1.5mm。图19和20提供依据单位为毫米(mm)的基础曲线的偏离的P1和P2的曲线图。如图所示，当在点P1处将与基础曲线BC的偏离D(s)维持于-4.25 mm≤D(s)≤-0.5mm的范围内且在点P2处将与基础曲线BC的偏离D(s)维持于-0.5mm ≤D(s)≤1.25mm的范围内时，充气增大幅度A小于或等于约1.5mm。
新发明的效率也由使用相同四个轮胎大小执行的胎肩沟槽开裂模拟展示。为此目的产生特殊制备的FEA模型，其中网密度沿着胎肩沟槽底部(图10)剧烈增加。在8.3 巴的轮胎压力和3680公斤的负荷下进行平坦地面上的滚动模拟。在每一方位角处在胎肩沟槽中计算每一元件的P1(第一原理)柯西应力，因为轮胎会进行旋转，且在滚动循环内获得最大P1应力。图21示出出现的最大应力MS的位置，且表II提供结果。如所属领域的技术人员应理解，柯西应力被广泛用作沟槽底部开裂的指示。在表I和表II中，以及在图中，“制造轮胎”是指构造中没有本发明主体帘布层的常规轮胎，而“本发明”是指具有本发明的创造性主体帘布层H构造的轮胎的示例性实施例。
表II
本发明还提供一种设计或构造轮胎100的示例性方法。这样的方法可以用于改善现有轮胎设计的主体帘布层可以用于创造新的轮胎设计。在任一情况下，对于此示例性方法，设计者开始将是创建轮胎模型，模型包含表示当轮胎被充气到参考压力时沿着子午面的主体帘布层的形状的参考曲线，其中s是沿着参考曲线从轮胎的中心线的以mm为单位的长度。对于现有轮胎，可以如上文所述使用现有CAD制图或通过使用接受了例如X射线、激光轮廓测定法或其它技术的轮胎样品的物理测量值来创建参考曲线。对于新得轮胎设计，可以从例如轮胎的CAD模型或其它计算机模型创建参考曲线。参考压力可以例如是0.5巴或其它压力。
接下来，基于参考压力下的轮胎的参考曲线为轮胎构造基础曲线BC。例如如先前描述构造基础曲线BC。
使用所述基础曲线BC，为沿着子午面的主体帘布层形状创建目标参考曲线(其可由R(s)描述，如上文经由等式4和5所阐述)。这个目标参考曲线是有待用于轮胎中的新主体帘布层--比如例如上文所论述的示例性主体帘布层H——的期望曲线或几何形状。
通过将参考曲线再定位成具有在点P1处在-4.25mm≤D(s)≤-0.5mm的范围内且在点P2处在-0.5mm≤D(s)≤1.25mm的范围内的与基础曲线BC的偏离D(s)，借此创建目标参考曲线，其中P1和P2位于沿着目标参考曲线处，如上文等式4和5中所分别阐述。
还可以通过在轮胎中心线的一侧或两侧上再定位参考曲线来创建目标参考曲线。
对于现有轮胎，将改变设计以包含主体帘布层的新形状。这将包含制造具有新主体帘布层的轮胎的改变。对于新设计的轮胎，该设计将包含用于主体帘布层的新轮廓或曲线。因此，本发明包含具有提供本文所述的均匀充气增大G的新发明性主体帘布层的所构造和制造的轮胎。
某些轮胎用于在相对较长的旅途中以高速公路的速度行驶。例如高宽比大于0.5的卡车轮胎的磨损性能改善和翻新之后，轮胎的胎冠部分也具有良好的耐久性可能变得较为重要。举例来说，胎冠部分可能会发生剪切层之间的剪切应力。当伴有轮胎操作期间靠近胎冠中的某些层的末端的温度的明显增加时，有可能在轮胎橡胶中靠近这样的末端的位置出现和传播裂纹。
图22提供具有如先前描述构造的示例性发明性主体帘布层H的本发明的轮胎200的另一示例性实施例。对此实施例，轮胎200具有50或更大的高宽比，其中高宽比是由轮胎和轮辋协会来定义的。以类似于图1的方式，示例性主体帘布层H锚定在一对对置的胎圈部分(未图示)中，并且穿过通过胎冠部分210连接的对置侧壁部分(图22 中仅仅示出了一个侧壁部分206)。主体帘布层H可以由比如例如金属缆线的单层加固元件形成。或者可以使用两个或大于两个层。在胎冠部分210中，如将描述的，主体帘布层H沿着沿圆周方向被几个加固层(例如241、242和243)卷绕。胎面部分224位于加固层的径向外侧并且卷绕在加固层上。
对此示例性实施例，轮胎200包含至少两个带束帘布层241和243，安置于胎冠部分210中。带束帘布层241和243各自包含带束帘布层加固元件，其由非卷绕的元件构成，该元件比如例如是金属缆线，对于每个带束帘布层，该金属缆线分别在带束帘布层 241和243的整个轴向宽度上是连续的。在一个实施例中，这些缆线可以相对于轮胎200 的赤道面EP形成绝对值范围在10°(度)与45°之间的正或负角度±α(见图7)，或在另一个实施例中相对于赤道面EP形成18°的角度α。在一个示例性实施例中，相应带束帘布层241和243的缆线相对于彼此交叉(即+α和-α)。举例来说，在一个实施例中，每根缆线可以由各自直径大约0.26mm的9根导线构造。缆线可以用2.25mm的步幅安置于带束帘布层241的一或多种橡胶材料中，其中步幅是沿着垂直于缆线的方向测量到的缆线中心线之间的距离。举例来说，每个带束帘布层241和243可以具有大约1.88mm 的厚度，包含橡胶材料和缆线。或者，作为另一实例，带束帘布层可由具有各自约0.26 mm直径的7根导线构造。线可以约2.1mm的长度单位定位于带束帘布层241的一个或多个橡胶材料中。
对此示例性实施例，带束帘布层241具有可以等于183mm的轴向宽度L241，而带束帘布层243可以具有172mm的轴向宽度L243。在另一个示例性实施例中，带束帘布层241和243的轴向宽度具有10mm与30mm之间的差异。如本文所使用，带束帘布层的轴向宽度是在轮胎的非充气状态下在轮胎的子午面沿着轴向方向A测量到的(例如如图1、22和23中所使用)。
轮胎200包含周向层242，其包含周向加固元件，该周向加固元件在周向层242的整个轴向宽度上可为连续的或可变的。如本文所使用，周向加固元件是相对于赤道面EP 形成大约0°的角度α(见图7)或-5°≤α≤+5°范围内的角度α的加固元件。在一个示例性实施例中，周向加固元件是从各自直径大约0.23mm的21根导线构造的不可延伸的金属缆线。这样的周向加固元件可以用1.55mm的步幅安置于一或多种橡胶材料内。举例来说，周向层242可以具有大约1.2mm的厚度，包含橡胶材料和缆线。对此示例性实施例，周向层242示出为径向邻近于带束帘布层241和243并且在带束帘布层241与 243之间。在其它示例性实施例中，周向层242可以位于带束帘布层243的径向外侧或带束帘布层241的径向内侧。对于图22中所示的实施例，周向层242可具有147毫米的轴向宽度L242。
图23示出轮胎200的另一示例性实施例，其中相同参考标号指代与图22的示例性实施例相同或相似的特征。图23中的示例性轮胎200包含图22的元件以及两个额外层 240和244。更具体来说，对此示例性实施例，轮胎200示出为具有任选的保护层244，其位于周向层242的径向外侧，并且径向邻近于带束帘布层241或243中的至少一个——在这种情况下是带束帘布层243。保护层244包含弹性或非弹性加固元件或弹性或非弹性缆线。加固元件在一个实施例中相对于轮胎200的赤道面EP成绝对值范围在10°(度) 与45°之间的角度±α定向，或者在另一个实施例中相对于赤道面EP成18度的角度α定向。在再一实施例中，保护层244的加固元件处在与层244径向邻近的带束帘布层(在这种情况下是带束帘布层243)相同的角度α下。在一个示例性实施例中，保护层244 的加固元件是由各自直径大约0.35mm的8根导线构造的金属缆线。这样的加固元件可以用3.15mm的步幅安置于一或多种橡胶材料内。举例来说，保护层244可以具有大约 1.7mm的厚度，包含橡胶材料和缆线。或者例如，保护层244的加固元件可为由具有各自约0.26mm的直径的7根导线构造的金属缆线。对于图23中所示的实施例，保护层 244可具有154mm的轴向宽度L244。应理解，可以提供不具有保护层244的轮胎200。
此外，图23的轮胎200还包含补充层240，其安置于主体帘布层H的径向外侧和其它层241、242、243和244的径向内侧。补充层240可以具有基本上等于L243(即带束帘布层243的轴向宽度)的轴向宽度。替代地，补充层240可以具有与带束帘布层243 不同的宽度。举例来说，在一个示例性实施例中，L243是172mm而L240是160mm。在另一实施例中，其宽度为75mm。补充层240可以包含由例如相对于轮胎200的赤道面 EP形成90°的角度α(见图7)的金属缆线构造的补充加固元件。在另一实施例中，补充层240可具有在40度到60度的范围内的角度。也可使用其它角度。在一个示例性实施例中，补充层240的缆线可以由各自直径大约0.26mm的9根导线构造。缆线可以用 1.8mm的步幅安置于带束帘布层241的一或多种橡胶材料中。举例来说，补充层240 可以具有大约1.7mm的厚度，包含橡胶材料和缆线。或者例如，保护层244的加固元件可为由具有各自约0.26mm的直径的7根导线构造的金属缆线。
尽管已关于具体示例性实施例及其方法详细地描述本发明，但是应了解，在理解前述内容之后所属领域的技术人员可以容易地对此类实施例的变体以及等效物作出更改。因此，本发明的范围是示例性的而非限制性的，并且本发明并不排除包含所属领域的技术人员使用本文所披露的教示将容易地显而易见的对本发明的这些修改、变化和/或添加。

Claims (15)

1.一种轮胎，其限定径向方向、轴向方向和轮胎中心线，所述轮胎包括：
一对对置的胎圈部分；
一对对置的侧壁部分，其与所述对置的胎圈部分连接；
胎冠部分，其连接所述对置的侧壁部分；
至少一个主体帘布层，其在所述胎圈部分之间延伸并且通过所述侧壁和胎冠部分，所述主体帘布层沿着具有赤道点e的子午面而在0.5巴的参考压力下定义参考曲线，其中s是沿着所述参考曲线从所述轮胎的所述中心线的单位为mm的长度；以及
至少两个带束帘布层，其安置于所述胎冠部分中，每个带束帘布层包括带束帘布层加固元件，所述带束帘布层加固元件从一个带束帘布层到另一个带束帘布层交叉，所述加固元件相对于所述轮胎的赤道面形成绝对值在10°和45°之间的角度±α，其中sM是所述至少两个带束帘布层的在所述子午面中的最宽带束帘布层的沿着所述轴向方向的最大曲线宽度的二分之一；
周向层，其包括周向加固元件，并且沿着所述轴向方向具有宽度；且
其中当对于所述主体帘布层构造具有三个相切点p、d和q的基础曲线时，沿着所述轮胎中心线的至少一侧，所述主体帘布层具有
i)在点P1＝0.13sq+0.87sm-56.6mm处与基础曲线的偏离D(s)，范围为-4.25mm≤D(s)≤-0.5mm，和
ii)在点P2＝0.8sq+0.2sm-13mm处与所述基础曲线的偏离D(s)，范围为-0.5mm≤D(s)≤1.25mm；
其中sq为沿着出现点q的所述基础曲线的所述曲线的长度；
其中，所述基础曲线通过圆弧和径向平衡曲线构造，点p通过从主体帘布层的参考曲线垂直投影来确定，点d是径向平衡曲线与在主体帘布层的参考曲线的赤道点e处沿着径向方向延伸的线之间的切点，点q是径向平衡曲线与半径20mm的同样与主体帘布层的参考曲线相切的圆的切点。
2.根据权利要求1所述的轮胎，其进一步包括：
保护层，其位于所述周向层的径向外侧，并且径向邻近于至少两个带束帘布层中的一个，其中所述保护层包括保护层加固元件，所述保护层加固元件相对于所述赤道面以10度与45度之间的角度定向，并且以与所述保护层径向邻近的所述主体帘布层的所述主体帘布层加固元件相同的角度定向。
3.根据权利要求1所述的轮胎，其进一步包括：
补充层，其位于所述主体帘布层的径向外侧，并且在所有所述带束帘布层的径向内侧，所述补充层包括补充层加固元件。
4.根据权利要求3所述的轮胎，其中所述补充层加固元件相对于所述赤道面具有范围从40度到60度的角度。
5.根据权利要求1所述的轮胎，其中所述周向层定位成径向邻近于所述至少两个带束帘布层并且位于所述至少两个带束帘布层之间。
6.根据权利要求1所述的轮胎，其中在所述子午面中，所述周向层沿着所述轴向方向比所述至少两个带束帘布层宽。
7.根据权利要求1所述的轮胎，其中所述至少两个带束帘布层的所述带束帘布层加固元件相对于所述轮胎的赤道面形成18°的角度。
8.根据权利要求1所述的轮胎，其中所述至少两个带束帘布层的沿着所述轴向方向的宽度差异在10mm与30mm之间。
9.根据权利要求1所述的轮胎，其中所述轮胎具有最大侧壁压力，且其中所述轮胎具有充气增大幅度A，当所述轮胎从0.5巴的压力充气到所述最大侧壁压力时，所述充气增大幅度小于或等于1.5mm，其中充气增大幅度A定义为
n≥4，为沿着主体帘布层的参考曲线而均匀间隔开的方位角测量。
10.根据权利要求1所述的轮胎，其中当具有三个相切点p、d和q的所述基础曲线由所述主体帘布层构造时，沿着所述轮胎中心线的两侧，所述主体帘布层具有
i)在点P1＝0.13sq+0.87sm-56.6mm处与基础曲线的偏离D(s)，范围为-4.25mm≤D(s)≤-0.5mm，和
ii)在点P2＝0.8sq+0.2sm-13mm处与所述基础曲线的偏离D(s)，范围为-0.5mm≤D(s)≤1.25mm；
其中sq为沿着出现点q的所述基础曲线的所述曲线的长度。
11.根据权利要求1所述的轮胎，其中所述基础曲线是在0.5巴的参考压力下构造的。
12.根据权利要求1所述的轮胎，其中所述至少一个主体帘布层包括多个加固件，所述加固件沿着所述胎冠部分与所述轮胎的赤道平面形成80度或更大的角度。
13.根据权利要求1所述的轮胎，其中所述轮胎具有在50到80范围内的高宽比。
14.根据权利要求13所述的轮胎，其中所述轮胎具有在275mm到455mm范围内的截面宽度。
15.根据权利要求14所述的轮胎，其中所述轮胎具有在445mm到455mm范围内的截面宽度。
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