CN109070509A - 用于非充气车轮的加强结构 - Google Patents

Abstract

一种非充气车轮，具有环形加强结构，所述环形加强结构包含剪切层内的矩形加强件。所述矩形加强件代替变形橡胶或聚合材料且可由此减小变形材料的体积以优化其中的能量损失且减小所述非充气车轮的滚动阻力。

Description

用于非充气车轮的加强结构

优先权声明

本申请要求于2015年12月22日提交的PCT/US15/067371的35 U.S.C.§119下的优先权。

技术领域

本公开的主题涉及用于非充气车轮的改进的加强结构。

背景技术

充气轮胎是针对柔顺性、舒适、质量和滚动阻力的已知解决方案。然而，充气轮胎具有复杂性、维护需求和易受损坏的缺点。改进充气轮胎性能的装置可以例如提供更多的柔顺性、更好的刚度控制、更低的维护要求以及抗损坏性。

非充气轮胎车轮构造提供某些此类改进。非充气轮胎或非充气车轮构造的细节和益处描述于例如美国专利第6,769,465号；第6,994,134号；第7,013,939号；以及第7,201,194号中。某些非充气轮胎和车轮构造提出并入剪切带，其实施例描述于例如美国专利第6,769,465号及第7,201,194号中，所述美国专利以引用的方式并入本文中。此类非充气轮胎和车轮构造提供无需依赖于气体充气压力以用于支撑施加到轮胎或车轮的负载的性能优势。

例如，美国专利第6,769,465号涉及一种结构上支撑的弹性轮胎，其在没有内部气压的情况下支撑负载。在示例性实施例中，所述非充气轮胎包含地面接触部分和侧壁部分，所述地面接触部分和侧壁部分从胎面部分径向朝内延伸且锚定在胎圈部分中，所述胎圈部分适于在滚动轮胎期间保持固定到车轮。加强环形带从胎面部分径向朝内安置。此剪切带包含至少一个均匀剪切层、粘附到剪切层的径向朝内延伸部的第一膜和粘附到剪切层的径向朝外延伸部的第二膜。膜中的每一个具有足够大于剪切层的动态剪切模量的纵向拉伸模量，使得当在负载下时，轮胎的地面接触部分通过剪切层中的剪切应变变形为平坦的接触区，同时保持膜的恒定长度。膜的相对位移基本上由剪切层中的剪切应变发生。美国专利第6,769,465号的发明提供了若干优势，包含例如在没有充气压力的情况下操作的能力以及在一定程度上独立于地面接触压力的情况下灵活地调整轮胎的竖直刚度。

相比之下，传统的实心轮胎、弹簧轮胎和缓冲轮胎虽然无需维护、无需气压或充气轮胎不易损坏，但不利的是缺乏其性能优势。具体来说，实心和缓冲轮胎通常包含被弹性材料层环绕的实心轮辋。这些轮胎依赖于直接位于用于负载支撑的负载下面的弹性层的地面接触部分的压缩。这些轮胎类型可能比较重且坚硬，且不具有充气轮胎的减震能力。弹簧轮胎通常具有坚硬木环、金属环或塑料环，其中弹簧或弹簧状元件将它连接到轮毂。当轮毂由此通过弹簧而暂停时，无弹性的环仅有较小的区域与道路接触，这基本上没有提供柔顺性，且提供了较差的牵引和转向控制。

在充气和非充气轮胎或车轮的情况下，需要提高其燃料效率。这种改进可以通过例如整体大小或质量的减小和/或使用较低的能量损失材料以降低滚动阻力来实现。对于采用具有均匀剪切层的剪切带的非充气轮胎或车轮，在进行这种减少时会遇到挑战。举例来说，由于这些材料的剪切模量通常较低，因此使用具有低能量耗散的剪切层材料会导致所需材料质量的不可接受的偏移增加。采用带加强件的剪切带的非充气轮胎或车轮可以提高能量耗散，但仍需要提高滚动阻力。

因此，具有改进的滚动阻力性能的非充气车轮构造将是有用的。也可提供与如如上文所描述的非充气构造相关联的其它性能优势的此类车轮也是有益的。

发明内容

本发明提供具有环形加强结构的非充气车轮，所述环形加强结构包含定位于剪切层内的矩形加强件。所述矩形加强件代替变形橡胶或聚合材料且可由此减小变形材料的体积以优化其中的能量损失且减小所述非充气车轮的滚动阻力。通过本发明可实现的额外目标和优势将在以下描述中阐述，或可从所述描述显而易见，或可通过本发明的实践得知。

在一个示例性实施例中，本发明提供限定轴向、径向和周向方向的非充气车轮。非充气车轮包含由至少一种弹性体材料构成的环形剪切层。多个分立环形加强元件沿着位于环形剪切层中的多个轴向定向的行定位。加强元件彼此沿着轴向方向分隔预定距离S_A且在径向方向上分隔预定距离S_R。加强元件具有基本上矩形截面。加强元件可沿着剪切带的径向方向交错。

参考以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面和优势将变得更好理解。并入在本说明书中且构成本说明书的一部分的附图说明了本发明的实施例，且与描述一起用以解释本发明的原理。

附图说明

本说明书中阐述本发明的针对本领域的普通技术人员的完整和启发性公开内容(包含其最佳模式)，本说明书参考附图，在所述附图中：

图1说明本发明的示例性车轮的侧视图。

图2说明在线2-2处沿着图1的示例性车轮的子午面截取的截面视图。

图3提供如沿着图1的示例性车轮的子午面观察的本发明的示例性环形剪切带或环形加强结构的截面视图。

图4提供图3的示例性环形剪切带或环形加强结构的放大截面视图。

图5提供图3的示例性剪切带的示例性加强元件的部分的放大截面视图。

图中相同或类似参考标号的使用表示相同或类似特征。

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，在附图中说明了本发明的实施例中的一个或多个实例。每个实例是为了解释本发明而非限制本发明而提供。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下可在本发明中进行各种修改和变化。举例来说，说明或描述为一个实施例的部分的特征可与另一实施例一起使用以产生又一实施例。因此，希望本发明涵盖此类修改和变化，所述修改和变化处于所附权利要求书和其等效物的范围内。

以下术语针对本公开如下定义：

图中“轴向方向”或字母“A”是指平行于例如剪切带或车轮在沿着道路表面行进时的旋转轴的方向。

图中的“径向方向”或字母“R”是指与轴向方向A正交且在相同于从轴向方向A正交延伸的任何半径的方向上延伸的方向。

“周向方向”或字母C是在围绕车轮或剪切层的周界的任何给定点处正交于径向方向R和轴向方向A且由围绕旋转轴的车轮的旋转方向限定。

“赤道平面”意指垂直于旋转轴传递且平分剪切带和/或车轮结构的平面。

“子午面”意指包含剪切带和/或车轮结构的旋转轴和交叉点的平面。

“交错”是指分立环形加强件或剪切带的加强元件可在某些实施例的剪切层内的布置方式，如参考图式将进一步描述。如本文中所使用，参考本发明的某些实施例，“交错”意指邻近轴向定向的行之间的加强元件未沿着径向方向R彼此对准。而是，在交错的情况下，一个轴向定向的行的加强元件的中心定位成基本上邻近于在邻近轴向定向的行中的一对邻近加强元件之间的空间。然而，应理解，在制造期间，加强件通常以螺旋形缠绕在剪切带上，且每个层以与前一层相反的方向缠绕。因而，交错剪切带的一些加强元件可沿着径向方向对准。此外，如使用本文中所公开的教示本领域的技术人员将理解，在轮胎制造期间，由于例如在制造过程期间材料的移动而导致加强元件的中心精确地与邻近轴向定向的行中的一对加强元件之间的空间的完美定位可能是不可能的。因而，可能发生配置的加强元件的略微位移。

图1提供如可并入有本发明的环形加强结构或剪切带102的非充气车轮100的示例性实施例。图2提供沿着图1中的线2-2截取的车轮100的截面视图。如图1和2中所示，车轮100包含环形剪切带102和多个张力传输元件，所述张力传输元件示出为腹板轮辐104，其从剪切带102横向延伸穿过轴向方向A且沿着径向方向R向内延伸。在径向最内端部103处，腹板轮辐104连接到安装带106。安装带106将车轮100锚定到具有孔98的轮毂108上，用于安装到例如车辆的轴组合件上。车轮100可安装到轮毂108上或可与轮毂108一体地构造。举例来说，轮辐104、带106和轮毂108中的一个或多个可一体地模制。

胎面部分110形成于剪切带102的外周界116处。胎面部分110可以是接合在带102上的额外橡胶层，如例如在图1和2中示出。胎面部分110可用于提供与用于构造带102的材料不同的牵引力和磨损特性。替代地，胎面部分110可形成为柔顺带102的外表面的部分。在又另一替代方案中，剪切带102可围封在与胎面部分110连接的一个或多个橡胶材料内。胎面特征可形成于胎面部分110中且可包含例如块112和轮槽114。还可以使用凸纹、块和其它组合。

如所提到，图1和2的示例性实施例中的腹板轮辐104沿着车轮100的轴向方向A横向延伸。更确切地说，腹板轮辐104从车轮100的一侧到另一侧轴向延伸且可与旋转轴对准，或者可以如所示的相对于轮轴倾斜。尽管示出为沿着车轮100的全宽W延伸，但轮辐104可具有与车轮100不同的宽度，且可包含与所示出的形状不同的形状。

另外，腹板轮辐104在剪切带102与安装带106之间径向朝内延伸。腹板轮辐104可位于包含车轮100的旋转轴的平面中或可相对于此径向平面倾斜。另外，如图2中所示，腹板轮辐104可实际上包含与径向平面成不同角度的轮辐。如例如美国专利第7,013,939号和WO2008/118983所示，可使用各种形状和图案。因此，如本领域的普通技术人员将理解，本发明不限于图中所示的径向轮辐104，因为可以使用其它形状和定向以及与所示相比不同数量的腹板轮辐。

环形剪切带102支撑车轮100上的负载LD(图2)且弹性地变形以适应道路(或其它支撑表面)，从而提供牵引、舒适和操控能力。更确切地说，如例如美国专利第7,013,939号中所描述，当通过轮毂108将负载LD放置在车轮100上时，剪切带102柔顺地起作用，这在于其弯曲且以其它方式变形以实现地面接触(图2中的箭头G)且形成接触块，所述接触块是在此负载下接触地面的车轮100的部分。未与地面接触的带102的部分以类似于拱形物的方式起作用，且在赤道平面中提供足够高以充当负载支撑部件的周向压缩刚度和纵向弯曲刚度。

从车辆(未示出)传输到轮毂108的车轮100上的负载基本上通过附接到带102的负载支撑部分的腹板轮辐104(例如，如图2中的箭头T所示出的拉伸力)悬挂。由于负载，地面接触区中的腹板轮辐104不会经历拉伸负载-且举例来说，在某些示例性实施例中，轮辐102甚至可在负载下在地面接触区上方弯折，使得张力区中轮辐104的径向高度H_T大于压缩区中轮辐104的径向高度H_B。

当然，随着车轮100旋转，充当拱形物的柔顺带102的特定部分不断地改变；然而，拱形物的概念可用于理解负载支撑机构。带102的弯曲量，且因此，接触块的大小，与负载成比例。带102在负载下弹性弯曲的能力提供了类似于充气轮胎的地面接触区域而起作用的柔顺地面接触区域，且具有类似的有利结果。

仍参看图1和2，腹板轮辐104是基本上薄片状元件，其具有大体上沿着径向方向R的长度L(图1)和沿着轴向方向A的宽度W，其大体上对应于柔顺带102的轴向宽度，但可使用包含沿着径向方向R变化的宽度W的其它宽度W。腹板轮辐104还具有厚度K(即垂直于长度L和宽度W的维度)，其大体上比长度L或宽度W小得多，这样允许当在压缩下时轮辐弯折或弯曲。较薄的轮辐在通过接触区域时会弯曲，而基本上没有压缩阻力，也就是说，不会对承重件供应或仅有微不足道的压缩力。随着腹板轮辐104的厚度增加，腹板轮辐104可以在地面接触区域中提供一些压缩承载力。然而，整个腹板轮辐104的主导负载传输动作受张力作用(图2中的箭头T)。可以选择特定的腹板轮辐厚度K，以满足车辆或应用的特定要求。

如图1和2中所见，对于此示例性实施例，腹板轮辐104完全在轴向方向A上相对于柔顺带102延伸。因此，腹板轮辐104中的张力跨带102分布以支撑负载。作为实例，腹板轮辐104可由具有约3MPa到1.2GPa的拉伸模量的弹性体材料形成。需要时还可加强腹板轮辐104。

对于图1和2的示例性实施例，腹板轮辐104通过径向内部安装带106互连，所述径向内部安装带106环绕轮毂108以将车轮100安装到轮毂108。如所述，取决于构造材料和制造过程，轮毂108、安装带106、环形带102和/或腹板轮辐104可模制为单个单元。替代地，此类组件中的一个或多个可单独地形成且接着通过例如胶粘剂或模制附接到彼此。另外，也可包含其它组件。举例来说，接口带可用以在其径向外端处连接腹板轮辐104，且接着接口带将连接到剪切带102。

根据另一实施例，腹板轮辐104可例如通过在每个腹板轮辐104的内端上提供接合轮毂108中的狭槽或其它互补装置的放大部分或通过附接邻近腹板轮辐104以在轮毂108中形成的卡钩或条柱处形成环圈来机械地附接到轮毂108。通过具备具有高拉伸有效刚度但极低压缩刚度的腹板轮辐104来获得基本上完全的拉伸负载支撑。为了促进在特定方向上的弯曲，可使腹板轮辐104弯曲。替代地，可模制具有曲度的腹板轮辐104且可在冷却期间通过热收缩拉直腹板轮辐104，以提供在特定方向上的弯曲倾向。

腹板轮辐104应抵抗例如在将转矩施加到车轮100时环形带106与轮毂108之间的扭转。此外，腹板轮辐104应抵抗在例如转动或回转时的侧向偏转。如将理解，位于径向-轴向平面中，即与径向R和轴向A方向对准的腹板轮辐104将具有对轴向导引力的高阻力，但确切地说如果在径向方向R上伸长，那么所述腹板轮辐104可在周向方向C上具有相对低的转矩阻力。

对于例如产生相对低转矩的那些某些车辆和应用，具有与径向方向R对准的相对短轮辐104的腹板轮辐包装可能是合适的。对于其中预期高转矩的应用，例如美国专利7,013,939的图5到8中所示的布置中的一个可能更合适。在其中所示的变型中，提供腹板轮辐的定向，所述腹板轮辐包含在径向R和周向C方向上的抗力组件，由此增加对转矩的阻力，同时保持径向和侧向抗力组件。定向的角度可根据所使用的腹板轮辐的数量和邻近腹板轮辐之间的间距来选择。还可使用其它替代布置。

应理解，本发明不限于如图1和2中所示的车轮100，且实际上可采用各种配置。举例来说，车轮100可构造有并入到橡胶层中的剪切带102，使得例如侧壁覆盖剪切带102的轴向最外侧。

图3提供如沿着车轮100的子午面观察的本发明的示例性剪切带102的截面视图。图4提供沿着轮胎100的相同子午面的较靠近的截面视图。如所示出，剪切带102包含由至少一种弹性体材料构成的环形剪切层124。举例来说，剪切层124可由具有合适模量的橡胶或其它弹性体、聚氨基甲酸酯和热塑性材料构成。剪切带102包含安置于整个剪切层124中的多个分立环形加强元件120。加强元件120是环形的且因此围绕车轮100的周界延伸，且通常通过围绕旋转轴以螺旋方式缠绕来制造。

对于图中所示的示例性实施例，加强元件120沿着多个轴向定向的行122定位。换句话说，加强元件120沿着行122以邻近方式定位，所述行122沿着轴向方向A延伸。行122可沿着轴向方向A是线形或弓形的。沿着每个行122，加强元件120彼此分离预定距离126，其具有由S_A(图4)指示的量值。在邻近行122之间，加强元件120彼此分离具有量值S_R的预定距离128。

在一个示例性实施例中，对于预定距离126，量值S_A在0.1mm≤S_A≤1mm的范围内。举例来说，S_A在一个示例性实施例中可以是0.1mm，或在另一示例性实施例中可以是0.5mm。在另一示例性实施例中，对于预定距离128，量值S_R在0.1mm≤S_R≤1mm的范围内。举例来说，S_R在一个示例性实施例中可以是0.2mm。

还如对于图4中的示例性实施例所示出，加强元件120的邻近行122沿着剪切带102的径向方向交错。如先前所限定，加强元件120交错，这在于例如122a、122b和122c的邻近轴向定向的行的加强元件120未沿着径向方向R彼此对准。实际上，举例来说，例如行122b的一个轴向定向的行的加强元件120的中心CT定位成基本上邻近于邻近轴向定向的行122a和122c中的一对加强元件120之间的空间(126a和126c)且基本上以所述空间为中心。

因而，沿着任何行122的加强件120之间的空间126沿着径向方向R均不与任何其它空间126邻近。实际上，空间126始终沿着径向方向R相隔至少一个加强元件120。如本领域的技术人员使用本文中所公开的教示将理解，在轮胎制造期间，由于例如在制造过程期间材料的移动而导致加强元件120的中心CT精确地与邻近轴向定向的行中的一对加强元件120之间的空间126的完美定位可能是不可能的。因而，可能发生剪切带102的加强元件120的略微位移。在本发明的又其它示例性实施例中，加强元件120可能不如本文中所限定般交错。

每个加强件120具有沿着轴向方向A的长度r_L和沿着径向方向R的宽度r_W。如所示出，r_L大于r_W。在车轮100的一个示例性实施例中，r_L/r_W的比率在2≤r_L/r_W≤10的范围内。在另一示例性实施例中，r_W/S_R的比率在1≤r_W/S_R≤10的范围内。在另一示例性实施例中，比率r_L/S_A在3≤r_L/S_A≤50的范围内。作为实例，在本发明的另一示例性实施例中，r_L＝4mm，r_W＝1mm，S_A＝0.5mm，且S_R＝0.2mm。在典型构造中，基于制造过程能力，这些比率(或尺寸r_L、r_W、S_A、S_R)的分布将在规定值周围。

如图2、3和4中所示出，加强元件120具有如沿着车轮100的子午面观察的矩形截面形状。值得注意的是，对于某些示例性实施例，长度r_L可沿着轴向方向A对准，如图3和4中所示出。

图5提供如沿着子午面观察的本发明的示例性加强元件120的部分截面视图。如本文中所使用，矩形意指加强元件120的侧形成角度θ，其中85度≤θ≤95度。此外，每个拐角134可具有外表面136和138，以形成边缘或微小半径RA，其中比率RA/r_w≤0.5。还可以使用其它配置。

可使用各种材料来构造加强件120。举例来说，加强元件120可包含嵌入于基质材料或树脂131内的一个或多个相对不可延伸的绳索或其它元件130。举例来说，加强元件120可由金属线、各种树脂、塑料、环氧树脂、粘土、纤维增强塑料以及复合材料中常见的其它材料和构造的填料中的拉挤玻璃纤维加强件构成。

虽然已关于本发明的具体示例性实施例和其方法详细地描述本发明主题，但是应了解，在获得对前述内容的理解之后本领域的技术人员可容易地产生对此类实施例的改变、变化和等效物。因此，本公开的范围是作为实例而非作为限制，且本公开并不排除包含本领域的普通技术人员使用本文中所公开的教示将容易地显而易见的对本发明主题的此类修改、变化和/或添加。

Claims (15)

1.一种限定轴向、径向和周向方向的非充气车轮，所述非充气车轮包括：

环形剪切层，由至少一个弹性体材料构成；以及

多个分立环形加强元件，沿着所述环形剪切层内的多个轴向定向的行定位，所述加强元件彼此沿着所述径向方向分隔预定距离S_R且沿着所述轴向方向分隔预定距离S_A，所述加强元件具有基本上矩形截面，且所述加强元件各自具有沿着所述轴向方向对准的长度r_L。

2.根据权利要求1所述的非充气车轮，其中沿着所述轴向方向分隔所述加强元件的所述预定距离S_A在0.1mm≤S_A≤1mm的范围内。

3.根据权利要求1所述的非充气车轮，其中沿着所述径向方向分隔所述加强元件的所述预定距离S_R在0.1mm≤S_R≤1mm的范围内。

4.根据前述权利要求中任一项所述的非充气车轮，其中每个加强元件具有沿着所述轴向方向延伸的长度r_L和沿着所述径向方向延伸的宽度r_W，且其中所述比率r_L/r_W在2≤r_L/r_W≤10的范围内。

5.根据权利要求4所述的非充气车轮，其中所述比率r_W/S_R在1≤r_W/S_R≤10的范围内。

6.根据权利要求4或5所述的非充气车轮，其中r_L/S_A的比率在3≤r_L/S_A≤50的范围内。

7.根据权利要求1所述的非充气车轮，其中所述环形加强元件包括不可延伸的加强件。

8.根据权利要求1所述的非充气车轮，其中所述环形加强元件包括在包括树脂或塑料材料的基质中的拉挤玻璃纤维加强件中的至少一个。

9.根据前述权利要求中任一项所述的非充气车轮，进一步包括包含所述剪切层的剪切带。

10.根据权利要求9所述的非充气车轮，进一步包括从所述剪切带径向朝外定位的胎面层。

11.根据权利要求10所述的非充气车轮，进一步包括从所述剪切带径向朝内定位的多个腹板轮辐，所述腹板轮辐被配置用于在对所述非充气车轮施加负载时传输张力。

12.根据权利要求11所述的非充气车轮，进一步包括轮毂，其中所述腹板轮辐在所述轮毂与所述剪切带之间径向延伸。

13.根据权利要求12所述的非充气车轮，其中所述剪切带和胎面层一体形成。

14.根据权利要求13所述的非充气车轮，其中所述加强元件沿着所述剪切带的所述径向方向交错。

15.根据权利要求14所述的非充气车轮，其中所述剪切带和腹板轮辐一体形成。