CN111565940A - 用于非充气轮胎的加强型弹性支撑件 - Google Patents

Abstract

一种用于非充气轮胎的支撑结构和并入有此类支撑结构的轮胎。支撑膜在径向内端和径向外端之间连续延伸。接头可以定位在每个端部处。环形带能够与所述径向外端连接。车轮、轮毂或另一结构能够与所述径向内端连接。

Description

用于非充气轮胎的加强型弹性支撑件

技术领域

本公开的主题大体上涉及用于轮胎的加强型支撑件或轮辐以及并入有此类支撑件的轮胎。

背景技术

充气轮胎是一种有名的针对柔顺性、舒适性、质量和滚动阻力的解决方案。然而，充气轮胎具有复杂、需要维护和易受损坏的缺点。改进充气轮胎性能的装置可以例如提供更多的柔顺性、对刚度的更好的控制、更低的维护要求以及抗损坏性。

非充气轮胎或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在例如第6,769,465号、第6,994,134号、第7,013,939号以及第7,201,194号美国专利中描述。某些非充气轮胎和车轮构造提出将弹性环形剪切带并入，其实施例在例如第6,769,465号和第7,201,194号美国专利中描述。此类非充气轮胎和车轮构造提供了无需依赖气体充气压力来支撑施加到轮胎或车轮的标称载荷的性能优势。

在一些非充气构造中，车辆载荷施加到通过承载构件与环形剪切带连接的轮毂，所述承载构件呈例如多个辐板或轮辐的形式。这些构件可通过例如拉伸、压缩或这两者将载荷传输到环形剪切带。可以向剪切带施加一层胎面来提供针对行驶表面的保护。

虽然已经提出了具有各种优点的非充气构造，但是仍然需要在减小质量和滚动阻力的同时改进非充气轮胎承载载荷和增强乘客舒适性的能力。

发明内容

本发明提供一种用于非充气轮胎的支撑结构和并入有此类支撑结构的轮胎。支撑膜在径向内端和径向外端之间连续延伸。接头可以定位在每个端部处。环形带可以与径向外端结合。车轮、轮毂或另一结构可以与径向内端结合。本发明的额外目标和优点将在以下描述中部分地阐述，或者可根据所述描述显而易见，或者可以通过实践本发明来获悉。

在本发明的一个示例性实施例中，提供一种用于与轮胎的各组件连接的弹性复合结构。轮胎界定轴向、径向和周向方向。复合结构包含用于与轮胎的第一组件连接的径向外接头和用于与轮胎的第二组件连接的径向内接头。支撑膜在径向外接头和径向内接头之间连续延伸。支撑膜具有从径向外接头径向向内定位的径向外端。支撑膜具有从径向内接头径向向外定位的径向内端。径向内支撑件和径向外支撑件可相对于彼此移动，以便使支撑膜弯曲。径向内支撑件和径向外支撑件均位于支撑膜的相对侧面中的一个上。

在另一示例性实施例中，本发明包含一种并入有多个此类弹性复合结构的轮胎。

参考以下描述及所附权利要求书，本发明的这些及其它特征、方面及优点将变得更好理解。并入在本说明书中并且构成本说明书的一部分的附图说明本发明的实施例，并且与所述描述一起用于解释本发明的原理。

附图说明

本发明的完整且具有启发性的公开内容包含其对于所属领域的技术人员来说的最佳模式，在参考附图的说明书中加以阐述，在所述附图中：

图1示出并入到圆柱形轮毂上的本发明的示例性轮胎的正视图。

图2示出沿着图1的线2-2截得的图1的示例性轮胎的横截面图。

图3示出可用于图1和2的示例性轮胎的示例性弹性结构的横截面图。

图4是图2和3的示例性加强结构的透视图和局部横截面图，其中出于说明的目的，已移除各种组件的部分。

图5和6是在使用期间处于各个状态的图1到4的示例性弹性结构的部分的侧视图，如本文进一步描述。

图7示出并入有一对相对的图3到6的弹性结构的本发明的轮胎的另一示例性实施例的透视图和横截面图。

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，在附图中示出了本发明的实施例的一个或多个实例。每一实例是作为本发明的解释而非本发明的限制而提供的。事实上，所属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以在本发明中进行各种修改和改变。举例来说，说明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及其等效物的范围内。

图中的“轴线方向”或字母“A”是指在沿着道路表面行驶时平行于例如环形带、轮胎和/或车轮的旋转轴线的方向。

图中的“径向方向”或字母“R”是指与轴向方向A正交且在与正交于轴向方向延伸的任何半径相同的方向上延伸的方向。

图中的“周向方向”或字母“C”是指正交于轴向方向A且正交于径向方向R的方向。

“径向平面”意指垂直于赤道平面且穿过车轮的旋转轴线的平面。

如本文所用的“弹性材料”或“弹性体”是指表现出橡胶状弹性的聚合物，如包括橡胶的材料。

如本文所用的“弹性物”是指包括弹性材料或弹性体的材料，如包括橡胶的材料。

“可偏转”意指能够弹性地弯曲。

“标称载荷”或“所需设计载荷”是结构设计成承载的载荷。更确切地说，当在车轮或轮胎的上下文中使用时，“标称载荷”是指车轮或轮胎设计成承载和操作所处的载荷。标称载荷或所需设计载荷包含高达并包含制造商规定的最大载荷的载荷，并且在车辆轮胎的情况下，通常通过轮胎侧面的标记来指示。超过标称载荷的载荷条件可以由所述结构维持，但是可能存在结构损坏、加速磨损或性能降低的情况。小于标称载荷但大于无载荷状态的载荷条件可被视为标称载荷，但是偏转可能小于标称载荷下的偏转。

“模量”或“伸长模量”(MPa)是基于ASTM标准D412在哑铃形测试件上在23℃的温度下以10％(MA10)测量的。测量在第二次伸长中进行；即，在调节周期之后进行。基于测试件的初始横截面，这些测量值是以MPa为单位的正割模量。

现在参考图1，示出了并入到轮毂108上的本发明的轮胎100的示例性实施例的正视图。在使用期间，轮胎100围绕平行于轴向方向A的旋转轴线X旋转。轮胎100包含多个可偏转加强结构102，这些结构沿着周向方向C彼此邻近布置。在图2中示出沿着线2-2截得的轮胎100的横截面图，包含示例性加强结构102的透视图。

如图所示，每个结构102被配置为轮辐状或辐板状组件，对于此示例性实施例，此组件在弹性环形带106和圆柱形轮毂108之间沿着径向方向R延伸。每个复合结构102的构造基本上是相同的。

轮胎100可以并入到例如车轮、轮毂或定位在开口O内或开口O处的另一组件上，使轮胎100例如能够安装到车辆的车轴或另一组件上，使得车辆可以在地面上滚动。作为非限制性实例，此类车辆可包含载客车辆、重型卡车、轻型卡车、全地形车辆、公交、飞机、农用车、采矿车、自行车、摩托车等。轮胎100可以通过使用粘合剂、紧固件及其组合而附接到例如轮毂108上。在又其它实施例中，轮胎100和轮毂108可以一起一体地形成。还可以使用其它轮毂或车轮配置和构造。

环形胎面带110与弹性环形带106结合。胎面带110可以是例如粘附到环形带106上，或者可以与环形带106一体地形成。胎面带110具有多个凸纹134，用来提供用于在轮胎100滚动时接触地面或其它表面的外接触表面112。本发明不限于图中所示的胎面图案。胎面带110的胎面图案可以使用各种形状和配置，其可包含例如凸纹、块体及其组合。在其它实施例中，环形带106可以完全由胎面带110构造，或者与胎面带110一体地构造。

环形带106可包含多个加强元件114，每个加强元件在弹性物层118内围绕轮胎100沿着周向方向C延伸。例如，弹性物层118可以由一种或多种橡胶材料、聚氨基甲酸酯及其组合构造。加强元件114可以是例如沿着轴向方向A在层118内的多个行116中布置的帘线或缆线。

在一个示例性实施例中，加强元件114沿着径向方向R或轴向方向A相对于彼此“交织”。在加强元件114沿着轴向方向A交织的情况下，在位于邻近的轴向定向的行116中的加强元件114的中心点之间延伸的假想线将形成斜方形或水平菱形，斜方形的各侧面之间具有非正交角度。在这种交织的水平菱形配置中，相比于位于相同的轴向定向的行116内的加强元件114，位于邻近的轴向定向的行116中的加强元件114更接近。在加强元件114沿着径向方向R交织的情况下，在位于邻近的轴向定向的行116中的加强元件114的中心点之间延伸的假想线将形成斜方形或竖直菱形，斜方形的各侧面之间具有非正交角度。在这种交织的竖直菱形配置中，相比于位于非邻近的轴向定向的行中的加强元件，沿着相同的轴向定向的行的加强元件114将更接近。如所属领域的技术人员使用本文公开的教示内容将理解，在轮胎100的制造期间，由于例如材料在制造过程期间的移动，加强元件114可能无法完美地定位成竖直或水平菱形的形状。因而，菱形配置的加强元件可能会发生略微位移。

加强元件114可以由各种材料构造。例如，加强元件114可以由金属缆线构造或者由通过聚对苯二甲酸伸乙酯(PET)等聚合物丝状纤维、尼龙或其组合构造的缆线构造。作为额外实例，加强元件114可以由具有单丝外观的细长复合元件构造，所述复合元件由大体上对称的技术纤维制成，所述纤维具有很长的长度并且浸渍在初始延伸模量为至少2.3GPa的热固性树脂中，其中所述纤维全都彼此平行。在此实施例中，细长复合元件将以弹性方式变形直至达到至少等于2％的压缩应变。如本文中所使用，“弹性变形”意指当释放应力时，材料将大致回到其原始状态。作为实例，纤维可以由玻璃、具有低模量的某些碳纤维及其组合构造。优选地，热固性树脂具有大于130℃的玻璃转变温度T_g。有利地，热固性树脂的初始延伸模量为至少3GPa。加强元件114还可由PET和此类细长复合元件的组合构造。另外，加强元件114可由中空管构造，中空管由PET或尼龙等刚性聚合物制成。还可以使用其它材料。

弹性环形带106配置成当轮胎100在地面上滚动并且带106的部分通过外接触表面112与地面接触的接地面(contact patch)时进行变形。通过此类变形，环形带106可允许外接触表面112在接地面中变得平坦。具有例如加强元件114的环形带106还提供强度，用于支撑和承载通过轮毂108或车辆的其它附接构件施加到轮胎100的标称载荷。如将进一步描述，此类标称载荷可以通过加强结构102的压缩、拉伸或这两者而施加到环形带106。

当轮胎100在例如地面上滚动时，接地面附近的多个结构102在外接触表面112通过接地面时可能会在压缩作用下挠曲。位于其它地方的结构102也可能会发生偏转，但是结构102的最大偏转可能发生在接地面附近。同时，位于沿着轮胎100远离接地面的部分处——例如，与接地面相对——的其它弹性结构102也可能会在拉伸作用下挠曲。

图3提供示例性加强结构102的横截面图，而图4是结构102的另一透视图，其中已移除各种组件的部分以显示某些特征，如本文进一步描述。对于此示例性实施例，当结构102在轮胎100上从轮胎100的侧面96轴向延伸到相对侧98(图2)时，图3中的横截面轮廓沿着轴向方向A是连续的。

每个结构102包含径向外接头122和径向内接头120。如图所示，接头120和122沿着径向方向R彼此间隔开，其中接头120相对于接头122径向向内。通过举例，接头120、122可各自由沿着轮胎100的轴向方向A连续延伸的弹性材料构造。

对于此示例性实施例，沿着一侧，径向外接头122包含径向外连接表面130(图3)，此表面沿着轴向方向A是连续的，并且沿着周向方向C具有宽度。如最佳地在图3中看出，对于此实施例，表面130沿着周向方向C略微呈凸形或弯曲。连接表面130可以与轮胎的第一组件结合，第一组件例如是弹性环形带106。例如，连接表面130可以与环形带106粘合(例如，使用氰基丙烯酸酯粘合剂)、接合、机械连接和/或与其一体地形成。在其它实施例中，径向外接头122可以与例如胎面带110、环形带106或其组合结合。

类似地，沿着相对侧，径向内接头120包含径向内连接表面128。对于此示例性实施例，连接表面128也沿着轴向方向A是连续的，并且沿着周向方向C具有宽度。如最佳地在图3中看出，对于此实施例，表面128沿着周向方向C略微呈凹形或弯曲。连接表面128可以例如与轮胎的第二组件结合，第二组件例如是轮毂108。例如，连接表面128可以与轮毂108粘合、接合、机械连接和/或与其一体地形成。在其它实施例中，径向内接头120可以与例如轮毂108、车轮或其组合结合。

在本发明的一个示例性方面中，接头120和/或122可以与轮胎100的其它组件(例如，轮毂108或环形带106)连接，这是通过用未固化橡胶形成此类组件然后一起固化橡胶组件形成一体构造来进行的。类似地，在另一示例性方面中，一个或多个生胶条带可放置在固化或部分固化的组件之间，并且用于将它们一起固化。

在本发明的另一示例性方面中，接头120和122由相对较软的橡胶构造。在一个示例性实施例中，可以使用模量在1MPa到10MPa的范围内的橡胶。在又一实施例中，可以使用模量约为4.8MPa的橡胶。

支撑膜104从径向内接头120到径向外接头122且在相对的侧面96和98之间连续延伸。支撑膜104包含径向内端136，其邻近径向内接头120且从径向内接头120径向向外定位。径向内端136连接到径向内接头120。对于此示例性实施例，径向内端136不连接到轮毂108，且径向内接头120定位在径向内端136和轮毂108之间。

支撑膜104还包含径向外端138，其邻近径向外接头122且从径向外接头122径向向内定位。径向外端138连接到径向外接头122。对于此示例性实施例，径向外端138不连接到环形带106，且径向外接头122定位在径向外端138和环形带106之间。

在一个示例性方面中，沿着轴向方向A观察，支撑膜104具有弓状形状。弓状形状在径向内端136和径向外端之间延伸。在不支撑标称载荷时，支撑膜104在径向内端136和径向外端138之间可具有平滑的曲率半径SM_RC(图3)。曲率半径SM_RC的量值将取决于例如轮胎100的整体尺寸、每个支撑件102沿着径向方向R的高度及其它变量。

参考图3和4，支撑膜104包含多个加强层，所述多个加强层由每一个加强层之间的非加强弹性剪切层间隔开。加强层的模量低于它们之间的非加强弹性剪切层。例如，支撑膜104包含由非加强弹性剪切层132间隔开的加强层124和加强层126(支撑膜104总共设置三个层)。在本发明的其它实施例中，支撑膜104可包含不同数目个这样的层。例如，支撑膜可包含三个加强层124，其中每对加强层由非加强弹性剪切层132间隔开(支撑膜104总共设置五个层)。

包含支撑膜104的弹性结构102可以提供所要挠曲刚度的方式构造和加强，使得每个结构可以在轮胎100的操作期间在结构102处于例如拉伸和压缩下时弹性地变形。例如，支撑膜104可以构造成具有可以例如通过ASTM D709来测量的大致140,000N-mm²的挠曲刚度。还可以使用其它值。

为了满足包含适当挠曲刚度的弹性结构102所需的机械特性，加强层可以使用不同构造。对于此示例性实施例，每个加强层124和126分别包含多个细长加强件144和146。针对每一层124、126，此类加强件定位成沿着轴向方向A彼此邻近，并且沿着径向方向R从径向内端136连续延伸到径向外端138。加强件144可以环绕在形成加强层124的部分的弹性材料内。类似地，加强件146可以环绕在形成加强层126的部分的弹性材料内。

在一个示例性方面中，细长加强件144可具有约1mm的直径，并且可以沿着轴向方向A彼此间隔开约2mm的间隔，如在径向内端136或径向外端138处所测量。还可以使用其它间隔和直径。

在某些示例性实施例中，加强件144、146可以例如由细丝构造，细丝通过玻璃增强树脂的拉挤成型而形成。细丝可具有在10GPa到100GPa的范围内的模量。在又一实施例中，细丝可具有例如大致40GPa的模量。还可以使用其它用于构造加强件144、146的材料，包含例如碳纤维，如石墨环氧树脂、玻璃环氧树脂、芳纶增强树脂或环氧树脂，及其组合。还可使用纤维增强塑料加强件144、146或金属加强件144、146，但条件是它们具有足够的挠曲刚度供轮胎100支撑标称载荷。

在又一实施例中，支撑膜104的加强层124、126可构造为纤维增强塑料。例如，加强层124、126可各自构造为一层玻璃纤维增强树脂，其中玻璃纤维由例如细丝形成，细丝通过玻璃增强树脂的拉挤成型而形成。细丝可具有在10GPa到100GPa的范围内的模量。在又一实施例中，细丝可具有例如大致40GPa的模量。

支撑膜104的径向外端138附接到径向外接头122上，并且能够在轮胎100的操作期间压缩或伸展径向外接头122。类似地，支撑膜104的径向内端136附接到径向内接头120上，并且能够在轮胎100的操作期间压缩或伸展径向内接头120。

每个弹性结构102可具有由橡胶或另一弹性材料制成的一对相对的覆盖层或外层148、150。外层148、150在每个弹性结构102的支撑膜104的相对侧面140、142上。在一个示例性方面中，覆盖层148、150可各自具有大致5MPa的模量。

如图所示，接头120和122均位于支撑膜104的相对侧面142中的一个上。换句话说，接头120和122均位于侧面142上。

现在参考图6和7(出于说明的目的，未示出弹性覆盖层148、150)，在轮胎100的操作期间，当它在表面上滚动时，一些结构102可处于压缩中，而其它结构102可处于拉伸中。图6的虚线示出了经受压缩的结构102，而图7的虚线示出了经受拉伸的结构102。

现在将描述在轮胎100的操作期间的结构102的动作，但是不希望受任何特定理论的束缚。在如图6中所描绘的压缩期间，结构102径向向内(朝向旋转轴线X)变形或挠曲。径向外接头122沿着最接近侧面142的径向最内部分经受最大压缩，并且在相对的最接近侧面140的径向最外部分上经受最小压缩或拉伸。类似地，在压缩期间，径向内接头120沿着最接近侧面142的径向最内部分经受压缩，并且在相对的最接近侧面140的径向最外部分上经受拉伸。

相反地，在如图7中所描绘的拉伸期间，结构102径向向外(远离旋转轴线X)变形或挠曲。在这种状态下，径向外接头122沿着最接近侧面142的径向最内部分经受最大拉伸，并且在相对的最接近侧面140的径向最外部分上经受最小拉伸或压缩。类似地，在拉伸期间，径向内接头120沿着最接近侧面142的径向最外部分经受最大拉伸，并且在相对的最接近侧面140的径向最内部分上经受最小拉伸或压缩。

对于所示的实施例，每个支撑结构102的支撑膜104未直接连接到轮毂108或环形带106。在压缩(图6)期间，径向内端136和138之间沿着径向方向R的距离可随着端部136和138移动得越来越靠近而减小。在拉伸(图7)期间，径向内端136和138之间沿着径向方向R的距离可随着端部移动得越来越远离彼此而增加。在每个这种情况下，支撑膜104在某种程度上像铰链一样工作，使得端部136和138之间的距离可以在轮胎100在表面上滚动且结构102旋转到接近或远离接地面时改变。

图7提供本发明的轮胎100的另一示例性实施例。对于此实施例，轮胎100包含定位在侧面96和98上的一对相对的弹性结构102。每个相对结构沿着周向方向C连续延伸，并且为轮胎100的侧面96或侧面98提供凸形外表面。类似地，对于每个结构102，支撑膜104和接头120、122沿着周向方向C连续延伸。

虽然已关于本发明的具体示例性实施例及其方法详细地描述本发明主题，但应了解，在获得对前述内容的理解之后所属领域的技术人员可以容易产生对此类实施例的更改、变化及等效物。因此，所属领域的一般技术人员使用本文中所公开的教示内容将容易清楚，本公开的范围是示例性的而非限制性的，并且本公开并不排除包含对本发明主题的这些修改、变化和/或添加。

Claims (15)

1.一种用于与轮胎的组件连接的弹性复合结构；所述轮胎界定轴向、径向和周向方向；所述复合结构包括：

用于与轮胎的第一组件连接的径向外接头；

用于与轮胎的第二组件连接的径向内接头；

支撑膜，其从所述径向外接头和所述径向内接头连续延伸，所述支撑膜具有从所述径向外接头径向向内定位的径向外端，所述支撑膜具有从所述径向内接头径向向外定位的径向内端，所述支撑膜界定一对相对侧面；以及

其中所述径向内支撑件和所述径向外支撑件能够相对于彼此移动，以便允许所述支撑膜弯曲，并且其中所述径向内支撑件和所述径向外支撑件均位于所述支撑膜的所述相对侧面中的一个上。

2.根据权利要求1所述的弹性复合结构，其中所述支撑膜包括多个加强层，所述多个加强层由每一个所述加强层之间的非加强弹性剪切层间隔开。

3.根据权利要求2所述的弹性复合结构，其中所述加强层的模量低于所述加强层之间的所述非加强弹性剪切层。

4.根据权利要求2或3所述的弹性复合结构，其中每个加强层包括多个细长加强件，所述细长加强件定位成彼此邻近且沿着所述径向方向从所述支撑膜的所述径向内端连续延伸到所述径向外端。

5.根据权利要求4所述的弹性复合结构，其中每个加强层包括环绕所述多个细长加强件的弹性材料。

6.根据权利要求2或3所述的弹性复合结构，其中每个加强层包括纤维增强塑料。

7.根据权利要求6所述的弹性复合结构，其进一步包括环绕所述纤维增强塑料的弹性体。

8.根据前述权利要求中任一项所述的弹性复合结构，其中所述支撑膜在所述径向外端和所述径向内端之间是弓状的。

9.根据前述权利要求中任一项所述的弹性复合结构，其中所述支撑膜在所述径向外端和所述径向内端之间具有连续曲率半径。

10.根据前述权利要求中任一项所述的弹性复合结构，其中所述径向外接头定位在所述支撑膜的所述径向外端和所述第一组件之间。

11.根据前述权利要求中任一项所述的弹性复合结构，其中所述径向内接头定位在所述支撑膜的所述径向内端和所述第二组件之间。

12.根据前述权利要求中任一项所述的弹性复合结构，其中所述径向内接头和所述径向外接头各自包括弹性材料。

13.根据前述权利要求中任一项所述的弹性复合结构，其中所述第一组件是环形带，并且其中所述径向外接头界定与所述轮胎的所述环形带结合的径向外连接表面。

14.根据前述权利要求中任一项所述的弹性复合结构，其中所述支撑膜、径向内接头和径向外接头在所述轮胎的相对侧面之间连续延伸。

15.根据前述权利要求中任一项所述的弹性复合结构，其中所述支撑膜、径向内接头和径向外接头沿着所述轮胎的所述周向方向连续延伸。

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