CN115803182A - 用于形成非充气轮胎的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于形成非充气轮胎的方法，该非充气轮胎由在其形成的工艺期间被预张紧的热塑性弹性体构造。该预张紧由在成形工艺中天然可用的热方式提供。这通过创建预张紧来创建高效制造工艺，而没有通过机械方式添加预张紧的复杂性。用于形成非充气轮胎的方法包括：将胎面部分(101)和具有圆周加强件的环形梁(102)注入模具中，该模具仅支撑在胎面图案的外径界限上的胎面图案；注入从环形梁(102)径向向内延伸的轮辋(104)；以及形成环形支撑件(103)，该环形支撑件由从环形梁(102)径向向内延伸的热塑性弹性体构成。使热塑性弹性体硬化，并且从模具移除轮胎。

Description

用于形成非充气轮胎的方法

本申请要求2020年4月30日提交的美国临时申请第63/018,496号的权益。

技术领域

本公开涉及用于道路车辆或越野车辆(例如，汽车、轻型卡车和重型卡车、全地形车辆、零转弯半径割草机、军用车辆)的非充气轮胎(NPT)。具体地，其涉及可能需要更高的速度和负载能力以及高损伤容限的越野车辆。

背景技术

非充气轮胎(NPT)相比充气轮胎具有优点。与充气轮胎不同，NPT不是压力容器。它们不会由于气压损失而发生故障。

NPT通过机械方式(各种设计元件的弯曲、张紧和/或压缩)来产生负载。另一方面，由于充气压力，充气轮胎被预张紧。可通过减小预张紧构件(诸如，加强层)中的张紧来抵消垂直负载。相比引起结构挠曲，对预张紧的此类“释放”可能是更有效的。这些预张紧层可以是薄的并且因此是轻质的。因此，充气轮胎的负载和速度能力可得到增强。

现有技术揭示了向NPT添加预张紧的方法。例如，US2019/0009613(由当前申请人拥有)公开了一种轮辐设计和向轮辐添加预张紧的机械方式。因此，负载能力和疲劳得到改善。然而，经由所公开的机械方式添加预张紧可能是费力的。

NPT可能需要低效和/或昂贵的制造方法。涉及NPT制造的现有技术的示例是US 9,004,901(由当前申请人拥有)。公开了一种用于形成热固性聚氨酯轮辐并将所述轮辐粘结到橡胶胎面和中心轮毂的方法。模具旋转，从而产生使得模具能够填充的离心力。然后，液体聚氨酯固化并硬化，并且NPT可以脱模。此类设备和程序的操作可能昂贵，并且可能需要创建新的生产程序。

US 9,751,270(由当前申请人拥有)公开了一种用于形成NPT的热塑性模制程序。热塑性注塑是成熟行业，其可降低NPT成本。然而，该现有技术中不存在针对预张紧的公开内容。

本公开通过提供包括在形成NPT的工艺期间被预张紧的热塑性弹性体的NPT来弥合该差距。该预张紧由在成形工艺中天然可用的热方式提供。因此，高效制造的优点与预张紧的效率相组合，而没有通过机械方式添加预张紧的复杂性。

发明内容

各方面和优点将部分地在以下描述中阐述，或可由所述描述显而易见，或可通过实践来得知。本发明具有针对使用轮胎的车辆的一般应用。具体地，应用尤其适于可能需要高速度和高负载以及高吸收能量能力的越野车辆。

根据一个方面，提供了一种非充气轮胎，包括：加强环形梁；从该环形梁径向向内延伸的环形支撑件，所述支撑件包括热塑性弹性体；和从环形梁径向向内延伸的轮辋。环形支撑件具有圆周加强件，使得内径表面不挠曲超过2mm。此外，环形支撑件具有不小于0.5％的预应变，该预应变由注塑模制操作之后的热收缩产生。

根据一个方面，提供了一种非充气轮胎，包括：加强环形梁；从该环形梁径向向内延伸的环形支撑件，所述支撑件包括热塑性弹性体；和从环形梁径向向内延伸的轮辋。该非充气轮胎具有初始切线垂直刚度，该初始切线垂直刚度为在设计负载下的切线垂直刚度的至少两倍。

根据一个方面，提供了一种非充气轮胎，包括：加强环形梁；从该环形梁径向向内延伸的环形支撑件，所述支撑件包括热塑性弹性体；和从环形梁径向向内延伸的轮辋。该环形梁的加强件具有不小于0.5MPa的压缩强度，并且该加强件被配置为使得环形梁在RY平面中是横向各向同性的。

根据一个方面，提供了一种用于形成NPT的工艺。该NPT具有胎面部分，该胎面部分具有胎面图案。加强环形梁从胎面径向向内延伸。环形梁和胎面在第一工艺中形成。包括热塑性弹性体的环形支撑件从环形梁径向向内延伸，并且在包括热塑性注塑的第二工艺中形成。该第二工艺包括模具，环形梁和胎面被定位在该模具中。该模具仅支撑在外径界限上的胎面图案。

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、方面和优点将变得更好理解。并入本说明书中并且组成本说明书的一部分的附图说明实施例，并且连同描述一起用于解释原理。

附图说明

参考附图，在说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整且可行的公开内容，包括其最佳模式，其中：

下面仅通过示例的方式，参考附图提供实施方式的详细描述，在附图中：

图1是NPT的示例性示例。

图2是NPT的示例性示例和现有技术NPT的负载与挠度的关系图。

图3是环形梁和胎面的示例性示例。

图4是环形梁的Y-Z横截面图。

图5是在热塑性注塑中所见的经受压力时的环形梁的2D FE模型。

图6是放置在用于热塑性注塑的模具中的环形梁的RY剖视图。

图7是在热塑性注塑中所见的经受压力时的两个环形梁的挠曲的FEA模拟。

图8示出了在加载到越野障碍物上时的两个NPT的FEA模拟。

图9示出了具有不同数量的加强层的NPT的临界负载。

图10示出了NPT的示例性示例的热塑性轮辐、环形梁和胎面。

图11示出了在轮辐端部之间的轮辐曲线距离与线性距离之间的差异。

图12是示例性NPT的剖视图，示出了轮毂区域。

图13示出了负载到4000N的两个NPT的FEA模拟。

图14示出了负载到7000N的示例性NPT。

图15是对四个NPT的负载与挠度的关系的FEA预测。

图16是对三个NPT的切线垂直刚度的FEA预测。

图17示出了对三个NPT的接触面长度与挠度的关系的FEA预测。

图18示出了针对经受临界屈曲负载的单个轮辐的FEA预测。

图19示出了示例性NPT的示例性浇口位置。

应当明确理解的是，说明书和附图仅是为了说明特定实施方式的目的，并且是帮助理解的。说明书和附图不旨在且不应该是限制性的。在不同附图中使用相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。

术语定义

除非另有说明，否则针对本公开如下定义以下术语，其中材料特性是指在环境温度下的那些特性：

“轮毂”是指用于支撑轮胎并且能够附接到车轴的任何结构。

当提及热塑性弹性体时，“模量”是指按照ISO 527-1:2019测量的杨氏拉伸弹性模量。

当提及加强帘线或缆线时，“模量”是指按照ASTM D2969测量的杨氏拉伸弹性模量。拉伸模量可以计算为0.5％的应变下的正割模量。

当提及加强帘线或缆线时，“抗压强度”是指单轴压缩下失效时的抗压应力，通过在Journal of Composite Materials，第49卷，第6期，第739-748页的文章“Theoreticaland experimental compressive strength of a glass fiber-vinyl ester pultrudedcomposite”中公开的方法来测量。

当提及橡胶时，“剪切模量”是指根据ASTM D5992–96(2018)在10HZ、23C和2％应变下测量的动态剪切模量。当提及橡胶时，“伸长模量”是指根据ASTM D412测量的杨氏模量。

轮胎的“设计负载”是轮胎的常规和预期的操作负载。

“设计接触长度”是负载到设计负载时的接触长度。

可以根据SAEJ2704执行对轮胎垂直力与挠度和占有面积的关系的测量。

具体实施方式

本发明提供一种非充气轮胎和形成该非充气轮胎的方法。出于描述本发明的目的，现在将详细参考实施方案和/或方法，该实施方案和/或方法的一个或多个示例在附图中说明或藉由附图说明。以说明而非限制性的方式提供每个示例。事实上，对本领域的技术人员将显而易见的是，在不脱离范围或精神的情况下可以在本发明中进行各种修改和变型。举例来说，说明或描述为一个实施例的部分的特征或步骤可与另一个实施例或步骤一起使用，以产生又另一实施例或方法。因此，希望本发明涵盖此类修改和变化，如同其处于所附权利要求书以及其等效物的范围内。

图1示出了NPT 100的示例性示例，尺寸为26x10-12。这是越野应用的常见尺寸。轮胎限定具有径向方向R、周向方向θ和轴向方向Y的圆柱坐标系。方便的笛卡尔坐标系使X作为轮胎的行进方向、Y作为轴向方向并且Z作为垂直方向。

轮胎包括胎面部分101、环形梁102(其在周向方向上包括加强件)、环形支撑部分103(其包括热塑性弹性体)、轮辋部分104和轮毂部分105。在该实施方案中，环形支撑部分包括在径向方向上延伸的轮辐，从而将环形梁的内表面连接到轮辋而不与其他轮辐中的任何轮辐相交。

在该实施方案中，环形梁和胎面在初始模制操作中形成。环形梁连同轮毂部分105被放置在模具中以用于二次模制操作，其中使用热塑性注塑来形成轮辐。

现有技术的构造(诸如US 9,004,901中描述的构造)使用热固性聚氨酯来形成轮辐。当前应用公开了一种用热塑性弹性体的热塑性注塑形成轮辐的方法。此外，该方法可导致具有预张紧轮辐的NPT。该预张紧是由于轮辐的热收缩，因为它们分别被轮辋和环形梁约束在径向向内和径向向外的界限处。

从历史的角度看，与热固性聚氨酯的旋转模制相比，发明人首先受到热塑性注塑模制的优异经济性的激励。制作尺寸为24x12-12的研究轮胎的原型、对其进行测试、并与包括热固性聚氨酯轮辐的现有技术轮胎进行比较。该尺寸的轮胎通常用于越野车辆(诸如，全地形车辆(ATV)和零转弯半径(ZTR)割草机)。结果令人惊喜—优于预期。这些正向惊喜包括：

1.轮胎滚动阻力减少了20％，即使针对研究轮胎使用与现有技术轮胎相同的胎面和环形梁部分。

2.产生了强的非线性负载与挠度的关系曲线。与现有技术相比，当前发明的负载与挠度的关系的初始斜率更高，即使设计负载下的切线斜率基本上不变。这在图2中示出。轮胎设计领域的技术人员将认识到此类性能的价值。在3000N的设计负载下，示例性NPT的挠度比现有技术轮胎小4.5mm(小30％)。然而，两个NPT在设计负载FZ＝3000N下的切线KZ均为160N/mm。示例性轮胎具有为700N/mm的高得多的初始KZ。初始KZ比在设计负载下的KZ高4倍以上。因此，对于示例性NPT，保持了行车舒适度，同时减少了变形和挠曲。

3.用于形成热塑性轮辐的工艺相对容易，即使已经预期了显著问题。热塑性注塑需要高压力。在靠近注浇口的区域处可发生28MPa(4000psi)或更高的压力。即使在不处于注浇口附近的位置处，模具填充结束时的压力也可为100psi(0.7MPa)、200psi(1.4MPa)或更高。出于这个原因，注塑模制采用稳固的钢或铝模具，通过若干公吨的锁模力将它们保持在一起。橡胶(甚至加强橡胶)不用作注入高压塑料的表面。然而，图1中NPT 100的架构显然需要环形梁102的径向向内表面与包括热塑性弹性体的环形支撑件103之间的大面积接触。发明人猜想高注入压力将使环形梁和胎面变形，从而导致对热塑性弹性体的厚度控制不佳。然而，情况并非如此。该工艺稳定且良好受控。

在细致研究之后，发明人确定了产生更好结果所必要的多种工艺和产品属性。在下面公开了这些工艺和产品属性中的每一者。

具有特定加强特性的加强环形梁

图3示出了胎面101和环形梁102的示例性实施方案。它们是一个模制部件，在初始模制操作中形成。在图4a和图4b中进一步说明了环形梁。在该实施方案中，环形梁用圆周加强件301进行加强。在该实施方案中，加强件包括径向间隔开的7层。梁包括弹性基质材料302，其可包括橡胶。径向层的间隔近似等于在轴向方向上的加强件间距。因此，该加强件在环形梁的R-Y截面中形成横向各向同性的复合材料。如果在径向方向上的帘线间间隔在轴向方向上的帘线间间隔的+/-33％之内，则所得复合材料是近似横向各向同性的。

加强件可包括钢缆线或任何合适的高刚度和高强度材料。在该示例性实施方案中，加强件包括连续拉挤的玻璃单丝。发明人已经发现，这种类型的加强件可能是特别有利的。

在Journal of Composite Materials，第49卷，第6期，第739-748页的文章“Theoretical and experimental compressive strength of a glass fiber-vinylester pultruded composite”中公开了连续拉挤的玻璃纤维单丝的特性。该加强件在张紧和压缩时具有高刚度和强度。该加强件的特性对于示例性NPT是有利的。这些特性包括：

·杨氏模量E＝40GPa

高模量是有利的，因为示例性示例环形梁在热塑性注塑工艺期间用作压力容器。高刚度实现更稳定的模制工艺。

·抗压强度σc＝1.1GPa

示例性示例的越野用途导致非常高的撞击负载。越野轮胎设计领域的技术人员知道，对于瞬时事件，动态负载可接近设计负载的4倍。高抗压强度是性能要求。

·CTE＝5×10^-6mm/mm-C

在模制工艺之后，环形梁锚固轮辐的径向外端。针对圆周加强件的低CTE导致在脱模后不会收缩的环形梁，即使是在高模制温度下。热预应变在热塑性轮辐中产生。钢具有CTE＝12x10^-6mm/mm-C，这也是可接受的低值。通过比较，示例性示例中使用的热塑性弹性体具有CTE＝1.6x10^-4mm/mm-C。当低CTE与高模量组合时，得到非常有效的结构，使得能够发生轮辐预应变。

发明人执行了2D有限元分析(FEA)以理解和量化这些影响。

图5是用于预测环形梁和胎面中的挠曲的模制模拟的结构化2D FEA。在该2D平面应变模型中，刚度以单位宽度表示。因此，对加强件刚度的计算相对于在轴向方向上厚度为1mm的截面归一化。

在热塑性模制工艺中，将熔融弹性体注入模具中，环形梁已定位在模具中。在示例性实施方案中，环形梁定位成使得径向向内表面201用作模具腔的外径界限。然后，模制操作形成环形支撑件103的至少一部分以及轮辋104的至少一部分。轮毂105也可定位在同一模具中，并且模制操作可围绕轮毂包覆成型热塑性弹性体。

当弹性体填充模具并接触环形梁的径向向内表面201时，非常高的压力作用于表面201。环形梁包括圆周加强件301和基质材料302。胎面101接触胎面图案的外径界限305上的刚性模具表面400。胎面花纹沟壁303可自由变形。胎面的外径界限在径向方向上受到约束，但是胎面可自由压缩。换句话讲，胎面图案的存在可在胎面与模具表面400之间创建气隙。因此，环形梁在周向方向上的刚性变得非常重要。

为了应对压力，加强件产生张力T。这是必要的，因为胎面花纹沟壁可能变形。由于胎面可包括橡胶，因此与注入压力相比，胎面的抗压刚度将较小。由于泊松效应，块将压缩并凸出。刚性加强件对于减轻这种不期望效应是必要的。

图6示出了在RY截面中模具中的环形梁和胎面的示例性位置。模具表面401在环形梁和胎面的侧向界限处。该截面充当截流装置，防止熔融弹性体从模具腔流出并围绕环形梁。在该示例性实施方案中，模具表面400仅约束胎面的外径界限305。换句话讲，结合图5，模具表面400和401可以是平滑的，并且因此可以是低成本的。不需要存在针对胎面花纹沟底部304或胎面图案侧面303的支撑结构。

图7a和图7b中示出了对于P＝0.7MPa(100psi)的情况的挠曲结果(以mm为单位)。7a示出了针对无加强件的情况的挠曲。如果使用伸长模量＝7MPA的各向同性橡胶，则径向内表面的挠度在2.5mm至3.05mm之间。这是过大的。热塑性注塑领域的技术人员将认识到，壁厚通常为3mm。具有挠曲多达期望壁厚的限定模具表面将产生严重问题。另外，存在厚度为约0.5mm的周向变化。

相比之下，图7b示出了具有加强件的结果。挠度为上述的约五分之一。内表面挠度现在为0.50mm至0.62mm。这种挠曲水平在热塑性注塑工艺中是可控制的。

机械工程领域的技术人员将认识到，图5近似于软胎面和高模量加强件的情况下的压力容器。因此，适用将加强件张紧与内部压力相关联的众所周知的公式。可以添加对模量、面积和应变之间的基本关系的进一步使用，以创建期望的最大允许径向挠曲与其他设计参数之间的关系。这在下面给出：

其中R＝环形梁的内半径

P＝内半径处的注塑压力

W＝环形梁宽度

A＝总加强件横截面

E＝加强件杨氏模量

∈＝加强件周向应变

并且R∈＝内半径处的径向挠曲

发明人已经发现，注入压力P＝1MPa(146psi)是在模制工艺期间梁的内半径处的代表性压力。此外，发明人已经确定，内半径处的径向挠曲R∈的可接受值可低至2mm。在公式(1)中代入这些：

也就是说，环形梁宽度乘以半径R的平方除以加强件杨氏模量和总加强件横截面的乘积应小于每牛顿2立方毫米。对于代表性压力P＝1MPa，公式(2)简单地给出了以mm为单位的环形梁的内半径的径向挠曲。在一些情况下，可接受值可低至2mm。在一些情况下，其可以是1.5mm。在其他情况下，其可以是1.0mm或甚至更低。

公式(2)以牛顿和毫米为单位。因此，应力以兆帕为单位。其他单位系统应转换为这些单位，以便适用公式(2)。

以上分析假设加强件针对加强层中的每个加强层在轴向方向上具有恒定的间距。其还假设加强层延伸跨越环形梁的侧向界限。与上述不一致的设计不脱离本申请的意图。以上公式仍然可用于近似环形梁在注塑模制操作中的挠度。

也可以使用以下程序来直接测量在注入压力下在内半径处的环形梁挠度：

1.将环形梁放置在热塑性注塑模具中

2.测量从用于形成环形支撑件的模具实体到环形梁的径向向内界限的最小径向距离

3.通过使用热塑性工艺形成环形支撑件来形成NPT

4.在所述最小径向距离的位置处切割NPT环形梁和环形支撑件。

5.测量用于形成环形支撑件的热塑性弹性体的径向厚度。

6.从实际厚度减去模内距离。这是环形带的内径表面在模制工艺期间挠曲的量。

作为公式(2)的示例性示例，图1的NPT具有总加强件横截面A＝800mm²。加强件具有模量＝40,000N/mm²。因此，EA＝3.2E+07N。其中内半径＝300mm，并且宽度W＝250mm，得到R∈＝0.7mm。

根据现有技术US 7,201,194，公开了2种加强层。使用所公开的值G＝5MPa，并且E’膜/G＝1000:1，得到总EA＝2.5E+06N。使用R＝330mm，如所公开的，并且W＝250mm，R∈＝10.5mm。这太高了，并且对于注塑模制来说将是不够刚性的。

虽然高效生产工艺需要高的张紧周向刚度，但是产品性能需要高的周向抗压强度。发明人已经发现，多层加强件还改进了在越野条件下的负载承载能力，在越野条件下经常对具有反向曲率的物体产生非常高的撞击。这也用2D平面应变FEA来研究。

图8a示出了在环形梁中具有2层玻璃单丝加强件的NPT。这些层由各向同性橡胶层分开。NPT被加载到具有反向曲率的表面上，该表面的半径等于NPT的半径。在14,500N处，环形梁的外径界限上的加强层屈曲。它变得不稳定。这可能在橡胶基质中或在加强件本身中导致故障。

图8b示出了具有3层加强件的NPT。现在，在环形梁的外径界限处存在2个相邻层。在17,000N的负载下，结构保持稳定。

“临界负载”是帘线屈曲开始发生时的负载。在图9中相对于加强层的数量示出了临界负载。对于6层，预测临界负载为27,500N。这表示2层性能的倍增。这种改进的机制可涉及产生横向各向同性的加强环形梁。

在以上参考的Journal of Composites中的文章中，单向复合材料的临界屈曲抗压应力由以下给出：

其中σ_c＝临界屈曲应力

G₁₂＝施加应力的平面中的剪切模量

G_m＝基质剪切模量

Vf＝纤维(或帘线)体积分数

假设单向复合材料为横向各向同性的。当复合材料不是横向各向同性的时，临界屈曲应力下降。因此，图4b中所示的加强件图案是示例性的。因此，发明人已经发现，通常应用于所谓的经典复合材料(碳或玻璃的纤维，具有热固性树脂，诸如乙烯基酯)的公式也描述了帘线-橡胶复合材料。

对于轮胎设计领域的技术人员并非显而易见的是，认为帘线-橡胶复合材料可能表现得像高模量树脂和纤维的经典复合材料。测试中的出色原型性能以及这些建模结果表明这确是如此。

发明人已经发现，当在径向方向上的帘线间距离在轴向方向上的帘线间距离的33％之内时，性能最佳。在一些情况下，这可能需要为25％，并且在一些情况下，为10％，并且在一些情况下甚至更少。

此外，发明人已经发现，根据公式(3)，需要为至少5MPa的临界屈曲应力；在一些情况下，为至少8MPa，并且在其他情况下甚至更高。

所需的帘线体积分数可以为至少0.15；在其他情况下，为0.25；在其他情况下，为0.35，并且在其他情况下，甚至更高。橡胶基质剪切模量可以为至少3MPa，在一些情况下为5MPa，并且在一些情况下甚至更高。

即使不考虑宏观屈曲，外径加强层也承受高抗压应力。因此，帘线本身需要具有高抗压强度。期刊文章公开了一种测量单帘线或缆线加强件的抗压强度的方法。使用该方法，连续拉挤的玻璃单丝可具有1.1GPa的抗压强度。发明人已经发现，示例性NPT受益于具有至少0.5MPa的抗压强度的加强件；在其他情况下，为0.8MPa；并且在最严苛的使用中，超过1.1GPa。可使用在期刊文章中描述的相同程序来测量任何帘线或缆线的抗压强度。

创建预张紧非充气结构

图10是示例性NPT。环形支撑件包括热塑性弹性体轮辐103，其在径向方向上延伸，不与轮辐中的其他轮辐相交。外径界限粘附到环形梁的内径界限201。在注塑模制工艺中，热塑性弹性体的均匀厚度401粘附到环形梁的内径表面。内径界限粘附到轮辋部分104的外径界限，该外径界限可包括热塑性弹性体。轮辋可比轮辐更厚且更具刚性。因此，这为轮辐创建了刚性的两端固定边界。

图11a示出了如被配置在模具中的示例性NPT在脱模之前的R-T横截面。轮辐103从径向外界限B(接合到环形梁102)延伸到径向内界限A(接合到轮辋102)。曲线距离Lc是轮辐在脱模之前的长度。在该代表性示例中，曲线距离Lc＝Rα，其中角度α以弧度为单位。距离L是点A与点B之间的线性距离。

当轮辐在脱模后冷却时，发生热收缩并且无应力长度减少。冷轮辐中的拉伸预应变的程度涉及热收缩量以及轮辐曲线距离与线性距离之间的差异。这可近似如下：

其中：S_PS为轮辐预应变，以百分比计。

CTE为线性热膨胀系数

T_H为模具中的轮辐温度

T_C为环境温度

L_C为模具中的轮辐曲线长度

L为轮辐径向界限之间的距离

相关联的轮辐预张紧由以下给出：

其中：S_PT为轮辐预张紧

E_S为轮辐模量

A_S为轮辐横截面面积

图11b示出了图10a的示例性NPT的模制后几何形状。由于环形梁102的圆周加强件，通过使用低CTE的加强件，环形梁的内半径R_B相对不变。类似地，轮辋104的内半径R_R相对不变或甚至可能略微变小。轮辋设计的示例性示例将在下面章节中示出。

发明人已经发现，需要至少0.5％的轮辐预应变S_PS以给出先前公开的有利的负载与挠曲性能的关系；在一些情况下，至少1.0％的预应变是更好的；在其他情况下，至少1.5％的预应变是有益的，并且在其他情况下，甚至更多。

实际轮辐预应变可能根据公式(4)变化，这取决于其他构造因素，诸如加强件的CTE。可通过以下测量真实的预应变：

·测量在模制之后从点A到点B(轮辐的外径界限和内径界限)的实际轮辐长度。

·标记用于测量该距离的点。

·从NPT中切割出轮辐。

·测量已从NPT移除的无应力轮辐

如果轮辐在模制轮胎中处于张紧状态，则无应力长度将变小。其变小的量除以移除前的长度可得出轮胎的预应变百分比。

针对图11a的模内轮辐几何形状使用的简单几何形状仅用于说明目的。可以使用任何曲线轮辐几何形状。标准计算机辅助设计工具使得能够计算任何此类曲线距离。

图12示出了示例性NPT R-Y横截面。轮辋材料104可包括热塑性弹性体，其在与轮辐相同的操作中形成。此外，轮毂105可具有在轴向方向上延伸的部分501。在一些情况下，轮毂可在轮辋的轴向宽度上延伸15％；在其他情况下，轮毂可延伸30％；并且在其他情况下，轮毂可延伸超过轴向宽度的50％。

利用延伸超过轮辋轴向宽度的50％的钢轮毂设计，轮辋R_B在模制操作期间可能不改变。钢具有高模量和低CTE，其约束轮辋。如果轮毂在轮辋的轴向宽度上延伸15％或更少，则轮辋R_B在轮胎冷却时可能减小。由于轮辋的大部分包括热塑性弹性体，因此R_B由于高CTE而减小。这可使轮辐中的预应变量增加至大于公式(5)中给出的值。

该示例性轮辋设计具体体现通过用于形成轮辐和轮辋的相同热塑性弹性体来包覆成型的轮毂。其可能是低成本的，但是在为轮辐的下端提供锚固方面非常有效。

具有高屈曲负载的高模量轮辐

轮辐预应变的优点可以用其他设计参数来放大。例如，发明人已经发现，轮辐模量和轮辐厚度可极大地突出正向性能。连同热收缩的影响，也用2D FEA对这些内容进行研究。这些设计参数的累积影响是令人惊喜的。可以将“基于张紧的”NPT转变为通过预张紧、压缩和张力的组合来支撑负载的混合NPT。

轮胎尺寸33x10-15通常用于较大的实用任务车辆(UTV)。以该尺寸对下面示出的4个版本进行建模。每个版本具有相同的环形梁。仅有的差异与下表中的设计参数有关。

版本	轮辐预应变(％)	轮辐厚度(mm)	轮辐模量(MPa)
				V1	0	4	45
V2	1	4	45
				V3	1	5	90
V4	1	6	90

图13示出了V1和V2的变形几何形状，它们仅有的差异是轮辐预应变。在4000N的设计负载下，1％轮辐预应变显然导致V2具有与V1相比更低的挠曲和更少的轮辐变形。

图14示出了在4000N和7000N下的版本V4。在4000N下，挠曲极小—轮辐变形非常小。在7000N的负载下，挠曲小于在4000N的负载下的参考版本V1。虽然轮辐预应变从版本V2到V4没有改变，但是轮辐预张紧已经增加。轮辐模量和轮辐厚度已经增加，这导致更高的轮辐预张紧，如公式(5)中所给出的。

图15示出了对V1、V2、V3和V4的负载与挠度的关系的FEA预测。

·从V1到V2，可以仅看到轮辐预应变的影响。

·从V2到V3，可以看到增加轮辐模量和厚度两者的影响。

·从V3到V4，可以看到进一步增加轮辐厚度的影响。

以累积方式，预应变、模量和厚度可极大地增加示例性NPT的负载承载能力。例如，V4在设计负载4000N下具有小于10mm的挠曲，而参考版本V1需要30mm的挠曲。

上述设计杠杆的主要影响是增加初始切线KZ。在图15中针对V1、V2和V3每一者示出了切线KZ与挠度的关系。在低挠度下，轮胎V2和V3的切线KZ远高于V1。在较大挠度下，切线KZ变得更接近。

发明人已经发现，零挠度处的切线KZ可以是产生设计负载所需的挠度处的切线KZ的至少2倍。在其他情况下，这可以是至少3倍；在其他情况下，这可以是4倍，并且在其他情况下，甚至更多。

从图14显而易见的是，即使在极小挠曲下，示例性NPT也可产生长接触面。在图17中针对V1、V2和V3示出了接触面长度与挠度的关系。V1需要31mm的挠曲以给出设计负载FZ＝4000N。在该挠曲下，V1产生135mm的接触面长度。因此，接触长度除以垂直挠度为4.3。在相同负载下，V2需要22mm的挠曲和125mm的接触长度。这得出比率5.7。V3需要11mm的挠曲和110mm的接触长度，比率为10.0。

轮胎设计领域的技术人员将认识到在极小挠曲的情况下产生长接触面的益处。牵引(尤其是越野牵引)与接触面长度强烈相关。示例性NPT可将低挠曲与长接触面组合。因此，低滚动阻力和改进的耐久性可以与高牵引性能组合。

发明人已经发现，设计负载下的轮胎挠度与设计负载下的接触面长度的比率可以高达5。在其他情况下，其可以高达7；在其他情况下，其可以高达10，并且在其他情况下，甚至更高。

在实验和建模之后，发明人已经理解，即使中等厚度的轮辐也可极大地有助于负载承载能力。机械工程领域的技术人员熟悉用于压杆的欧拉临界负载。

两端固定的压杆的欧拉临界屈曲负载公式为：

对于将矩形轮辐横截面作为压杆的情况：

其中：F_C为屈曲负载

E为轮辐模量

I为R-T平面中的轮辐惯性矩

w为轮辐宽度

t为轮辐厚度

L为从轮辐与环形梁的相交点到与轮辋的相交点的距离

发明人执行了对轮辐结构的3D FEA。图18示出了代表性模型的变形几何形状。FEA结果与欧拉公式非常吻合。例如，给定轮辐长度100mm、宽度200mm和模量100MPA：

厚度	F<sub>C</sub> FEA	F<sub>C</sub>欧拉临界
			2.5mm	111N	102N
3.5	286	280
			4.5	591	594

4.5mm厚的轮辐的结果相当令人惊喜。屈曲需要几乎600N的压缩力。参考图13和图14，若干轮辐从接触面径向向内后屈曲。因此，与4000N的设计负载相比，每个轮辐的600N屈曲力不可忽略。

发明人已经发现，轮辐屈曲负载可因此用作示例性NPT开发中的设计参数，该示例性NPT承载张紧负载(轮胎顶部周围、远离接触区域的张紧轮辐)和压缩轮辐(接触区域中的轮辐)。这是图14中所见的影响之一，其中V4具有屈曲负载较高的轮辐。

发明人已经发现，示例性NPT可具有临界屈曲负载为设计负载的至少10％的轮辐；在其他情况下，为设计负载的至少15％；在其他情况下，为设计负载的至少20％，并且在其他情况下，甚至更高。

为了减小热塑性弹性体在环形梁的径向向内表面上施加的注入压力，发明人已经发现，在示例性NPT的轮辋部分附近定位注浇口是有利的。这在图19中示出，其中注浇口600位于轮辋的一部分处或在其附近。示例性NPT可具有包括轮辋的至少一部分的热塑性弹性体。在这种情况下，弹性体可在形成环形支撑件之前首先形成轮辋的一部分。

模流分析(MFA)已经示出注入压力随着热塑性材料从轮辋部分流动通过环形支撑件(其可包括径向定向的轮辐)而减小。当材料到达环形梁的径向向内表面时，压力可降低至2MPa(290psi)，或甚至低至1MPa(140psi)，即使浇口600附近的注入压力可能更高。

特定的附加元件由于假定它们在本领域普通技术人员的能力之内，因此未描述或示出一些实施方式的操作可能需要的特定的附加元件。此外，特定的实施方式在没有本文中未具体公开的任何元件的情况下可以没有、可以缺少和/或可以起作用。

在实施方案的一些示例中，本文中讨论的任何实施方式的任何特征可以与本文中讨论的任何其他实施方式的任何特征组合。

尽管已经呈现了各种实施方式和示例，但这仅是为了描述的目的，而不应该是限制性的。各种修改和增强对于本领域普通技术人员将变得显而易见。

如本文中所使用，术语“方法”或“过程”是指可以在不脱离本发明的范围的情况下以与所示出的排序不同的排序而执行的一个或多个步骤。任何步骤的次序都是示例性的，并且不意图将本文描述的方法限制为任何特定的次序，也不意图排除添加步骤、省略步骤、重复步骤或同时执行步骤。

除非明确排除或以其它方式限制，否则本文所引用的每个文档(包含任何交叉参考或相关专利或申请)由此以全文引用的方式并入本文中。任何文件的引用不承认其为本文中所公开或所要求的任何发明的现有技术，或其单独或与任何其它一个参考文件或一个以上参考文件组合教示、表明或公开任何这类发明。另外，在此文件中的术语的任何意义或定义与以引用方式并入的文件中的相同术语的任何意义或定义冲突的情况下，应以在此文件中赋予所述术语的意义或定义为准。

Claims (7)

1.一种用于形成非充气轮胎的方法，所述方法包括：

将胎面部分和环形梁注入模具中，所述胎面部分包括胎面图案，并且所述环形梁从所述胎面部分径向向内延伸并且包括圆周加强件，所述模具仅支撑在所述胎面图案的外径界限上的所述胎面图案；

注入从所述环形梁径向向内延伸的轮辋；以及

形成环形支撑件，所述环形支撑件由从所述环形梁径向向内延伸的热塑性弹性体构成。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述环形支撑件通过热塑性注塑形成。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述非充气轮胎还包括从所述环形支撑件径向向内延伸的轮辋。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述环形支撑件包括在所述径向方向上延伸的轮辐，从而将所述环形梁连接到所述轮辋。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述轮辋包括所述热塑性弹性体。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中注浇口位于所述环形支撑件的径向向内界限。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中注浇口位于所述轮辋的径向向内界限。

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