CN1398228A - 结构支撑的弹性轮胎 - Google Patents
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Abstract
一种没有内气压的支承载荷的弹性轮胎(100)，具有一地面接触胎面部分(110)、从该地面接触胎面部分(110)径向向内延伸的侧壁部分(150)以及在在轮胎滚动中用于保持固定在车轮(10)上的胎圈部分(160)，该侧壁部分结合在该胎圈部分。一加强环形带设置在该胎面部分的径向里边，该环形带具有一弹性剪切层(120)、具有粘贴在该弹性剪切层里面的至少一个第一膜片(130)以及粘贴在该弹性剪切层外面的至少一个第二膜片(140)，每个膜片具有大于该弹性剪切层弹性的剪切模量的纵向拉伸模量，使得在被施加外载荷时，该与地面接触的胎面部分的变形变成一扁平形状，同时保持该膜片的一个基本恒定的接触长度。
Description
发明背景
本发明涉及一种弹性轮胎，由该轮胎的结构部件支撑车辆载荷，而不用内部气压。
充气轮胎对于车辆机动性能成为可选择的方案已超过一个世纪。现代带束的、子午线轮胎胎体充气轮胎是一种不平常的产品，它具有支撑载荷的有效的装置，同时允许适当的垂直和横向一致性。充气轮胎获得的机械性能主要是由于在该轮胎腔体中的空气内压的作用。该气压的反作用使带束和胎体部件产生适当的刚度。这样该充气压力是该充气轮胎的一个非常重要的设计参数。不幸的是，当充气压力固定时，充气轮胎的设计师修改该轮胎垂直刚度的灵活性非常有限。
为了获得充气轮胎良好的性能需要很好地保持压力。充气压力低于规定值的可导致燃料经济性方面的损失。对于常规充气轮胎来说，重要的是在气压完全损失后其使用极为有限。为了在轮胎的气压完全丧失后使车辆能够继续行驶业已提出许多轮胎结构。大量现有的泄气行驶轮胎方案是充气轮胎具有附加的侧壁加强件或填充物，使该侧壁在泄气后行驶期间在受压情况下起到载荷支撑件的作用。这种附加加强件经常导致轮胎重量增加和舒适性降低的缺点。其他提供泄气行驶性能的方案基本上是利用在该胎冠部分中的环形加强带。在这些方案中，该胎面部分的刚度一部分来自该环形加强带的自身特性，一部分来自气压的反作用。还有一些其它方案依靠安装在车轮内的辅助的内部支撑结构。这些支承件增加了安装组件的质量，并且或者增加装配难度，或者需要使用多分段的轮辋。所有这些方法混合出不同的充气轮胎结构，并且在设计上具有需要兼顾要么优化充气状态要么优化泄气状态的缺点。此外，这些泄气行驶方案需要使用一些装置，以监视轮胎气压，并且如果该充气压力超出推荐限度，报告车辆驾驶者。
设计成不使用充气压力工作的轮胎消除了所有这些问题，并兼顾了充气轮胎的性能。只有一种工状态，非充其状态，既不需要保持气压，也不需要监视压力。迄今为止的结构支撑的弹性轮胎，例如实心轮胎或其它弹性结构，不能提供常规充气轮胎的性能状态。具有充气轮胎特性的结构支撑弹性轮胎方案会是受欢迎的改进。
发明内容
本发明的结构支撑弹性轮胎只由其胎面、侧壁和胎圈部分的结构特征支撑其载荷，没有内部气压的支撑。在不看该侧壁和胎圈部分时，结构支撑弹性轮胎的胎面部分作为一个加强环形带出现，该加强环形带具有刚度，承受轮胎子午面和赤道面的弯曲。子午面经过完全位于子午面的轮胎旋转轴线。该赤道面垂直经过该轮胎旋转轴线，并等分该轮胎结构。
环形带与一个平面的接触类似于轮胎与地面的接触，该结果的反作用类似于承载轮胎的地面接触应力。对于具有均质材料的刚度环形带而言，满足均衡和弯曲力矩要求的压力分布补偿一对位于每个接触区域端部的集中的力，其一个端部示于图2A。在这种理想的形式中，该环形带没有剪切变形。然而，如果该环形带具有一个限定剪切变形的结构，所得到的压力分布基本是均匀的。
根据本发明的结构支撑弹性轮胎具有一胎面部分，从该胎面部分向轮胎轴线径向延伸的侧壁部分，以及用于固定在车轮上的在该侧壁部分径向内端的胎圈部分。该胎面、侧壁和胎圈确定了一个类似于充气轮胎中的中空的环形空间。根据本发明，一个环形带被设置在该胎面部分的径向里边，该环形带具有一个弹性剪切层，至少一个被附着在该弹性剪切层径向内区域的第一膜片，以及至少一个附着在该弹性剪切层径向外边区域的第二膜片。该膜片最好具有一个嵌入在弹性包覆层内的基本不可延伸的帘线加强件的叠层，该膜片的弹性纵向拉伸模量比该弹性剪切层的弹性剪切模量大得多，使得在被施加外部载荷时，与地面接触的胎面部分的变形从一环形变形成一扁平形状，同时保持该膜片的一个基本恒定的接触长度。该膜片的相对变形由在剪切层的剪切产生。
在图2B中示意地示出了这种作用。如图2B所示，一个有益的结果是，与没有使用环形带的具有上述变形特征的其它轮胎相比，地面接触压力在该接触区域的整个长度上更均匀。环形带不依赖于内部充气压力，而在轮胎子午面上具有横向刚度和在赤道平面上具有纵向弯曲刚度，该刚度足够高能起到载荷支撑部件作用。
根据本发明的一个方面，该环形带的横向半径，即在该轮胎子午面的曲率半径，小于该外胎面表面的横向半径，以在该接触区域中承受该环形件的弯曲。
根据本发明的结构较好地允许轮胎设计者不依赖接触压力稍微能调节该轮胎的垂直刚度，相反，在常规充气轮胎中，该地面接触压力与轮胎垂直刚度是紧密联系的。
该轮胎侧壁提供了反作用于车轮所需的结构，由该环形带支撑载荷，由此支撑车辆的质量。在常规充气轮胎中，载荷支撑是由该轮胎侧壁拉力差提供的，该最小的侧壁拉力在该接触区域的中央，而最大的拉力在与该接触区域相对的子午面。如图3A所示，本发明的结构支撑弹性轮胎由拉伸接触区域之外的这些子午线的该侧壁支撑其载荷。当该侧壁具有较高的有效拉伸径向刚度和较低的有效压缩径向刚度时，获得最佳载荷支撑。当满足这些条件时，可以说，该车轮挂在该轮胎上部。此外，为了最佳的载荷支撑，该侧壁具有直线的外形和径向排列的加强部件。
本发明轮胎的垂直刚度(在受载时承受垂直方向的变形)由该轮胎的一反偏移刚度影响到相当程度，该反偏移刚度是承受轮胎不接触地面部分变形的测量值，该轮胎的反偏移允许该车轮轴线垂直位移，这有效地减小了该轮胎的垂直刚度。调节该轮胎的反偏移刚度也就调节了该轮胎的垂直刚度。
当本发明的轮胎以高角速度旋转时，在该环形带上形成向心力，这些力产生圆周方向应力，导致该环形带径向向外扩张。该环形带的扩张由该侧壁的高有效径向刚度承受。由于在该地面接触区域没有产生这种向心力，净结果是一垂直向上的力，起到支撑所受载荷一部分的作用，并增加该轮胎的有效垂直刚度。该向心力，以及因此该轮胎的有效垂直刚度，随速度增加而增加；这样，在速度增加时，该轮胎的偏移被减小。减小的偏移也就减小了轮胎上产生的热量，并改善高速性能。
本发明轮胎在承载时，在侧壁上产生的拉力明显低于充气的加载轮胎侧壁拉力。参考图1，胎圈部分160可以采用几种胎圈结构中任何一种，这些胎圈结构能够不依赖于充气压力安装在轮辋10上并且在使用轮胎时保持胎圈部分的适当安装。满足这些要求的胎圈结构的一个例子示于Drieux等人的美国专利US5,785,781号并通过参考结合在此。
根据本发明的一个实施例，一种结构支撑的弹性轮胎包括一个地面接触胎面部分，从该胎面部分径向向内延伸的侧壁部分(和在胎圈部分的固定)，和在轮胎滚动时适于保持固定在车轮上的胎圈部分，以及一个设置在该胎面部分的径向里边的加强的环形带，该带具有一弹性剪切层，至少一个粘附在该弹性剪切层径向里边的第一膜片，和至少一个粘附在该弹性剪切层径向外边的第二膜片，并且该第二膜片为波浪形，在径向具有波幅，在轴向具有波长。
这个波浪形膜片承受在该地面接触区域中的该环形带的受压弯曲，而不限制于该环形带的横向半径和外部胎面表面，如果该胎面花纹沟与最小波浪一致，即该膜片凹陷部分向着该胎面，这些花纹沟可以比常规轮胎的花纹沟深，这改善了该轮胎的抗滑水效应性能。
根据本发明的另一实施例，一种结构支撑的弹性轮胎包括一地面结胎面部分，从该胎面部分径向向内的延伸的侧壁部分(和在胎圈部分的固定)，和在轮胎滚动时适于保持固定在车轮上的胎圈部分，以及一个设置在该胎面部分的径向里边的加强的环形带，该带具有一弹性剪切层，至少一个粘附在该弹性剪切层径向里边的第一膜片，和至少一个粘附在该弹性剪切层径向外边的第二膜片，其中在轮胎赤道面上该带的纵向刚度与在拉伸状态下该侧壁部分的有效径向刚度的比率小于100∶1。
根据本发明又一个实施例，一种结构支撑的弹性轮胎具有一地面结胎面部分，从该胎面部分径向向内的延伸的侧壁部分(和在胎圈部分的固定)，和在轮胎滚动时适于保持固定在车轮上的胎圈部分，以及一个设置在该胎面部分的径向里边的加强的环形带，该带具有一弹性剪切层，至少一个粘附在该弹性剪切层径向里边的第一膜片，和至少一个粘附在该弹性剪切层径向外边的第二膜片，其中该侧壁部分基本是不可在拉伸的，并且基本没有抗压缩弯曲的阻力，因此从外部施加的载荷基本上由与地面接触之外的轮胎区域的侧壁部分拉力支撑，并且在与地面接触区域的侧壁部分没有垂直载荷支撑。
根据本发明，一种用于制造结构支撑的弹性轮胎的方法，该轮胎具有一个加强的环行带，该环行带在纵向刚性膜片之间有一个弹性剪切层，该方法包括如下步骤，选定该地面接触压力和轮胎半径，该地面接触压力乘以轮胎半径以确定剪切层系数，选定具有弹性剪切模量和厚度的剪切层材料，使得该弹性剪切模量乘以厚度的结果等于该剪切层系数，选择膜片，使其弹性拉伸模量至少是弹性剪切模量的100倍，并安装地面接触胎面部分，该加强环形带径向设置于该胎面部分的径向里面，至少一个第一膜片粘附在该弹性剪切层径向里边，和至少一个第二膜片粘附在该弹性剪切层径向外边，以及侧壁部分从该胎面部分径向向内延伸，并固定在胎圈部分上，该胎圈部分固定在车轮上。
附图说明
通过参考下面的描述和附图的将能更好地理解本发明，其中：
图1是本发明轮胎的剖面视图；
图2A是一示意图，示出了参照的均匀带的地面反作用力；
图2B是一示意图，示出了本发明环形带的反作用力；
图3A是本发明的加载轮胎的示意图，示出了在赤道平面上的承载机制；
图3B是本发明的加载轮胎的示意图，示出了在子午面上承载的机制；
图4是具有弧形膜片的本发明轮胎的剖面视图；
图5A示出了在轮胎赤道平面反偏移刚度；
图5B显示了在轮胎子午面反偏移刚度；
图6是具有波浪形第二膜片的本发明轮胎的剖面视图；
图7是根据图6所示实施例一种变型的本发明轮胎的剖面视图；
图8是图6所示实施例另一种变型的本发明轮胎的剖面视图；
图9示出了本发明轮胎接触面积、接触压力和垂直载荷之间关系的曲线关系图；
图10示出了本发明轮胎接触压力、垂直载荷和反偏移刚度之间关系的曲线图。
发明的详细说明
本说明书的下述术语定义如下：
“赤道平面”指的是经过该轮胎中心线垂直该轮胎旋转轴线的平面。
“子午面”指的是平行于该轮胎旋转轴线并从该轴线径向向外延伸的平面。
弹性材料的“模量”指的是用ASTM标准检测方法D412测量的10％伸长的弹性拉伸模量。
膜片的“模量”指的是在圆周方向上1％伸长的弹性拉伸模量乘以该膜片的有效厚度。这个模量可以由下面的用于常规钢带材料的等式1计算出来，这个模量用撇(‘)的符号标示。
弹性材料的“剪切模量”指的是弹性的剪切模量，并定为等于10％伸长时测得的弹性拉伸模量的三分之一。
“滞后”的是在10％动态剪切变形和25℃时测得的动态损失正切值。
根据本发明的结构支撑的弹性轮胎示于图1、图4、图6、图7和图8。结构支撑指的是该轮胎承受一载荷而没有充气压力的支撑。所公开的用于结构支撑弹性轮胎的多种变型的结构利用了类似的基本部件。对于每一种变型，在图中的标号是一致的形式。
图1中所示的轮胎100具有一地面接触胎面部分110，从该胎面部分110径向向内延伸的侧壁部分150，以及在该侧壁部分端部的胎圈部分160。该胎圈部分160将该轮胎100固定在一车轮10上。该胎面部分110、侧壁部分150和胎圈部分160确定了一个中空的环形空间105。
一个加强环形带(band)设置在该胎面部分110的径向里边。在图1所示的实施例中，该环形带具有一个弹性剪切层120，一个第一膜片130，该膜片具有粘贴在该弹性剪切层120最里面区域的加强层131和132，以及一个第二膜片140，该膜片具有粘贴在该弹性剪切层120最外面区域的加强层141和142。
该胎面部分110可以没有花纹沟，或者可以具有基本上构成在纵向胎面花纹条116之间的多个纵向排列的胎面花纹沟115。该胎面花纹条116可以横向或纵向分割，以形成适合于特定车辆使用所需的胎面花纹。该胎面花纹沟115可以具有适合于特定车辆使用要求的任何深度。该第二膜片140从该胎面花纹沟的底部径向向内偏移一段足够距离，以防止第二膜片结构被切割或穿透该胎面部分，该偏移的距离根据轮胎的预定的用途增加或减小，例如重载卡车轮胎偏移距离通常约为5至7mm。
第一膜片130和第二膜片140每层具有置于弹性包覆层内的不可延伸芯线加强件。对于由弹性材料构成的轮胎，膜片130和140通过弹性材料的硫化被粘贴在剪切层120上。以任何适当的化学方法、粘结方法或机械固定方法将该膜片130和140贴附在剪切层120上属于本发明的范围。
层131-132和141-142的加强元件可以是适合用于常规轮胎的轮胎带束层(tire belt)加强件的多种材料中的任何材料，例如无纺布、钢丝帘线、芳族或其它高模量织物。为了说明在此所描述的轮胎，该加强件是4根直径为0.28mm的钢丝帘线(4*0.28)。尽管在此公开的本发明的各种变型每个膜片具有帘线加强层，具有满足环形带所要求拉伸强度、弯曲强度和压缩翘曲性能需要的任何适合的材料可用于该膜片。就是说，该膜片结构可以是任何多种替换，例如均质材料、纤维加强基体，或具有不连续加强元件的层。
在第一膜片130中，层131和132具有相对轮胎赤道面成一夹角α基本上平行排列的帘线，并且每个层的帘线分别具有相反的定向。即在层131中为+α角，在层132中为-α角。同样对于第二膜片140，层141和142具有相对赤道面分别成一夹角+β和-β基本平行排列的帘线。在这些情况下，在两相邻层之间的芯线的交角将两倍于该特定的角度，α或β，角度α和β一般在约10°至约45°的范围中。然而不要求该膜片中的该层对排列成相互相等并相反的角度，例如该层对的帘线可以相对该轮胎赤道面不对称。
每层131、132、141和142的帘线被埋在其剪切模量约20Mpa的弹性包覆层中，最好是该包覆层的弹性模量大于该剪切层120的弹性模量，以保证该环形带的变形主要是在该剪切层120中的剪切变形。弹性剪切层120的剪切模量G与膜片130和140的有效纵向拉伸模量E’膜片之间的关系控制在加载下的环形带的变形。用于常规轮胎带束材料的膜片的有效拉伸模量E’膜片可以用下式估算：
其中：E’橡胶＝弹性覆盖材料的拉伸模量
P＝在该帘线垂直方向测量的芯线间隔(帘线中心线间隔)
D＝帘线直径
V＝弹性包覆层的横向变形系数
α＝相对于该赤道面的帘线角度
t＝在相邻层中缆线之间的橡胶厚度
可以注意到E’膜片是该膜片的弹性模量乘以该膜片的有效厚度。当该比率E’膜片/G相对低时，在载荷下的该环形带的变形接近于均质带，并产生一个非均匀的地面接触压力，如图2a所示。在另一方面，当该比率E’膜片/G足够高时，在载荷下的该环形带的变形，由于膜片几乎没有纵向拉伸或压缩，是剪切层的剪切变形，由此地面接触压力基本上是均匀的，如图2B所示。
根据本发明，该膜片的纵向弹性模量E’膜片与该剪切层的剪切模量G的比率至少约100∶1，最好至少约1000∶1。对于包含用4*0.28帘线并具有在此公开夹角的帘线加强层的膜片，所希望的剪切层120的剪切模量为约3Mpa到20Mpa。由于所用材料的滞后特性，在加载情况下的滚动期间剪切层120的反复变形导致能量消耗，在轮胎中所有热的聚集是能量消耗和该剪切层厚度的函数。这样，对于一个给定的使用常规材料设计的轮胎，该剪切层的滞后应当规定在轮胎连续使用中保持该轮胎的工作温度低于130℃。
图1中所示的轮胎具有胎面部分110、第一膜片130和第二膜片140的扁平的横向形状。在接触区域“C”中该环形带部分的应变将压缩该第二膜片140，这可以通过参照图3A理解。当该轮胎的垂直偏移增加时，该接触长度“C”可以增加，使得在第二膜片140中的压缩应力超过临界弯曲应力，并且引起该膜片的纵向弯曲。这种弯曲现象导致该接触区域的一纵向伸长部分，降低了接触压力。当该膜片弯曲被避免时，在整个地面接触区域长度上获得更均匀的地面接触压力。具有弯曲横向部分的膜片将能更好地承受接触区域的弯曲。
在图4所示的本发明的一个变型中，轮胎200具有一环形带，它具有剪切层220、第一膜片230和第二膜片240，第二膜片的横向半径小于该胎面部分210径向最外表面的横向半径。在图4中所示的曲率为了描述的目的而被夸大。对于客车轮胎，为了优化胎面表面和地面之间的接触压力建议第二膜片240的横向半径至少是500mm，该胎面部分210径向最外表面的横向半径至少是1000mm。
当上述膜片纵向拉伸模量E’膜片和该剪切层的剪切模量G的前述条件得到满足时并且环形带变形主要是由于剪切层的剪切时，对于一种给定用途，允许确定该剪切模量G和剪切层厚度h的值以形成优化关系：
Peff*R＝G*h (2)
其中Peff＝预定的地面接触压力
G＝层120的剪切模量
h＝层120的厚度
R＝该第二膜片的径向位置
Peff和R根据轮胎的预定用途所选择的设计参数。等式(2)建议剪切层的剪切弹性模量乘以该剪切层径向厚度的乘积近似等于预定的地面接触压力乘以第二膜片最外部分的径向位置的乘积。图9曲线描述了在接触压力整个范围的这种关系，并可以用来估算许多不同应用的该剪切层的特性。
上述关系对于设计本发明的轮胎是有利的。例如设计用于客车的轮胎时，设计师可以选择1.5至2.5DaN/cm2的接触压力，以及约335mm的轮胎半径R尺寸，通过这些数值相乘，可以确定50.25至83.75DaN/cm的“剪切层系数”，它可用来确定该剪切材料的厚度和剪切模量。在这种情况下，剪切模量在约3Mpa至约10Mpa范围内，该剪切层的厚度h至少5mm，最好在约10mm到20mm之间。
本发明的轮胎以图3A和3B所示的方式支撑所施加的载荷。胎体元件在区域“A”中处于拉伸状态T之下，在区域B、C中处于压缩状态。回到图1，该侧壁部分150最佳的几何形状在轮胎子午面看胎面部分110和胎圈部分160之间直线地延伸，该侧壁部分可以从胎面到轮辋向外倾斜，如图1所示，或向内倾斜，只要它们保持直线。
在图1的轮胎100中，该侧壁部分被沿径向排列的基本不可延伸的帘线加强，该侧壁部分150的力/拉长特性使得拉伸力产生侧壁部分150的最小拉伸，类似于在一拉紧的弹簧中拉力的增加。通过比较，当常规充气轮胎的弯曲侧壁在不充气状态下拉伸时，该拉伸力首先拉直该弯曲并由此拉长该侧壁。只有在弯曲的侧壁被拉直之后，在侧壁中才增加拉力。
如参照图3A和3B理解，通过具有在拉伸上很高的刚度但压缩上很低的刚度的侧壁部分或得有效的载荷支撑。本发明的轮胎的侧壁其有效径向拉伸刚度具充分大于其有效的压缩径向刚度，使得外加载荷基本上由与地面接触区域之外的侧壁150的区域“A”中的拉力支撑。该侧壁部分的有效径向刚度指的是在整个侧壁径向范围中拉伸和压缩特性，这可以通过例如从该侧壁取下一试样，它保持侧壁不受力的几何形状，并在一标准拉力试验装置上试验后测量到。充气轮胎中的弯曲侧壁具有对应该侧壁曲率的拉伸刚度，并由此低于本发明轮胎的基本是直的侧壁的拉伸刚度。
最好是该侧壁在拉伸上基本上不可延伸，而对于压缩弯曲基本没有阻力。在这种条件下，外加载荷基本由与地面接触区域之外的轮胎区域中侧壁部分的拉力支撑，并且在与地面接触区域中侧壁基本没有垂直载荷支撑。
侧壁的压缩刚度要求可以由侧壁部分具有小于轮胎径向截面高度10％的轴向厚度来满足。
垂直刚度与承载时轮胎阻止偏移(deflection)的性能有关，垂直刚度受不与地面接触区域的轮胎部分反作用，即轮胎的“反偏移”的强烈影响。图5A和5B以夸大的比例示出了这种现象。当轮胎受载荷L时，它偏移一个形成地面接触区域C的量值f，注意，为了说明的目的，图5A和5B的参照框架保持该轮胎轴线A在恒定位置，并使地面向上移向该轴线。该垂直偏移f与该载荷L成比例，由此可推导出垂直刚度Kv。由于本发明的环形带试图保持一固定长度，不接触移动的轮胎部分，或离开该接触区域C的反偏移，如图中虚线所示。该反偏移的量λ也与该载荷L成比例，并且由此可以获得该反偏移刚度Kλ。该反偏移刚度Kλ与不在地面接触区域的轮胎加强帘线承载方式有关，可以理解为包括横向和圆周方向结构相互作用。
通过将轴固定的轮胎置于一载荷F下，并测量在接触区域轮胎的偏移和相对于该接触区域的胎面表面的偏移，可以直接测量反偏移。该反偏移刚度可以通过该载荷F除以该反偏移量λ而确定。
实际上，该反偏移刚度Kλ基本控制着该轮胎的垂直向刚度，并且因此控制着轮胎的轮轴在载荷下的偏移。如图5A所见，该反偏移刚度Kλ确定该接触区域的长度。低的该反偏移刚度允许该环形带在载荷下垂直移动，并由此减小了在该偏移下的承载能力。因此具有高反偏移刚度的轮胎具有相对小的反偏移和较长的接触区域，其结果是能够承受较大的载荷。
图10以曲线示出了在该轮胎垂直刚度上的反偏移刚度Kλ的关系。图10表明本发明存在的接触压力和垂直刚度的独立性，它具有在充气轮胎中没有的设计灵活性。一个放气的充气轮胎具有小于0.1DaN/mm2的每单位宽度接触区域的反偏移刚度。相反，本发明的轮胎可以设计成具有0.1DaN/mm2以上的每单位宽度接触区域的反偏移刚度。
最好是，对于任何应用初始设计参数可利用图10结合图9选择。一旦接触压力、垂直载荷和接触区域利用图9选定，该轮胎的垂直刚度特性可利用图10确定。从图10中可获得反偏移刚度Kλ所想要的近似值，设计师可利用分析工具，例如有限元分析，确定达到这种刚度的结构。进一步的工作包括制造和检测能够符合设计参数的轮胎。
反偏移刚度Kλ可以以多种方式修改，一些用于调整这种刚度的设计参数包括，胎体帘线模量和密度，侧壁高度，该胎体帘线的弹性包覆层的模量，胎体和环形带之间的连接几何形状，连接橡胶的模量，环形带膜片的压缩模量，剪切层的厚度，轮胎的直径，以及环形带的宽度。
对于一给定的轮胎，可以调整垂直刚度来优化载荷运输能力。另一方面，可以调整垂直刚度提供减小厚度的环形带，以降低接触压力或轮胎质量，同时保持所所想要的垂直刚度。
本发明轮胎的垂直刚度还受环形带和侧壁上向心力(centripetalforce)作用的影响。当轮胎的滚动速度增加时，向心力增大。在常规子午轮胎中，向心力会增加轮胎的工作温度。相反，本发明的轮胎从这些同样的力获得了出人意料的有益效果。当本发明轮胎在施加的载荷下旋转时，向心力导致该环形带趋于在圆周方向伸长，并在侧壁上产生一附加的拉力，在接触范围(图3中区域“A”)外的轮胎的径向刚度的侧壁承受这些向心力。这产生一向上力的净值，它起到增加轮胎垂直刚度的作用，以及减小轮胎相对于静止的、不旋转状态下的径向偏移作用。当在轮胎赤道面上该带纵向刚度(2E’膜片)与该侧壁部分在拉伸上的有效刚度的比率小于100∶1时，获得这种结果。
用与图4所示轮胎200规格一致的、设计用于客车的轮胎减少了用于制造常规轮胎的步骤和材料，表1给出了总的结果。
表1-轮胎举例
| 轮胎尺寸：截面宽度235mm外径 690mm座直径 460mm | 设计参数：R＝335mmG＝3N/mm2h＝18mmE’膜片＝8750N/mmP有效＝Gh/R＝1.6barKλ＝180DaN/mm | |||||
| 垂直刚度 1.72DaN/mm@20mm偏移(正割刚度) | ||||||
| 转弯力系数 0.26@1度驾驶(steer) | ||||||
| 最高温度 112℃@392DaN载荷80kph | ||||||
| 高速限制 270kph@294DaN载荷 | ||||||
| 耐久性 40000km@294DaN载荷50kph，无损坏 | ||||||
| 偏移减小 19％@392DaN载荷从40到120kph | ||||||
| 10个点(越多越好)的主观评估，与同样尺寸的充气轮胎比较 | ||||||
| 充气1 | 充气2 | 本发明 | ||||
| 压力(前/后) | 1.9/1.8bar | 1.2/1.2bar | 0bar | |||
| 手动 | 6.75 | 6 | 6 | |||
| 舒适 | 5 | 6.25 | 6 | |||
| 噪音 | 6 | 6.5 | 6.5 | |||
在住观评估中，被检测的充气轮胎1被冲气到推荐的冷胎压力，被检测的轮胎2充气到等于本发明轮胎垂直刚度的压力。
与轮胎200规格一致的轮胎具有纵向地面接触压力的平均值，它是正的，或沿着接触区域的中向中心线变化并且是负的，或沿着该接触区域的横向边沿制动。这种差别是由于在环形带中心线和横向边沿之间滚动半径的不同引起的。当该纵向应力在中心线和横向边沿之间较好地平衡时，获得轮胎性能(特别是磨损)较好的结果。
图6显示了本发明一较佳的变型，其中轮胎300具有波浪形的第二膜片，第二膜片在径向具有波浪形的的波幅，在轴向有波浪形的波长。该波浪形的波幅定义为膜片径向最大和最小区域的差。该波浪形的波长定义为在膜片连续的径向最大值之间的轴向距离。该波浪形的第二膜片像图4中轮胎200的弧形膜片那样承受在接触区域由于压缩引起的弯曲。由于外加载荷引起第二膜片的变形从基本上环形到扁平形，该第二膜片没有纵向弯曲，并在整个地面接触长度上地面接触胎面部分保持均匀的地面接触压力。波浪形的膜片承受弯曲的效果与整个横向弯曲无关。这样，对于具有第二膜片340(其横向弯曲半径可以规定)的轮胎300能够优化地面接触应力而与其抗弯曲无关。最好是该第二膜片340具有2至5个波浪形循环，并具有该胎面部分310的滚动胎面宽度约20％至50％的波浪形波长，该波浪形幅度域最好在最大剪切层厚度的约20％和50％之间并且可以是恒定的或变化的。剪切层320具有一平均厚度，对于轮胎100和200的层120和220分别等于由等式(2)确定的剪切层固定厚度。
在图6、7和8中示出了波浪形的第二膜片的变型，其中该波浪形的第二膜片分别具有2、4或5个波峰。在这些变型中，该尖峰位于每个胎面花纹条之间，尽管该尖峰不必是胎面花纹条数量的函数，轮胎也不必一定有纵向花纹条。本发明同样可用于光面轮胎或其它没有花纹沟的橡胶制品。当该轮胎300具有至少一个设置在该波浪形最小处径向外面的胎面花纹沟315时，该花纹沟可具有比常规轮胎正常胎面深度增大的深度。在这种情况下，正常意味着由俄亥俄Copley的轮胎和轮辋协会定义的特定轮胎的标准胎面深度。在轮胎300、400和500所式的变型中，至少一个胎面花纹沟具有至少是正常胎面深度120％的深度。
申请人明白，在阅读上述说明书之后，许多变型对本专业的普通技术人员是很显然的，这些变形和其他变型在本发明的精神和范围内并由下述权利要求所限定。
Claims (30)
1.一种结构支撑弹性轮胎，具有一地面接触胎面部分，从该胎面部分径向向内延伸的侧壁部分，该侧壁部分结合在当轮胎滚动时适于保持固定在车轮的胎圈部分，以及
一个设置在所述胎面部分径向里边的加强环形带，所述环形带具有一个弹性剪切层，至少一个被粘附在所述弹性剪切层径向里面区域的第一部膜片，以及至少一个粘贴在所述弹性剪切层径向外面区域的第二膜片，
其中每个所述膜片的弹性纵向拉伸模量充分大于该弹性剪切层的弹性剪切模量的，使得在施加外载荷时，所述地面接触的胎面部分的变形从一环形变形成一扁平形，并保持所述膜片一个基本恒定的长度，并且所述膜片的相对位移主要发生在所述剪切层中。
2.根据权利要求1的轮胎，其中所述模片之一的纵向拉伸模量与所述剪切层的剪切模量的比率至少约100∶1。
3.根据权利要求1的轮胎，其中所述模片之一的纵向拉伸模量与所述剪切层的剪切模量的比率至少约1000∶1。
4.根据权利要求1的轮胎，其中每单位宽度接触区域宽度的反偏移刚度大于0.1DaN/mm2。
5.根据权利要求1的轮胎，其中所述剪切层弹性模量乘以所述剪切层径向厚度的积近似等于预定的地面接触压力乘以所述第二膜片预定的最外范围的径向位置的积。
6.根据权利要求5的轮胎，其中所述剪切层具有至少5mm的径向厚度。
7.根据权利要求6的轮胎，其中所述剪切层具有至少约10mm至20mm的径向厚度。
8.根据权利要求1的轮胎，其中所述剪切层的弹性剪切模量为约3Mpa到20Mpa。
9.根据权利要求1的轮胎，其中所述第一和第二膜片具有嵌入在弹性包覆层内的基本上不可延伸帘线加强层，该包覆层具有至少等于该剪切层弹性剪切模量的弹性剪切模量。
10.根据权利要求9的轮胎，其中所述第一和第二膜片的帘线加强件与轮胎的圆周方向形成在约10°至约45°的之间的夹角。
11.根据权利要求1的轮胎，其中该第二膜片具有一个弯曲横向形状，其横向弯曲半径小于所述胎面部分径向最外表面的横向弯曲半径。
12.根据权利要求11的轮胎，其中所述胎面部分径向最外面具有至少1000mm的横向弯曲半径。
13.根据权利要求11的轮胎，其中该第二膜片具有具有至少500mm的横向弯曲半径。
14.根据权利要求1的轮胎，其中该胎面具有至少一个胎面花纹沟。
15.根据权利要求1的轮胎，其中所述第二膜片是波浪形的，其在径向具有波幅，在轴向具有波长。
16.根据权利要求15的轮胎，其中所述第二膜片的波幅在最大剪切层厚度的约20％和50％之间。
17.根据权利要求15的轮胎，其中所述第二膜片在该膜片轴向上具有一个恒定的波幅。
18.根据权利要求15的轮胎，其中所述第二膜片的波长为所述胎面部分滚动胎面宽度的约20％至50％。
19.根据权利要求15的轮胎，其中所述胎面具有至少一个胎面花纹沟，该胎面花纹沟的胎面深度为常规胎面深度的120％。
20.根据权利要求1的轮胎，其中所述侧壁部分的有效径向拉伸刚度大于有效径向压缩刚度。
21.根据权利要求20的轮胎，其中所述侧壁部分在拉伸上基本不可延伸，并且基本没有抗压缩弯曲强度。
22.根据权利要求20的轮胎，其中所述侧壁部分由基本径向的部件加强。
23.根据权利要求20的轮胎，其中所述侧壁部分在轮胎子午面上是直线的。
24.根据权利要求20的轮胎，其中所述侧壁部分的最大厚度为所述轮胎径向截面高度的10％。
25.根据权利要求1的轮胎，其中所述环形带在轮胎赤道平面上的纵向刚度与所述侧壁部分的有效径向拉伸刚度的比率小于100∶1。
26.一种结构支撑弹性轮胎，具有一地面接触胎面部分，从所述胎面部分径向向内延伸的侧壁部分，以及在轮胎滚动时适合保持固定在车轮上的胎圈部分，该侧壁部分结合在该胎圈部分，以及
一个设置在所述胎面部分的径向里边的加强环形带，所述环形带具有一个弹性剪切层，至少一个被粘贴所述弹性剪切层径向内部区域的第一部膜片，以及至少一个粘贴在该弹性剪切层径向外边区域的第二膜片，
其中所述每个模片的纵向拉伸模量至少是所述剪切层的剪切模量的100倍。
27.一种结构支撑弹性轮胎，具有一地面接触胎面部分，从该胎面部分径向向内延伸的侧壁部分，以及适于在轮胎滚动时保持固定在车轮上的胎圈部分，该侧壁部分结合在该胎圈部分，以及
一设置在该胎面部分的径向里边的加强环形带，所述环形带具有一个弹性剪切层，至少一个粘贴在所述弹性剪切层径向内部区域的第一部膜片，以及至少一个粘贴在所述弹性剪切层径向外边区域的第二膜片，并且
所述第二膜片是波浪形的，在径向具有波幅，在轴向具有波长。
28.一种结构支撑弹性轮胎，具有一地面接触胎面部分，从所述胎面部分径向向内延伸的侧壁部分，以及适于在轮胎滚动时保持固定在车轮上的胎圈部分，该侧壁部分结合在该胎圈部分，以及
一设置在该胎面部分的径向里边的加强环形带，所述环形带具有一个弹性剪切层，至少一个被粘贴在该弹性剪切层径向内部区域的第一部膜片，以及至少一个粘贴在该弹性剪切层径向外边区域的第二膜片，其中
所述该环形带在该赤道面的的纵向刚度与所述侧壁部分的有效径向拉伸刚度的比率小于100∶1。
29.一种结构支撑弹性轮胎，具有一地面接触胎面部分，从该胎面部分径向向内延伸的侧壁部分，以及适于在轮胎滚动时和保持固定在车轮上的胎圈部分，该侧壁部分结合在该胎圈部分，以及
一个设置在该胎面部分的径向里边的加强环形带，所述环形带具有一个弹性剪切层，至少一个粘贴在所述弹性剪切层径向内部区域的第一部膜片，以及至少一个粘贴在所述弹性剪切层径向外边区域的第二膜片，
其中所述侧壁在拉伸上基本不可延伸，并且基本没有抗压缩弯曲强度，
由此外部施加的载荷基本上由地面接触区域之外的轮胎区域的所述侧壁部分的拉力支撑，并且由于该区域的侧壁部分与地面接触而基本没有垂直载荷支撑。
30.一种制造具有加强环形带的结构支撑弹性轮胎的方法，该环形带具有一个在纵向刚性膜片之间的弹性剪切层，该方法包括如下步骤：
选定地面接触压力和轮胎半径；
该地面接触压力乘以轮胎半径以确定一剪切层系数；
选定一种具有弹性剪切模量的剪切层材料和剪切层厚度，使得该弹性剪切模量乘以剪切层厚度的积等于该剪切层系数；
选择膜片，使其弹性拉伸模量至少是弹性剪切模量的100倍；并且
装配地面接触胎面部分，该加强环形带设置在该胎面部分的径向里面，至少一个第一膜片粘帖在所述弹性剪切层径向里边，和至少一个第二膜片粘贴在所述弹性剪切层径向外边，以及从所述胎面部分径向向内延伸的侧壁部分，和固定在车轮上的该胎圈部分，该侧壁部分结合在该胎圈部分。
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| LICC | Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model | ||
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Effective date of registration: 20171116 Address after: French Clermont Ferrand Patentee after: COMPAGNIE GENERALE DES ETABLISSEMENTS MICHELIN Address before: Swiss Lagrange - Puckett Patentee before: MICHELIN RECHERCHE ET TECHNIQUE S.A. |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20050119 Termination date: 20181210 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |