CN1955018A - 非充气轮胎 - Google Patents

Abstract

一种结构支撑的轮胎，其包括外部环形带，和横向伸展交叉并从环形带径向向内的多个轮辐条，该轮辐条固定在车轮或轮毂内。环形带可以进一步包括剪切层，至少一个附着于剪切层径向向内区域的第一膜片和至少一个附着于剪切层径向向外区域的第二膜片。优选的轮辐条具有相对于环形带的横向截面。截面具有由倒圆转接半径连接的直线段形成的断面。该截面的断面包括高度HC和最大深度D，该最大深度D大于高度N的5％并小于最大宽度W的30％。该断面具有角α，该角在所述断面的径向最外和径向最内区域处由断面的切线和水平线形成并且至少等于10度。断面的最小曲率半径RR至少等于剖面的高度HC的20％。

Description

非充气轮胎

技术领域

本发明涉及非充气的结构上支撑的轮胎或轮胎/车轮的结合体。更具体而言，本发明涉及非充气轮胎，其可以用自身的结构部件承载载荷，并且其具有充气轮胎同样的工作性能，从而可以替换充气轮胎。

背景技术

充气轮胎具有载荷运送，道路减震和力传递(加速，停止和转向)的能力，因此其被优选用在很多车辆上，最著名的如脚踏车，摩托车，汽车和卡车。这些能力在汽车及其他机动车辆发展过程中也是非常有利的。充气轮胎的减震能力在其他的应用中也是非常有用的，例如在运送灵敏的医学或电子装置的车内。

传统非充气轮胎的替换品，例如实心轮胎，弹簧轮胎，垫式轮胎，其缺乏充气轮胎的性能优势。特别是，实心和垫式轮胎依靠支撑载荷的与地面接触的部分受压。这类轮胎可能是笨重和僵硬的，因此缺乏充气轮胎的减震能力。当使得常规非充气轮胎更有弹性时，其缺乏充气轮胎的载荷支撑或耐久性。因此，除非在有限的情况下，已知的非充气轮胎尚未发现可以广泛用作充气轮胎的替代品。

非充气的轮胎/车轮已经具有类似于充气轮胎的性能特性，可以克服现有技术的多种不足从而获得可喜的性能改善。

发明内容

按照本发明结构支撑的充气轮胎/车轮包括能支撑载荷的环形带和在受拉中(in tension)传送载荷力的多个轮辐条，而轮辐条位于环形带和车轮或轮毂(hub)之间。按照本发明此处所用的轮胎或轮胎车轮是指这样一种结构，其用于通过结构性能单独支撑载荷，这一点与充气轮胎的机理不同，其不需要源自内部空气压力的支撑。

按照本发明的一个有用的实施例，本发明包括外部环形带，横向伸展交叉和从加强的环形带径向向内的多个轮辐条，所述轮辐条具有最大宽度W和径向高度N，还包括用于将多个轮辐条与车轮相互连接的装置。轮辐条具有这样的横断面，以便每个轮辐条具有位于外部环形带和将多个的轮辐条与车轮连接起来的装置中间的最小宽度。多个轮辐条具有连接到所述带的横向截面。该截面包括这样的断面(profile)，其包括高度HC和最大深度D，该最大深度D大于高度N的5％并小于最大宽度W的30％。断面具有由断面的切线和水平线形成的角α，角α至少等于10°并位于所属断面径向最外和径向最内的延伸区域内。断面的最小曲率半径RR至少等于辐条高度N的20％。环形带可以进一步至少包括附着于剪切层径向向内区域内的第一膜片和附着于剪切层径向向外区域内的第二膜片，其中每一膜片具有大于剪切层剪切模量的纵向拉伸模量。

特定的断面是轮辐条自身设计参数的功能。重要的几何要素(geometric elements)是径向向外区域的水平线和径向向内区域的水平线之间的切线角，断面的最大横向深度和断面的最小曲率半径。求出横断面(transverse profile)几何要素的方法包括以下步骤：

(a)指定所述轮辐条的宽度W和高度N，断面的径向偏移量(radial offset)Q和所述断面的横向深度D，其中所述深度D大于高度N的5％和小于所述宽度W的30％。

(b)求出由所述断面和横切处之间的切线与水平线所定义的切线角α的计算值；

(c)将正切角α的所述计算值与预定的最小值进行比较和设定α等于所述计算值或所述最小值的较大者；

(d)求出所述横断面最小曲率半径的计算值；

(e)将所述半径的计算值与预定的最小值进行比较和

(f)如果所述计算值大于所述最小值，则将所述半径RR设定为较大的所述计算值。

如果通过上述步骤计算获得的最小半径的值小于最小标准，那么该方法可以通过减少α的值和重复步骤(c)到(f)进一步重复进行直到计算半径RR大于所述最小值。

本发明的结构支撑的轮胎没有用于容纳加压空气的空腔，因此不需要用轮缘(wheel rim)形成密封，从而保持内部空气压力。因此充气轮胎技术人员应当理解该结构支撑的轮胎不需要车轮。基于下列描述的目的，术语“车轮”和“轮毂”是指任何用于支撑轮胎并安装在车轴上的装置或结构，并且两者在此被认为是通用的。

按照本发明，环形带至少包括一个剪切层，至少一个附着于剪切层径向向内区域的第一膜片，和至少一个附着于剪切层径向向外区域的第二膜片。该膜片具有足够大于剪切层的剪切弹性模量的圆周拉伸弹性模量，如此以便在外部施加载荷的情况下，地面接触的胎面部分变形，从基本上圆形变形为合乎地表面的形状，同时维持膜片基本上固定的长度。剪切层内由于剪切膜片发生相对位移。优选，膜片包括嵌入在弹性体包层(elastomeric coating layer)内的基本上不能伸展的帘布加强件(cord reinforcements)叠层。

形成剪切层的弹性体材料例如天然或合成橡胶，聚氨酯，泡沫橡胶和泡沫聚氨酯，嵌段共聚多酯和尼龙的嵌段共聚物。优选，剪切层材料具有大约3MPa至20MPa的剪切模量。环形带具有从正常的圆形在装载载荷的情况下弯曲到符合接触面例如公路表面的能力。

轮辐条在受拉时起到在车轮和环形带之间传输载荷力的作用，因而结合其它功能，可以支撑车辆的质量。支撑力是通过不与环形带的地面接触部分连接的轮辐条内的张力产生的。车轮或轮毂可以被认为垂挂在轮胎的上部。优选，轮辐条受拉时具有高效的径向刚度，受压时具有低效的径向刚度。受压时的低刚度允许附着于环形带地面接触部分的轮辐条弯曲从而吸收路面冲击和更好的使环形带符合不规则的路面。

轮辐条也传送加速，停止和转向所需的力。可以选择轮辐条的布置和取向，从而获得所需的功能。例如，在产生相对低的切向力(circumferential forces)的应用中，可以径向和与轮胎旋转轴平行的布置轮辐条。为在沿圆周方向提供刚度，可以增加垂直于旋转轴的轮辐条，并与轴向定位的轮辐条交替。另一种替代方案是相对轮胎轴倾斜的布置轮辐条，从而在圆周方向和轴向两者内提供刚度。

为便于胎面的地面接触部分的轮辐条弯曲，辐条可以弯曲。或者，轮辐条在模制期间预加压力从而在特定方向弯曲。

附图说明

本发明通过参阅下列描述和附图将获得更好的理解，其中：

图1是本发明的轮胎在承载状态下在赤道平面内的示意图；

图2是按照本发明包括在子午面内轮胎剖面图；

图3是用于说明地面对于注明的均匀带的反作用力的示意图，其没有显示剪切变形；

图4是说明地面对按照本发明的环形带的反作用力的示意图；

图5是本发明的加载轮胎在子午平面内的示意图，其显示了某种参考尺寸从而描述载重的机理；

图6是本发明轮胎的概略图，其描绘了包括在子午平面内的轮辐条的横断面；

图7是赤道平面内观察轮胎X花纹的轮辐条布置的局部图；

图8是赤道平面内观察锯齿形式样的轮辐条的交错布置的示意图；

图9是径向朝向旋转轴观察的倾斜轴式样的轮辐条的布置示意图；

图10显示径向朝向旋转轴观察的轮辐条的交替锯齿形布置的示意图；

图11是径向朝向旋转轴观察圆周或轴向定位交替的轮辐条交错布置的示意图；

图12大概说明轮胎赤道平面观察的反偏转刚度的示意图；

图13说明按照本发明的轮胎，其接触面积，接触压力和垂直载荷之间图解关系的曲线图；和

图14说明按照本发明轮胎，其接触压力，垂直刚度和反偏转刚度之间图解关系的曲线图。

具体实施方式

基于说明的目的，下列术语如下定义：

“赤道平面”指垂直穿过轮胎旋转轴并平分轮胎结构的平面。

“子午平面”指穿过并包括轮胎旋转轴的平面。

弹性体材料的“模量”指按照ASTM标准试验方法D412在10％伸长率下测定的拉伸弹性模量。

膜片的“模量”是指圆周方向1％伸长率下弹性拉伸模量乘以膜片的有效厚度。该模量可以根据下面的方程式1计算，其用于常规轮胎钢带材料。该模量用撇号(′)的符号来表示。

弹性体材料的“剪切模量”是指剪切弹性模量并是这样定义的，即其等于如上所定义的弹性体材料拉伸弹性模量的三分之一。

“滞后”指在运行应变，温度和频率下的动力损失正切(tanΔ)。本领域的普通技术人员应当理解对于特定应用具有不同的运行条件，例如对于高尔夫车和运动轿车的载荷和速度不同，对于特定的应用，应变，温度和频率应当具体指定。

按照本发明的结构支撑弹性轮胎如图1在赤道平面内以示意图显示。结构支撑的是指轮胎通过它的结构部件运载载荷而不需要充气压力的支撑。所披露的结构利用类似的基本部件获得结构支撑弹性轮胎的几种变异。附图中的附图标记对于每一种变异都是一致的。图形不是按比例描绘，由于附图清晰度的原因，元件的尺寸已经被放大或减小。

图1中所示的轮胎100具有地面接触胎面部分105，胎面部分径向向内布置的加强环形带110，横向伸展交叉和从环形带径向向内的多个轮辐条，还在轮辐条径向内端具有安装带160。安装带160将轮胎100安装到车轮10或轮毂上。此处的“横向伸展”指轮辐条150可以轴向定位，或可以相对于轮胎轴倾斜。此外，“径向向内伸展”指轮辐条150可以位于相对于轮胎轴的径向平面内或相对于径向平面倾斜。另外，如下所解释的，第二种多个的轮辐条可以在赤道平面内伸展。

参阅图2，该图显示了子午平面内以剖视图展示的轮胎100和车轮10，环形加强带110包括弹性体剪切层120，附着于弹性体剪切层120的径向最内区域的第一膜片130，附着于弹性体剪切层120的径向最外区域的第二膜片140。膜片130和140具有大于剪切层120的剪切刚度的拉伸刚度，以便环形加强带110在负载时受到剪切变形。

环形加强带110承载轮胎上的载荷。如图1所示，在轮胎旋转轴X上负载的载荷L通过轮辐条150内的张力传送至环形带110。环形带110起到与拱形相似方式的作用，从而在轮胎赤道平面内提供环形压缩刚度和纵向弯曲刚度，这些刚度足够高从而能够作为承载元件。在负载时，由于包括带的剪切变形的机理，环形带在与地表面接触区域C变形。在剪切下变形的能力形成适应的接地区与C，该区域起到类似充气轮胎的作用，并具有类似的有益效果。

参阅图3和4，本发明环形带110剪切机理的优点可以通过与均质材料如金属环构成的刚性环形带122比较而理解，该刚性环形带在负载下仅仅连微不足道的剪切变形也不能提供。在图3的刚性环形带122内，压力分布满足平衡力和弯矩的必要条件，该压力分布由位于接触区域每一端的一对集中力F组成，其中一端在图3中显示。相反，如果环形带包括按照本发明描述剪切变形的图4的结构，该结构包括剪切层120，内加强件130和外加强件140，那么在接触区域上最终压力分布S基本上是均匀的。

按照本发明环形带的有益效果是使遍及接触区域长度的地面接触压力更加均匀，其类似于充气轮胎并且超越其它非充气轮胎改善了轮胎功能。

在典型的实心和垫式轮胎中，通过接触区域内轮胎结构的压缩支撑载荷，并且由于接触区域的材料数量和种类负载能力是有限的。在某种弹簧轮胎中，刚性外环支撑轮胎上的载荷和通过弹性弹簧元件与轮毂或车轮相连接。然而，刚性环不具有剪切机理，因而如上面所解释的那样，刚性环在接触区域端部具有集中的地面反作用力，这将影响轮胎传送力到地面和吸收地面冲击的能力。

剪切层120包括具有大约3MPa至20MPa剪切模量的弹性体材料层。被认为适合于剪切层120使用的材料包括天然和合成橡胶，聚氨酯，泡沫橡胶和聚氨酯，嵌段共聚多酯，和尼龙的嵌段共聚物。在负载下滚动期间，剪切层120的反复变形导致滞后损失，该滞后损失引起热量在轮胎积累。因而，剪切层的滞后应当明确说明将运行温度维持在使用材料容许的运行温度之下。对于常规轮胎材料(例如橡胶)，例如应当指明剪切层的滞后产生的温度低于轮胎连续使用中的大约摄氏130°。

胎面部分105可以没有花纹沟或如图2所阐明的例子有很多纵向取向的胎面花纹沟107，该胎面花纹沟107在其间形成基本上纵向胎面肋条(rib)109。另外，胎面105显示从一个边缘到另一个边缘是平坦的。这将适合于汽车及其他类似的车辆，然而圆胎面可以用于自行车，摩托车及其他双轮车辆。如本领域熟练技术人员公知的那样，可以使用任何适宜的胎面刻纹。

按照优选的实施方式，第一膜片130和第二膜片140包括嵌入弹性体包层内的基本上不能伸展的帘布加强件。对于由弹性体材料构成的轮胎，膜片130和140通过硫化弹性体材料附着于剪切层120。通过任何适宜的化学或胶合或机械固定方法将膜片130和140附着于剪切层120均在本发明的范围之内。

膜片130，140内的加强元件可以是几种材料中的任何一种，该材料适合用作传统轮胎内的轮胎带加强件，例如单丝，钢帘索，芳族聚酰胺或其它高模量织物。在此基于说明轮胎的目的，加强件是钢丝帘线，每个包括四根0.28mm直径的线(4×0.28)。

按照优选实施方式，第一膜片包括两个加强层131和132，而第二膜片140也包括两个加强层141和142。

尽管在此披露的本发明的变异具有用于膜片的帘线加强层，然而可以将任何适宜的材料用作膜片，其需要满足必要条件，如下所述，即环形带所需要的拉伸刚度，弯曲刚度和压缩抗弯阻力(compressivebuckling resistance)特性。也就是，膜片结构可以是几种备选方案中的任何一种例如均质材料(例如薄的金属板)，纤维加强的基片(matrix)，或具有不连续的加强元件的层。

在第一优选实施方式中，第一膜片130的层131和132具有基本上平行的帘线，帘线以相对于轮胎赤道平面大约10°至45°取向。相应层的帘线具有相反的方向。同样地对于第二膜片140，层141和142具有基本上平行的帘线，帘线以相对于赤道平面大约10°至45°取向。然而对于膜片内的一对帘线层不需要以大小相等方向相反的角度取向。例如帘线层对相对于轮胎赤道平面不对称也是可取的。

按照另外一个实施方式，膜片至少一层的帘线可以与赤道平面成0°或接近0°，从而增加膜片的拉伸刚度。

层131，132和141，142的每一层的帘线嵌入弹性体包层，该弹性体包层典型地具有大约3至20MPa的剪切模量。优选，包层的剪切模量基本上等于剪切层120的剪切模量，从而确保环形带主要通过剪切层120的剪切变形而变形。

弹性体剪切层120的剪切模量G和膜片130和140的有效纵向拉伸模量E’_membrane间的关系控制施加载荷下环形带的形变。使用常规轮胎带材料和具有相对于赤道平面至少10°取向的膜片加强帘线的膜片(membrane)的有效拉伸模量E’_membrane可以通过下列公式计算：

$E_{\mathrm{MEMBRANE}}=(2D+t)\frac{E_{\mathrm{MEMBRANE}}}{2(1-v^2)}[\left(\frac{P}{P-D}\frac{2-(1+v){\mathrm{SIN}}^2\left(2\mathrm{\α}\right)}{{\mathrm{SIN}}^4\mathrm{\α}}\right)+\left(\frac{t}{D}\right)\frac{1}{{\mathrm{TAN}}^2\mathrm{\α}}(\frac{1}{{\mathrm{TAN}}^2\mathrm{\α}}-v)]---\left(1\right)$

其中，E_rubber＝弹性体包层材料的拉伸模量；P＝垂直于帘线方向测量的帘线间隔(帘线中心线之间的距离)；D＝帘线直径；v＝弹性体包层材料的泊松比；α＝相对于赤道平面的帘线角；和t＝相邻层帘索之间的橡胶厚度。

对于其中加强帘线相对于赤道平面小于10°取向的膜片，下列公式可以用于计算膜片E’_membrane的拉伸模量。

       E’_membrane＝E_cable*V*t_membrane                  (2)

其中，E_cable是帘索(cable)的模量，V是膜片内帘索的体积百分率和t_membrane是膜片的厚度。

对于包含均质材料或纤维或其他材料加强基片的膜片，模量是材料或基片的模量。

需要指出的是E’_membrane是膜片的弹性模量乘以模片的有效厚度。当E’_membrane/G的比值相对低时，负载下环形带的变形近似于均匀带并且产生如图3所示的不均匀地面接触压力。另一方面，当E’_membrane/G的比值足够高时，负载下环形带基本上通过剪切层剪切变形而变形，该剪切层具有小的纵向伸长或压缩的膜片。因此，如图4中的例子所示，地面接触压力基本上是一致的。

按照本发明，膜片E’_membrane的纵向拉伸模量与剪切层的剪切模量G的比值至少大约100∶1，并且优选至少大约1000∶1。

如图2中所示的轮胎具有胎面部分105，第一膜片130和第二膜片140的平坦横断面。接触区域C(图1)内环形带部分内的应变将会压缩第二膜片140。随着轮胎垂直偏转的增加，接触长度可以增加以便第二膜片140内的压缩应力超过临界弯曲应力(critical buckling stress)，从而发生膜片纵向弯曲。该弯曲现象引起接触区域纵向伸展部分，从而减少接触压力。当膜片的弯曲得以避免时，就能获得遍及地面接触区域长度的更为均匀的地面接触压力。具有弯曲(curved)横截面的膜片将能较好的阻止接触区域内的弯曲，并且当弯曲是在负载下涉及时优选这样的膜片。

当前述膜片的纵向垃伸模量E’_membrane和剪切层剪切模量G的条件相符以及环形带在剪切层被剪切得基本变形时，就产生了一种有利相互关系，使得对于给定的应用，可以选择剪切模量和剪切层厚度h的数值：

              P_eff*R≈G*h                            (3)

其中，P_eff＝地面接触压力；G＝层120的剪切模量；h＝层120的厚度；和R＝相对于旋转轴的第二膜片的径向位置(Radial position)。

P_eff和R是按照轮胎的预定用途选择的设计参数。等式3显示产品剪切层的剪切弹性模量乘剪切层的径向厚度近似相等于产品的地面接触压力乘第二膜片的最外区域乘径向位置。图13图解说明在大量接触压力下的该关系和该关系可用于计算多个不同应用的剪切层特性。

参阅图5，轮辐条150基本上是片材-类元件，其在径向具有长度N，在通常相对于环形带110的轴向宽度的轴向内具有宽度W，和垂直于其他方向(dimensions)的厚度。厚度比长度N或者宽度W之一要小的多，并且优选是轮胎半径R的大约1％至5％，这将允许当轮辐条受压缩时弯曲，如图1所示。薄的轮辐条基本上没有抗压力，将会在接触区域弯曲，那就是说连微不足道的承载载荷的压缩力也不能提供。随着轮辐条厚度的增加，轮辐条在地面接触区域可以形成一些压缩载荷承载力。然而总体上轮辐条起到主要的载荷传送作用的是张力。可以挑选特定的轮辐条厚度从而符合车辆的特殊的要求。

现在参阅图6，本发明优选实施方式的轮辐条150获得在第一膜片130和安装带160之间的中间部分内轮辐条横断面基本上是狭窄的有利结果。优选轮辐条150具有全宽W和径向长度N。优选的轮辐条具有相对于所述带的横向截面。轮辐在截面内的轮辐条宽度通过从轮辐条的轴向外部轴向嵌入(inset)深度D而得以减少。特定的轮辐条横断面是几个几何参数和限制因素的功能。经验表明获得服从该限制因素的几何形状(geometry)的加工需要重复一次或以上，但是不需要过度实验的方法也是可能的。

截面可以在轮辐条的整个径向高度N上伸展。为便于设计和制造，提供接近轮辐条150径向外部区域和径向内部区域的基本上恒定的宽度是有利的。这个区域通过小于10％的轮辐条高度N的径向偏距(offsetdistance)Q定义。在图6所显示的例子中，在轮辐条150的径向外部区域和径向内部区域偏距是相等的。然而，这仅仅是为了方便，而对于轮辐条的顶部和底部，偏移量Q可以是不同的。因而，轮辐条150的截面的径向高度轻微减少和具有高度HC，其定义为等于轮辐条的高度N减顶部和底部的偏移量Q的总和。就图6的例子而言，顶部和底部的偏移量相等，于是HC＝N-2Q。

断面部分的最小轴向深度D必须至少为高度N的5％并且必须小于轮辐条宽度W的30％。对于断面部分最大轴向深度D的优选值的经验公式是如下轮辐条高度N和偏移量Q的函数：

               D＝(1.88·N-5.67·Q)，

其总是确保预测深度小于轮辐条宽度W的30％，并认可偏移量Q可以是零。

断面的特定形状并非限定并且可以由圆弧，抛物线弧，或通过倒圆连接的直线段的综合而形成。以上形式是图6内所描绘的变型并且以轮辐条的中间-高度对称。每一直线段形成角α，该角由断面的切线和偏距Q的径向水平(radial level)处的水平线形成。直线段通过倒圆转接半径RR相连，RR具有至少轮辐条高度N的20％的最小值。倒圆转接半径的限制因素要求避免这样的几何形状，其中选择的深度D和正切角α可以导致直线段到顶点会合，从而对轮辐条性能具有不利影响。

通过首先计算角α，然后求出将连接两个线段的倒圆转接半径RR，从而确定横断面。角α优选从轮辐条的几何形状指明，其如下确定：

         α＝tan^-1{[HC²-4·D²]/[4·D·HC]}。

然而，α的最小值必须至少为10°。

一旦α已经确定，倒圆转接半径RR的优选值可以由下列关系式计算：

RR＝{[2·D·sin(α)-HC·cos(α)]/[2-sin(α)-1]}。

如果由选定深度D的值和α的计算值预知的倒圆转接半径RR的值小于可接受的最小值，那么可以用逐渐减小的α值重复步骤直到获得RR的容许值。如果没有办法获得上述最小值10°的α值，那么深度D也可以减少并且重复步骤。

如在图6左边上所示，抛物线截面作为截面形状的代替方式提出。在这个例子中，抛物线通过标明的点A，B和C，其中在点A和C处正切角α如前所定义。B点如前所述定义深度D的优选值，也就是

              D＝(1.88·N-5.67·Q)。

一旦从截面的参数：高度HC，正切角α，和深度D确定抛物线，倒圆转接半径RR也将指定。因为抛物线形式不能到顶点汇合，据信倒圆转接半径RR的结果值将会足够大从而能够保护轮辐条150的正确性能。

按照目前的优选实施方式，轮辐条150由具有大约10到100MPa高拉伸模量的材料形成。如果需要，轮辐条可以加强。轮辐条材料也可以显示出弹性，其在受到30％应变时能够回复到原始长度，和当轮辐条材料受应变至4％时显示恒应力。此外，在有关的运行条件下具有不超过0.1的tanΔ的材料是令人满意的。例如，可以确定市售的橡胶或聚氨酯材料，其满足这些必要条件。发明人已经发现来自Uniroyal Chemicaldivision of Crompton Corporation of Middlebury，Connecticut以Vibrathane B836为商标的氨基甲酸乙酯适合于轮辐条。

参阅图2，在一个实施方式，轮辐条150通过径向内部的安装带160互相连接，安装带160环绕车轮或轮毂10从而安装轮胎。界面带(interfaceband)170将轮辐条150在它们的径向外部端互相连接。界面带170将轮辐条150连接到环形带110。为了方便起见，轮辐条，安装带160和界面带170可以由单一材料作为一个整体模制。

或者，取决于环形带110和轮毂或车轮10的结构材料和工艺，可以除去分离的安装带160或界面带170，从而轮辐条直接附着于环形带和车轮模制和形成。例如，如果环形带或车轮或轮毂之一由相同或相容的材料形成，轮胎可以用一步式成型或与环形带或车轮整体模制轮辐条而制造，而在这样情况下，安装带160和/或界面带170作为车轮或环形带的一部分整体形成。此外，轮辐条150可以机械地附着于车轮，例如在每个轮辐条的内端提供与车轮内凹槽啮合的扩展部分。

通过参阅图1至6，本发明的轮胎支撑施加载荷的方式可以被理解。环形带110的区域A，也就是不与地面接触的部分，起到类似拱形的作用，以及轮辐条150处于拉伸T中。从车辆(不显示)传递到轮毂或车轮10的轮胎上的载荷L基本上悬挂于拱形区域A。渐变区(transition region)B和接触区C内的轮辐条不是处于拉伸中。按照优选实施方式，轮辐条相对薄并且仅仅微不足道的垂直载荷承载力也不能提供。因为轮胎旋转，当然作为拱形的环形带110的特定部分不断地变化，然而拱形的概念对于理解机理是有用的。

通过配备在拉伸中具有高刚度但是在受压时具有非常低刚度的车辐条，可以获得基本上纯粹地拉伸载荷支撑。为便于在地面接触区域弯曲，轮辐条可以是曲线。或者，轮辐条可以有弧度的模制，并且通过冷却期间热收缩伸直从而提供弯曲的倾向。

轮辐条150将在环形带110和车轮10之间阻止扭曲，例如当扭矩施加于车轮时。另外，轮辐条150将阻止横向偏转，例如当交替或转弯时。应当理解，轮辐条150处于径向轴平面内也就是与径向和轴向两者对准，对于轴向对准的力将具有高阻力，但是可能在圆周方向具有抗转矩的困难，特别是如果在径向拉长的话。对于某种车辆和应用，例如产生相对低的加速力的那些，具有径向对准相对短的轮辐条的轮辐条套件(package)是适宜的。

对于其中期望获得高转矩的应用，布置之一例如图7-9阐明的那些可能更为适宜。在图7内，轮辐条150以如轴向所示的重复的X式样取向，其具有在其中心交叉形成X的轮辐条对。在图8内，轮辐条以相对于径向的锯齿形式样取向。在图9内的轮辐条以之字形式样与邻近的轮辐条相对于轴向相反方向取向。在这些变异中，该取向在径向的和圆周方向提供力-阻止元件，因而当保持径向和横向力-阻止元件时，增加阻力从而扭曲。可以依靠所用得轮辐条数目和邻近的轮辐条的间距选择取向角。

也可以使用其它可选择的布置。如图10所示，轮辐条可以径向观察的人字形或v-式样布置。另一个可选方案是如图11所示轴向对准和圆周对准之间邻近的轮辐条交替取向。然而因为在接触区域很难调节轮辐条的弯曲，所以这些替选方案不是优选的。

轮辐条的各种的布置允许轮胎的垂直，横向和抗扭刚度独立于接触压力和彼此而调节。

垂直刚度涉及当负载时轮胎阻止偏转的能力。轮胎的垂直刚度强烈地受不与地面接触的轮胎部分的载荷的反作用影响，轮胎的“反偏转”。图12以放大比例说明这个现象。当轮胎在载荷L下，其偏转数量f和与地面接触部分符合地表面从而形成地面接触区域C。需要指出的是基于说明图12内参照系的目的，将轮胎轴X维持在恒定的位置并沿着轴向上移动地面。轮胎是弹性体，因此垂直偏转f与载荷L成比例，由此轮胎的垂直刚度Kv可以推算出。因为由膜片(没有作图解)约束的环形带110(大略地显示)设法维持固定长度从而保持膜片长度，不与地面接触的轮胎部分替换，或偏转，远离接触区域C，并以图内的虚线表示。反偏转数量也与载荷L成比例，因而也可以获得反偏转刚度K_λ。反偏转刚度K_λ主要涉及环形压缩刚度和不与地面接触轮辐条承载载荷的方法。环形带的横向和纵向弯曲涉及更小的范围。

反偏转可以通过用固定轴在负载F下放置轮胎并测定轮胎在接触区域内的偏转f和轮胎表面相反的接触区域的偏转而直接测定。反偏转刚度通过将载荷F除反偏转量λ求出。

实际上，反偏转刚度K_λ基本上控制轮胎的垂直刚度，因此也控制轮胎车轮轴线在载荷下的偏转。反偏转刚度K_λ决定接触区的长度，如图12所示。低反偏转刚度允许在负载下将环形带110垂直传送，因而减少在该偏转下的负载能力。因此，具有高反偏转刚度的轮胎具有相对更少的反偏转和更长的接触区域。

图14图解显示轮胎的反偏转刚度K_λ和垂直刚度之间的近似关系。图14表示本发明可获得的垂直刚度和接触压力的自主性，其提供在充气轮胎内不能获得的设计灵活性。瘪气的充气轮胎具有典型地每单位接触区域宽度小于0.1DaN/mm²的反偏转刚度。相反，按照本发明的轮胎可以设计具有每单位接触区域宽度范围大于0.1DaN/mm²的反偏转刚度。

有利地，对于任何提出的应用，开始的设计参数可以使用图14并结合图13选定。一旦接触压力，垂直载荷和接触区域使用图13选定，对于轮胎的垂直刚度特性可以使用图14确定。对于由图13获得的反偏转刚度的近似预定值，设计师于是将运用可利用的分析工具，有限元分析，例如指定结构从而获得该刚度。下一步工作，包括构造和试验轮胎，该工作将验证设计参数。

例如为设计用于客车的轮胎，设计师可以选择指定1.5至2.5DaN/cm²的接触压力P_eff和其中半径R大约335mm的轮胎尺寸。通过乘以这些值，可以确定50.25至83.75DaN/cm的“剪切层因子”，其可以用于指定剪切层材料的厚度和剪切模量。在这种情况下，具有大约3MPa至10MPa范围内的剪切模量，剪切层的厚度h至少为5mm并且优选大约10mm至20mm之间。

此外，按照本发明地面接触压力和轮胎的刚度彼此无关，相比充气轮胎其中两者都与充气压力相关。因而，轮胎可以设计成高接触压力P，但是相对低的刚度。这在生产具有低质量和滚动阻力同时保持承载能力的轮胎方面是有利的。

反偏转刚度K_λ可以用很多方式变更。用于调整这个刚度的一些设计参数包括轮辐条模量，轮辐条长度，轮辐条曲率(curvature)，轮辐厚度，环形带膜片的压缩模量，剪切层的厚度，轮胎直径，环形带的宽度。

可以调节垂直刚度使给定轮胎的载重能力最优化。或者，可以调节垂直刚度从而提供为减少接触压力而减少厚度或轮胎质量同时维持所需程度的垂直刚度的环形带。

本发明轮胎的垂直刚度也受环形带和轮胎侧壁部分向心力效果的影响。随着滚动轮胎的速度增加，向心力显现出来。在常规径向轮胎内，向心力可以增加轮胎运行温度。本发明的轮胎相反获得由前述力引起意外的好处。当本发明的轮胎在施加载荷下旋转，向心力致使环形带趋向圆周方向扩张和诱发轮辐条内的附加张力。对于轮胎不接触区域(图1的区域“A”)，径向刚性的轮辐条阻止这些向心力。这产生净向上的合力，相对于静止的，非转动的情况，其起到增加轮胎的有效垂直刚度和减少轮胎的径向偏差的作用。当轮胎赤道平面内带的轴向刚度(2E’_membrane)与处于拉伸中的轮辐条部分的比率小于100∶1，获得达到有效程度的这个结果。

申请人认为许多其他的变异对于本领域普通熟练技术人员在阅读上述说明书后将是显而易见的。这些变异及其他变异均在通过下列附加的权利要求所定义的当前本发明的精神和范围之内。

Claims (23)

1.一种结构支撑轮胎，其包括外部的环形带，和多个从外部环形带径向向内横向延伸交叉的轮辐条，所述辐条具有最大宽度W和径向高度N，这意味着多个的轮辐条与车轮互相连接和；

多个的所述轮辐条具有相对所述带的横向截面和所述截面包括断面，该断面具有；

高度HC，大于所述径向高度N的5％和小于所述最大宽度W的30％的最大深度D和；

所述断面具有角α，其位于所述断面的径向最外和径向最内区域，由所述断面的切线和水平线形成，其中所述角α至少等于10°和；

所述断面的最小曲率半径RR至少等于所述径向高度N的20％。

2.按照权利要求1的轮胎，其中所述截面从外部环形带和从所述用于将多个轮辐条与车轮连接的所述装置径向偏移高度h，并且所述高度h小于所述高度N的10％。

3.按照权利要求2的轮胎，其中最大深度D小于(1.88·N-5.67·Q)。

4.按照权利要求1的轮胎，其中所述角α大于10°和小于或等于tan^-1{HC²-4·D²}/[4·D·HC]}。

5.按照权利要求1的轮胎，其中所述半径RR大于所述径向高度N的20％和小于或等于{[2·D·sin(α)-HC·cos(α)]/[2sin(α)-1]}。

6.按照权利要求1的轮胎，其中环形带可以进一步包括剪切层，至少一个附着于剪切层径向向内区域内的第一膜片和至少一个附着于剪切层径向向外区域内的第二膜片，其中每一膜片具有大于剪切层剪切模量的纵向拉伸模量。

7.按照权利要求1的轮胎，进一步包括布置在环形带径向外部区域的胎面部分。

8.按照权利要求1的轮胎，其中将多个轮辐条与车轮连接的所述装置包括使轮辐条在端部内互相连接的安装带。

9.按照权利要求1的轮胎，其中多个轮辐条进一步包括使轮辐条外端部互相连接的径向外部带。

10.按照权利要求1的轮胎，其中每个轮辐条平行于轴向取向。

11.按照权利要求1的轮胎，其中每个轮辐条相对于轴向倾斜取向。

12.按照权利要求10的轮胎，其中互相邻近的轮辐条相对轴向以相反的倾斜角取向。

13.按照权利要求1的轮胎，其中轮辐条在赤道平面内具有曲率以便当在径向受压缩时弯曲。

14.按照权利要求1的轮胎，其中每个轮辐条具有至多大约轮胎半径5％的厚度。

15.按照权利要求1的轮胎，其中膜片之一的纵向拉伸模量与剪切层的剪切模量的比率为至少100∶1。

16.按照权利要求1的轮胎，其中产品剪切层的剪切弹性模量乘剪切层的径向厚度近似相等于轮胎地面接触压力乘第二膜片的最外区域径向位置。

17.按照权利要求1的轮胎，其中至少第一和第二膜片的每一个包括基本上不能伸展的帘布加强层，该帘布加强层嵌入具有剪切弹性模量至少等于剪切层剪切弹性模量的弹性体包层。

18.按照权利要求1的轮胎，其中所述截面由抛物线定义，在所述断面的径向地最外和径向最内区域该抛物线具有至少等于10度的正切角α，和所述抛物线穿过相当于所述最大深度D的轴向位置。

19.一种确定轮辐条横截面的方法，其包括如下步骤：

(a)指定所述轮辐条的宽度W和径向高度N，断面的径向偏移量h和所述断面的横向深度D，其中所述深度D大于径向高度N的5％和小于所述宽度W的30％；

(b)求出由所述断面的切线和水平线定义的正切角α的计算值；

(c)将正切角α的所述计算值与预先决定最小值进行比较，从而设定α等于所述计算值或所述最小值的较大者。

(d)求出所述横断面最小曲率半径RR的计算值；

(e)将所述半径的所述计算值与预先决定的最小值进行比较；

(f)如果所述计算值大于所述最小值，则将所述半径RR设定为较大的所述计算值；和

(g)减少α值和重复步骤(c)至(f)直到所述半径RR大于所述最小值。

20.按照权利要求17的方法，其中角α的所述计算值等于tan^-1{[HC²-4D²]/[4·HC]}。

21.按照权利要起17的方法，其中RR的所述最小值等于所述轮辐条径向高度N的20％。

22.按照权利要求17的方法，其中所述半径RR至少等于径向高度的20％和小于或等于{[2·D·sin(α)-HC·cos(α)]/[2·sin(α)-1]}。

23.按照权利要求17的方法，其中角α的所述最小值是10度。

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