EP4448302A1 - Pneumatique sans air avec une bande de cisaillement optimisée - Google Patents

Pneumatique sans air avec une bande de cisaillement optimisée

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Publication number
EP4448302A1
EP4448302A1 EP22835605.1A EP22835605A EP4448302A1 EP 4448302 A1 EP4448302 A1 EP 4448302A1 EP 22835605 A EP22835605 A EP 22835605A EP 4448302 A1 EP4448302 A1 EP 4448302A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
shear
radially inner
generatrix
radially
radially outer
Prior art date
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Pending
Application number
EP22835605.1A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Florian VILCOT
Christophe Chebaut
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Compagnie Generale des Etablissements Michelin SCA
Original Assignee
Compagnie Generale des Etablissements Michelin SCA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Compagnie Generale des Etablissements Michelin SCA filed Critical Compagnie Generale des Etablissements Michelin SCA
Publication of EP4448302A1 publication Critical patent/EP4448302A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60C—VEHICLE TYRES; TYRE INFLATION; TYRE CHANGING; CONNECTING VALVES TO INFLATABLE ELASTIC BODIES IN GENERAL; DEVICES OR ARRANGEMENTS RELATED TO TYRES
    • B60C7/00—Non-inflatable or solid tyres
    • B60C7/10—Non-inflatable or solid tyres characterised by means for increasing resiliency
    • B60C7/14—Non-inflatable or solid tyres characterised by means for increasing resiliency using springs
    • B60C7/146—Non-inflatable or solid tyres characterised by means for increasing resiliency using springs extending substantially radially, e.g. like spokes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60C—VEHICLE TYRES; TYRE INFLATION; TYRE CHANGING; CONNECTING VALVES TO INFLATABLE ELASTIC BODIES IN GENERAL; DEVICES OR ARRANGEMENTS RELATED TO TYRES
    • B60C7/00—Non-inflatable or solid tyres
    • B60C7/10—Non-inflatable or solid tyres characterised by means for increasing resiliency
    • B60C7/14—Non-inflatable or solid tyres characterised by means for increasing resiliency using springs
    • B60C7/16—Non-inflatable or solid tyres characterised by means for increasing resiliency using springs of helical or flat coil form
    • B60C7/18—Non-inflatable or solid tyres characterised by means for increasing resiliency using springs of helical or flat coil form disposed radially relative to wheel axis
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60C—VEHICLE TYRES; TYRE INFLATION; TYRE CHANGING; CONNECTING VALVES TO INFLATABLE ELASTIC BODIES IN GENERAL; DEVICES OR ARRANGEMENTS RELATED TO TYRES
    • B60C7/00—Non-inflatable or solid tyres
    • B60C2007/005—Non-inflatable or solid tyres made by casting, e.g. of polyurethane

Definitions

  • the object of the present invention is an airless tire intended for a vehicle, and relates more particularly to its shear band.
  • a conventional tire subjected to the internal pressure of an inflation gas, generally air, has load capacities, transmission of forces between the ground and the vehicle, and shock absorption which make it a preferred choice for use on a vehicle.
  • a risk inherent in conventional tires is a more or less rapid loss of pressure, in the event of impact or rolling on a puncturing object, likely to cause the vehicle to be immobilized.
  • a solid tire which carries the load by compressing its structure, does not have the performance advantages previously described for a conventional tire.
  • a solid bandage is generally heavy and rigid, therefore with less shock absorption capacity.
  • it often has a lower load capacity and lower endurance, due to greater heating in use. Consequently, a solid tire has a use limited to specific vehicles, such as, by way of example and not exhaustively, handling equipment.
  • An airless tire or more generally a tire without inflation gas, is another known alternative solution, which carries the load thanks to structural components and which has performance comparable to that of a conventional tire.
  • An airless tire, mounted on a hub or rim, is sometimes called a "non-pneumatic rubber wheel".
  • the circumferential or longitudinal direction denotes the direction of rotation of the tire
  • the axial or transverse direction denotes the direction parallel to the axis of rotation of the tire
  • the radial direction denotes a direction perpendicular to the axis of rotation of the tire.
  • An airless tire generally comprises, radially from the inside to the outside:
  • a tread intended to transmit the rolling forces to the shear tread, to be worn and to guarantee the grip of the tire on the ground.
  • the load-bearing structure comprises, for example, radially from the inside out, means for connection with a rim or a hub, radial elements or spokes, and means for connection with a shear strip.
  • the support structure does not generally delimit a sealed internal cavity intended to contain a pressurized gas, as in a conventional tire. Therefore an airless tire does not need to have a sealed connection to a rim or a hub.
  • the shear band comprises, in a known embodiment, radially from the inside outwards:
  • -a shear layer consisting of one or more polymeric materials, -a second outer membrane.
  • the shear layer is in direct interface with respectively the first and the second membrane.
  • the first and the second membrane have a modulus of elasticity in circumferential extension often substantially greater than the shear modulus of elasticity of the shear layer of polymeric material, such that, under the load applied, the membranes stretch little or not at all when the tire is flattened while driving.
  • the relative displacement of the Tune membranes with respect to each other occurs by shear in the layer of shear.
  • the membranes comprise superposed layers of reinforcements coated in a polymeric material.
  • the shear layer of polymeric material consists, by way of example, of a polymeric material, such as natural rubber or synthetic rubber, or of a polyurethane.
  • the material of the shear layer has a shear modulus at least equal to 3 MPa and at most equal to 20 MPa, which allows easier flattening of the shear strip under load.
  • the Michelin North America company has marketed, for several years, a complete solution of a mounted assembly, consisting of an airless tire, as described above, and a wheel, under the name MICHELIN® TWEEL ®.
  • This technical solution mainly consists of a tread, a shear band or "shear-band", a supporting structure, made up of highly resistant spokes or “spokes” in poly-resin and a hub consisting of two reinforced steel pieces.
  • the shear strips of an airless tire of the state of the art have two main drawbacks, which are a generally high mass and the generation of contact pressures on the ground comprised in a relatively restricted range of values.
  • high contact pressures can only be generated by a shear band having a very high mass, which is neither mechanically viable nor economically acceptable.
  • the use of such shear strips is limited, in practice, to airless tires operating either at low pressure and at high speed, as on a passenger vehicle, or at high pressure and at low speed, as on a Bobcat® utility vehicle.
  • the shear levels of the shear band, necessary to generate low contact pressures are difficult to achieve with a shear layer consisting of the usual polymeric materials.
  • the inventors have set themselves the objective of proposing an airless tire comprising a shear band having, for a given load capacity of the tire, and compared to a shear band of the state of the art, a mass reduced and a shear stiffness suitable for obtaining a level of mean contact pressure with the targeted ground.
  • an airless tire for a vehicle comprising, radially from the inside outwards, a supporting structure intended to cooperate with a rim or a hub, a shear band and a tread,
  • the shear band comprising, radially from the inside out, a radially inner membrane, a shear structure and a radially outer membrane positioned at an average radial distance H from the radially inner membrane,
  • the shear structure comprising a plurality of shear elements distributed circumferentially
  • any shear element of the plurality of shear elements comprising a running portion having, in any circumferential plane perpendicular to the axis of rotation of the tire, a non-radial generatrix having a radially inner end positioned at a distance dl from the membrane radially inner, and a radially outer end positioned at a distance d2 from the radially outer membrane,
  • the shear band of an airless tire essentially comprises a circumferential distribution of a plurality of shear elements distributed according to a pitch that is not necessarily constant.
  • a plurality of shearing elements is a set of shearing elements, usually including all of the shearing elements, but possibly possibly including only part of the shearing elements.
  • This discrete shear structure makes it possible to have a recessed shear strip, guaranteeing a mass of the crown of the tire without air which can be, for example, quite close to that of the crown of a conventional tire.
  • the crown of the tire is the portion of the tire radially external to the load-bearing structure, for a airless tire, or radially external to the carcass reinforcement for a conventional tire.
  • the shear strip comprises, radially from the inside out, a radially inner membrane, a shear structure and a radially outer membrane positioned at an average radial distance H from the radially inner membrane.
  • the average radial distance H between the two respectively radially inner and radially outer membranes is an average over the circumference of the tire.
  • any shear element that is to say any elementary pattern, of the plurality of shear elements, has a circumferential section having an average line , called generator, non-radial and curvilinear in shape. This generatrix extends between a radially inner end, positioned at a distance dl from the radially inner membrane, and a radially outer end, positioned at a distance d2 from the radially outer membrane.
  • the respectively radially inner and radially outer ends are not necessarily positioned respectively on the radially inner membrane and on the radially outer membrane, and that there may therefore be a transition zone forming the interface between said common portion of the shear element and the respectively radially inner and radially outer membranes.
  • the shape of the generatrix is an open curve and not closed on itself.
  • the generator cannot have a closed circular shape.
  • the distances d1 and d2 are not necessarily constant according to the axial direction of the tire, i.e. they can vary in the axial width of the shear band.
  • this generatrix must have a curvilinear length L, measured along this generatrix between its two respectively radially inner and radially outer ends, at least equal to 1.25 times the shortest distance between its two equal ends to H-(dl+d2)).
  • Such a generatrix therefore has a non-zero mean curvature, guaranteeing geometric flexibility of the shearing element.
  • this form of generatrix allows either to have a longer effective working length of the shear element, for a given average intermembrane radial distance H, or d having interfaces with the respectively radially inner and radially outer membranes that are sufficiently thick to displace the maximum stresses and deformations at the heart of the shearing element and not at the level of said interfaces.
  • the shape of the generatrix in combination with the characteristics of the thickness of the shearing element and of the modulus of elasticity of the material(s) constituting said shearing element, makes it possible to optimize the mechanical characteristics of rigidity of the shear strip, with a view to obtaining the distribution and the value of the contact pressures with the ground, adapted to the use of the vehicle concerned.
  • the overall bending stiffness of the shear strip must be high enough to avoid any blistering of the shear strip in contact with the ground. This overall bending rigidity is mainly guaranteed by the radially inner and radially outer membranes respectively.
  • the overall shear stiffness of the shear band must also be adapted to guarantee, in particular, the desired level of average pressure in the contact area.
  • This overall shear stiffness is mainly imparted by the shear structure interposed between the radially inner and radially outer membranes respectively. The overall shearing of such a shear band, under the action of the rolling forces, generates, in each shear element, a local bending resulting in a deformation of this shear element.
  • the invention makes it possible to design shear strips generating high contact pressures on the ground with a tire crown mass of the same order of magnitude as that of the crown of a conventional tire.
  • Optimization of the shear strip is achieved by adapting the modulus of the material(s) constituting the shear element and the curvilinear length of the generator, such that the latter is large enough for the stresses and deformations induced in the material(s) constituting the shearing element to be compatible with the breaking strength and/or fatigue limit properties of said material.
  • a circumferential distribution of a plurality of shear elements according to the invention makes it possible to obtain a volume of material comprised between the respectively radially inner and outer membranes, making it possible to achieve high pressures on the ground at high rolling speeds. . This makes it possible to extend the scope of use of current airless tires.
  • the invention makes it possible to design very flexible shear bands, compatible with severe environmental constraints, such as extremely low temperatures encountered, for example, in extraterrestrial environments. This is possible by adapting the length of the generatrix of the shear elements, so that it is large enough for the stresses and deformations induced in the constituent material(s) to be compatible with the properties of resistance to rupture and /or fatigue limit of said material.
  • the distance dl from the radially inner end of the generatrix to the radially inner membrane is at most equal to 0.5 times the average radial distance H between the radially inner membrane and the radially outer membrane.
  • the distance dl from the radially inner end of the generatrix to the radially inner membrane is equal to 0. This implies that there is no transition zone forming the interface between said current portion of the shear element and the radially inner membrane.
  • the distance d2 from the radially outer end of the generatrix to the radially outer membrane is at most equal to 0.5 times the mean radial distance H between the radially inner membrane and the radially outer membrane.
  • the distance d2 from the radially outer end of the generatrix to the radially outer membrane is equal to 0. This implies that there is no there is no transition zone making the interface between said common portion of the shearing element and the radially outer membrane.
  • the tangent to the generatrix at its radially inner end forms, with a radial direction of the airless tire, an angle A1 at least equal to 45°.
  • the tangent to the generatrix at its radially outer end forms, with a radial direction of the airless tire, an angle A2 at least equal to 45°.
  • the generatrix of the current portion of any shearing element has a shape having a single inversion of its direction of curvature, such as an S-shape.
  • the current portion of any shear element has a non-constant thickness E0.
  • This thickness variation makes it possible to optimize the distribution of stresses and deformations in this shear element.
  • the thickness E0 measured in a given circumferential plane, can also vary between two distinct circumferential planes, i.e. according to the axial direction of the tire.
  • the shearing elements are distributed circumferentially at a constant pitch.
  • any shear element consists of a material having a modulus of elasticity in extension at 4% elongation at least equal to 20 MPa, preferably at least equal to 30 MPa. This modulus of elasticity in extension is measured statically.
  • the shape of the generators of the shear elements induces that the stresses generated by the shearing of the shear band, resulting from the rolling forces, are low enough to allow the use of materials having higher moduli of elasticity than those of the elastomeric materials commonly used in the field of conventional tires.
  • FIG. 1 is an overview of an airless tire 1 according to the invention.
  • the airless tire 1 comprises, radially from the inside outwards, a supporting structure 2, intended to cooperate with a rim or a hub 3, a shear band 4 and a tread 6.
  • the shear band 4 comprises, radially from the inside out, a radially inner membrane 41, a shear structure 40 and a radially outer membrane 42.
  • the shear structure 40 is constituted by a plurality of shear elements 5 distributed circumferentially. Each shear element 5 of the plurality of shear elements has a non-radial generatrix having a radially inner end II and a radially outer end 12.
  • FIG. 2 is a circumferential sectional view of a shearing element 5 according to a first embodiment (with d1 and d2 not miles).
  • the shear element 5 comprises a running portion 50 having, in any circumferential plane XZ perpendicular to the axis of rotation of the tire, a non-radial generatrix G having a radially inner end II positioned at a distance d1 from the radially inner membrane 41 , and a radially outer end 12 positioned at a distance d2 from the radially outer membrane 42, and the generatrix G of the running portion 50 of the shear element 5 has a curvilinear length L at least equal to 1.25*(H-(dl+d2)), H being the average radial distance between the radially inner membrane 41 and the radially outer membrane 4.
  • the distance dl from the radially inner end II of the generator G to the radially inner membrane 41 and the distance d2 from the radially outer end 12 of the generator G to the radially outer membrane 42 are less than 0.5 times the average radial distance H and not miles.
  • the tangent T1 to the generatrix G at its radially inner end II forms, with a radial direction ZZ' of the airless tire 1, an angle Al at least equal to 45° and even close to 90°.
  • the tangent T2 to the generatrix G at its radially outer end 12 forms, with a radial direction ZZ' of the airless tire 1, an angle A2 at least equal to 45° and even close to 90°.
  • generatrix G of running portion 50 of shearing element 5 has an S-shape and running portion 50 of shearing element 5 has a constant thickness E0.
  • Figure 3 is a circumferential sectional view of a portion of shear strip 4 according to a first embodiment (with d1 and d2 not miles).
  • the shear strip 4 comprises, radially from the inside outwards, a radially inner membrane 41, a shear structure 40 and a radially outer membrane 42.
  • the shear elements 5 are of the type described in FIG. .
  • Figure 4 is a circumferential sectional view of a shearing element 5 according to a second embodiment (with d1 and d2 miles).
  • This shearing element 5 differs from that of FIG. 2 by a generatrix shape G with more marked curvatures, a longer generatrix length G and a lower current portion thickness.
  • the distance dl from the radially inner end II of the generatrix G to the radially inner membrane 41 and the distance d2 from the radially outer end 12 of the generatrix G to the radially outer membrane 42 are miles.
  • the common portion 50 is in direct interface with the respectively radially inner 41 and radially outer 42 membranes.
  • Figure 5 is a circumferential sectional view of a portion of shear strip 4 according to a second embodiment (with d1 and d2 miles).
  • the shear strip 4 comprises, radially from the inside outwards, a radially inner membrane 41, a shear structure 40 and a radially outer membrane 42.
  • the shearing elements 5 are of the type described in FIG. 4.
  • the inventors have more particularly studied this invention according to two different embodiments R1 and R2.
  • a first embodiment RI relates to an airless tire intended to replace a reference tire of size 235/65 R16 LI/SI 121R, within the meaning of the European standard of the “European Tire and Rim Technical Organization” (Organization European tire and wheel technology) or "E.T.R.T.O” in its “Standards Manual 2020", intended to equip vehicles of the van type.
  • the modulus of elasticity in extension at 4% elongation of the constituent material of a shear element is equal to 150 MPa, corresponding, for example, to a thermoplastic elastomer (TPE).
  • a second embodiment R2 relates to an airless tire having an outer diameter equal to 800 mm and an overall width equal to 300 mm, intended to equip a vehicle able to run in an extreme environment at very low temperatures.
  • the modulus of elasticity in extension at 4% elongation and at -200°C of the material constituting a shear element is equal to 5800 MPa, corresponding, for example, to a thermoplastic of the polyetheretherketone type (PEEK ) or a polyimide.
  • the average ground contact pressure generated by the shear strip of the tire according to the first embodiment R1 is equal to 5 bars for a mass of shear strip equal to 8.7 kg, according to the numerical simulations carried out by the inventors, using finite element calculation software.
  • the average ground contact pressure generated by the shear strip of the tire according to the second embodiment R2 is equal to 0.075 bars, according to the numerical simulations carried out by the inventors, using finite element calculation software

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Tires In General (AREA)

Abstract

La présente invention a pour objet un pneumatique sans air, et vise, plus particulièrement à optimiser la masse et la rigidité de sa bande de cisaillement, comprenant une membrane radialement intérieure (41), une structure de cisaillement, constituée par une pluralité d'éléments de cisaillement (5), et une membrane radialement extérieure (42) positionnée à une distance radiale moyenne H de la membrane radialement intérieure (41). Selon l'invention, tout élément de cisaillement (5) de la pluralité d'éléments de cisaillement comprend une portion courante (50) ayant, dans tout plan circonférentiel (XZ), une génératrice (G) non radiale ayant une extrémité radialement intérieure (I1) positionnée à une distance d1 de la membrane radialement 5intérieure (41), et une extrémité radialement extérieure (I2) positionnée à une distance d2 de la membrane radialement extérieure (42), et la génératrice (G) de la portion courante (50) de l'élément de cisaillement (5) a une longueur curviligne L au moins égale à 1.25*(H-(d1+d2)).

Description

Pneumatique sans air avec une bande de cisaillement optimisée
[0001] La présente invention a pour obj et un pneumatique sans air, destiné à un véhicule, et concerne plus particulièrement sa bande de cisaillement.
[0002] Un pneumatique conventionnel, soumis à la pression interne d’un gaz de gonflage, généralement de l’air, a des capacités de charge, de transmission d’efforts entre un sol et le véhicule, et d'absorption de chocs qui en font un choix préférentiel pour une utilisation sur un véhicule. Toutefois un risque inhérent au pneumatique conventionnel est une perte de pression plus ou moins rapide, en cas de choc ou de roulage sur un objet perforant, susceptible d’ entrainer une immobilisation du véhicule.
[0003] Pour éliminer ce risque de perte de pression, des solutions alternatives au pneumatique conventionnel ont été développées, telles que, par exemple, des bandages pleins. Un bandage plein, qui porte la charge par une mise en compression de sa structure, ne présente pas les avantages de performances précédemment décrits pour un pneumatique conventionnel. En particulier, un bandage plein est généralement lourd et rigide, donc avec une moindre capacité d’absorption des chocs. De plus, il a une capacité de charge souvent inférieure et une endurance plus faible, en raison d’un échauffement plus important en usage. Par conséquent un bandage plein a une utilisation limitée à des véhicules spécifiques, tels que, à titre d’exemple et de manière non exhaustive, des engins de manutention.
[0004] Un pneumatique sans air, ou plus généralement un pneumatique sans gaz de gonflage, est une autre solution alternative connue, qui porte la charge grâce à des composants structurels et qui a des performances comparables à celles d’un pneumatique conventionnel. Un pneumatique sans air, monté sur un moyeu ou une jante, est parfois appelé « roue élastique non pneumatique ».
[0005] Un tel pneumatique sans air a été décrit, à titre d’exemples, dans les documents WO 2003018332A1, FR 2964597, WO 2012102932A1, WO 2018101937A1, WO 2018102303A1, WO 2018102560A1, WO 2018125186A1.
[0006] Dans ce qui suit, la direction circonférentielle ou longitudinale désigne la direction de rotation du pneumatique, la direction axiale ou transversale désigne la direction parallèle à l’axe de rotation du pneumatique et la direction radiale désigne une direction perpendiculaire à l’axe de rotation du pneumatique.
[0007] Un pneumatique sans air comprend généralement, radialement de l’intérieur vers l’extérieur :
-une structure porteuse, destinée à porter structurellement au moins en partie la charge et à coopérer avec une jante ou un moyeu,
-une bande de cisaillement, destinée à transmettre par cisaillement les efforts de roulage à la structure porteuse et à contribuer au moins en partie au port de la charge,
-et une bande de roulement, destinée à transmettre à la bande cisaillement les efforts de roulage, à être usée et à garantir l’adhérence du pneumatique sur un sol.
[0008] La structure porteuse comprend, par exemple, radialement de l’intérieur vers l’extérieur, des moyens de connexion avec une jante ou un moyeu, des éléments radiaux ou rayons, et des moyens de connexion avec une bande de cisaillement. Toutefois la structure porteuse ne délimite pas généralement une cavité interne étanche destinée à contenir un gaz sous pression, comme dans un pneumatique conventionnel. Par conséquent un pneumatique sans air n’a pas besoin d’avoir une liaison étanche par rapport à une jante ou un moyeu.
[0009] La bande de cisaillement comprend, dans un mode de réalisation connu, radialement de l’intérieur vers l’extérieur :
-une première membrane intérieure,
-une couche de cisaillement constituée par un ou plusieurs matériaux polymériques, -une deuxième membrane extérieure.
La couche de cisaillement est en interface directe avec respectivement la première et la deuxième membrane.
[0010] Dans le mode de réalisation précédemment décrit, la première et la deuxième membrane ont un module d'élasticité en extension circonférentielle souvent sensiblement supérieur au module d'élasticité en cisaillement de la couche de cisaillement en matériau polymérique, de telle sorte que, sous la charge appliquée, les membranes ne s’allongent pas ou peu lors de la mise à plat du pneumatique en roulage. Le déplacement relatif des membranes Tune par rapport à l’autre se produit par cisaillement dans la couche de cisaillement. De préférence, les membranes comprennent des couches superposées de renforts enrobés dans un matériau polymérique.
[0011] La couche de cisaillement en matériau polymérique est constituée, à titre d’exemples, d'un matériau polymérique, tel que du caoutchouc naturel ou un caoutchouc synthétique, ou d’un polyuréthane. A titre d’exemple, le matériau de la couche de cisaillement a un module de cisaillement au moins égal à 3 MPa et au plus égal à 20 MPa, ce qui permet une mise à plat facilitée de la bande de cisaillement sous charge.
[0012] La société Michelin North America a commercialisé, depuis plusieurs années, une solution complète d'un ensemble monté, constitué d’un pneumatique sans air, tel que précédemment décrit, et d’une roue, sous l’appellation MICHELIN® TWEEL®. Cette solution technique se compose principalement d’une bande de roulement, d’une bande de cisaillement ou « shear-band », d’une structure porteuse, constituée de rayons ou « spokes » hautement résistants en poly-résine et d’un moyeu constitué de deux pièces en acier renforcé.
[0013] Les bandes de cisaillement d’un pneumatique sans air de l’état de l’art présentent deux inconvénients principaux, qui sont une masse généralement élevée et une génération de pressions de contact au sol comprises dans un domaine de valeurs relativement restreint. Ainsi de fortes pressions de contact ne peuvent être générées que par une bande de cisaillement ayant une masse très élevée, ce qui n’est ni mécaniquement viable, ni économiquement acceptable. De plus l’utilisation de telles bandes de cisaillement est limitée, en pratique, à des pneumatiques sans air fonctionnant soit à pression faible et à vitesse élevée, comme sur un véhicule de tourisme, soit à pression forte et à vitesse faible, comme sur un véhicule utilitaire de type Bobcat®. Par ailleurs, dans des applications ayant des contraintes environnementales sévères (à très basses températures, par exemple), les niveaux de cisaillement de la bande de cisaillement, nécessaires pour générer des pressions de contact faibles, sont difficilement atteignables avec une couche de cisaillement constituée par les matériaux polymériques usuels.
[0014] Les inventeurs se sont donnés pour objectif de proposer un pneumatique sans air comprenant une bande de cisaillement ayant, pour une capacité de charge du pneumatique donnée, et par rapport à une bande de cisaillement de l’état de la technique, une masse diminuée et une rigidité de cisaillement adaptée à l’obtention d’un niveau de pression moyenne de contact au sol visé.
[0015] Cet objectif a été atteint par un pneumatique sans air pour un véhicule, comprenant, radial ement de l’intérieur vers l’extérieur, une structure porteuse, destinée à coopérer avec une jante ou un moyeu, une bande de cisaillement et une bande de roulement,
-la bande de cisaillement comprenant, radialement de l’intérieur vers l’extérieur, une membrane radialement intérieure, une structure de cisaillement et une membrane radialement extérieure positionnée à une distance radiale moyenne H de la membrane radialement intérieure,
-la structure de cisaillement comprenant une pluralité d’éléments de cisaillement répartis circonférentiellement,
-tout élément de cisaillement de la pluralité d’éléments de cisaillement comprenant une portion courante ayant, dans tout plan circonférentiel perpendiculaire à l’axe de rotation du pneumatique, une génératrice non radiale ayant une extrémité radialement intérieure positionnée à une distance dl de la membrane radialement intérieure, et une extrémité radialement extérieure positionnée à une distance d2 de la membrane radialement extérieure,
-et la génératrice de la portion courante de l’élément de cisaillement ayant une longueur curviligne L au moins égale à 1.25*(H-(dl+d2)).
[0016] La bande de cisaillement d’un pneumatique sans air selon l’invention comprend de façon essentielle une distribution circonférentielle d’une pluralité d’éléments de cisaillement répartis selon un pas non nécessairement constant. Par convention, une pluralité d’éléments de cisaillement est un ensemble d’éléments de cisaillement, englobant le plus souvent la totalité des éléments de cisaillement, mais pouvant éventuellement englober seulement une partie des éléments de cisaillement. Cette structure de cisaillement discrète permet d’avoir une bande de cisaillement évidée, garantissant une masse du sommet du pneumatique sans air pouvant être, par exemple, assez proche de celle du sommet d’un pneumatique conventionnel. Par convention, le sommet du pneumatique est la portion du pneumatique radialement extérieure à la structure porteuse, pour un pneumatique sans air, ou radial ement extérieure à l’armature de carcasse pour un pneumatique conventionnel.
[0017] La bande de cisaillement comprend, radialement de l’intérieur vers l’extérieur, une membrane radialement intérieure, une structure de cisaillement et une membrane radialement extérieure positionnée à une distance radiale moyenne H de la membrane radialement intérieure. Par définition, la distance radiale moyenne H entre les deux membranes respectivement radialement intérieure et radialement extérieure est une moyenne sur la circonférence du pneumatique.
[0018] Dans tout plan circonférentiel perpendiculaire à l’axe de rotation du pneumatique, tout élément de cisaillement, c’est-à-dire tout motif élémentaire, de la pluralité d’éléments de cisaillement, a une section circonférentielle ayant une ligne moyenne, appelée génératrice, non radiale et de forme curviligne. Cette génératrice s’étend entre une extrémité radialement intérieure, positionnée à une distance dl de la membrane radialement intérieure, et une extrémité radialement extérieure, positionnée à une distance d2 de la membrane radialement extérieure. Ceci implique que les extrémités respectivement radialement intérieure et radialement extérieure ne sont pas nécessairement positionnées respectivement sur la membrane radialement intérieure et sur la membrane radialement extérieure, et qu’il peut y avoir, par conséquent, une zone de transition faisant l’interface entre ladite portion courante de l’élément de cisaillement et les membranes respectivement radialement intérieure et radialement extérieure. De plus il est à noter que la forme de la génératrice est une courbe ouverte et non fermée sur elle-même. Par exemple la génératrice ne peut pas avoir une forme circulaire fermée. Les distances dl et d2 ne sont pas nécessairement constantes selon la direction axiale du pneumatique, c’est-à-dire peuvent varier dans la largeur axiale de la bande de cisaillement.
[0019] Selon l’invention, cette génératrice doit avoir une longueur curviligne L, mesurée le long de cette génératrice entre ses deux extrémités respectivement radialement intérieure et radialement extérieure, au moins égale à 1.25 fois la distance la plus courte entre ses deux extrémités égale à H-(dl+d2)). Une telle génératrice a donc une courbure moyenne non nulle, garantissant une flexibilité géométrique de l’élément de cisaillement. [0020] Une telle forme de génératrice permet, en roulage, une optimisation des contraintes générées dans l’élément de cisaillement. En effet, par rapport à des structures plus simples telles que des poutres droites, cette forme de génératrice permet soit d’avoir une longueur effective de travail de l’élément de cisaillement plus longue, pour une distance radiale moyenne intermembranaire donnée H, soit d’avoir des interfaces avec les membranes respectivement radialement intérieure et radialement extérieure suffisamment épaisses pour déplacer les maximums de contraintes et déformations au cœur de l’élément de cisaillement et non au niveau desdites interfaces.
[0021] Par ailleurs, la forme de la génératrice, en combinaison avec les caractéristiques d’épaisseur de l’élément de cisaillement et de module d’élasticité du ou des matériaux constitutifs dudit élément de cisaillement, permet d’optimiser les caractéristiques mécaniques de rigidité de la bande de cisaillement, en vue de l’obtention de la répartition et de la valeur des pressions de contact avec le sol, adaptées à l’usage du véhicule concerné.
[0022] D’une part, la rigidité de flexion globale de la bande de cisaillement doit être suffisamment élevée pour éviter tout cloquage de la bande de cisaillement dans le contact avec le sol. Cette rigidité de flexion globale est principalement garantie par les membranes respectivement radialement intérieure et radialement extérieure.
[0023] D’autre part, la rigidité de cisaillement globale de la bande de cisaillement doit être également adaptée pour garantir, en particulier, le niveau recherché de pression moyenne dans l’aire de contact. Cette rigidité de cisaillement globale est principalement conférée par la structure de cisaillement intercalée entre les membranes respectivement radialement intérieure et radialement extérieure. Le cisaillement global d’une telle bande de cisaillement, sous l’action des efforts de roulage, génère, dans chaque élément de cisaillement, une flexion locale entraînant une déformation de cet élément de cisaillement.
[0024] Selon un premier mode de réalisation, l’invention permet de concevoir des bandes de cisaillement générant de fortes pressions de contact au sol avec une masse de sommet du pneumatique du même ordre de grandeur que celle du sommet d’un pneumatique conventionnel. L’optimisation de la bande cisaillement, du point de vue de sa rigidité globale de cisaillement, est réalisée en adaptant le module du ou des matériaux constitutifs de l’élément de cisaillement et de la longueur curviligne de la génératrice, de telle sorte que celle-ci soit suffisamment grande pour que les contraintes et déformations induites dans le ou les matériaux constitutifs de l’élément de cisaillement soient compatibles avec les propriétés de résistance à la rupture et/ou de limite en fatigue dudit matériau. Une distribution circonférentielle d’une pluralité d’éléments de cisaillement selon l’invention permet d’obtenir un volume de matière compris entre les membranes respectivement radial ement intérieure et extérieure, permettant d’atteindre de fortes pressions au sol à des vitesses de roulage élevées. Ceci permet d’étendre le périmètre d’utilisation des pneumatiques sans air actuels.
[0025] Selon un deuxième mode de réalisation, l’invention permet de concevoir des bandes de cisaillement très souples, compatibles avec des contraintes environnementales sévères, telles que des températures extrêmement basses rencontrées, par exemple, dans des environnements extra-terrestres. Ceci est possible en adaptant la longueur de la génératrice des éléments de cisaillement, de telle sorte que celle-ci soit suffisamment grande pour que les contraintes et les déformations induites dans le ou les matériaux constitutifs soient compatibles avec les propriétés de résistance à la rupture et/ou de limite en fatigue dudit matériau.
[0026] Avantageusement la distance dl de l’extrémité radialement intérieure de la génératrice à la membrane radialement intérieure est au plus égale à 0.5 fois la distance radiale moyenne H entre la membrane radialement intérieure et la membrane radialement extérieure.
[0027] Encore avantageusement la distance dl de l’extrémité radialement intérieure de la génératrice à la membrane radialement intérieure est égale à 0. Ceci implique qu’il n’y a pas de zone de transition faisant l’interface entre ladite portion courante de l’élément de cisaillement et la membrane radialement intérieure.
[0028] Avantageusement la distance d2 de l’extrémité radialement extérieure de la génératrice à la membrane radialement extérieure est au plus égale à 0.5 fois la distance radiale moyenne H entre la membrane radialement intérieure et la membrane radialement extérieure.
[0029] Encore avantageusement la distance d2 de l’extrémité radialement extérieure de la génératrice à la membrane radialement extérieure est égale à 0. Ceci implique qu’il n’y a pas de zone de transition faisant l’interface entre ladite portion courante de l’élément de cisaillement et la membrane radialement extérieure.
[0030] Avantageusement la tangente à la génératrice à son extrémité radialement intérieure forme, avec une direction radiale du pneumatique sans air, un angle Al au moins égal à 45°.
[0031] Encore avantageusement la tangente à la génératrice à son extrémité radialement extérieure forme, avec une direction radiale du pneumatique sans air, un angle A2 au moins égal à 45°.
[0032] Avantageusement la génératrice de la portion courante de tout élément de cisaillement a une forme ayant une unique inversion de son sens de courbure, telle qu’une forme en S.
[0033] Encore avantageusement la portion courante de tout élément de cisaillement a une épaisseur E0 non constante. Cette variation d’épaisseur permet d’optimiser la répartition des contraintes et déformations dans cet élément de cisaillement. L’épaisseur E0, mesurée dans un plan circonférentiel donné, peut également varier entre deux plans circonférentiels distincts, c’est-à-dire selon la direction axiale du pneumatique.
[0034] Préférentiellement les éléments de cisaillement sont répartis circonférentiellement selon un pas constant.
[0035] Encore préférentiellement tout élément de cisaillement est constitué par un matériau ayant un module d’élasticité en extension à 4% d’allongement au moins égal à 20 MPa, de préférence au moins égal à 30 MPa. Ce module d’élasticité en extension est mesuré en statique.
[0036] La forme des génératrices des éléments de cisaillement induit que les contraintes générées par le cisaillement de la bande de cisaillement, résultant des efforts de roulage, sont suffisamment faibles pour permettre l’utilisation de matériaux ayant des modules d’élasticité plus élevés que ceux des matériaux élastomériques couramment utilisés dans le domaine du pneumatique conventionnel.
[0037] Utiliser des matériaux à haut module d’élasticité permet soit d’alléger la bande cisaillement par une diminution des sections efficaces des éléments de cisaillement, dans un plan circonférentiel, soit de rigidifier la bande de roulement de manière à augmenter les pressions de contact au sol.
[0038] Les caractéristiques de l’invention sont illustrées par les figures 1 à 5 schématiques et non représentées à l’échelle :
-Figure 1 : Vue d’ensemble d’un pneumatique sans air selon l’invention,
-Figure 2 : Vue en coupe circonférentielle d’un élément de cisaillement selon un premier mode de réalisation (avec dl et d2 non milles),
-Figure 3 : Vue en coupe circonférentielle d’une portion de bande de cisaillement selon un premier mode de réalisation (avec dl et d2 non milles)
-Figure 4 : Vue en coupe circonférentielle d’un élément de cisaillement selon un deuxième mode de réalisation (avec dl et d2 milles)
-Figure 5 : Vue en coupe circonférentielle d’une portion de bande de cisaillement selon un deuxième mode de réalisation (avec dl et d2 milles)
[0039] La figure 1 est une vue d’ensemble d’un pneumatique sans air 1 selon l’invention. Le pneumatique sans air 1 comprend, radial ement de l’intérieur vers l’extérieur, une structure porteuse 2, destinée à coopérer avec une jante ou un moyeu 3, une bande de cisaillement 4 et une bande de roulement 6. La bande de cisaillement 4 comprend, radialement de l’intérieur vers l’extérieur, une membrane radialement intérieure 41, une structure de cisaillement 40 et une membrane radialement extérieure 42. La structure de cisaillement 40 est constituée par une pluralité d’éléments de cisaillement 5 répartis circonférentiellement. Chaque élément de cisaillement 5 de la pluralité d’éléments de cisaillement a une génératrice non radiale ayant une extrémité radialement intérieure II et une extrémité radialement extérieure 12.
[0040] La figure 2 est une vue en coupe circonférentielle d’un élément de cisaillement 5 selon un premier mode de réalisation (avec dl et d2 non milles). L’élément de cisaillement 5 comprend une portion courante 50 ayant, dans tout plan circonférentiel XZ perpendiculaire à l’axe de rotation du pneumatique, une génératrice G non radiale ayant une extrémité radialement intérieure II positionnée à une distance dl de la membrane radialement intérieure 41, et une extrémité radialement extérieure 12 positionnée à une distance d2 de la membrane radialement extérieure 42, et la génératrice G de la portion courante 50 de l’élément de cisaillement 5 a une longueur curviligne L au moins égale à 1.25*(H-(dl+d2)), H étant la distance radiale moyenne entre la membrane radialement intérieure 41 et la membrane radialement extérieure 4. Dans le mode de réalisation représenté, la distance dl de l’extrémité radialement intérieure II de la génératrice G à la membrane radialement intérieure 41 et la distance d2 de l’extrémité radialement extérieure 12 de la génératrice G à la membrane radialement extérieure 42 sont inférieures à 0.5 fois la distance radiale moyenne H et non milles. En outre la tangente Tl à la génératrice G à son extrémité radialement intérieure II forme, avec une direction radiale ZZ’ du pneumatique sans air 1, un angle Al au moins égal à 45° et même proche de 90°. De façon analogue, la tangente T2 à la génératrice G à son extrémité radialement extérieure 12 forme, avec une direction radiale ZZ’ du pneumatique sans air 1, un angle A2 au moins égal à 45° et même proche de 90°. Enfin la génératrice G de la portion courante 50 de l’élément de cisaillement 5 a une forme en S et la portion courante 50 de l’élément de cisaillement 5 a une épaisseur E0 constante.
[0041] La figure 3 est une vue en coupe circonférentielle d’une portion de bande de cisaillement 4 selon un premier mode de réalisation (avec dl et d2 non milles). La bande de cisaillement 4 comprend, radialement de l’intérieur vers l’extérieur, une membrane radialement intérieure 41, une structure de cisaillement 40 et une membrane radialement extérieure 42. Les éléments de cisaillement 5 sont du type de celui décrit à la figure 2.
[0042] La figure 4 est une vue en coupe circonférentielle d’un élément de cisaillement 5 selon un deuxième mode de réalisation (avec dl et d2 milles). Cet élément de cisaillement 5 diffère de celui de la figure 2 par une forme de génératrice G avec des courbures plus marquées, une longueur de génératrice G plus longue et une épaisseur de portion courante plus faible. En outre la distance dl de l’extrémité radialement intérieure II de la génératrice G à la membrane radialement intérieure 41 et la distance d2 de l’extrémité radialement extérieure 12 de la génératrice G à la membrane radialement extérieure 42 sont milles. Autrement dit, la portion courante 50 est en interface directe avec les membranes respectivement radialement intérieure 41 et radialement extérieure 42.
[0043] La figure 5 est une vue en coupe circonférentielle d’une portion de bande de cisaillement 4 selon un deuxième mode de réalisation (avec dl et d2 milles). Comme vu précédemment, la bande de cisaillement 4 comprend, radialement de l’intérieur vers l’extérieur, une membrane radialement intérieure 41, une structure de cisaillement 40 et une membrane radialement extérieure 42. Les éléments de cisaillement 5 sont du type de celui décrit à la figure 4.
[0044] Les inventeurs ont plus particulièrement étudié cette invention selon deux modes de réalisation différents RI et R2.
[0045] Un premier mode de réalisation RI concerne un pneumatique sans air visant à remplacer un pneumatique de référence de dimension 235/65 R16 LI/SI 121R, au sens de la norme européenne de la « European Tyre and Rim Technical Organization » (Organisation technique européenne du pneu et de la roue) ou « E.T.R.T.O » dans son « Standards Manual 2020 » (Manuel de normes 2020), destiné à équiper des véhicules de type camionnette. Pour RI, le module d’élasticité en extension à 4% d’allongement du matériau constitutif d’un élément de cisaillement est égal à 150 MPa, correspondant, par exemple, à un élastomère thermoplastique (TPE).
[0046] Un deuxième mode de réalisation R2 concerne un pneumatique sans air ayant un diamètre extérieur égal 800 mm et une largeur hors-tout égale à 300 mm, destiné à équiper un véhicule apte à rouler dans un environnement extrême à de très basses températures. Pour R2, le module d’élasticité en extension à 4% d’allongement et à -200°C du matériau constitutif d’un élément de cisaillement est égal à 5800 MPa, correspondant, par exemple, à un thermoplastique de type polyetheretherketone (PEEK) ou à un polyimide.
[0047] Le tableau 1 ci-dessous présente les caractéristiques respectives des deux modes de réalisation RI et R2 :
[Tableau 1]
[0048] La pression moyenne de contact au sol générée par la bande de cisaillement du pneumatique selon le premier mode de réalisation RI est égale à 5 bars pour une masse de bande de cisaillement égale à 8.7 kg, d'après les simulations numériques réalisées par les inventeurs, à l’aide d’un logiciel de calculs par éléments finis.
[0049] La pression moyenne de contact au sol générée par la bande de cisaillement du pneumatique selon le deuxième mode de réalisation R2 est égale à 0.075 bars, d'après les simulations numériques réalisées par les inventeurs, à l’aide d’un logiciel de calculs par éléments finis

Claims

Revendications Pneumatique sans air (1) pour un véhicule, comprenant, radialement de l’intérieur vers l’extérieur, une structure porteuse (2) , destinée à coopérer avec une jante ou un moyeu (3), une bande de cisaillement (4) et une bande de roulement (6),
-la bande de cisaillement (4) comprenant, radialement de l’intérieur vers l’extérieur, une membrane radialement intérieure (41), une structure de cisaillement (40) et une membrane radialement extérieure (42) positionnée à une distance radiale moyenne H de la membrane radialement intérieure (41), -la structure de cisaillement (40) étant constituée par une pluralité d’éléments de cisaillement (5) répartis circonférentiellement, caractérisé en ce que tout élément de cisaillement (5) de la pluralité d’éléments de cisaillement comprend une portion courante (50) ayant, dans tout plan circonférentiel (XZ) perpendiculaire à l’axe de rotation du pneumatique, une génératrice (G) non radiale ayant une extrémité radialement intérieure (II) positionnée à une distance dl de la membrane radialement intérieure (41), et une extrémité radialement extérieure (12) positionnée à une distance d2 de la membrane radialement extérieure (42), et en ce que la génératrice (G) de la portion courante (50) de l’élément de cisaillement (5) a une longueur curviligne L au moins égale à 1.25*(H-(dl+d2)). Pneumatique sans air (1) selon la revendication 1, dans lequel la distance dl de l’extrémité radialement intérieure (II) de la génératrice (G) à la membrane radialement intérieure (41) est au plus égale à 0.5 fois la distance radiale moyenne H entre la membrane radialement intérieure (41) et la membrane radialement extérieure (42). Pneumatique sans air (1) selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel la distance dl de l’extrémité radialement intérieure (II) de la génératrice (G) à la membrane radialement intérieure (41) est égale à 0. Pneumatique sans air (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la distance d2 de l’extrémité radialement extérieure (12) de la génératrice (G) à la membrane radialement extérieure (42) est au plus égale à 0.5 fois la distance radiale moyenne H entre la membrane radialement intérieure (41) et la membrane radialement extérieure (42). Pneumatique sans air (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la distance d2 de l’extrémité radialement extérieure (12) de la génératrice (G) à la membrane radialement extérieure (42) est égale à 0. Pneumatique sans air (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la tangente (Tl) à la génératrice (G) à son extrémité radialement intérieure
(11) forme, avec une direction radiale (ZZ’) du pneumatique sans air (1), un angle Al au moins égal à 45°. Pneumatique sans air (1) selon Tune quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la tangente (T2) à la génératrice (G) à son extrémité radialement extérieure
(12) forme, avec une direction radiale (ZZ’) du pneumatique sans air (1), un angle A2 au moins égal à 45°. Pneumatique sans air (1) selon Tune quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la génératrice (G) de la portion courante (50) de tout élément de cisaillement (5) a une forme ayant une unique inversion de son sens de courbure. Pneumatique sans air (1) selon Tune quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la portion courante (50) de tout élément de cisaillement (5) a une épaisseur E0 non constante. Pneumatique sans air (1) selon Tune quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel les éléments de cisaillement (5) sont répartis circonférentiellement selon un pas constant. Pneumatique sans air (1) selon Tune quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel tout élément de cisaillement (5) de la pluralité d’éléments de cisaillement est constitué par un matériau ayant un module d’élasticité en extension à 4% d’allongement au moins égal à 20 MPa, de préférence au moins égal à 30 MPa.
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