KR100967531B1 - 비공압 타이어 - Google Patents

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KR100967531B1
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티모시 비. 레인
로날드 에이치. 톰슨
스티븐 엠. 크론
케네스 더블유. 도미노
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미쉐린 러쉐르슈 에 떼크니크 에스.에이.
소시에떼 드 테크놀로지 미쉐린
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Abstract

구조적으로 지지되는 타이어는 트레드 부분, 트레드 부분의 반경 방향 내측에 배치된 보강 환형 밴드, 및 타이어 축방향으로 정렬되어 또는 타이어 축에 비스듬하게 보강 환형 밴드로부터 반경 방향 내측으로 연장하고 휠 또는 허브에 고정되는 다수의 웨브 스포크를 포함한다. 보강 환형 밴드는 탄성중합체 전단층, 탄성중합체 전단층의 반경 방향 내측 영역에 접착되는 적어도 하나의 제 1 멤브레인, 및 탄성중합체 전단층의 반경 방향 외측 영역에 접착되는 적어도 하나의 제 2 멤브레인을 포함한다. 각각의 멤브레인은 전단층의 전단 계수보다 충분히 큰 길이 방향 인장 계수를 가지며, 제 2 멤브레인의 길이 방향 압축 계수가 제 1 멤브레인의 길이 방향 인장 계수와 적어도 동일하여서, 부하 하에 있을 때, 타이어의 지면 접촉 부분은 전단층에서의 전단 인장을 통해 평탄 접촉 영역으로 변형하여, 멤브레인의 길이를 일정하게 유지한다. 웨브 스포크는 타이어의 지면 접촉 부분에 연결되는 웨브 스포크에서의 인장을 통하여 환형 밴드와 허브 사이의 부하력을 전달한다.
비공압 타이어, 보강 환형 밴드, 탄성중합체, 웨브 스포크

Description

비공압 타이어{NON-PNEUMATIC TIRE}
본 출원은, 2002년 2월 22일자 출원된 미국 특허출원 제10/081,571호의 일부 계속 출원이며 1999년 10월 10일자 출원된 국제출원 PCT/US99/29366으로 2004년 8월 3일자 허여된 미국특허 제6,769,465호의 계속 출원인 2004년 2월 20일자 출원된 미국 특허출원 제10/782,999호의 일부 계속 출원이다. 종래에 출원된 미국 특허출원 제10/081,571호와 제10/782,999호의 전체 개시 내용은 본원에서 참조된다.
본 발명은 구조적으로 지지되는 비공압 타이어에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 그 구조적 구성부품들에 의해 부하(load)를 지지하고 공압 타이어들에 대한 대체물로서 작용하도록 공압 타이어와 같은 수행 능력들(performance capabilities)을 가지는 비공압 타이어에 관한 것이다.
공압 타이어는 부하 지지, 노면 충격 흡수, 및 힘 전달(가속, 정지, 및 조향)에서, 많은 차량, 특히 그중에서도 자전거, 모터 사이클, 자동차, 및 트럭에서 사용하기 위하여 바람직한 선택을 하게 만드는 능력들을 가진다. 예를 들어, 솔리드 타이어(solid tire)들, 스프링 타이어들 및 쿠션 타이어들과 같은 종래의 비공압 타이어 대안들은 부하 지지를 위하여 지면 접촉 부분의 압축에 의지하고, 공압 타이어들의 성능 이점들이 결여되어 있다.
따라서, 제한된 상황 외에, 공지된 비공압 타이어들 공압 타이어들의 대체물로서 폭넓게 사용할 수 없었다. 공압 타이어들과 유사한 성능 특성들을 갖는 비공압 타이어는 종래의 다양한 결점들을 극복하여야 하고, 개선사항을 기꺼이 받아들일 수 있어야 한다.
본 발명에 따라서 구조적으로 지지된(이하 '구조적 지지형'이라 한다) 비공압 타이어는 타이어 상의 부하를 지지하는 보강 환형 밴드와, 인장시에 환형 밴드와 휠 또는 허브 사이에서 부하력(load force)을 전달하는 다수의 웨브 스포크(web spoke)를 포함한다.
모터 차량 상의 타이어로서 유용한 실시예에 따라서, 구조적 지지형 타이어는 트레드(tread) 부분, 트레드 부분의 반경 방향 내측에 있는 보강 환형 밴드, 타이어 축을 횡으로 교차하고 환형 밴드로부터 타이어 축을 향하여 반경 방향 내측으로 연장하는 다수의 웨브 스포크, 및 웨브 스포크를 휠 또는 허브에 서로 연결하기 위한 수단을 포함한다.
본 발명의 구조적 지지형 타이어는 압력 하에 있는 공기를 수용하기 위한 캐비티를 가지지 않으며, 따라서 내부 공기압을 유지하도록 휠과 함께 밀봉을 형성할 필요가 없다. 그러므로, 구조적 지지형 타이어는 공압 타이어 기술에서 알려진 바와 같은 휠을 요구하지 않는다. 다음의 설명의 목적을 위하여, 용어 "휠"과 "허브" 는 타이어를 지지하여 차량의 차축에 장착하기 위한 임의의 장치 또는 구조물을 지칭하며, 본 명세서에서는 상호 교환 가능한 것으로 고려된다.
환형 밴드는 탄성중합체 전단층, 탄성중합체 전단층의 반경 방향 내측 영역(extent)에 접착되는 적어도 제 1 멤브레인, 및 탄성중합체 전단층의 반경 방향 외측 영역에 접착되는 제 2 멤브레인을 포함한다. 각각의 멤브레인은 전단층의 전단 계수(modulus)보다 큰 길이 방향 인장 계수를 가지며, 멤브레인들중 하나의 길이 방향 인장 계수 대 전단층의 전단 계수의 비는 적어도 약 100:1이며, 제 2 멤브레인의 길이 방향 압축 계수는, 외부에서 인가되는 부하 하에서, 지면 접촉 트레드 부분이 필수적으로 원형 형상으로부터 지면과 일치하는 형상으로 변형하지만 멤브레인들의 필수적으로 일정한 길이를 유지하도록 제 1 멤브레인의 길이 방향 인장 계수와 동일하거나 그보다 크다. 멤브레인들의 상대 변위는 전단층에서의 전단에 의해 발생한다. 바람직하게, 멤브레인들은 탄성중합체 코팅층에 매설된 필수적으로 비확장성(inextensible)인 코드 보강재들의 겹쳐진 층들을 포함한다.
환형 밴드는, 전단층 내에 위치되고 제 1 멤브레인의 반경 방향 외측에 있고 제 2 멤브레인의 반경 방향 내측에 있는 중간층을 포함한다. 특정 디자인 예에서, 중간층은 약 0.005 내지 0.010 사이의 부피율(volume fraction)을 가지는 코드 보강재들을 포함하며, 이 코드 보강재들은 원주 방향과 평행한 방향으로 배향(oriented)될 수 있다.
탄성중합체 전단층은 천연 또는 인조 고무, 폴리우레탄, 발포 고무 및 발포 폴리우레탄, 분절 코폴리에스터(segmented copolyester) 및 나일론의 블록 공중합 체와 같은 물질로 형성된다. 바람직하게, 전단층 물질은 약 3㎫ 내지 약 20㎫의 전단 계수를 가진다. 환형 밴드는 노면과 같은 접촉 표면과 일치하도록 부하 하에 있는 동안 정상적인 원형의 형상으로부터 굽혀지는 능력을 가진다.
웨브 스포크들은 인장 시에 휠과 환형 밴드 사이에 부하력을 전달하도록 작용하고, 그러므로 여러 기능 중에서도 특히 차량의 중량을 지지한다. 지지력은 환형 밴드의 지면 접촉 부분에 연결되지 않은 웨브 스포크들에서의 인장력에 의해 발생한다. 휠 또는 허브는 타이어의 상부 부분에 매달리는 것으로 말할 수 있다. 바람직하게, 웨브 스포크들은 고효율의 반경 방향 인장 강도(stiffness)와 저효율의 반경 방향 압축 강도를 가진다. 낮은 압축 강도는 환형 밴드의 지면 접촉 부분에 접착된 웨브 스포크들이 굽혀지게 하여서 노면 충격을 흡수하고 노면에서의 불규칙성에 환형 밴드를 보다 양호하게 일치시키도록 허용한다.
트레드의 지면 접촉 부분의 웨브 스포크들의 굽힘을 촉진하도록, 스포크들은 곡선일 수 있다. 대안적으로, 웨브 스포크들은 특정 방향으로 굽혀지도록 성형 동안 압축 응력을 받을 수 있다(pre-stressed).
본 발명에 따른 환형 밴드는 접촉 영역의 길이에 걸쳐서 보다 균일한 지면 접촉 압력(S)이며, 이러한 것은 공압 타이어와 유사하고 다른 비공압 타이어 이상의 타이어 기능을 개선할 수 있다.
다음의 용어들은 본 발명에 대해 다음과 같이 정의된다:
"적도면(equatorial plane)"은 회전축에 대해 직각으로 통과하여 타이어 구조체를 양분하는 평면을 의미한다.
"자오면(meridian plane)"은 타이어의 회전축을 통과하고 회전축을 포함하는 평면을 의미한다.
탄성중합체 물질의 "계수"는 ASTM 표준 테스트 방법 D412을 통하여 측정된 10% 인장율에서의 탄성의 인장 계수를 의미한다.
멤브레인의 "인장 계수"는 멤브레인의 유효 두께가 곱해진 원주 방향에서의 1% 인장율에서의 탄성의 인장 계수를 의미한다. 이러한 인장 계수는 종래의 타이어 강 벨트 물질에 대해 아래의 수학식 1에 의해 계산될 수 있다. 이러한 계수에는 악센트 부호(')가 기재된다.
코드 보강 멤브레인을 위하여 본 명세서에서 사용된 바와 같은 멤브레인의 "압축 계수"는 30㎜ 깊이, 24㎜ 폭, 및 40㎜ 길이인 시편을 성형하는 것에 의하여 결정된다. 시편은 플라이(ply)를 구성하는데 사용될 고무 및/또는 다른 물질들에 수용된 대상 코드(subject cord)들 또는 다른 보강 요소들로 구성된다. 코드들은 시편의 길이(40㎜ 치수)를 따라서 배향되고, 단일 평면에서 서로 평행하게 정렬된다. 코드들에 대해 사용된 페이스(pace)는 플라이에서 사용된 것과 동일하다. 인스트론(Instron) 4466을 사용하여, 힘과 압축 하중의 관계가 시편에 대해 측정된다. 그런 다음, 동일한 치수를 가지지만 코드들 또는 보강 요소들 없이 구성되는, 즉 단지 등방성(isotropic) 고무 및/또는 다른 물질들만을 포함하는 샘플에 대하여 동일한 관계가 결정된다. 그런 다음, 2개의 샘플 사이의 강도에서의 차이는 코드들(또한 "케이블들"로서 지칭되는)에 대한 압축 계수를 결정하도록 사용된다. 이러한 계수에는 또한 악센트 부호(')가 기재된다.
탄성중합체 물질들의 "전단 계수"는 탄성의 전단 계수를 의미하고, 탄성중합체 물질들에 대해 상기에서 정의된 바와 같은 탄성 인장 계수의 1/3과 동일한 것으로 정의된다.
"히스테리시스(hysteresis)"는 작동 스트레인(strain), 온도, 및 진동수에서 측정된 동적 손실 탄젠트(dynamic loss tangent, tan Δ)를 의미한다. 당업자는 작동 조건들이 예를 들어 골프 카트들 및 스포츠카들에 대한 상이한 부하 및 속도 요구조건들과 같은 특정 적용물에 대해 다르고 스트레인, 온도 및 진동수가 특정 적용물에 대해 특화되어야 한다는 것을 이해할 것이다.
본 발명에 따른 구조적 지지형 탄성 타이어가 적도면에서의 개략도로 도 1에 도시되어 있다. 구조적 지지형은 타이어가 가스 팽창 압력의 지지 없이 그 구조적 구성부품들에 의해 부하를 지지하는 것을 의미한다. 구조적 지지형 탄성 타이어의 몇 개의 변형예들에 대하여 개시된 구조는 유사한 기본적인 구성부품들을 이용한다. 도면에서 인용된 도면 부호는 각각의 변형예에 대해 일관적인 패턴을 따른다. 도면들은 실척으로 도시되지 않았으며, 요소들의 치수는 예시의 목적을 위하여 과장되거나 감축되었다.
도 1에 도시된 타이어(100)는 지면 접촉 트레드 부분(105), 이 트레드 부분의 반경 방향 내측에 배치된 보강 환형 밴드(110), 이 환형 밴드에 대해 횡으로 연장하고 환형 밴드로부터 반경 방향 내측으로 연장하는 다수의 웨브 스포크(150), 및 이 웨브 스포크들의 반경 방향 내측 단부에 있는 장착 밴드(160)를 가진다. 장착 밴드(160)는 타이어(100)를 휠(10) 또는 허브에 고정한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같은 "횡으로 연장하는 것"은 웨브 스포크들(150)이 타이어 축방향으로 정렬될 수 있거나, 또는 타이어 축에 대해 비스듬할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, "반경 방향 내측으로 연장하는 것"은 웨브 스포크들(150)이 타이어 축에 대해 방사상의 평면에 놓일 수 있거나, 또는 방사상 평면에 대해 비스듬하게 될 수 있다는 것을 의미한다. 부가하여, 아래에 기술되는 바와 같이, 다수의 제 2 웨브 스포크는 적도면에서 연장할 수 있다. 도 7은 보강 환형 밴드(110)를 실질적으로 횡으로 연장하고 보강 환형 밴드로부터 반경 방향 내측으로 연장하는 웨브 스포크들(150)을 도시하는 본 발명에 따른 타이어의 예시적인 실시예의 일부분의 사시도이다.
자오면에서의 타이어(100)와 휠(10)을 단면도로 도시하는 도 2를 참조하여, 보강 환형 밴드(110)는 탄성중합체 전단층(120), 탄성중합체 전단층(120)의 반경 방향 최내측의 영역에 접착되는 제 1 멤브레인(130), 및 탄성중합체 전단층(120)의 반경 방향 최외측의 영역에 접착되는 제 2 멤브레인(140)을 포함한다. 멤브레인들(130, 140)은 보강 환형 밴드(110)가 부하 하에서 전단 변형을 일으키도록 전단층(120)의 전단 강도보다 큰 인장 강도를 가진다.
보강 환형 밴드(110)는 타이어 상의 부하를 지지한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 타이어의 회전축(X) 상에 배치된 부하(L)는 웨브 스포크들(150)에서의 인장에 의해 보강 환형 밴드(110)로 전달된다. 환형 밴드(110)는 원호와 유사한 방식으로 작용하고, 부하 지지 부재로서 작용하도록 타이어 적도면에서 충분히 큰 원주 방향 압축 강도와 길이 방향 굽힘 강도를 제공한다. 부하 하에서, 환형 밴드는 이 밴드의 전단 변형을 포함하는 메커니즘을 통하여 지면과의 접촉 면적(C)에서 변형한다. 전단으로 변형하는 능력은 유사한 유익한 결과와 함께 공압 타이어의 컴플라이언트(compliant) 지면 접촉 면적과 유사하게 작용하는 컴플라이언트 지면 접촉 면적(C)을 제공한다.
도 3 및 도 4를 참조하여, 본 발명의 환형 밴드(110)의 전단 메커니즘의 이점은 예를 들어, 부하 하에서 불충분한 전단 변형 이상을 허용하지 않는 금속 링과 같은 균질 물질로 구성되는 강성의 환형 밴드(122)와 비교하는 것에 의하여 이해될 수 있다. 도 3의 강성의 환형 밴드(122)에서, 평형력(equilibrium force)과 굽힘 모멘트 요구조건을 만족시키는 압력 분포는 접촉 면적의 각각의 단부에 위치된 한 쌍의 집중력(F)으로 만들어지며, 이 접촉 면적의 한 단부가 도 3에 도시되어 있다. 대조적으로, 환형 밴드가 도 4에 도시된 바와 같은 본 발명에 따라 전단층(120), 내부 보강부(130), 및 외부 보강부(140)로 이루어진 구조(전단 변형을 규정하는)를 포함하면, 접촉 영역(contact region) 상의 합성 압력 분포(S)는 실질적으로 균일하다.
본 발명에 따른 환형 밴드의 유익한 결과는 접촉 면적(contact area)의 길이에 걸쳐서 보다 균일한 지면 접촉 압력(S)이며, 이는 공압 타이어와 유사하고 다른 비공압 타이어에 비하여 타이어 기능을 개선한다.
전형적인 솔리드 타이어 및 완충 타이어에서, 부하는 접촉 면적에서 타이어 구조체의 압축에 의해 지지되고, 부하 용량은 접촉 면적에서 존재하는 물질의 양과 형태에 의해 제한된다. 스프링 타이어들의 특정 형태에서, 강성의 외부 링은 타이어 상의 부하를 지지하고, 탄성 스프링 부재들에 의해 허브 또는 휠에 연결된다. 그러나, 강성 링은 전단 메커니즘을 가지지 않으며, 그러므로, 상기된 바와 같이, 강성 링은 접촉 면적의 단부들에 집중된 지면 반응력을 가지며, 이는 지면으로 힘을 전달하고 지면 충격을 흡수하는 타이어의 능력에 영향을 미친다.
전단층(120)은 약 3㎫ 내지 약 20㎫의 전단 계수를 가지는 탄성중합체 물질의 층을 포함한다. 전단층(120)에 사용하는데 적절하다고 믿어지는 물질들은 천연 및 인조 고무들, 폴리우레탄, 발포 고무 및 발포 폴리우레탄, 분절 코폴리에스터(segmented copolyester), 및 나일론의 블록 공중합체를 포함한다. 부하 하에서 회전하는 동안 전단층(120)의 반복된 변형은 타이어에서 가열 빌드업(buildup)을 초래하는 이력 손실(hysteretic loss)들을 유발한다. 그러므로, 전단층의 히스테리시스는 작동 온도를 사용되는 물질들에 대한 허용 가능한 작동 온도보다 작게 유지하도록 특정되어야만 한다. 종래의 타이어 물질들(예를 들어, 고무)을 위하여, 예를 들어 전단층의 히스테리시스는 연속적인 사용시에 타이어들에 대해 약 130℃ 보다 낮은 온도를 발생시키도록 특정되어야만 한다.
트레드 부분(105)은 홈을 가지지 않거나, 또는 도 2의 예시적인 예에서와 같이 홈들 사이에 필수적으로 길이 방향의 트레드 리브들(109)을 형성하는 다수의 길이 방향으로 배향된 트레드 홈(107)을 가질 수 있다. 부가하여, 트레드 부분(105)은 가장자리 간에 평탄한 것으로서 도시되어 있다. 이러한 것은 자동차 및 다른 유사한 차량에 적절하지만, 둥근 트레드들은 자전거, 모터 사이클 및 다른 이륜 차량을 위하여 사용될 수 있다. 임의의 적절한 트레드 조각(sculpture)은 당업자에게 공지된 바와 같이 사용될 수 있다.
바람직한 실시예에 따라서, 제 1 멤브레인(130)과 제 2 멤브레인(140)은 탄성중합체 코팅에 매설된 필수적으로 비팽창성 코드 보강부들을 포함한다. 탄성중합체 물질들로 만들어진 타이어에 대하여, 멤브레인들(130, 140)은 경화된 탄성중합체 물질들에 의해 전단층(120)에 접착된다. 본 발명의 범위 내에서, 멤브레인들(130, 140)이 화학적 또는 접착 결합 또는 기계적인 고정과 같은 임의의 적절한 방법에 의해 전단층(120)에 접착될 수 있다.
멤브레인들(130, 140)에 있는 보강 요소들은 강철, 아라미드, 또는 다른 높은 계수의 직물들의 단섬유들 또는 코드들과 같은 종래의 타이어들에서의 타이어 벨트 보강물들로서 사용하는데 적절한 몇 개의 임의의 물질들일 수 있다. 본 명세서에 기술된 예시적인 타이어들에 대하여, 보강물들은 각각 0.28㎜ 지름의 4개의 와이어(4x0.28)로 이루어진 강철 코드들이다.
바람직한 실시예에 따라서, 제 1 멤브레인(130)은 2개의 보강층(131, 132)을 포함하고, 제 2 멤브레인(140)은 또한 2개의 보강층(141, 142)을 포함한다.
비록 본 명세서에 개시된 본 발명의 변형예가 각각의 멤브레인을 위한 코드 보강층들을 가질지라도, 아래에 기술되는 바와 같이 환형 밴드의 요구된 인장 강도, 굽힘 강도, 및 압축성 좌굴 저항(compressive buckling resistance) 성질에 대해 요구 조건들을 만족시키는 멤브레인들을 위하여 임의의 적절한 물질이 채택될 수 있다. 즉, 멤브레인 구조체는 균질의 물질(예를 들어 얇은 금속 시트), 섬유 보강 매트릭스, 또는 불연속 보강 요소들을 가지는 층과 같은 몇 개의 대안중 임의의 것일 수 있다.
제 1 바람직한 실시예에서, 제 1 멤브레인(130)의 층들(131, 132)은 타이어 적도면에 대해 약 10°내지 약 45°의 각도로 배향되는 필수적으로 평행한 코드들을 가진다. 각각의 층들의 코드들은 반대의 배향을 가진다. 유사하게, 제 2 멤브레인(140)의 층들(141, 142)은 적도면에 대해 약 10°내지 약 45°의 각도로 배향되는 필수적으로 평행한 코드들을 가진다. 그러나, 멤브레인에서 층 쌍들(layer pairs)의 코드들이 상호 동일한 반대의 각도들로 배향되는 것이 요구되지는 않는다. 예를 들어, 층 쌍들의 코드들이 타이어 적도면에 대해 비대칭인 것이 필요할 수 있다.
또 다른 실시예에 따라서, 멤브레인들중 적어도 하나의 층의 코드들은 멤브레인의 증가된 인장 계수를 위하여 적도면에 대해 0°이거나 또는 거의 0°일 수 있다.
층들(131, 132 및 141, 142) 각각의 코드들은 전형적으로 약 3 내지 20㎫의 전단 계수를 가지는 탄성중합체 코팅 층에 매설된다. 환형 밴드의 변형이 주로 전단층(120) 내에서의 전단 변형에 의한 것임을 보장하도록, 코팅 층들의 전단 계수가 전단층(120)의 전단 계수와 실질적으로 동일한 것이 바람직하다.
탄성중합체 전단층(120)의 전단 계수(G)와 멤브레인들(130, 140)의 유효 길이 방향 인장 계수(E'membrane) 사이의 관계는 적용된 부하 하에서 환형 밴드의 변형을 제어한다. 종래의 타이어 벨트 물질들을 사용하고 적도면에 대해 약 10°로 배향된 멤브레인 보강 코드들을 구비한 멤브레인의 유효 인장 계수(E'membrane)는 다음의 수학식 1에 의해 산출된다:
Figure 112008024857413-pat00001
여기에서, Erubber = 탄성중합체 코팅 물질의 인장 계수; P = 코드 방향에 대해 직각으로 측정된 코드 페이스(코드 중심선 간격); D = 코드 지름; υ= 탄성중합체 코팅 물질의 프아송 비; α= 적도면에 대한 코드 각도; 및 t = 인접한 층들에 있는 케이블들 사이의 고무 두께.
적도면에 대해 10°미만으로 보강 코드들이 배향되는 전단층 멤브레인에 대하여, 다음의 수학식 2가 멤브레인 인장 계수(E'membrane)를 산출하도록 사용될 수 있다:
Figure 112008024857413-pat00002
여기에서, Ecable은 케이블의 계수이고, V는 멤브레인에 있는 케이블의 체적 비율(volume fraction)이며, tmembrane는 멤브레인의 두께이다.
균질의 물질 또는 섬유 또는 다른 물질 보강 매트릭스를 포함하는 멤브레인들에 대하여, 계수는 물질 또는 매트릭스의 계수이다.
E'membrane가 멤브레인의 탄성 계수와 멤브레인의 유효 두께의 곱이라는 것을 유념해야 한다. E'membrane/G의 비가 비교적 낮을 때, 부하 하에서의 환형 밴드의 변형은 균질한 밴드의 변형에 근사하고, 도 3에 도시된 바와 같은 비균일성 지면 접촉 압력을 만든다. 다른 한편으로는, E'membrane/G의 비가 충분히 높을 때, 부하 하에서의 환형 밴드의 변형은 거의 멤브레인의 길이 방향 확장 또는 압축 없이 필수적으로 전단층의 전단 변형에 의한 것이다. 따라서, 지면 접촉 압력은 도 4에 도시된 예에서와 같이 실질적으로 균일하다.
본 발명에 따라서, 멤브레인의 길이 방향 인장계수(E'membrane) 대 전단층의 전단 계수(G)의 비는 적어도 약 100:1, 바람직하게 적어도 약 1000:1이다.
도 2에 도시된 타이어는 트레드 부분(105), 제 1 멤브레인(130)과 제 2 멤브레인(140)에 대해 평탄한 횡단 프로파일(profile)을 가진다. 접촉 영역 C(도 1)에 있는 환형 밴드의 부분에서의 스트레인들(strains)은 제 2 멤브레인(140)을 압축할 것이다. 타이어의 수직 편차가 증가함으로써, 접촉 길이는 제 2 멤브레인(140)에서의 압축 응력이 문턱값 좌굴 응력을 초과하고 멤브레인의 길이 방향 좌굴이 발생하도록 증가할 수 있다. 이러한 좌굴 현상은 접촉 영역의 길이 방향으로 연장하는 구역이 감소된 접촉 압력을 가지도록 한다. 지면 접촉 영역의 길이에 걸친 보다 균일한 지면 접촉 압력은 멤브레인의 좌굴이 회피될 때 얻어진다.
타이어에서 전형적으로 사용되고 멤브레인들을 보강하는데 사용하기 위하여 이용 가능한 보강물들이, 멤브레인의 압축 계수가 멤브레인의 인장 계수보다 작은 결과를 만들도록 결정되었다. 제 1 멤브레인(130)과 제 2 멤브레인(140)이 동일 또는 유사한 배열들의 코드 보강물들로 만들어질 때, 길이 방향으로 측정된 멤브레인의 압축 계수는 길이 방향으로 측정된 멤브레인의 인장 계수보다 1/6 내지 1/3이 작은 값을 가질 수 있다. 그러므로, 제 2 멤브레인의 좌굴이 발생하는 경향을 감소시키기 위해, 제 2 멤브레인(140)의 길이 방향 압축 계수가 제 1 멤브레인(130)의 길이 방향 인장 계수와 적어도 동일하도록 결정되었다. 압축 계수를 달성하는데 필요한 보강물의 정확한 양은 상기된 절차에 따라서 만들어지고 측정된 샘플을 사용하여 결정될 수 있다.
멤브레인들의 길이 방향 인장 계수(E'membrane)와 전단층의 전단 계수(G)에 대해 상기된 조건들이 일치하고 환형 밴드가 전단층에서의 전단에 의해 실질적으로 변형할 때, 주어진 적용을 위한 전단 계수(G)와 전단층 두께(h)의 값들을 특정하는 것을 허용하는 유익한 관계가 생성된다:
Figure 112009068263075-pat00012
(3)
여기에서, Peff = 지면 접촉 압력; G = 층(120)의 전단 계수; h = 층(120)의 두께; 및 R = 회전축에 대한 제 2 멤브레인의 반경 방향 위치.
Peff 및 R은 타이어의 의도된 용도에 따라서 선택된 설계 파라미터들이다. 수학식 3은 전단층의 탄성의 전단 계수와 전단층의 반경 방향 두께의 곱의 결과가 대략 지면 접촉 압력과 제 2 멤브레인의 최외측 영역의 반경 방향 위치의 곱의 결과와 대략 동일하다는 것을 제시한다.
도 7을 참조하여, 웨브 스포크들(150)는 반경 방향의 길이(N), 환형 밴드(110)의 축방향 폭에 대체로 일치하는 축방향의 폭(W), 및 다른 치수에 대해 직각인 두께를 가지는 실질적으로 시트형 요소들이다. 상기 두께는 길이(N) 또는 폭(W)보다 훨씬 작고, 바람직하게 타이어의 반경(R)의 약 1% 내지 5%이며, 이는 웨브 스포크가 도 1에 도시된 바와 같이 압축을 받을 때 좌굴하는 것을 허용한다. 보다 얇은 웨브 스포크들은 실질적으로 압축 저항이 없어도, 즉 부하 지지에 대해 무시할 수 있는 압축력 이상으로 공급되지 않아도 접촉 영역에서 굽혀지게 된다. 웨브 스포크들의 두께가 증가함으로써, 웨브 스포크들은 지면 접촉 영역에서 어느 정도의 압축성 부하 지지력을 제공할 수 있다. 그러나, 대체로 웨브 스포크들의 두드러진 부하 전달 작용은 인장력이다. 특정 웨브 스포크 두께는 차량의 특정 필요 조건들에 일치하도록 선택될 수 있다.
바람직한 실시예에 따라서, 웨브 스포크들(150)는 약 10 내지 100㎫의 높은 인장 계수를 가지는 물질로 형성된다. 웨브 스포크들은 필요하다면 보강될 수 있다. 웨브 스포크 물질은 또한, 30%까지 스트레인된 후에 본래의 길이로 복귀하고 웨브 스포크가 4%까지 스트레인될 때 일정한 응력을 나타내는 탄성 거동을 나타내야 한다. 아울러, 관련 작동 조건에서 0.1 이하의 tan Δ를 구비한 물질을 가지는 것이 필요하다. 예를 들어, 현재 시판중인 고무 또는 폴리우레탄 물질은 이러한 요구 조건을 만족하는 것으로 증명하였다. 본 발명자들은 미국, 코네티컷, 미들버리의 Crompton Corporation의 Uniroyal Chemical division으로부터 Vibrathane B836 브랜드 우레탄이 웨브 스포크들에 적절하였다는 것을 알았다.
도 2를 참조하여, 하나의 실시예에서, 웨브 스포크(150)들은 타이어를 장착하도록 휠 또는 허브(10)를 에워싸는 반경 방향 내측 장착 밴드(160)에 의해 서로 연결된다. 인터페이스 밴드(170)는 반경 방향 외측 단부들에서 웨브 스포크(150)들을 서로 연결한다. 인터페이스 밴드(170)는 환형 밴드(110)와 웨브 스포크(150)들을 연결한다. 편의상, 웨브 스포크들, 장착 밴드(160), 및 인터페이스 밴드(170)는 하나의 유닛으로서 단일 물질로 성형될 수 있다.
대안으로서, 환형 밴드(110)와 허브 또는 휠(10)을 위한 구성 물질들과 공정에 의존하여, 별도의 장착 밴드(160) 또는 인터페이스 밴드(170)는 제거될 수 있으며, 웨브 스포크들은 환형 밴드 또는 휠에 직접 접착하도록 성형 또는 형성될 수 있다. 예를 들어, 환형 밴드 또는 휠 또는 허브의 어느 것이 동일한 물질 또는 호환 가능한 물질로 형성되면, 타이어는 환형 밴드 또는 휠과 일체로 웨브 스포크들을 형성 또는 성형하는 하나의 단계로 제조될 수 있으며, 이 경우에, 장착 밴드(160) 및/또는 인터페이스 밴드(170)는 휠 또는 환형 밴드의 부분으로서 일체로 형성된다. 또한, 웨브 스포크들(150)은 예를 들어 도 8에 도시된 바와 같이 휠(10)에 있는 슬롯(152)과 결합하는 각각의 웨브 스포크의 내부 단부 상에 확장 부분(151)을 제공하는 것에 의하여 휠에 기계적으로 부착될 수 있다.
유익하게, 임의의 제안된 적용을 위한 개시 설계 파라미터들은 접촉 압력, 수직 부하, 및 접촉 면적을 선택하는 것에 의해 선택될 수 있다.
예를 들어, 승용차 용도를 위해 의도된 타이어를 설계하도록, 설계자는 1.5 내지 2.5 DaN/㎠의 설계 접촉 압력(Peff)과, 반경(R)이 약 335㎜인 타이어 크기를 선택할 수 있다. 이러한 값들을 곱하여, 50.25 내지 83.75DaN/㎠의 "전단층 인자(factor)"가 결정될 수 있으며, 이는 전단층 물질 두께와 전단 계수를 특정하도록 사용될 수 있다. 이 경우에, 약 3㎫ 내지 약 10㎫의 범위에 있는 전단 계수와 함께, 전단층의 두께(h)는 적어도 5㎜이며, 바람직하게는 약 10㎜ 내지 약 20㎜ 사이이다.
또 다른 예에서, 공익 설비 또는 건설 분야와 같은 고부하 용도를 위해 의도된 보다 큰 타이어를 설계하도록, 설계자는 3.0 내지 5.0 DaN/㎠의 설계 접촉 압력(Peff)과, 반경(R)이 약 420㎜인 타이어 크기를 선택할 수 있다. 이러한 설계 예에서, 약 5㎫의 특정된 전단 계수와 함께, 전단층의 두께(h)는 약 30㎜이다. 전단층이 두껍게 될 때, 이 예에서와 같이, 타이어의 제조 및 그 성능은 제 1 멤브레인(130)의 반경 방향 외측에 위치하고 제 2 멤브레인(140)의 반경 방향 내측에 위치된 중간층의 추가에 의해 그리고 전단층(120)의 두께 내에서 모두 개선된다. 도 5는 타이어가 제 1 멤브레인(130)과 제 2 멤브레인(140) 사이의 반경 방향 중간 위치에 배치된 중간층(180)을 가지는 이러한 구조의 예를 도시한다. 이 예에서, 중간 보강층(180)은 타이어 원주 방향에 평행하게 배향된 강철 코드 보강물들을 포함한다. 강철 코드들은 타이어 보강물들을 위해 적절한 임의의 물질로부터 선택되며, 이 예에서, 0.35㎜ 지름의 9개의 와이어(9 x 0.35)의 케이블 구조를 가진다.
중간 보강층(180)은 전단층의 전단 거동에 최소의 영향을 미치도록 해야 한다. 즉, 보강층(180)은 제 3 멤브레인으로서 기능하도록 구성되어 있지 않다. 이러한 결과는 코드들이 전단층의 체적에 대하여 약 0.005 내지 약 0.010 사이의 부피율을 가질 때 달성되게 된다. 즉, 타이어의 단면에서, 부피율은 전단층(120)의 면적으로 나누어진 보강층(180)에서의 케이블들의 면적에 의해 산출된다. 이러한 방식으로, 전단층의 전단 특성은 균질한 전단층의 특성으로부터 비교적 변하지 않는다. 이러한 특정 예에 대하여, 약 3㎜ 내지 약 6㎜에서 축방향으로 이격된 9 x 0.35 강철 코드들의 배열은 수용 가능한 부피율을 제공한다.
본 출원인은 많은 다른 변형예들이 상기된 설명을 읽는 것으로부터 당업자에게 명백하다는 것을 이해한다. 이러한 변형예 및 다른 변형예들은 다음의 첨부된 특허청구범위에 의해 한정되는 바와 같이 본 발명의 사상 및 범위 내에 있다.
도 1은 부하 하에 있는 본 발명의 타이어의 적도면에서의 개략도.
도 2는 자오면에서 취한 본 발명에 따른 타이어의 개략도.
도 3은 전단 변형을 보이지 않는 기준 균질 밴드(reference homogeneous band)에 대한 지면 작용력을 도시하는 개략도.
도 4는 본 발명에 따른 환형 밴드에 대한 지면 작용력을 도시하는 개략도.
도 5는 자오면에서 취한 본 발명의 타이어의 대안적인 실시예의 개략도.
도 6은 부하 지지 메커니즘을 기술하는 특정 기준 치수를 도시하는 본 발명의 장착된 타이어의 자오면에서의 개략도.
도 7은 본 발명에 따른 타이어의 예시적인 실시예의 일부의 사시도.
도 8은 휠에 있는 결합 슬롯 내로 끼워 맞추어지기 위한 확장된 단부 부분을 가지는 웨브 스포크의 일부의 사시도.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
10 : 휠 100 : 타이어
105 : 지면 접촉 트레드 부분 110 : 보강 환형 밴드
120 : 전단층 130 : 제 1 멤브레인
140 : 제 2 멤브레인 150 : 웨브 스포크
160 : 장착 밴드 170 : 인터페이스 밴드

Claims (9)

  1. 구조적 지지형 타이어로서,
    탄성중합체 전단층, 상기 탄성중합체 전단층의 반경 방향 내측 영역에 접착되는 적어도 하나의 제 1 멤브레인, 상기 탄성중합체 전단층의 반경 방향 외측 영역에 접착되는 적어도 하나의 제 2 멤브레인, 및 보강 환형 밴드의 반경 방향 외측 영역에 배치되는 트레드 부분을 포함하는 보강 환형 밴드;
    상기 보강 환형 밴드를 가로질러 횡으로 연장하고 상기 보강 환형 밴드로부터 반경 방향 내측으로 연장하는 다수의 웨브 스포크; 및
    상기 다수의 웨브 스포크를 휠과 연결하기 위한 수단을 포함하며;
    각각의 상기 멤브레인은 상기 전단층의 전단 계수보다 큰 길이 방향 인장 계수를 가지며, 상기 멤브레인들중 하나의 길이 방향 인장 계수 대 상기 전단층의 전단 계수의 비는 적어도 100:1이며, 상기 제 2 멤브레인의 길이 방향 압축 계수는 상기 제 1 멤브레인의 길이 방향 인장 계수와 동일하거나 그보다 큰, 구조적 지지형 타이어.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전단층 내에 위치되고 상기 제 1 멤브레인의 반경 방향 외측에 있으며 상기 제 2 멤브레인의 반경 방향 내측에 위치되는 중간층을 추가로 포함하는, 구조적 지지형 타이어.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 중간층은, 상기 전단층의 면적으로 나눈 코드 보강물들의 면적으로서 정의된, 0.005 내지 0.010 사이의 부피율(volume fraction)을 갖는 코드 보강물들을 포함하는, 구조적 지지형 타이어.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 중간층은 타이어 원주 방향과 평행하게 배향된 코드 보강물들을 포함하는, 구조적 지지형 타이어.
  5. 제 1 항에 있어서, 적어도 상기 제 1 및 제 2 멤브레인의 각각은 균질한 물질, 섬유 보강 매트릭스, 불연속 보강 요소들을 가지는 층, 및 상기 전단층의 탄성의 전단 계수와 동일하거나 그보다 큰 탄성의 전단 계수를 가지는 탄성중합체에 매설된 본질적으로 비확장성 코드 보강물들중 하나로 형성되는, 구조적 지지형 타이어.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 멤브레인의 상기 코드 보강물들은 타이어 원주 방향에 평행하게 배향되는, 구조적 지지형 타이어.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 코드 보강물들은 타이어 원주 방향과 10°내지 45° 사이의 각도를 형성하는, 구조적 지지형 타이어.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 멤브레인들중 하나의 길이 방향 인장 계수 대 상기 전단층의 전단계수의 비는 적어도 1000:1인, 구조적 지지형 타이어.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 탄성중합체 전단층은 3㎫ 내지 20㎫의 탄성의 전단 계수를 가지는, 구조적 지지형 타이어.
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