KR101493303B1

KR101493303B1 - 다층 전단밴드 보강 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101493303B1
Application number: KR1020127008931A
Authority: KR
Inventors: 스티브 크론; 티모씨 비. 리니
Original assignee: 미쉐린 러쉐르슈 에 떼크니크 에스.에이.; 꽁빠니 제네날 드 에따블리세망 미쉘린
Priority date: 2009-10-15
Filing date: 2009-10-15
Publication date: 2015-02-13
Also published as: ZA201202051B; JP5628329B2; CN102574347A; BR112012008836A2; CA2774927A1; US8960248B2; BR112012008836A8; EP2488355A4; US20120216932A1; WO2011046553A1; RU2497677C1; CA2774927C; BR112012008836B1; EP2488355B1; EP2910388B1; KR20120049400A; US9493045B2; MX2012004176A; EP2910388A1; KR20140133886A

Abstract

비-공압 타이어에 적용될 수 있는 다중 층 전단밴드 보강방법이 제공된다. 더욱 상세하게는, 전단밴드 두께를 증가시키지 않고 (예를 들면, 굽힘강성 증가와 같은) 전단밴드 성능 특성을 개선하는 방법 또는 성능 특성을 유지하면서도 전단밴드 두께를 감소시키는 방법 및 이러한 방법으로 제작되는 전단밴드가 제공된다.

Description

다층 전단밴드 보강 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR MULTILAYER SHEAR BAND REINFORCEMENT}

본 발명은 비-공압 타이어에 사용되는 다중 층 전단밴드 보강 및 이러한 전단밴드 설계방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 전단밴드 두께를 증가시키지 않고 (예를 들면, 굽힘 강성 증가와 같은) 전단밴드 성능 특성을 개선하거나 전단밴드 성능 특성을 유지하면서 전단밴드 두께를 감소시키는 방법 및 이러한 방법으로 제작되는 전단밴드들에 관한 것이다.

비-공압 타이어 제작에 대한 상세 및 이점들은 예를 들면, 미국 특허번호들 6,769,465; 6,994,134; 7,013,939; 및 7,201,194에 기술된다. 소정의 비-공압 타이어 제작에서 전단밴드 결합이 제안되며, 이러한 예시들은 예를 들면, 본원에 참고문헌으로 통합되는 미국 특허 7,201,194에 기재된다. 이러한 비-공압 타이어들은 타이어에 인가되는 하중을 지지하기 위한 팽창 가스압력에 의존되지 않고도 타이어 성능에 장점들을 제공한다.

도 1에 환형 전단밴드 (110)를 가지는 예시적 타이어 (100)가 도시된다. 또한 타이어 (100)는 전단밴드 (110)로부터 횡단 내향 연장되는 웨브 스포크들 (150)로 도시되는 다수의 인장 전달 요소들을 포함한다. 장착밴드 (160)는 웨브 스포크들의 반경방향 내측단에 배치된다. 장착밴드 (160)는 타이어 (100)를 허브 (10)로 고정시킨다. 트레드 부분 (105)은 전단밴드 (110) 외주에 형성되고 예를 들면, 홈들 또는 리브들을 포함할 수 있다.

자오면에서의 타이어 (100) 단면(트레드 부분 (105) 미도시)을 보이는 도 2를 참조하면, 보강 전단밴드 (110)는 전단층 (120), 전단층 (120)의 반경방향 최내측 영역에 부착되는 최내측 보강층 (130), 및 전단층 (120)의 반경방향 최외측 영역에 부착되는 최외측 보강층 (140)으로 구성된다. 보강층들 (130, 140)은 전단층 (120)의 전단강성보다 큰 인장강성을 가져 전단밴드 (110)는 수직 하중에서 전단 변형된다.

더욱 상세하게는, 미국특허번호 7,201,194에 개시된 바와 같이, 미국특허번호 7,201,194에 표시된 보강층 탄성계수 대 전단층 전단계수 비율 (E_membrane/G)이 비교적 낮은 경우, 하중을 받는 전단밴드 (110)의 변형은 균일밴드 변형에 근사하고 비-균등 접지압을 형성한다. 달리, 본 비율이 충분히 높다면, 하중을 받는 전단밴드 (110)의 변형은 실질적으로 전단층의 전단 변형에 의한 것이고 보강층들 (130, 140)의 길이방향 신장 또는 수축은 거의 없다. 도 1에 표시된 바와 같이, 타이어 회전축 X에 가해지는 하중 L은 웨브 스포크들 (150)에서 장력에 의해 환형 밴드 (110)로 전달된다. 환형 전단밴드 (110)는 아치(arch)와 유사한 방식으로 작용하고 하중-지지 부재로 작용하기에 충분히 높은 타이어 적도면 에서의 원주방향 압축강성 및 길이방향 굽힘 강성을 제공한다. 하중을 받는 전단밴드 (110)는, 전단밴드 (110)의 전단 변형을 포함한 메커니즘을 통하여 지면과의 접지면적 C에서 변형된다. 전단 변형 성능은 공압 타이어와 유사하게 작용하는 부응된 접지면적 C를 제공하여 비슷한 유리한 결과를 제공한다.

전단층 (120)은 예를 들면, 전단계수가 약 3 MPa 내지 약 20 Mpa인 재료의 층으로 제조될 수 있다. 전단층 (120)으로 사용될 수 있는 적합한 재료는 천연 및 합성고무, 폴리우레탄, 발포 고무 및 폴리우레탄, 세그먼트화 코폴리에스테르, 및 나일론의 블록 공중합체를 포함한다. 제1 보강층 (130) 및 제2 보강층 (140)은 탄성 피복재에 내장된 실질적인 비신장성 코드 보강재로 구성된다. 탄성재료로 제조되는 타이어의 경우, 보강층들 (130, 140)은 경화된 탄성재료에 의해 전단층 (120)에 부착된다.

상기된 바와 같이, 밴드 (110)과 같은 전단밴드는 타이어 (100) 운전 과정에서 길이방향 굽힘 강성을 제공한다. 소정의 용도에 있어서, 반경방향 R의 전단밴드 (110)의 총 두께를 유지하면서 동시에 굽힘강성을 증가시키는 것이 바람직하다. 예를 들면, 설계자는 비-공압 타이어 (100)의 전체 직경 및 전단 빔 두께를 유지하면서도 타이어 (100) 성능 특성을 변경하기 위하여 전단밴드 (110)의 굽힘강성을 증가시키기를 원한다. 반대로, 소정의 다른 용도에 있어서, 전단밴드 (110)의 두께를 줄이면서도 타이어 (100)의 굽힘강성을 유지하여 중량을 줄이는 것이 바람직하다.

따라서, 이러한 전단밴드 설계방법 및 이러한 방법으로 제작되는 전단밴드는 매우 유용할 것이다. 더욱 상세하게는, 비-공압 타이어 설계자가 비-공압 타이어 총 치수를 유지하면서도 예를 들면, 굽힘강성과 같은 기준 전단밴드의 소정 기계적 특성을 개선할 수 있는 방법은 매우 유용할 것이다. 또한 설계자가 소정의 기계적 특성을 유지하거나 개선하면서도 전단밴드의 반경방향 두께를 줄일 수 있는 방법은 유용할 것이다. 본 발명의 이러한 및 기타 유익한 양태들은 하기 상세한 설명으로부터 분명하다.

본 발명의 목적 및 장점은 하기 상세한 설명에서 일부 개시되거나 상세한 설명으로부터 명백하거나 본 발명의 구현을 통하여 학습될 것이다.

본 발명의 일 예시적 양태에서, 두께 H_REF 및 보강층들 총 개수 N_REF를 가지는 전단밴드 변형방법이 제공된다. 본 방법은, 전단밴드 두께 H_REF 및 전단밴드 보강층들 총 개수 N_REF 를 이용한 수직 강성 (G_eff*A)_REF 결정단계; 전단밴드 두께 목표값 H_TARGET 선택단계; 전단밴드 보강층들 총 개수 1 증가단계; 전단밴드 두께 H_TARGET 및 증가단계에서 제공된 전단밴드 보강층들 총 개수를 이용한 (G_eff*A)_CALC 계산단계; 계산단계에서의 (G_eff*A)_CALC 및 결정단계에서의 (G_eff*A)_REF 비교단계 및, (G_eff*A)_CALC 이 (G_eff*A)_REF보다 작으면, (G_eff*A)_CALC 이 (G_eff*A)_REF 보다 크거나 거의 같아지고 보강층들 총 개수가 N_TOTAL가 될 때까지 증가단계 반복단계; 및 전단밴드 두께 H_TARGET 및 비교단계에서 제공된 전단밴드 보강층들 총 개수 N_TOTAL 를 이용한 수직 강성 연산단계를 포함하여 구성된다. 계산단계에서의 수직강성이 결정단계에서의 수직강성보다 작으면, 최외측 보강층 및 최내측 보강층 사이 최소한 하나의 보강층을 최외측 보강층 또는 최내측 보강층 어느 쪽이라도 더 가까운 전단밴드 내 새로운 위치로 이동단계, 및 계산단계에서의 수직강성이 결정단계에서의 수직강성보다 더 크거나 거의 같을 때까지 계산 및 언급된 단계들의 반복단계를 더욱 포함한다.

본 발명의 다른 예시적 실시예에서, 반경방향 최내측 보강층 및 반경방향 최외측 보강층을 가지는 전단밴드 변형방법이 제공된다. 본 방법은, 반경방향 최외측 보강층 및 반경방향 최내측 보강층 사이에, 그러나 이들로부터 이격되도록 최소한 하나의 추가 보강층을 추가하여 전단밴드가 결합된 비-공압 타이어의 수직강성을 증가 또는 유지단계; 및 전단밴드의 μ_p/p 값을 감소시키는 단계를 포함하여 구성된다.

본 발명의 이러한 예시적 방법의 변형들도 하기 상세한 설명에 더욱 설명된다. 또한 본 발명은 본 예시적 방법에 따라 제조되는 전단밴드 및 이러한 전단밴드가 결합되는 비-공압 타이어를 포함한다.

예를 들면, 일 예시적 실시예에서, 본 발명은 전단층, 상기 전단층 일면을 따라 배치되는 내측 보강층, 및 상기 전단층 타면을 따라 배치되는 외측 보강층을 가지고 따라서 상기 전단층이 상기 내측 및 외측 보강층들 사이에 위치하는 전단밴드를 포함한다. 최소한 2 이상의 추가 보강층들이 상기 외측 및 내측 보강층들 사이에 및 서로 이격되도록 및 상기 외측 및 내측 보강층들로부터 이격되도록 위치하여 전단밴드의 보강층들 총 개수 N은 N ≥ 4이다.

본 발명의 이들 및 기타 특징부들, 양태들 및 장점들은 하기 상세한 설명 및 청구범위를 참고하여 더욱 양호하게 이해될 것이다. 첨부 도면들은 본 명세서의 일부로 통합되고 일부를 구성하며, 본 발명의 실시예를 도시하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명한다.

본 분야의 숙련가를 기준으로 본 발명의 완전하고도 실현 가능한 개시는 최적 실시 형태를 포함하여 명세서에 하기 도면을 참조하여 개시된다:

도 1은 하중을 받는 비-공압 타이어의 적도면 개략도이다.
도 2는 도 1의 비-공압 타이어에 사용된 부가 전단밴드의 자오면 개략도이다. 비-공압 타이어의 트레드 부분은 도 2에서 도시되지 않는다.
도 3은 본 발명의 예시적 전단밴드의 자오면 개략도이다. 전단밴드는 5개의 보강층들 즉, 최내측 및 최외측 보강층들 사이에 3개의 보강층들이 부가된다.

본 발명은 비-공압 타이어에 사용되는 다중 층 전단밴드 보강 및 이러한 전단밴드 설계방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 전단밴드 두께를 증가시키지 않고 (예를 들면, 굽힘 강성 증가와 같은) 전단밴드 성능 특성을 개선하거나 전단밴드 성능 특성을 유지하면서 전단밴드 두께를 감소시키는 방법 및 이러한 방법으로 제작되는 전단밴드들에 관한 것이다. 본 발명을 기술할 목적으로, 본 발명의 실시예 및 방법들이 상세하게 언급될 것이고, 하나 이상의 예시들이 도면에 도시된다. 각 예시들은 본 발명을 설명하기 위하여 제공되는 것이며 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 실제로, 본 발명의 범위 또는 사상을 벗어나지 않고 다양한 변경 및 변형이 본 발명에서 이루어질 수 있다는 것은 본 분야의 숙련가에게 명백하다. 예를 들면 일 실시예의 일부로 도시되고 설명되는 특징부들은 또 다른 추가적인 실시예를 구현하기 위하여 다른 실시예와 함께 적용될 수 있다. 따라서 본 발명은 첨부된 청구범위의 범위 및 균등에 속하는 이러한 변형 및 변경을 포함하는 것이다.

다음 용어들은 본 설명을 위하여 다음과 같이 정의된다:

"적도면"은 타이어 회전축을 수직하여 통과하고 타이어 구조체를 양분하는 면을 의미한다.

"자오면"은 타이어 회전축을 통과하고 이를 포함하는 면을 의미한다.

"수직강성"은 타이어에 대한 변위와 하중 사이의 수학 관계식이다. 미국특허번호 7,201,194에 기재된 바와 같이, 전단밴드를 가지는 비-공압 타이어가 하중 L을 받으면, 타이어는 소정량 f로 변위되고 접지 부분은 지면과 일치되어 접지면적 C를 형성한다. 전단밴드는 탄성 타이어를 제공하므로, 수직 변위 f는 하중 L에 비례하고, 이로부터 탄성 타이어의 수직강성이 유도될 수 있다. 타이어 변위 및 하중 간 수학 관계식을 규정하고 정의하는 다양한 방법이 존재한다. 2가지 이러한 예시로는, 시컨트(secant) 수직강성 및 탄젠트(tangent) 수직강성이 아래와 같이 정의된다.

"시컨트 수직강성"은 L/f 또는 비-공압 타이어가 받는 하중 L을 상기 수직강성에 대하여 논의된 바와 같이 타이어의 변위 f로 나눈 몫 (quotient)으로 수직강성을 정의하는 예시적 수학 관계식이다. 타이어가 주어지면, 여러 하중들 L에 대한 변위를 측정하여 선도 (plot)가 만들어질 수 있다.

"탄젠트 수직강성"은 전단밴드를 가지는 주어진 비-공압 타이어에 대하여 변위 f 함수로 하중 L을 선도하여 만든 곡선에 대한, 목표 하중 또는 변위에서, 선 탄젠트의 기울기로 수직강성을 정의하는 또 다른 수학 관계식이다.

"접지압"은 지면 또는 기타 지지 표면에 대하여 비-공압 타이어에 의해 생성되는 접지면적 C에 대한 평균 접지압을 의미하고 하중 L을 접지면적 C으로 나눈 몫으로 계산된다.

"μ_p/p"은 비-공압 타이어에 결합된 하중을 받는 전단밴드의 피크-대-피크 (peak-to-peak) 반경방향 변형 측정값이다. 본원에 참고문헌으로 통합되는 미국특허번호 7,013,939에 기재된 바와 같이, μ_p/p은 압축력이 밴드 수축 성능을 초과할 때 밴드가 보이는 좌굴 (buckling) 또는 반경방향 변형 측정값이다 (이러한 전단밴드를 가지는 타이어의 불균형 롤링(rolling)으로 이어질 수 있다). 본원에서 사용되는, 피크 대 피크 반경방향 변형, μ_p/p은 도 1 및 2에 도시된 바와 같이 허브에 스포크들로 연결되는 다중 보강층들을 포함하는 전단밴드에 대하여 다음과 같이 계산될 수 있다:

(1)

여기에서 μ_p/p는 피크 대 피크 반경방향 변형 (mm);

v는 전단밴드의 프아송 비;

E_membrane 는 보강층의 탄성계수 (N/mm²);

I_m 는 보강층들의 면적관성모멘트 (mm⁴);

T는 스포크 인장 (N);

r₀ 은 전단밴드의 공칭 반경 (mm); 및

n은 스포크들의 개수

E_membrane 는 N/mm² 단위로 표현되는 보강층의 균일화 원주방향 탄성계수이다. 보강층 E_membrane 는 "중합체 기질 복합체 재료의 인장 특성 표준 시험방법(Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials)" 인 ASTM Test Method D 3039에 따라 실험적으로 결정될 수 있다. 0도 (즉 적도면에 수직)에서 코드 또는 케이블 보강재를 가지는 특정 예의 보강층에 대하여 E_membrane 는 다음 식으로 계산될 수 있다:

(2)

여기에서,

t 는 보강층 두께 (mm)

E_matrix 는 보강층의 비-케이블을 이루는 기질 또는 재료의 계수 (N/mm²)

V_fm 는 기질 부피비 (matrix volume fraction)

E_cable 은 케이블 인장계수 (N/mm²)

V_fc 는 케이블 부피비

본 발명을 설명할 목적으로, 전단밴드 (110) 두께 H_REF 18 mm, 트레드 층 (105) 두께 3.5 mm, 총 타이어 두께 21.5 mm, 및 보강층들 총 개수 N_REF 2개인 도 1 및 2의 비-공압 타이어 (100)를 기준으로 고려한다. 또한 본 기준 타이어 (100)는 외경 D_o 630 mm 및 공칭 두께 3.8mm인 50개 스포크들을 가진다. 또한, 보강층들 (130, 140) 각각은 공칭 E_membrane 2000 daN/mm² 및 두께 1 mm를 가진다. 하기되는 정량적 값들을 명확하게 할 목적으로, 뉴턴 단위는 데카뉴턴 단위로 전환하고, 1daN은 10 N이다.

기준인 비-공압 타이어 (100) 성능은 4가지 성능 특성: 탄젠트 수직강성, 시컨트 수직강성, 접지압, 및 μ_p/p를 고려하여 평가될 수 있다. 비-공압 타이어 (100) 모델에 대한 유한요소법을 적용하여, 이들 성능 특성 값이 수직 하중 400 daN에서 결정되었고 표 1에 제시된다.

[표1]

본 발명을 설명할 목적으로, 이들 기준값은 전단밴드 (110)의 의도된 용도에서 허용되는 성능을 제공한다고 가정한다. 그러나, 의도된 용도에서, 타이어 (100)에 대하여 상기 특정된 트레드 부분 (105) 3.5 mm 두께 대신 트레드 두께 6.5 mm가 필요하다고 가정한다 － 즉, 예를 들면, 허브 (10), 스포크들 (150), 타이어 크기, 및 제조 재료들과 같은 타이어 (100)의 모든 기타 특징부들을 변경함이 없이 채용하면, 트레드 부분 (105) 두께가 3 mm 늘어날 필요가 있다고 가정한다. 따라서, 타이어 (100) 외경 D_o 630 mm을 유지하기 위하여, 트레드 부분 (105) 두께를 원하는 정도로 늘리기 위하여는 전단밴드 (110)가 목표 전단밴드 두께 H _Target 15 mm로 3 mm 줄어들어야 한다. 재차, 타이어 (100) 모델에 대한 유한요소법을 적용하여, 두께 3 mm가 감소된 전단밴드 (110)의 타이어 (100) 성능 특성이 결정되었고 표 2에 제시된다.

[표2]

그러나, 표 2 결과에 나타낸 바와 같이, 전단밴드 (110) 두께를 줄이면 비-공압 타이어 (100) 성능이 악화되고 표 1에 제시된 기준 타이어 (100)에 대한 4가지 허용되는 (즉, 목표) 성능 특성 (즉, 전단밴드 (110) 두께가 감소되기 전의 타이어 (100) 성능 특성)을 충족하지 못한다. 더욱 상세하게는, 전단밴드 (110) 두께를 감소하면 밴드의 강성이 감소되고 운전 중 피크 대 피크 반경방향 변형 μ_p/p 가능성을 높이는 부작용이 발생된다. 따라서, 표 1에 제시된 바람직한 설계 목표에 도달하기 위하여, 두께가 줄어들어야 한다면 전단밴드 (110)에 소정의 변경이 가해져야 한다. 유사하게, 설계자가 전단밴드 (110) 기준 두께, H_REF를 유지하면서, 수직강성을 증가시키려면 또한 변경이 필요하다.

따라서, 일 예시적 양태에서, 본 발명은 전단밴드에 보강을 부여하는 방법을 제공한다. 그러나, 본 발명은 현존 보강층들 (130, 140)을 증가시키거나 여기에 연속하여 보강을 부가하는 보강 부여방법을 제안하는 것이 아니다. 대신, 본원에 개시된 방법을 적용하여, 본 발명자들은 현존 보강층들 (130, 140) 사이, 그러나 이들과는 이격되도록 보강층들을 전단층 (120) 내부 반경방향 위치들에 부가함으로써, 바람직한 수직강성 특성들이 달성되고 μ_p/p에 의해 측정되는 전단밴드 반경방향 변형에서 예기치 못한 개선 (즉, 감소)이 달성될 수 있다는 놀라운 발견을 하였다.

또한, 추가된 보강층들이 균등하게 현존 보강층들 (130, 140) 사이에 이격되거나, 필요하다면, 이러한 추가 층들은 균등하지 않은 방식으로 이격될 수 있는 융통성이 제공된다. 또한 본 발명은 예를 들면, 굽힘강성과 같은 소정의 성능 특성을 유지하거나 개선하면서도 H_REF (기준 전단밴드 (110) 두께)를 줄이기 위하여 적용될 수 있는 융통성을 제공한다. 달리, 본 발명은 H_REF를 변경시킴이 없이 성능 특성 개선 (예를 들면, 수직강성 증가)에 적용될 수 있다. 따라서, 표 1의 기준값을 목표값으로 적용하여, 기준 전단밴드 (110) 두께를 3 mm 감소시키기 위한 본 발명 방법의 예시적 적용이 하기된다.

본 발명자들은 기준 전단밴드 (110)에 대하여 표 1에 제시된 4가지 성능 특성들은 전단밴드 (110)의 3가지 구조 단면특성들로 믿어지는 하기 식 (3), (4), 및 (5)으로 제시된 3가지 곱 (product)들로 제어될 수 있다고 판단하였다. 이들 식을 언급하는 것 외에도, 하기 식 (3) 내지 (8)은 보강층들이 상호 균일하다는 가정에 기초한 것이라는 것을 이해하여야 한다. 그러나, 본원에 개시된 교시를 이용하는 본 분야의 숙련가들은, 본원에 개시된 본 방법은 균일하지 않은 보강층들을 가지는 전단밴드에도 적용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들면, 상이한 두께의 보강층들이 본 발명을 적용하여 이용될 수 있다. 따라서, 균일 보강층에 대하여, 3 가지 유형의 곱들 - 즉, 3가지 구조 단면특성들 - 은 다음과 같이 표현될 수 있다:

(3)

(4)

(5)

G_eff 는 보강층들 (130, 140)을 포함한 전단밴드 (110)의 유효 전단계수;

A는 (트레드 층을 포함하지 않는) 전단밴드 (110)의 총 단면적 (cross sectional area);

E_membrane 는 보강층들 (130, 140)의 원주방향 계수;

I_m 는 보강층들의 면적관성모멘트 기여분; 및

A_m 는 보강층들의 총 단면적.

G_eff, 전단밴드 (110)의 유효 전단계수는 다음과 같이 계산된다:

(6)

여기에서

G_m 는 보강층들의 전단계수;

G_sl 는 전단층으로 사용되는 탄성체 전단계수;

H 는 보강층들을 포함하는 전단밴드 총 두께;

N 는 보강층들 총 개수; 및

t 는 보강층들의 두께;

면적관성모멘트, I_m는 전단밴드 (110)에 사용되는 짝수 또는 홀수 개의 보강층들에 따라 다음 두 식들 중 하나에 의해 계산된다. 짝수 개의 보강층들의 경우, 면적관성모멘트 I_m 는 I_Neven로 표현되며, I_Neven 계산을 위하여 다음 식이 제공된다:

(7)

여기에서

w 는 보강층 너비;

t 는 반경방향 R의 보강층 두께;

h_N는 하나의 보강층 중심에서 다음 보강층 중심까지의 반경방향 R의 거리;

I₀ 는 자체 축 중심선 주위로의 개별 보강층 면적관성모멘트;

h _Beven 는

로 계산되고

;

, 및;

k 는 간격 바이어스 인자, 여기에서 보강층들 사이가 비교적 동일 간격인 경우 1이고, 0은 외측 보강층들의 최소 간격의 경우이다.

도 3에 도시된 바와 같이 홀수 개의 보강층들의 경우, 면적관성모멘트 I_m 는 I_Nodd로 표현되며, I_Nodd 계산을 위하여 다음 식이 제공된다:

(8)

여기에서

상기와 같이 계산된, 3 유형의 구조 단면특성 G_eff*A, E_membrane*I_m,, 및 E_membrane*A_m은 표 1에 제시된 기준 타이어 (100) 목표 성능 특성을 충족시키면서 (또는 개선시키면서) 필요에 따라 전단밴드 (110) 재건에 적용될 수 있다. 상기 예를 따라, 표 1의 성능 특성을 만족시키거나 개선하면서도, 기준 전단밴드 (110) 총 두께 H를 3 mm 줄이는 것이 요망된다. 그러나, 전단밴드 (110)에 대한 다른 변경 역시 본 발명의 방법을 적용하여 달성될 수 있다. 예를 들면, 전단밴드 (110) 두께 본래 값 (H_REF) 의 50% 감소시키는 것이 목표로 설정될 수 있다. 실제로, 임의의 바람직한 전단밴드 (110) 두께 값이 보강층 두께 (t)의 최소한 4배라면 목표로 설정될 수 있다 (H_Target). 달리, 본 발명의 방법을 통하여 전단밴드 두께 본래 값 H_REF 은 일정하게 유지되면서 시컨트 수직강성 및 탄젠트 수직강성 값들이 증가되거나 μ_p/p가 감소되도록 할 수도 있다. 어떤 경우든, 본 발명의 예시적 방법의 일부로써, 새로운 전단밴드 (110) 제작을 위하여 H_REF와 동일하거나 작은 H_Target 에 대한 값이 특정된다.

두께에 대한 선택 목표값 H_Target을 이용하여, 기준 전단밴드 (110)와 비교하여 최소한 하나의 추가 보강층을 가지는 전단밴드에 대한 구조 단면 특성 G_eff*A이 계산된다. 예를 들면, 기준 전단밴드 (110)는 2개의 보강층들 (130, 140), 또는 N_REF 2를 가지는 것으로 도시된다. 따라서, 3개의 보강층들 및 두께 H_Target를 가지지만, 다른 것은 전단밴드 (110)와 유사한 방식으로 제작되는 전단밴드에 대한 새로운 G_eff*A, (G_eff*A)_CALC 가 계산된다 (본원에 사용되는 N은 1 보다 큰 임의의 양의 정수라는 것을 이해하여야 한다. 예를 들면, 변경이 요망되는 기준 전단밴드는 이미 3개의 보강층들, N_REF =3을 가질 수 있다).

3개의 보강층들 (N=3)을 이용하여 결정된 새로운 (G_eff*A)_CALC 는 기준 전단밴드 (110)의 (G_eff*A)_REF와 비교된다. 새롭게 계산된 (G_eff*A)_CALC 이 기준 전단밴드 (110)에 대한 기준값 (G_eff*A)_REF보다 작으면, 보강층들 개수는 다시 1만큼 증가되고 (N=4), (G_eff*A)_CALC에 대한 값이 재차 계산된다. 이러한 과정은 (G_eff*A)_CALC 에 대한 새로운 값이 단지 2개의 보강층들 (130, 140), N_REF=2을 가지는 기준 전단밴드 (110)에 대한 본래 값 (G_eff*A)_REF보다 크거나 거의 같아질 때까지 반복된다. 본원에서 사용되는, N_TOTAL 는 (G_eff*A)_CALC 가 본래 값 (G_eff*A)_REF보다 크거나 거의 같아질 때의 보강층들 총 개수를 나타낸다.

새로운 값 (G_eff*A)_CALC 이 기준값 (G_eff*A)_REF 보다 커질 때까지 보강층들 개수N을 증가시키는 과정은 다음 한계에 도달할 때까지 반복된다:

(9)

이러한 제한은 (동일 간격으로 가정하고) 인접 보강층들 사이에 최소한 단일 보강층 두께의 이분의 일 거리가 있다는 것을 보장한다. 동일 간격 보강층들에 대하여, 홀수 개의 보강층들을 만드는 추가는 G_eff*A 및 E_membrane*A_m 을 비례적으로 증가시키나 최소한 하나의 보강층이 전단층 중앙 또는 "중립(neutral) 파이버" 주위에 배치될 것이므로 E_membrane*I_m 에 더욱 제한적으로 작용할 것이라는 것을 이해하여야 한다. (G_eff*A)_CALC 가 기준값 (G_eff*A)_REF보다 커지기 전에 제한 식 (9)이 도달되면, 두께 H_Target 가 증가되어야 하고 본 과정은 즉, 총 보강층들 개수 N_REF + 1로 다시 시작하고 - 새로운 (G_eff*A)_CALC 가 기준값 (G_eff*A)_REF 또는 이상일 때까지 반복되어야 한다.

(G_eff*A)_CALC 이 기준값 (G_eff*A)_REF에 근사하거나 이상을 제공하는 추가 보강층이 추가되면, 새로운 개수의 보강층들에서 E_membrane*A_m 및 E_membrane*I_m 값들도 계산된다. E_membrane*A_m에 대한 새로운 값은, 본 구조 단면 특성은 보강층들 개수에 직접 영향을 받고 이 과정 시점에서 최소한 하나의 보강층이 본래 전단밴드 (110)에 추가되었기 때문에, 언제나 기준값 E_membrane*A_m 을 초과할 것이다. 그러나, E_membrane*I_m에 대하여 계산된 값은기준값 E_membrane*I_m을 충족하거나 초과하지 않을 수 있다.

H_Target 및 N_TOTAL ( (G_eff*A)_CALC 가 기준 (G_eff*A)_REF을 초과하는 보강층들 개수)을 이용하여, 4 유형의 성능 특성 값들 - 즉, 탄젠트 수직강성, 시컨트 수직강성, 접지압, 및 μ_p/p - 이 예를 들면, 유한요소법 및 N_TOTAL 보강층들을 가지는 전단밴드가 있는 타이어 모델을 이용하여 결정된다. 탄젠트 수직강성, 시컨트 수직강성, 접지압 및 μ_p/p에 대한 새로운 값들은 본래 기준값 (예를 들면, 표 1의 값들)과 비교된다. 새로운 값들이 본래 기준값을 충족하거나 초과하면, 설계 목적이 도달되었으므로 본 과정이 중지될 수 있다.

그러나, 탄젠트 수직강성 또는 시컨트 수직강성에 대한 새로운 값들이 탄젠트 및 시컨트 수직강성에 대한 기준값들보다 낮다면, E_membrane*I_m 이 증가되어야 한다. 달리, 탄젠트 수직강성, 시컨트 수직강성, 접지압에 대한 새로운 값들이 허용 가능한 값이고, μ_p/p 에 대한 새로운 값이 불허되거나 더욱 감소하는 것이 바람직하다면, 이에 따라서, E_membrane*I_m 가 증가되어야 한다. E_membrane*I_m를 증가시키기 위하여, 상기 식 (7) 및 (8)에 제시된 간격 바이어스 인자 k에 대한 값이 점증적으로 감소되어야 한다. 바이어스 인자 k가 줄어들면, 중립 파이버에 배치된 전단밴드에 추가된 보강층들은 최외측 및 최내측 보강층들 (130, 140)을 향하여 밀려질 것이고 이로 인하여 두께 H_Target, (G_eff*A)_CALC, 또는 (E_membrane*A_m)_CALC에 영향을 주지 않고 E_membrane*I_m는 증가될 것이다.

따라서, 선택된 각각의 새로운 인자 k 값에 대하여, 새로운 인자 k값을 이용하여 제작된 전단밴드를 가지는 다른 타이어 모델이 설정되고 예를 들면, 유한요소법을 적용하여 4 유형의 성능 특성 - 즉, 탄젠트 수직강성, 시컨트 수직강성, 접지압, μ_p/p이 계산된다. 이러한 새로운 값들이 재차 기준값과 대비된다. 수직강성 (탄젠트, 시컨트, 또는 모두)이 기준 전단밴드에 대한 수직강성 값들보다 작으면, 새로운 값들이 수직강성 기준값들을 초과하거나 거의 같아질 때까지 인자 k 를 줄이는 과정이 계속된다. 새로운 수직강성 값들이 허용되는 값일지라도, μ_p/p 값이 허용되는 값이 아니라면 － 즉, 기준 전단밴드 (110)에 대한 μ_p/p 값보다 너무 크거나 또는 너무 높은 경우- 인자 k 를 줄이는 과정이 계속될 수 있다.

탄젠트 수직강성, 시컨트 수직강성, 및 μ_p/p 새로운 값들이 허용되는 또는 목표 값들에 도달되기 전에 인자 k가 0에 도달되면, H_TARGET 값이 증가되어야 하고 기준 전단밴드 (110)보다 하나 이상의 보강층 즉, N_REF + 1으로 재차 과정이 개시되어야 한다. 더욱 상세하게는, N_REF = 2를 가지는 전단밴드 (110)에 대하여, H_TARGET 값이 증가되고 보강층들 N=3으로 시작하여 새로운 값 (G_eff*A)_CALC 이 계산된다. 본 (G_eff*A)_CALC 이 (G_eff*A)_REF와 비교되고, (G_eff*A)_CALC 이 (G_eff*A)_REF보다 크거나 거의 같지 않다면, 보강층들 개수 N을 증가시키고 이러한 과정은 상술한 바와 같이 다시 반복된다.

상기 방법이 단지 2개의 보강층들 (130, 140)을 가지는 기준 전단밴드 (110)에 적용되었다. 결과는 표 3에 제시된다:

[표3]

데이터 제1 열은 전단층 두께 H_REF 18 mm, 폭 W 230 mm, 및 2개의(N=2) 보강층들을 가지는 기준 전단밴드 (110)를 나타낸 것이다. 다음 3개의 열은 전단밴드 (110) 두께를 줄이고도 수직강성 및 μ_p/p와 같은 소정의 성능 특성을 유지하거나 개선할 목적으로 목표 두께 H_Target 15 mm으로 진행된 것이다. 성능 특성을 정확하게 일치시킬 수는 없지만, 표 3에 보여지는 바와 같이, 4개의 보강층들 (N=4)이 사용될 때 기준 전단밴드 (110)에 대한 (G_eff*A)_REF 값을 초과하는 (G_eff*A)_CALC 가 획득된다. 상기 방법은 다른 요소들이 동일할 때 - 즉, 전단층 (120)에 대하여 동일 재료 (예를 들면, 탄성체들)가 사용되고, 동일 개수의 웨브 스포크들 (150)이 사용되고, 동일 허브가 적용되고, 기타 등일 때의 타이어 (100) 제작을 가정하는 것이라는 것을 이해하여야 한다.

4개의 보강층 값 (N_TOTAL=4)을 이용하여, 타이어 (100)가 설정되고, 유한요소법을 적용하여, 표 1에 적용된 4개의 성능 특성 (탄젠트 수직강성, 시컨트 수직강성, 접지압, 및 μ_p/p)을 계산하였다. 결과를 표 4에 제시하였다.

[표4]

표 4 및 표 1를 비교하면 수직강성 특성들을 유지하면서도 전단밴드 (110) 두께가 3 mm 줄어들 수 있다는 것을 보인다. 그러나, 더욱이 표 4는 전단밴드 (110) 두께 H 감소 및 보강층들 개수 배수화로 μ_p/p가 실제로 감소된 예기치 못한 결과를 제공한다. 더욱 상세하게는, 목표로 삼은 전단밴드 (110) 변경으로 트레드 부분 (105)이 3 mm 증가될 수 있고 더욱이 전단밴드 (110) 반경방향 변형이 줄어들고, 따라서, 더욱 유연한 타이어 (100) 운전이 가능하다.

전단층 (120)은 본원에 기재된 바람직한 기계적 특성을 제공할 수 있는 임의의 재료로 제작될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 탄성재료가 사용될 수 있지만, 본 발명은 이에 국한되지 않는다. 예를 들면, 전단층 (120)으로 적용될 수 있는 재료는 상기 재료 (천연 및 합성고무, 폴리우레탄, 발포 고무 및 폴리우레탄, 세그먼트화 코폴리에스테르, 및 나일론의 블록 공중합체) 및 예를 들면, 파이버-보강 복합체 또는 메타-재료와 같은 비-탄성재료를 포함한다. 따라서, 본 발명의 전단밴드 (110)는 반드시 특정 재료로 국한될 필요가 없다.

본 발명은 특정 예시적 실시예 및 방법을 참조하여 상세하게 설명되었지만, 본 분야의 숙련가들은, 상기 사항들을 이해하면 용이하게 변형, 변경, 및 균등한 실시예들을 창출할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 따라서, 본 개시는 예시적인 것이고 제한적인 것이 아니며 본 발명은 본원에 개시된 교시를 적용한 본 분야의 숙련가에게 명백할 수 있는 이러한 본 발명에 대한 변경, 변형 및/또는 부가를 배제하는 것이 아니다.

Claims

두께 H_REF 및 보강층들 총 개수 N_REF를 가지는 전단밴드 변형방법으로서,
전단밴드 두께 H_REF 및 보강층들 총 개수 N_REF를 이용하여 수직강성 (G_eff*A)_REF 를 결정하는 결정단계;
전단밴드의 두께 목표값 H_TARGET 을 선택하는 선택단계;
전단밴드의 보강층들 총 개수를 1만큼 증가시키는 증가단계;
전단밴드 두께 H_TARGET 를 이용하고 그리고 상기 증가단계에서 제공된 전단밴드 보강층들 개수를 이용하여 (G_eff*A)_CALC 를 연산(calculating)하는 연산단계;
상기 연산단계에서의 (G_eff*A)_CALC 및 상기 결정단계에서의 (G_eff*A)_REF 를 비교하는 비교단계로서, (G_eff*A)_CALC 가 (G_eff*A)_REF보다 작으면, (G_eff*A)_CALC 가 (G_eff*A)_REF 보다 크거나 같아지고 보강층들 총 개수가 N_TOTAL이 될 때까지 상기 증가단계 및 상기 연산단계를 반복하는, 상기 비교단계;
전단밴드 두께 H_TARGET 및 상기 비교단계에서 제공된 전단밴드 보강층들 개수N_TOTAL 을 이용하여 수직강성을 계산(computing)하는 계산단계;
상기 계산단계에서의 수직강성 및 상기 결정단계에서의 수직강성을 참조하는 참조단계로서, 상기 계산단계에서의 수직강성이 상기 결정단계에서의 수직강성보다 작으면,
최외측 보강층과 최내측 보강층 사이에 있는 최소한 하나의 보강층을 상기 최외측 보강층 또는 상기 최내측 보강층에 대해 더 가까이 있는 전단밴드 내 새로운 위치로 이동하는 이동단계와,
상기 계산단계에서의 수직강성이 상기 결정단계에서의 수직강성보다 크거나 같아질 때까지 상기 계산단계 및 참조단계들을 반복하는 단계로 이루어지는, 상기 참조단계; 및
상기 계산단계로부터의 수직강성이 상기 결정단계로부터의 수직강성과 같거나 그보다 크면 보강층들의 총 개수가 N_TOTAL을 갖는 전단밴드를 제조하는 단계를 포함하여 구성되는, 두께 H_REF 및 보강층들 총 개수 N_REF를 가지는 전단밴드 변형방법.
제1항에 있어서, 전단밴드 내 임의의 인접 보강층들 사이 거리가 단일 보강층 두께의 이분의 일보다 작으면, 전단밴드의 목표 두께 H_Target 증가단계를 더욱 포함하는, 두께 H_REF 및 보강층들 총 개수 N_REF를 가지는 전단밴드 변형방법.
제2항에 있어서, 전단밴드 내 총 보강층들 총 개수N_REF로 시작하여 상기 증가단계, 연산단계, 비교단계, 계산단계 및 참조단계를 반복하는 것을 더욱 포함하는, 두께 H_REF 및 보강층들 총 개수 N_REF를 가지는 전단밴드 변형방법.
제1항에 있어서, 상기 비교단계가 (G_eff*A)_REF보다 크거나 같은 (G_eff*A)_CALC 을 제공하지 못하면 전단밴드 목표 두께 H_TARGET 를 증가시키는 단계를 더욱 포함하는, 두께 H_REF 및 보강층들 총 개수 N_REF를 가지는 전단밴드 변형방법.
제4항에 있어서, 전단밴드 내 총 보강층들 총 개수N_REF로 시작하여 상기 증가단계, 연산단계, 비교단계, 계산단계 및 참조 단계를 반복하는 것을 더욱 포함하는, 두께 H_REF 및 보강층들 총 개수 N_REF를 가지는 전단밴드 변형방법.
제1항에 있어서, 전단밴드 목표 두께 H_TARGET 증가단계를 더욱 포함하는, 두께 H_REF 및 보강층들 총 개수 N_REF를 가지는 전단밴드 변형방법.
제1항에 있어서, 전단밴드 두께 H_REF 및 전단밴드 총 보강층들 개수 N_REF 을 이용한 μ_{p/p REF}값 연산단계;
전단밴드 두께 H_TARET 및 상기 비교단계에서 제공된 전단밴드 보강층들 개수 N_TOTAL 을 이용한 μ_{p/p TARGET} 값 연산단계; 및
μ_{p/p TARGET}을 μ_{p/p REF} 와 비교하는 비교단계로서, μ_{p/p TARGET} 이 μ_{p/p REF}보다 작거나 같지 않다면, 최외측 보강층과 최내측 보강층 사이에 있는 최소한 하나의 보강층을 상기 최외측 보강층 또는 최내측 보강층에 대해 더 가까이 있는 전단밴드 내 새로운 위치로 이동하는, 상기 μ_{p/p TARGET}와 μ_{p/p REF} 비교단계를 더욱 포함하는, 두께 H_REF 및 보강층들 총 개수 N_REF를 가지는 전단밴드 변형방법.
제1항에 있어서, 상기 선택단계에서 사용된 두께 H_TARGET 및 상기 비교단계에서 제공된 보강층들 개수 N_TOTAL 을 가지는 전단밴드 제조단계를 더욱 포함하는, 두께 H_REF 및 보강층들 총 개수 N_REF를 가지는 전단밴드 변형방법.
제1항에 있어서, 상기 비교단계에서 (G_eff*A)_CALC 가 (G_eff*A)_REF보다 크거나 같지 않으면, 상기 보강층들의 두께 t를 증가시키는 단계를 더욱 포함하는, 두께 H_REF 및 보강층들 총 개수 N_REF를 가지는 전단밴드 변형방법.
제9항에 있어서, 전단밴드 내 총 보강층들 총 개수 N_REF로 시작하여 상기 증가단계, 연산단계, 비교단계, 계산단계 및 참조 단계들을 반복하는 것을 더욱 포함하는, 두께 H_REF 및 보강층들 총 개수 N_REF를 가지는 전단밴드 변형방법.
제1항에 있어서, 상기 비교단계에서 (G_eff*A)_CALC가 (G_eff*A)_REF보다 크거나 같지 않으면, 상기 보강층들의 원주방향 전단계수 G_m 를 증가시키는 단계를 더욱 포함하는, 두께 H_REF 및 보강층들 총 개수 N_REF를 가지는 전단밴드 변형방법.
제1항에 있어서, 상기 계산단계에서의 수직강성이 상기 결정단계에서의 수직강성보다 크거나 같지 않으면, 상기 보강층들의 원주방향 계수 E_membrane 를 증가시키는 단계를 더욱 포함하는, 두께 H_REF 및 보강층들 총 개수 N_REF를 가지는 전단밴드 변형방법.
제1항에 있어서, 상기 비교단계가 전단밴드 두께 H_REF 및 전단밴드 보강층들 개수 N_REF을 이용한 μ_p/p값보다 더 큰 μ_p/p값을 제공하지 않으면, 보강층들 원주방향 계수 E_membrane 를 증가시키는 단계를 더욱 포함하는, 두께 H_REF 및 보강층들 총 개수 N_REF를 가지는 전단밴드 변형방법.
제1항 내지 제13항 중 어느 하나의 항에 따른 방법에 따라 제조된 전단밴드로서,
전단층; 상기 전단층 일면을 따라 배치되는 내측 보강층; 상기 전단층이 상기 내측 보강층과 외측 보강층 사이에 배치되도록 상기 전단층 타면을 따라 배치되는 외측 보강층; 및 전단밴드가 보강층들 총 개수 N을 N ≥ 4가 되도록 상기 외측 보강층과 내측 보강층들 사이에서 상기 외측 및 내측 보강층들로부터 이격되며 그리고 서로에 대해 이격되게 배치된 최소한 2 이상의 추가 보강층들을 포함하여 구성되는, 전단밴드.
제14항에 있어서, 상기 최소한 2 이상의 추가 보강층들은 상기 내측 보강층과 외측 보강층 사이에서 전단밴드의 피크-대-피크 반경방향 변형을 감소시키는 위치들에 배치되는, 전단밴드.
제15항에 있어서, 상기 최소한 2개의 추가 보강층들은 상기 내측 보강층과 외측 보강층 사이에서 균등하게 이격되는, 전단밴드.
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