KR101529064B1 - 다중 보강 밴드를 가지는 환형 구조체 - Google Patents

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짐 엔디코트
파트릭 아. 페트리
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미쉐린 러쉐르슈 에 떼크니크 에스.에이.
꽁빠니 제네날 드 에따블리세망 미쉘린
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Abstract

휠에 대한 구조적 지지를 제공하는 보강밴드를 가지는 비-공압 휠 및 이러한 휠 제조방법이 기술된다. 보강 밴드는 코어를 포함한 환형 보강 구조체 일부를 형성하고 코어는 환형 보강 밴드 사이에서 현장 주조된다. 코어는 경화체 재료로 함침 될 수 있다. 또한 경화체 재료는 비-공압 휠의 하나 이상의 요소들을 형성하는데 사용될 수 있다.

Description

다중 보강 밴드를 가지는 환형 구조체{ANNULAR STRUCTURE HAVING MULTIPLE REINFORCEMENT BANDS}
본 출원은 모든 목적으로 본원에 참조로 포함되는 2010.12.29자 출원된 미국임시특허출원번호 61/428,074의 우선권을 주장한다. 본 발명은 환형 보강 구조체를 가지는 비-공압 타이어에 관한 것이다.
공압 타이어는 유연성, 승차감, 중량, 및 주행저항에 대한 해결책으로 알려져 있지만; 공압 타이어는 복잡성, 유지관리 필요성, 및 손상 취약성에 문제가 있다. 공압 타이어 성능을 개선하는 기구는, 예를들면, 개선된 유연성, 양호한 강성 제어, 유지관리 필요성 감소, 및 내손상성을 제공할 수 있다.
유지관리 필요성 및 손상 취약성은 없지만 솔리드 타이어(solid tire), 스프링 타이어 및 쿠션 타이어(cushion tire)는 성능 이점 (performance advantage)이 결여되어 있다. 특히, 솔리드 타이어 및 쿠션 타이어들은 전형적으로 탄성 재료 층으로 둘러싸인 솔리드 림을 포함한다. 이러한 타이어들은 하중 지지를 위하여 하중 바로 아래에 있는 탄성 층인 접지부의 압축에 의존하게 된다. 이러한 유형의 타이어들은 무겁고 강성이 있으며, 공압 타이어들이 갖는 충격 흡수 능력이 결여되어 있다.
스프링 타이어는 전형적으로 목재, 금속 또는 플라스틱 링을 가지고 이것은 스프링 또는 스프링 유사 요소들로 허브에 연결된다. 따라서 허브가 스프링에 의해 걸려있고, 비유연한 링은 도로와의 접지면적이 적어, 실질적으로 유연성을 제공하지 못하며, 가속 및 조향 제어가 불량하게 된다.
따라서, 공압 휠과 유사한 성능 특성을 가지는 비-공압 휠 및 제조방법은 유용할 것이다. 더욱 상세하게는, 공압 타이어 성능 특성을 위한 공기 팽창압력이 필요하지 않은 비-공압 휠 및 제조방법은 유익할 것이다. 차량 또는 기타 수송기구에 장착되도록 허브와 함께 구성되거나 허브에 연결하도록 구성되는 이러한 비-공압 휠 및 제조방법은 매우 유용할 것이다.
본 발명의 양태들 및 이점들이 하기 상세한 설명에 개시되거나 이로부터 명백하거나 본 발명의 구현을 통하여 교시될 것이다.
일 예시적 양태에서, 본 발명은 제1 보강 밴드, 제2 보강 밴드, 및 제1 및 제2 보강 밴드 사이의 코어를 포함하는 환형 보강 구조체를 가지는 비-공압 타이어 제조방법을 제공한다. 본 방법은, 내부 및 외부 보강 밴드가 동심원으로 이격되어 내부 및 외부 보강 밴드 사이 환형 공간을 형성하도록 내부 및 외부 보강 밴드를 제1 몰드에 제공하는 단계; 내부 및 외부 보강 밴드 사이에서 0.75 g/cm3 또는 이상의 밀도를 가지는 코어를 포함하는 주조물이 제공되도록 내부 및 외부 보강 밴드 사이의 공간으로 제1 몰드에 코어 재료를 삽입하는 단계; 비-공압 휠의 하나 이상의 특징부를 성형하기 위하여 최소한 하나의 공동을 제공하는 제2 몰드로 상기 삽입 단계에서 나오는 주조물을 배치하는 단계; 및 비-공압 휠의 하나 이상의 특징부를 형성하기 위하여 경화체 (matrix) 재료를 제2 몰드에 투입하는 단계로 구성된다.
또 다른 예시적 실시태양에서, 본 발명은 반경 및 원주방향들로 규정되는 비-공압 휠을 제공한다. 본 휠은 접지 트레드부를 지지하고 원주 방향 주위로 연장되는 환형 밴드를 포함한다. 환형 보강 구조체는 환형 밴드 내에 위치한다. 보강 구조체는 원주방향을 따라 연장되는 내부 보강 밴드; 원주방향을 따라 연장되고 상기 내부 보강 밴드 반경방향-외향에 위치하는 외부 보강 밴드; 및 내부 및 외부 보강 밴드 사이에 최소한 부분적으로 위치하는 코어를 포함한다. 코어는 내부 및 외부 보강 밴드 사이에서 현장 (in place) 형성되는 재료로 제조되고 밀도는 0.75 g/cm3 또는 이상이다. 장착 밴드는 환형 밴드의 반경방향-내향에 위치한다. 다수의 웨브 스포크가 환형 밴드 및 장착 밴드 사이에 연결된다.
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 실시태양을 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 참고하여 개시된다:
도 1은 본 발명인 환형 보강 구조체의 예시적 실시태양의 사시도이다.
도 2는 도 1의 예시적 실시태양의 절개사시도이다.
도 3은 예시적 몰드에 있는 도1의 환형 보강 구조체의 평면도이고, 도 4는 이의 단면사시도이다.
도 5는 환형 보강 구조체 제조용 예시적 몰드 평면도이고 도 1의 환형 보강 구조체가 배치된 것을 보인다.
도 6은 예시적 보강 구조체가 배치된 다른 예시적 몰드의 단면사시도이다.
도 7은 도 6의 몰드 일면 확대도이고 예시적 몰드 및 내부 및 외부 보강 밴드 사이 실(seal)을 보인다.
도 8은 경화체 재료에 매몰된 예시적 환형 보강 구조체의 사시도이다.
도 9는 도 8의 예시적 실시태양의 측단면도이다.
도 10은 본 발명인 예시적 비-공압 휠의 사시도이다.
도 11은 도 1에 도시된 바와 같은 예시적 환형 보강 구조체가 포함된 라인 11-11을 따라 취한 도 11의 예시적 실시태양의 부분단면도이다.
도 12는 본 발명인 다른 예시적 환형 보강 구조체가 포함된 라인 11-11을 따라 취한 도 11의 예시적 실시태양의 부분단면도이다.
다른 도면들에서 동일 또는 유사한 도면부호는 동일 또는 유사한 특징부를 나타낸다.
본 발명은 휠에 대한 구조적 지지력을 제공하는 보강밴드를 가지는 비-공압 휠 및 이러한 휠 제조방법을 제공한다. 본 발명을 기술할 목적으로, 본 발명의 실시예 및/또는 방법들이 상세하게 언급될 것이고, 하나 이상의 예시들이 도면에 또는 이를 참고하여 설명된다. 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. 예를들면 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.
내부 및 외부 보강 밴드
도 1 및 2를 참조하면, 비-공압 휠에 적용될 수 있는 예시적 환형 보강 구조체 (1)는 내부 보강 밴드 (2), 외부 보강 밴드 (3), 및 코어 재료로 제조되는 현장 주조식 (cast-in-place) 코어 (4)를 가진다. 보강 구조체 (1)는 다양한 치수로 제작될 수 있다. 예를들면, 환형 보강 구조체 (1)의 폭 (5)은 1 cm 내지 2 미터일 수 있고, 외부 직경 (6)은 7 cm 내지 4 미터일 수 있다. 예를들면, 내부 보강 밴드 (2) 및 외부 보강 밴드 (3) 사이 거리, 즉, 코어 재료 (4) 두께 (7)는 2 mm 내지 25 mm일 수 있다.
본 발명의 다양한 실시태양들에서 환형 보강 구조체 (1) 내에서 내부 및 외부 보강 밴드 (2, 3)의 상대 운동이 가능한 것이 바람직하고, 이러한 운동은 휨 또는 전단력에 의해 생길 수 있다. 이러한 조건에서, 코어 재료 (4)는 최소 두께 (도면부호 7로 표기) 5 mm로 제공될 수 있다. 보강 밴드의 적합한 구조, 정렬 및 간격을 포함한 환형 보강 구조체에 대한 출원은 미국특허출원번호6,769,465 B2 및 US 7,650,919 B2에서 발견된다.
각각의 보강 밴드 (2, 3)는 반경방향으로는 유연하고 원주방향에서는 상대적으로 신장되지 않는 원형 스트립이다. 본 발명의 일 실시태양에서, 보강 밴드 (2, 3)는 영구 변형 없이 밴드가 원형상일 때의 밴드 반경의 1/10 또는 이하의 굽힘 반경을 가지도록 충분히 유연하다. 내부 및 외부 보강 밴드 (2, 3)는 재료 및 디자인 측면에서 동일하거나 상이할 수 있다.
예를들면, 보강 밴드 (2, 3)는 직물 또는 부직물 섬유구조체, 단일섬유 및/또는 다중섬유 코드, 이-성분사 (bi-component yarns), 방적사, 브레이드 코드, 중합체 또는 금속의 단일 또는 다중층 시트, 또는 이들 재료의 조합물 구조일 수 있다. 예를들면, 보강 밴드 (2, 3)는 유리섬유, 레이온, 나일론, 아라미드, 폴리에스테르, 탄소 또는 금속, 예를들면 강으로 제조될 수 있다. 본 재료들은 성능 개선, 용이한 제조 및/또는 재료들 간 결합강도 개선을 위하여 처리될 수 있다. 황동-도금 강철, 탄성체 피복 코드 및 부착 촉진제 예를들면, 레조르시놀-포름알데히드 라텍스 사용이 예시될 수 있다. 적합한 보강 밴드 (2, 3)의 또 다른 예시는 동력전달용 벨트, 호스, 타이어, 롤러, 스트래핑 및 개스킷에서 발견된다.
또 다른 예시로써, 영 계수 (GPa)가 35 또는 이상, 또는 70 또는 이상, 또는 210 또는 이상인 재료가 보강 밴드 (2, 3) 제조에 유용하다. 달리, 코어 재료 (4)와 조합된 보강 밴드 (2, 3) 강도는 상대 영계수가 각각 1,000:1 또는 10,000:1일 수 있다.
하나의 실시예에서, 보강 밴드 (2, 3)는 나선방향으로 권선되는 최소한 3 회전되는 단일섬유 또는 다중-섬유 코드일 수 있다. 다중 권선 코드들은 인접 코드들을 서로 감는 실 (yarn)에 의해 서로 결합되고, 예를들면, 코드와 수직 배열된 실로 직조 또는 편조 결합될 수 있다. 서로 감는 실은 특히 축방향으로 밴드 안정성을 제공하도록 구조체를 서로 융합시키도록 녹을 수 있는 섬유를 포함한다. 유용한 보강 밴드 구조체의 예시로는 2010.3.12자 출원되고 현재 진행중인 미국특허출원번호 제12/661,196에서 찾을 수 있고, 상기 문헌은 본원에 참고로 포함된다.
본 발명의 범위 내에는 하나 또는 두 밴드 (2, 3)를 위한 다중-겹 보강 밴드 적용도 포함된다. 예를들면, 보강 재료층들은 적합한 결합제, 접착제 스티치 결합에 의한 연결로 서로 겹칠 수 있다. 겹들은 서로 평행하게 배향되거나, 예를들면, 하나의 겹을 다른 겹 주위로 나선방향으로 감는 유각 권취 될 수 있다. 다중-겹 구조체는 단일 보강 밴드로 본원에서 고려된다.
보강 밴드 (2, 3)는 코어 재료가 주조될 때 코어 재료 (4) 에 대하여 불침투성이다. 코어 재료는 폴리우레탄을 형성할 수 있는 폴리올 및 폴리이소시아네이트의 반응성 혼합물과 같은 액상 반응혼합물로 부어진다. 또 다른 예시로써, 코어 재료는 열가소성 수지와 같은 용융상태, 또는 미경화 콘크리트와 같은 플라스틱 상태일 수 있다. 따라서, 보강 밴드 (2, 3)가 불침투성이 되도록 보강 밴드 (2, 3) 구조체는 주조되는 코어 재료 점도 및 보강 밴드 재료 및 주조 코어 재료 사이 상호작용과 같은 인자들에 기초하여 선택된다. 따라서, 하나 또는 양 보강 밴드 (2, 3) 외측은 코어 재료로 피복되지 않는다.
몰드
코어 재료 (4)는 현장 주조되고, 즉, 내부 및 외부 보강 밴드 (2, 3)는 동심원 방향으로 이격되도록 유지되고, 코어 재료가 그 위치에 (in situ)에서 형성된다. 도 3 및 4를 참조하면, 외부 보강 밴드 (3) 둘레에 해당하는 측벽 (10)을 가지는 외부 몰드 (9), 및 내부 보강 밴드 (2) 둘레에 해당하는 측벽 (12)을 가지는 내부 몰드 (11) - 두 부품의 예시적 링 몰드 (8)가 도시된다. 몰드 (8)는 임의의 적합한 재료로 제작되고 몰드 (8)로부터 환형 보강 구조체 (1) 이형을 촉진시키기 위하여 마무리제 또는 코팅제가 제공될 수 있다.
몰드 (8) 내에서 보강 밴드 (2, 3) 정렬을 유지시키기 위한 임의의 다수의 기술들이 적용될 수 있다. 예를들면, 보강 밴드 (2, 3)를 마찰, 수직 리브, 스텝, 지그, 위치 결정 핀 및 이들의 조합에 의해 제자리에 유지시킬 수 있다. 하나의 실시태양에서, 보강 밴드 (2, 3)는 철재 또는 철을 포함하고, 보강 밴드 (2, 3)는 자석 또는 전자석으로 제자리에 고정될 수 있다.
본 발명의 일 실시태양에서, 외부 몰드 (9) 측벽 (10) 표면 및 내부 몰드 (11) 측벽 (12) 표면은 탄성 재료로 피복될 수 있다. 코팅재료는 열가소성 또는 열경화성 재료일 수 있다. 예를들면, 코팅재료는 탄성체, 특히, 실리콘 고무일 수 있다. 몰드 (8)가 탄성 표면을 가지면 외부 보강 밴드 (3), 내부 보강 밴드 (2), 또는 양자는 압축되어 실 (seal)을 형성할 수 있는 이점이 있다. 따라서, 코어 재료가 주조되는 동안 보강 밴드 (2, 3)에 침투된다고 하여도, 형성된 실로 인하여 최소한 몰드 (8) 측면과 접하는 보강 밴드 (2, 3)의 일부 표면은 코어 재료로 피복되지 않는다. 환형 보강 구조체 (1)의 미-피복 부분은 이후 다른 조성물, 예컨대 보강 경화체 재료와 결합될 수 있다.
도 5, 6, 및 7을 참조하면, 힌지 (17)로 연결되는 2종의 절반부 (15, 16)를 가지는 외부 몰드 (14)를 가지는 예시적 몰드 (13)가 도시된다. 외부 몰드 (14)는 외부 보강 밴드 (3) 주위로 "물려"있어, 코드 (18)는 몰드 (14) 탄성 표면 (19)에 압착된다. 몰드 (13) 제2 부품은 팽창성 내부 몰드 (20)이다. 내부 몰드 (20)는 피스톤 (21)을 가지며, 내부 보강 밴드 (2)가 내부 몰드 (20) 상부에 배치된 후 피스톤은 내부 몰드 (20) 내부 공동 (22)으로 강제 진입된다. 피스톤 (21)은 내부 몰드 (20)를 팽창시키고, 이에 따라 내부 보강 밴드 (2) 코드 (23)를 내부 몰드 (20) 탄성 표면 (24)으로 압축시킨다. 도시된 실시태양에서, 코어 재료가 낮은 점성의 액상 반응혼합물로 주조되더라도 외부 보강 밴드 (3) 외부 및 내부 보강 밴드 (2) 내부는 코어 재료로 피복되지 않는다.
많은 분야 용도에 있어서 코어 (4)는 보강 밴드 일면과 결합되고 제2 재료, 예컨대 경화체 재료는 보강 밴드 다른 면과 결합되는 것이 바람직하다는 것을 이해할 수 있다. 예를들면, 보강 밴드는 나선 권취 코드로 형성될 수 있고, 코어재료로 피복된 코드부분 및 경화체 재료로 피복된 코드 부분의 상대 표면적은 각각 70:30 내지 30:70, 또는 10:90 내지 90:10로 변경될 수 있다.
코어 재료
내부 및 외부 보강 밴드는 현장 주조식 코어 (4)에 의해 분리된다. 코어 재료 (4)는 밀도가 0.75 g/cm3 또는 이상, 또는 0.90 g/cm3 또는 이상, 또는 1.1 g/cm3 또는 이상인 고체이다. 코어 재료 (4)는 현장 주조될 수 있는 광범위한 유기 및 무기 재료에서 선택된다. 예를들면, 코어 재료는 열가소성 및 열경화성 천연 또는 합성중합체일 수 있다. 특히, 코어 재료는 탄성 재료, 예컨대 그 자리에서 경화되는 천연 또는 합성고무, 폴리우레탄, 분절화 공중합에스테르, 폴리아미드 공중합체 및 열가소성 탄성체일 수 있다. 본 발명의 일 실시태양에서, 코어 재료는 무발포제 성형된 즉 실질적으로 기공을 가지지 않고 내부 및 외부 보강 밴드 (2, 3) 사이 공간을 충전하고 이들과 결합되는 폴리우레탄이다. 다른 실시태양에서, 코어 재료는 세라믹, 콘크리트 또는 유기금속화합물일 수 있다.
코어 재료 특성으로 코어 (4)를 현장 주조하는 방법이 결정될 것이다. 따라서, 코어 재료는 중합 가능한 반응혼합물, 가교 가능한 미-경화 중합체, 또는 경화 가능한 무기 플라스틱 예를들면 수화 및 경화되는 콘크리트로 주조될 수 있다. 달리, 코어 재료는 열가소성 수지와 같이 용융되고 냉각되는 중합체일 수 있다. 당업자에게 공지된 바와 같이 중합 또는 가교를 촉진시키는 촉매, 코어 재료 특성 개질 조성물, 예컨대 가소제와 같이 다양한 기타 첨가제들이 코어 재료에 첨가될 수 있다.
본원에 개시된 두 개의 보강 밴드 (2, 3) 및 코어 재료 (4)로 구성되는 환형 보강 구조체 (1) 제조방법은 제3의 보강 밴드 및 제2 코어 재료로 확장되어, 동일하거나 상이한 코어재료들로 분리되는 세 개의 보강 밴드들을 가지는 환형 보강 구조체를 제작할 수 있다. 예를들면, 본원에 개시된 본 방법 및 장치를 이용하여, 외부 보강 밴드 및 중간 보강 밴드와 이들 사이 개재된 코어 재료를 조립하고, 이어 제2 코어 재료를 내부 보강 밴드 및 중간 보강 밴드 사이에 개재하여 내부 보강 밴드를 조립할 수 있다.
보강 경화체 재료
본 발명의 환형 보강 구조체 (1)는 경화체 재료를 보강하기 위하여 적용된다. 환형 보강 구조체 (1)는 경화체 재료로 둘러싸이고, 즉 경화체 재료는 구조체의 최소한 하나의 표면, 예를들면, 외부 보강 밴드 (3) 외부 표면을 덮는다. 달리, 환형 보강 구조체 (1)는 경화체 재료에 매몰된다. 본 발명의 또 다른 실시태양에서, 경화체 제1 재료는 외부 보강 밴드 (3) 외부 표면과 결합되고 제2 재료는 내부 보강 밴드 (2) 내부 표면과 결합될 수 있다.
도 8 및 9를 참조하면, 보강 링 (27)을 형성하기 위하여 경화체 재료 (26)에 매몰되는 다른 예시적 환형 보강 구조체 (25)가 도시된다. 보강 링 (27) 단면은 도 9에 도시되고, 여기에서도 내부 보강 밴드 (28), 외부 보강 밴드 (29), 및 코어 (30)를 가지는 환형 보강 구조체 (25)가 도시된다.
경화체 재료는 환형 보강 구조체를 매몰하도록 주조될 수 있는 광범위한 유기 및 무기 재료에서 선택된다. 예를들면, 경화체 재료는 천연 또는 합성중합체일 수 있고, 열가소성 및 열경화성 재료를 포함한다. 특히 탄성 경화체 재료, 예컨대 천연 또는 합성고무, 폴리우레탄, 분절화 공중합폴리에스테르, 폴리아미드 공중합체 및 열가소성 탄성체가 바람직하다. 본 발명의 일 실시태양에서, 코어 재료 (4)는 폴리우레탄 중합체이고 경화체 재료 (26)는 폴리우레탄 중합체이며, 양자 모두 무발포제 성형된 즉 실질적으로 기공을 가지지 않도록 성형된다. 다른 실시태양에서, 경화체 재료는 세라믹, 콘크리트 또는 유기금속화합물일 수 있다.
비-공압 휠
예시적 환형 보강체 예컨대 환형 보강체 (1, 25)는 비-공압 휠 또는 타이어 제작에 사용될 수 있다. 도 10은 본 발명에 의한 예시적인 구조적 지지 휠 (401)의 사시도이다. 본원에서 사용되는 구조적 지지란 타이어가 기체 팽창 압력 지지 없이 구조적 요소들에 의해 하중을 지탱하는 것을 의미한다. 도 11은 라인 11-11을 따라 절취되는 도 10에 도시된 휠 (401)의 부분 단면도이다. 화살표 C는 원주 방향을 나타낸다. 화살표 R은 반경 방향을 나타낸다. 화살표 A 는 축방향을 나타내고, 횡 방향 또는 측 방향이라고도 부른다.
더욱 상세하게는 도 10을 참조하면, 환형 보강 구조체 (1)는 원주방향 C 주위로 연장되는 밴드 (405) 내부에 위치한다. 본 예시적 실시태양에 대하여, 환형 보강 구조체 (1)는 전기된 바와 같이 제작된다. 또한, 다른 구조체, 예를들면 환형 보강 구조체 (25) 또는 다중 코어 (4)를 가지는 구조체가 전기된 바와 같이 적용될 수 있다. 휠 (401)에 있어서, 밴드 (2, 3)는 휠 (401)에 수직 강성을 제공하고, 코어 (4)는 휠 (401)의 전단층을 제공하며 이하 상술된다.
본 발명에 의하면, 휠 (401)은 공압 타이어의 가속, 조향, 또는 제동이 유리하거나 개선이 필요한 분야에서 유용하다. 더욱 하기되는 바와 같이 본 발명에 따라 제조되는 구조적 지지 휠 (401)은 공압 타이어보다 개선된 유연성 및 강성을 제공하고, 유지관리의 필요성이 감소된다. 자동차 외에도, 이러한 휠은 바람직하게는 예를들면, 휠체어, 바퀴 달린 들 것 (gurney), 병원 침상, 예민한 장치의 카트, 또는 충격 민감도가 중요한 차량 또는 수송기구에 사용될 수 있다. 또한, 본 휠은 의자 또는 기타 가구의 캐스터, 또는 유모차, 스케이트 보드, 인-라인 스케이트 등의 휠로 사용될 수 있다. 본 발명의 휠 (401)은 하중 지탱 또는 하중 인가 휠이 적용되는 기계 또는 장치에 사용될 수 있다. 하기에 설명 목적으로 용어 "차량"이 사용되지만; 유연성 휠이 장착되는 임의의 기구가 하기 설명에 포함되며 “차량”은 이를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 11 및 12에 도시된 바와 같이 휠 (401)은 환형 밴드 (405) 및 웨브 스포크들 (420)로 도시되는 다수의 인장력 전달 요소들을 가지며, 요소들은 밴드 (405)를 가로질러 횡 방향으로 및 웨브 스포크들 (420)의 반경방향 내향 일단에 있는 장착 밴드 (425)로 내향 연장된다. 장착 밴드 (425)는 휠 (401)을 장착홀 (435)과 허브 (430)에 고정시킨다. 트레드부 (410)는 밴드 (405) 외주에 형성된다. 도 11에 도시된 바와 같이, 예를들면, 밴드 (405) 구성 재료와 상이한 가속 및 내구성을 제공하기 위하여 트레드부 (410)는 밴드 (405)에 추가로 결합되는 층일 수 있다. 달리, 트레드부 (410)는 도 10에 도시된 바와 같이 유연성 밴드 외면의 일부로 형성될 수 있다. 트레드 특징부들이 트레드부 (410)에 형성되며 블록 (415) 및 홈 (440)을 포함할 수 있다.
상기된 바와 같이, 도 10 및 11의 예시적 실시예에서 웨브 스포크들 (420)은 휠 (401)을 가로질러 횡 방향으로 연장되고, 본원에서 이러한 용어는 웨브 스포크들 (420)이 휠 (401) 좌우로 연장된다는 것이고 회전축과 정렬되거나 휠 축과 경사를 이룰 수 있다는 의미이다. 또한, "내향 연장 "이란 웨브 스포크들 (420)이 밴드 (405) 및 장착 밴드 (425) 사이로 연장되고, 휠 축으로의 내향 평면에 놓이거나 내향 평면과 경사를 이룰 수 있다는 의미이다. 또한, 도 10에 도시된 바와 같이, 웨브 스포크들 (420)은 실제로 반경방향 평면과 상이한 각도의 스포크들을 포함한다. 여러 형상 및 패턴들이 예를들면, 미국특허번호 7,013,939에 도시된 바와 같이 적용될 수 있다
밴드 (405)는 휠 (401)에 부가되는 하중을 지지하며 도로 (또는 기타 지지 표면)와 부합되도록 탄성적으로 변형되어 가속 및 조정 성능을 제공한다. 더욱 상세하게는, 미국특허번호 7,013,939에 기재된 바와 같이, 하중이 허브 (430)를 통하여 휠 (401)에 인가되면, 밴드 (405)는 유연하게 작용되어 접지면에 대하여 굽혀지거나 달리 변형되어, 이러한 하중 하에서 지면과 접촉하는 휠 (401)의 일부인 접촉면 (contact patch)을 형성한다. 지면과 접촉하지 않는 밴드 (405) 부분은 아치와 유사한 방식으로 작용되어 적도면에서 하중-지지 부재로 작동하기에 충분히 높은 원주방향 압축 강성 및 길이방향 굽힘 강성을 제공한다. 본원에서 사용되는, "적도면"은 휠 회전축에 수직 통과하며 휠 구조를 양분하는 면을 의미한다.
차량 (미도시)에서 허브 (430) 로 전달되는 휠 (401) 하중은 실제로 밴드 (405) 하중 지지부에 부착되는 웨브 스포크들 (420)에 걸린다. 접지 영역에 있는 웨브 스포크들 (420)은 하중으로 인한 인장 하중을 받지 않는다. 물론 휠 (401)이 회전되면 아치로 작용하는 유연성 밴드 (405)의 특정 부분은 계속적으로 변하지만, 아치 개념은 하중지지기구를 이해하기에 유용하다. 밴드 (405) 굽힘 정도, 및 따라서, 접촉면 크기는 하중에 비례한다. 하중을 받아 탄성적으로 밴드 (405)가 굽혀지므로 공압 타이어와 유사하게 작용하는 유연한 접지면 및 유사한 유리한 결과를 얻을 수 있다.
예를들면, 밴드 (405)는 장애물을 덮어서 승차감을 부드럽게 한다. 또한, 가속, 코너링, 및 조향 목적으로 밴드 (405)는 힘을 접지 또는 도로로 전달할 수 있다. 반대로, 전형적인 솔리드 및 쿠션 타이어에서, 하중은 경직성 허브 아래의 쿠션 재료 압축을 포함한 접촉면에 있는 타이어 구조체 압축에 의해 지지된다. 쿠션 재료 유연성은 경직성 휠 또는 허브에 있는 재료 압축 특성 및 재료 두께에 의해 제한된다. 유연성 밴드를 사용하는 예시적 비-공압 휠은 미국특허번호 제6,769,465 B2호 및 제7,650,919 B2호 에서 찾을 수 있다.
계속하여 도 10 및 11을 참조하면, 웨브 스포크들 (420)은 반경 방향 길이 L, 및 유연성 (compliant) 밴드 (405)의 축 방향 폭과 대체로 상응하는 축 방향 폭 W을 가지는 실질적으로 판상-유사 요소들이지만, 도 11에 도시된 바와 같이 반경 방향을 따라 변경되는 폭을 포함한 다른 폭 W이 적용될 수 있다. 또한 웨브 스포크들 (420)은 길이 L 또는 폭 W보다 대체로 훨씬 작은 두께 (즉 길이 L 및 폭 W에 수직한 치수)를 가지므로, 이에 따라 웨브 스포크는 압축을 받으면 좌굴 또는 굽혀질 수 있다. 웨브 스포크들이 얇을수록 실질적 압축내력 없이도 즉 하중 지지부에 전달되는 압축력이 전혀 없거나 무의미한 경우에도 접촉면적을 통과할 때 굽혀진다. 웨브 스포크들 (420) 두께가 증가하면, 웨브 스포크들은 접지면적에 일부 압축 하중 지지력을 제공할 수 있다. 그러나, 전체적으로 웨브 스포크들 (420)의 주요 하중 전달 작용은 인장에 있다. 차량 또는 분야의 특정 요구에 일치하도록 특정 웨브 스포크의 두께가 선택될 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 바람직하게는, 웨브 스포크들 (420)은 유연성 밴드 (405)에 대하여 축 방향 A를 가로질러 배향된다. 웨브 스포크들 (420)에서의 인장력은, 따라서 밴드 (405)에 걸쳐 분산되어 하중을 지지한다. 예를들면, 웨브 스포크들 (420)은 약 10 내지 100 MPa의 인장탄성률을 가지는 탄성체 재료로 형성될 수 있다. 필요하다면 웨브 스포크들 (420)이 보강될 수 있다. 웨브 스포크 (420) 제조에 사용되는 재료는 예를들면, 30%로 변형된 후 원래 길이로 회복될 수 있는 탄성 거동을 보여야 하고 웨브 스포크가 예를들면, 4% 변형될 때 일정한 응력을 보여야 한다. 또한, 관련 작동 조건에서 tan δ가 최대한 0.1인 재료가 바람직하다. 예를들면, 상업적으로 입수되는 고무 또는 폴리우레탄 재료는 이러한 조건들을 충족하는 것으로 확인된다. 또 다른 예시로써, 코네티컷 미들베리 (Middlebury, Conn.)의 Chemtura 사에서 판매되는 상표 Vibrathane B836우레탄이 웨브 스포크 (420) 제조에 적합하였다.
도 10 및 11의 예시적 실시예에서, 웨브 스포크들 (420)은 휠 (401)이 장착되는 허브 (430)를 감싸는 반경방향 내향의 장착 밴드 (425)에 연결된다. 제조 재료 및 제조 공정에 따라, 허브 (430), 장착 밴드 (425), 환형 밴드 (405), 및 웨브 스포크들 (420)은 단일 단위로 성형될 수 있다. 달리, 이러한 하나 이상의 부품들이 별개로 형성되고 예를들면, 접착제 또는 성형되어 상호 결합될 수 있다. 또한, 기타 부품들도 포함될 수 있다. 예를들면, 계면 밴드가 사용되어 반경방향 외향 말단에서 웨브 스포크들 (420)을 연결하고 계면밴드는 밴드 (405)와 연결될 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 웨브 스포크들 (420)은 허브 (430)에 기구적으로 부착될 수 있고, 예를들면, 허브 (430)에 있는 슬롯 기구와 체결될 수 있는 각각의 웨브 스포크 (420) 내단에서 확장부를 제공하여 부착하거나, 또는 인접한 웨브 스포크들 (420)을 부착하여 허브 (430)에 형성되는 훅 또는 바 (bar)에서 루프를 형성할 수 있다.
효과적으로 높은 인장 강도를 가지고 매우 낮은 압축 강도를 가지는 웨브 스포크 (420)에 의해 실질적으로 순수한 인장 하중 지지체가 얻어진다. 특정 방향 굽힘을 용이하게 하기 위하여, 웨브 스포크들 (420)은 만곡 될 수 있다. 달리, 웨브 스포크들 (420)은 만곡체로 성형하고 냉각 과정에서 열 수축하여 직선화하여 특정 방향으로 굽힘 편향되도록 제조할 수 있다.
웨브 스포크들 (420)은 예를들면, 휠 (401)에 토크가 인가될 때 환형 밴드 (405) 및 허브 (430) 사이의 비틀림에 견딜 수 있어야 한다. 또한, 예를들면, 선회하거나 코너링 할 때 웨브 스포크들 (420)은 횡 방향 변위에 견딜 수 있어야 한다. 이해될 수 있는 바와 같이, 반경방향-축 평면에 놓인 웨브 스포크들 (420)은 반경방향 및 축 방향과 정렬되고, 축 방향 힘에 대한 높은 저항을 가지지만, 특히 반경 방향 R으로 신장되면, 원주 방향 C에서 토크에 대하여 상대적으로 낮은 저항을 가진다. 예를들면, 상대적으로 낮은 토크를 형성하는 소정의 차량 및 분야에서, 반경 방향 R과 정렬되는 상대적으로 짧은 스포크들 (420)을 가지는 웨브 스포크들이 적합하다. 높은 토크가 예상되는 분야에서, 미국특허 7,013,939의 도 5 내지 8에 도시된 바와 같은 배열 중 하나가 적합하다. 본원에 도시된 변형들에서, 반경방향 및 측면의 내력 (force-resisting) 요소들을 유지하면서도 반경방향 및 원주 방향 모두에서 내력 요소를 포함하여, 따라서 토크에 대한 저항이 추가되는 웨브 스포크들 배향이 제공된다. 배향 각도는 사용되는 웨브 스포크들 개수 및 인접한 웨브 스포크들 사이 간격에 따라 선택된다. 기타 대안적 배열도 적용될 수 있다.
본 발명인 유연성 휠 이점 중 하나는 밴드 (405) 및 웨브 스포크들 (420) 크기 및 배열을 선택함으로써 휠의 수직, 측면, 및 비틀림 강도를 서로의 접촉 압력과 무관하게 조정할 수 있다는 것이다. 밴드 (405), 하중 지지 및 유연성 작동 인자들은, 적도면에서 원주방향 압축 강도 및 길이방향 굽힘 강도가 설계 하중 요건에 충족되는 재료를 선택함으로써 부분적으로 결정될 수 있다. 이러한 인자들은 휠 (401) 직경, 축 방향 A의 환형 밴드 (405) 폭, 반경 방향 R의 밴드 (405) 두께, 및 웨브 스포크들 (420) 길이 및 간격 관점에서 검토될 수 있다. 웨브 스포크들 개수는 밴드 (405) 환형이 유지되도록 선택되고, 인접한 웨브 스포크들 (420) 사이 간격에 따라 변동된다.
계속하여 도 11에서, 전기된 바와 같이, 밴드 (405)는 환형 보강 구조체 (1)를 포함한다. 밴드 (405)는 예를들면, 비-공압 휠 (401) 일부로 일체적으로 성형되거나 별도로 제작되어 휠 (401)의 다른 요소로 부착될 수 있다. 예를들면, 예시적 휠 (401) 제조방법에서, 환형 보강 구조체 예를들면, 구조체 (1)는 전기된 하나 이상의 방법으로 제작되고 코어 (4)는 환형 보강 밴드 (2, 3) 사이에 배치된다. 형성된 조립체 (도 1 및 2)를 몰드에 넣고 밴드 (405)로서 주조하고, 이것은 휠 (401)의 다른 요소들 예를들면 웨브 스포크 (420)와 연결된다. 예를들면, 밴드 (405) 주조는 코어 (4)를 함침하는 경화체 재료를 몰드 내에 투입하는 것을 포함한다.
달리, 및 또 다른 예시로써, 보강 구조체 (1)를 몰드 내부에 넣고 휠 (401)을 주조한다. 예를들면, 환형 보강체 (1)를 스포크 (420), 장착 밴드 (425), 및 허브 (430)를 형성하는 하나 이상의 공동을 제공하는 휠 몰드에 투입할 수 있다. 달리, 허브 (430)를 별도로 형성시키고 성형된 장착 밴드 (425)에 수용한다. 그리고 경화체 재료를 몰드에 제공하여 비-공압 휠 예를들면, 휠 (401)의 특징부 (예를들면, 스포크, 밴드, 기타 등)를 형성한다. 또한 경화체 재료는 전기된 바와 같이 코어 (4) 및 잠재적 환형 보강 밴드 (2, 3)를 함침 할 수 있다. 도 11은 밴드 (405)를 형성하는 경화체 재료 (26)가 코어 (4)에 침투하지 않은 환형 보강 밴드 (1)를 도시하고 도 12는 경화체 재료가 코어 (4)를 침투하는 환형 보강 밴드 (1)를 도시한다. 예를들면, 이러한 구조에 적합한 경화체 재료는 예를들면, 코네티컷 미들베리 (Middlebury, Conn.)의 Chemtura 사에서 판매되는 상표 Vibrathane B836우레탄이다.
형성된 휠 (401) 주조물은 트레드 밴드 또는 트레드부 (410)가 제공되어 구조적 지지, 비-공압 휠 제조 공정이 완료된다. 본 발명의 다른 예시적 방법에서, 환형 보강 구조체의 주조물을 트레드부 (410)에 억지 끼워 맞추고 양자를 원하는 형상의 휠 몰드에 투입한다. 이러한 방법으로 휠 몰드 개폐 과정에서 발생하는 스포크 (420) 및/또는 밴드 (425) 사이의 간섭 (interference) 문제를 제거할 수 있다.
본 발명은 특정 예시적 실시예 및 방법을 참조하여 상세하게 설명되었지만, 본 분야의 기술자들은, 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 (20)

  1. 제1 보강 밴드, 제2 보강 밴드, 및 제1 및 제2 보강 밴드 사이의 코어를 포함하는 환형 보강 구조체를 가지는 비-공압 타이어 제조방법에 있어서,
    내부 및 외부 보강 밴드가 동심원으로 이격되어 내부 및 외부 보강 밴드 사이 환형 공간을 형성하도록 내부 및 외부 보강 밴드를 제1 몰드에 제공하는 단계;
    내부 및 외부 보강 밴드 사이에서 0.75 g/cm3 또는 이상의 밀도를 가지는 코어를 포함하는 주조물 (casting)이 제공되도록 내부 및 외부 보강 밴드 사이의 공간으로 제1 몰드에 코어 재료를 삽입하는 단계;
    비-공압 휠의 하나 이상의 특징부를 성형하기 위하여 최소한 하나의 공동을 제공하는 제2 몰드로 상기 삽입 단계에서 나오는 주조물을 배치하는 단계; 및,
    비-공압 휠의 하나 이상의 특징부를 형성하기 위하여 경화체 (matrix) 재료를 제2 몰드에 도입하는 단계로 구성되는, 비-공압 타이어 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 외부 보강 밴드는 외부 표면을 가지고, 코어 재료는 외부 보강 밴드 외부 표면을 피복하지 않는, 비-공압 타이어 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 내부 보강 밴드는 내부 표면을 가지고, 코어 재료는 내부 보강 밴드 내부 표면을 피복하지 않는, 비-공압 타이어 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 삽입단계에서 사용되는 코어 재료는 열가소성 중합체, 열경화성 중합체, 세라믹, 콘크리트 및 유기금속화합물로 이루어진 군에서 선택되는, 비-공압 타이어 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 삽입단계 결과 0.90 g/cm3 또는 이상의 밀도를 가지는 코어 주조물이 생성되는, 비-공압 타이어 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 외부 보강 밴드는 외부 표면을 가지고, 제1 몰드는 외부 보강 밴드의 외부 표면과 접하는 탄성 표면을 가지는 측벽을 포함하여 외부 표면이 측벽의 탄성 표면에 압착될 때, 상기 삽입 단계에서 코어 재료가 외부 보강 밴드 외부 표면을 피복하지 못하도록 방지하는, 실 (seal)이 형성되는, 비-공압 타이어 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 외부 보강 밴드는 단일 섬유사 또는 다중-섬유사로 이루어진 군에서 선택되는 코드로 구성되고, 코드는 나선방향으로 최소한 3회전 감기는, 비-공압 타이어 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 내부 보강 밴드는 내부 표면을 가지고, 제1 몰드는 내부 보강 밴드의 내부 표면과 접하는 탄성 표면을 가지는 측벽을 포함하여 내부 표면이 측벽의 탄성 표면에 압착될 때, 상기 삽입 단계에서 코어 재료가 내부 보강 밴드 내부 표면을 피복하지 못하도록 방지하는, 실 (seal)이 형성되는, 비-공압 타이어 제조방법.
  9. 제1항에 있어서, 내부 보강 밴드는 단일 섬유사 또는 다중-섬유사로 이루어진 군에서 선택되는 코드로 구성되고, 코드는 나선방향으로 최소한 3회전 감기는, 비-공압 타이어 제조방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 삽입 단계에서 사용되는 코어 재료는 중합 가능한 액상 반응혼합물로서 내부 및 외부 보강 밴드 사이 공간으로 도입되는, 비-공압 타이어 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 외부 보강 밴드는 액상 반응혼합물에 불침투성인, 비-공압 타이어 제조방법.
  12. 제10항에 있어서, 내부 보강 밴드는 액상 반응혼합물에 불침투성인, 비-공압 타이어 제조방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 삽입단계 결과 코어가 탄성 재료로 구성되고 밀도가 0.90 g/cm3 또는 이상인 주조물이 제공되는, 비-공압 타이어 제조방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 삽입 단계에서 사용되는 코어 재료는 열가소성 및 열경화성 중합체로 이루어진 군에서 선택되는, 비-공압 타이어 제조방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 삽입 단계에서 사용되는 코어 재료는 0.90 g/cm3 또는 이상의 밀도를 가지는 폴리우레탄으로 구성되는, 비-공압 타이어 제조방법.
  16. 제1항에 있어서, 상기 도입단계에서 사용되는 경화체 재료는 열가소성 중합체, 열경화성 중합체, 세라믹, 콘크리트 및 유기금속화합물로 이루어진 군에서 선택되는, 비-공압 타이어 제조방법.
  17. 반경방향 및 원주방향으로 형성되는 비-공압 휠에 있어서,
    접지 트레드부를 지지하고 상기 원주방향 주위로 연장되는 환형 밴드;
    상기 환형 밴드 내에 위치된 환형 보강 구조체로서, 상기 원주방향을 따라 연장되는 내부 보강 밴드; 상기 원주방향을 따라 연장되고 상기 내부 보강 밴드의 반경방향-외향에 위치하는 외부 보강 밴드; 및 상기 내부 및 외부 보강 밴드 사이에 최소한 부분적으로 위치하는 코어;를 포함하고, 상기 코어는 상기 내부 및 외부 보강 밴드 사이에서 현장 (in place) 형성되는 재료로 제조되고 밀도는 0.75 g/cm3 또는 이상인, 상기 환형 보강 구조체;
    상기 환형 밴드의 반경방향-내향에 위치하는 장착 밴드;
    상기 환형 밴드 및 상기 장착 밴드 사이에 연결되는 복수의 웨브 스포크; 및
    상기 코어를 함침하며 또한 상기 복수의 웨브 스포크의 최소한 일부를 형성하는 경화체 재료;를 포함하는, 비-공압 휠.
  18. 제17항에 있어서, 내부 보강 밴드는 단일 섬유사 또는 다중-섬유사로 이루어진 군에서 선택되는 코드로 구성되고, 상기 코드는 나선방향으로 최소한 3회전 감기는, 비-공압 휠.
  19. 제17항에 있어서, 상기 경화체 재료는 열가소성 중합체, 열경화성 중합체, 세라믹, 콘크리트 및 유기금속화합물로 이루어진 군에서 선택되는, 비-공압 휠.
  20. 제17항에 있어서, 상기 경화체 재료는 폴리우레탄을 포함하는, 비-공압 휠.
KR1020137019626A 2010-12-29 2011-09-09 다중 보강 밴드를 가지는 환형 구조체 KR101529064B1 (ko)

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