KR101849520B1 - 향상된 내구성을 위한 최적 두께를 갖는 타이어용 스포크 - Google Patents

향상된 내구성을 위한 최적 두께를 갖는 타이어용 스포크 Download PDF

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Abstract

본 발명은 사용시에 피로를 줄여주는 비공압 타이어용 스포크 기하학적 구조를 제공한다. 특히, 상기 스포크 기하학적 구조에는 스포크의 길이에 걸쳐 최적 두께 프로파일이 제공된다. 그 결과, 이러한 최적화는 상기 스포크에서 피크 변형 에너지 밀도 수준을 감소시키고, 이에 의하여 균열 개시 및 확대의 가능성을 줄여서 결과적으로 상기 스포크와 타이어의 내구성을 향상시킨다.

Description

향상된 내구성을 위한 최적 두께를 갖는 타이어용 스포크{SPOKE FOR A TIRE WITH OPTIMIZED THICKNESS FOR IMPROVED DURABILITY}
본 출원은 2012년 4월 5일자에 "향상된 내구성을 위한 최적 두께를 갖는 타이어용 스포크"라는 명칭으로 출원된 가출원 특허 U.S. 제61/620,687호의 우선권의 이익을 주장하며, 이의 전체 내용은 모든 목적을 위해 본 명세서에 참조로서 통합된다.
본 발명은 사용시에 피로를 줄여주는 비공압 타이어용 스포크 기하학적 구조를 제공한다. 특히, 상기 스포크 기하학적 구조에는 스포크의 길이에 걸쳐 최적 두께 프로파일이 제공된다. 그 결과, 이러한 최적화는 스포크에서 피크 변형 에너지 밀도 수준을 감소시키고, 이에 의하여 균열 개시 및 확대의 가능성을 줄여서 결과적으로 상기 스포크와 타이어의 내구성을 향상시킨다.
비공압적이나 구조적으로 지지되는 타이어는 종래 기술에 개시되어 있다. 예를 들어, 본 발명의 출원인에 의해 일반적으로 소유된 U.S. 특허 제7,201,194호는 내부 공기압 없이 하중을 지지하는 구조적으로 지지되는 탄성 타이어에 관한 것이다. 이로써, 본 특허의 전체 내용은 참조로서 통합된다. 예시적인 일 실시예에서, 이러한 비공압 타이어는 외부 환형 전단 밴드 및 상기 환형 밴드를 횡 방향으로 가로지르면서 이로부터 반경 내측방향으로 연장되고 휠이나 허브에 고정되는 복수의 웹 스포크를 포함한다. 일부 예시적인 실시예들에서, 상기 환형 전단 밴드는 전단 층, 상기 전단 층의 반경 내측방향 정도까지 부착되는 적어도 제1 멤브레인, 상기 전단 층의 반경 외측방향 정도까지 부착되는 적어도 제2 멤브레인을 더 포함할 수 있다. 필요한 타이어 압력 없이 작동하는 능력 외에, U.S. 특허 제7,201,194호의 발명은 접촉 면적의 전체 길이에 걸쳐 보다 균일한 접지압을 포함하는 이점을 또한 제공한다. 그러므로, 이러한 타이어는 공압 타이어의 성능을 모방한다.
도 1은 반경 방향(R) 및 (상기 반경 방향에 수직하고 타이어가 구르는 방향에 수직한) 횡 방향(T)을 규정하는 이러한 타이어를 도시하고 있다. 참고로, 본 명세서에서 사용된 100번대의 모든 참조 부호는 종래 타이어 및 스포크 디자인을 나타내고, 본 명세서에서 사용된 200번대의 모든 참조 부호는 본 발명의 일 실시예에 따른 새롭게 향상된 타이어 및 스포크 디자인을 나타낸다. 타이어(100, 200)는 종래 기술에서 공지된 수단에 의해 그의 내측방향 정도(110, 210)에서 허브나 휠(108, 208)에 차례로 연결되는 스포크들(106, 206)의 외측방향 정도(104, 204)까지 부착되는 트레드(tread)(102, 202)를 포함한다. 도시된 타이어(100, 200)의 형태를 위해, 상기 스포크들(106, 206)은 폴리우레탄 액체를 회전 금형과 같은 금형에 주입함으로써 형성되는데, 이때 상기 액체는 양생되거나 경화된다. 또한, 상기 스포크들(106, 206)은 쌍으로 그룹화되고, 각 쌍 내의 개개의 스포크들(106', 106", 206', 206")은 일관되게 서로 이격되어 있고, 각 쌍은 상기 타이어의 둘레 주변의 인접한 쌍으로부터 일관되게 이격되어 있는 것을 알 수 있다. 각 쌍 내의 간격 및 각 인접한 쌍 간의 간격은 동일할 필요가 없다.
'194 특허의 요약서 및 2칼럼 28-41라인에 기재된 바와 같이, 상기 스포크들(106, 206)은 타이어(100, 200)의 상부 근처에서 상기 타이어(100, 200)를 인장 형태로 지지하고 압축 형태로 지지하지 않는다. 대신에, 접촉 패치 근처의 상기 타이어의 바닥에서의 스포크들(106, 206)은, 상기 타이어의 트레드(102, 202)가 도로와 접촉하고 있는 경우에, 쉽게 압축되거나 휘어진다. 이는 상기 타이어가 공압 타이어의 공압 지지 기능을 모방하는데 도움을 준다. 예상될 수 있는 바와 같이, 이러한 스포크들(106, 206)들은 특히 상기 타이어(100, 200)가 고속으로 회전함에 따라 인장 형태로부터 압축 형태로 많은 반복 응력을 받는다. 이는 상기 스포크들에 대해 피로 파괴의 위험을 초래한다. 그 결과, 상기 스포크들(106, 206)의 내구성 및 상기 타이어(100, 200)의 작동성은 상기 스포크들(106, 206)이 형성되는 기하학적 구조에 따라 상당히 달라지게 된다.
이하, 균열 개시 및 확대에 의해 야기되는 피로 파괴에 약한 종래의 스포크 디자인의 측단면도인 도 2를 살펴볼 것이다. 명확성을 위하여, 스포크들만이 도시되어 있다. 상기 스포크의 두께(T106)는 비교적 2.8mm로 일정하고, 상기 스포크들이 허브 및 트레드에 연결되는 상기 스포크들(106', 106")의 단부(112', 112")는 약 1mm 더 두꺼운 3.8mm 두께이다. 그러므로, 상기 스포크의 두께가 하방향으로 테이퍼지는 상기 스포크의 각 단부에 변이 영역이 있고, 이에 따라 각 단부로부터 상기 스포크의 반경 방향 높이(Hr)의 대략 25%에서 상기 스포크는 최종적으로 감소된 2.8mm의 두께를 갖는다.
이러한 스포크 디자인의 시험은 상기 스포크의 피로 한계가 타이어의 하중 용량을 제한하는 것을 보이고 있다. 상기 하중이 너무 크면, 이때 상기 타이어(100)가 도로면에서 구름에 따라 상기 스포크(106)가 인장과 압축 사이에서 반복되므로 상기 타이어는 시간이 지나면서 결국 균열들이 확대되는 경향이 있다. 따라서, 더 큰 하중 한계에서 균열 개시 및 확대가 일어날 가능성을 줄이는 향상된 스포크 디자인이 요구된다. 또한, 용이하게 성형될 수 있으며 타이어 다른 성능들을 악화시키지 않는 이러한 디자인이 특히 유리할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 타이어는 반경 방향 및 횡 방향을 정의하고, 제1 값에서 시작하고, 제2 값으로 점차 감소한 후에, 제3 값으로 점차 증가한 후에, 제4 값으로 감소한 후에, 제5 값으로 다시 증가하여 상기 기본 반경 방향을 따라 스포크의 길이를 따라서 변화하는 두께를 포함하는 바디 기하학적 구조를 갖는 상기 스포크 및 트레드를 더 포함한다.
일부 경우들에 있어서, 상기 스포크 두께의 제1, 제3, 및 제5 값들은 대략 동일하다. 이는 본 경우일 때, 상기 스포크 두께의 제2 및 제4 값들은 또한 동일할 수 있다. 이러한 경우, 상기 두께의 제2 및 제4 값들은 상기 제1, 제3, 및 제5 값들 중 상기 값의 60%일 수 있다. 특정 실시예에서, 상기 타이어가 205/55N16 크기의 타이어인 경우, 상기 스포크 두께의 제1, 제3, 및 제5 값들은 약 3.4mm이고, 상기 스포크 두께의 제2 및 제4 값들은 약 2.0mm이다. 이러한 경우, 상기 스포크들의 반경 방향 높이는 약 76mm일 수 있다. 또한, 상기 스포크는 상기 스포크의 두 단부들 사이에서 완전한 직선 경로로부터 상기 스포크의 오프셋 또는 편차를 가질 수 있고, 상기 오프셋은 상기 반경 방향 높이의 25%이하일 수 있고 바람직하게는 상기 반경 방향 높이의 약 15%일 수 있다. 이러한 타이어의 스포크는 상기 타이어의 중심을 향해 15mm의 편향(deflection)받을 때 탄성적으로 변형할 수 있다.
일부 경우들에 있어서, 상기 스포크의 두께가 상기 스포크의 길이를 따라 두번 증가하고 감소하는 경우, 상기 스포크는 4개의 구역들이나 영역들을 포함할 수 있고 상기 스포크의 길이를 따르는 중심선을 가질 수 있고, 상기 중심선은 두개의 변곡점들 및 상기 중심선을 따라 상기 변곡점들 사이에 있는 중간점을 갖는다. 상기 스포크 두께의 제1 값은 상기 스포크의 일 단부에 있을 수 있으며 상기 스포크 두께의 제5 값은 상기 스포크의 타 단부에 있을 수 있다. 이러한 경우, 제1 구역은 상기 두께가 상기 제2 값으로 감소하는, 상기 제1 단부와 제1 변곡점 사이의 변이 영역이고, 제2 구역은 상기 두께가 상기 제3 값으로 증가하는, 상기 제1 변곡점과 상기 중간점 사이의 변이 영역이고, 제3 구역은 상기 두께가 상기 제4 값으로 증가하는, 상기 중간점과 상기 제2 변곡점 사이의 변이 영역이며, 제4 구역은 상기 두께가 상기 제5 값으로 증가하는, 상기 제2 변곡점과 상기 스포크의 타 단부 사이의 변이 영역이다.
다시 이러한 경우, 상기 두께의 제2 및 제4 값들은 상기 제1, 제3, 및 제5 값들 중 상기 값의 약 60%일 수 있다. 특정 실시예에서, 상기 타이어가 205/55N16 크기의 타이어인 경우, 상기 스포크 두께의 제1, 제3, 및 제5 값들은 약 3.4mm이고, 상기 스포크 두께의 제2 및 제4 값들은 약 2.0mm이다. 이러한 경우, 상기 스포크들의 반경 방향 높이는 약 76mm일 수 있다. 또한, 상기 스포크는 상기 반경 방향을 따라 완전한 직선 경로로부터 상기 스포크의 오프셋 또는 편차를 가질 수 있고, 상기 오프셋은 상기 반경 방향 높이의 25%이하일 수 있고 바람직하게는 상기 반경 방향 높이의 약 15%일 수 있다. 이러한 타이어의 스포크는 상기 타이어의 중심을 향해 15mm의 편향을 받을때 탄성적으로 변형할 수 있다.
상기 실시예들 중 임의의 실시예에 있어서, 상기 중심선은 선들 및 원호들과 같은 일련의 분석 곡선들로 구성될 수 있고, 상기 중심선의 각 측 상에서 상기 스포크의 경계선들은 또한 선들 및 원호들과 같은 일련의 분석 곡선들로 구성될 수 있다. 또한, 상기 실시예들 중 임의의 실시예는 상표명 VIBRATHANE B836의 고형체와 같은 폴리우레탄으로 이루어질 수 있다. 일부 경우들에 있어서, 상기 타이어는 타이어의 둘레 주변을 반복하는 동일한 스포크 기하학적 구조들을 갖는 쌍으로 구성된 일련의 스포크들을 포함한다.
과제 해결 수단에서 반드시 표현된 것이 아닌 본 요지의 부가적인 실시예들은 위의 해결 수단 목적에서 언급된 특징들, 구성요소들, 또는 단계들의 양태들의 다양한 조합들 및/또는 본 출원서에서 달리 기재된 바와 같은 다른 특징들, 구성요소들, 또는 단계들을 포함하고 통합할 수 있다. 당업계의 기존 기술에 숙달한 자는 본 명세서의 나머지 내용들을 검토하면 그러한 실시예의 특징들과 양상들을 더 잘 알게 될 것이다.
최적 모드를 포함하고 당업자에게 제공되는 본 요지의 완전한 권능적 개시는 첨부된 도면들을 참조하여 본 명세서에 제시된다.
도 1은 스포크들을 갖는 비공압 타이어의 사시도이다.
도 2는 타이어의 중간면을 따라 명확성을 위해 제거된 트레드와 전단 링을 갖는 비공압 타이어에서 종래에 사용된 제1 구성의 한 쌍의 스포크들을 나타낸 측단면도로서, 상기 중간면은 상기 타이어의 반경 방향과 평행하고 상기 타이어의 횡 방향으로 상기 타이어의 중간점과 일치하는 평면이다.
도 3은 타이어의 중간면을 따라 명확성을 위해 제거된 트레드를 갖는 본 발명의 제1 실시예의 한 쌍의 스포크들을 나타낸 측단면도로서, 상기 중간면은 상기 타이어의 반경 방향과 평행하고 상기 타이어의 횡 방향으로 상기 타이어의 중간점과 일치하는 평면이다.
도 4a는 편향된 상태 및 비편향된 상태 양자에서 종래의 스포크 디자인 및 본 발명의 일 실시예에 따른 스포크 디자인에 대한 FEA 결과들을 나타낸 도면으로서, 15mm의 편향에서 양 디자인과 연관된 피크 변형 에너지 밀도를 도시하고 있다.
도 4b는 스포크들의 중간 근처에서 보이는 피크 응력들이 보다 명확하게 보일 수 있도록 횡 방향으로부터 경사지게 도시된 도 4a의 FEA 결과들의 도면이다.
도 4c는 표 1에 나타낸 데이터에 따라 도시된, 종래 디자인의 스포크와 본 발명의 일 실시예의 디자인과 연관된 피크 변형 에너지 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 4d는 종래 스포크 디자인에 비해, 본 발명의 일 실시예에 따른 디자인의 더 효율적인 재료 사용을 나타낸 그래프이다.
이하, 도면에 도시된 하나의 이상의 예들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명할 것이다. 각 예는 본 발명의 설명을 통해 제공되고 본 발명을 제한하지는 않는다. 예를 들어, 일 실시예의 일부로서 도시되거나 설명되는 특징들은 제3 실시예를 계속해서 나타내기 위한 다른 실시예들을 위해 이용될 수 있다. 본 발명은 이러한 그리고 다른 수정 및 변경을 포함하도록 의도된다. 설명을 위해, 예시적인 타이어 실시예들의 일부만이 하나 이상의 도면에 도시될 수 있다는 것을 유념하여야 한다. 참조 부호는 독자가 다양한 실시예들을 확인하는데 도움을 주기 위해서만 도면에서 사용되고 실시예들 중에서 임의의 제한적인 차이를 유도하는 것으로 의도되지 않는다. 일 실시예에 대한 공통 또는 유사 부호는 다른 실시예에서 유사한 요소를 나타낸다.
균열 개시 및 확대에 야기되는 피로로 인해 때때로 파괴되는 종래 기하학적 구조의 경향을 고려하여, 본 발명의 발명자들은 이러한 현상이 덜 자주 일어나도록 상기 기하학적 구조를 향상시키기 위한 방법에 대한 이론을 계속해서 제시하였다. 감소된 피크 변형 에너지 밀도를 갖는 디자인은 균열 개시 및 확대의 대응하는 감소를 가질 수 있다는 것을 경험으로 입증하였다. 따라서, 발명자들은 어떤 기하학적 구조가 피크 변형 에너지 밀도를 효과적으로 낮출 수 있는 가를 판단하기 위해 반복 과정을 사용하였고, 후술될 내용은 FEA 결과들에 의해 지지되는 바와 같은 효과적인 해결책을 발명자들이 발견한 것에 대한 것이다. 후술될 바와 같이, 이러한 디자인은 실험적 데이터에 근거하여 약 40%만큼 피크 변형 에너지 밀도를 낮추고, 그 결과 스포크의 피로 수명을 약 200% 향상시킬 수 있다. 또한 더 후술될 바와 같이, 이러한 향상량 및 타이어의 다른 성능들을 악화시키지 않고 상기 스포크의 동일한 질량 및 강도로 이러한 향상을 이루는 기하학적 구조는 예상치 못한 결과이다.
이하, 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스포크들의 측단면도가 도시된 것을 볼 수 있다. 명확성을 위해, 상기 스포크들은 구조체의 나머지로부터 제거되어 있다. 스포크들(206', 206")의 단면 형상을 살펴보면, 상기 스포크들(206', 206")의 단부들(212', 212") 사이에서 상기 타이어의 반경 방향을 따라 상기 스포크의 길이 전체에 걸쳐 상기 스포크의 바디의 두께(T206)가 달라지는 것을 유념해야 한다. 또한, 상기 스포크의 형상은 두개의 변곡점들(216, 218)을 갖는 중심선(214)을 갖도록 이루어지고, 상기 스포크의 곡률이 두 변곡점들 사이에 있는 중간점(220) 및 방향을 상기 변곡점들(216, 218)에 대하여 변경시킨다. 또한, 상기 반경 방향으로 직선 거리인 반경 방향 높이(Hr)가 있고, 상기 스포크의 중심선은 반경 방향을 따라 연장될 수 있지만 상기 변곡점들로 인해 연장되지 않는다.
더 나아가, 상기 스포크의 중심선이 Hr로부터 상기 중심선(214)으로 수직한 방향으로 측정될 수 있는 Hr로부터 형성되는 오프셋(O) 또는 편차가 있고, 이러한 특정 스포크들을 위해 이러한 오프셋은 중간점(220)에서 최대에 이른다. 또한, 상기 변곡점들은 스포크의 각 단부로부터 상기 값(Hr)의 25%와 대략 같은 거리에 위치된다. 이러한 실시예에서, 상기 스포크의 일 단부(212')에서의 두께는 상기 두께가 제1 변곡점(216)에서 최대에 이를 때까지 점차 감소된다. 상기 제1 단부(212')와 제1 변곡점(216) 사이의 상기 스포크의 부분은 구역 1(222)로 불리울 수 있다. 이때, 상기 스포크의 두께가 최대에 이르는 상기 중간점(220)에 도달할 때까지 상기 스포크의 두께는 증가한다. 상기 제1 변곡점(216)과 중간점(220) 사이의 영역은 구역 2(224)로 불리울 수 있다. 이때, 상기 스포크의 두께가 다른 최소에 이르는 상기 제2 변곡점(218)에 도달할 때까지 상기 스포크의 두께는 감소하기 시작한다. 상기 중간점(220)과 제2 변곡점(218) 사이의 영역은 구역 3(226)으로 불리울 수 있다. 최종적으로, 상기 스포크의 두께가 다른 최대에 이르는 상기 스포크의 타 단부(212')에 도달할 때까지 상기 스포크의 두께는 점차 증가하기 시작한다. 상기 제2 변곡점(218)과 상기 스포크의 타 단부(212') 사이의 영역은 구역 4(228)로 불리울 수 있다.
이러한 실시예에서, 상기 타이어는 205/55N16 크기의 타이어이고, 이는 상기 타이어의 횡 방향으로 상기 스포크들의 깊이가 (도 1에 최적으로 도시된 바와 같이) 상기 스포크들의 전후방 말단의 오목한 프로파일로 인해 트레드 근처에서 약 205mm 및 허브 근처에서 약 155mm인 것을 의미한다. 상기 중간점(220) 및 스포크 단부들(212')의 두께는 약 3.4mm로 모두 대략 동일한 크기이고, 상기 변곡점들에서 상기 스포크의 두께는 약 2.0mm로 대략 동일하다. 이는 상기 스포크들의 가장 두꺼운 면적에 대한 얇은 면적의 비율이 약 60%인 것을 의미한다. 이러한 스포크들은 상기 타이어의 중심을 향해 반경 방향으로 15mm만큼 편향될 때에 탄성적으로 변형하도록 설계된다. 이러한 타이어용 스포크들의 반경 방향 높이(Hr)는 약 76mm이고, 상기 오프셋(O)은 약 12mm이다. 그러므로, 이러한 타이어에 대해, Hr에 대한 O의 비율은 약 15%이지만, 이는 상기 스포크가 완전한 직선인 경우에 25% 정도로 커지거나 0% 정도로 작아질 수 있는 것이 고려된다.
또한, 상기 스포크의 두께가 상기 스포크의 중심선의 길이를 따라 계속해서 증가하고 감소하는 한, 상기 변곡점들에서 상기 스포크의 두께뿐만 아니라 상기 스포크의 중간부 및 상기 스포크들의 단부들의 상대 두께들은 달라질 수 있다. 예를 들어, 상기 스포크의 제1 단부의 두께는 3.4mm일 수 있고, 상기 제1 변곡점에서 상기 스포크의 두께는 2.4mm일 수 있고, 상기 중간점에서 상기 스포크의 두께는 3.0mm일 수 있고, 상기 제2 변곡점에서 상기 스포크의 두께는 1.5mm일 수 있고, 상기 타 단부에서 상기 스포크의 두께는 3.6mm일 수 있다. 또한, 상기 스포크들의 기하학적 구조를 규정하는 곡선들은 임의의 유형일 수 있다. 그러나, 이러한 특정 실시예에서, 상기 스포크들의 중심선 및 내외 경계선들로 사용되는 곡선들의 유형은 상기 기하학적 구조를 용이하게 제조하고 검사하기 위하여 선들 및 원호들과 같은 모든 분석 곡선들이다. 또한, 최소 두께가 너무 작아서 이러한 작업들이 어렵지 않도록 금형을 용이하게 제조하고 채우기 위하여 상기 기하학적 구조에 대한 실제적인 한계가 있다.
상기 스포크들은 가공에 적합하고 상기 스포크들이 기능적으로 작용하는데 필요한 물리적 특성을 제공하는데 적합한 임의의 재료를 이용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 폴리우레탄과 같은 임의의 적합한 열경화성 재료가 사용될 수 있다. 특히, 상표명 VIBRATHANE B836의 폴리우레탄 고형체가 사용될 수 있다. 또한, 하나의 스포크가 갖는 기하학적 구조와 다양한 스포크들 간의 공간은 다른 스포크의 기하학적 구조와 상이할 수 있다.
도 4a를 살펴보면, ABAQUS에서 이루어지고 분석된 종래 및 새로운 디자인의 비편향형 메시들이나 모형들과 함께 연관된 피크 변형 에너지 밀도들을 나타내는 이러한 모형들의 편향된 도해들을 볼 수 있다. 도 4b에 최적으로 도시된 바와 같이, 종래 디자인의 15mm 편향에서 피크 변형 에너지가 약 1.09 × 10-2(daN-mm/㎣)이고 본 발명의 일 실시예에 따른 디자인의 15mm 편향에서 피크 변형 에너지는 약 6.7 × 10-3(daN-mm/㎣)인 것을 유념하고, 여기서 이와 연관된 피크 변형 에너지 밀도들은 도해에서 문자들 "A"로 표시된 위치들에서 발견된다. 또 다른 예시를 통해, 양 디자인에 대해 FEA를 이용하여 산출된 위치들 "A"에서 변형 에너지 밀도 대 편향이나 변위의 값들은 바로 아래의 표 1에 포함되어 있고, 도 4c에 그래프로서 도시되어 있다.
Figure 112014094388944-pct00001
예상외로, 상기 피크 변형 에너지 밀도가 가장 큰 상기 스포크의 중간 근처의 두께를 증가시키면, 상기 피크 변형 에너지가 40%보다 크게 실제로 낮아지게 된다. 종래 기술에서 주지된 빔의 두께에 대한 변형률 관련 식이 ε=t/(2*ρ)이므로, 이는 정말로 예상 밖의 결과이고, 상기 식에서 ε은 변형률이고, t는 빔의 두께이고, ρ는 빔의 곡률 반경이다. 두께가 증가하면 변형률이 선형적으로 증가하는 것을 나타내는 이러한 식과 같이 당업자는 상기 빔의 두께의 증가가 상기 변형률을 실제 감소시키는 것을 예상할 수 없었다. 본 발명자들은 상기 빔의 곡률 반경이 실제로 상기 빔의 두께의 기능이어서, 상기 두께의 증가가 일 방식으로 변형률을 증가시키는 경향이 있으면서 또한 곡률 반경을 더 큰 방식으로 증가시키는 역할을 하여 실제 전체적으로 낮은 변형률을 야기한다는 것을 발견하였다.
이러한 현상은 도 4d에서 알 수 있다. 상기 변곡점들 근처의 영역들을 얇게 함으로써, 이러한 변곡점들은 힌지에 가깝게 작용하여 상기 중간점 근처에서 스포크의 영역들은 실제로 덜 휘게 되고, 그 결과 변형시에 피크 변형 에너지 밀도를 줄이게 된다. 또한, 상기 스포크의 중심 두께를 증가시키면 상기 스포크의 중심이 덜 휘는 것을 가능하게 하고 상기 변곡점들 근처의 영역들이 더 휘게 하여 피크 변형 에너지의 감소에도 기여한다. 그래서, 상기 스포크에서 질량보다는 오히려 위치를 변경시킴으로써, 피크 변형 에너지 밀도의 향상이 달성된다. 다시 말해서, 상기 스포크에서 재료의 사용이 더 효율적으로 된다. 또한, 하중 대 스포크의 편향이 비교적 동일하게 유지되게 하여 동일한 강도가 달성될 수 있고, 이에 의하여 상기 스포크와 타이어의 다른 성능들을 유지시킨다. 대안적으로, 피크 변형 에너지 밀도의 감소의 이점 및 상기 스포크의 피로 수명의 증가는 상기 스포크들의 보다 작은 반경 방향 높이에서 이루어져서 낮은 롤링 저항 및 증가된 브레이크 유격을 의미하는 감소된 질량을 야기하는 것을 본 발명자들은 고려한다.
또한, 본 발명은 본 명세서에 기재되지 않은 다른 스포크 기하학적 구조들을 포함하는 것을 유념해야 한다. 예를 들어, 상기 스포크는 본 명세서에 기재된 바와 다른 트레드와 허브 근처의 다른 구조체에 부착될 수 있다. 다시 말해서, 상기 허브와 트레드 사이에서 두께가 적어도 두번 수축하고 팽창하는 상기 타이어의 일반적 반경 방향을 따라 중심선을 따라 기하학적 구조의 부분을 갖는 임의의 스포크 디자인이 본 발명의 일 실시예이다. 이러한 프로파일은 상기 타이어의 원주 방향이나 타이어가 구르는 방향 및 반경 방향과 평행한 상기 타이어의 중간면에서 취해지고, 이러한 바람직한 프로파일은 상기 다수의 스포크가 본 명세서에 기재된 기하학적 구조를 따르는 프로파일을 갖는 한 횡 방향으로 달라질 수 있다는 것을 유념해야 한다. 예를 들어, 상기 횡 방향으로 상기 스포크들의 전후방 말단들은 챔퍼되거나 라운드된 단부들을 가질 수 있어서 상기 단면이 감소되고 본 발명의 범위 내에 여전히 존재하는 것이 고려된다.
또한, 변곡점들의 존재는 본 발명을 실행하는데 반드시 필요한 것은 아니고 직선 스포크가 휘어짐에 따라 변곡점들을 형성하게 할 수 있다. 더 나아가, 상기 스포크들이 접촉 패치로부터 반경 방향으로 대향하는 타이어의 상부 근처에 있는 경우에 상기 스포크가 필요한 하중 지지 성능을 인장 형태로 제공하는데 너무 길지 않으면서 접촉 패치에 또는 그 근처에 있을 때에 필요한 편향을 위해 충분한 유연성을 제공할 수 있다면, 3개 이상의 변곡점들의 존재는 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 또한 간주된다. 또한, 임의의 변곡점들의 위치는 원하는 바대로 달라질 수 있고 최대 오프셋의 위치는 상기 스포크의 중간점에 발생하는데 반드시 필요한 것은 아니다. 또한, 이러한 기술은 상이한 크기의 타이어들 및 상이한 편향들을 필요로 하는데에 적용될 수 있다.
결론적으로, 본 발명은 클레임의 범위 내에 있으며 본 명세서에 기재된 예시적인 실시예들로 이루어질 수 있는 다양한 다른 변경 및 예시적인 실시예들의 해결 수단에서의 균등물을 포함하는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 주어진 구체적인 예들은 폴리우레탄의 사용과 관련되지만 다른 열경화성이나 열가소성 재료들이 사용될 수 있는 것이 고려된다. 또한, 본 명세서에 기재된 금형은 회전 금형이지만, 인젝션 몰딩과 같은 다른 성형이나 주조 기술들이 사용될 수 있다. 이러한 그리고 다른 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위 내에 있다.

Claims (17)

  1. 반경 방향 및 횡 방향을 정의하고, 트레드와 바디 기하학적 구조를 갖는 스포크를 구비하는 타이어로서,
    상기 바디 기하학적 구조는 제1 값에서 시작하고, 제2 값으로 점차 감소한 후에, 제3 값으로 점차 증가한 후에, 제4 값으로 감소한 후에, 제5 값으로 다시 증가하여 상기 반경 방향을 따라 스포크의 길이를 따라서 변화하는 두께를 포함하며, 상기 스포크의 길이는 소정 경로를 따르고 상기 경로는 상기 스포크의 제1 단부로부터 상기 스포크의 제2 단부로의 완전한 직선 경로로부터 오프셋되고,
    상기 스포크 두께의 상기 제1, 제3, 및 제5 값들은 동일하고, 상기 스포크 두께의 상기 제2 및 제4 값들은 동일하고, 상기 스포크 두께의 상기 제2 및 제4 값들은 상기 제1, 제3, 및 제5 값들의 60%이며,
    상기 타이어는 205/55N16 크기의 타이어이고, 상기 스포크 두께의 상기 제1, 제3, 및 제5 값들은 3.4mm이고, 상기 스포크 두께의 상기 제2 및 제4 값들은 2.0mm이고, 상기 타이어는 복수의 동일하게 구성된 스포크들을 포함하는, 타이어.
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  6. 청구항 1에 있어서, 상기 스포크의 반경 방향 높이는 76mm인, 타이어.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 스포크는 상기 스포크의 두 단부들 사이의 상기 스포크의 경로의 오프셋 또는 편차를 갖고, 상기 오프셋은 상기 스포크의 반경 방향 높이의 25%이하인, 타이어.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 스포크는 상기 타이어의 반경 방향을 따라 상기 타이어의 중심을 향해 15mm의 편향을 받을때 탄성적으로 변형하도록 구성되는, 타이어.
  9. 반경 방향 및 횡 방향을 정의하고, 트레드와 바디 기하학적 구조를 갖는 스포크를 구비하는 타이어로서,
    상기 바디 기하학적 구조는 제1 값에서 시작하고, 제2 값으로 점차 감소한 후에, 제3 값으로 점차 증가한 후에, 제4 값으로 감소한 후에, 제5 값으로 다시 증가하여 상기 반경 방향을 따라 스포크의 길이를 따라서 변화하는 두께를 포함하며, 상기 스포크의 두께는 상기 스포크의 길이를 따라 두번 증가하고 감소하고, 상기 스포크는 4개의 구역들이나 영역들을 포함하고 상기 스포크의 길이를 따라서 중심선을 갖고, 상기 중심선은 두개의 변곡점들 및 상기 중심선을 따라 상기 변곡점들 사이에 있는 중간점을 갖고,
    상기 스포크 두께의 상기 제1 값은 상기 스포크의 일 단부에 있고 상기 스포크 두께의 상기 제5 값은 상기 스포크의 타 단부에 있으며,
    제1 구역은 상기 두께가 상기 제2 값으로 감소하는, 상기 스포크의 일 단부와 제1 변곡점 사이의 변이 영역이고, 제2 구역은 상기 두께가 상기 제3 값으로 증가하는, 상기 제1 변곡점과 상기 중간점 사이의 변이 영역이고, 제3 구역은 상기 두께가 상기 제4 값으로 감소하는, 상기 중간점과 제2 변곡점 사이의 변이 영역이며, 제4 구역은 상기 두께가 상기 제5 값으로 증가하는, 상기 제2 변곡점과 상기 스포크의 타 단부 사이의 변이 영역이고,
    상기 두께의 상기 제2 및 제4 값들은 상기 제1, 제3, 및 제5 값들의 60%이고,
    상기 타이어는 205/55N16 크기의 타이어이고, 상기 스포크의 상기 제1, 제3, 및 제5 값들은 3.4mm이고, 상기 스포크 두께의 상기 제2 및 제4 값들은 2.0mm이고, 상기 타이어는 복수의 동일하게 구성된 스포크들을 포함하는, 타이어.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 청구항 9에 있어서, 상기 스포크는 76mm의 반경 방향 높이를 갖는, 타이어.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 스포크는 상기 반경 방향을 따라 완전한 직선 경로로부터 상기 스포크의 오프셋 또는 편차를 갖고, 상기 오프셋은 상기 스포크의 상기 반경 방향 높이의 25%이하인, 타이어.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 스포크는 상기 타이어의 반경 방향을 따라 상기 타이어의 중심을 향해 15mm의 편향을 받을때 탄성적으로 변형하도록 구성되는, 타이어.
  16. 청구항 9에 있어서, 상기 중심선은 선들 및 원호들과 같은 일련의 분석 곡선들로 구성되고, 상기 스포크는 선들 및 원호들과 같은 분석 곡선들로 또한 구성되는 경계 곡선들을 더 포함하는, 타이어.
  17. 청구항 7 또는 청구항 14에 있어서, 상기 오프셋은 상기 스포크의 반경 방향 높이의 15%인, 타이어.
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