KR102645459B1 - 비-공기 타이어 - Google Patents

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KR102645459B1
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리퍼 필립 칼 반
조셉 카민 레티에리
레베카 앤 밴디
애디슨 브라이언 시겔
모하니 마디 말렉자드
앤드류 비 멘덴홀
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더 굿이어 타이어 앤드 러버 캄파니
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Abstract

구조적으로 지지된 비-공기 타이어는 지면 접촉 환형 트레드 부분, 환형의 시어 밴드 및 시어 밴드에 연결된 적어도 하나의 스포크 디스크를 포함하고, 스포크 디스크는 적어도 2개의 스포크를 갖고, 각각의 스포크는 외측 링과 내측 링 사이에서 연장되고, 스포크 중 하나는 외측 링으로부터 내측 링까지 곡선형으로 연장된다. 제 2 스포크는 외측 링으로부터 내측 링까지 직선형으로 연장된다.

Description

비-공기 타이어{NON-PNEUMATIC TIRE}
본 발명은 일반적으로 차량 타이어 및 비-공기 타이어에 관한 것이며, 더 구체적으로는 비-공기 타이어에 관한 것이다.
공기 타이어는 1세기가 넘도록 차량 이동성을 위해 선택되는 해법이었다. 공기 타이어는 인장 구조체(tensile structure)이다. 공기 타이어는 공기 타이어를 오늘날 대단히 우세하게 만드는 적어도 4가지의 특징을 갖는다. 공기 타이어는 하중 지탱에 효율적인데, 왜냐하면 타이어 구조체 전부가 하중을 지탱하는 데 관여되기 때문이다. 공기 타이어는 그것이 낮은 접촉 압력을 갖기 때문에 또한 바람직하며, 이는 차량의 하중의 분배로 인해 도로 상에서 더 적은 마모를 유발한다. 공기 타이어는 또한 낮은 강성을 갖는데, 이는 차량의 편안한 운행을 보장한다. 공기 타이어에 대한 주된 결점은 그것이 압축 유체를 필요로 한다는 점이다. 종래의 공기 타이어는 팽창 압력의 완전한 상실 후에는 쓸모가 없어진다.
팽창 압력 없이도 작동하도록 설계된 타이어가 공기 타이어와 연관된 문제 및 타협 중 많은 것을 제거할 수 있다. 압력 유지도 압력 모니터링도 필요하지 않다. 솔리드 타이어(solid tire) 또는 다른 탄성중합체 구조체와 같은 구조적으로 지지된 타이어는 지금까지 종래의 공기 타이어로부터 요구되는 성능의 수준을 제공하지 않았다. 공기 타이어-유사 성능을 산출하는 구조적으로 지지된 타이어 해법이 원하는 개선일 것이다.
비-공기 타이어는 전형적으로 그것의 하중 지탱 효율에 의해 한정된다. “바텀 로더(bottom loader)”는 허브 아래의 구조체의 부분에서 하중의 대부분을 지탱하는 본질적으로 강성인 구조체이다. “톱 로더(top loader)”는 구조체 전부가 하중을 지탱하는 데 관여되도록 설계된다. 톱 로더는 이에 따라 바텀 로더보다 더 높은 하중 지탱 효율을 가져서, 더 적은 질량을 갖는 설계를 허용한다.
따라서, 공기 팽창에 대한 필요성의 결함을 갖지 않고서 공기 타이어의 모든 특징을 구비한 개선된 비-공기 타이어가 요구된다.
본 발명의 하나 이상의 실시예는 지면 접촉 환형 트레드 부분(tread portion), 시어 밴드(shear band), 및 시어 밴드에 연결된 적어도 하나의 스포크 디스크(spoke disk)를 포함하는 구조적으로 지지된 비-공기 타이어를 제공하며, 여기서 스포크 디스크는 적어도 2개의 스포크를 갖고, 각각의 스포크는 외측 링과 내측 링 사이에서 연장되고, 스포크 중 하나는 외측 링으로부터 내측 링까지 곡선형으로 연장된다.
본 발명의 하나 이상의 실시예는 지면 접촉 환형 트레드 부분, 시어 밴드, 및 시어 밴드에 연결된 적어도 하나의 스포크 디스크를 포함하는 구조적으로 지지된 비-공기 타이어를 제공하며, 여기서 스포크 디스크는 적어도 2개의 스포크를 갖고, 각각의 스포크는 외측 링과 내측 링 사이에서 연장되고, 스포크 중 하나는 외측 링으로부터 내측 링까지 곡선형으로 연장되며, 제 2 스포크는 외측 링으로부터 내측 링까지 직선형으로 연장된다.
본 발명의 하나 이상의 실시예는 지면 접촉 환형 트레드 부분, 시어 밴드, 및 시어 밴드에 연결된 적어도 하나의 스포크 디스크를 포함하는 구조적으로 지지된 비-공기 타이어를 제공하며, 여기서 스포크 디스크는 적어도 2개의 스포크를 갖고, 각각의 스포크는 외측 링과 내측 링 사이에서 연장되고, 스포크 중 하나는 외측 링으로부터 내측 링까지 곡선형으로 연장되며, 스포크 디스크의 스프링 상수는 시어 밴드의 스프링 상수보다 크다.
본 발명의 하나 이상의 실시예는 지면 접촉 환형 트레드 부분, 시어 밴드, 및 시어 밴드에 연결된 적어도 하나의 스포크 디스크를 포함하는 구조적으로 지지된 비-공기 타이어를 제공하며, 여기서 스포크 디스크는 적어도 2개의 스포크를 갖고, 각각의 스포크는 외측 링과 내측 링 사이에서 연장되고, 스포크 중 하나는 외측 링으로부터 내측 링까지 곡선형으로 연장되며, 스포크 디스크는 타이어의 축방향 두께보다 작은 축방향 두께를 갖는다.
본 발명의 하나 이상의 실시예는 지면 접촉 환형 트레드 부분, 시어 밴드, 및 시어 밴드에 연결된 적어도 하나의 스포크 디스크를 포함하는 구조적으로 지지된 비-공기 타이어를 제공하며, 여기서 스포크 디스크는 적어도 2개의 스포크를 갖고, 각각의 스포크는 외측 링과 내측 링 사이에서 연장되고, 스포크 중 하나는 외측 링으로부터 내측 링까지 곡선형으로 연장되며, 스포크의 축방향 두께는 스포크의 두께보다 크다.
본 발명의 하나 이상의 실시예는 지면 접촉 환형 트레드 부분, 시어 밴드, 및 시어 밴드에 연결된 적어도 하나의 스포크 디스크를 포함하는 구조적으로 지지된 비-공기 타이어를 제공하며, 여기서 스포크 디스크는 적어도 2개의 스포크를 갖고, 각각의 스포크는 외측 링과 내측 링 사이에서 연장되고, 스포크 중 하나는 외측 링으로부터 내측 링까지 곡선형으로 연장되며, 두께 t2에 대한 스포크 축방향 폭 W2(W2/t2)은 약 8 내지 약 12의 범위이다.
본 발명의 하나 이상의 실시예는 지면 접촉 환형 트레드 부분, 시어 밴드, 및 시어 밴드에 연결된 적어도 하나의 스포크 디스크를 포함하는 구조적으로 지지된 비-공기 타이어를 제공하며, 여기서 스포크 디스크는 적어도 2개의 스포크를 갖고, 각각의 스포크는 외측 링과 내측 링 사이에서 연장되고, 스포크 중 하나는 외측 링으로부터 내측 링까지 곡선형으로 연장되며, 두께 t2에 대한 스포크 축방향 폭 W2(W2/t2)은 약 9 내지 약 22의 범위이다.
본 발명의 하나 이상의 실시예는 지면 접촉 환형 트레드 부분, 시어 밴드, 및 시어 밴드에 연결된 적어도 하나의 스포크 디스크를 포함하는 구조적으로 지지된 비-공기 타이어를 제공하며, 여기서 스포크 디스크는 적어도 2개의 스포크를 갖고, 각각의 스포크는 외측 링과 내측 링 사이에서 연장되고, 스포크 중 하나는 외측 링으로부터 내측 링까지 곡선형으로 연장되며, 스포크 디스크의 스포크는 반경방향으로 휘어진다.
본 발명의 하나 이상의 실시예는 지면 접촉 환형 트레드 부분, 시어 밴드, 및 시어 밴드에 연결된 적어도 하나의 스포크 디스크를 포함하는 구조적으로 지지된 비-공기 타이어를 제공하며, 여기서 스포크 디스크는 적어도 2개의 스포크를 갖고, 각각의 스포크는 외측 링과 내측 링 사이에서 연장되고, 스포크 중 하나는 외측 링으로부터 내측 링까지 곡선형으로 연장되며, 제 1 스포크 및 제 2 스포크는 교차부에서 함께 결합된다.
본 발명의 하나 이상의 실시예는 지면 접촉 환형 트레드 부분, 시어 밴드, 및 시어 밴드에 연결된 적어도 하나의 스포크 디스크를 포함하는 구조적으로 지지된 비-공기 타이어를 제공하며, 여기서 스포크 디스크는 적어도 2개의 스포크를 갖고, 각각의 스포크는 외측 링과 내측 링 사이에서 연장되고, 스포크 중 하나는 외측 링으로부터 내측 링까지 곡선형으로 연장되고, 두께 t2에 대한 스포크 축방향 폭 W2(W2/t2)는 약 9 내지 약 22의 범위이며, 각각의 스포크는 외측 링에서 교차부까지의 길이 L2, 및 교차부에서 내측 링까지의 길이 L1를 갖고, 각각의 스포크의 L1/L2의 비는 0.2 내지 5의 범위이다.
본 발명의 하나 이상의 실시예는 지면 접촉 환형 트레드 부분, 시어 밴드, 및 시어 밴드에 연결된 적어도 하나의 스포크 디스크를 포함하는 구조적으로 지지된 비-공기 타이어를 제공하며, 여기서 스포크 디스크는 적어도 2개의 스포크를 갖고, 각각의 스포크는 외측 링과 내측 링 사이에서 연장되고, 스포크 중 하나는 외측 링으로부터 내측 링까지 곡선형으로 연장되며, 각각의 스포크는 외측 링에서 교차부까지의 길이 L2, 및 교차부에서 내측 링까지의 길이 L1를 갖고, 각각의 스포크의 L1/L2의 비는 0.5 내지 2의 범위이다.
본 발명의 하나 이상의 실시예는 지면 접촉 환형 트레드 부분, 시어 밴드, 및 시어 밴드에 연결된 2개의 축방향 외측의 스포크 디스크를 포함하는 비-공기 타이어를 제공하며, 여기서 각각의 축방향 외측의 스포크 디스크는 하나 이상의 스포크를 구비하고, 상기 하나 이상의 스포크는 하중 하에 있을 때 제 1 방향으로 휘어지고, 적어도 하나의 내측 디스크는 제 1 스포크 부재를 구비하며, 상기 스포크 부재는 상기 제 1 방향과 상이한 제 2 방향으로 휘어진다.
본 발명의 하나 이상의 실시예는 지면 접촉 환형 트레드 부분, 시어 밴드, 및 시어 밴드에 연결된 적어도 하나의 스포크 디스크를 포함하는 구조적으로 지지된 비-공기 타이어를 제공하며, 여기서 스포크 디스크는 적어도 2개의 스포크를 갖고, 각각의 스포크는 외측 링과 내측 링 사이에서 연장되고, 스포크 중 하나는 외측 링으로부터 내측 링까지 곡선형으로 연장되며, 축방향 외측의 스포크 디스크는 폭(W) 및 축방향 두께(t)를 갖는 복수의 스포크를 구비하고, W/t의 비는 15 내지 80의 범위이다.
본 발명의 하나 이상의 실시예는 지면 접촉 환형 트레드 부분, 시어 밴드, 및 시어 밴드에 연결된 적어도 하나의 스포크 디스크를 포함하는 구조적으로 지지된 비-공기 타이어를 제공하며, 여기서 스포크 디스크는 적어도 2개의 스포크를 갖고, 각각의 스포크는 외측 링과 내측 링 사이에서 연장되고, 스포크 중 하나는 외측 링으로부터 내측 링까지 곡선형으로 연장되며, 축방향 외측의 스포크 디스크는 폭(W) 및 축방향 두께(t)를 갖는 복수의 스포크를 구비하고, W/t의 비는 15 내지 80의 범위이며, 상기 스포크는 직사각형 단면을 갖는다.
본 발명의 하나 이상의 실시예는 지면 접촉 환형 트레드 부분, 시어 밴드, 및 시어 밴드에 연결된 적어도 하나의 스포크 디스크를 포함하는 구조적으로 지지된 비-공기 타이어를 제공하며, 여기서 스포크 디스크는 적어도 2개의 스포크를 갖고, 각각의 스포크는 외측 링과 내측 링 사이에서 연장되고, 스포크 중 하나는 외측 링으로부터 내측 링까지 곡선형으로 연장되며, 축방향 외측의 스포크 디스크는 폭(W) 및 축방향 두께(t)를 갖는 복수의 스포크를 구비하고, W/t의 비는 15 내지 80의 범위이거나, 또는 W/t의 비는 30 내지 60의 범위이다.
본 발명의 하나 이상의 실시예는 지면 접촉 환형 트레드 부분, 시어 밴드, 및 시어 밴드에 연결된 2개의 축방향 외측의 스포크 디스크를 포함하는 비-공기 타이어를 제공하며, 여기서 각각의 축방향 외측의 스포크 디스크는 하나 이상의 스포크를 구비하고, 상기 하나 이상의 스포크는 하중 하에 있을 때 제 1 방향으로 휘어지고, 적어도 하나의 내측 디스크는 제 1 스포크 부재를 구비하고, 상기 스포크 부재는 상기 제 1 방향과 상이한 제 2 방향으로 휘어지며, 상기 내측 디스크는 제 1 스포크 부재와 상이한 제 2 스포크 부재를 구비하고, 제 1 및 제 2 스포크 부재는 교차부에서 함께 결합된다.
본 발명의 하나 이상의 실시예는 지면 접촉 환형 트레드 부분, 시어 밴드, 및 시어 밴드에 연결된 2개의 축방향 외측의 스포크 디스크를 포함하는 비-공기 타이어를 제공하며, 여기서 각각의 축방향 외측의 스포크 디스크는 하나 이상의 스포크를 구비하고, 상기 하나 이상의 스포크는 하중 하에 있을 때 제 1 방향으로 휘어지고, 적어도 하나의 내측 디스크는 제 1 스포크 부재를 구비하며, 상기 스포크 부재는 상기 제 1 방향과 상이한 제 2 방향으로 휘어지며, 제 1 스포크 부재는 직선형이다.
본 발명의 하나 이상의 실시예는 지면 접촉 환형 트레드 부분, 시어 밴드, 및 시어 밴드에 연결된 2개의 축방향 외측의 스포크 디스크를 포함하는 비-공기 타이어를 제공하며, 여기서 각각의 축방향 외측의 스포크 디스크는 하나 이상의 스포크를 구비하고, 상기 하나 이상의 스포크는 하중 하에 있을 때 제 1 방향으로 휘어지고, 적어도 하나의 내측 디스크는 제 1 스포크 부재를 구비하고, 상기 스포크 부재는 상기 제 1 방향과 상이한 제 2 방향으로 휘어지며, 제 2 스포크 부재는 만곡된다.
본 발명의 하나 이상의 실시예는 지면 접촉 환형 트레드 부분, 시어 밴드, 및 시어 밴드에 연결된 2개의 축방향 외측의 스포크 디스크를 포함하는 비-공기 타이어를 제공하며, 여기서 각각의 축방향 외측의 스포크 디스크는 하나 이상의 스포크를 구비하고, 상기 하나 이상의 스포크는 하중 하에 있을 때 제 1 방향으로 휘어지고, 적어도 하나의 내측 디스크는 제 1 스포크 부재를 구비하고, 상기 스포크 부재는 상기 제 1 방향과 상이한 제 2 방향으로 휘어지며, 제 1 및 제 2 스포크 부재는 소형 삼각 리세스 및 대형 삼각 리세스를 형성하도록 함께 결합된다.
본 발명의 하나 이상의 실시예는 지면 접촉 환형 트레드 부분, 시어 밴드, 및 시어 밴드에 연결된 적어도 하나의 스포크 디스크를 포함하는 구조적으로 지지된 비-공기 타이어를 제공하며, 여기서 스포크 디스크는 적어도 2개의 스포크를 갖고, 각각의 스포크는 외측 링과 내측 링 사이에서 연장되고, 스포크 중 하나는 외측 링으로부터 내측 링까지 곡선형으로 연장되며, 축방향 외측의 스포크 디스크는 폭(W) 및 축방향 두께(t)를 갖는 복수의 스포크를 구비하고, W/t의 비는 15 내지 80의 범위이고, 상기 스포크는 직사각형 단면을 갖고, 각각의 스포크 부재는 외측 링에서 교차부까지의 길이 L2, 및 교차부에서 내측 링까지의 길이 L1를 갖고, 각각의 스포크의 L1/L2의 비는 0.2 내지 5의 범위이다.
본 발명의 하나 이상의 실시예는 지면 접촉 환형 트레드 부분, 시어 밴드, 및 시어 밴드에 연결된 적어도 하나의 스포크 디스크를 포함하는 구조적으로 지지된 비-공기 타이어를 제공하며, 여기서 스포크 디스크는 적어도 2개의 스포크를 갖고, 각각의 스포크는 외측 링과 내측 링 사이에서 연장되고, 스포크 중 하나는 외측 링으로부터 내측 링까지 곡선형으로 연장되며, 축방향 외측의 스포크 디스크는 폭(W) 및 축방향 두께(t)를 갖는 복수의 스포크를 구비하고, W/t의 비는 15 내지 80의 범위이고, 상기 스포크는 직사각형 단면을 갖고, 각각의 스포크 부재는 외측 링에서 교차부까지의 길이 L2, 및 교차부에서 내측 링까지의 길이 L1를 갖고, 각각의 스포크의 L1/L2의 비는 0.5 내지 2의 범위이다.
본 발명의 하나 이상의 실시예는 지면 접촉 환형 트레드 부분, 시어 밴드, 및 시어 밴드에 연결된 2개의 축방향 외측의 스포크 디스크를 포함하는 비-공기 타이어를 제공하며, 여기서 각각의 축방향 외측의 스포크 디스크는 하나 이상의 스포크를 구비하고, 상기 하나 이상의 스포크는 하중 하에 있을 때 제 1 방향으로 휘어지고, 적어도 하나의 내측 디스크는 제 1 스포크 부재를 구비하고, 상기 스포크 부재는 상기 제 1 방향과 상이한 제 2 방향으로 휘어지며, 제 1 스포크 부재는 만곡된다.
본 발명의 하나 이상의 실시예는 지면 접촉 환형 트레드 부분, 시어 밴드, 및 시어 밴드에 연결된 2개의 축방향 외측의 스포크 디스크를 포함하는 비-공기 타이어를 제공하며, 여기서 각각의 축방향 외측의 스포크 디스크는 하나 이상의 스포크를 구비하고, 상기 하나 이상의 스포크는 하중 하에 있을 때 제 1 방향으로 휘어지고, 적어도 하나의 내측 디스크는 제 1 스포크 부재를 구비하고, 상기 스포크 부재는 상기 제 1 방향과 상이한 제 2 방향으로 휘어진다.
본 발명의 하나 이상의 실시예는 지면 접촉 환형 트레드 부분, 시어 밴드, 및 시어 밴드에 연결된 제 1 스포크 디스크를 포함하는 비-공기 타이어를 제공하며, 상기 스포크 디스크는 하나 이상의 스포크를 구비하고, 상기 하나 이상의 스포크는 하중 하에 있을 때 제 1 방향으로 휘어지고, 제 2 스포크 디스크는 제 1 스포크 부재를 구비하고, 상기 스포크 부재는 상기 제 1 방향과 상이한 제 2 방향으로 휘어지며, 상기 제 2 스포크 디스크는 제 1 스포크 부재에 결합된 제 2 스포크 부재를 추가로 포함한다.
하기의 설명 및 첨부 도면에 대한 참조를 통해 본 발명이 더 잘 이해될 것이다.
도 1a는 본 발명의 비-공기 타이어의 제 1 실시예의 사시도,
도 1b는 본 발명의 비-공기 타이어의 제 2 실시예의 사시도,
도 1c는 본 발명의 비-공기 타이어의 제 3 실시예의 사시도,
도 2는 스포크 디스크의 제 1 실시예의 정면 사시도,
도 3은 도 2의 스포크 디스크의 제 1 실시예의 개략 단면도,
도 4는 도 2의 스포크 디스크의 제 1 실시예의 정면도,
도 5는 도 1의 비-공기 타이어의 단면도,
도 6은 본 발명의 스포크 디스크의 제 2 실시예,
도 7은 본 발명의 스포크 디스크의 제 3 실시예,
도 8은 동일한 배향을 갖는 다수의 스포크 디스크를 예시하는, 본 발명의 비-공기 타이어의 대안적인 실시예의 단면도,
도 9는 스포크가 하중 하에 있을 때 축방향 내향으로 휘어지도록 2개의 스포크 디스크가 반대 배향에 있는 상태로 도시된, 도 1의 비-공기 타이어의 단면도,
도 10는 스포크가 하중 하에 있을 때 축방향 외향으로 휘어지도록 2개의 스포크 디스크가 상이한 배향을 갖는 상태로 도시된, 도 1의 비-공기 타이어의 사시도,
도 11은 하중 하에서 도시된, 스포크 디스크가 만곡된 단면을 갖는 상태로 도시된, 도 1의 비-공기 타이어의 단면도,
도 12는 본 발명의 스포크 디스크의 제 4 실시예의 정면도,
도 13은 도 12의 스포크 디스크의 제 4 실시예의 사시도,
도 14는 본 발명의 스포크 디스크의 제 5 실시예의 정면도,
도 15는 하중 하에서 도시된, 도 14의 스포크 디스크의 제 5 실시예의 사시도,
도 16은 도 12 및 도 14의 제 4 및 제 5 실시예의 제 1 및 제 2 스포크 부재의 근접도,
도 17a는 시어 밴드에 대한 스프링 상수 시험을 예시하는 반면, 도 17b는 힘-변위 곡선의 기울기로부터 결정된 스프링 상수(k)를 예시함,
도 18a는 스포크 디스크에 대한 스프링 상수 시험을 예시하는 반면, 도 18b는 힘-변위 곡선의 기울기로부터 결정된 스프링 상수(k)를 예시함,
도 19a는 타이어에 대한 스프링 상수 시험을 예시하는 반면, 도 19b는 힘-변위 곡선의 기울기로부터 결정된 스프링 상수(k)를 예시함.
정의
하기의 용어는 본 설명을 위해 하기와 같이 정의된다.
"적도 평면(Equatorial Plane)"은 타이어의 중심선을 통과하는 타이어의 회전축에 수직인 평면을 의미한다.
"자오선 평면(Meridian Plane)"은 타이어의 회전축에 평행하고 상기 축으로부터 반경방향 외향으로 연장되는 평면을 의미한다.
" 히스테리시스 ( Hysteresis )"는 10% 동적 전단 변형률 및 25℃에서 측정된 동적 손실 탄젠트를 의미한다.
본 발명의 상세한 설명
본 발명의 비-공기 타이어(100)의 예가 도 1a 내지 도 1c에 도시된다. 본 발명의 타이어는 반경방향 외측의 지면 맞물림 트레드(200), 시어 밴드(300), 및 하나 이상의 스포크 디스크(400)를 포함한다. 스포크 디스크(400)는 이하에 상세하게 설명하는 바와 같이, 상이한 디자인을 가질 수 있다. 본 발명의 비-공기 타이어는 톱 로딩 구조체(top loading structure)이도록 설계되어, 시어 밴드(300) 및 하나 이상의 스포크 디스크(400)가 하중을 효율적으로 지탱한다. 시어 밴드(300) 및 스포크 디스크(400)는 시어 밴드의 강성이 타이어의 스프링 상수에 직접 관련되도록 설계된다. 각각의 디스크의 스포크는 타이어 풋프린트(footprint)에서 구부러지거나 변형되고 압축되지 않거나 압축 하중을 지탱하는 강성 구조체이도록 설계된다. 이는 풋프린트 영역 내에 있지 않은 스포크의 나머지가 하중을 지탱하는 능력을 갖도록 허용한다. 풋프린트 내보다 풋프린트 밖에 더 많은 스포크가 있기 때문에, 스포크당 하중이 작을 것이며, 이는 더 작은 스포크가 타이어 하중을 지탱하는 것을 가능하게 하며, 이는 매우 하중 효율적인 구조체를 제공한다. 모든 스포크가 탄성적으로 구부러질 수 있지는 않을 것이고, 풋프린트에서 압축 하중의 일부 부분을 유지하지는 않을 것이다. 상기의 이유로 이러한 하중을 최소화하는 것이, 그리고 도로 장애물을 극복하기 위해 시어 밴드가 구부러지도록 허용하는 것이 요구된다. 대략적인 하중 분배는 하중의 약 90 내지 100%가 시어 밴드 및 상부 스포크에 의해 지탱되어, 하부 스포크가 사실상 하중의 0%, 그리고 바람직하게는 10% 미만을 지탱하도록 된다.
비-공기 타이어는 소망된 특성을 갖는 비-공기 타이어를 조정(tune)하기 위해 스포크 디스크의 상이한 조합을 가질 수 있다. 예를 들어, 전단 하중 및 인장 하중 양자를 지탱하는 제 1 스포크 디스크(400)가 선택될 수 있다. 순수한 인장 하중을 지탱하는 제 2 스포크 디스크가 선택될 수 있다. 측방향으로 단단한 제 3 스포크 디스크(1000, 2000)가 선택될 수 있다. 도 1a 내지 도 1c에 도시된 바와 같이, 예시적인 타이어 디스크 구성을 참조하라.
트레드 부분(200)은 홈을 갖지 않을 수 있거나, 사이에 본질적으로 종방향의 트레드 리브(rib)를 형성하는 복수의 종방향으로 배향된 트레드 홈을 가질 수 있다. 리브는 특정 차량 응용의 사용 요건에 적합한 트레드 패턴을 형성하도록 횡방향으로 또는 종방향으로 추가로 분할될 수 있다. 트레드 홈은 타이어의 의도된 사용과 일치하는 임의의 깊이를 가질 수 있다. 타이어 트레드(200)는 다양한 조건에서 타이어의 성능을 개선하기 위해 원하는 바에 따라 리브, 블록, 러그(lug), 홈, 및 사이프(sipe)와 같은 요소를 포함할 수 있다.
(시어 밴드)
시어 밴드(300)는 바람직하게는 환형이고, 도 5에 도시된다. 시어 밴드(300)는 타이어 트레드(200)의 반경방향 내향에 위치된다. 시어 밴드(300)는 제 1 및 제 2 보강 탄성중합체 층(310, 320)을 포함한다. 시어 밴드(300)의 제 1 실시예에서, 시어 밴드는 평행하게 배열되고 탄성중합체의 시어 매트릭스(shear matrix)(330)에 의해 분리되는 2개의 비-신장성 층으로 구성된다. 각각의 비-신장성 층(310, 320)은 탄성중합체 코팅 내에 매립된 평행한 비-신장성 보강 코드(311, 321)로 형성될 수 있다. 보강 코드(311, 321)는 강철, 아라미드, 또는 다른 비-신장성 구조체일 수 있다. 시어 밴드의 제 2 실시예에서, 시어 밴드(300)는 제 1 보강 탄성중합체 층(310)과 제 2 보강 탄성중합체 층(320) 사이에 위치된 제 3 보강 탄성중합체 층을 추가로 포함한다.
제 1 보강 탄성중합체 층(310)에서, 보강 코드(311)는 타이어 적도 평면에 대해 0 내지 약 +/- 10도의 범위의 각도(Φ)로 배향된다. 제 2 보강 탄성중합체 층(320)에서, 보강 코드(321)는 타이어 적도 평면에 대해 0 내지 약 +/- 10도의 범위의 각도(φ)로 배향된다. 바람직하게는, 제 1 층의 각도(Φ)는 제 2 층 내의 보강 코드의 각도(φ)의 반대 방향에 있다. 즉, 제 1 보강 탄성중합체 층 내의 각도(+Φ) 및 제 2 보강 탄성중합체 층 내의 각도(-φ).
시어 매트릭스(330)는 약 0.10 인치 내지 약 0.2 인치의 범위, 더 바람직하게는 약 0.15 인치의 두께를 갖는다. 시어 매트릭스는 바람직하게는 15 내지 80 MPa의 범위, 그리고 더 바람직하게는 40 내지 60 MPa의 범위의 전단 모듈러스(shear modulus)(Gm)를 갖는 탄성중합체 재료로 형성된다.
시어 밴드는 전단 강성(shear stiffness)(GA)을 갖는다. 전단 강성(GA)은 시어 밴드로부터 취해진 각각의 시험편에 대한 편향(deflection)을 측정함으로써 결정될 수 있다. 시험편의 상부면은 하기에 도시된 바와 같이 측방향 힘(F)을 받는다. 시험편은 시어 밴드로부터 취해진 각각의 샘플이고, 시어 밴드와 동일한 반경방향 두께를 갖는다. 전단 강성(GA)은 이어서 하기의 방정식으로부터 계산된다:
GA=F*L/ΔX
시어 밴드는 굽힘 강성(bending stiffness)(EI)을 갖는다. 굽힘 강성(EI)은 3점 굽힘 시험을 사용하여 비임 역학으로부터 결정될 수 있다. 그것은 2개의 롤러 지지체 상에 놓여 있고 비임의 중앙에서 인가되는 집중된 하중에 처해 있는 비임의 경우를 나타낸다. 굽힘 강성(EI)은 하기의 방정식으로부터 결정된다: EI = PL3/48* ΔX, 여기서 P는 하중이고, L은 비임 길이이고, ΔX는 편향이다.
시어 밴드의 굽힘 강성(EI)을 최대화하고 시어 밴드 강성(GA)을 최소화하는 것이 바람직하다. GA/EI의 허용가능한 비는 0.01 내지 20일 것이며, 이때 이상적인 범위는 0.01 내지 5이다. EA는 시어 밴드의 신장성 강성(extensible stiffness)이고, 그것은 인장력을 인가하고 길이의 변화를 측정함으로써 실험적으로 결정된다. 시어 밴드의 EI에 대한 EA의 비는 0.02 내지 100의 범위가 허용가능하고, 이때 이상적인 범위는 1 내지 50이다.
시어 밴드(300)는 바람직하게, 15 내지 30%의 범위의 최대 전단 변형률을 견딜 수 있다.
비-공기 타이어는 실험적으로 결정되는 전체 스프링 상수(kt)를 갖는다. 비-공기 타이어는 림 상에 장착되고, 하중은 도 19a에 도시되는 바와 같이, 림을 통해 타이어의 중심에 인가된다. 스프링 상수(kt)는 도 19b에 도시되는 바와 같이, 힘 대 편향 곡선의 기울기로부터 결정된다. 소망된 응용에 따라, 타이어 스프링 상수(kt)가 달라질 수 있다. 타이어 스프링 상수(kt)는 잔디 깎는 기계 또는 저속 차량 응용에 대해 650 내지 1200 lbs/inch의 범위에 있다.
시어 밴드는 도 17a에 도시된 바와 같이 시어 밴드의 상부에 있는 수평 플레이트 상에 하향력을 가하고 편향의 양을 측정함으로써 실험적으로 결정될 수 있는 스프링 상수(k)를 갖는다. 스프링 상수는 도 17b에 도시되는 바와 같이 힘 대 편향 곡선의 기울기로부터 결정된다.
본 발명은 본 명세서에 개시된 시어 밴드 구조체에 한정되지 않고, 0.01 내지 20의 범위인 GA/EI, 또는 0.02 내지 100의 범위인 EA/EI 비, 또는 20 내지 2000의 범위인 스프링 상수뿐만 아니라, 이들의 조합을 갖는 임의의 구조체를 포함할 수 있다. 더 구체적으로는 시어 밴드는 0.01 내지 5의 GA/EI 비, 또는 1 내지 50의 EA/EI 비, 또는 170 lb/in의 스프링 상수, 및 이들의 임의의 서브-조합(subcombination)을 갖는다. 타이어 트레드는 바람직하게는 시어 밴드 주위에 감싸지고, 바람직하게는 시어 밴드에 일체로 성형된다.
(스포크 디스크)
본 발명의 비-공기 타이어는 도 1b, 및 도 8에 도시된 바와 같이 비-공기 타이어의 대향 단부에 이격되어 있는 적어도 하나의 스포크 디스크(400, 700, 800, 900 또는 1000), 그리고 바람직하게는 적어도 2개의 디스크를 추가로 포함할 수 있다. 스포크 디스크는 예를 들면, 도 4, 도 6, 도 7, 도 12 및 도 14에 도시된 바와 같이, 상이한 단면 디자인을 가질 수 있다. 스포크 디스크는 시어 층으로부터 전달되는 하중을 지탱하는 기능을 한다. 디스크는 주로 인장 및 전단의 하중을 받으며, 압축 하중은 지탱하지 않는다. 비-공기 타이어에 사용될 수 있는 제 1 예시적인 디스크(400)는 도 2에 도시된다. 디스크(400)는 환형이고, 허브를 형성하기 위해 금속 또는 강성 보강 링(405)을 수용하기 위한 외측 에지(406) 및 내측 에지(403)를 갖는다. 본 명세서에 설명된 바와 같이 각각의 디스크는 비-공기 타이어의 축방향 두께(AW)보다 실질적으로 작은 축방향 두께(A)를 갖는다. 축방향 두께(A)는 AW의 5 내지 20%의 범위, 더 바람직하게는 AW의 5 내지 10%의 범위이다. 하나 초과의 디스크가 사용되는 경우, 각각의 디스크의 축방향 두께는 다를 수 있거나 동일할 수 있다.
각각의 스포크 디스크는, 도 18a에 도시된 바와 같이, 알려진 하중 하의 편향을 측정함으로써 실험적으로 결정될 수 있는 스프링 상수(k)를 갖는다. 스포크 디스크 스프링 상수(k)를 결정하기 위한 하나의 방법은, 스포크 디스크를 허브에 장착하고 스포크 디스크의 외측 링을 강성 시험 고정구에 부착하는 것이다. 하향력이 허브에 인가되고, 허브의 변위가 기록된다. 스프링 상수(k)는 도 18b에 도시된 바와 같은 힘-편향 곡선의 기울기로부터 결정된다. 스포크 디스크 스프링 상수가 시어 밴드의 스프링 상수보다 큰 것이 바람직하다. 스포크 디스크 스프링 상수가 시어 밴드의 스프링 상수보다 4 내지 12배의 범위만큼 더 큰 것이, 그리고 더 바람직하게는 시어 밴드의 스프링 상수보다 6 내지 10배의 범위만큼 더 큰 것이 바람직하다.
바람직하게는, 하나 초과의 스포크 디스크가 사용되는 경우, 모든 스포크 디스크가 동일한 스프링 상수를 갖는다. 비-공기 타이어의 스프링 상수는 도 8에 도시된 바와 같이 스포크 디스크의 개수를 증가시킴으로써 조절될 수 있다. 대안적으로, 각각의 스포크 디스크의 스프링 상수는 스포크 디스크의 기하학적 구성을 변경하거나 재료를 변경함으로써 상이할 수 있다. 하나 초과의 스포크 디스크가 사용되는 경우, 모든 스포크 디스크가 동일한 외경을 갖는 것이 또한 바람직하다.
도 8은 다수의 스포크 디스크(400)를 갖는 비-공기 타이어의 대안적인 실시예를 예시한다. 스포크(410)는 바람직하게는 반경방향으로 연장된다. 디스크(400)의 스포크는 축방향으로 불거지거나 변형되도록 설계되어, 각각의 스포크는 도 10에 도시된 바와 같이 축방향 외향으로, 또는 도 9에 도시된 바와 같이 축방향 내향으로 변형된다. 단지 2개의 스포크 디스크만이 사용되는 경우, 스포크 디스크는 도 9에 도시된 바와 같이 각각의 스포크 디스크가 축방향 내향으로 불거지거나 변형되도록 배향될 수 있거나, 도 10에 도시된 바와 같이 스포크 디스크가 축방향 외향으로 불거지도록 반대로 배향될 수 있다. 비-공기 타이어가 하중을 받을 때, 스포크는 압축 저항이 실질적으로 없이 접촉 패치를 통과할 때 변형되거나 축방향으로 휘어져, 하중 베어링에 0의 또는 미미한 압축력을 공급할 것이다. 스포크의 지배적인 하중은 인장 및 전단을 통해서이고, 압축을 통해서는 아니다.
스포크는 도 2에 도시된 바와 같이 직사각형 단면을 갖지만, 직사각형 단면으로 제한되지 않으며, 원형, 정사각형, 타원형 등일 수 있다. 바람직하게는, 스포크(410)는 종방향 구부러짐을 위해 선택된 단면 기하학적 구성을 갖고, 바람직하게는 약 15 내지 약 80의 범위의, 그리고 더 바람직하게는 약 30 내지 약 60의 범위의, 그리고 가장 바람직하게는 약 45 내지 약 55의 범위의, 스포크 축방향 두께에 대한 스포크 폭(W) 비(W/t)를 갖는다. 바람직한 직사각형 스포크 설계의 독특한 태양은 전단 하중을 지탱하는 스포크의 능력이며, 이는 스프링 강성이 인장 및 전단 하중에서 스포크 사이에 퍼지도록 허용한다. 전단 강성을 제공하는 이러한 기하학적 능력은 스포크 두께(t)와 스포크의 반경방향 높이(H) 사이의 비이다. H/t의 바람직한 비는 약 2.5 내지 25(약 평균 +/-10%)의 범위, 그리고 더 바람직하게는 약 10 내지 20(약 평균 +/-10%)의 범위, 그리고 가장 바람직하게는 12 내지 17의 범위이다.
스포크는 바람직하게는 도 3에 도시된 바와 같이 각도 알파로 반경방향 평면에서 경사진다. 각도 알파는 바람직하게는 60 내지 88도의 범위, 그리고 더 바람직하게는 70 내지 85도의 범위이다. 또한, 반경방향 외측 단부(415)는 스포크가 축방향으로 휘어지거나 변형되는 것을 용이하게 하기 위해 스포크(410)의 반경방향 내측 단부(413)로부터 축방향으로 오프셋된다. 대안적으로, 스포크(900)는 도 11에 도시된 바와 같이 만곡될 수 있다.
도 6은 스포크 디스크(700)의 제 2 실시예이다. 스포크 디스크는 환형이고, 주로 중실형이며 복수의 구멍(702)을 갖는다. 구멍은 반경방향으로 배향된 열로 배열될 수 있다.
도 7은 스포크 디스크(800)의 제 3 실시예이다. 스포크 디스크는 환형이고 중실형이며, 구멍을 갖지 않는다. 스포크 디스크(700, 800)의 단면은 도 3과 동일하다. 스포크 디스크(700, 800)는 도 3에 도시된 것과 동일한 두께, 축방향 폭을 갖는다.
도 12 및 도 13은 스포크 디스크(1000)의 제 4 실시예를 도시한다. 스포크 디스크(1000)는 비-공기 타이어의 축방향 두께(AW)보다 실질적으로 작은 축방향 두께(A)를 갖는다. 스포크 디스크(1000)는 내측 링(1010)을 외측 링(1020)에 연결하는 복수의 스포크를 구비한다. 시어 밴드(300)는 스포크 디스크의 반경방향 외향으로 장착된다. 스포크 디스크(1000)는, 직선형이고 외측 링(1020)을 내측 링(1010)에 결합시키는 제 1 스포크(1030)를 구비한다. 제 1 스포크(1030)는 외측 링(1020)과 20 내지 80도의 범위의 각도 베타를 형성한다. 베타는 바람직하게 90도보다 작다. 스포크 디스크(1000)는, 외측 링(1020)으로부터 내측 링(1010)으로 연장되고, 바람직하게 곡선 형상인 제 2 스포크(1040)를 추가로 포함한다. 제 2 스포크(1040)는 교차부(1100)에서 제 1 스포크(1030)과 결합된다. 곡선형 스포크(1040)는 외측 링으로부터 교차부(1100)까지의 제 1 만곡부, 및 교차부로부터 내측 링(1010)까지의 제 2 만곡부를 구비한다. 본 예에 있어서, 제 1 만곡부는 볼록부이고, 제 2 만곡부는 오목부이다. 제 1 및 제 2 스포크의 형상 또는 만곡부는 블레이드가 하중을 받을 때 어떻게 변형되는지를 제어한다. 스포크 디스크(1000)의 블레이드는 각도 방향 세타로 휘어지도록 설계된다.
교차부에 의해 제 1 스포크(1030)를 제 2 스포크(1040)에 결합하는 것은 상부 및 하부의 대체로 삼각형부(1050, 1060)를 생성한다. 교차부(1100)의 반경방향 높이는 L1/L2의 비를 변경함으로써, 도 16에 도시된 바와 같이 변경될 수 있다. L1/L2의 비는 0.2 내지 5의 범위, 그리고 바람직하게는 0.3 내지 3의 범위, 그리고 더 바람직하게는 0.4 내지 2.5의 범위일 수 있다. 스포크(1030, 1040)는 2 내지 5㎜의 범위의 스포크 두께(t), 및 약 25 내지 35㎜의 범위의 축방향의 축방향 폭(W)을 갖는다. 두께 t2에 대한 스포크 축방향 폭 W2(W2/t2)은 8 내지 12, 더 바람직하게는 9 내지 11의 범위이다. 스포크 디스크(1000)는 주로 인장 하중을 지탱하도록 설계되고, 다른 스포크 디스크(400, 700, 800)는 인장 하중 및 전단 하중 양자를 지탱할 수 있다. 스포크 디스크(1000)는 반경방향 평면에서 휘어지고, 다른 스포크 디스크(400, 700, 800)는 축방향으로 상이한 평면에서 휘어지도록 설계된다.
도 14는 이하의 차이점을 제외하고 스포크 디스크(1000)와 유사한 스포크 디스크(2000)의 제 5 실시예를 도시한다. 스포크 디스크(2000)는 교차부(2100)에 의해 결합되어, 만곡된 경계부를 구비하는 2개의 대략 삼각 형상(A, B)을 형성하는 제 1 및 제 2 스포크(2030, 2040)를 구비한다. 제 1 및 제 2 스포크(2030, 2040) 양자는 외측 링(2020)으로부터 내측 링(2010)으로 연장된다. 제 1 및 제 2 스포크(2030, 2040) 양자는 만곡된다. 각 스포크의 외측 반경방향 부분(L2)의 곡선은 제 1 만곡부를 구비하고, 내측 반경방향 부분(L1)은 제 1 만곡부의 대향 방향으로의 곡선을 갖는다. 도 15는 하중 하에서 휘어지는 스포크 디스크(2000)를 도시한다. 2040, 2030의 반경방향 외측 부분은 각방향으로 휘어진다.
비-공기 타이어의 바람직한 실시예가 도 1b에 도시된다. 외측 축방향 단부의 스포크 디스크는 스포크 디스크(400)이고, 이 스포크 디스크(400)가 축방향 외향으로 휘어지도록 배향된다. 대향의 스포크 디스크(400) 사이에 적어도 하나의 디스크(1000, 2000)가 위치된다. 외측 스포크 디스크는 전단 하중 및 인장 하중 양자를 지탱하도록 설계되고, 디스크(1000, 2000)는 인장 하중만을 지탱한다. 내측 디스크의 개수는 필요에 따라 선택될 수 있다. 외측 디스크는 제 1 평면에서 휘어지고, 내측 디스크는 상이한 평면에서 휘어진다. 디스크(1000, 2000)는 측방향으로 단단해지도록 설계되어, 타이어 측방향 강성을 조정하기 위해 결합될 수 있다. 외측 디스크(400)는 디스크(1000, 2000)와 같이 측방향으로 단단해지지 않는다.
스포크 디스크는 바람직하게는 탄성 재료, 더 바람직하게는 열가소성 탄성중합체로 형성된다. 스포크 디스크의 재료는 하기의 재료 특성 중 하나 이상에 기초하여 선택된다. 디스크 재료의 인장(영(Young's)) 모듈러스는, ISO 527-1/-2 표준 시험 방법을 사용하여, 45 MPa 내지 650 MPa의 범위, 그리고 더 바람직하게는 85 MPa 내지 300 MPa의 범위이다. 유리 전이 온도는 -25℃ 미만, 그리고 더 바람직하게는 -35℃ 미만이다. 파단 항복 변형률(yield strain at break)은 30% 초과, 그리고 더 바람직하게는 40% 초과이다. 파단 연신율(elongation at break)은 항복 변형률 이상, 그리고 더 바람직하게는 200% 초과이다. 열 편향 온도(heat deflection temperature)는 0.45 MPa하에서 40℃ 초과, 그리고 더 바람직하게는 0.45 MPa하에서 50℃ 초과이다. ISO 179/ISO180 시험 방법을 사용하여 23℃에서 아이조드 앤드 샤르피 노치 시험(Izod and Charpy　notched　test)에 대한 결과가 파단 없음이다. 디스크에 적합한 2가지 재료가 디에스엠 프로덕츠(DSM Products)에 의해 구매가능하고 상표명 아르니텔(ARNITEL) PL 420H 및 아르니텔 PL461로 판매된다.
상기 명세서를 읽고서 많은 다른 변형이 당업자에게 명백하다는 것을 본 출원인은 이해한다. 이러한 변형 및 다른 변형은 하기의 첨부된 특허청구범위에 의해 한정되는 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위 내에 있다.

Claims (5)

  1. 구조적으로 지지된 비-공기 타이어에 있어서,
    지면 접촉 환형 트레드 부분(tread portion);
    시어 밴드(shear band); 및
    상기 시어 밴드에 연결된 적어도 하나의 스포크 디스크(spoke disk)를 포함하며,
    상기 스포크 디스크는 적어도 2개의 스포크를 갖고, 각각의 스포크는 외측 링과 내측 링 사이에서 연장되고, 상기 스포크 중 제 1 스포크는 상기 외측 링으로부터 상기 내측 링까지 곡선형으로 연장되고, 제 2 스포크는 상기 외측 링으로부터 상기 내측 링까지 직선형으로 연장되며, 상기 제 1 및 제 2 스포크는 상기 외측 링과 상기 내측 링 사이에 위치된 교차부에서 함께 결합되는 것을 특징으로 하는
    구조적으로 지지된 비-공기 타이어.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 스포크 디스크의 스프링 상수는 상기 시어 밴드의 스프링 상수보다 큰 것을 특징으로 하는
    구조적으로 지지된 비-공기 타이어.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 스포크 디스크는 상기 타이어의 축방향 두께보다 작은 축방향 두께를 갖는 것을 특징으로 하는
    구조적으로 지지된 비-공기 타이어.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 스포크 디스크의 축방향 두께는 상기 스포크의 두께보다 큰 것을 특징으로 하는
    구조적으로 지지된 비-공기 타이어.
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