KR20070045876A - 비공압 타이어 - Google Patents

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KR20070045876A
KR20070045876A KR1020050111630A KR20050111630A KR20070045876A KR 20070045876 A KR20070045876 A KR 20070045876A KR 1020050111630 A KR1020050111630 A KR 1020050111630A KR 20050111630 A KR20050111630 A KR 20050111630A KR 20070045876 A KR20070045876 A KR 20070045876A
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스티븐 엠. 크론
쟝-피에르 폼피에르
티모시 비. 라인
로날드 호버트 톰슨
케네스 더블유. 데미노
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미쉐린 러쉐르슈 에 떼크니크 에스.에이.
소시에떼 드 테크놀로지 미쉐린
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Abstract

구조적 지지 타이어는 외부 환형 밴드와, 환형 밴드를 종방향으로 가로질러서 그리고 이로부터 반경방향 내부를 향해 연장되고 휠 또는 허브에 고정되는 다수의 웹 스포크들을 포함한다. 환형 밴드는 전단층과, 이 전단층의 반경방향 내부 범위에 부착되는 최소한 하나의 제 1 막과, 이 전단층의 반경방향 외부 범위에 부착되는 최소한 하나의 제 2 막을 추가로 포함한다. 양호한 웹 스포크는 환형 밴드에 대해서 횡방향이 되는 절단부를 구비한다. 이 절단부는 결합 반경으로 연결되는 직선 선분들에 의해서 형성되는 형상을 갖는다. 이 절단부의 형상은 높이 HC와, 높이 N의 5% 이상이 되고 최대 폭 W의 20% 이하가 되는 최대 깊이 D를 갖는다. 상기 형상은 수평선에 대해서 형상에의 접선에 의해서 형성되고, 상기 형상의 반경방향 최외측과 반경방향 최내측에서 최소한 10˚가 되는 각도 α를 갖는다. 상기 형상의 최소 곡률반경 RR은 최소한 상기 절단부의 높이 HC의 20%가 된다.
비공압 타이어, 구조적 지지 타이어, 웹 스포크, 환형 밴드, 전단층

Description

비공압 타이어{NON-PNEUMATIC TIRE}
도 1은 하중 하에서의 본 발명의 타이어의 적도면에서 본 도면.
도 2는 자오면에서 본 본 발명에 따른 타이어의 단면도.
도 3은 전단 변형을 나타내지 않는 기준 등방성 벤딩(reference homogeneous bending)에 대한 지면 반작용력을 도시하는 도면.
도 4는 본 발명에 다른 환형 밴드에 대한 지면 반작용력을 도시하는 도면.
도 5는 하중 지지 메커니즘을 도시하기 위해 기준 치수로 도시하면서 하중이 가해진 본 발명의 타이어를 자오면에서 본 도면.
도 6은 자오면에서 나타낸 웹 스포크의 횡방향 형상을 도시하는 본 발명의 타이어에 대한 도면.
도 7은 적도면에서 본 타이어의 X 패턴으로 된 웹 스포크의 배열을 도시한 단면도.
도 8은 적도면에서 본 지그재그(zig-zag)로 된 웹 스포크들의 대안적 배열에 대한 도면.
도 9는 회전축을 향해 반경방향으로 본 경사진 축방향 패턴으로 된 웹 스포크들의 배열에 대한 도면.
도 10은 회전축을 향해 반경방향으로 본 웹 스포크들의 대안적인 역V자형 (chevron) 배열을 나타낸 도면.
도 11은 회전축을 향해 본 웹 스포크들의 교번하는 원주방향과 축방향 정렬에 대한 대안적 배열을 나타낸 도면.
도 12는 적도면에서 본 역편향(counterdeflection) 강도를 나타낸 도면.
도 13은 본 발명에 따른 타이어의 접촉지역, 접촉 압력 그리고 수직 하중 사이의 관계를 도식적으로 나타낸 도면.
도 14는 본 발명에 다른 타이어의 접촉 압력, 수직방향 강도 그리고 역편향 강도 사이의 관계를 도식적으로 나타낸 도면.
본 발명은 비공압적이며 구조적으로 지지되는 타이어 또는 타이어/휠 조합에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, 그 구조적 부품으로 하중을 지지하고, 비공압 타이어들을 대체하는 역할을 하는 공압 타이어형 성능을 갖는 비공압 타이어에 관한 것이다.
공압 타이어들은, 많은 차량들, 가장 두드러지게는 자전거, 모터사이클, 자동차와 트럭의 용도로 적합하게 되는, 하중 지지, 도로 충격 흡수 그리고 힘 전달(가속, 제동 그리고 조향(steering))능력을 갖는다. 또한 이들 능력은 자동차와 기타 차량의 발전에 따라 고도로 유리하게 되었다. 또한 공압 타이어의 충격 흡수 능력은 다른 분야 예를 들면, 민감한 의료 장비 또는 전기 장비를 운반하는 카트 (cart)에 있어서 유용하다.
예를 들면 솔리드 타이어(solid tire), 스프링 타이어 그리고 쿠션 타이어(cushion tire)와 같은 종래 비공압 타이어들은 공압 타이어의 성능 이점(performance advantage)이 결여되어 있다. 특히, 솔리드 타이어와 쿠션 타이어들은 하중 지지를 위한 지면 접촉부의 압축에 의존하게 된다. 이러한 종류의 타이어들은 무겁고 강성이 있으며, 공압 타이어들이 갖는 충격 흡수 능력이 결여되어 있다. 좀더 복원성을 갖도록 만들어질 때, 종래 비공압 타이어들은 공압 타이어가 갖는 하중 지지 능력 또는 내구성을 결여하게 된다. 따라서, 제한된 상황을 제외하고, 공지된 비공압 타이어들은 공압 타이어의 대체물로서 광범위하게 사용되지는 않았다.
공압 타이어의 특징과 유사한 성능 특징을 갖는 비공압 타이어/휠은 기술분야에서의 여러 결함들을 극복할 것이고 환영받는 개선책이 될 것이다.
본 발명에 따라 구조적으로 지지되는 비공압 타이어/휠은 타이어 상에서 하중을 지지하는 환형 밴드(annular band)와, 이 환형 밴드와 휠 또는 허브(hub) 사이에서 하중력을 장력 상태로 전달하는 다수의 웹 스포크(web spoke)들을 포함한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 타이어 또는 타이어 휠은, 구조적 특징부들을 통해 단독으로 하중을 지지하기 위한, 그리고 내부 공기압으로부터 지지됨이 없는, 공압 타이어에서의 메커니즘에 반대되는 본 발명에 따른 구조를 의미한다.
하나의 유용한 실시예에 따라, 본 발명은 외부 환형 밴드와, 강화 환형 밴드 를 가로질러 횡방향으로 그리고 강화 환형 밴드로부터 반경방향으로 내부를 향해 연장되는 다수의 웹 스포크들과, 다수의 웹 스포크들과 휠을 상호연결시키기 위한 수단들을 포함하고, 상기 스포크들은 최대 폭 W와 반경방향 높이 N을 갖게 된다. 웹 스포크들은 각각의 웹 스포크가 외부 환형 밴드와, 다수의 웹 스포크 그리고 휠을 상호연결시키기 위한 수단들 사이의 중간부에서 최소 폭을 갖도록 하는 횡단면 형상을 갖는다. 다수의 웹 스포크들은 상기 밴드에 대해 횡방향의 절단부(cutaway section)를 갖는다. 이 절단부는 높이 HC와, 높이 N의 5% 이상 최대 폭 W의 30% 이하가 되는 최대 깊이 D를 포함하는 형상을 갖는다. 이 형상은 그 반경방향 최외측과 반경방향 최내측의 범위에서 최소한 10도가 되는 수평선에 대해서 형상에 접하는 라인에 의해 형성되는 각도 α를 갖는다. 이 형상의 최소 곡률반경 RR은 최소한 상기 스포크의 높이 N의 20%가 된다. 환형 밴드는 전단층의 반경방향 내부 범위에 부착되는 최소한 하나의 제 1 막과, 이 전단층의 반경방향 외부 범위에 부착되는 최소한 하나의 제 2 막을 추가로 포함하고, 이들 각각의 막들은 전단층의 전단 계수(shear modulus)보다 더 큰 종방향 인장 계수(tensile modulus)를 갖는다.
특정 형상은 스포크들 자체의 설계 변수의 함수가 된다. 중요 기하학적 요소들은, 스포크의 반경방향 내부 범위와 반경방향 내부 범위에서의 수평선 사이의 접선 각도와, 형상의 횡방향 최대 깊이와, 형상의 최소 곡률반경이 된다. 횡방향 형상의 기하학적 요소를 결정하는 방법은,
(a) 상기 웹 스포크의 폭 W와 높이 N, 상기 형상의 반경방향 오프셋(radial offset) Q 그리고 상기 형상의, 상기 높이 N의 5%보다 크고 상기 폭 W의 30%보다 작은 상기 형상의 횡방향 깊이 D를 특정하는 단계와,
(b) 상기 형상과, 수평선과의 교점 사이의 접선에 의해 한정되는 접선 각도 α의 계산값을 결정하는 단계와,
(c) 상기 접선 각도 α의 계산값과 예정된 최소값을 비교하고, α를 상기 계산된 값 또는 상기 최소값 중에서 더 큰 값이 되도록 설정하는 단계와,
(d) 상기 횡방향 형상의 최소 곡률반경 RR에 대한 계산값을 결정하는 단계와,
(e) 상기 반경에 대해 계산된 값과 예정된 최소값을 비교하는 단계와,
(f) 상기 계산된 값이 상기 최소값보다 크게 되면, 상기 반경 RR을 상기 계산된 값보다 더 큰 값으로 설정하는 단계를 포함한다.
상기 단계들로부터 계산된 최소 반경 값이 최소 기준보다 작게 되면, 상기 방법은, α의 값을 감소하고 계산된 반경 RR이 상기 최소값보다 크게 될 때까지 단계 (c) 내지 (f)를 되풀이함으로써 더 반복될 수 있다.
본 발명의 구조적 지지 타이어는 저압의 공기를 수용하기 위한 캐비티를 구비하지 않고, 따라서 내부 공기압을 보존하기 위해 휠 림으로 밀봉을 형성할 필요가 없게 된다. 그러므로 구조적 지지 타이어는 공압 타이어 기술에서 이해되는 바와 같은 휠을 요구하지 않는다. 하기와 같은 설명을 위해서, "휠"과 "허브"라는 용어는 타이어를 지지하고 차축에의 설치를 위한 어떤 장치 또는 구조에 관련되고, 본원에서 상호변화가능한 것으로 이해된다.
본 발명에 따라, 환형 밴드는 전단층과, 이 전단층의 반경방향 내부 범위에 부착되는 최소한 하나의 제 1 막과, 이 전단층의 반경방향 외부 범위에 부착되는 최소한 하나의 제 2 막을 포함한다. 상기 막들은 전단층의 전단 탄성 계수보다 충분히 더 큰 원주방향 인장 탄성 계수를 갖게 되어서, 외부에 대해서 가해진 하중하에서 지면 접촉 트래드 부위는, 막들의 기본적인 일정 길이는 유지하면서 기본적으로 원형 형상으로부터 지면과 동일한 형상으로 변형된다. 막들의 상대적 변위는 전단층에서의 전단력에 의해서 발생한다. 양호하게, 상기 막들은 탄성체 코팅층에 매립된 기본적으로 비신장성인 코드 강화부(inextensible cord reinforcement)로 된 중첩층들을 포함한다.
전단층은, 천연 고무 또는 합성 고무, 폴리우레탄, 발포 고무 그리고 발포 우레탄, 세그먼트화 코폴리에스터(segmented copolyester) 그리고 나일론의 블랙 공중합체(black co-polymer)와 같은 탄성체 재질로 형성된다. 양호하게, 전단층 재질은 약 3 MPa 내지 약 20MPa의 전단 계수를 갖는다. 환형 밴드는 정상적인 원형 형상으로부터 하중을 받는 동안 노면과 같은 접촉면에 일치하도록 벤딩하는 능력을 갖는다.
웹 스포크들은 휠과 환형 밴드 사이에 하중력을 전달하도록 장력으로서 작용하고, 따라서 다른 기능들 중에서 차량의 중량을 지지하는 기능을 한다. 지지력은 환형 밴드의 지면 접촉부에 연결되지 않은 웹 스포크들에서 장력에 의해 생성된다. 휠 또는 허브는 타이어의 상부로부터 걸쳐있다고 할 수 있다. 양호하게, 웹 스포크들은 인장 상태에서 높은 유효 반경방향 강도를 갖고 압축 상태에서 낮은 유효 반경방향 강도를 갖게 된다. 압축 상태에서의 낮은 강도로 인해서 환형 밴드의 지면 접촉부에 부착될 웹 스포크들은 도로 충격을 흡수하고 노면의 불규칙성에 환형 밴드를 보다 양호하게 맞추기 위해 벤딩된다.
또한 웹 스포크들은 가속, 제동, 코너링에 필요한 힘을 전달한다. 웹 스포크들의 배열과 배향은 원하는 기능을 획득하도록 선택될 수 있다. 예를 들면, 상대적으로 낮은 원주방향 힘이 생성되는 경우에, 웹 스포크들은 반경방향으로 그리고 회전축에 평행하게 배열될 수 있다. 원주방향으로의 강도를 제공하기 위해, 회전축에 수직인 웹 스포크들이 축정렬된 웹 스포크들과 교번하면서 부가될 수 있다. 다른 대안은 회전축에 비스듬하게 웹 스포크들을 배열하여서 원주방향과 축방향 모두에 대해서 강도를 제공하는 것이다.
트래드(tread)의 지면 접촉부의 웹 스포크들의 벤딩을 용이하게 하기 위해, 스포크들은 만곡될 수 있다. 대안적으로, 웹 스포크들은 특정 방향으로 벤딩하기 위해서 몰딩(molding)하는 동안 예압될 수도 있다.
하기의 용어들은 다음과 같이 정의된다.
"적도면(Equatorial Plane)"은 타이어 회전축에 수직하게 통과하고 타이어의 구조를 양분하는 평면을 의미한다.
"자오면(Meridian Plane)"은 타이어의 회전축을 통과하고 또한 이축을 포함하는 평면을 의미한다.
탄성체 재질의 "계수(modulus)"는 매 ASTM 표준 테스트법 D412마다 측정되는 10%의 신장에서의 인장 탄성 계수를 의미한다.
막들의 "계수"는 막의 유효 두께에 곱해지는 원주방향으로 1%의 신장에서의 인장 탄성 계수를 의미한다. 이 계수는 종래의 타이어 스틸 벨트(steel belt) 재질에 대한 하기의 식1로부터 계산될 수 있다. 이 계수는 프라임(') 부호가 부기된다.
탄성 재질의 "전단 계수"는 전단 탄성 계수를 의미하고, 상기 탄성체 재질에 대해서 정의된 것과 같은 인장 탄성 계수의 1/3에 해당하는 것으로 정의된다.
"이력 현상(hysteresis)"은 운행 변형률(strain), 온도, 진동수에서 측정되는 동적 손실 기울기(dynamic loss tangent, tan △)를 의미한다. 상기 운행 조건들은 특정 분야, 예를 들면 골프 카트와 스포츠 카드에 대한 상이한 하중과 속도 조건과는 상이하며, 변형률, 온도 그리고 진동수는 특정 분야에 대해서 특정될 수 있다는 것을 당업자는 이해할 것이다.
본 발명에 따른 구조적 지지 탄성 타이어를 적도면에서 본 도면이 도 1에 도시된다. 구조적 지지라는 것은, 타이어가 가스 팽창압력의 지지없이 그 구조적 부품에 의해 하중을 지지하는 것을 의미한다. 구조적 지지 탄성 타이어의 여러 변형예들용으로 공개된 구조들은 유사한 기본 부품들을 이용한다. 도면에 도시된 참조 번호들은 각각의 변형예들에 대해 일관적인 패턴을 따른다. 도면들은 비율적으로 도시된 것은 아니며, 부재들의 치수는 명확한 도시를 위해 과장되거나 또는 감소되었다.
도 1에 도시된 타이어(100)는 지면 접촉 트래드부(105)와, 이 트래드부의 반경방향으로 내부에 배치된 강화 환형 밴드(110)와, 이 환형 밴드를 횡방향으로 가로질러서 그리고 이 밴드로부터 반경방향으로 내부를 향해 연장된 다수의 웹 스포 크들(150)과, 이 웹 스포크들의 반경방향 내단부에 있는 설치 밴드(mounting band;160)를 포함한다. 설치 밴드(160)는 휠(10) 또는 허브에 타이어(100)를 고정시킨다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "횡방향으로 연장된(extending transversely)"이라는 것은, 웹 스포크들(150)이 축방향으로 정렬되거나, 또는 타이어의 축선에 대해서 경사지게 된다는 것을 의미한다. 게다가, "반경방향 내부를 향해 연장된(extending radially inward)"이라는 것은, 웹 스포크들(150)이 타이어 축선에 반경방향으로의 평면에 존재하거나, 반경방향 평면에 경사지게 존재하는 것을 의미한다. 또한, 하기 설명하는 바와 같이, 제 2 다수의 웹 스포크들은 적도면에서 연장될 수도 있다.
자오면에서 본 단면으로 타이어(100)와 휠(10)을 도시하는 도 2에 관하여, 강화 환형 밴드(110)는 탄성체 전단층(120)과, 이 탄성 전단층(120)의 반경방향 최내측 범위에 부착되는 제 1 막(130)과, 이 탄성체 전단층(120)의 반경방향 최외측에 부착되는 제 2 막(140)을 포함한다. 상기 막들(130, 140)은, 전단층(120)의 전단 강도보다 더 큰 인장 강도를 갖게 되어서 강화 환형 밴드(110)는 하중 하에서 전단변형된다.
강화 환형 밴드(110)는 타이어 상에서 하중을 지지한다. 도 1에서 지적했던 바와 같이, 타이어의 회전축 X에 가해지는 하중 L은 장력에 의해 웹 스포크들(150)에서 환형 밴드(110)로 전달된다. 환형 밴드(110)는 원호와 유사한 방식으로 작용하고, 하중 지지부재로서 작용하기에 충분히 높은, 타이어 적도면에서의 원주방향 압축 강도와 종방향 벤딩 강도를 제공한다. 하중하에서, 환형 밴드는 밴드 상의 전 단 변형을 포함하는 메커니즘을 통해 지면과의 접촉 지역 C에서 변형한다. 전단 변형하는 능력은, 공압 타이어와 유사한 유리한 결과를 가지면서 공압 타이어와 유사하게 작용하는 유연한 지면 접촉 지역 C를 제공한다.
도 3과 도 4에 관하여, 본 발명의 환형 밴드(110)의 전단 메커니즘의 이점은, 하중 하에서 무의미한 전단 변형 이상의 변형을 허용하지 않는 균등질 재료 예를 들면 금속링으로 이루어진 강체 환형 밴드(122)와 비교함으로써 이해될 수 있다. 도 3의 강체 환형 밴드(122)에서, 힘평형과 벤딩 모멘트(bending moment) 조건을 만족시키는 압력 분포는, 그 일단부가 도 3에 도시된 접촉 지역이 각 단부에 위치되는 한 쌍의 집중력 F으로 구성된다. 이에 반하여, 환형 밴드가 도 4에 도시된 바와 같은 본 발명에 따라, 전단층(120), 내부 강화부(130) 그리고 전단변형을 한정하는 외부 강화부(140)로 된 구조를 포함한다면, 접촉지역 상에서의 합성 압력 분포(S)는 대체적으로 균일하게 된다.
본 발명에 따른 환형 밴드의 유익한 결과는 접촉 지역의 전체 길이에 걸쳐 지면 접촉 압력 S가 보다 균일하게 된다는 것이며, 이는 공압 타이어와 유사하며 다른 비공압 타이어들보다 더 타이어의 기능을 개선한다.
전형적인 솔리드 타이어와 쿠션 타이어에서, 하중은 접촉 지역에서의 타이어 구조의 압축에 의해서 지지되고, 하중 용량은 접촉 지역에 존재하는 재질의 양과 종류에 의해 제한된다. 어떤 형식의 스프링 타이어에서, 강체 외부링은 타이어 상에서 하중을 지지하고, 탄성 스프링 부재들에 의해서 허브 또는 휠에 연결된다. 그러나 강체링은 전단 메커니즘을 갖지 않고, 따라서 상기 설명한 바와 같이, 강체링 은 접촉 지역의 단부들에서 집중 지면 반작용력을 갖게 되고, 이는 타이어의 지면으로의 힘 전달 능력과 지면 충격 흡수 능력에 영향을 미치게 된다.
전단층(120)은 약 3MPa 내지 약 20MPa의 전단 계수를 갖는 탄성체 재질로 된 층을 포함한다. 전단층(120)에 사용되기에 적합한 것으로 여겨지는 재질들은 천연 고무와 합성 고무, 폴리우레탄, 발포 고무와 폴리우레탄, 세그먼트화 코폴리에스터, 그리고 나일론의 블랙 공중합체를 포함한다. 하중하에서의 회전하는 동안 전단층(120)의 반복된 변형으로 인해서, 타이어 내에서의 열 축적(heat buildup)을 야기하는 이력 손실(hysteretic loss)이 발생된다. 따라서, 전단층의 이력 현상은 사용되는 재료에 대해서 허용가능한 작동 온도 이하로 작동 온도를 유지하도록 특정되어야 한다. 종래의 타이어 재질(즉, 고무)에 대해서, 예를 들면 전단층의 이력 현상은 연속 사용되는 타이어에 대해서 약 130℃ 이하의 온도를 생성하도록 특정되어야 한다.
트래드부(105)는 어떠한 홈(groove)도 갖지 않을 수 있거나, 도 2에 도시된 바와 같이 기본적으로 종방향 트래드 리브들(tread rib;109)을 그 사이에 형성하는 다수의 종방향으로 배향된 트래드 홈들(107)을 구비할 수도 있다. 게다가, 트래드(105)는 에지들 사이에서 평평한 것으로 도시되어 있다. 이는 자동차와 기타 유사 차량에 적합할 것이지만, 둥근 형태의 트래드는 자전거, 모터 사이클 그리고 키다 이륜 차량용으로 사용될 수 있다. 당업자에게 공지된 바와 같은 어떤 적합한 트래드 표면 문양(tread sculpture)이 사용될 수 있다.
양호한 실시예에 따라, 제 1 막(130)과 제 2 막(140)은 탄성체 코팅에 매립 되는 기본적으로 비신장성인 코드 강화부를 포함한다. 탄성체 재질로 구성된 타이어에 대해서, 상기 막들(130, 140)은 경화된(cured) 탄성체 재질에 의해서 전단층(120)에 부착된다. 상기 막들(130, 140)이 화학적 또는 접착제 결합 또는 기계적 고정의 어떤 적합한 방법에 의해서 전단층(120)에 부착되는 것은 본 발명이 범위에 속하는 것이 된다.
상기 막들(130, 140)의 강화 부재들은 단일필라멘트 또는 스틸 코드, 아라미드 또는 기타 높은 계수의 직물들(textile)과 같은 종래 타이어에서 타이어 벨트 강화부로서 사용되기에 적합한 여러 재질 중의 어느 하나가 될 수 있다. 본원에 기술된 예시적인 타이어들에 대해서, 강화부는 스틸 코드들이 되고, 이들 각각은 0.28mm의 직경을 갖는 4개의 와이어(4×0.28)로 구성된다.
양호한 실시예에 따라, 제 1 막은 두 개의 강화층들(131, 132)을 포함하고, 또한 제 2 막(140)은 두 개의 강화층들(141, 142)을 포함한다.
본원에 기술된 본 발명의 변형예들이 각각의 막들에 대해서 코드 강화층을 구비한다고 할지라도, 어떤 적합한 재질이 하기 기술되는 인장 강도, 벤딩 강도 그리고 환형 밴드에 요구되는 압축 버클링 저항(compressive buckling resistance) 특성에 대한 조건들을 만족시키는 막들에 대해서 적용될 수 있다. 즉, 막 구조는 균등질 재질(즉, 박형 금속 시트(thin metal sheet)), 섬유 강화 매트릭스, 또는 구분된 강화 부재를 갖는 층과 같은 여러 대안들 중 하나가 될 수 있다.
양호한 제 1 실시예에서, 제 1 막(130) 층들(131, 132)은 타이어 적도면에 대해서 약 10˚내지 약 45˚의 각으로 배향된 기본적으로 평행한 코드들을 구비한 다. 각 층들의 코드들은 반대의 배향을 갖는다. 제 2 막에 대해서 유사하게, 층들(141, 142)은 상기 적도면에 대해서 약 10˚내지 약 45˚의 각으로 배향된 기본적으로 평행한 코드들을 구비한다. 그러나, 막에서 여러 층 쌍(layer pair)들의 코드들이 동일한 반대의 각도로 상호 간에 배향될 필요는 없다. 예를 들면, 층 쌍들의 코드들이 타이어의 적도면에 대해서 비대칭적으로 되는 것이 바람직할 수 있다.
다른 양호한 실시예에 따라, 막의 최소한 하나의 층의 코드들은 막의 인장 강도 증가를 위해 적도면에 대해서 0˚또는 거의 0˚의 각을 이룰 수 있다.
각층들(131, 132와 141, 142)의 코드들은 전형적으로 약 3 내지 20MPa의 전단 계수를 갖는 탄성체 코팅층에 매립된다. 환형 밴드의 변형이 주로 전단층(120) 내에서의 전단 변형에 의해서 이루어지도록 보장하기 위해서 코팅층의 전단 계수가 전단층(120)의 전단 계수와 실질적으로 동일하게 되는 것이 양호하다.
탄성체 전단층(120)의 전단 계수 G와 상기 막들(130, 140)의 유효 종방향 인장 계수(E'membrane) 사이의 관계는 하중이 가해진 상태에서 환형 밴드의 변형을 제어한다. 종래 타이어 벨트 재질을 사용하고 막 강화 코드들이 적도면에 대해서 최소한 10˚로 배향되는 상태의 유효 인장 계수(E'membrane)는 다음과 같이 계산된다.
Figure 112005067103321-PAT00001
(1)
여기서, Erubber= 탄성체 코팅층의 인장 계수, P= 코드 방향에 수직하게 측정 된 코드 폭(cord pace)(코드 중심선 간격), v= 탄성체 코팅 재질의 포아송비(Poisson's ratio), α= 적도면에 대한 코드 각도, t= 인접층에서 케이블 사이의 고무 두께.
강화 코드들이 적도면에 대해서 10˚이하로 배향되는 막에 대해서, 막의 인장 계수 E'membrane을 계산하기 위해서 다음의 식이 사용될 수 있다.
Figure 112005067103321-PAT00002
(2)
여기서, Ecable은 케이블의 계수, V는 막에서의 케이블의 체적 비율, tmembrane은 막의 두께가 된다.
균등질 재질 또는 섬유 또는 기타 재질 강화 매트릭스를 포함하는 막에 대해서, 계수는 재질 또는 매트릭스의 계수가 된다.
E'membrane은 막의 탄성 계수와 막의 유효 두께의 곱이 된다는 점에 유의해야 한다. E'membrane/G의 비율이 상대적으로 낮을 때, 하중하에서의 환형 밴드의 변형은 균등질 밴드의 변형으로 근사화되고, 도 3에 도시된 바와 같이 불균일 지면 접촉압력을 생성한다. 다른 한편으로, E'membrane/G의 비율이 높을 때, 하중하에서의 환형 밴드의 변형은, 막들이 종방향으로 거의 연장 또는 압축되지 않는 상태에서 기본적으로 전단층의 전단 변형에 의해 이루어지게 된다. 따라서, 지면 접촉압력은 도 4에 도시된 실예에서와 같이 거의 균일하게 된다.
본 발명에 따라서, 전단층의 전단 계수 G에 대한 막의 종방향 인장 계수 E'membrane의 비율은 최소한 약 100:1, 양호하게는 최소한 약 1000:1이 된다.
도 2에 도시된 타이어는 트래드부(105), 제 1 막(130) 그리고 제 2 막(140)에 대해서 평평한 횡방향 형상을 갖는다. 접촉 지역(C)(도 1)에서 환형 밴드의 부위에서의 변형률은 제 2 막(140)에 대해서 압축성이 될 것이다. 타이어의 수직방향 편향이 증가함에 따라, 접촉 길이는 제 2 막(140)에서의 압축 응력이 임계 버클링 응력을 초과하도록 그래서 막의 종방향 버클링이 발생하도록 증가될 수 있다. 이 버클링 현상으로 인해서 접촉 지역의 종방향 연장부는 감소된 접촉 압력을 갖게 된다. 막의 버클링이 회피될 때, 지면 접촉 지역의 길이 방향에 걸쳐 보다 균일한 지면 접촉 압력이 획득된다. 만곡된 횡방향 단면을 갖는 막은 접촉 지역에서의 버클링에 보다 양호하게 저항할 것이고, 하중하에서의 버클링이 관심사가 될 때 바람직하게 된다.
막들의 종방향 인장 계수 E'membrane와 전단층의 전단 계수 G에 대한 이전 상태 조건이 충족되고 환형 밴드가 전단층에서의 전단에 의해 실질적으로 변형될 때, 주어진 응용예에 대해서 전단 계수 G와 전단층 두께 h의 값을 특정하기 위해 다음의 유리한 관계가 생성된다.
Figure 112005067103321-PAT00003
(3)
여기서, Peff = 지면 접촉 압력, G= 층(120)의 전단 계수, h= 층(120) 두께, R= 회전축에 대한 제 2 막의 반경방향 위치.
Peff와 R은 타이어의 용도에 따라 선택되는 설계 변수들이다. 식 3은 전단층의 탄성 전단 계수와 전단층 두께의 곱이 지면 접촉 압력과 제 2 막의 최외측 범위의 반경방향 위치의 곱과 근사적으로 동일함을 제시한다. 도 13은 넓은 범위의 접촉 압력에 걸쳐서 이들의 관계를 도식적으로 나타내고, 여러 다른 응용예에 대한 전단층 특성을 평가하는데 사용될 수 있다.
도 5에 관하여, 웹 스포크들(150)은 반경방향으로의 길이 N과, 환형 밴드(110)의 축방향 폭에 대략적으로 대응하는 축방향 폭 W와, 다른 치수들에 수직에 되는 두께를 갖는 실질적으로 시트형(sheet-like) 부재가 된다. 상기 두께는 길이 N 또는 폭 W 중 어느 하나보다 매우 작게 되고, 양호하게는 타이어의 반경 R의 약 1% 내지 5%가 되며, 이로 인해서 웹 스포크는 도 1에서와 같이 압력을 받는 경우에 버클링하게 된다. 좀 더 박형의 웹 스포크들은 실질적으로 어떠한 압축 저항도 갖지 않고, 즉 하중 베어링에 의미없는 압력 이상을 제공함이 없이 접촉 지역에서 벤딩될 것이다. 웹 스포크들의 두께가 증가함에 따라, 웹 스포크들은 지면 접촉 지역에서 일정한 압축 하중 베어링력을 제공할 수 있다. 그러나, 전체로서 웹 스포크들의 우세한 하중 전달 작용은 장력이 된다. 특정 웹 스포크 두께는 차량의 특정 조건들을 만족시키도록 선택될 수 있다.
이제 도 6에 관하여, 본 발명의 양호한 실시예의 웹 스포크들(150)은 제 1 막(130)과 설치 밴드(160) 사이의 중간부에서 종방향 형상이 실질적으로 더 협소해지는 유리한 결과를 획득한다. 양호한 스포크(150)는 전체 폭 W와 반경방향 길이 N을 갖는다. 양호한 웹 스포크는 상기 밴드에 횡방향으로의 절단부를 구비한다. 이 절단부에서 스포크의 폭은 스포크의 축방향 외측으로부터 축방향 삽입 깊이 D만큼 감소된다. 특정한 스포크 횡방향 형상은 여러 기하학적 변수와 제한들의 함수가 된다. 이러한 제한들에 따르는 기하형상을 획득하는 과정은 한 회 이상의 반복을 필요로 하지만, 불필요한 실험이 없는 해결책도 가능하다는 것이 경험적으로 알려졌다.
상기 절단부는 스포크의 전체 반경방향 높이 N로 연장될 수 있다. 설계와 생산의 편의를 위해서, 스포크(150)의 반경방향 외부 범위와 반경방향 내부 범위에 인접하는 기본적으로 일정한 폭을 갖는 소형 지역을 제공하는 것이 유리하다. 이 지역은, 스포크 높이 N이 10% 이하가 되는 반경방향 오프셋 거리 Q에 의해서 한정된다. 도 6의 실예에서, 상기 오프셋 거리들은 스포크(150)의 반경방향 외부 범위와 반경방향 내부 범위에서 동일하게 된다. 그러나, 이는 단지 편의를 위한 것일 뿐이며, 오프셋 Q는 스포크의 상단과 하단에 대해서 상이할 수도 있다. 따라서, 스포크(150)의 절단부의 반경방향 높이는 소량 감소되고, 스포크의 높이에서 오프셋 Q의 상단과 하단의 합을 뺀 값과 동일하게 한정되는 높이 HC를 갖는다. 도 6의 실예에 대해서, 오프셋의 상단과 하단은 동일하고 따라서 HC = N-2Q가 된다.
상기 형상부의 최소 축방향 깊이 D는 높이 N의 최소한 5%가 되어야 하고, 스포크 폭 W의 30% 이하가 되어야 한다. 상기 형상부의 최대 축방향 깊이 D에 대한 양호한 값에 대한 경험식은 다음과 같이 스포크 높이 N과 오프셋 Q의 함수가 된다.
Figure 112005067103321-PAT00004
이는 예상 깊이가 스포크 폭 W의 30% 이하가 되도록 보장하고, 오프셋 Q가 0이 되는가를 인식한다.
상기 형상부의 특정 형상은 제한되는 것이 아니며, 원호의 일부, 포물선형 호(paraboilc arc), 또는 결합 반경(blending radius)으로 연결되는 직선 선분들의 조합에 의해서 형성될 수 있다. 마지막 형식은 도 6에 도시된 변형예이고, 이는 스포크의 중앙 높이에 대해서 대칭이 된다. 각각의 직선 선분들은 형상부에 대해 접선으로 그리고 오프셋 거리 Q의 반경방향 수준에서 수평선으로 형성되는 각도 α를 형성한다. 직선 선분들은 스포크의 높이 N의 최소한 20%가 되는 최소값을 갖는 결합 반경 RR으로 연결된다. 결합 반경의 제한은, 선택된 깊이 D와 접선 각도 α가 한 정점(apex)으로 수렴하는 직선 선분들을 초래하게 되는, 따라서 스포크 성능에 유해한 영향을 미칠 수 있는 절단부의 형상을 회피하기 위해서 필요하다.
횡방향 형상은 최초에 각도 α를 계산하고, 그 후에 두 선분을 연결시키는 결합 반경을 결정함으로써 결정된다. 각도 α는 다음과 같이 스포크 형상으로부터 양호하게 특정된다는 것이 알려졌다.
Figure 112005067103321-PAT00005
그러나, α의 최소값은 최소한 10˚가 되어야 한다.
일단 α가 결정되면, 결합 반경 RR의 양호한 값은 다음 관계식으로부터 계산될 수 있다.
Figure 112005067103321-PAT00006
깊이 D의 선택값과 α의 계산값이 수용가능한 최소값보다 작은 결합 반경 RR의 값을 예상하는 경우에, 수용가능한 RR값이 획득될 때까지 과정은 증분적으로 작은 α값에 대해서 반복될 것이다. 10˚의 최소값보다 큰 α값에 대해서 어떠한 해결책도 가능하지 않다면, 또한 깊이 D는 감소될 수 있고 과정은 반복될 수 있다.
절단부의 대안적인 형식은 도 6의 좌측에 도시된 바와 같은 포물선형 단면으로서 제안된다. 이러한 실예에서, 포물선은 A, B 그리고 C로 표시된 점을 통과하고, 점 A와 점 C에서의 접선 각도 α는 전과 같이 한정된다. 점 B는 전과 같이 깊이 D의 양호한 값을 한정하고, 즉
Figure 112005067103321-PAT00007
일단 포물선이 절단부 변수, 즉 높이 HC, 접선 각도 α 그리고 깊이 D로부터 결정되면, 결합 반경 RR이 규정된다. 포물선은 한 정점으로 수렴할 수 없기 때문에, 결과적인 결합 반경 RR의 값은 웹 스포크(150)의 올바른 성능을 보장하기에 충분히 클 것이다.
현 양호한 실시예에 따라, 웹 스포크들(150)은 약 10 내지 100MPa의 높은 인장 계수를 갖는 재질로 형성된다. 웹 스포크들은 원한다면 강화될 수도 있다. 또한 웹 스포크 재질은 30%로 변형된 후에 원래 길이로 복귀하는 탄성적 거동을 나타내고, 웹 스포크 재질이 4%까지 변형될 때 일정한 응력을 나타낼 것이다. 게다가, 적합한 작동 조건에서 0.1을 넘지 않는 tan △를 갖는 재질을 구비하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 조건들을 만족시키는, 상업적으로 입수가능한 고무 또는 폴리우레탄 재질을 확인할 수 있다. 발명자들은, 미국 코네티컷 미들버리 소재의 크롬튼사(Crompton Corporation)의 유니로열 케미컬 사업부(Uniroyal Chemical division)로부터 입수되는 Vibrathane B836(상표명) 우레탄이 웹 스포크용으로 적합하다는 것을 알게 되었다.
도 2에 관하여, 일 실시예에서, 웹 스포크들(150)은 반경방향 내부 설치 밴드(160)에 의해서 상호연결되고, 이 밴드는 타이어를 설치하기 위해 휠 또는 허브(10)를 에워싸게 된다. 경계면 밴드(interface band; 170)는 그 반경방향 외단부에서 웹 스포크들(150)을 상호연결시킨다. 경계면 밴드(170)는 환형 밴드(110)에 웹 스포크들(150)을 연결시킨다. 편의를 위해, 웹 스포크들, 설치 밴드(160) 그리고 경계면 밴드(170)는 단일 유닛으로서 단일 재질로 몰딩될 수도 있다.
대안적으로, 환형 밴드(110)와 허브 또는 휠(10)에 대한 구성 재질과 과정에 따라서, 분리된 설치 밴드(160) 또는 경계면 밴드(170)는 제거될 수 있고 웹 스포크들은 환형 밴드와 휠에 직접 부착되도록 몰딩되거나 형성될 수 있다. 예를 들면, 환형 밴드 또는 휠 또는 허브 중의 어느 하나가 동일하거나 양립가능한 재질로 형 성된다면, 타이어는 웹 스포크를 환형 밴드 또는 휠과 통합적으로 형성하거나 몰딩하는 단계로 생산될 수 있고, 이 경우에 설치 밴드(160) 및/또는 경계면 밴드(170)는 휠 또는 환형 밴드의 일부로서 통합적으로 형성된다. 게다가, 웹 스포크들(150)은, 예를 들면 휠에서 슬롯과 맞물리게 되는 각각의 웹 스포크의 내단부 상에 확대부를 제공함으로써 휠에 기계적으로 부착될 수 있다.
본 발명의 타이어가 가해진 하중을 지지하는 방식은 도 1 내지 도 6을 참조함으로써 이해될 수 있다. 환형 밴드의 지역 A, 즉 지면 접촉되지 않은 부위는 원호와 같이 작용하고 웹 스포크들(150)은 장력 T를 받게 된다. (미도시된) 차량으로부터 허브 또는 휠(10)로 전달되는 타이어 상의 하중 L은 기본적으로 지역 A의 원호로부터 걸리게 된다. 전이 지역(transition region)B와 접촉 지역 C의 웹 스포크들은 장력을 받지 않는다. 양호한 실시예에 따라, 웹 스포크들은 상대적으로 얇으며 무의미한 수직방향 하중 베어링력 이상을 제공하지 않는다. 물론, 타이어가 회전함에 따라, 원호로서 작용하는 환형 밴드의 특정 부위는 연속적으로 변화하지만, 원호의 개념은 메커니즘을 이해하는데 유용하게 된다.
실질적으로 순수한 인장 하중 지지는, 높은 인장 강도를 갖지만 낮은 압축 강도를 갖는 웹 스포크를 구비함으로써 획득된다. 지면 접촉 지역에서의 버클링을 용이하게 하기 위해, 웹 스포크들은 만곡될 수 있다. 대안적으로, 웹 스포크들은 곡률을 갖도록 몰딩될 수 있고 버클링하게 되는 기질을 제공하기 위해 냉각하는 동안 열 수축(thermal shrinkage)에 의해서 직선화될 수 있다.
토크가 휠에 가해질 때, 웹 스포크들(150)은 환형 밴드(110)와 휠(10) 사이 의 비틀림에 저항해야 한다. 또한, 웹 스포크들(150)은 회전 또는 코너링 시의 측방향 편향에 저향해야 한다. 이해되는 바와 같이, 반경방향-축방향 평면에 존재하는, 즉 반경방향과 축방향 모두에 대해서 정렬되는 평면에 존재하는 웹 스포크들(150)은 축방향력에 대해서는 높은 저항력을 갖게 되지만, 특히 반경방향으로 연장된다면 원주방향으로의 토크에는 저항하기 어렵게 될 것이다. 일정한 차량들과 응용예, 예를 들면 상대적으로 낮은 가속력을 생성하는 것들에 대해서, 반경방향으로 정렬된 상대적으로 짧은 스포크를 구비한 웹 스포크 패키지가 적합할 것이다.
높은 토크가 예상되는 응용예에서, 도 7 내지 도 9에 도시된 것과 같은 배열 중의 하나가 보다 적합할 것이다. 도 7에서, 웹 스포크들(150)은 축방향으로 볼 수 있는 바와 같이 반복된 X 패턴으로 배향되고, 스포크의 쌍들은 그 중앙에서 결합된 X자를 형성한다. 도 8에서, 웹 스포크들은 반경방향에 대해서 지그재그 패턴으로 배향된다. 도 9에서 웹 스포크들은, 인접한 웹 스포크들이 지그재그 패턴으로 축방향에 대해서 대향적으로 배향된 상태로 배향된다. 이러한 변형예들에서, 상기 배향들은 반경방향과 원주방향 모두에 대해서 힘저항 요소를 제공하여서, 토크에 대한 저항을 증가시키면서 반경방향과 측방향 힘저항 요소를 유지하게 된다. 배향각은 사용되는 웹 스포크들의 수와 인접 웹 스포크들 사이의 공간에 따라 선택될 수 있다.
다른 대안적 배열들이 사용될 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 웹 스포크들은 반경방향에서 보았을 때, 역V자형(chevron) 또는 V-패턴으로 배열될 수 있다. 다른 대안들은 도 11에 도시된 바와 같이 축방향 정렬과 원주방향 정렬 사이에 인접 웹 스포크들의 배향을 교번적으로 배열하는 것이다. 그러나, 이들 대안들은 접촉 지역에서의 웹 스포크들의 벤딩을 수용하는데 따른 어려움때문에 양호하지 않다.
웹 스포크들의 다양한 배열로 인해서 타이어의 수직, 측방향 그리고 뒤틀림 강도가, 접촉 압력 그리고 서로에 대해서 무관하게 튜닝될 수 있다.
수직방향 강도는 하중하에서의 편향에 저항하는 타이어의 능력에 관한 것이다. 타이어의 수직방향 강도는 지면과 접촉하지 않는 타이어의 부위의 하중에 대한 반작용, 즉 타이어의 "역편향(counterdeflection)"에 의해서 강한 영향을 받는다. 도 12는 과장된 비율로 이러한 현상을 도시한다. 타이어가 하중 L을 받을 때, 타이어는 f의 양으로 편향되고 지면과 접촉하는 부위는 지면의 형상과 동형이 되어서 지면 접촉 지역 C를 형성하게 된다. 본 설명을 위해서, 도 12에서 기준 프레임은 타이어의 축 X를 일정한 위치에서 유지하고 축을 향해서 상방향으로 지면을 이동시킨다. 타이어는 탄성체이고, 따라서 수직 편향 f는 하중 L에 비례하며, 이로부터 타이어의 수직방향 강도 KV가 추출된다. (도시되지 않은) 막들에 의해서 제한받는 (개념적으로 도시된) 환형 밴드(110)는 막 길이를 보존하기 위해서 일정 길이를 유지하려고 하고, 지면과 접촉하지 않는 타이어의 부위는 도면에 파선으로 지시되는 바와 같이 접촉 지역 C로부터 멀어져서 부양되거나 또는 역편향된다. 또는 역편향의 양 λ는 하중 L에 비례하고, 따라서 역편향 강도 Kλ가 획득될 수 있다. 역편향 강도 Kλ는 주로 원주방향 압축 강도와 지면 접촉하지 않는 웹 스포크가 하중을 지 지하는 방식에 관한 것이다. 더 작은 범위에 대해서, 환형 밴드의 횡방향 그리고 종방향 벤딩이 관련된다.
역편향은 축이 고정된 상태에서 타이어에 하중 F를 가하고 접촉 지역에서의 타이어의 편향 f와 대향 접촉 지역에서의 트래드면의 편향을 측정함으로써 직접 측정된다. 그 후에 역편향 강도는 하중 F를 역편향양 λ로 나눔으로써 결정된다.
실시에 있어서, 역편향 강도 Kλ는 타이어의 수직방향 강도를 제어하고, 따라서 타이어의 휠 축에 대한 하중하에서의 편향을 실질적으로 제어한다. 역편향 강도 Kλ는 도 12에 도시된 바와 같이 접촉 지역의 길이를 결정한다. 낮은 역편향 강도로 인해서 환형 밴드(110)는 하중하에서 수직방향으로 이동할 수 있고, 따라서 이 편향에서의 하중 용량을 감소시킨다. 따라서, 높은 역편향 강도를 갖는 타이어는 상대적으로 역편향과 더 긴 접촉 지역을 갖게 된다.
도 14는 타이어의 역편향 강도 Kλ와 수직방향 강도 사이의 근사적 관계를 그래프로 도시한다. 도 14는 본 발명에 유용한 수직방향 강도와 접촉 압력의 독립성을 도시하고 있으며, 이로 인해서 공압 타이어에선 유용하지 않은 설계의 유연성을 가능하게 한다. 공기가 빠진 공압 타이어는 전형적으로 0.1 DaN/mm2가 되는 단위 접촉 면적당 역편향 강도를 갖는다. 반대로, 본 발명에 따른 타이어는 0.1 DaN/mm2 이상의 범위의 단위 접촉 면적당 역편향 강도를 갖도록 설계될 수 있다.
유리하게, 어떤 제안된 응용예에 대한 출발 설계 변수는 도 13과 조합된 도 14를 이용하여 선택될 수 있다. 일단 접촉 압력, 수직 하중 그리고 접촉 면적이 도 13을 이용하여 선택되면, 타이어에 대한 수직방향 강도 특성은 도 14를 이용하여 결정될 수 있다. 도 13으로부터 획득된 역편향 강도 Kλ에 대한 원하는 근사값으로, 그 후에 설계자는 이러한 강도를 달성하는 구조를 특정하기 위한 유용한 분석 도구인 유한 요소 해석을 이용할 것이다. 또한 타이어의 제작과 테스트를 포함하는 작업으로 설계 변수들이 확인될 것이다.
예를 들면, 승용차용으로 의도된 차량의 타이어를 설계하기 위해서, 설계자는 1.5 내지 2.5 DaN/cm2 의 설계 접촉 압력 Peff를 선택하고, 반경 R이 약 335mm가 되는 타이어 크기를 선택할 수 있다. 이들 값을 곱함으로써, 50.25 내지 83.75 DaN/cm의 "전단층 요소(shear layer factor)"가 결정될 수 있고, 이는 전단층 재질 두께와 전단 계수를 특정하는데 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 전단 계수는 약 3MPa 내지 약 10MPa의 범위에 속하게 되는 상태로, 전단층의 두께 h는 최소한 5mm 양호하게는 약 10mm 내지 약 20mm가 된다.
게다가, 본 발명에 따라, 타이어의 지면 접촉 압력과 강도는 서로 독립적이 되고, 반대로 공압 타이어의 경우에 이들 모두는 팽창 압력에 관련된다. 따라서, 타이어는 높은 접촉 압력 P을 갖지만 낮은 강도를 갖도록 설계될 수 있다. 이는 낮은 질량과 구름 저항을 갖지만 하중 지지 능력은 유지하는 타이어를 생산할 때 유리할 수 있다.
역편향 강도 Kλ는 여러 방식으로 수정될 수 있다. 이러한 강도를 조정하기 위해서 사용되는 설계 변수들 중의 일부는 웹 스포크 계수, 웹 스포크 길이, 웹 스포크 곡률, 웹 두께, 환형 밴드 막의 압축 계수, 전단층의 두께, 타이어 직경 그리고 환형 밴드의 폭을 포함한다.
수직방향 강도는 주어진 타이어의 하중 지지 용량을 최적화하도록 조정될 수 있다. 대안적으로, 수직방향 강도는, 수직방향 강도의 원하는 수준을 유지하면서 감소된 접촉 압력 또는 타이어 질량에 대해서 감소된 두께의 환형 밴드를 제공하도록 조정될 수 있다.
또한 본 발명의 타이어의 수직방향 강도는 환형 밴드와 측벽부 상의 구심력(centripetal force)의 효과에 의해서 영향을 받게 된다. 타이어의 회전 속도가 증가함에 따라, 구심력이 발생한다. 종래 래디얼 타이어(radial tire)에서, 구심력은 타이어의 작동 온도를 증가시킬 수 있다. 반대로, 본 발명의 타이어는 이와 동일한 힘으로부터의 예상치 못한 유익한 결과를 획득한다. 본 발명의 타이어가 하중이 가해진 상태로 회전할 때, 구심력에 의해서 환형 밴드는 원주방향으로 팽창하고 웹 스포크들에서 부가적인 장력이 유도된다. 접촉하지 않는 타이어의 범위(도 1의 "A"지역)에 대한 반경방향으로 강도를 갖는 웹 스포크들은 이러한 구심력에 저항한다. 이는, 타이어의 유효 수직방향 강도를 증가시키고 정적, 비회전 상태에 대한 타이어의 반경방향 편향을 감소시키도록 작용하는 상방향으로의 순 합성력(net upward resultant force)을 발생시킨다. 이러한 결과는, 타이어 적도면에서의 밴드의 종방향 강도(2·E'membrane)와 장력 하에서의 웹 스포크의 유효 강도의 비율이 100:1 이하 가 될 때 현저한 정도로 획득된다.
많은 다른 변형예들이 본 명세서를 읽음으로써 당업자에게 명백해질 것으로 이해한다. 이들 변형예들과 다른 변형예들은 하기의 첨부된 청구항들에 의해 한정되는 바와 같이 본 발명의 정신과 범위에 속하는 것이 된다.
본 발명에 따른 타이어에 의해서. 종래 공압 타이어들이 갖는 충격 흡수 능력을 구비하면서, 공압 타이어가 갖는 하중 지지 능력 또는 내구성을 갖는 비공압 타이어가 제공된다.

Claims (23)

  1. 외부 환형 밴드와, 이 외부 환형 밴드를 가로질러 횡방향으로 그리고 이 밴드로부터 반경방향 내부를 향해 연장되는 다수의 웹 스포크들과, 다수의 웹 스포크들과 휠을 상호연결시키는 수단을 포함하고, 상기 스포크들은 최대 폭 W와 반경방향 높이 N을 갖게 되는 구조적 지지 타이어에 있어서,
    다수의 상기 웹 스포크들은 상기 밴드에 횡방향이 되는 절단부를 구비하고, 이 절단부는,
    높이 HC와, 상기 반경방향 높이 N의 5%보다 크고 상기 최대 폭 W의 30%보다 작은 최대 깊이 D를 갖는 형상을 포함하고,
    상기 형상은 상기 형상의 반경방향 최외측의 그리고 반경방향 최내측의 범위에서, 상기 형상에 대한 접선과 수평선에 의해서 형성되는 각도 α를 갖고,
    이 각도 α는 최소한 10˚가 되고,
    상기 형상의 최소 곡률반경 RR은 상기 반경방향 높이 N의 최소한 20%가 되는 구조적 지지 타이어.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 절단부는 외부 환형 밴드로부터 그리고 다수의 웹 스포크들과 휠을 상호연결시키는 상기 수단으로부터 반경방향 높이 h로 오프셋되고, 상기 높이 h는 상기 높이 N의 10% 이하가 되는 구조적 지지 타이어.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 최대 깊이 D는
    Figure 112005067103321-PAT00008
    보다 작게 되는 구조적 지지 타이어.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 각도 α는 10˚보다 크고,
    Figure 112005067103321-PAT00009
    보다 작거나 이와 동일하게 되는 구조적 지지 타이어.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반경 RR은 상기 반경방향 높이 N의 20%보다 크고,
    Figure 112005067103321-PAT00010
    보다 작거나 이와 동일하게 되는 구조적 지지 타이어.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 환형 밴드는 전단층과, 이 전단층의 반경방향 내부 범위에 부착되는 최소한 하나의 제 1 막과, 이 전단층의 반경방향 외부 범위에 부착되는 최소한 하나 의 제 2 막을 추가로 포함하고, 상기 막들 각각은 전단층의 전단 계수보다 더 큰 종방향 인장 계수를 갖게 되는 구조적 지지 타이어.
  7. 제 1 항에 있어서,
    환형 밴드의 반경방향 외부 범위에 배치되는 트래드부를 추가로 포함하는 구조적 지지 타이어.
  8. 제 1 항에 있어서,
    다수의 웹 스포크들과 휠을 상호연결시키기 위한 상기 수단은 웹 스포크들의 반경방향 내단부들을 상호연결시키는 설치 밴드를 포함하는 구조적 지지 타이어.
  9. 제 1 항에 있어서,
    다수의 웹 스포크들은 웹 스포크들의 반경방향 외단부들을 상호 연결시키는 반경방향 외부 밴드를 추가로 포함하는 구조적 지지 타이어.
  10. 제 1 항에 있어서,
    각각의 웹 스포크는 축방향에 평행하게 배향되는 구조적 지지 타이어.
  11. 제 1 항에 있어서, 각각의 웹 스포크는 축방향에 대해서 경사지게 배향되는 구조적 지지 타이어.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상호 간에 인접한 웹 스포크들은 축방향으로 반대의 경사각으로 배향되는 구조적 지지 타이어.
  13. 제 1 항에 있어서,
    웹 스포크들은, 반경방향으로 압축될 때 벤딩을 용이하게 하기 위해서 적도면에서 곡률을 갖게 되는 구조적 지지 타이어.
  14. 제 1 항에 있어서,
    각각의 웹 스포크는 최소한 타이어의 반경의 약 5%를 넘지 않는 두께를 갖게 되는 구조적 지지 타이어.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 막들 중의 하나의 종방향 인장 계수와 전단층의 전단 계수의 비율이 최소한 100:1이 되는 구조적 지지 타이어.
  16. 제 1 항에 있어서,
    전단층의 전단 탄성 계수와 전단층의 반경방향 두께의 곱이, 타이어 지면 접촉 압력과 제 2 막의 외최측 범위의 반경방향 위치의 곱과 대략 동일하게 되는 구 조적 지지 타이어.
  17. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 제 1 막과 제 2 막의 각각은, 전단층의 전단 탄성 계수와 최소한 동일한 전단 탄성 계수를 갖는 탄성체 코팅층에 매립된 기본적으로 비신장성의 코드 강화부의 층을 포함하게 되는 구조적 지지 타이어.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 절단부는 상기 형상의 반경방향 최외측과 반경방향 최내측의 범위에서 최소한 10˚가 되는 접선 각도 α를 갖는 포물선에 의해서 한정되고, 상기 포물선은 상기 최대 깊이 D에 해당하는 축방향 위치를 통과하게 되는 구조적 지지 타이어.
  19. 웹 스포크의 횡방향 형상을 결정하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 웹 스포크의 폭 W와 높이 N, 반경방향 오프셋 h, 그리고 상기 형상의, 상기 반경방향 높이 N의 5%보다 크고 상기 폭 W의 30%보다 작은 횡방향 깊이 D를 특정하는 단계와,
    (b) 상기 형상에 대한 접선과 수평선에 의해서 한정되는 접선 각도 α의 계산값을 결정하는 단계와,
    (c) 접선 각도 α의 계산값을 예정된 최소값과 비교하고, 상기 계산값 또는 상기 최소값 중에서 더 큰 값으로 α를 설정하는 단계와,
    (d) 상기 종방향 형상의 최소 곡률반경 RR의 계산값을 결정하는 단계와,
    (e) 상기 반경의 계산값을 예정된 최소값과 비교하는 단계와,
    (f) 상기 계산값이 상기 최소값보다 크게 되면 상기 반경 RR을 더 큰 상기 계산값으로 설정하는 단계와,
    (g) α의 값을 감소시키고, 상기 반경 RR이 상기 최소값보다 더 크게 될 때까지 상기 단계(c) 내지 단계 (f)를 반복하는 단계를 포함하는 방법.
  20. 제 17 항에 있어서, 각도 α의 상기 계산값은
    Figure 112005067103321-PAT00011
    과 같게 되는 방법.
  21. 제 17 항에 있어서, 반경 RR의 상기 최소값은 상기 웹 스포크의 반경방향 높이 N의 20%와 동일하게 되는 방법.
  22. 제 17 항에 있어서,
    상기 반경 RR은 최소한 상기 반경방향 높이의 20%와 동일하고,
    Figure 112005067103321-PAT00012
    보다 작거나 동일하게 되는 방법.
  23. 제 17 항에 있어서,
    각도 α의 상기 최소값은 10˚가 되는 방법.
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