BANDA MEJORADA DE CIZALLAMIE TO
Campo de la invención La presente invención proporciona una banda mejorada de cizallamiento , para su uso en llantas no neumáticas, llantas neumáticas, y otras tecnologías. La banda mejorada de cizallamiento está construida de manera única como un material compuesto de capas individuales. Las capas individuales son seleccionadas de ciertos materiales que tienen propiedades físicas específicas que, cuando se combinan de una manera particular como se describe aquí, proporcionan propiedades físicas y características de funcionamiento totales que exceden aquellas de una banda de cizallamiento construida solamente de uno de los materiales individuales. Cuando se utiliza en la construcción de la llanta, también se pueden obtener mejoras en la resistencia a la rodadura. Antecedentes de la invención Las llantas que utilizan una banda anular única ya han sido descritas. Por ejemplo, la patente U.S. No. 6,769,465, se refiere a una llanta elástica soportada estructuralmente que soporta una carga sin una presión de aire interna. En una modalidad ejemplar, esta llanta no neumática incluye una porción que hace contacto con el suelo y porciones de pared lateral que se extienden radialmente hacia dentro de la porción de la banda de rodadura y fijada en las porciones
Ref .198330
de talón que están adaptadas para permanecer aseguradas a la rueda durante la rodadura de la llanta. Una banda anular reforzada está colocada radialmente hacia dentro de la porción de la banda de rodadura. Esta banda de cizallamiento incluye al menos una capa de cizallamiento, una primera membrana adherida a la porción que se extiende radialmente hacia dentro de la capa de cizallamiento y una segunda membrana adherida a la porción que se extiende radialmente hacia fuera de la capa de cizallamiento. Cada una de las membranas tiene un módulo de tracción longitudinal suficientemente más grande que el módulo de cizallamiento dinámico de la capa de cizallamiento de modo que, cuando esté bajo carga, la porción que hace contacto con el suelo de la llanta se deforme hasta una región de contacto plana por medio de la deformación por esfuerzo cortante en la capa para resistir el cizallamiento mientras que se mantiene una longitud constante de las membranas. El desplazamiento relativo de las membranas ocurre substancialmente por la deformación por esfuerzo cortante en la capa para resistir el cizallamiento. La invención de la patente U.S. No. 6,769,465 proporciona varias ventajas incluyendo, por ejemplo, la capacidad para operar sin una presión de inflado y la flexibilidad para ajustar la rigidez vertical de la llanta algo independientemente de la presión de contacto con el suelo . A manera de ejemplo adicional, la publicación de la
solicitud de patente U.S. No. 2004 / 159385 , también se refiere a una llanta no neumática. En una modalidad ejemplar, esta llanta no neumática incluye una banda de cizallamiento, anular, externa y una pluralidad de barras de refuerzo que se extienden transversalmente a través de y radialmente hacia dentro desde la banda anular y están fijadas en una rueda o cubo. En ciertas modalidades ejemplares, la banda anular de cizallamiento puede comprender además una capa de cizallamiento, al menos una primera membrana adherida a la porción que se extiende radialmente hacia dentro de la capa de cizallamiento y al menos una segunda membrana adherida a la porción que se extiende radialmente hacia fuera de la capa de cizallamiento. Bajo carga, la banda anular se deforma en el área de contacto con la superficie del suelo a través de un mecanismo que incluye la deformación por esfuerzo cortante de la banda anular. Además de la capacidad para operar sin una presión de inflado requerida, la invención de la publicación No. 2004 / 0159385 proporciona ventajas que incluyen una presión de contacto con el suelo más uniforme en toda la longitud del área de contacto, lo cual a su vez proporciona características de funcionamiento semejantes a la llanta neumática sin ciertas desventajas de las llantas no neumáticas previas. Como se describió para las modalidades ejemplares de las referencias descritas anteriormente, ambas utilizaron una banda anular de cizallamiento que comprende una capa de
cizallamiento para proporcionar los beneficios de funcionamiento deseables en una llanta. Como se describe posteriormente, los solicitantes han descubierto una construcción ventajosa de la capa de cizallamiento que mejora aún adicionalmente las capacidades de funcionamiento de la banda anular. Esta construcción mejorada de la capa de cizallamiento tiene aplicación en llantas neumáticas, llantas no neumáticas, y también en otros productos. Además, tales ventajas pueden ser obtenidas, si así se desea, sin el uso de elementos de refuerzo adicionales dentro de la capa de cizallamiento . Breve descripción de la invención Los objetos y ventajas de la invención serán descritos en parte en la siguiente descripción, o pueden ser obvios de la descripción, o pueden ser aprendidos por medio de la práctica de la invención. En una modalidad ejemplar de la presente invención, una banda de cizallamiento es provista, la cual define una dirección radial. La banda de cizallamiento comprende una capa de cizallamiento, compuesta, que tiene un módulo de cizallamiento dinámico total. La capa de cizallamiento, compuesta, comprende al menos: (i) una o más capas que tienen un primer módulo de cizallamiento dinámico y una primera fracción de volumen total, y (ii) una o más capas que tienen un segundo módulo de cizallamiento dinámico y una segunda
fracción de volumen total . La proporción del segundo módulo de cizallamiento dinámico con respecto al primer módulo de cizallamiento dinámico es de al menos aproximadamente 3. Las capas de la banda de cizallamiento, compuesta, están colocadas de una manera alternativa entre las capas que tienen el primer módulo de cizallamiento dinámico y las capas que tienen el segundo módulo de cizallamiento dinámico. Al menos una primera membrana está adherida a una porción que se extiende radialmente hacia dentro de la capa de cizallamiento, compuesta. Al menos una segunda membrana está adherida a una porción que se extiende radialmente hacia fuera de la capa de cizallamiento, compuesta. La proporción del módulo de tracción longitudinal de una de las membranas con respecto al módulo de cizallamiento dinámico total de la capa de cizallamiento, compuesta, es de al menos aproximadamente 100:1. Para esta modalidad ejemplar, la(s) capa(s) que tiene (n) un primer módulo de cizallamiento dinámico pueden comprender al menos un material que tiene una histéresis de menos de aproximadamente 0.2 a deformaciones entre aproximadamente 15 por ciento y aproximadamente 30 por ciento. Alternativamente, las capas que tienen un primer módulo de cizallamiento dinámico pueden comprender al menos un material que tiene una histéresis de menos de aproximadamente 0.1 a las deformaciones entre aproximadamente 15 por ciento y aproximadamente 30 por ciento. Todavía adicionalmente para esta modalidad ejemplar, la(s)
capa(s) que tiene (n) un segundo módulo de cizallamiento dinámico pueden comprender al menos un material que tiene una histéresis de menos de aproximadamente 0.07 a las deformaciones entre aproximadamente 0.1 por ciento y aproximadamente 2 por ciento. Alternativamente, la(s) capa(s) que tiene (n) un segundo módulo de cizallamiento dinámico pueden comprender al menos un material que tiene una histéresis de menos de aproximadamente 0.04 a las deformaciones entre aproximadamente 0.1 por ciento y aproximadamente 2 por ciento. A manera de ejemplo solamente, estas modalidades ejemplares de una banda de cizallamiento pueden ser encontradas en las llantas, cada una teniendo una porción de contacto con el suelo y una porción de la banda de rodadura . En otra modalidad ejemplar de la presente invención, una llanta para colocación sobre una rueda es provista con la llanta que define una dirección radial. La llanta comprende una porción de la banda de rodadura en contacto con el suelo. Una banda anular reforzada también está incluida y está colocada radialmente hacia dentro de la porción de la banda de rodadura. La banda anular reforzada comprende una capa de cizallamiento, compuesta, que tiene un módulo de cizallamiento dinámico total. La capa de cizallamiento, compuesta, comprende: (i) una o más capas construidas de materiales que tienen un primer módulo de cizallamiento dinámico y una
primera fracción de volumen total, y (ii) una o más capas construidas de los materiales que tienen un segundo módulo de cizallamiento dinámico y una segunda fracción de volumen total. La relación del segundo módulo de cizallamiento dinámico con respecto al primer módulo de cizallamiento dinámico es de al menos aproximadamente 3. Las capas de materiales que tienen ya sea el primer y segundo módulo de cizallamiento están colocadas de una manera alternativa entre el primer módulo de cizallamiento dinámico y el segundo módulo de cizallamiento dinámico a lo largo de la dirección radial de la llanta. Una estructura de soporte está provista para el montaje de la banda y la porción de la banda de rodadura, a la rueda. La estructura de soporte está localizada radialmente hacia adentro de la banda anular reforzada. Al menos una primera membrana está adherida a la porción que se extiende radialmente hacia dentro de la capa de cizallamiento, compuesta. Al menos una segunda membrana es adherida a la porción que se extiende radialmente hacia fuera de la capa de cizallamiento, compuesta. La proporción del módulo de tracción longitudinal de una de las membranas con respecto al módulo de cizallamiento dinámico total de la capa de cizallamiento, compuesta, es de al menos aproximadamente 100:1. En todavía otra modalidad ejemplar de la presente invención, se proporciona una llanta para colocarla sobre una rueda. La llanta tiene una porción de la banda de rodadura que
hace contacto con el suelo y una banda anular reforzada colocada radialmente hacia dentro de la porción de la banda de rodadura. La banda comprende una capa de cizallamiento, compuesta, que tiene un módulo de cizallamiento dinámico total. La capa de cizallamiento, compuesta, comprende: (i) una primera capa de cizallamiento que tiene un primer módulo de cizallamiento dinámico, y (ii) una segunda capa de cizallamiento colocada radialmente hacia fuera de la primera capa de cizallamiento. La segunda capa de cizallamiento tiene un segundo módulo de cizallamiento dinámico. La relación del segundo módulo de cizallamiento dinámico con respecto al primer módulo de cizallamiento dinámico es de al menos aproximadamente 3. También son provistos medios para la conexión de la porción de la banda de rodadura y la banda anular con la rueda. Al menos una primera membrana es adherida a la porción que se extiende radialmente hacia dentro de la capa de cizallamiento, compuesta. Al menos una segunda membrana es adherida a la porción que se extiende radialmente hacia fuera de la capa de cizallamiento, compuesta. La proporción del módulo de tracción longitudinal de una de las membranas con respecto al módulo de cizallamiento dinámico total de la capa de cizallamiento, compuesta, es de al menos aproximadamente 100:1. Breve Descripción de las Figuras Estas y otras características, aspectos y ventajas de la presente invención llegarán a ser mejor entendidos con
referencia a la siguiente descripción y reivindicaciones anexas. Las figuras que se anexan, las cuales están incorporadas en, y constituyen una parte de esta especificación, ilustran las modalidades de la invención y, junto con la descripción, sirven para explicar los principios de la invención. Una descripción total y habilitante de la presente materia objeto, incluyendo el mejor modo de la misma, dirigida a una persona con experiencia ordinaria en el arte, es descrita en la especificación, que hace referencia a las figuras anexas, en las cuales: La figura 1A es un diagrama esquemático que ilustra las fuerzas de reacción del suelo para una banda homogénea de referencia . La figura IB es un diagrama esquemático que ilustra las fuerzas de reacción del suelo para una banda anular que tiene una capa de cizallamiento . La figura 2, figura 3 y figura 4 son vistas en sección transversal de los materiales compuestos de las capas de cizallamiento, para las bandas de cizallamiento construidas de acuerdo con las modalidades ejemplares de la presente invención . Las figuras 5 y 6 son gráficas de ciertos datos como se describirán posteriormente. La figura 7 es una vista en sección transversal de
una modalidad ejemplar de la presente invención que tiene una banda de cizallamiento como se describió aquí. La figura 8 es una vista en perspectiva parcial de una modalidad ejemplar de la presente invención que tiene una banda de cizallamiento como se describió aquí. La figura 9 es una vista en sección transversal de la modalidad ejemplar de la presente invención ilustrada en la figura 8. Una sección transversal de una banda de cizallamiento, ejemplar, es ilustrada. El uso repetido de los caracteres de referencia idénticos o semejantes de principio a fin de la presente especificación y las figuras anexas están propuestos para representar las mismas características o elementos, o unos análogos de la invención. Descripción detallada de la invención Definiciones Ahora se hará referencia con detalle a las modalidades de la invención, uno o más ejemplos de las cuales son ilustradas en las figuras. Cada ejemplo es provisto a manera de explicación de la invención, y no está propuesto como una limitación de la invención. Por ejemplo, las características ilustradas o descritas como parte de una modalidad, pueden se utilizadas con otras modalidades para dar todavía una tercera modalidad. Está propuesto que la presente invención incluya estas y otras modificaciones y variaciones.
Se debe señalar que para los propósitos de la descripción, solo la mitad de las modalidades ejemplares de la llanta pueden ser mostradas en una o más de las figuras. Una persona con experiencia ordinaria en el arte, que utiliza las enseñanzas descritas aquí, entenderá que las mismas características o características substancialmente semejantes son repetidas sobre ambos lados de la llanta. Los siguientes términos están definidos como sigue para esta descripción. "Compuesto", como se utiliza aquí, significa construido de dos o más capas. "Módulo de cizallamiento dinámico" significa el módulo de cizallamiento medido por ASTM D5992. "Alargamiento a la ruptura" significa el alargamiento por tracción como se mide por ASTM D412-98a y llevado a cabo a 100 SC en lugar de la temperatura ambiente. "Plano ecuatorial" significa un plano perpendicular al eje de rotación de la llanta que pasa a través de la línea central de la llanta. "Histéresis" significa la tangente de la pérdida dinámica (tan max d) . Las características dinámicas de los materiales se miden sobre un sistema de prueba del elastómero MTS 831 de acuerdo con ASTM D5992. Las respuestas de una muestra de material vulcanizado (pieza de prueba cilindrica de un espesor de 4 iran y una sección de 400 mm2) , sometido a una
deformación por esfuerzo cortante sinusoidal única, a una frecuencia de 10 Hz y a 80 2C, es registrada. La exploración es efectuada a una amplitud de la deformación de 0.1 hasta 50 % (ciclo hacia fuera) , luego de 50 % hasta 0.1 % (ciclo de retorno) . El módulo de cizallamiento máximo G* max en MPa y el valor máximo de la diferencia de pérdida del ángulo tangente (max tan d) es determinado durante el ciclo hacia fuera. "Plano meridional" significa un plano paralelo al eje de rotación de la llanta y que se extiende radialmente hacia fuera desde el eje. "Módulo" de las membranas significa el módulo de tracción elástico al 1 % de alargamiento en la dirección circunferencial multiplicado por el espesor efectivo de la membrana. Este módulo puede ser calculado por las ecuaciones 6 ó 7 posteriores, para los materiales de la banda de acero de la llanta convencional. Este módulo es anotado con una designación de asterisco (*) . "Rueda" o "cubo" se refiere a cualquier dispositivo o estructura para soportar la llanta y para el montaje al , eje del vehículo, y tales términos son utilizados intercambiablemente aquí . La presente invención proporciona una banda mejorada de cizallamiento, que puede ser utilizada en una variedad de productos incluyendo, por ejemplo, llantas no neumáticas, y otras tecnologías. La banda mejorada de cizallamiento está
construida como un material compuesto comprendido de capas individuales, que están construidas a su vez a partir de ciertos materiales que tienen propiedades físicas específicas que, cuando se combinan de una manera particular como se describe aquí, proporcionan propiedades físicas totales y características de funcionamiento que exceden deseablemente aquellas que podrían ser obtenidas de una banda de cizallamiento, construida solamente de uno de los materiales individuales. A manera de ejemplo solamente, en ciertas modalidades que pueden ser utilizadas para la construcción de la llanta, se pueden obtener mejoras en la resistencia a la rodadura y la flexibilidad del diseño de la llanta. A manera de antecedentes para la presente invención, la utilidad de la banda de cizallamiento, construida a partir de solamente un material único, una capa única de cizallamiento puede ser descrita con referencia a las figuras 1A y IB. La figura 1A ilustra una banda anular rígida 50 comprendida de un material homogéneo, por ejemplo un anillo metálico, que no permite más que una deformación insignificante por esfuerzo cortante bajo carga. En la banda anular rígida 50 de la fórmula 1A, la presente distribución que satisface la fuerza de equilibrio y los requerimientos del momento de flexión, está compuesta de un par de fuerzas concentradas F localizadas en cada extremo de las áreas de contacto, un extremo de la cual es mostrada en la figura 1A.
En contraste, la figura IB ilustra una banda de cizallamiento que tiene una capa de cizallamiento única 60, un refuerzo interno o membrana 70, y un refuerzo externo o membrana 80. La estructura de la figura IB, que tiene una banda construida como se describe por ejemplo en la patente U.S. No. 6,769,465, describe la deformación por esfuerzo cortante dentro de la capa de cizallamiento 60, que conduce a una presión de distribución Q deseable en la región en contacto con el suelo que es substancialmente uniforme. Más específicamente, cuando la relación del módulo de tracción efectivo de las membranas (E'MEMBRANA) 70 y 80 con respecto al módulo de cizallamiento dinámico G de la capa de cizallamiento 60 es suficientemente elevada (por ejemplo, de al menos aproximadamente 100 a l) la deformación de la banda de cizallamiento bajo carga es esencialmente por la deformación por esfuerzo cortante de la capa de cizallamiento 60 con una extensión o compresión longitudinal pequeña de las membranas 70 y 80, lo cual conduce a una distribución Q de la presión de contacto con el suelo substancialmente uniforme. Cuando la banda de cizallamiento de la figura IB se deforma substancialmente por cizallamiento en la capa de cizallamiento 60, una relación ventajosa es creada permitiendo que se especifiquen los valores del módulo de cizallamiento dinámico G de la capa 60 y su espesor h para una aplicación dada :
(I) Pef f * R = G * h en donde : Peff = presión de contacto con el suelo predeterminada G = módulo de cizallamiento dinámico de la capa 60 h = espesor de la capa de cizallamiento 60 R = posición radial de la membrana externa 80 Peff y R son parámetros de diseño elegidos de acuerdo con el uso propuesto de la llanta. La ecuación anterior sugiere entonces que el producto del módulo de cizallamiento dinámico G de la capa de cizallamiento multiplicado por el espesor radial de la capa 60 es aproximadamente igual a un producto de la presión de contacto con el suelo predeterminada por una posición radial de la extensión más externa de la membrana exterior 80 . La relación anterior es ventajosa para que se pueda diseñar una llanta. Por ejemplo, para diseñar una llanta propuesta para uso en un automóvil de pasajeros, el diseñador puede seleccionar una presión de contacto de diseño Pef f de 1 . 5 hasta 2 . 5 DaN/cm2 y un tamaño de la llanta en el cual el radio R es de aproximadamente 33 5 mm. Multiplicando estos valores, un "factor de la capa de cizallamiento" de 50 . 25 hasta 83 . 75 DaN/cm puede ser determinado, el cual puede ser utilizado para especificar el espesor h de la capa de cizallamiento 60 y el módulo de cizallamiento dinámico G de la capa de cizallamiento 60 .
Sin embargo, como está indicado previamente, se encuentran desafíos en la fabricación de una llanta que tiene tanto una resistencia baja a la rodadura como una capa de cizallamiento, del material, única, que exhibe la totalidad de las propiedades físicas deseadas. A manera de explicación, ya se sabe que la resistencia a la rodadura es proporcional a ciertos parámetros físicos como sigue: ( 2 ) RR ~ ( ) (ymax) (TAN d) (h) en donde: RR = resistencia a la rodadura tmax = deformación por esfuerzo cortante al ángulo de esfuerzo cortante máximo Ymax = ángulo de esfuerzo cortante máximo tan d = histéresis, retardo de la fase entre la tensión y la deformación para el material de la capa de cizallamiento h = espesor de una capa de cizallamiento, única. La selección de los materiales para la construcción de una banda de cizallamiento a partir de una sola capa de cizallamiento de una manera que minimice la resistencia a la rodadura mientras que también proporcione un módulo de cizallamiento dinámico para la capa de cizallamiento en el intervalo deseado de aproximadamente 3 hasta aproximadamente 2 0 MPa ha requerido previamente un compromiso entre las
propiedades físicas deseables competitivas. Más específicamente, es difícil construir una capa de cizallamiento hecha de un solo material que es simultáneamente rígido (módulo de cizallamiento dinámico elevado G) , resistente (que tiene un alargamiento en la ruptura elevado) , y de histéresis baja (tan a baja) . Menor dificultad es presentada en la fabricación de un material que tiene cualesquiera dos o tres de estas propiedades. Por ejemplo, los materiales pueden ser diseñados de modo que exhiban una rigidez (módulo de cizallamiento dinámico elevado G) e histéresis baja (tan . a baja) , pero tal construcción típicamente conducirá a una Ymax inferior. Aunque una resistencia a la rodadura RR inferior puede ser obtenida, la duración será pobre a menos que una construcción de una capa de cizallamiento que tiene un espesor más grande h sea construida para reducir las deformaciones por esfuerzo cortante d. Sin embargo, el incremento del espesor h de la capa de cizallamiento incrementa indeseablemente la masa de la llanta. De manera semejante, la selección de los materiales que proporcionan una capa de cizallamiento es difícil y tiene una histéresis baja que desafortunadamente también proporcionará un módulo de cizallamiento dinámico G inaceptablemente bajo. Nuevamente, el espesor h de la capa de cizallamiento será incrementado para lograr una Peff aceptable. Finalmente, la selección de los materiales que son tanto
rígidos como resistentes proporcionará una capa de cizallamiento que tiene una histéresis indeseablemente elevada . Los solicitantes han determinado que una capa de cizallamiento que tiene una Peff deseable, un espesor inferior h, y una resistencia a la rodadura RR inferior, pueden ser logrados por la construcción de la capa de cizallamiento 60 como un material compuesto de diferentes capas hechas de los materiales que tienen cada uno ciertas propiedades físicas individuales. Más específicamente, una banda de cizallamiento que tiene las propiedades físicas deseadas totales puede ser « diseñada para superar las desventajas de los materiales individuales por la construcción de la capa de cizallamiento de una manera particular como un elemento compuesto de materiales seleccionados especialmente. Las propiedades físicas del elemento compuesto de materiales individuales pueden exhibir las propiedades físicas deseadas y una mejora en la resistencia a la rodadura en el espesor deseado de h que no es posible solamente con una sola capa de cizallamiento construida de un solo material individual. Además, si se desea, el elemento compuesto de las capas de cizallamiento puede ser construido a partir de tales materiales sin que se tengan que utilizar componentes de refuerzo no elastoméricos . Alternativamente, las modalidades ejemplares de la presente invención también pueden incluir tales componentes de
refuerzo . A manera de ejemplo, con referencia ahora a la figura 2, una banda de cizallamiento de acuerdo con una modalidad ejemplar de la presente invención es mostrada estando construida de dos capas de cizallamiento, diferentes, 10 y 20. La capa 10 tiene un módulo de cizallamiento dinámico Gio y la capa 20 tiene un módulo de cizallamiento dinámico de G20 · En la figura 2, para los propósitos de la descripción, las capas de cizallamiento 10 y 20 son mostradas bajo la deformación por esfuerzo cortante t que conduce a una cierta deformación para cada una de las capas. Como se muestra en la figura 2, cada capa 10 y 20 es mostrada como una deformación por esfuerzo cortante máxima que conduce a ángulos de esfuerzo cortante máximos de Yiomax y Y20max/ respectivamente. Los solicitantes han determinado que una banda de cizallamiento, construida de las capas de cizallamiento combinadas 10 y 20 puede ser diseñada, por medio de una combinación y selección única de los materiales, para exhibir una resistencia a la rodadura RR inferior y propiedades físicas más ventajosas que una banda de cizallamiento, de una sola capa, no compuesta. Como se determinó por los solicitantes, con relación a la capa 20, la capa 10 está construida de un material más suave con un módulo de cizallamiento dinámico Gio relativamente inferior que exhibirá una histéresis baja aún cuando este material esté operando a una tensión relativamente
más elevada que la capa 20 para una deformación por esfuerzo cortante t dada. Por ejemplo, preferentemente el material para la capa 10 debe tener un alargamiento en. la ruptura a 100 2C (determinado por ASTM D412 probado a 100 SC) mayor que aproximadamente 100 por ciento y, alternativamente, mayor que aproximadamente 180 por ciento. Además, el módulo de cizallamiento dinámico (determinado por ASTM D5992) debe estar entre aproximadamente 1.5 MPa y 5.0 MPa y, alternativamente, entre aproximadamente 2.0 MPa y 4.0 MPa. Por otra parte, con relación a la capa' 10, la capa 20 está construida de un material más rígido con un módulo de cizallamiento dinámico G2o relativamente más elevado que exhibirá una histéresis baja cuando este material esté operando en la región de deformación baja para los intervalos de deformación por esfuerzo cortante t que serán encontrados. El material para la capa 20 debe tener un módulo de cizallamiento dinámico G2o que es aproximadamente 3 veces más grande que el módulo de cizallamiento dinámico G10 y más deseablemente de manera aproximada 6 veces mayor que el módulo de cizallamiento dinámico Gi0. Formadas conjuntamente como la banda de cizallamiento, las dos capas 10 y 20 exhibirán propiedades físicas totales de rigidez, resistencia, e histéresis baja, no presentes en ninguna capa individualmente. Cuando se utilice en la construcción de la llanta, la banda de cizallamiento resultante también puede exhibir un nivel aceptable de
resistencia a la rodadura sin la necesidad de incrementar el espesor total h de las capas de cizallamiento, combinadas 10 y 20 indeseablemente. Además, un diseñador de llantas también puede obtener todavía un módulo de cizallamiento dinámico total Geff para la banda de cizallamiento resultante que está en el intervalo deseado (3 Pa hasta 20 MPa) para la llanta fabricada como se describió anteriormente. El módulo de cizallamiento dinámico total Geff para la viga de cizallamiento, compuesta, construida de las capas 10 y 20 puede ser calculada como sigue: ¦ (3) Geff = 1/ ( (Vfio/Gio) + Vf2o/G2o)) en donde : Geff = módulo de cizallamiento dinámico efectivo de la capa de cizallamiento, compuesta (el módulo de una capa homogénea necesaria para lograr la misma rigidez durante el esfuerzo cortante que la capa de cizallamiento, compuesta) Vfio = fracción en volumen del material blando do = módulo de cizallamiento dinámico del material de la capa de cizallamiento, más blanda, como se mide por ASTM D5992 Vf20 = fracción en volumen del material más rígido G2o = módulo de cizallamiento dinámico del material de la capa de cizallamiento, más rígida, como de mide por ASTM D5992.
Las fracciones en volumen pueden ser calculadas como sigue :
Vf2o = h20/h en donde : hio = altura o espesor de la capa 10 h2o = altura o espesor de la capa 20 h = espesor total de todas las capas - es decir hi0 + h20 · Se debe señalar que la ecuación de fracción en volumen dada anteriormente es adecuada para su uso cuando h es pequeño comparado con el radio de la llanta. En otras aplicaciones, por ejemplo, para llantas de diámetro pequeño tales como ruedas orientables, las relaciones geométricas conocidas por aquellos que tienen experiencia ordinaria en el arte deben ser substituidas por las ecuaciones anteriores. A manera de ejemplo, supóngase que un diseñador selecciona un radio R de 300 mm y tiene dos materiales a partir de los cuales se hace la selección para la construcción de la banda de cizallamiento . Supóngase que los materiales tienen un módulo de cizallamiento dinámico de 30 MPa y 3 MPa respectivamente. Previamente, para la construcción de la capa de cizallamiento, el diseñador podría seleccionar un solo material para la banda de cizallamiento que tiene un módulo de cizallamiento dinámico que conduzca a un espesor aceptable h
para la capa de cizallamiento, como puede ser calculado utilizando la ecuación ( 1 ) . Sin embargo, como se describió previamente, la selección de cualquier material único para la capa de cizallamiento necesariamente involucra un compromiso en las propiedades físicas deseadas y puede no optimizar la resistencia a la rodadura RR. La selección del material relativamente duro ( 3 0 MPa) podría reducir el espesor h de la banda de cizallamiento pero también podría reducir su duración. La selección de un material más blando ( 3 MPa) podría mejorar la duración pero a costa de un espesor incrementado h. Sin embargo, una banda de cizallamiento, compuesta con las capas 10 y 2 0 puede ser construida a partir de los materiales tanto de módulo dinámico elevado como de módulo dinámico bajo para lograr una Gef f que esté dentro del intervalo deseado. Supóngase que la capa 20 está construida del material que tiene el módulo de cizallamiento dinámico 30 MPa y la capa 10 está construida del material que tiene un módulo de cizallamiento de 3 MPa. En el caso en donde las capas están construidas de un volumen igual, utilizando la ecuación ( 3 ) arriba del módulo de cizallamiento dinámico efectivo Gef f podría ser de aproximadamente 6 MPa. Utilizando la ecuación ( 1 ) anterior y seleccionando un espesor de la banda de cizallamiento de 10 mm, la Pef f resultante podría ser de 3 bares - muy adentro del intervalo considerado para el
diseño de la llanta. Además, seleccionando un material para la capa 10 que exhibe una histéresis baja a una deformación elevada y seleccionando un material para la capa 20 que tenga una histéresis baja a deformación baja, el material compuesto exhibirá una resistencia a la rodadura RR aceptable. A manera de ejemplo, a las deformaciones entre 15 % y 30 %, el material para la capa 10 puede ser seleccionado de los materiales que tengan una histéresis de menos de aproximadamente 0.2 o, aún más preferentemente, menor que aproximadamente 0.1. A manera de ejemplo, a las tensiones entre aproximadamente 0.1 por ciento y 2 por ciento, el material para la capa 20 puede ser seleccionado de los materiales que tienen una histéresis de menos de aproximadamente 0.07 o, aún más preferentemente, menor que aproximadamente 0.04. Preferentemente, el espesor de la capa 20 no debe exceder 2 por ciento del radio externo de la banda de cizallamiento . Tal construcción limita la deformación debida a la flexión hasta menos de aproximadamente 1 por ciento. Regresando al ejemplo de un tamaño de llanta que tiene un radio de 300 mm, la capa 20 puede tener un espesor de menos de aproximadamente 15 mm, y, alternativamente, que tenga un espesor de menos de aproximadamente 6 mm. La presente invención no está limitada solamente a dos capas 10 y 20 para una banda compuesta de cizallamiento
como es mostrada en la figura 2. En lugar de esto, la banda de cizallamiento puede ser construida de capas alternativas múltiples de materiales que tienen un módulo de cizallamiento dinámico de ya sea Gi0 o G2o- Esto puede ser deseable, por ejemplo, en donde un diseñador selecciona un radio R que es menor que 300 mm, tal como 150 mm. Regresando al ejemplo anterior, esto conducirá a una Peff de 6 bares en donde el diseñador tiene dos materiales con una Geff de aproximadamente 6 MPa. En tal caso, las capas múltiples para la banda de cizallamiento son necesarias de tal modo que el espesor de las capas construidas del material de módulo dinámico más elevado G2o preferentemente no exceda 2 por ciento del radio externo de la banda de cizallamiento. En consecuencia, la figura 3 ilustra otra modalidad ejemplar de la presente invención en la cual la fracción en volumen de Gi0 y G20 todavía son iguales (0.5) . Sin embargo, la banda de cizallamiento es mostrada estando construida de tres capas. Dos capas 20 que tienen un módulo de cizallamiento dinámico G20 relativamente más elevado, son colocadas radialmente hacia dentro y radialmente hacia fuera de la capa 10 relativamente más blanda que tiene un módulo de cizallamiento dinámico G10 inferior. La figura 4 ilustra todavía otra modalidad ejemplar en donde las capas alternativas múltiples 10 y 20 de los materiales seleccionados, cada una teniendo un módulo de cizallamiento de
Gio o G2o son utilizadas para la banda de cizallamiento . A manera de ejemplo adicional, las combinaciones de las modalidades de las figuras 3 y 4 también pueden ser usadas. Una persona con experiencia en el arte, que utiliza las enseñanzas descritas aquí, entenderá que se pueden crear numerosas modalidades de la presente invención que caigan dentro de la presente invención y reivindicaciones que siguen. La figura 5 proporciona una gráfica de la eficiencia de la rigidez (SE) contra la fracción de volumen Vf2o para la capa 20 , la capa relativamente más rígida, para varias relaciones del módulo dinámico del material de la capa de cizallamiento G2o más rígida con respecto al material de la capa de cizallamiento Gio más blanda. Los solicitantes han definido la eficiencia de la rigidez (SE) como el incremento real en la rigidez durante el esfuerzo cortante dividido entre el incremento ideal en la rigidez durante el esfuerzo cortante (es decir, el incremento en la rigidez durante el esfuerzo cortante si ninguna deformación por esfuerzo cortante ocurriera en el material más rígido) . Como se muestra en la figura 5 , la eficiencia de la rigidez (SE) se reduce cuando la fracción en volumen del material más rígido Vf2o se incrementa. A una fracción en volumen Vf20, de 0 . 50 , la relación de G20 con respecto a Gio debe ser de al menos de 3 . 0 para obtener una eficiencia del 50 por ciento. Una relación de G2o con respecto a do proporciona una eficiencia durante la
rigidez de aproximadamente 75 por ciento. Una fracción en volumen Vf2o en el intervalo de aproximadamente 0.3 hasta 0.7 puede ser utilizado con la presente invención. Alternativamente, una fracción en volumen Vf20 de aproximadamente 0.5 puede ser utilizada. Se debe entender que en donde más de una capa de materiales (cada capa teniendo un módulo de cizallamiento dinámico particular Gz) sea utilizada en la banda de cizallamiento, la fracción en volumen Vfx es la relación del volumen total de los materiales en la banda de cizallamiento que tienen un módulo de cizallamiento dinámico de Gx con respecto al volumen total de los materiales en la banda de cizallamiento. En otras palabras, la fracción en volumen es calculada con base en el volumen total del material presente que tiene un módulo de cizallamiento dinámico particular con relación- al total del volumen de materiales en la banda de cizallamiento y no está basado en la fracción en volumen de una capa particular a causa de que pueden estar presentes capas múltiples de los materiales . Regresando a la ecuación 3 , las fracciones en volumen para la banda de cizallamiento construida de capas múltiples de materiales pueden ser calculadas utilizando la siguiente ecuación (4) Vfx = hx/h en donde :
Vfx = la fracción en volumen total de los materiales que tienen un módulo de cizallamiento dinámico particular Gx hx = altura total o espesor de todas las capas construidas de los materiales que tienen un módulo de cizallamiento dinámico particular Gx h = espesor total de todas las capas en la banda de cizallamiento . Los solicitantes también han determinado que aumentando el módulo de cizallamiento dinámico G2o del material más rígido que es utilizado para la capa 20 tiene una mejora significativa sobre la resistencia a la rodadura RR de la banda compuesta de cizallamiento, total. Suponiendo una Gio de 2.0 MPa y fracciones de volumen iguales de Vfio y Vf2o/ la figura 6 proporciona una gráfica de la eficiencia de la resistencia a la rodadura (RRE) contra G20. La eficiencia de la resistencia a la rodadura (RRE) está definida aquí como el incremento real en la resistencia a la rodadura RR dividida entre el incremento ideal en la resistencia a la rodadura RR, con la resistencia a la rodadura que es calculada con base en la contribución de las capas de cizallamiento utilizando lo siguiente : (5) RR = (do) (Vfio) (Yiomax) (tan d? ) + (G20) (Vf20) Fornax) (tan d2) en donde : RR = resistencia a la rodadura
do = módulo de cizallamiento dinámico del material de la capa de cizallamiento, más blanda, como se mide por ASTM D5992. Vfio = fracción en volumen del material blando Yiomax = ángulo de esfuerzo cortante máximo para el material de la capa 10 G2o = módulo de cizallamiento dinámico del material de la capa de cizallamiento, más rígida como se mide por ASTM D5992 Vf20 = fracción en volumen del material más rígido Y20max = ángulo de esfuerzo cortante máximo para el material de la capa 20 . Aunque empíricamente la curva puede no llegar a ser realmente una línea recta cuando G2o se incremente, la figura 6 demuestra que el efecto de seleccionar la capa 20 a partir de un material que exhiba una histéresis baja a las deformaciones bajas experimentadas por la capa 20 es que la contribución de la resistencia a la rodadura RR del material más rígido llega a ser efectivamente de cero siempre que G20 sea suficientemente elevada con relación a G10. Las modalidades ejemplares adicionales de la presente invención serán descritas ahora en varias construcciones de llantas no neumática. Sin embargo, como será entendido por una persona con experiencia ordinaria en el arte que utiliza las enseñanzas descritas aquí, se debe entender que la presente
invención no está limitada a llantas neumáticas, y, que en lugar de esto, puede ser utilizada con llantas neumáticas así como con otras tecnologías. Adicionalmente, la siguiente descripción es para modalidades de llantas ejemplares solamente; numerosas otras modalidades así como métodos de la invención estarán consideradas dentro del alcance de la presente invención como se describe en las reivindicaciones que siguen. En consecuencia, a manera de ejemplo, una llanta elástica soportada estructuralmente de acuerdo con una modalidad ejemplar de la invención es mostrada en la figura 7. La llanta 100 mostrada en la figura 7 tiene una porción de la banda de rodadura 110 que hace contacto con el suelo, porciones de pared lateral 150 que se extienden radialmente hacia fuera desde la porción de la banda de rodadura 110, y porciones de talón 160 en el extremo de las porciones de la pared lateral 150. Las porciones de talón 160 fijan la llanta 100 a una rueda 15. La porción de la banda de rodadura 110, las porciones de la pared lateral 150, y las porciones de talón 160 definen un espacio anular 105 hueco. Una banda anular reforzada está colocada radialmente hacia dentro de la porción de la banda de rodadura 110. En la modalidad ejemplar ilustrada en la figura 7, la banda anular comprende un material compuesto de las capas de cizallamiento 10 y 20 construidas como se describió anteriormente. Aunque
solo dos capas 10 y 20 son mostradas, se entenderá que las capas múltiples pueden ser utilizadas como se describió previamente . La banda anular comprende además una primera membrana 130 que tiene capas reforzadas 131 y 132 que son adheridas a la extensión radialmente más interna de la capa de cizallamiento 10, y una segunda membrana 140 que tiene las capas reforzadas 141 y 142 que están adheridas a la porción que se extiende más hacia fuera radialmente, de la capa de cizallamiento 20. La porción 110 de la banda de rodadura puede no tener ranuras o puede tener una pluralidad de ranuras de la banda de rodadura 115 orientadas longitudinalmente, formando esencialmente rebordes de la banda de rodadura longitudinales 116 entre las mismas. Los rebordes 116 pueden ser divididos adicionalmente de manera transversal o longitudinal para formar una configuración de rodadura adaptada para los requerimientos de uso de la aplicación del vehículo particular. Las ranuras de la banda de rodadura 115 pueden tener cualquier profundidad consistente con el uso propuesto de la llanta. La segunda membrana 140 está descentrada radialmente hacia dentro desde el fondo de la ranura de la banda de rodadura a una distancia suficiente para proteger las estructura de la segunda membrana de los cortes y penetraciones pequeñas de la porción de la banda de rodadura. La distancia de desviación es incrementada o reducida
dependiendo del uso propuesto de la llanta. Por ejemplo, una llanta de camión pesado podría utilizar comúnmente una distancia de desviación de aproximadamente 5 hasta 7 mm. Cada una de las capas de la primera 130 y segunda 140 membranas comprenden refuerzos de cordón esencialmente no extensibles, intercalados dentro de un recubrimiento elastomérico . Para una llanta construida de materiales elastoméricos , las membranas 130 y 140 son adheridas a las capas de cizallamiento 10 y 20 por la vulcanización de los materiales. Está dentro del alcance de la invención para las membranas 130 y 140 que sean adheridas a la capa de cizallamiento 120 por cualquier método adecuado de adherencia química o adhesiva o fijación mecánica. Cada una de las capas para resistir el esfuerzo cortante 10 y 20 puede ser construida de una variedad de materiales. A manera de ejemplo, tales materiales pueden incluir caucho, poliuretano, y elastómeros termoplásticos . Los materiales pueden ser adheridos entre sí por cualquier método adecuado de unión o fijación mecánica. Los elementos de refuerzo de las capas 131 - 132 y 141 - 142 pueden ser cualquiera de varios materiales adecuados para su uso como refuerzos de banda de la llanta en las llantas convencionales tales como monofilamentos o cordones de acero, aramida u otros textiles de módulo elevado. Para las llantas ilustrativas descritas aquí, los refuerzos son cordones de
acero de cuatro alambres de 0 . 28 mm de diámetro ( 4 x 0 . 28 ) . Aunque las variaciones de la invención descritas aquí tienen capas reforzadas con cordones para cada una de las membranas, cualquier material adecuado puede ser empleado para las membranas, que satisfagan los requerimientos para las propiedades de rigidez durante la tracción, rigidez en la flexión, y de resistencia al pandeo compresivo requeridas de la banda anular. Es decir, la estructura de la membrana puede ser cualquiera de varias alternativas tales como un material homogéneo, una matriz reforzada con fibra, o una capa que tiene elementos de refuerzo discretos. En la primera membrana 130 , las capas 131 y 132 tienen cordones esencialmente paralelos orientados a un ángulo con relación al plano ecuatorial, y los cordones de las capas respectivas tienen una orientación opuesta. Es decir, un ángulo +<¾ en la capa 131 y un ángulo -a en la capa 132 . De manera semejante, para las segundas membranas 140 , las capas 141 y 142 tienen cordones esencialmente paralelos orientados a los ángulos +ß y -ß, respectivamente, con respecto al plano ecuatorial. En estos casos, el ángulo comprendido de los cordones entre las capas adyacentes será dos veces el ángulo especificado, a ó ß. Los ángulos a y ß típicamente estarán en el intervalo de aproximadamente 10 s hasta aproximadamente 45 2 , o más preferentemente en el intervalo de aproximadamente 20 a hasta aproximadamente 35 a , o todavía más preferentemente en el
intervalo de aproximadamente 25a hasta aproximadamente 30s. No se requiere, sin embargo, para los cordones de los pares de capas en una membrana, que sean orientados en ángulos opuestos y mutuamente iguales. Por ejemplo, puede ser deseable para los cordones de los pares de capas que sean asimétricos con relación al plano ecuatorial de la llanta. Los cordones de cada una de las capas 131, 132 y 141, 142 están intercalados en una capa de recubrimiento elastomérica que tiene típicamente un. módulo de cizallamiento dinámico de aproximadamente 20 MPa. Se prefiere que el módulo de cizallamiento dinámico de las capas de recubrimiento sea más grande que el módulo de cizallamiento dinámico total Geff del material compuesto de las capas de cizallamiento 10 y 20 (descritas de manera adicional posteriormente) para asegurar que la deformación de la banda anular sea principalmente por deformación por esfuerzo cortante dentro de las capas de cizallamiento combinadas 10 y 20. La relación entre el módulo de cizallamiento dinámico total Geff del material compuesto de las capas de cizallamiento 10 y 20 y el módulo de deformación longitudinal efectivo E' MEMBRANA ele las membranas 130 y 140 controla la deformación de la banda anular bajo una carga aplicada. El módulo de deformación efectiva E' ME BRA A» de la membrana que utiliza los materiales de la banda de la llanta convencional, puede ser estimado por lo siguiente:
en donde : ECAUCHO = módulo de tracción del material de recubrimiento P = paso de la cuerda (espaciado de la linea central de la cuerda) medido perpendicularmente con respecto a la dirección de la cuerda D = diámetro de la cuerda v = relación de Poisson para el material de recubrimiento a = ángulo de la cuerda con respecto al plano ecuatorial t = espesor del caucho entre los cables en las capas adyacentes nótese que E' MEMBRANA es el módulo elástico de la membrana por el espesor efectivo de la membrana. Cuando la relación de 'MEMBRANA/Geff es relativamente baja, la deformación de la banda anular bajo carga se aproxima a aquella de la banda homogénea y produce una presión de contacto con el suelo no uniforme. Por otra parte, cuando la relación de E ' MEMRBA A/Geff es suficientemente elevada, la deformación de la banda anular bajo carga es esencialmente por deformación por esfuerzo
cortante del material compuesto de las capas de cizallamiento 10 y 20 con una extensión o comprensión longitudinal pequeña de las membranas. En consecuencia, la presión de contacto con el suelo es substancialmente uniforme. La relación del módulo de deformación longitudinal de la membrana, E' MEMBRANA, con respecto al módulo de cizallamiento dinámico total Gef f del material compuesto de las capas de cizallamiento 10 y 20 es de al menos aproximadamente 100 : 1 , y preferentemente de al menos aproximadamente 1000 : 1 . Para las membranas que comprenden capas reforzadas con cordones utilizando los cordones de 4 x 0 . 2 8 y los ángulos descritos aquí, el módulo de cizallamiento dinámico total deseado Geff del material compuesto de las capas de cizallamiento 10 y 20 es de aproximadamente 3 MPa hasta aproximadamente 20 MPa. La deformación repetida del material compuesto de las capas de cizallamiento 10 y 20 durante la rodadura bajo carga provoca la disipación de la energía debido a la naturaleza histerética de los materiales utilizados. La acumulación de calor total en la llanta es una función tanto de su disipación de la energía como del espesor de la capa de cizallamiento. Así, para un diseño de la llanta dado utilizando los materiales convencionales, la histéresis de la capa de cizallamiento 10 y 20 debe ser especificada para mantener las temperaturas operativas de la llanta abajo de aproximadamente 13 0 eC para las llantas en uso continuo.
De acuerdo con otra modalidad ejemplar de la presente invención, los cordones de al menos una capa de las membranas pueden estar a 0o estar cerca de O2 con respecto al plano ecuatorial para una rigidez incrementada durante la tracción de la membrana 130 y 140. Para tal modalidad, los cordones de cada una de las capas 131, 132 y 141, 142 están intercalados en una capa de recubrimiento elastomérica que tiene típicamente un módulo de cizallamiento dinámico de aproximadamente 3 hasta 20 MPa. En tal caso, se prefiere que el módulo de cizallamiento dinámico de las capas de recubrimiento sea substancialmente igual al módulo de cizallamiento dinámico total de las capas de cizallamiento 10 y 20 para asegurar que la deformación de la banda anular sea principalmente por la deformación por esfuerzo cortante dentro de la banda de cizallamiento comprendida de las capas de cizallamiento 10 y 20. Para una membrana en la cual los cordones de refuerzo están orientados a menos de 109 con respecto al plano ecuatorial, lo siguiente puede ser utilizado para estimar el módulo de deformación de la membrana (7) E ' MEMBRANA = ¾UERDA * V * t MEMBRANA en donde: ECUERDA = módulo de deformación de la cuerda V = fracción en volumen del cable en la membrana
tMEMRBANA = espesor de la membrana. Para las membranas que comprenden un material homogéneo o una fibra u otra matriz reforzada con material, el módulo es el módulo de tracción del material o matriz. A manera de explicación adicional, las figuras 8 y 9 muestran todavía otra modalidad ejemplar de la presente invención en una llanta no neumática. La llanta 200 mostrada en la figura 8 tiene una porción de la banda de rodadura 205 que hace contacto con el suelo, una banda anular reforzada 210 colocada radialmente adentro de la porción de la banda de rodadura, una pluralidad de barras de refuerzo 250 que se extienden transversalmente a través de y radialmente hacia dentro desde la banda anular, y una banda de montaje 260 en el extremo radialmente interno de las barras de refuerzo 250 . La banda de montaje 260 fija la llanta 200 a una rueda 210 o cubo. Cuando se utilice aquí "que se extiende transversalmente" significa que las barras de refuerzo 250 pueden ser alineadas axialmente, o pueden ser oblicuas con respecto al eje de la llanta. Además, "que se extiende radialmente hacia dentro" significa que las barras de refuerzo 250 pueden radicar en un plano radial con respecto al eje de la llanta o pueden ser oblicuas con respecto al plano radial. Además, una segunda pluralidad de barras de refuerzo pueden extenderse en el plano ecuatorial . Con referencia a la figura 9 , que muestra la llanta
200 y la rueda 210 en la vista en sección en el plano meridional, la banda anular reforzada 210 comprende las bandas de cizallamiento, elastoméricas 10 y 20 construidas como se describió anteriormente. Una primera membrana 230 es adherida a la extensión más interna radialmente de la capa de cizallamiento, elastomérica 10, y una segunda membrana 240 está adherida a la porción que se extiende más hacia fuera radialmente de la capa de cizallamiento, elastomérica 20. Las membranas 130 y 140 tienen una rigidez en la tracción que es mayor que aquella de la rigidez durante el esfuerzo cortante de la capa de cizallamiento 120 de modo que la banda anular reforzada 110 padezca la deformación por esfuerzo cortante bajo carga. Como con otras modalidades ejemplares descritas aquí, la banda anular reforzada puede comprender la capa de cizallamiento que incluye capas múltiples 10 y 20 en lugar de solamente una de cada una de ellas. Se debe entender que la presente invención incluye varias modificaciones que se pueden hacer a las modalidades ejemplares del aparato y método descrito aquí que llegan a ser consideradas dentro del alcance de las reivindicaciones anexas y sus equivalentes. Se hace constar que con relación a esta fecha el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.