MX2011006013A - Desempeño mejorado de hidroplaneo para una llanta. - Google Patents

Abstract

Esta invención generalmente se refiere a un diseño mejorado que provee un mejor desempeño de hidroplaneo para una llanta, y más particularmente, a una llanta que tiene una banda de corte de presión variable localizada debajo de su superficie de rodamiento que provee una rigidez estructural incrementada a la llanta, ayudando a la llanta a resistir deformación cuando la llanta encuentra agua y disminuyendo de este modo la tendencia de la llanta al hidroplaneo. De manera conveniente, la banda de corte de presión variable puede mejorar el desempeño de hidroplaneo y resistencia al rodamiento de manera simultánea sin degradar el desempeño en el uso.

Description

DESEMPEÑO MEJORADO DE HIDROPLANEO PARA UNA LLANTA Campo de la Invención Esta invención se refiere generalmente a un diseño mejorado que provee un mejor desempeño de hidroplaneo para una llanta, y más particularmente, a una llanta que tiene una banda de corte de presión variable localizada debajo de su superficie de rodamiento que provee una rigidez estructural incrementada a la llanta, ayudando a la llanta a resistir deformación cuando la llanta encuentra agua, disminuyendo de este modo la tendencia de la llanta al hidroplaneo (pérdida de contacto de los neumáticos con el piso) . De manera conveniente, la banda de corte de presión variable puede mejorar el desempeño de hidroplaneo y resistencia al rodamiento de manera simultánea sin degradar el desempeño en el uso.

Antecedentes de la Invención Aquellos con experiencia en la técnica de llantas neumáticas han desarrollado una gran experiencia en adaptar la construcción de llantas para lograr una variedad de combinaciones de desempeño para el desgaste de la superficie de rodamiento, manejo, tracción en húmedo y seco, resistencia al rodamiento, etc.

Como un ejemplo de esta adaptación, una llanta neumática se puede optimizar para las cargas verticales y Ref.: 220361 tangenciales en el área de contacto de la llanta entre la superficie externa (usualmente la superficie de rodamiento) y la superficie del suelo en la cual el neumático gira. Por ejemplo, un buen uso de la superficie de rodamiento se puede obtener cuando las cargas verticales entre la llanta y el suelo se distribuyen uniformemente a través del área de contacto y las cargas tangenciales se minimizan. En particular, las cargas tangenciales en la dirección de rodamiento no deben cambiar de fuertemente positivo a fuertemente negativo a través de la anchura del área de contacto. Sin embargo, para mejorar la resistencia de la llanta al hidroplaneo en superficies de rodamiento húmedas, es conveniente tener una carga de contacto vertical más alta en la porción central del área de contacto en comparación a la saliente, o porción lateral del área de contacto. Esto se logra usualmente al adaptar la construcción de la llanta o el perfil transversal de molde de curado para obtener un perfil transversal de la llanta que es más redondo de lo deseado para el uso optimizado. En este caso, la llanta neumática tendrá una carga tangencial desequilibrada en la dirección de rodamiento, que es positiva significativamente en la porción central y negativa en la porción saliente. Por lo tanto, con la llanta neumática, una persona con experiencia en la técnica tiene dificultad con la optimización de la resistencia al desgaste y resistencia al hidroplaneo de manera simultánea.

Llantas no neumáticas o soportadas estructuralmente se han descrito en la técnica. Por ejemplo, la patente de E.U.A. No. 6,769,465, de propiedad conjunta por el solicitante de la presente invención, se refiere a una llanta resiliente soportada estructuralmente que soporta una carga sin presión de aire interna. En una modalidad ejemplar, esta llanta no neumática incluye una porción de contacto con el suelo y porciones de pared lateral que se extienden radialmente hacia adentro de la porción de contacto con el suelo y fijación en porciones de reborde que se adaptan para permanecer seguras a una rueda durante el rodamiento de la llanta. Una banda anular de refuerzo se dispone radialmente hacia adentro de la porción que hace contacto con el suelo o la porción de superficie de rodamiento. Esta banda de corte incluye al menos una capa de corte, una primera membrana adherida a la extensión hacia adentro radialmente de la capa de corte y una segunda membrana adherida a la extensión hacia fuera radialmente de la capa de corte. La invención de la Patente de E.U.A. No. 6,769,465 provee varias ventajas incluyendo, por ejemplo, la capacidad de operar con presión parcial o sin inflamiento y la flexibilidad para ajustar la rigidez vertical de la llanta en algún grado independientemente de la presión de contacto con el suelo. Esta invención también provee una presión de contacto bien equilibrada relativamente a lo largo del área de contacto.

A manera de ejemplo adicional, la Patente de E.U.A. No. 7,201,194, de propiedad conjunta por el solicitante de la presente invención, también se refiere a una llanta no neumática. En una modalidad ejemplar, esta llanta no neumática incluye una banda de corte anular externa y una pluralidad de rayos del alma que se extienden transversalmente de manera cruzada y radialmente hacia adentro de la banda anular y se fijan en una rueda o cubo. En ciertas modalidades ejemplares, la banda de corte anular puede comprender además una capa de corte, al menos una primera membrana adherida a la extensión hacia adentro radialmente de la capa de corte y al menos una segunda membrana adherida a la extensión hacia afuera radialmente de la capa de corte. Además de la capacidad de operar sin una presión de inflado requerida, la invención de la Patente de E.U.A. No. 7,201,194 también provee ventajas que incluyen una presión de contacto con el suelo más uniforme a lo largo de la longitud del área de contacto.

Como se describe para las modalidades ejemplares de las referencias discutidas arriba, ambas usan una banda de corte anular que comprende una capa de corte para proveer beneficios de desempeño deseable en una llanta. Como se describe abajo, los solicitantes han descubierto una construcción conveniente para la capa de corte y, en ciertas modalidades para las propiedades de la superficie de rodamiento también, que permite que el desgaste o hidroplaneo se mejoren sin degradar el otro desempeño. En algunos casos, la resistencia al rodamiento también se puede mejorar. Esta construcción mejorada para la capa de corte y superficie de rodamiento tiene aplicación en llantas neumáticas, llantas no neumáticas, llantas híbridas que operan a presión reducida de inflado junto con un soporte estructural de una banda anular, y otros productos también.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Modalidades particulares de la presente invención incluyen una llanta con una porción de contacto, que tiene direcciones radial, longitudinal y axial y un plano ecuatorial. Esta llanta además incluye una banda de corte de presión variable que tiene una capa de corte con una sección transversal en donde el producto (Geff*h) varía en la dirección axial de la llanta, una primera membrana que se adhiere a la extensión hacia adentro radialmente de la capa de corte, y una segunda membrana que se adhiere a la extensión hacia afuera radialmente de la capa de corte.

En ciertos casos, la capa de corte de la llanta se construye de un material que tiene Geff relativamente consistente con una altura (h) de la capa de corte variable.

En el caso, la porción de contacto con el suelo puede tener una superficie de rodamiento con porciones salientes en cada extensión axial de las mismas y una porción central entre estas. También, la capa de corte tiene porciones salientes en cada extensión axial de las mismas y una porción central entre estas. Las porciones salientes y porción central de la capa de corte se encuentran sustancialmente de forma radial debajo de las porciones saliente y central de la superficie de rodamiento, respectivamente. La capa de corte tiene un grosor que se incrementa en la dirección hacia adentro radialmente conforme la capa de corte progresa desde sus porciones salientes a su porción central .

Además, la capa de corte puede ser más delgada en sus porciones salientes y más gruesa en su porción central. También, la fibra neutral de la capa de corte se puede mover radialmente hacia adentro conforme la capa de corte progresa de sus porciones salientes a su porción central con el eje neutral alcanzando su posición más baja sustancialmente en el ecuador de la llanta. En esta modalidad particular, la primera membrana puede comprender monofilamentos de vidrio y la segunda membrana puede comprender una primera cinta de pliegue cruzado y una segunda cinta de pliegue cruzado que está en la parte superior de la primera cinta de pliegue cruzado .

En el caso, la superficie de rodamiento puede tener un grosor radial incrementado cerca del plano ecuatorial de la llanta.

En otras modalidades, la capa de corte comprende una pluralidad de porciones dispuestas axialmente que tienen diferentes valores de Geff que resulta en una (Geff*h) que varía para la capa de corte .

Todavía en otras modalidades, la porción de contacto con el suelo de la llanta comprende una superficie de rodamiento que tiene porciones salientes y centrales en donde las porciones salientes de la superficie de rodamiento tienen diferentes propiedades de material que la porción central. La porción central puede tener una adaptabilidad de corte longitudinal incrementada relativa a las porciones salientes de la superficie de rodamiento.

En otras modalidades, la porción de contacto con el suelo de la llanta comprende una superficie de rodamiento que tiene porciones saliente y central en donde la porción central incluye hendiduras orientadas lateralmente de anchura (H) que definen elementos de' rodamiento de longitud (B) que resulta en adaptabilidad de corte longitudinal incrementada de la porción central de la superficie de rodamiento en comparación con las porciones salientes de la llanta. El parámetro (H/B) es un indicador del nivel de adaptabilidad longitudinal .

En algunos casos, la segunda membrana de la banda de corte es sustancialmente inextensible mientras que la primera membrana resiste la compresión. Esto ayuda a que la banda de corte resista la deformación cuando la llanta encuentra agua, mejorando así el desempeño de hidroplaneo de la llanta.

En el caso, la primera membrana puede comprender monofilamentos de vidrio y la segunda membrana puede comprender una primera cinta de pliegue cruzado y una segunda cinta de pliegue cruzado que se encuentra en la parte superior de la primera cinta de pliegue cruzado. La primera y segunda cinta de pliegue cruzado pueden tener cuerdas de acero que se colocan a +/- (15 a 25) grados con respecto al plano ecuatorial de la llanta. En una modalidad particular, la primera y segunda cintas de pliegue cruzado pueden tener cuerdas de acero colocadas en +/ - 22 grados .

Alternativamente, la primera y segunda membranas comprenden refuerzos anulares que se colocan sustancialmente en la dirección - longitudinal de la llanta. Estos refuerzos pueden incluir cuerda (s) de acero que están envueltas sustancialmente a lo largo de la dirección longitudinal de la llanta y se colocan a lo largo de la dirección axial de la llanta .

Los objetivos anteriores y otros, características y ventajas de la invención serán aparentes a partir de las siguientes descripciones más detalladas de modalidades particulares de la invención, como se ilustra en la figura acompañante en donde los números de referencia similares representan partes similares de la invención.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La figura 1 representa una vista en sección a través del plano meridiano de la modalidad ejemplar de la llanta 100.

La figura 2 representa una vista en sección a través de un plano meridiano de la modalidad ejemplar de la llanta 200 que tiene una capa de corte que comprende porciones central y lateral.

La figura 3 representa una vista en sección a través de un plano meridiano de la modalidad ejemplar de la llanta 300 que tiene una membrana externa que sigue un perfil arqueado y una capa de corte de grosor variable .

La figura 4 representa una vista en sección a través de un plano meridiano de la modalidad ejemplar de la llanta 400 que tiene una capa de corte que comprende porciones central y lateral y una capa de superficie rodamiento que comprende secciones central y lateral.

La figura 5 es una vista esquemática de una llanta tomada a través del plano ecuatorial y que muestra una disposición de hendiduras de rodamiento.

La figura 6 es una vista en perspectiva de la modalidad ejemplar de la llanta 100.

La figura 7 es una representación de perfil de las cargas de contacto vertical y tangencial para la modalidad ejemplar de la llanta 100 en comparación a la modalidad ejemplar de la llanta 200 (nivel 1) .

La figura 8 es una representación de perfil de las cargas de contacto vertical y tangencial para la modalidad ejemplar de la llanta 100 en comparación a la modalidad ejemplar de la llanta 200 (nivel 2) .

La figura 9 es una representación de perfil de las cargas de contacto vertical y tangencial para la modalidad ejemplar de la llanta 100 en comparación a la modalidad ejemplar de la llanta 300.

La figura 10 es una representación de perfil de las cargas de contacto tangencial para la modalidad ejemplar de la llanta 200 (nivel 1) en comparación a la modalidad ejemplar de la llanta 400 con H/B de 0.5.

La figura 11 es una representación de perfil de las cargas de contacto tangencial para la modalidad ejemplar de la llanta 200 (nivel 1) en comparación a la modalidad ejemplar de la llanta 400 con H/B de 1.0.

La figura 12 es una representación gráfica de las cargas de contacto vertical y tangencial para las modalidades ejemplares de la llanta 100, 200, 300 y 400, en donde los números de reborde R2 corresponden a la sección central de la superficie de rodamiento y los rebordes Rl y R3 corresponden a las porciones laterales.

La figura 13 es una vista en sección de una llanta 500 con arquitectura convencional de llanta sin una banda de corte de presión variable que se construye y analiza.

La figura 14 ilustra una modalidad de la presente invención con una banda de corte de presión variable que se implementa en una llanta real 600 y se analiza.

La figura 15 muestra el área de contacto entre una llanta convencional 500 y el suelo mientras viaja a través del agua a 88 kph con una presión de aire interna estándar de 2.1 bar basada en una fotografía tomada durante la prueba.

La figura 16 muestra el área de contacto entre una llanta 600 que tiene una banda de corte de presión variable y el suelo mientras viaja a través del agua a 88 kph con una presión de aire interna estándar de 2.1 bar basada en una fotografía tomada durante la prueba.

La figura 17 es una gráfica que muestra la cantidad de área de contacto entre la llanta convencional 500 y el suelo y entre la llanta 600 que tiene una banda de corte de presión variable y el suelo mientras viaja a varias velocidades a través del agua a una presión de aire interna ligeramente desinflada de 1.6 bar.

La figura 18 es una gráfica que muestra la cantidad de área de contacto entre la llanta convencional 500 y el suelo y entre la llanta 600 que tiene una banda de corte de presión variable y el suelo mientras viaja a varias velocidades a través del agua a una presión de aire interna estándar de 2.1 bar.

Las figuras 19, 20 y 21 muestran las cargas Z, cargas Y y cargas X respectivamente para rebordes Rl a R5 de las llantas 500, 600 a una presión de aire interna estándar de 2.1 bar y una carga de 410 DaN.

La figura 22 muestra la huella de la llanta 500 a una presión de aire interna estándar de 2.1 bar y una carga de 410 DaN.

La figura 23 muestra la huella de la llanta 600 a una presión de aire interna estándar de 2.1 bar y una carga de 410 DaN.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Ahora se hará referencia en detalle a modalidades de la invención, uno o más ejemplos de los cuales se ilustran en las figuras. Cada ejemplo se provee a manera de explicación de la invención, y no como una limitación de la misma. Por ejemplo, aspectos ilustrados o descritos como parte de una modalidad se pueden usar con otra modalidad para producir aún una tercera modalidad. Se pretende que la presente invención incluya estas y otras modificaciones y variaciones. Se puede notar que para propósitos de discusión, solo la mitad de las modalidades de llanta ejemplares se pueden representar en una o más de las figuras . Números de referencia se usan en las figuras solamente para ayudar al lector en identificar los varios elementos y no se pretende introducir alguna distinción limitante entre las modalidades. La numeración común o similar para una modalidad indica un elemento similar en las otras modalidades. Una persona con experiencia en la técnica, usando las enseñanzas descritas aquí, entenderá que los mismos aspectos o aspectos similares sustancialmente se repiten en ambos lados de la llanta.

Definiciones Los siguientes términos se definen como sigue para esta descripción: "Material mixto", como se usa aquí, significa construido de dos o más capas .

"Rueda" o "cubo" se refiere a cualquier dispositivo o estructura para soportar la llanta y montaje al eje del vehículo, y los términos son intercambiables aquí.

"Módulo de esfuerzo cortante dinámico" significa el módulo de esfuerzo cortante medido por ASTM D5992.

"Alargamiento a rotura" significa el alargamiento por tensión como se mide por ASTM D412-98a y conducido a 100 °C más que la temperatura ambiente.

"Histéresis" significa la tangente de pérdida dinámica (tan máx d) . Las características dinámicas de los materiales se miden en un sistema de prueba de elastómeros MTS 831 de acuerdo con ASTM D5992. La respuesta de una muestra de material vulcanizado (pieza de prueba cilindrica de un grosor de 4 ram y una sección de 400 mm2) , sometida a una carga de corte sinusoidal sencillo alternante, a una frecuencia de 10 Hz y a 80°C, se registra. La exploración se efectúa a una amplitud de deformación de 0.1 a 50% (ciclo externo), entonces de 50% a 0.1% (ciclo de retorno). El módulo de esfuerzo cortante máximo G* máx en MPa y el valor máximo de la tangente del ángulo delta tan de pérdida (tan máx d) se determina durante el ciclo externo.

"Módulo" de las membranas significa el módulo de tensión de elasticidad a 1% de alargamiento en la dirección circunferencial. Este módulo se puede calcular por las ecuaciones 2 o 3, abajo, para materiales de cinta de acero de la llanta convencional. Este módulo se nota como "Emenibrana" · "Plano ecuatorial" significa un plano perpendicular al eje de rotación de la llanta que pasa a través de la línea central de la llanta.

"Plano meridiano" significa un plano paralelo al eje de rotación de la llanta y que se extiende radialmente hacia afuera del eje.

Dirección "radial" significa hacia afuera radialmente y perpendicular al eje de rotación.

En un sentido a la derecha, el sistema de coordenadas cartesiano, la dirección de rodamiento hacia adelante se define como la dirección x positiva (también referida como la dirección circunferencial o longitudinal de la llanta) ; la dirección vertical z se define como hacia arriba positiva desde el piso (también referida como la dirección radial de la llanta) ; y la dirección y es paralela al eje de rotación y positiva a la izquierda (también referida como la dirección transversal o axial de la llanta) . Ver, por ejemplo, figura 6.

"Módulo compresivo" (Ec) como se usa aquí para las cuerdas o cables de un pliegue se determina como sigue. Un molde se fabrica de las siguientes dimensiones: una longitud de 50 mm, una anchura de 30 mm, y un grosor de 25 mm. Los cables se colocan precisamente uno relativo a otro en una orientación paralela usando dos soportes rectangulares (vigas) . Los cables pasan a través de los orificios en estos soportes, que se colocan en un modo paralelo 40 mm aparte de otro. La separación entre los orificios asegura un paso exacto de los cables. El paso refleja el paso que se usará en el pliegue en la llanta. La distancia entre dos soportes (40 mm) es más pequeña ligeramente que la longitud del molde (50 mm) , de tal modo que los soportes y los cables se pueden colocar dentro del molde. Los cables y sus soportes entonces se colocan en un molde de tal modo que los cables se localizan en el centro del molde en la dirección del grosor. Para las dimensiones enumeradas antes, esto significa que la línea central de los cables es aproximadamente 12.5 mm del fondo del molde. El poliuretano líquido se vierte en el molde, llenando el molde. El molde entonces se coloca en un horno durante 24 horas a 110°C. Después del curado, la muestra resultante tiene cables que sobresalen de los dos lados en la dirección de longitud. La muestra se corta con una sierra de tal modo que estos extremos se retiran a lo largo con un grosor pequeño de poliuretano. La longitud final aproximada es de 40 mm. El corte se debe controlar cuidadosamente para asegurar las secciones transversales son perpendiculares con la longitud de los cables que son esencialmente iguales a la anchura de la muestra. Al usar el mismo molde, una muestra se prepara y consiste solamente de poliuretano, sin cables. Esta muestra se cura de la misma manera que las muestras que contienen cables, y se corta a las mismas dimensiones externas ya que las muestras tienen cables.

Una vez que se leen para la medición, las muestras se colocan entre dos platinas metálicas en una máquina de pruebas INSTRON del tipo 44666 y se comprimen a una velocidad de 25 mm/minuto. La máquina INSTRON se usa para registrar fuerza versus la deflexión. Las mediciones se toman para al menos cinco muestras. Un módulo de compresión de cable elemental se calcula al sustraer las mediciones fuerza vs . deflexión de muestras preparadas sin cables de las mediciones de fuerza vs . deflexión de muestras preparadas con cables. Los valores de fuerza vs. deflexión resultantes se usan para computar el módulo compresivo efectivo de los cables usando las siguientes ecuaciones: sc = tensión compresiva = deflexión compresiva/longitud de la muestra inicial cc = carga compresiva = fuerza compresiva/área donde área = área en sección transversal total de cables contenidos en la muestra Ec = módulo compresivo (Ec) = a zc "Límite de resistencia por fatiga infinito" significa que el material referenciado puede tomar al menos 1 millón de ciclos de una tensión compresiva especificada sin perder más de 10 por ciento de su módulo de tensión, como se determina por el siguiente método de prueba: usando una máquina de prueba 1841 Zwick, una cuerda o cordón del material se coloca en un bucle con un extremo de la cuerda fijada y el otro extremo unido a un desplazamiento impuesto, cíclico. El bucle se mantiene entre dos hojas de TEFLON. El diámetro de inicio del bucle se determina al colocar el bucle en una tensión compresiva ec de 0.67 por ciento, donde ec = D/ (2R) D = diámetro de la cuerda o cordón de material R = (0.5) * (diámetro de inicio del bucle) El material entonces se somete, de una manera cíclica, a una tensión compresiva predeterminada a una frecuencia de 3 Hz . La ciclación es continua hasta que la fuerza medida en la tensión compresiva de 0.67 por ciento cae a 90 por ciento de su valor inicial, que indica las propiedades del material se empiezan a degradar. El número de ciclos en donde esto ocurre entonces se determina. Si el material puede soportar al menos 1,000,000 ciclos en una tensión compresiva especificada antes de caer a 90 por ciento, entonces como se usa aquí, el material tiene un "límite de resistencia por fatiga infinito" en la tensión compresiva especificada.

"Paso" como se usa aquí significa la distancia entre las cuerdas en un pliegue dado.

Descripción detallada del estudio FEA Inicialmente, un estudio FEA se conduce para averiguar la viabilidad del concepto del inventor. En consecuencia, una llanta no neumática que usa la banda de corte de presión variable se representa aquí por un modelo de análisis elemental finito, estructural (FEA) , tridimensional (3D) de los componentes de operación. El modelo es asimétrico para una llanta sin carga, pero es completamente tridimensional para la llanta cargada en contacto por rodamiento con el suelo. Como se muestra en las figuras 1 y 6 para una llanta 100, la banda de corte se modela como un montaje que comprende dos membranas casi inextensibles 130 y 140 junto con las superficies externa e interna radialmente de una capa de corte 140. La capa de corte 140 comprende una o más capas de un material incompresible, lineal. Una capa de superficie de rodamiento 110 para el contacto de la superficie se coloca radialmente hacia fuera de la banda de corte. Opcionalmente, la capa de superficie de rodamiento 110 tiene una o más hendiduras 115 de superficie de rodamiento longitudinales. En las modalidades de la llanta descritas aquí las capas de superficie de rodamiento se dividen en tres rebordes; dos rebordes salientes l y R3, y un reborde central R2. Una caracterización de material lineal, incompresible también se usa para modelar la capa de superficie de rodamiento 110. La banda de corte se conecta a una estructura de trama 150 que comprende elementos de FEA que son compresibles y rígidos de manera extensional en la dirección radial. La rigidez de compresión radial de los elementos es cero, y los elementos de trama son suaves pero tienen rigidez que no es cero en las direcciones de corte. El borde interno 160 de los elementos de trama se conecta a una rueda rígida (no mostrada) . Es decir, la estructura de trama 150 tiene poca o no tiene capacidad para soportar una carga por acción directa de la porción de la superficie de rodamiento en el área de contacto 90 con la superficie, pero soportará una carga en tensión a través de los elementos de trama que se localizan fuera del área de contacto. El modelo FEA usa elementos estructurales que tienen una formulación lineal en la sección transversal o plano meridiano. Los elementos FEA tienen una formulación cuadrática en la dirección circunferencial cuando un elemento está fuera del área de contacto. Los elementos FEA tienen una formulación lineal cuando un elemento está dentro del área de contacto 90.

Cuando la banda de corte de la llanta 100 se deforma sustancialmente por deformación cortante en la capa de corte 140, una relación conveniente se crea permitiendo a uno especificar los valores del módulo de rigidez dinámico efectivo Geff de la capa 140 y su grosor h para una aplicación dada : Peff = (Geff*h) /R (1) Donde : Peff = presión de. contacto con el suelo predeterminada Geff = módulo de rigidez dinámica efectiva de la capa 140 h = grosor de la capa de corte 140 R = posición radial de la membrana inextensible externa 130 Peff y R son parámetros de diseño seleccionados de acuerdo al uso propuesto de la llanta. La ecuación anterior entonces sugiere que el producto del módulo de rigidez dinámica efectiva Geff de la capa de corte por el grosor radial de la capa de corte 140 es aproximadamente igual a un producto de una presión de contacto con el suelo predeterminado por una posición radial del grado más externo de la membrana externa 130. La relación anterior es conveniente para el diseño de una llanta. Por ejemplo, para diseñar una llanta propuesta para su uso en un automóvil para pasajeros, el diseñador puede seleccionar una presión de contacto de diseño Peff de 1.5 a 2.5 DaN/cm2 y un tamaño de llanta en donde el radio R es de aproximadamente 335 mm. Al multiplicar estos valores, un "factor de capa de corte" de 50.25 a 83.75 DaN/cm se puede determinar, que se puede usar para especificar el grosor h de la capa de corte 140 y el módulo de corte dinámico G de la capa de corte 140.

Para propósitos del modelo FEA, el módulo tensión de las membranas 120 y 130 se establece a 100,000 MPa, que corresponde a un devanado de empaque cerrado cables de acero de grado cero, tales como aquellos usados para el material de cinta de la llanta. Para la construcción alternativa, tal como un conjunto de pliegues de refuerzo que tienen refuerzos de cuerda en ángulo mutuamente incrustados en el caucho, la ecuación 2 abajo provee un estimado razonable para el módulo de tensión: Donde : Ecaucho = módulo de tensión del material de recubrimiento P = paso de cuerda (espaciamiento de la línea central de la cuerda) medido perpendicular a la dirección de la cuerda D = diámetro de cuerda v = relación de Poisson para el material de recubrimiento a = ángulo de cuerda con respecto al plano ecuatorial t = grosor del caucho entre los cables en capas adyacentes Notar que Emembrana es el módulo elástico de la membrana por el grosor efectivo de la membrana. Cuando la relación Emembrana/Geff es relativamente baja, la deformación de la banda anular bajo la 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 Emembrana/Geff es lo suficientemente alta - por ejemplo mayor de 100, deformación de la banda anular bajo carga es esencialmente por la capa de corte de deformación por esfuerzo cortante 140 con poca extensión longitudinal o compresión de las membranas. En consecuencia, la presión de contacto con el suelo es sustancialmente uniforme.

Para una membrana en donde las cuerdas de refuerzo se orientan en menos de 10 grados al plano ecuatorial, lo siguiente se puede usar para estimar el módulo de tensión de la membrana: ¾EBRANA = ECUERDA*V (3 ) Donde : ECUERDA =· módulo de tensión de la cuerda V = fracción de volumen del cable en la membrana Para membranas que comprenden un material homogéneo o una fibra u otra matriz de refuerzo de material, el módulo es el módulo de tensión del material o matriz. Adicionalmente , aunque las capas de corte se muestran aquí como capas sencillas, pueden comprender estructuras mixtas de una o más capas de material que tienen diferentes propiedades como se describe, por ejemplo, en la solicitud de patente internacional No. WO/2008/045098 de propiedad conjunta por el solicitante .

De vuelta otra vez a las figuras 1 y 6, la llanta 100 tiene un diámetro externo o 330 mm y una anchura axial de 200 mm, similar a una llanta neumática 205/60R15. El modelo para la capa de superficie de rodamiento 110 de la llanta 100 asume que la porción de la superficie de rodamiento en contacto con el suelo se adhiere bien y no experimenta deslizamiento. Para las varias modalidades descritas aquí, las llantas se cargan en una superficie plana y una carga vertical constante de 200 kg. Esta es una aproximación razonable para una llanta cargada, rodando en línea recta más allá y sin un torque de conducción o torque de frenado aplicado externamente. Los siguientes parámetros geométricos y de material son ejemplares de materiales de llantas conocidos. Sin embargo, los modelos de llantas no se limitan a esos valores de parámetro. La capa de superficie de rodamiento 110 tiene un módulo de 5 MPa y un grosor radial t de 10 mm. Las membranas 120 y 130 tienen un módulo de tensión de 100,000 MPa y un grosor radial de 1 mm. El material de la capa de corte 140 tiene un módulo de rigidez efectivo de 1.67 MPa y un grosor radial de 20 mm. Por último, la estructura de trama 150 tiene un módulo de tensión de 1 MPa, un módulo de compresión o 0.0001 MPa, y un grosor radial de 49 mm. Este módulo de tensión de estructura de trama 150 es aproximadamente equivalente a la rigidez radial de un modelo completamente tridimensional que tiene rayos discretos elaborados de un material con un módulo de tensión de aproximadamente 30 MPa.

Las figuras 7 y 12 muestran para la llanta 100 la presión de contacto con el suelo SZ y la carga tangencial en dirección x SX para los parámetros de diseño descritos. El tabla 1 provee un resumen de los resultados cuantitativos. Para la geometría de la llanta 100 y las propiedades de material especificado, la ecuación (1) produce una presión de contacto ideal Peff de 1.0 bar. El valor calculado de 0.92 bar encontrado en el tabla 1 y mostrado gráficamente en la figura 12 compara favorablemente el valor ideal. Por lo tanto, el modelo FEA es una representación confiable del comportamiento de la llanta real. La figura 7 provee una vista de la forma del área de contacto y una gráfica de contorno de las distribuciones de carga. Las cargas verticales SZ se distribuyen uniformemente a través de toda el área de contacto, demostrando el comportamiento tipo neumático de la llanta no neumática 100.

Considerando la relación para estimar la presión de contacto con el piso Pett de la ecuación (1) . Es evidente que para las llantas donde el radio R de la membrana externa es sustancialmente el mismo, entonces el producto (Geff*h) es el factor de control para la presión de contacto. Entonces, un incremento en Geff o h, o ambos, se pueden imponer para incrementar la presión de contacto de la llanta. Además, una llanta se puede construir teniendo al menos una primera porción que comprende un material que tiene un primer nivel del producto (Geff*h) y al menos una segunda porción que tiene un segundo nivel del producto (Geff*h) . Dentro del alcance de la invención está el tener una pluralidad de porciones dispuestas lateralmente, cada una teniendo un nivel particular del producto (Geff*h) . Estas porciones no se requieren para ser zonas discretas y pueden comprender una variación continua del nivel del producto (Geff*h) .

La modalidad ejemplar mostrada en la figura 2 conforme la llanta 200 aplica el principio de controlar el producto (Geff*h) a través de una variación de las propiedades del material de la capa de corte. Específicamente, esta modalidad tiene una capa de corte que comprende una porción central 244 y porciones lateral o salient 242, en donde cada porción tiene diferentes propiedades de material tales como el módulo de rigidez Geff. En un ejemplo, una porción central 244 tiene un módulo de rigidez (nivel 1} de 3.3 MPa o un módulo de rigidez (nivel 2) de 6.6 MPa, y una porción lateral 242 permanece en un módulo de rigidez de 1.67 MPa. Las figuras 7 y 8 comparan la llanta de referencia 100 a las modalidades actuales marcadas como una llanta 200 (nivel 1) , y una llanta 200 (nivel 2) , correspondiente al nivel de módulo 1 y el nivel de módulo 2, respectivamente. Los resultados claramente demuestran una presión de contacto incrementada SZ en la porción central. El tabla 1 demuestra cuantitativamente que para la llanta 200 (nivel 1) la presión promedio SZ en la porción central se incrementa en promedio por aproximadamente 40% (de 0.93 bar a 1.39 bar) . Para la llanta 200 (nivel 2) , el incremento es de aproximadamente 120% (de 0.93 bar a 2.18 bar) . De manera remarcable, la presión de contacto promedio en las porciones salientes permanece dentro del 5% del valor para la llanta de referencia 100. Esto es un resultado inesperadamente verdadero en comparación con la expectación para una llanta neumática usando variaciones de propiedad de material similares. En el caso de una llanta neumática, una persona con experiencia en la técnica puede esperar solamente cambios increméntales. Otra ventaja remarcable de estas modalidades de la invención se limita "efecto final" para la transición entre la porción central y la porción lateral. Como se observa en ambas figuras 7 y 8, el área cargada altamente de la porción central se extiende cercanamente a la anchura completa entre las hendiduras de la superficie de rodadura 215. Por lo tanto, la modalidad de la llanta 200 también se puede aplicar para lograr una llanta asimétrica que tiene una carga diferente distintamente y rigidez vertical relativa a la parte interior o exterior de la llanta, como se observa cuando se monta en un vehículo.

En otra modalidad ejemplar mostrada en la figura 3 conforme la llanta 300 aplica el principio de control del producto (Geff*h) a través de una variación del grosor h de la capa de corte 340. La llanta 300 es la misma que la llanta 100 excepto que la membrana inextensible externa ahora permite un perfil arqueado con un radio R de 500 mm. El resultado es que el grosor h de la capa de corte 340 varia de los 19 mm iniciales en la porción central a aproximadamente 9.5 mm en los bordes laterales. La superficie de rodamiento 310 permanece en un grosor constante = 10 mm. Efectivamente, como se puede ver en la figura 3, la llanta 300 se asemeja a una llanta neumática de perfil redondo que una persona con experiencia puede proponer para proveer presión de contacto incrementada en la porción central del área de contacto. Sin embargo, la modalidad de la llanta 300 permanece como una estructura no neumática completamente. La figura 9 provee la comparación de la presente modalidad de la llanta 300 a la llanta de referencia 100. Uno observa inmediatamente que la forma del área de contacto de la llanta 300 es redonda extremadamente en comparación a la forma cercanamente rectangular de la llanta 100. La figura 9 además demuestra que la llanta 300 contiene zonas discretas de presión muy alta, algo que es indeseable para el desgaste de la llanta optimizado. Sin embargo, los datos de modelo mostrados en el tabla 1 demuestran que la variación del grosor de la capa de corte es un método menos efectivo para la modificación de la presión de contacto promedio. En comparación a la llanta de referencia 100, la presión de contacto promedio SZ en" la porción central de la llanta 300 tiene un incremento solo del 25% (de 0.93 bar a 1.16 bar) . Uno puede concluir que el uso de un perfil redondo, como se puede sugerir por un método de diseño conocido para las llantas neumáticas, es ineficiente.

Las modalidades anteriores ilustran métodos ejemplares para obtener un control sobre la carga de contacto vertical SZ en las llantas no neumáticas 200 y 300. Una presión de contacto incrementada en la porción central del contacto es conveniente para el mejoramiento de la tracción. Sin embargo, la llanta debe tener un buen desempeño en el uso de la superficie de rodamiento para proveer una satisfacción completa al cliente. Como se discute previamente, una carga tangencial balanceada (en particular el valor promedio de carga en la dirección x SX) favorece el desgaste de la superficie de rodamiento uniforme a través de la anchura del área de rodamiento. Nuevamente con referencia al tabla 1 y a la figura 12 que presenta gráficamente los datos del tabla 1, las cargas tangenciales resultantes SX para la llanta de referencia 100 demuestran una carga ligeramente positiva o "conducción" en la porción central y una carga ligeramente negativa o "frenado" en las porciones laterales. En general, para obtener un desgaste de la superficie de la superficie de rodamiento aceptable, cargas de frenado grandes se deben evitar dentro del área de contacto. Para la llanta 200 (nivel 1) , un desequilibrio empieza a aparecer con el incremento de las cargas tangenciales a aproximadamente 0.05 bar; conducción en el centro, y frenado en las salientes. Para la llanta 200 (nivel 2) , el módulo incrementado de la sección central casi doblega las cargas tangenciales a aproximadamente 0.09 bar, nuevamente conducción en el centro, y frenado en la saliente. La llanta 300, la modalidad de corona redonda, produce una carga de conducción grande inaceptablemente en el centro (aproximadamente 0.29 bar) y frenado en la porción lateral (aproximadamente -0.70 bar).

El inventor ha descubierto que la distribución y magnitud de las cargas vertical y tangencial se pueden optimizar por cambios a la adaptabilidad longitudinal de las secciones de la superficie de rodamiento. Todavía en otra modalidad ejemplar de la invención como se muestra en la figura 4 para la llanta 400, la capa de superficie de rodamiento comprende una sección de superficie de rodamiento central 414 y sección de superficie de rodamiento lateral y saliente 412 en donde cada sección tiene diferentes propiedades de material. En el ejemplo particular de la llanta 400 la sección de superficie de rodamiento 414 entre las dos hendiduras circunferenciales 415 se modifica. El material de la superficie de rodamiento 1 corresponde a la sección de superficie de rodamiento 412 no cambia en comparación a la llanta 100. El material de la superficie de rodamiento 2 correspondiente a la sección de superficie de rodamiento central 414 se ha modificado para reflejar una adaptabilidad de corte longitudinal incrementada relativa a la sección de superficie de rodamiento 412. En otras modalidades aún dentro del alcance de la invención, una llanta puede tener una pluralidad de secciones de superficie de rodamiento distribuidas lateralmente que tienen un conjunto especificado de propiedades de material.

En la modalidad ejemplar de la llanta 400, esta adaptabilidad modificada resulta de añadir hendiduras orientadas lateralmente a la sección de superficie de rodamiento. Todavía en otras modalidades de la llanta 400, la adaptabilidad modificada se puede obtener a través de propiedades de materiales ortotrópicos para cada una de las secciones de superficie de rodamiento. La figura 5 representa una sección transversal esquemática a través del plano ecuatorial de la llanta 400 que tiene una pluralidad de hendiduras orientadas lateralmente 416 espaciadas alrededor de la circunferencia de la llanta que entonces define una pluralidad de elementos de superficie de rodamiento discretos, por ejemplo, bloques de superficie de rodamiento. Como se usa aquí, el significado de hendiduras orientadas lateralmente incluye aquellas hendiduras o incisiones delgadas, tales como surcos, orientados transversalmente o en un ángulo a las hendiduras longitudinales 415. Como se representa en la figura 5, la deformación por flexión de un bloque de superficie de rodamiento 417 es una función de la longitud circunferencial del bloque B y la profundidad de la superficie de rodamiento H. Paramétricamente , este nivel de adaptabilidad se indica por el parámetro H/B, donde un valor más alto de H/B indica una sección de superficie de rodamiento con un valor más bajo de rigidez a la flexión. A manera de ejemplo ilustrativo y para proveer una interpretación física, un valor de H/B de cero corresponde a un reborde continuo. Un valor de H/B de aproximadamente 0.3 corresponde a una llanta de verano, y un valor de H/B de aproximadamente 0.6 corresponde a una llanta para todas las estaciones.

El modelo FEA de la llanta 400 mantiene una geometría que es un sólido de revolución, pero donde los elementos de las secciones de superficie de rodamiento 414 pueden tener una rigidez que se ha modificado para considerar el parámetro H/B para la deformación en la flexión de un bloque de superficie de rodamiento 417. En este ejemplo particular de la llanta 400, la adaptabilidad de la superficie de rodamiento se ajusta a valores de H/B de 0.5 y 1.0. En otros respectos, la llanta 400 retiene las propiedades de la llanta 200 (nivel 1) . Resultados FEA para las cargas de contacto para la llanta 400 se obtienen. La figura 12 y los datos mostrados en el tabla 1 demuestran que la adaptabilidad incrementada en la superficie de rodamiento o llanta 400 tiene solo un pequeño efecto en el incremento deseado de la carga vertical SZ en la porción central de la superficie de rodamiento. En particular, la llanta 200 (nivel 1) produce un valor de SZ de 1.39 bar para el reborde central, mientras que ambos ejemplos de la llanta 400 mantienen la carga central conveniente con un SZ de aproximadamente 1.30 bar. Las ventajas claras de las modalidades de la llanta 400 se demuestran por un examen de la carga tangencial SX. Aquí, el ajuste de la adaptabilidad del reborde central a un valor de H/B de aproximadamente 1.0 produce una carga tangencial de cero esencialmente a través de toda la anchura de las porciones de superficie de rodamiento. Este resultado es aún mejor equilibrado que las cargas tangenciales SX predichas para la llanta de referencia 100. Por lo tanto, la modalidad de la invención descrita por la llanta 400 provee la carga central deseable para la tracción mientras mejora realmente la distribución de las cargas tangenciales. Por lo tanto, la llanta 400 es capaz de romper el compromiso que es inherente en una llanta neumática.

TABLA 1 Resumen de resultados modelo Llanta Rl R2 R3 Llanta 200 Rl R2 R3 100 (nivel 1) Area 56.7 102.0 56.7 Area 45.3 82.0 45.3 Fx -1.0 1.9 -0.9 Fx -1.9 3.9 -1.9 Fz 52.6 95.1 52.3 Fz 43.1 113.7 43.1 Carga X -0.02 0.02 -0.02 Carga X -0.04 0.05 -0.04 (SX) (SX) Carga Z 0.93 0.93 0.92 Carga Z 0.95 1.39 0.95 (SZ) (SZ) Llanta Rl R2 R3 Llanta Rl R2 R3 200 300 (nivel 2) Area 25.0 121.0 25.0 Área 33.7 61.6 33.8 Fx -17.5 35.3 -17.8 Fx -2.9 5.8 -2.9 Fz 23.0 140.0 23.0 Fz 33.0 134.0 33.0 Carga -0.70 0.29 -0.71 Carga X -0.09 0.09 -0.09 X (SX) (SX) Carga 0.92 1.16 0.92 Carga Z 0.98 2.18 0.98 Z (SZ) (SZ) Descripción detallada de aplicaciones industriales Dado los resultados prometedores del estudio FEA, el inventor procede a aplicar los principios de la banda de corte de presión variable a una llanta real. En consecuencia, una descripción detallada de esa llanta, una llanta de referencia que carece de una banda de corte anular, y los resultados de la prueba para ambas llantas se proveen abajo.

Observando la figura 13, una vista en sección de una llanta 500 que carece de una banda de corte anular reforzada tomada a lo largo de un plano meridiano de la llanta que tiene una arquitectura de llanta neumática estándar se muestra. Esta arquitectura estándar incluye un pliegue protector 510 cerca del interior de la llanta 500 en la cual asienta una primera cinta de pliegue cruzado 520. Una segunda cinta de pliegue cruzado 530 se ubica arriba de la primera cinta de pliegue cruzado 520 y se separa de la primera cinta de pliegue cruzado 520 por una sección delgada de caucho 540. Esta sección de caucho no actúa como una capa de corte de presión variable ya que carece de (Geff*h) necesario. También, las bandas 520, 530 no actúan como membranas inextensibles ya que carecen del módulo de tensión necesario. Una tira de nilón 550, que se envuelve alrededor de la llanta 500 en la dirección longitudinal sustancialmente o en la dirección x de la llanta y se pasa a lo largo de la dirección axial o dirección y de la llanta, se localiza en la parte superior de la segunda cinta de pliegue cruzado 530. El propósito de la tira de nilón 550 es incrementar la resistencia a alta velocidad de la llanta, reduciendo la posibilidad de separación de la cinta a velocidades altas de operación. La llanta 500 también tiene un forro interno 560 en el interior de la llanta 500 que ayuda a retener aire o gas en la llanta. El forro interno 560 se puede construir de cualquier material adecuado capaz de retener la presión de inflado de la llanta y se construye preferiblemente de un caucho de halobutilo. Una porción de superficie de rodamiento 570 con hendiduras 580 se encuentra en la parte superior del paquete de cinta y refuerzo anular para la mejora de la tracción de la llanta 500 conforme pasa a través de agua y lo similar. Las hendiduras 580 de la superficie de rodamiento 570 proveen un consumo de agua de modo que la superficie de la superficie de rodamiento puede penetrar más fácilmente el agua y hacer contacto con el suelo.

Para esta modalidad particular, el tamaño de la llanta 500 es 205/5R16 con la anchura, W570 , de la porción de la superficie de rodamiento 570 es de aproximadamente 165 mm y la llanta 500 se mantiene en la rueda de un vehículo por paredes laterales 590 que terminan en secciones con rebordes (no mostradas) en ambos lados del plano ecuatorial E-E. La construcción de la llanta 500 es asimétrica alrededor del plano ecuatorial E-E.

A la inversa, la figura 14 muestra una vista seccional tomada a lo largo de un plano meridiano de una llanta neumática 600 que emplea una modalidad específica de una banda de corte de presión variable. Esta llanta 600 tiene un forro interno 660, pliegue protector 610, sección de superficie de rodamiento 670 con hendiduras 680 y un paquete de cinta que incluye una primera cinta de pliegue cruzado 620 y una segunda cinta de pliegue cruzado 630 similar a aquella que se ha descrito antes para la llanta 500. También es posible una llanta de tamaño 205/55R16 con la anchura, W67o de la porción de superficie de rodamiento 670 que es alrededor de 165 mm. Demasiado se mantiene sobre la rueda de un vehículo por las paredes laterales 690 que termina en secciones de reborde (no mostrado) en ambos lados del plano ecuatorial E-E. La construcción de esta llanta 600 también es simétrica alrededor del plano ecuatorial E-E. Sin embargo, tiene las siguientes diferencias estructurales en comparación con la llanta de referencia 500.

Primero, tiene una primera membrana 640 que se localiza inmediatamente arriba del pliegue protector 610 que puede tomar la forma de un pliegue de monofilamentos de vidrio, elaborados de un material que se describe por la Patente de E.U.A. No. 7,032,637, que se envuelve espiralmente en la dirección x longitudinal de la llanta y que se coloca en la dirección axial o dirección y de la llanta. De manera conveniente, los monofilamentos de vidrio tienen propiedades tales como módulo compresivo de aproximadamente 12000 MPa, un módulo de tensión de aproximadamente 40000 MPa, y/o un límite de resistencia infinito a una tensión de compresión de aproximadamente 1 por ciento que les permite resistir efectivamente la compresión, que dada su ubicación cerca del interior de la llanta 600, ayuda a la llanta a resistir el pandeo en la dirección longitudinal o dirección x de la llanta cerca de la trayectoria de contacto cuando la llanta 600 encuentra agua. Cuando se construye con las propiedades mecánicas anteriores, cada cuerda 642 preferiblemente tiene un área transversal de aproximadamente 0.43 mm2 o mayor y se disponen en un paso de al menos aproximadamente 1.4 itim en la dirección axial o dirección y de la llanta. La construcción provee un grosor homogéneo equivalente (área por cuerda/paso) de aproximadamente 0.30 inm2 por mm de anchura del pliegue. Las cuerdas 642 se elaboran de fibra de vidrio que se impregnan en una resina termoestable que tiene un módulo inicial de extensión de al menos aproximadamente 2.3 GPa. Las fibras se configuran paralelas entre sí. El elemento mixto alargado tiene una tensión a fractura en la compresión mayor que la tensión a fractura en la tensión. Preferiblemente, la resina termoestable tiene una temperatura de transición al estado vitreo, Tg, mayor de 130 °C. No importa que construcción se usa, la relación del módulo de membrana, Emembrana/ de esta membrana 640 al módulo de rigidez, Geff, de la capa de corte 645 puede ser al menos aproximadamente 100:1. Por ejemplo, la Emenibrana puede ser 9000 N/mm2 y la Gett puede ser 3 N/mm2 que puede producir una relación de aproximadamente 3000:1.

Posteriormente, una capa de corte 645 que tiene un grosor variable, T, se encuentra arriba de la primera membrana 640 que se elabora de caucho y se adhiere a esto. Este material de caucho puede tener propiedades tales como un módulo de rigidez dinámica que varía de 1.9 a 5 MPa, un alargamiento a rotura a 100°C que puede ser mayor que aproximadamente 100% y una histéresis que es menor de aproximadamente 0.2 en tensiones entre aproximadamente 15% y 30%. Materiales de caucho que tienen propiedades similares también se pueden usar en las espumas usadas para contener las cuerdas de la primera y segunda membranas 640, 650. También, el grosor, T, de la capa de corte 645 puede variar de 2 rara a 20 mm. Para esta modalidad particular, la capa de corte 645 tiene un módulo de corte que es aproximadamente 3 MPa y el grosor, T, de la capa de corte 645 varía de aproximadamente 2 mm en las regiones salientes de la capa de corte 645 a aproximadamente 6 mm en el plano ecuatorial E-E de la llanta 600. De interés, el grosor, T, de la capa de corte 645 se mueve en una dirección z positiva o dirección radial hacia adentro de modo que la fibra neutral 647 de la capa de corte 645 también se mueve en esta dirección. Por lo tanto, esta modalidad provee un (Geff*h) variable en la capa de corte que proporciona las propiedades deseadas de la banda de corte de presión variable. El movimiento hacia adentro de la fibra neutral 647 permite un perfil de superficie de rodamiento alterno 670' para usarse que mejora el hidroplaneo mientras no degrada el desempeño del uso de la llanta 600 por razones que se explicarán más claramente posteriormente. De esta manera, este perfil de superficie de rodamiento alterno 670' tiene un grosor radial hacia afuera incrementado en comparación al perfil de superficie de rodamiento estándar 670.

Finalmente, una segunda membrana 650 que es sustancialmente inextensible se encuentra arriba de la capa de corte 645 y se adhiere a esta. Esta membrana 650 puede tomar la forma de una primera cinta de pliegue cruzado 620 que se encuentra inmediatamente arriba de la capa de corte 645 y una segunda cinta de pliegue cruzado 630 que se encuentra inmediatamente arriba de la primera cinta de pliegue cruzado 620. Estas cintas se construyen de cuerdas de acero 652 que se cubren en una espuma de caucho que tiene propiedades como se describe antes. Las cuerdas 652 se pueden colocar en ángulos que varían de 15 a 25 grados y se colocan en +/- 22 grados para esta modalidad particular. Aunque es común usar cuerdas en las cintas que se colocan en ángulos iguales y opuestos al plano ecuatorial E-E, se contempla que las cuerdas se puedan colocar en diferentes ángulos creando una llanta que es asimétrica con respecto al plano ecuatorial. Estas cintas 620, 630 se construyen de modo que la relación del módulo de membrana, Emembrana, para esta membrana 650 al módulo de rigidez, Geff de la capa de corte 645 es al menos aproximadamente 100:1, que no es el caso para las cintas 520, 530 de la llanta 500 que es por lo cual aquellas cintas y el caucho que las separa no comprenden una banda de corte. Además, la segunda membrana 650 se desplaza en la dirección z positiva o la dirección radial hacia adentro una distancia suficiente para proteger la estructura de la segunda membrana 650 de cortes y pequeñas penetraciones de la superficie de rodamiento 670.

Se puede notar que la adherencia de las membranas 640, 650 a la capa de corte 645 se provee normalmente por la vulcanización de los materiales elastoméricos que comprenden las membranas y la capa de corte. Alternativamente, las membranas se pueden adherir a la capa de corte por medio de cualquier método adecuado de unión química o adhesiva o fijación mecánica. Así mismo, las membranas se pueden formar por medio de cualquier material adecuado o construcción que cumpla los requerimientos para la rigidez de tensión, rigidez de flexión y resistencia a pandeo compresivo requerido de una banda de corte anular. Por ejemplo, la estructura de las membranas puede ser cualquiera de las varias alternativas tales como material homogéneo, una matriz de refuerzo de fibra, o una capa que tiene elementos de refuerzo discretos proporcionan las propiedades mecánicas descritas aquí se cumplen. Cuando los refuerzos de llanta convencionales se usan, monofilamentos o cuerdas elaboradas de materiales tales como el acero, aramida u otros textiles de módulos altos se pueden emplear .

En consecuencia, la primera y segunda modalidades se pueden formar por refuerzos anulares que se enrollan sustancialmente en la dirección x y se colocan en la dirección y de la llanta. Estos refuerzos anulares se pueden formar por cuerdas que se elaboran de acero o algunos otros materiales adecuados. En un modo similar, la capa de corte se puede alterar y tener una porción central que tiene un módulo de rigidez más alto que en sus porciones salientes o pueden tener otras construcciones y/o propiedades como se investiga usando FEA.

Después que las llantas 500, 600 se construyen, se analizan usando diferentes procedimientos de prueba. Uno de los procedimientos de prueba involucra correr las llantas que se han colocado en un vehículo a través de un charco de agua en la parte superior de una placa de vidrio donde las fotos se pueden tomar para ver qué tanta área superficial de la superficie de rodamiento de la llanta queda en contacto con el suelo bajo ciertas condiciones. Esta prueba se puede repetir para la misma llanta en diferentes velocidades para determinar cuando el 90% del contacto de la llanta en el suelo se pierde, indicando que la llanta está hidroplaneando.

Las figuras 15 y 16 son representaciones de fotografías tomadas de llantas 500, 600; respectivamente, mientras se analizan usando este procedimiento y viajando a través de 4 mm de profundidad de agua a 88 kph con una presión de aire interno estándar de 2.1 bar y una carga vertical de 450 kg que se aplica a ellas. Bajo estas condiciones, la llanta 500 se maneja para tener un área de contacto superficial, que se resume por las líneas 595 y 595', de solo 13 cm2 mientras que la llanta 600 tiene todavía un área de contacto superficial, que se resume por la línea 695, de 45 cm2. Esto indica que la llanta 500 es de hidroplaneo con aproximadamente 91% del área superficial de contacto que se pierde. A la inversa, la llanta 600 tiene 3.5 veces tanta área superficial aún en contacto con el suelo, indicando que puede viajar otros 7 kph más rápido en base en extrapolación antes de que ocurra el hidroplaneo. Esto permite al diseñador de la llanta a disminuir el área de huecos de la llanta de 30% a 20% en la llanta 600 mientras mantiene el mismo desempeño de hidroplaneo de la llanta estándar 500. Esto se puede traducir en una mejora del 20% en el desempeño de uso de la llanta 600 o permite que el diseñador de la llanta mejore otras propiedades tales como tracción en mojado o en seco, etc.

Observando la figura 17, este mismo procedimiento de prueba se aplica en ambos conjuntos de llantas 500, 600 a varias velocidades con una presión de aire interna desinflada ligeramente de 1.6 bar y una carga vertical externa de 450 kg que se aplica a ellas. La cantidad de área superficial de contacto para cada corrida de prueba en cada velocidad se normaliza en comparación al área de contacto superficial original al dividir el área de contacto superficial reducida por el área de contacto original. Estos valores se grafican a lo largo del eje vertical mientras que las velocidades se grafican a lo largo del eje horizontal. Una presión de aire interna reducida se usa en orden para ver cual beneficia la llanta 600 con la banda de corte de presión variable teniendo sobre la llanta de referencia 500 en hidroplaneo cuando las llantas se desinflan ligeramente, lo cual es un escenario pobre para el desempeño de hidroplaneo. Como se puede observar, los desempeños para ambas llantas 500, 600 son similares hasta alcanzar una velocidad de 50 kph. En adelante, la llanta 600 retiene más área de contacto superficial que la llanta 500 y no experimenta hidroplaneo, que ocurre en aproximadamente un área normalizada de aproximadamente 0.18 hasta alcanzar aproximadamente 88 kph. Por otra parte, la llanta 500 empieza a hidroplanear en aproximadamente 80 kph. Esto ilustra que la banda de corte variable provee rigidez estructural adicional más allá que se provee por el componente neumático de rigidez típicamente encontrado en llantas neumáticas, resultando en un desempeño mejorado de hidroplaneo. Esto provee al diseñador de la llanta extra flexibilidad a la parte delgada de las paredes delgadas 690 de la llanta 600 y continua reteniendo o excediendo el desempeño de hidroplaneo de la llanta de referencia 500. Esto a su vez, puede llevar a una reducción en resistencia al rodamiento.

Similarmente, la llanta de referencia 500 y la llanta 600 con la banda de corte de presión variable se analizan usando esencialmente el mismo procedimiento de prueba como se discute antes para los resultados presentados por la figura 17, excepto que . ambas llantas se inflan completamente a una presión de aire interna de 2.1 bar. Los resultados de esta prueba se presentan en la figura 18 y se presentan en el mismo formato como se usa en la figura 17. Los resultados de la prueba muestran que el hidroplaneo, que ocurre aproximadamente a un área normalizada de aproximadamente 0.18, para la llanta 600 ocurre a una velocidad de 94 kph mientras que esto sucede con la llanta de referencia 500 en aproximadamente 88 kph. Nuevamente, esta ganancia de 6 kph antes de que se presente el hidroplaneo da al diseñador de la llanta la capacidad de mejorar cualquiera de los dos siguientes desempeños: hidroplaneo, uso y resistencia al desgaste o rodamiento; sin degradar el otro desempeño restante.

Las figuras 19, 20 y 21 muestran las cargas Z, cargas Y y cargas X, respectivamente, para los rebordes Rl, R2, R3, R4 y R5 de las llantas 500, 600 a una presión de aire interna estándar de 2.1 bar y una carga vertical de 410 DaN que se miden por medios conocidos comúnmente en la técnica en una máquina de prueba que tiene un transductor de fuerza.

Observando en las cargas Z mostradas por la figura 19, la llanta 600 con la banda de corte de presión variable desarrolla cargas ligeramente más altas a través de todos los rebordes, Rl a R5, con gradientes comparativamente similares entre los rebordes Rl y R2, y entre los rebordes, R4 y R5 como ocurre entre los mismos rebordes para la llanta de referencia 500. Sin embargo, un gradiente más grande (aproximadamente 0.5 bar) ocurre de R2 o R4 a R3 para la llanta 600 que tiene la banda de corte de presión variable mientras no hay cambio vxrtualmente entre los mismos rebordes para la llanta de referencia 500. Esto es deseable ya que este incremento en la presión en el centro de la huella ayuda a la llanta 600 a resistir la deformación cuando encuentra agua, mejorando de este modo el desempeño de hidroplaneo de la llanta 600 en comparación a la llanta de referencia 500. También, las cargas Z más grandes ligeramente proporcionadas por la banda de corte de la llanta 600 también son beneficiosas para prevenir hidroplaneo.

Las cargas Y mostradas en la figura 20 para la llanta 600 es esencialmente las mismas que aquellas para la llanta de referencia 500, indicando que no se puede causar degradación del desempeño en uso por las cargas ocurrirá cuando se usa la banda de corte de presión variable.

Finalmente, las cargas X representadas por la figura 21 indican que las cargas X se equilibran mejor en el presente para la arquitectura modificada. Particularmente, los rebordes salientes (Rl, R5) tienen cargas X que no están frenando y el reborde central (R3) tiene cargas X que no están en conducción, como se puede esperar para una llanta que tiene una huella redonda, que es deseable para el desempeño mejorado de hidroplaneo. Este fenómeno, que corrobora los resultados FEA discutidos antes, se ilustra además por las figuras 22 y 23 que muestran las huellas de la llanta de referencia 500 y la llanta 600 que tiene una banda de corte de presión variable, respectivamente. Las huellas se toman en 410 DaN de carga vertical y 2.1 bar de presión de aire interna. Notar que la arquitectura modificada tiene una forma redonda, con las salientes siendo más cortas significativamente que el centro. Sin embargo, las cargas X están muy bien equilibradas para esta llanta 600, debido al cambio de la posición radial de la fibra neutral 647. En consecuencia, una corona más redonda tal como la utilizada en el perfil de superficie de rodamiento alterno 670' se puede usar junto con la banda de corte de presión variable para mejorar el hidroplaneo sin degradar el desempeño durante el uso de la llanta 600 en comparación a la llanta de referencia 500, como se menciona antes.

Con el fin de analizar además los desempeños de hidroplaneo de las llantas 500 y 600, se analizan de acuerdo a otro procedimiento de prueba que es como sigue. Primero, dos llantas de construcción similar se colocan en las ruedas frontales de un vehículo, tal como un Audi A4 , que tiene tracción delantera. En segundo, el vehículo es manejado a través de agua que tiene una profundidad de 8 mm en una pista de asfalto a una velocidad de 50 kph. Preferiblemente, esta velocidad se mantiene al usar control de crucero en el vehículo. Una vez que el vehículo alcanza el área de validación, el conductor acelera el vehículo tan rápido como sea posible por 30-50 m (esta distancia se fija como se desee) para ver si 10% de deslizamiento se genera entre la velocidad de las ruedas de conducción y la velocidad GPS del vehículo. Si se logra un 10% de deslizamiento, esta misma corrida de prueba se repite tres veces más. Si el 10% de , deslizamiento no se logra, entonces la corrida de prueba se realiza al añadir 5 kph a la velocidad de vehículo inicial. Esta etapa entonces se repite hasta alcanzar un deslizamiento del 10%. Una vez que se alcanza el 10% de deslizamiento, entonces otras tres corridas en las mismas condiciones se conducen como se describió previamente. Usualmente, cinco corridas totales se hacen con la primera y última corrida usándose solamente para referencia. Los datos entonces se adquieren de estas corridas y un cálculo relevante estadísticamente de la velocidad a la cual el hidroplaneo ocurre, que corresponde a la velocidad del vehículo en donde 10% de deslizamiento ocurre, se puede hacer.

Cuando se usa este procedimiento de prueba, se encuentra que el hidroplaneo ocurre en aproximadamente 57.5 kph para la llanta de referencia 500 mientras el hidroplaneo ocurre en aproximadamente 61 kph para la llanta 600 que tiene la banda de corte de presión variable. Esto permite que haya al menos una mejora del 5% entre estas llantas que proporcionan una prueba adicional que la banda de corte de presión variable puede mejorar el desempeño de hidroplaneo de una llanta sin degradar el uso o desempeños de resistencia al rodamiento.

Aunque esta invención se ha descrito con referencia a modalidades particulares de la misma, se entenderá que la descripción es a manera de ilustración y no de limitación. Por ejemplo, las aplicaciones industriales discutidas aquí involucran el uso de una llanta neumática con paredes laterales convencionales y secciones con rebordes. Sin embargo, se contempla que esta invención se pueda usar con llantas no neumáticas, llantas híbridas y otros productos así como tener varias construcciones incluyendo aquellas que usan rayos del alma para conectar la llanta a la rueda de un vehículo. También, las llantas simétricas se han discutido previamente aquí pero se contemplan que llantas que tienen superficies de rodamiento asimétricas también estén dentro del alcance de la presente invención. En consecuencia, el alcance y contenido de la invención se deben definir solo por los términos de las reivindicaciones anexadas.

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.

Claims (14)

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones :

1.- Una llanta con una porción de contacto con el suelo y que tiene direcciones radial, longitudinal y axial y un plano ecuatorial, caracterizada porque incluye una banda de corte de presión variable que incluye: una capa de corte con una sección transversal en donde el producto (Geff*h) varía en la dirección axial de la llanta; una primera membrana que se adhiere a la extensión hacia adentro radialmente de la capa de corte; y una segunda membrana que se adhiere a la extensión hacia afuera radialmente de la capa de corte.

2.- La llanta de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la capa de corte se construye de un material que tiene un Geff relativamente consistente con la altura (h) de la capa de corte variable.

3. - La llanta de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada porque la porción de contacto con el suelo tiene una superficie de rodamiento con porciones salientes en cada extensión axial de las mismas y una porción central entre estas, y en donde la capa de corte también tiene porciones salientes en cada extensión axial de las mismas y una porción central entre estas, las porciones salientes y porción central de la capa de corte se encuentran sustancialmente de forma radial debajo de las porciones saliente y central de la superficie de rodamiento, respectivamente, la capa de corte tiene un grosor que se incrementa en una dirección hacia adentro radialmente conforme la capa de corte progresa desde sus porciones salientes a su porción central en la dirección axial.

4. - La llanta de conformidad con la reivindicación 3, caracterizada porque la capa de corte puede ser más delgada en sus porciones salientes y más gruesa en su porción central, y en donde la fibra neutral de la capa de corte se mueve radialmente hacia adentro conforme la capa de corte progresa de sus porciones salientes a su porción central, el eje neutral alcanzando su posición más baja sustancialmente en el ecuador de la llanta.

5. - La llanta de conformidad con la reivindicación 4, caracterizada porque la superficie de rodamiento puede tener un grosor radial incrementado cerca del plano ecuatorial de la llanta.

6. - La llanta de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la capa de corte comprende una pluralidad de porciones dispuestas axialmente que tienen diferentes valores de Geff.

7. - La llanta de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la porción de contacto con el suelo de la llanta comprende una superficie de rodamiento que tiene porciones saliente y central en donde las porciones salientes de la superficie de rodamiento tienen diferentes propiedades de material que la porción central, que tiene una adaptabilidad de corte longitudinal incrementada relativa a las porciones salientes de la superficie de rodamiento.

8.- La llanta de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la porción de contacto con el suelo de la llanta comprende una superficie de rodamiento que tiene porciones saliente y central en donde la porción central de la superficie de rodamiento incluye hendiduras orientadas lateralmente de anchura (H) que definen elementos de rodamiento de longitud (B) que resulta en adaptabilidad de corte longitudinal incrementada de la porción central de la superficie de rodamiento en comparación con las porciones salientes de la superficie de rodamiento y en donde el parámetro (H/B) es un indicador del nivel de adaptabilidad longitudinal .

9. - La llanta de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la segunda membrana es sustancialmente inextensible y en donde la primera membrana resiste la compresión.

10.- La llanta de conformidad con la reivindicación 9, caracterizada porque la primera membrana comprende monofilamentos de vidrio y en donde la segunda membrana comprende una primera cinta de pliegue cruzado y una segunda cinta de pliegue cruzado que está en la parte superior de la primera cinta de pliegue cruzado.

11.- La llanta de conformidad con la reivindicación 10, caracterizada porque la primera y la segunda cintas de pliegue cruzado tienen cuerdas de acero colocadas a +/- (15 a 25) grados con respecto al plano ecuatorial de la llanta.

12. - La llanta de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada porque la primera y segunda membranas comprenden refuerzos anulares que se colocan sustancialmente en la dirección longitudinal de la llanta.

13. - La llanta de conformidad con la reivindicación 4 , caracterizada porque la primera membrana comprende monofilamentos de vidrio y en donde la segunda membrana comprende una primera cinta de pliegue cruzado y una segunda cinta de pliegue cruzado que está en la parte superior de la primera cinta de pliegue cruzado.

14. - La llanta de conformidad con la reivindicación 11, caracterizada porque la primera y la segunda cintas de pliegue cruzado tienen cuerdas de acero colocadas a +/- 22 grados con respecto al plano ecuatorial de la llanta.