結構支撐的彈性輪胎的製作方法
2023-09-23 18:00:35 8
專利名稱：結構支撐的彈性輪胎的製作方法
背景技術：
本發明涉及一種彈性輪胎，由該輪胎的結構部件支撐車輛載荷，而不用內部氣壓。
充氣輪胎對於車輛機動性能成為可選擇的方案已超過一個世紀。現代帶束的、子午線輪胎胎體充氣輪胎是一種不平常的產品，它具有支撐載荷的有效的裝置，同時允許適當的垂直和橫向一致性。充氣輪胎獲得的機械性能主要是由於在該輪胎腔體中的空氣內壓的作用。該氣壓的反作用使帶束和胎體部件產生適當的剛度。這樣該充氣壓力是該充氣輪胎的一個非常重要的設計參數。不幸的是，當充氣壓力固定時，充氣輪胎的設計師修改該輪胎垂直剛度的靈活性非常有限。
為了獲得充氣輪胎良好的性能需要很好地保持壓力。充氣壓力低於規定值的可導致燃料經濟性方面的損失。對於常規充氣輪胎來說，重要的是在氣壓完全損失後其使用極為有限。為了在輪胎的氣壓完全喪失後使車輛能夠繼續行駛業已提出許多輪胎結構。大量現有的洩氣行駛輪胎方案是充氣輪胎具有附加的側壁加強件或填充物，使該側壁在洩氣後行駛期間在受壓情況下起到載荷支撐件的作用。這種附加加強件經常導致輪胎重量增加和舒適性降低的缺點。其他提供洩氣行駛性能的方案基本上是利用在該胎冠部分中的環形加強帶。在這些方案中，該胎面部分的剛度一部分來自該環形加強帶的自身特性，一部分來自氣壓的反作用。還有一些其它方案依靠安裝在車輪內的輔助的內部支撐結構。這些支承件增加了安裝組件的質量，並且或者增加裝配難度，或者需要使用多分段的輪輞。所有這些方法混合出不同的充氣輪胎結構，並且在設計上具有需要兼顧要麼優化充氣狀態要麼優化洩氣狀態的缺點。此外，這些洩氣行駛方案需要使用一些裝置，以監視輪胎氣壓，並且如果該充氣壓力超出推薦限度，報告車輛駕駛者。
設計成不使用充氣壓力工作的輪胎消除了所有這些問題，併兼顧了充氣輪胎的性能。只有一種工狀態，非充其狀態，既不需要保持氣壓，也不需要監視壓力。迄今為止的結構支撐的彈性輪胎，例如實心輪胎或其它彈性結構，不能提供常規充氣輪胎的性能狀態。具有充氣輪胎特性的結構支撐彈性輪胎方案會是受歡迎的改進。
發明內容
本發明的結構支撐彈性輪胎只由其胎面、側壁和胎圈部分的結構特徵支撐其載荷，沒有內部氣壓的支撐。在不看該側壁和胎圈部分時，結構支撐彈性輪胎的胎面部分作為一個加強環形帶出現，該加強環形帶具有剛度，承受輪胎子午面和赤道面的彎曲。子午面經過完全位於子午面的輪胎旋轉軸線。該赤道面垂直經過該輪胎旋轉軸線，並等分該輪胎結構。
環形帶與一個平面的接觸類似於輪胎與地面的接觸，該結果的反作用類似於承載輪胎的地面接觸應力。對於具有均質材料的剛度環形帶而言，滿足均衡和彎曲力矩要求的壓力分布補償一對位於每個接觸區域端部的集中的力，其一個端部示於圖2A。在這種理想的形式中，該環形帶沒有剪切變形。然而，如果該環形帶具有一個限定剪切變形的結構，所得到的壓力分布基本是均勻的。
根據本發明的結構支撐彈性輪胎具有一胎面部分，從該胎面部分向輪胎軸線徑向延伸的側壁部分，以及用於固定在車輪上的在該側壁部分徑向內端的胎圈部分。該胎面、側壁和胎圈確定了一個類似於充氣輪胎中的中空的環形空間。根據本發明，一個環形帶被設置在該胎面部分的徑向裡邊，該環形帶具有一個彈性剪切層，至少一個被附著在該彈性剪切層徑向內區域的第一膜片，以及至少一個附著在該彈性剪切層徑向外邊區域的第二膜片。該膜片最好具有一個嵌入在彈性包覆層內的基本不可延伸的簾線加強件的疊層，該膜片的彈性縱向拉伸模量比該彈性剪切層的彈性剪切模量大得多，使得在被施加外部載荷時，與地面接觸的胎面部分的變形從一環形變形成一扁平形狀，同時保持該膜片的一個基本恆定的接觸長度。該膜片的相對變形由在剪切層的剪切產生。
在圖2B中示意地示出了這種作用。如圖2B所示，一個有益的結果是，與沒有使用環形帶的具有上述變形特徵的其它輪胎相比，地面接觸壓力在該接觸區域的整個長度上更均勻。環形帶不依賴於內部充氣壓力，而在輪胎子午面上具有橫向剛度和在赤道平面上具有縱向彎曲剛度，該剛度足夠高能起到載荷支撐部件作用。
根據本發明的一個方面，該環形帶的橫向半徑，即在該輪胎子午面的曲率半徑，小於該外胎面表面的橫向半徑，以在該接觸區域中承受該環形件的彎曲。
根據本發明的結構較好地允許輪胎設計者不依賴接觸壓力稍微能調節該輪胎的垂直剛度，相反，在常規充氣輪胎中，該地面接觸壓力與輪胎垂直剛度是緊密聯繫的。
該輪胎側壁提供了反作用於車輪所需的結構，由該環形帶支撐載荷，由此支撐車輛的質量。在常規充氣輪胎中，載荷支撐是由該輪胎側壁拉力差提供的，該最小的側壁拉力在該接觸區域的中央，而最大的拉力在與該接觸區域相對的子午面。如圖3A所示，本發明的結構支撐彈性輪胎由拉伸接觸區域之外的這些子午線的該側壁支撐其載荷。當該側壁具有較高的有效拉伸徑向剛度和較低的有效壓縮徑向剛度時，獲得最佳載荷支撐。當滿足這些條件時，可以說，該車輪掛在該輪胎上部。此外，為了最佳的載荷支撐，該側壁具有直線的外形和徑向排列的加強部件。
本發明輪胎的垂直剛度(在受載時承受垂直方向的變形)由該輪胎的一反偏移剛度影響到相當程度，該反偏移剛度是承受輪胎不接觸地面部分變形的測量值，該輪胎的反偏移允許該車輪軸線垂直位移，這有效地減小了該輪胎的垂直剛度。調節該輪胎的反偏移剛度也就調節了該輪胎的垂直剛度。
當本發明的輪胎以高角速度旋轉時，在該環形帶上形成向心力，這些力產生圓周方向應力，導致該環形帶徑向向外擴張。該環形帶的擴張由該側壁的高有效徑向剛度承受。由於在該地面接觸區域沒有產生這種向心力，淨結果是一垂直向上的力，起到支撐所受載荷一部分的作用，並增加該輪胎的有效垂直剛度。該向心力，以及因此該輪胎的有效垂直剛度，隨速度增加而增加；這樣，在速度增加時，該輪胎的偏移被減小。減小的偏移也就減小了輪胎上產生的熱量，並改善高速性能。
本發明輪胎在承載時，在側壁上產生的拉力明顯低於充氣的加載輪胎側壁拉力。參考圖1，胎圈部分160可以採用幾種胎圈結構中任何一種，這些胎圈結構能夠不依賴於充氣壓力安裝在輪輞10上並且在使用輪胎時保持胎圈部分的適當安裝。滿足這些要求的胎圈結構的一個例子示於Drieux等人的美國專利US5,785,781號並通過參考結合在此。
根據本發明的一個實施例，一種結構支撐的彈性輪胎包括一個地面接觸胎面部分，從該胎面部分徑向向內延伸的側壁部分(和在胎圈部分的固定)，和在輪胎滾動時適於保持固定在車輪上的胎圈部分，以及一個設置在該胎面部分的徑向裡邊的加強的環形帶，該帶具有一彈性剪切層，至少一個粘附在該彈性剪切層徑向裡邊的第一膜片，和至少一個粘附在該彈性剪切層徑向外邊的第二膜片，並且該第二膜片為波浪形，在徑向具有波幅，在軸向具有波長。
這個波浪形膜片承受在該地面接觸區域中的該環形帶的受壓彎曲，而不限制於該環形帶的橫向半徑和外部胎面表面，如果該胎面花紋溝與最小波浪一致，即該膜片凹陷部分向著該胎面，這些花紋溝可以比常規輪胎的花紋溝深，這改善了該輪胎的抗滑水效應性能。
根據本發明的另一實施例，一種結構支撐的彈性輪胎包括一地面結胎面部分，從該胎面部分徑向向內的延伸的側壁部分(和在胎圈部分的固定)，和在輪胎滾動時適於保持固定在車輪上的胎圈部分，以及一個設置在該胎面部分的徑向裡邊的加強的環形帶，該帶具有一彈性剪切層，至少一個粘附在該彈性剪切層徑向裡邊的第一膜片，和至少一個粘附在該彈性剪切層徑向外邊的第二膜片，其中在輪胎赤道面上該帶的縱向剛度與在拉伸狀態下該側壁部分的有效徑向剛度的比率小於100∶1。
根據本發明又一個實施例，一種結構支撐的彈性輪胎具有一地面結胎面部分，從該胎面部分徑向向內的延伸的側壁部分(和在胎圈部分的固定)，和在輪胎滾動時適於保持固定在車輪上的胎圈部分，以及一個設置在該胎面部分的徑向裡邊的加強的環形帶，該帶具有一彈性剪切層，至少一個粘附在該彈性剪切層徑向裡邊的第一膜片，和至少一個粘附在該彈性剪切層徑向外邊的第二膜片，其中該側壁部分基本是不可在拉伸的，並且基本沒有抗壓縮彎曲的阻力，因此從外部施加的載荷基本上由與地面接觸之外的輪胎區域的側壁部分拉力支撐，並且在與地面接觸區域的側壁部分沒有垂直載荷支撐。
根據本發明，一種用於製造結構支撐的彈性輪胎的方法，該輪胎具有一個加強的環行帶，該環行帶在縱向剛性膜片之間有一個彈性剪切層，該方法包括如下步驟，選定該地面接觸壓力和輪胎半徑，該地面接觸壓力乘以輪胎半徑以確定剪切層係數，選定具有彈性剪切模量和厚度的剪切層材料，使得該彈性剪切模量乘以厚度的結果等於該剪切層係數，選擇膜片，使其彈性拉伸模量至少是彈性剪切模量的100倍，並安裝地面接觸胎面部分，該加強環形帶徑向設置於該胎面部分的徑向裡面，至少一個第一膜片粘附在該彈性剪切層徑向裡邊，和至少一個第二膜片粘附在該彈性剪切層徑向外邊，以及側壁部分從該胎面部分徑向向內延伸，並固定在胎圈部分上，該胎圈部分固定在車輪上。
通過參考下面的描述和附圖的將能更好地理解本發明，其中圖1是本發明輪胎的剖面視圖；圖2A是一示意圖，示出了參照的均勻帶的地面反作用力；圖2B是一示意圖，示出了本發明環形帶的反作用力；圖3A是本發明的加載輪胎的示意圖，示出了在赤道平面上的承載機制；圖3B是本發明的加載輪胎的示意圖，示出了在子午面上承載的機制；圖4是具有弧形膜片的本發明輪胎的剖面視圖；圖5A示出了在輪胎赤道平面反偏移剛度；圖5B顯示了在輪胎子午面反偏移剛度；圖6是具有波浪形第二膜片的本發明輪胎的剖面視圖；圖7是根據圖6所示實施例一種變型的本發明輪胎的剖面視圖；圖8是圖6所示實施例另一種變型的本發明輪胎的剖面視圖；圖9示出了本發明輪胎接觸面積、接觸壓力和垂直載荷之間關係的曲線關係圖；圖10示出了本發明輪胎接觸壓力、垂直載荷和反偏移剛度之間關係的曲線圖。
發明的詳細說明本說明書的下述術語定義如下「赤道平面」指的是經過該輪胎中心線垂直該輪胎旋轉軸線的平面。
「子午面」指的是平行於該輪胎旋轉軸線並從該軸線徑向向外延伸的平面。
彈性材料的「模量」指的是用ASTM標準檢測方法D412測量的10％伸長的彈性拉伸模量。
膜片的「模量」指的是在圓周方向上1％伸長的彈性拉伸模量乘以該膜片的有效厚度。這個模量可以由下面的用於常規鋼帶材料的等式1計算出來，這個模量用撇(『)的符號標示。
彈性材料的「剪切模量」指的是彈性的剪切模量，並定為等於10％伸長時測得的彈性拉伸模量的三分之一。
「滯後」的是在10％動態剪切變形和25℃時測得的動態損失正切值。
根據本發明的結構支撐的彈性輪胎示於圖1、圖4、圖6、圖7和圖8。結構支撐指的是該輪胎承受一載荷而沒有充氣壓力的支撐。所公開的用於結構支撐彈性輪胎的多種變型的結構利用了類似的基本部件。對於每一種變型，在圖中的標號是一致的形式。
圖1中所示的輪胎100具有一地面接觸胎面部分110，從該胎面部分110徑向向內延伸的側壁部分150，以及在該側壁部分端部的胎圈部分160。該胎圈部分160將該輪胎100固定在一車輪10上。該胎面部分110、側壁部分150和胎圈部分160確定了一個中空的環形空間105。
一個加強環形帶(band)設置在該胎面部分110的徑向裡邊。在圖1所示的實施例中，該環形帶具有一個彈性剪切層120，一個第一膜片130，該膜片具有粘貼在該彈性剪切層120最裡面區域的加強層131和132，以及一個第二膜片140，該膜片具有粘貼在該彈性剪切層120最外面區域的加強層141和142。
該胎面部分110可以沒有花紋溝，或者可以具有基本上構成在縱向胎面花紋條116之間的多個縱向排列的胎面花紋溝115。該胎面花紋條116可以橫向或縱向分割，以形成適合於特定車輛使用所需的胎面花紋。該胎面花紋溝115可以具有適合於特定車輛使用要求的任何深度。該第二膜片140從該胎面花紋溝的底部徑向向內偏移一段足夠距離，以防止第二膜片結構被切割或穿透該胎面部分，該偏移的距離根據輪胎的預定的用途增加或減小，例如重載卡車輪胎偏移距離通常約為5至7mm。
第一膜片130和第二膜片140每層具有置於彈性包覆層內的不可延伸芯線加強件。對於由彈性材料構成的輪胎，膜片130和140通過彈性材料的硫化被粘貼在剪切層120上。以任何適當的化學方法、粘結方法或機械固定方法將該膜片130和140貼附在剪切層120上屬於本發明的範圍。
層131-132和141-142的加強元件可以是適合用於常規輪胎的輪胎帶束層(tire belt)加強件的多種材料中的任何材料，例如無紡布、鋼絲簾線、芳族或其它高模量織物。為了說明在此所描述的輪胎，該加強件是4根直徑為0.28mm的鋼絲簾線(4*0.28)。儘管在此公開的本發明的各種變型每個膜片具有簾線加強層，具有滿足環形帶所要求拉伸強度、彎曲強度和壓縮翹曲性能需要的任何適合的材料可用於該膜片。就是說，該膜片結構可以是任何多種替換，例如均質材料、纖維加強基體，或具有不連續加強元件的層。
在第一膜片130中，層131和132具有相對輪胎赤道面成一夾角α基本上平行排列的簾線，並且每個層的簾線分別具有相反的定向。即在層131中為+α角，在層132中為-α角。同樣對於第二膜片140，層141和142具有相對赤道面分別成一夾角+β和-β基本平行排列的簾線。在這些情況下，在兩相鄰層之間的芯線的交角將兩倍於該特定的角度，α或β，角度α和β一般在約10°至約45°的範圍中。然而不要求該膜片中的該層對排列成相互相等並相反的角度，例如該層對的簾線可以相對該輪胎赤道面不對稱。
每層131、132、141和142的簾線被埋在其剪切模量約20Mpa的彈性包覆層中，最好是該包覆層的彈性模量大於該剪切層120的彈性模量，以保證該環形帶的變形主要是在該剪切層120中的剪切變形。彈性剪切層120的剪切模量G與膜片130和140的有效縱向拉伸模量E』膜片之間的關係控制在加載下的環形帶的變形。用於常規輪胎帶束材料的膜片的有效拉伸模量E』膜片可以用下式估算 其中E』橡膠＝彈性覆蓋材料的拉伸模量P＝在該簾線垂直方向測量的芯線間隔(簾線中心線間隔)D＝簾線直徑V＝彈性包覆層的橫向變形係數α＝相對於該赤道面的簾線角度t＝在相鄰層中纜線之間的橡膠厚度可以注意到E』膜片是該膜片的彈性模量乘以該膜片的有效厚度。當該比率E』膜片/G相對低時，在載荷下的該環形帶的變形接近於均質帶，並產生一個非均勻的地面接觸壓力，如圖2a所示。在另一方面，當該比率E』膜片/G足夠高時，在載荷下的該環形帶的變形，由於膜片幾乎沒有縱向拉伸或壓縮，是剪切層的剪切變形，由此地面接觸壓力基本上是均勻的，如圖2B所示。
根據本發明，該膜片的縱向彈性模量E』膜片與該剪切層的剪切模量G的比率至少約100∶1，最好至少約1000∶1。對於包含用4*0.28簾線並具有在此公開夾角的簾線加強層的膜片，所希望的剪切層120的剪切模量為約3Mpa到20Mpa。由於所用材料的滯後特性，在加載情況下的滾動期間剪切層120的反覆變形導致能量消耗，在輪胎中所有熱的聚集是能量消耗和該剪切層厚度的函數。這樣，對於一個給定的使用常規材料設計的輪胎，該剪切層的滯後應當規定在輪胎連續使用中保持該輪胎的工作溫度低於130℃。
圖1中所示的輪胎具有胎面部分110、第一膜片130和第二膜片140的扁平的橫向形狀。在接觸區域「C」中該環形帶部分的應變將壓縮該第二膜片140，這可以通過參照圖3A理解。當該輪胎的垂直偏移增加時，該接觸長度「C」可以增加，使得在第二膜片140中的壓縮應力超過臨界彎曲應力，並且引起該膜片的縱向彎曲。這種彎曲現象導致該接觸區域的一縱向伸長部分，降低了接觸壓力。當該膜片彎曲被避免時，在整個地面接觸區域長度上獲得更均勻的地面接觸壓力。具有彎曲橫向部分的膜片將能更好地承受接觸區域的彎曲。
在圖4所示的本發明的一個變型中，輪胎200具有一環形帶，它具有剪切層220、第一膜片230和第二膜片240，第二膜片的橫向半徑小於該胎面部分210徑向最外表面的橫向半徑。在圖4中所示的曲率為了描述的目的而被誇大。對於客車輪胎，為了優化胎面表面和地面之間的接觸壓力建議第二膜片240的橫向半徑至少是500mm，該胎面部分210徑向最外表面的橫向半徑至少是1000mm。
當上述膜片縱向拉伸模量E』膜片和該剪切層的剪切模量G的前述條件得到滿足時並且環形帶變形主要是由於剪切層的剪切時，對於一種給定用途，允許確定該剪切模量G和剪切層厚度h的值以形成優化關係Peff*R＝G*h(2)其中Peff＝預定的地面接觸壓力G＝層120的剪切模量h＝層120的厚度R＝該第二膜片的徑向位置Peff和R根據輪胎的預定用途所選擇的設計參數。等式(2)建議剪切層的剪切彈性模量乘以該剪切層徑向厚度的乘積近似等於預定的地面接觸壓力乘以第二膜片最外部分的徑向位置的乘積。圖9曲線描述了在接觸壓力整個範圍的這種關係，並可以用來估算許多不同應用的該剪切層的特性。
上述關係對於設計本發明的輪胎是有利的。例如設計用於客車的輪胎時，設計師可以選擇1.5至2.5DaN/cm2的接觸壓力，以及約335mm的輪胎半徑R尺寸，通過這些數值相乘，可以確定50.25至83.75DaN/cm的「剪切層係數」，它可用來確定該剪切材料的厚度和剪切模量。在這種情況下，剪切模量在約3Mpa至約10Mpa範圍內，該剪切層的厚度h至少5mm，最好在約10mm到20mm之間。
本發明的輪胎以圖3A和3B所示的方式支撐所施加的載荷。胎體元件在區域「A」中處於拉伸狀態T之下，在區域B、C中處於壓縮狀態。回到圖1，該側壁部分150最佳的幾何形狀在輪胎子午面看胎面部分110和胎圈部分160之間直線地延伸，該側壁部分可以從胎面到輪輞向外傾斜，如圖1所示，或向內傾斜，只要它們保持直線。
在圖1的輪胎100中，該側壁部分被沿徑向排列的基本不可延伸的簾線加強，該側壁部分150的力/拉長特性使得拉伸力產生側壁部分150的最小拉伸，類似於在一拉緊的彈簧中拉力的增加。通過比較，當常規充氣輪胎的彎曲側壁在不充氣狀態下拉伸時，該拉伸力首先拉直該彎曲並由此拉長該側壁。只有在彎曲的側壁被拉直之後，在側壁中才增加拉力。
如參照圖3A和3B理解，通過具有在拉伸上很高的剛度但壓縮上很低的剛度的側壁部分或得有效的載荷支撐。本發明的輪胎的側壁其有效徑向拉伸剛度具充分大於其有效的壓縮徑向剛度，使得外加載荷基本上由與地面接觸區域之外的側壁150的區域「A」中的拉力支撐。該側壁部分的有效徑向剛度指的是在整個側壁徑向範圍中拉伸和壓縮特性，這可以通過例如從該側壁取下一試樣，它保持側壁不受力的幾何形狀，並在一標準拉力試驗裝置上試驗後測量到。充氣輪胎中的彎曲側壁具有對應該側壁曲率的拉伸剛度，並由此低於本發明輪胎的基本是直的側壁的拉伸剛度。
最好是該側壁在拉伸上基本上不可延伸，而對於壓縮彎曲基本沒有阻力。在這種條件下，外加載荷基本由與地面接觸區域之外的輪胎區域中側壁部分的拉力支撐，並且在與地面接觸區域中側壁基本沒有垂直載荷支撐。
側壁的壓縮剛度要求可以由側壁部分具有小於輪胎徑向截面高度10％的軸向厚度來滿足。
垂直剛度與承載時輪胎阻止偏移(deflection)的性能有關，垂直剛度受不與地面接觸區域的輪胎部分反作用，即輪胎的「反偏移」的強烈影響。圖5A和5B以誇大的比例示出了這種現象。當輪胎受載荷L時，它偏移一個形成地面接觸區域C的量值f，注意，為了說明的目的，圖5A和5B的參照框架保持該輪胎軸線A在恆定位置，並使地面向上移向該軸線。該垂直偏移f與該載荷L成比例，由此可推導出垂直剛度Kv。由於本發明的環形帶試圖保持一固定長度，不接觸移動的輪胎部分，或離開該接觸區域C的反偏移，如圖中虛線所示。該反偏移的量λ也與該載荷L成比例，並且由此可以獲得該反偏移剛度Kλ。該反偏移剛度Kλ與不在地面接觸區域的輪胎加強簾線承載方式有關，可以理解為包括橫向和圓周方向結構相互作用。
通過將軸固定的輪胎置於一載荷F下，並測量在接觸區域輪胎的偏移和相對於該接觸區域的胎面表面的偏移，可以直接測量反偏移。該反偏移剛度可以通過該載荷F除以該反偏移量λ而確定。
實際上，該反偏移剛度Kλ基本控制著該輪胎的垂直向剛度，並且因此控制著輪胎的輪軸在載荷下的偏移。如圖5A所見，該反偏移剛度Kλ確定該接觸區域的長度。低的該反偏移剛度允許該環形帶在載荷下垂直移動，並由此減小了在該偏移下的承載能力。因此具有高反偏移剛度的輪胎具有相對小的反偏移和較長的接觸區域，其結果是能夠承受較大的載荷。
圖10以曲線示出了在該輪胎垂直剛度上的反偏移剛度Kλ的關係。圖10表明本發明存在的接觸壓力和垂直剛度的獨立性，它具有在充氣輪胎中沒有的設計靈活性。一個放氣的充氣輪胎具有小於0.1DaN/mm2的每單位寬度接觸區域的反偏移剛度。相反，本發明的輪胎可以設計成具有0.1DaN/mm2以上的每單位寬度接觸區域的反偏移剛度。
最好是，對於任何應用初始設計參數可利用圖10結合圖9選擇。一旦接觸壓力、垂直載荷和接觸區域利用圖9選定，該輪胎的垂直剛度特性可利用圖10確定。從圖10中可獲得反偏移剛度Kλ所想要的近似值，設計師可利用分析工具，例如有限元分析，確定達到這種剛度的結構。進一步的工作包括製造和檢測能夠符合設計參數的輪胎。
反偏移剛度Kλ可以以多種方式修改，一些用於調整這種剛度的設計參數包括，胎體簾線模量和密度，側壁高度，該胎體簾線的彈性包覆層的模量，胎體和環形帶之間的連接幾何形狀，連接橡膠的模量，環形帶膜片的壓縮模量，剪切層的厚度，輪胎的直徑，以及環形帶的寬度。
對於一給定的輪胎，可以調整垂直剛度來優化載荷運輸能力。另一方面，可以調整垂直剛度提供減小厚度的環形帶，以降低接觸壓力或輪胎質量，同時保持所所想要的垂直剛度。
本發明輪胎的垂直剛度還受環形帶和側壁上向心力(centripetalforce)作用的影響。當輪胎的滾動速度增加時，向心力增大。在常規子午輪胎中，向心力會增加輪胎的工作溫度。相反，本發明的輪胎從這些同樣的力獲得了出人意料的有益效果。當本發明輪胎在施加的載荷下旋轉時，向心力導致該環形帶趨於在圓周方向伸長，並在側壁上產生一附加的拉力，在接觸範圍(圖3中區域「A」)外的輪胎的徑向剛度的側壁承受這些向心力。這產生一向上力的淨值，它起到增加輪胎垂直剛度的作用，以及減小輪胎相對於靜止的、不旋轉狀態下的徑向偏移作用。當在輪胎赤道面上該帶縱向剛度(2E』膜片)與該側壁部分在拉伸上的有效剛度的比率小於100∶1時，獲得這種結果。
用與圖4所示輪胎200規格一致的、設計用於客車的輪胎減少了用於製造常規輪胎的步驟和材料，表1給出了總的結果。
表1-輪胎舉例
在住觀評估中，被檢測的充氣輪胎1被衝氣到推薦的冷胎壓力，被檢測的輪胎2充氣到等於本發明輪胎垂直剛度的壓力。
與輪胎200規格一致的輪胎具有縱向地面接觸壓力的平均值，它是正的，或沿著接觸區域的中向中心線變化並且是負的，或沿著該接觸區域的橫向邊沿制動。這種差別是由於在環形帶中心線和橫向邊沿之間滾動半徑的不同引起的。當該縱向應力在中心線和橫向邊沿之間較好地平衡時，獲得輪胎性能(特別是磨損)較好的結果。
圖6顯示了本發明一較佳的變型，其中輪胎300具有波浪形的第二膜片，第二膜片在徑向具有波浪形的的波幅，在軸向有波浪形的波長。該波浪形的波幅定義為膜片徑向最大和最小區域的差。該波浪形的波長定義為在膜片連續的徑向最大值之間的軸向距離。該波浪形的第二膜片像圖4中輪胎200的弧形膜片那樣承受在接觸區域由於壓縮引起的彎曲。由於外加載荷引起第二膜片的變形從基本上環形到扁平形，該第二膜片沒有縱向彎曲，並在整個地面接觸長度上地面接觸胎面部分保持均勻的地面接觸壓力。波浪形的膜片承受彎曲的效果與整個橫向彎曲無關。這樣，對於具有第二膜片340(其橫向彎曲半徑可以規定)的輪胎300能夠優化地面接觸應力而與其抗彎曲無關。最好是該第二膜片340具有2至5個波浪形循環，並具有該胎面部分310的滾動胎面寬度約20％至50％的波浪形波長，該波浪形幅度域最好在最大剪切層厚度的約20％和50％之間並且可以是恆定的或變化的。剪切層320具有一平均厚度，對於輪胎100和200的層120和220分別等於由等式(2)確定的剪切層固定厚度。
在圖6、7和8中示出了波浪形的第二膜片的變型，其中該波浪形的第二膜片分別具有2、4或5個波峰。在這些變型中，該尖峰位於每個胎面花紋條之間，儘管該尖峰不必是胎面花紋條數量的函數，輪胎也不必一定有縱向花紋條。本發明同樣可用於光面輪胎或其它沒有花紋溝的橡膠製品。當該輪胎300具有至少一個設置在該波浪形最小處徑向外面的胎面花紋溝315時，該花紋溝可具有比常規輪胎正常胎面深度增大的深度。在這種情況下，正常意味著由俄亥俄Copley的輪胎和輪輞協會定義的特定輪胎的標準胎面深度。在輪胎300、400和500所式的變型中，至少一個胎面花紋溝具有至少是正常胎面深度120％的深度。
申請人明白，在閱讀上述說明書之後，許多變型對本專業的普通技術人員是很顯然的，這些變形和其他變型在本發明的精神和範圍內並由下述權利要求所限定。
權利要求
1.一種結構支撐彈性輪胎，具有一地面接觸胎面部分，從該胎面部分徑向向內延伸的側壁部分，該側壁部分結合在當輪胎滾動時適於保持固定在車輪的胎圈部分，以及一個設置在所述胎面部分徑向裡邊的加強環形帶，所述環形帶具有一個彈性剪切層，至少一個被粘附在所述彈性剪切層徑向裡面區域的第一部膜片，以及至少一個粘貼在所述彈性剪切層徑向外面區域的第二膜片，其中每個所述膜片的彈性縱向拉伸模量充分大於該彈性剪切層的彈性剪切模量的，使得在施加外載荷時，所述地面接觸的胎面部分的變形從一環形變形成一扁平形，並保持所述膜片一個基本恆定的長度，並且所述膜片的相對位移主要發生在所述剪切層中。
2.根據權利要求1的輪胎，其中所述模片之一的縱向拉伸模量與所述剪切層的剪切模量的比率至少約100∶1。
3.根據權利要求1的輪胎，其中所述模片之一的縱向拉伸模量與所述剪切層的剪切模量的比率至少約1000∶1。
4.根據權利要求1的輪胎，其中每單位寬度接觸區域寬度的反偏移剛度大於0.1DaN/mm2。
5.根據權利要求1的輪胎，其中所述剪切層彈性模量乘以所述剪切層徑向厚度的積近似等於預定的地面接觸壓力乘以所述第二膜片預定的最外範圍的徑向位置的積。
6.根據權利要求5的輪胎，其中所述剪切層具有至少5mm的徑向厚度。
7.根據權利要求6的輪胎，其中所述剪切層具有至少約10mm至20mm的徑向厚度。
8.根據權利要求1的輪胎，其中所述剪切層的彈性剪切模量為約3Mpa到20Mpa。
9.根據權利要求1的輪胎，其中所述第一和第二膜片具有嵌入在彈性包覆層內的基本上不可延伸簾線加強層，該包覆層具有至少等於該剪切層彈性剪切模量的彈性剪切模量。
10.根據權利要求9的輪胎，其中所述第一和第二膜片的簾線加強件與輪胎的圓周方向形成在約10°至約45°的之間的夾角。
11.根據權利要求1的輪胎，其中該第二膜片具有一個彎曲橫向形狀，其橫向彎曲半徑小於所述胎面部分徑向最外表面的橫向彎曲半徑。
12.根據權利要求11的輪胎，其中所述胎面部分徑向最外面具有至少1000mm的橫向彎曲半徑。
13.根據權利要求11的輪胎，其中該第二膜片具有具有至少500mm的橫向彎曲半徑。
14.根據權利要求1的輪胎，其中該胎面具有至少一個胎面花紋溝。
15.根據權利要求1的輪胎，其中所述第二膜片是波浪形的，其在徑向具有波幅，在軸向具有波長。
16.根據權利要求15的輪胎，其中所述第二膜片的波幅在最大剪切層厚度的約20％和50％之間。
17.根據權利要求15的輪胎，其中所述第二膜片在該膜片軸向上具有一個恆定的波幅。
18.根據權利要求15的輪胎，其中所述第二膜片的波長為所述胎面部分滾動胎面寬度的約20％至50％。
19.根據權利要求15的輪胎，其中所述胎面具有至少一個胎面花紋溝，該胎面花紋溝的胎面深度為常規胎面深度的120％。
20.根據權利要求1的輪胎，其中所述側壁部分的有效徑向拉伸剛度大於有效徑向壓縮剛度。
21.根據權利要求20的輪胎，其中所述側壁部分在拉伸上基本不可延伸，並且基本沒有抗壓縮彎曲強度。
22.根據權利要求20的輪胎，其中所述側壁部分由基本徑向的部件加強。
23.根據權利要求20的輪胎，其中所述側壁部分在輪胎子午面上是直線的。
24.根據權利要求20的輪胎，其中所述側壁部分的最大厚度為所述輪胎徑向截面高度的10％。
25.根據權利要求1的輪胎，其中所述環形帶在輪胎赤道平面上的縱向剛度與所述側壁部分的有效徑向拉伸剛度的比率小於100∶1。
26.一種結構支撐彈性輪胎，具有一地面接觸胎面部分，從所述胎面部分徑向向內延伸的側壁部分，以及在輪胎滾動時適合保持固定在車輪上的胎圈部分，該側壁部分結合在該胎圈部分，以及一個設置在所述胎面部分的徑向裡邊的加強環形帶，所述環形帶具有一個彈性剪切層，至少一個被粘貼所述彈性剪切層徑向內部區域的第一部膜片，以及至少一個粘貼在該彈性剪切層徑向外邊區域的第二膜片，其中所述每個模片的縱向拉伸模量至少是所述剪切層的剪切模量的100倍。
27.一種結構支撐彈性輪胎，具有一地面接觸胎面部分，從該胎面部分徑向向內延伸的側壁部分，以及適於在輪胎滾動時保持固定在車輪上的胎圈部分，該側壁部分結合在該胎圈部分，以及一設置在該胎面部分的徑向裡邊的加強環形帶，所述環形帶具有一個彈性剪切層，至少一個粘貼在所述彈性剪切層徑向內部區域的第一部膜片，以及至少一個粘貼在所述彈性剪切層徑向外邊區域的第二膜片，並且所述第二膜片是波浪形的，在徑向具有波幅，在軸向具有波長。
28.一種結構支撐彈性輪胎，具有一地面接觸胎面部分，從所述胎面部分徑向向內延伸的側壁部分，以及適於在輪胎滾動時保持固定在車輪上的胎圈部分，該側壁部分結合在該胎圈部分，以及一設置在該胎面部分的徑向裡邊的加強環形帶，所述環形帶具有一個彈性剪切層，至少一個被粘貼在該彈性剪切層徑向內部區域的第一部膜片，以及至少一個粘貼在該彈性剪切層徑向外邊區域的第二膜片，其中所述該環形帶在該赤道面的的縱向剛度與所述側壁部分的有效徑向拉伸剛度的比率小於100∶1。
29.一種結構支撐彈性輪胎，具有一地面接觸胎面部分，從該胎面部分徑向向內延伸的側壁部分，以及適於在輪胎滾動時和保持固定在車輪上的胎圈部分，該側壁部分結合在該胎圈部分，以及一個設置在該胎面部分的徑向裡邊的加強環形帶，所述環形帶具有一個彈性剪切層，至少一個粘貼在所述彈性剪切層徑向內部區域的第一部膜片，以及至少一個粘貼在所述彈性剪切層徑向外邊區域的第二膜片，其中所述側壁在拉伸上基本不可延伸，並且基本沒有抗壓縮彎曲強度，由此外部施加的載荷基本上由地面接觸區域之外的輪胎區域的所述側壁部分的拉力支撐，並且由於該區域的側壁部分與地面接觸而基本沒有垂直載荷支撐。
30.一種製造具有加強環形帶的結構支撐彈性輪胎的方法，該環形帶具有一個在縱向剛性膜片之間的彈性剪切層，該方法包括如下步驟選定地面接觸壓力和輪胎半徑；該地面接觸壓力乘以輪胎半徑以確定一剪切層係數；選定一種具有彈性剪切模量的剪切層材料和剪切層厚度，使得該彈性剪切模量乘以剪切層厚度的積等於該剪切層係數；選擇膜片，使其彈性拉伸模量至少是彈性剪切模量的100倍；並且裝配地面接觸胎面部分，該加強環形帶設置在該胎面部分的徑向裡面，至少一個第一膜片粘帖在所述彈性剪切層徑向裡邊，和至少一個第二膜片粘貼在所述彈性剪切層徑向外邊，以及從所述胎面部分徑向向內延伸的側壁部分，和固定在車輪上的該胎圈部分，該側壁部分結合在該胎圈部分。
全文摘要
一種沒有內氣壓的支承載荷的彈性輪胎(100)，具有一地面接觸胎面部分(110)、從該地面接觸胎面部分(110)徑向向內延伸的側壁部分(150)以及在在輪胎滾動中用於保持固定在車輪(10)上的胎圈部分(160)，該側壁部分結合在該胎圈部分。一加強環形帶設置在該胎面部分的徑向裡邊，該環形帶具有一彈性剪切層(120)、具有粘貼在該彈性剪切層裡面的至少一個第一膜片(130)以及粘貼在該彈性剪切層外面的至少一個第二膜片(140)，每個膜片具有大於該彈性剪切層彈性的剪切模量的縱向拉伸模量，使得在被施加外載荷時，該與地面接觸的胎面部分的變形變成一扁平形狀，同時保持該膜片的一個基本恆定的接觸長度。
文檔編號B60C9/18GK1398228SQ99817089
公開日2003年2月19日 申請日期1999年12月10日 優先權日1999年12月10日
發明者T·B·賴恩, K·W·戴明諾, S·M·克龍 申請人:米其林研究和技術股份有限公司