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CN105848919B - 具有可变刚度的无气轮胎构造 - Google Patents

具有可变刚度的无气轮胎构造 Download PDF

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CN105848919B CN201480071031.4A CN201480071031A CN105848919B CN 105848919 B CN105848919 B CN 105848919B CN 201480071031 A CN201480071031 A CN 201480071031A CN 105848919 B CN105848919 B CN 105848919B
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Abstract

本发明提供了一种无气轮胎，所述无气轮胎具有车轮部分以及从所述车轮部分朝所述无气轮胎的旋转轴线延伸的织带。所述织带的刚度沿所述无气轮胎的轴向方向变化。所述车轮部分的环形外表面的直径沿所述无气轮胎的轴向方向变化。

Description

具有可变刚度的无气轮胎构造
技术领域
本公开涉及无气轮胎。更具体地讲，本公开涉及具有不同属性的无气轮胎。
背景技术
在本领域中已知的无气或非充气轮胎包括各自具有相同刚度和相同直径的辐条或辐环。这些现有技术辐条在与地面接触时弯曲或挠曲，并且生成具有基本上直的前缘和后缘的接触斑形状。这些现有技术辐条可由某种材料构造，该材料在张力下比在压缩下相对更坚固，使得当下部辐条弯曲时，可将负载分布在车轮的其余部分中。
发明内容
在一个实施例中，无气轮胎包括彼此相邻的一个或多个辐环，其中每个辐环具有从每个辐环的环形内表面和环形外表面延伸的辐条。辐环中的至少一者具有不同于另一个辐环的刚度。胎面层围绕辐环的环形外表面周向延伸。
在另一个实施例中，轮胎由从轮胎的车轮部分的环形内表面延伸的织带制成。织带朝轮胎的旋转轴线延伸。轮胎包括具有环形外表面的车轮部分，该外表面的直径沿轮胎的轴向方向变化。织带的刚度也沿轮胎的轴向方向变化。
在又另一个实施例中，轮胎包括彼此相邻的至少三个辐环。辐环中的两者具有大约相等刚度，这些刚度不同于另一辐环的刚度。每个辐环还包括在每个辐环的环形内表面和环形外表面之间延伸的多根辐条。胎面层围绕辐环周向延伸以提供表面牵引。
附图说明
在附图中，示出了结构，所述结构与下文提供的详细描述一起描述了本要求保护的发明的示例性实施例。类似的元件用相同的附图标号标示。应当理解，被示出为单个部件的元件可以用多个部件替换，并且被示出为多个部件的元件可以用单个部件替换。附图未按比例绘制，并且出于说明性目的，可能放大了某些元件的比例。
图1为示意图，其示出了具有多个辐环的无气轮胎100的一个实施例的透视图；
图2为示意图，其示出了无气轮胎100的横截面；
图3为示意图，其示出了具有不同直径、刚度和厚度的多个辐环的无气轮胎的可供选择的实施例的横截面；
图4为示意图，其示出了具有不同直径、刚度和厚度的多个辐环的无气轮胎的另一个可供选择的实施例的横截面，其中每个辐环均具有凸面部分和凹面部分；
图5为无气轮胎的仍另一个可供选择的实施例的透视图，该轮胎具有一体的车轮部分和织带；
图6为示意图，其示出了由无气轮胎制备的示例性圆形接触斑形状，其中接触斑形状具有圆形前缘和圆形后缘；
图7为示意图，其示出了现有技术轮胎的示例性接触斑形状，其中胎痕具有平坦前缘和平坦后缘；以及
图8为示意图，其示出了承受负载的无气轮胎100的侧视图。
具体实施方式
下文包括本文所采用的所选择的术语的定义。这些定义包括落入术语范围内且可用于实施的部件的各种实例或形式。所述实例并非旨在进行限制。术语的单数和复数形式均可在所述定义之内。
“轴向”和“轴向地”是指平行于轮胎旋转轴线的方向。
“周向”和“周向地”是指沿胎面表面的圆周延伸的与轴向垂直的方向。
“赤道面”是指垂直于轮胎旋转轴线并且穿过轮胎胎面中心的平面。
“胎面”是指在正常充气和负载情况下与道路接触的轮胎部分。
图1示出了无气轮胎100的一个实施例，该无气轮胎具有穿过其中心的旋转轴线A。无气轮胎100由五个辐环110构造，包括中心辐环110a、设置在中心辐环110a的每一侧上的一对中间辐环110b以及设置在中间辐环110b的任一侧上的一对外部辐环110c。辐环110中的每一者均包括多根辐条112。虽然图示实施例中示出了五个辐环，但应当理解，无气轮胎100不限于任何特定数量的辐环，并且作为另外一种选择，可利用除辐环之外的结构，诸如具有多根辐条的一体结构。辐环110可由某种材料构造，包括但不限于帘线碳填充橡胶、尼龙、聚酯、具有树脂的纤维(玻璃、芳族聚酰胺等)、热塑性材料或氨基甲酸酯。
每个辐环110各自具有环形内表面SI和环形外表面SO，其分别限定内径和最大外径。在图示实施例中，所有五个辐环110的最大外径相等。在可供选择的实施例中，辐环的最大外径可变化。
在图示实施例中，每根辐条112从相应辐环110的环形内表面SI延伸到环形外表面SO。辐条112限定彼此之间的开口OS。为了进行示意性的说明，开口OS示为五边形形状的。然而，应当理解，开口OS可具有任何几何形状。在可供选择的实施例(未示出)中，辐条可形成更复杂的织带，而非从环形内表面SI延伸到环形外表面SO。
每个辐环110均具有刚度k。如本领域中的普通技术人员将理解，辐环的刚度可通过多个因素限定，包括但不限于辐环的材料以及辐条和开口的几何形状。具有更高刚度的辐环对变形和压缩的耐受性更强。在一个实施例中，中心辐环110a具有第一刚度ka，中间辐环110b各自具有基本上相同的第二刚度kb，并且外部辐环110c各自具有基本上相同的第三刚度kc。在一个实施例中，第二刚度kb大于第一刚度ka，并且第三刚度kc大于第一刚度ka和第二刚度kb两者。在可供选择的实施例中，第一刚度ka大于第二刚度kb和第三刚度kc两者，并且第二刚度kb大于第三刚度kc。在另一个可供选择的实施例中，第二刚度kb大于第一刚度ka和第三刚度kc两者，并且第三刚度kc大于第一刚度ka。
继续参照图1，中心辐环110a示为具有相对更低数量的辐条112a，其中辐条112a由相对更大的开口Oa分开。如本领域中的普通技术人员将理解，该几何形状将导致相对低的第一刚度ka。这种低的第一刚度ka可通过其他方式实现，诸如通过使用不同材料、构造方法或几何形状。
中间辐环110b示为比中心辐环110a具有更多辐条112b。中间辐环110b的辐条开口Ob比位于中心辐环110a内的辐条开口Oa窄。另外，中间辐环110b的辐条112b比中心辐环110a的辐条112a厚。两个中间辐环110b具有相同几何形状和相同刚度kb。本领域中的普通技术人员将理解，该几何形状将导致比中心辐环刚度ka相对更高的刚度kb。作为另外一种选择，辐环110b的中间刚度kb可通过其他方式实现，诸如通过针对中间辐环110b使用不同材料、构造方法或几何形状。
外部辐环110c在图1中示为比中间辐环110b具有更多辐条112c，其中辐条112c由比中间辐环开口Ob的那些相对更大的开口Oc分开。在该实施例中，两个外部辐环110c具有相同辐条几何形状和相同刚度kc。本领域中的普通技术人员将理解，外部辐环110c的几何形状以及外部辐环开口Oc的更大相对尺寸将导致外部辐环110c具有比中间辐环110b更低的刚度。作为另外一种选择，外部辐环110c的刚度kc可通过其他方式实现，诸如通过针对辐环110c使用不同材料、构造方法或几何形状。
在图示实施例中，五个辐环110具有三种不同刚度。在图示实施例中，中间辐环110b具有最高刚度，并且中心辐环110a具有最低刚度。应当理解，可选择具有任何数量的不同刚度的任何数量辐环。在已选择辐环的刚度之后，以适于特定应用的所需方式布置辐环。例如，可选择每个环的刚度以生产具有所需特性的轮胎，诸如低噪声、低振动或低滚动阻力。
当无气轮胎100被放置成在承载条件下与地面接触时，无气轮胎100接触地面以形成轮胎接触斑形状(图1中未示出)。因为除了其他因素之外，无气轮胎接触斑形状还将由辐环110的刚度决定，因此设计工程师可通过改变跨无气轮胎宽度的辐环110的刚度来改变无气轮胎的接触斑形状。可以这样做以生成接触斑形状的弯曲前沿，其在涉及行驶不平顺性和冲击隔离时是期望的。可使用另外的刚度变化来优化非公路用轮胎的接触斑形状，从而减少土壤压实，对于某些应用而言这是关键设计参数。
图1示出了被布置成彼此对齐的对应类似辐环110的辐条112。例如，每个外部辐环110c的辐条112c和开口Oc彼此对齐，并且每个中间辐环110b的辐条112b和开口Ob彼此对齐。在可供选择的实施例中，对应的类似辐环的辐条112和开口OS彼此不对齐。对于本领域普通技术人员而言将显而易见的是，辐环110的各种对齐将导致无气轮胎100具有不同性能特性。当辐环110彼此不对齐时，类似辐环110的辐条112在无气轮胎100滚动时在不同时间进入接触斑形状区域。辐环110也可对齐，使得所有辐环110的每根辐条112均在无气轮胎100滚动时在不同时间进入接触斑区域。本领域中的普通技术人员将能够选择对齐，从而在任何特定应用中均提供所需性能特性。
在以所需方式布置辐环110之后，它们使用已知附连方式附连到非充气轮毂(未示出)。示例性附连方式包括但不限于焊接、硬钎焊和施加粘合剂。随后围绕辐环110周向附接环形高强度带114。高环形强度带用作无气轮胎100上的结构压缩构件，并且增加无气轮胎100的整个轴向长度上的层间剪切强度。如普通技术人员将理解，高环形强度带114可包括弹性中心部分，该部分夹在两个非弹性外部部分之间，或由单个复合结构构成(参见现有技术美国专利No.5,879,484)。高环形强度带114也可称为“剪切带”或“带”。在可供选择的实施例中，高环形强度带可被省去。
随后围绕高环形强度带114缠绕轮胎胎面116。轮胎胎面116可根据需要包括元件，诸如纵向花纹、花纹块、横向花纹、凹槽和细缝，以提高轮胎在各种情况下的性能。
图2示出了无气轮胎100的横截面。如从该视图可以看出，无气轮胎100的每个辐环110均具有相同厚度ST。在可供选择的实施例(未示出)中，辐环的辐环厚度可变化。通过改变厚度ST，可调整由无气轮胎100生成的接触斑形状以适应广泛的应用，包括农业应用和乘用应用。
图3示出了无气轮胎200的可供选择实施例的横截面。在该实施例中，辐环210具有不同的最大外径和不同刚度k。在该实施例中辐环210具有基本上相同的内径DI。每个辐环210可具有独特刚度k，或可与一个或多个其他辐环210具有通用刚度k。在该实施例中，中心辐环210a具有第一刚度ka，中间辐环210b各自具有第二刚度kb，并且外部辐环210c各自具有第三刚度kc。在一个实施例中，第一刚度ka低于第二刚度kb和第三刚度kc两者。另外，第二刚度kb低于第三刚度kc。在可供选择的实施例中，第一刚度ka大于第二刚度kb和第三刚度kc两者，并且第二刚度kb大于第三刚度kc。在另一个可供选择的实施例中，第二刚度kb大于第一刚度ka和第三刚度kc两者，并且第三刚度kc大于第一刚度ka。
每个辐环210可具有独特外径，或可与一个或多个其他辐环210具有通用外径。在图示实施例中，中心辐环210a具有第一最大外径Da，中间辐环210b各自具有第二最大外径Db，并且外部辐环210c各自具有第三最大外径Dc。第一最大外径Da大于第二最大外径Db，该第二最大外径继而大于第三最大外径Dc。应当理解，可采用具有任何数量的不同外径的任何数量辐环。在已选择辐环的外径之后，以适于特定应用的所需方式布置辐环。例如，可选择每个环的外径以生产具有所需特性的轮胎，诸如低噪声、低振动或低滚动阻力。
可变直径辐环的使用允许在该类型的非充气轮胎(“NPT”)设计中使用弯曲带或环形带(或剪切带)。环形带允许使轮胎接触斑区域最大化所需的另外挠曲。对于非公路轮胎或农业轮胎而言这尤其重要，所述轮胎需要具有更大区域的接触斑形状以使土壤压实最小化。
在图示实施例中，每个辐环210均具有恒定的外径。在可供选择的实施例(未示出)中，辐环可具有可变外径。例如，每个辐环的外径均可在轴向方向上变化，使得当组装辐环时，组件具有平滑、弯曲外表面。
每个辐环210可具有独特厚度，或可与一个或多个其他辐环210具有通用厚度ST。胎面214缠绕在辐环210的外表面上。在可供选择的实施例(未示出)中，高环形强度带设置在辐环的外表面和胎面之间。
图4示出了无气轮胎300的另一个可供选择实施例的横截面。轮胎300基本上类似于上文所述的轮胎200，但下文标识的差异除外。
在该实施例中，每个辐环310均具有凹面部分312和凸面部分314，其沿辐环310的侧面交替。当对齐时，相邻辐环310的凹面部分312和凸面部分314彼此邻接，如图4中所见。该构型可在辐环310中提供增加的刚度和支承。作为另外一种选择，辐环310可包括彼此邻接的其他结构，诸如一个辐环中的凸起以及另一个辐环中用以接纳凸起的凹陷。胎面316周向围绕辐环310。
图5示出了无气轮胎400的又另一个可供选择实施例的透视图。在图示实施例中，无气轮胎400具有单个车轮部分410。车轮部分410可为单个一体结构，或可由熔融在一起的多个辐环110组成。车轮部分410具有织带412代替从环形内表面延伸到环形外表面的辐条。织带412可为足以提供支承的任何图案或形状。车轮部分410的最大外径WD可沿轴向方向变化。例如，最大外径可在赤道面中更大并且朝无气轮胎400的侧面更小。
织带部分412的刚度k可沿车轮部分410的轴向方向变化。整个车轮部分410内的不同刚度k可以若干方式实现。在一个实施例中，具有各种刚度k的若干辐环110熔融在一起。在可供选择的实施例中，制造期间在车轮部分410中使用不同材料以在车轮部分内生成预应力。在另一个可供选择的实施例中，织带在轴向方向上具有不同几何形状，这导致刚度在轴向方向上变化。织带几何形状可通过模制或加工工艺，或者通过3D打印或另外的制造工艺而变化。本领域的普通技术人员将理解，可使用本领域中已知的其他方法在车轮部分410内提供不同轴向刚度。
在图5所示的实施例中，非充气轮毂414使用已知的附连方式附连到织带412的中心。示例性附连方式包括但不限于焊接、硬钎焊和施加粘合剂。非充气轮毂414可以采用与传统轮胎中的车轮类似的方式附接到车辆。在其他实施例中，可使用另外的织带412代替非充气轮毂414。
图1–图5的实施例中所公开的辐环和织带可导致无气轮胎100、200、300、400在与地面接触时形成圆形接触斑形状。圆形接触斑形状减轻了路面冲击和噪声的影响。圆形接触斑形状的曲率可由各种因素确定，包括但不限于每个辐环的刚度、外径、厚度、辐条几何形状、辐条数量、开口的形状和数量以及包括在无气轮胎中的辐环的数量。通过改变这些参数，可调整无气轮胎以适应广泛的应用，包括农业应用和乘用车辆应用。例如，在一些应用诸如农业车辆的使用中，可能需要均匀的接触压力和最大化接触区域。具有圆形接触斑形状(或圆形带)的无气轮胎可被设计为在低负载下更大程度挠曲，从而使接触区域最大化并且使土壤压实最小化。具有平坦接触斑形状的无气轮胎失去了在跨其轴向宽度上以不同速率在轴向方向上挠曲的能力，这将导致更少的挠曲，以及更小的接触斑区域，特别是在轻负载条件下。对于驾驶员/操作员而言，具有圆形接触斑形状的无气轮胎将导致优异的(降低的)土壤压实性能和优异的(降低的)行驶不平顺性。
图6示出了示例性细长圆形接触斑形状500，当无气轮胎100、200、300、400中的一者在承载条件下与滚动表面接触时形成所述接触斑形状。细长圆形接触斑形状500包括圆形前缘512和圆形后缘514。无气轮胎100、200、300、400的轴向刚度分布或不同轴向直径有助于圆形边缘512和514的形成。
相比之下，图7示出了现有技术无气轮胎(未示出)的接触斑形状600。接触斑形状600包括直的前缘612和后缘614。与产生圆形接触斑形状500的无气轮胎相比，产生平坦接触斑形状600的无气轮胎导致更大行驶振动和噪声。
当无气轮胎在承载条件下与滚动表面接触时，形成接触斑形状。例如，图8为示意图，其示出了承受负载的图1和图2的无气轮胎100的侧视图。在一个实施例中，可基于无气轮胎内的负载分布增强在轴向对齐中使用可变刚度环的效果。此类实施例中的负载携带分布可更多地依赖在压缩下传输通过轮胎底部的辐条(负载和接地表面之间)的负载，并且更少地依赖剪切带以将负载转移到轮胎的顶部。在一些NPT中，主要通过使用圆柱形剪切带携带负载，该剪切带具有在轮胎底部弯曲的辐条。这些NPT被视为“顶部装载机”并且在张力下携带大部分负载通过剪切带和上部辐条。其他NPT基本上是刚性(或半挠性)结构，所述结构通过底部部分“底部装载机”携带大部分负载。在一个实施例中，负载在辐环与剪切带之间相对平衡，使得在压缩下通过底部辐条携带大约50％的负载，并且在张力下通过剪切带和上部辐条携带大约50％的负载。这种近似的50/50负载分布使得能够改变辐环的直径和刚度以生成所需接触斑形状。在该实施例中，当加载无气轮胎100时，经受压缩力的辐条112不弯曲。
在将负载放置在无气轮胎100上时，无气轮胎100在滚动表面上生成圆形接触斑形状500。当无气轮胎100经受加载力时，形成圆形前缘512。圆形前缘512通过允许轮胎比具有直前缘的无气轮胎更柔和地经过路面中的隆起物而导致减轻的行驶振动和噪声。
就在说明书或权利要求书中使用术语“包括”或“具有”而言，其旨在以类似于术语“包含”在权利要求中用作过渡词时所理解的方式来具有包容性。此外，就采用术语“或”(例如，A或B)而言，其旨在表示“A或B或两者”。当申请人旨在指示“仅A或B但不是两者”时，则将采用术语“仅A或B但不是两者”。因此，本文中术语“或”的使用具有包容性，不具有排他性。参见Bryan A.Garner,A Dictionary of Modern Legal Usage 624(2d.Ed.1995)(BryanA.Garner，现代法律用法辞典624(第二版，1995年))。此外，就在说明书和权利要求书中使用术语“在…中”或“到…中”而言，其旨在另外表示“在…上”或“到…上”。此外，就在说明书或权利要求书中使用术语“连接”而言，其旨在不仅表示“直接连接到”，而且也表示“间接连接到”，诸如通过另外的一个部件或多个部件进行连接。
虽然本申请已通过其实施例的描述进行了说明，并且虽然已相当详细地对所述实施例进行了描述，但申请人并非意图将所附权利要求书的范围约束为这样的细节或以任何方式限制为这样的细节。其他优点和修改对于本领域的技术人员而言将是显而易见的。因此，在其更广泛的方面，本申请并不限于所示和所述的特定细节、代表性设备和方法，以及示例性实例。因此，可以在不偏离申请人的总体发明构思的精神或范围的情况下偏离这样的细节。

Claims (18)

1.一种无气轮胎，包括：
多个辐环，包括邻接第二辐环的第一辐环，
其中所述多个辐环中的每一者均包括环形外表面、环形内表面以及在所述外表面和所述内表面之间延伸的多根辐条，
其中所述第一辐环具有第一刚度并且所述第二辐环具有不同于所述第一刚度的第二刚度，
其中所述辐环附接到轮毂，并且其中当将负载施加于所述轮毂时，定位在所述轮毂下方的所述辐条被压缩力压缩并且定位在所述轮毂上方的所述辐条被张力拉紧；以及
围绕所述多个辐环的所述环形外表面周向延伸的胎面层。
2.根据权利要求1所述的无气轮胎，其中所述张力和所述压缩力的大小大致相等。
3.根据权利要求1所述的无气轮胎，还包括围绕所述辐环的所述环形外表面设置的剪切带。
4.根据权利要求1所述的无气轮胎，其中在将负载施加于所述轮胎时所述轮胎形成具有圆形前缘的接触斑形状。
5.根据权利要求1所述的无气轮胎，其中所述第一辐环具有第一最大外径并且所述第二辐环具有不同于所述第一最大外径的第二最大外径。
6.根据权利要求1所述的无气轮胎，还包括第三辐环，
其中所述第三辐环包括多根辐条，并且
其中所述第三辐环的所述辐条不与所述第一辐环的所述辐条沿所述无气轮胎的旋转轴线对齐。
7.根据权利要求1所述的无气轮胎，其中所述辐环由选自以下的材料制成：帘线碳填充橡胶、尼龙、聚酯、具有树脂的玻璃纤维或芳族聚酰胺纤维、热塑性材料以及氨基甲酸酯。
8.一种轮胎，包括：
具有旋转轴线的车轮部分，
其中所述车轮部分包括环形外表面，并且
其中所述旋转轴线和所述环形外表面之间的距离沿轴向方向变化；以及
从所述车轮部分的环形内表面朝所述旋转轴线延伸的织带，其中所述织带的刚度沿所述轴向方向变化。
9.根据权利要求8所述的轮胎，还包括附接到所述车轮部分的所述环形外表面的剪切带，并且其中在将负载放置在所述轮胎上时，车轮部分的下部区域中的所述织带被所述剪切带通过压缩力压缩并且车轮部分的上部区域中的所述织带被所述剪切带通过张力拉紧。
10.根据权利要求9所述的轮胎，其中所述压缩力和所述张力的大小大致相等。
11.根据权利要求8所述的轮胎，其中所述织带附接到处于所述轮胎的中心的轮毂。
12.根据权利要求8所述的轮胎，其中所述车轮部分和所述织带包括多个辐环。
13.根据权利要求8所述的轮胎，其中所述轮胎形成具有圆形前缘的接触斑形状。
14.根据权利要求8所述的轮胎，其中所述织带由具有第一刚度的第一材料和不同于所述第一材料的第二材料制成，所述第二材料具有不同于所述第一刚度的第二刚度。
15.一种非充气轮胎，包括：
多个辐环，包括设置在第二辐环和第三辐环之间的第一辐环，
其中所述多个辐环中的每一者均包括环形外表面、环形内表面以及在所述环形外表面和所述环形内表面之间延伸的多根辐条，
其中所述第一辐环具有第一刚度，所述第二辐环具有不同于所述第一刚度的第二刚度，并且所述第三辐环具有大约等于所述第二刚度的第三刚度，
附接到所述辐环的所述环形外表面的剪切带，其中在将负载置于所述非充气轮胎上时，辐环的下部区域中的辐条被所述剪切带通过压缩力压缩并且辐环的上部区域中的辐条被所述剪切带通过张力拉紧；以及
覆盖所述多个辐环的外表面的胎面部分。
16.根据权利要求15所述的非充气轮胎，其中所述第一辐环包括具有第一厚度的第一辐条区域和具有第二厚度的第二辐条区域，所述第一厚度大于所述第二厚度，
其中所述第二辐环包括具有第三厚度的第三辐条区域和具有第四厚度的第四辐条区域，所述第三厚度大于所述第四厚度，
其中所述第一辐条区域邻接所述第四辐条区域，并且
其中所述第二辐条区域邻接所述第三辐条区域。
17.根据权利要求15所述的非充气轮胎，其中所述第一辐环具有第一最大外径，所述第二辐环具有不同于所述第一最大外径的第二最大外径，并且所述第三辐环具有大约等于所述第二最大外径的第三最大外径。
18.根据权利要求15所述的非充气轮胎，其中所述压缩力和所述张力的大小大致相等。
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