CN109996684B - 用于轮胎的增强橡胶轮辐 - Google Patents

Abstract

一种将外胎面(200)附接到轮毂(20)的用于车轮(10)的轮辐(100)，所述轮辐具有通过接合体(130)接合的第一(142)和第二(144)轮辐元件，所述接合体(130)由将所述第一轮辐元件连接到第二轮辐元件的弹性体构成。

Description

用于轮胎的增强橡胶轮辐

技术领域

本发明的主题涉及一种用于轮胎的支撑结构。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供具有足够耐久性的优异弹性品质的轮辐，以用作汽车非充气轮胎中的结构元件。

本发明的方面和优势将部分在以下描述中阐述，或可从描述显而易见，或可通过本发明的实践得知。

一种用于轮胎的轮辐，所述轮胎附接到轮毂，所述轮胎包括外胎面带、第一轮辐元件、第二轮辐元件和连接所述第一轮辐元件和所述第二轮辐元件的接合体，其中所述接合体包括弹性材料，所述弹性材料布置成使得所述第一轮辐元件和所述第二轮辐元件在至少第一弯曲平面中可偏转，其中第一轮辐元件和第二轮辐元件设置在所述轮毂和所述外胎面带之间。

参考以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面和优势将变得更好理解。并入在本说明书中且构成本说明书的一部分的附图说明了本发明的实施例，且与描述一起用以解释本发明的原理。

附图说明

在参考附图的说明书中阐述本发明的完整和启发性公开，包含其对于本领域的普通技术人员来说的最佳模式，在附图中：

图1提供了在标称载荷条件下形成轮胎的一部分的本发明的多个轮辐的示例性实施例的横向侧视图。

图2提供了在大于标称载荷条件下形成轮胎的一部分的本发明的多个轮辐的示例性实施例的横向侧视图。

图3提供了本发明的轮辐的示例性实施例的透视图。

图4提供了轮辐的示例性实施例的正视图。

图5提供了沿图4的线5-5截取的剖视图。

图6提供了在标称载荷条件下形成轮胎的一部分的本发明的多个轮辐的局部横向侧视图。

图7提供了在大于标称载荷条件下形成轮胎的一部分的本发明的多个轮辐的局部横向侧视图。

图8提供了用于形成轮辐实施例的模具的示例性实施例的透视图。示出了轮辐部件，其中一些部件的一部分弹性材料被移除以显示增强位置和取向。

图9提供了本发明的轮辐的示例性实施例的透视图，其中一部分弹性材料被移除以示出增强位置和取向。

图10示出了本发明的替代实施例的赤道剖视图。

图11示出了本发明的替代实施例的赤道剖视图。

图12示出了本发明的替代实施例的赤道剖视图。

图13示出了本发明的替代实施例的赤道剖视图。

图14示出了本发明的替代实施例的赤道剖视图。

图15示出了本发明的替代实施例的赤道剖视图。

图16示出了本发明的替代实施例的赤道剖视图。

不同图中的相同或类似参考标号的使用表示相同或类似特征。

具体实施方式

本发明提供一种用于弹性支撑载荷的机械结构。出于描述本发明的目的，现在将详细参考本发明的实施例和/或方法，其一个或多个实例示于图式中或用图式说明。每个实例是为了解释本发明而非限制本发明而提供。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下可在本发明中进行各种修改和变化。举例来说，说明或描述为一个实施例的部分的特征或步骤可与另一个实施例或步骤一起使用以产生又一实施例或方法。因此，希望本发明涵盖这类修改和变化，所述修改和变化处于所附权利要求书以及其等同物的范围内。

以下术语针对本公开如下定义：

图中的“轴向方向”或字母“A”是指平行于例如剪切带、轮胎和/或车轮在其沿着道路表面行进时的旋转轴线的方向。

图中的“径向方向”或字母“R”是指与轴向方向正交且在与从轴向方向正交延伸的任何半径相同的方向上延伸的方向。

“赤道平面”意指垂直于旋转轴线而通过且平分剪切外胎面带和/或车轮结构的平面。

图中的“圆周方向”或字母“C”是指正交于轴向方向且正交于径向方向的方向。

图中的“前行方向”或字母“F”是指轮胎被设计成为了美观和/或性能原因而主要行进的方向。可以预期在不同于前行方向的方向上行驶。

图中的“旋转方向”或字母“D”是指轮胎被设计成为了美观和/或性能原因而主要旋转的方向。可以并且预期在与旋转方向相反的方向上旋转。

“径向平面”意指垂直于赤道平面而通过且穿过车轮的旋转轴线的平面。

“横向”或字母“L”意指与赤道平面正交的方向。

如本文所用的“弹性材料”或“弹性体”是指表现出橡胶状弹性的聚合物，如包括橡胶的材料。

“可偏转”意指能够弹性地弯曲。

“标称载荷”或“期望的设计载荷”是车轮或轮胎被设计用于承载和操作的载荷。标称载荷或期望的设计载荷包含高达并包含制造商规定的最大载荷的载荷，并且在车辆轮胎的情况下，通常通过轮胎侧面的标记来指示。超过标称载荷的载荷条件可以由轮胎维持，但是可能存在结构损坏、加速磨损或性能降低。

“模量”或“伸长模量”(MPa)是基于ASTM标准D412在10％(MA10)下在23℃的温度下对哑铃测试片测量所得。测量在第二次伸长中进行；即，在调节周期之后进行。基于测试片的初始横截面，这些测量值是以MPa为单位的正割模量。

图1示出了附接到外胎面带200并形成轮胎10的一部分的本发明的多个轮辐100的示例性实施例。轮胎10可以并入车轮中。例如，轮胎10可以是附接到乘用车的非充气车轮的一部分，从而允许车辆滚过地面。其它物体和车辆可以包括本发明，包含但不限于：重型卡车、拖车、轻型卡车、越野、ATV、公共汽车、飞机、农业、采矿、自行车、摩托车和乘用车轮胎。这类非充气车轮会具有轮毂(未示出)，所述轮毂会具有径向外表面，所述径向外表面具有围绕中心轴线20的旋转轴线。轮胎10可以通过多种方法中的任何一种方法附接到轮毂(未示出)，例如，通过如螺栓、螺钉、夹具或狭槽的机械紧固件，和/或通过如氰基丙烯酸酯、聚氨酯粘合剂的粘合剂，和/或提供其它粘结材料或其组合。

这里示出的轮胎10具有旋转轴线20，轮胎10围绕所述旋转轴线旋转。在此示例性实施例中，外胎面带200的径向外表面230与地面30交接，轮胎在所述地面上滚动。在标称载荷下，当轮胎进入和离开接触区时，轮胎的轮辐100屈曲。当轮辐围绕接触区外的轴线20旋转时，轮辐100中发生较小的偏转，但是当轮辐100进入、离开并行进通过接触区时，发生大部分偏转。

每个轮辐100具有“鼻部”部分130，其充当连接轮辐的径向内部分和径向外部分的接合体。轮辐的径向内部分具有径向内支脚112，其连接到毂(未示出)。轮辐100的径向外部分具有径向外支脚114，其连接到外胎面带200。

在所示的示例性实施例中，胎面带200包括弹性体材料并允许变形以在接触区中形成平面覆盖区。轮辐100的径向外支脚114附接到胎面带200的径向内表面202。在所示的示例性实施例中，轮辐通过氰基丙烯酸酯粘合剂粘附在适当位置。在其它实施例中，轮辐可以通过其它方法附接，包含通过将弹性体材料粘附在一起，例如通过使用生橡胶并将橡胶部件固化在一起，或者在固化或部分固化的橡胶部件之间使用生橡胶条。在一些实施例中，外胎面带200还可具有增强件以帮助围绕轮胎周向地承载载荷。

对于此特定实施例，轮胎100的尺寸为205/55R16，胎面的横向宽度为约165mm。

图2提供了本发明的示例性实施例，其中轮胎10的载荷超过其标称载荷。在这种情况下，轮辐100在进入、离开和/或行进通过接触区时可以彼此接触。虽然可能发生单个轮辐与其相邻的轮辐的接触，但是在这种情况下，载荷的一部分可以通过径向内支脚112、通过轮辐130的鼻部、通过径向外支脚114和通过外胎面带200传递到地面30。在某种意义上，所示的本实施例的轮辐的形状可以充当“撞击止动件”，以防止连接支脚112、114与轮辐的鼻部130的轮辐的支腿的结构损坏。超过标称载荷的这种载荷条件可能在车辆过载过多质量时发生，或者如果轮胎在高速行驶时遇到障碍物(例如路缘石)时可能发生。

图3提供了轮辐100实施例的透视图。在此特定实施例中，轮辐在轮辐的横向方向上保持类似的横截面轮廓。可以看出，支脚110(径向内支脚112和径向外支脚114)均提供到车轮的轮毂和外带200的附接点。在径向内支脚112的径向内端处沿圆周方向的加宽提供了周向宽的表面122，用于附接，如粘附、粘接和/或机械地附接到轮毂。同样地，在径向外支脚114的径向外端处沿圆周方向的加宽提供了周向宽的表面124，用于附接，如粘附、粘接和/或机械地附接到外胎面带200。在所示实施例中的径向内表面122和径向外表面124显示为在轮辐的圆周方向上是平的。替代地，径向内表面122和径向外表面124的表面也可以在轮辐的圆周方向上弯曲，例如以在相应的方位中在轮辐附接的位置处匹配轮毂的曲率半径和外带200的径向内表面202。

所示实施例的轮辐100的鼻部部分或称为“接合体”130具有三角形横截面并且用于连接第一和第二轮辐元件，这里分别包括径向内支腿142和径向外支腿144。鼻部部分在径向内支腿142和径向外支腿144之间周向变厚。轮辐的圆周方向与轮胎的圆周方向相同，当轮辐在这种情况下时，其是与径向方向和横向方向两者正交的方向。

可以观察到，在所示实施例中，径向内支腿142略短于径向外支腿142。当轮辐行进通过接触区时，这种长度差异适应半径的变化，从而最大化可用于相邻轮辐“嵌套”的空间。

图4示出了轮辐沿圆周方向的前视图。径向内表面具有第一和第二突出部166、168，其形成在横向方向上弯曲的径向内表面122。这使得轮辐100的横截面在横向方向上略微变化。替代地，轮辐100可以在横向方向上保持相同的横截面。

图5示出了示出单个轮辐100的主要部件的实施例的剖视图。所示实施例的轮辐100由在构造常规橡胶充气子午线轮胎中使用的一般类型的橡胶、聚酯帘线材料和玻璃纤维增强树脂构成。

在所示实施例中使用的橡胶由相对软的橡胶构成，所述相对软的橡胶在鼻部136的区域以及径向内和径向外支脚110的剪切区域154中具有4.8MPa的模量。径向内和径向外支脚110的后部大致三角形部分150是模量为约30MPa的较硬橡胶。

膜132用于增强轮辐100的鼻部部分130。所示实施例的膜结构132由聚酯纤维构成，所述聚酯纤维由1100×2帘线制成，其步距为约1mm，拉伸模量为约3,750MPa。这类增强纤维类似于充气轮胎的径向帘线中通常使用的增强纤维。膜的增强件周围的橡胶具有约5MPa的模量。对于所示的实施例，这种橡胶是构造常规充气子午线轮胎中使用的类型。替代地，可以使用其它膜增强材料，包含使用其它材料的弦，如芳香族聚酰胺、棉、尼龙或人造丝或其组合。替代地，增强步距、细丝数、帘线数和直径可以变化。在所示的实施例中，增强膜132延伸大约轮辐高度的三分之一，与大致三角形的鼻部增强件136共同延伸。

支脚增强膜158用于增强轮辐100径向内支脚112和径向外支脚114的前部。所示实施例的支脚增强膜158由类似于鼻部增强膜132的那些构成。膜结构158由聚酯纤维构成，所述聚酯纤维由1100×2的帘线制成，其布速约为1mm，拉伸模量约为3,750MPa。这类增强纤维类似于充气轮胎的径向帘线中通常使用的增强纤维。膜的增强件周围的橡胶具有约5MPa的模量。对于所示的实施例，这种橡胶是构造常规充气子午线轮胎中使用的类型。替代地，可以使用其它膜增强材料，包含使用其它材料的弦，如芳香族聚酰胺、棉、尼龙或人造丝或其组合。替代地，增强步距、细丝数、帘线数和直径可以变化。在所示的示例性实施例中，增强膜158从轮辐的前端延伸到轮辐高度的大约四分之一。

示例性实施例的增强膜132、158的增强帘线沿着膜的长度定向在径向方向上。

轮辐100的支腿142、144由被橡胶包围的纤维增强塑料细丝构成。支腿膜142、144具有约140,000N-mm²的抗弯刚度。在此特定实施例中，细丝具有约1mm的直径，间隔约2mm。所示实施例的细丝是通过拉挤成型形成的玻璃增强树脂。实施例的细丝具有约10MPa的模量。替代地，可以使用其它细丝，包含碳纤维，如石墨环氧树脂、玻璃环氧树脂或芳香族聚酰胺增强树脂或环氧树脂或其组合。替代地，可以使用膜和细丝的其它步距和其它直径直径。与包括轮辐100的其它部件相比，轮辐100的支腿142、144具有相对大的刚度。支腿142、144抵抗弹性作用并且具有大的弯曲刚度，从而允许轮辐的鼻部部分130充当连接径向内支腿142与径向外支腿144的接合体。支脚112、114充当第二和第三接合体，从而将径向内支腿142连接到轮毂并且连接径向外支腿144与外带200。

图6示出了附接到外胎面带200并且形成轮胎10的一部分的本发明的多个轮辐100的示例性实施例的局部横向剖视图。在所示的实施例中，外带200具有增强件210以加强外带。胎面230设置在外带200的径向外表面上。在标称载荷条件下，对于这里示出的示例性实施例215/45R17尺寸轮胎的轮胎，轮胎从无载荷状态偏转20mm。在示例性实施例中，使用500kg的质量载荷(约4,900N力)来接近轮胎的标称载荷条件。

当轮辐100变形时，鼻部增强件136在轮辐的上支腿142和下支腿144之间经受压缩。当前实施例剪切材料154的上和下支脚110在支腿140和支脚增强膜158之间的剪切中变形。

图7示出了当暴露于过载条件时的相同实施例。在此特定情况下，轮胎载有1000kg的质量载荷(约9800N力)。在这类情况下，偏转超过20mm并导致轮辐鼻部部分130和轮辐支脚部分110之间的接触。在这种情况下，鼻部和支脚部分充当对轮辐的支腿部分进行卸荷的“撞击止动件”。当轮辐100进入接触区时，鼻部增强膜132的径向外部分接触相邻轮辐100的径向外支脚114。在接触区的中心附近，鼻部部分130接触相邻轮辐的径向内支脚112和径向外支脚114。当轮辐100存在接触区时，鼻部增强膜132的上部分接触径向内支脚112。鼻部130与支脚110中的一个或两个的接触使得轮辐100充当“撞击止动件”并且通过上支脚112、鼻部部分130和下支脚114通过压缩传递载荷，从而防止轮辐的支腿142、144过度变形。虽然此特定实施例以这种特定方式表现，但是本发明的其它实施例可以表现不同，并且可以或可以不表现出“碰撞停止”品质。

图8示出了用于制造单个轮辐100的模具400、410、420、430、440、450、460的分解透视图。轮辐部件在放入模具时分开示出。一些轮辐部件示出增强纤维和帘线的取向。例如，鼻部增强膜132增强件134以该部件的局部剖视图示出。在此实施例中，增强件示出为彼此平行并且沿着增强膜132的宽度延伸。示出了支腿140、142、144三者，并且径向内支腿142以局部剖视图示出，其示出了复合玻璃树脂细丝彼此平行且沿径向内支腿142的宽度定位。示出了径向内支脚112的支脚增强膜158，其中纤维增强件160周围的一部分橡胶基质被移除。虽然支腿140的细丝146是弹性柔性的，但是支脚增强膜158和鼻部增强膜132的纤维增强件160、134足够柔韧以在模制周围的橡胶基质材料时永久变形。

一旦将各种未固化的部件放置在模具底部410上的适当位置，就关闭并固定模具400。这里，模具通过孔470用螺钉紧固件封闭，并固定到模具部件的孔470的螺纹部分。紧固件的紧固施加压力，或/和在固化期间可以向模具顶部施加额外的压力。模具400的加热加热内部的橡胶部件并固化橡胶，将橡胶部件粘附在一起并形成具有足够耐久性的优异弹性品质的复合轮辐，以用作汽车非充气轮胎中的结构元件。

图9示出了轮辐实施例的透视剖视图。示出了鼻部增强膜132的增强件134的部分，并且还示出了支腿140的复合支腿增强细丝146的一部分以及支脚增强膜的支脚增强件的一部分。

本发明的替代实施例也是可能的和预期的。例如，图10示出了缺少显著的支脚剪切材料部分154的实施例。然而，在支脚110的增强件160和支腿140的细丝146之间可能仍会发生一些剪切。然而，载荷可能至少部分地通过支脚110的支脚支撑部分150和轮辐的鼻部130部分的鼻部支撑件136的压缩来抵抗。

替代地，轮辐可以在轮辐100的支脚部分110处缺少大部分——如果不是全部——支脚支撑部分150。在这类配置中，抗压性主要由处于压缩的鼻部的鼻部支撑件136实现。

替代地，可以通过使支脚剪切材料逐渐变细来减小支腿增强件和支脚剪切材料上的最大应变，如图12所示。这里，支脚剪切材料154朝向轮辐100的鼻部部分130逐渐变细到较窄部分，并朝向轮辐的径向端部变宽。

替代地，轮辐的支脚110可以用剪切材料154和支脚增强膜158的交替层来增强。图13示出了由支脚剪切材料154分开的两个相邻的支脚增强膜158。轮辐的支腿140通过第二层剪切材料154与相邻的支脚增强膜分离。

图14示出了又一个轮辐100实施例。这里，通过在轮辐支脚110的剪切材料和支脚剪切支撑部分152之间“埋设”支脚增强材料来减小前支脚部分152处的最大剪切应变。可以改变用于任何轮辐的各种部件的弹性体，从而改变轮辐设计的剪切应力和弹性。这里，在此替代实施例中，支脚剪切支撑部分152使用较硬的橡胶，类似于在传统充气轮胎的胎圈上方的顶部部分中使用的橡胶。此替代实施例的部件的配置减小了在支脚的前部在轮辐变形期间产生的“剥离应力”，从而增加了轮辐的耐久性而没有显著降低轮胎的性能。

在图15所示的又一个替代实施例中，轮辐100的支脚110具有锥形支脚剪切材料和支脚增强膜，所述支脚增强膜“埋”在轮辐的支脚剪切材料和支脚剪切支撑152部分之间。这种组合的配置减小了轮辐支脚110与车轮的轮毂或外带200的界面处的“剥离应力”，并降低了沿轮辐支腿的最大应力。

图16示出了另一个实施例，其具有鼻部支撑件，所述鼻部支撑件在轮辐的鼻部支撑件136的前部上具有凸起的突起，从而在利用具有相同模量的材料的同时提供了接合体的更硬的抗弯性。

本文示出和描述的轮辐的实施例的“V形”允许相邻轮辐“嵌套”并在径向偏转大约等于轮胎垂直偏转的距离时给出线性弹簧刚度。在正常载荷条件下，轮辐的嵌套避免了相邻的轮辐发生碰撞。

本领域普通技术人员应该理解，可以通过调节“V形轮辐”的“v”长度、轮辐的构成材料模量和内部结构来调节轮辐的刚度。

应理解，可在本发明的范围内使用其它腹板元件配置和几何布置，包含互连的腹板元件，如其中它们可形成蜂巢或其它图案的情况。

所公开技术的方面的所选组合对应于本发明的多个不同实施例。应注意，本文中所呈现和论述的示例性实施例中的每一个不应暗指对本发明主题的限制。说明或描述为一个实施例的部分的特征或步骤可与另一实施例的方面组合使用以产生其它实施例。此外，某些特征可与执行相同或类似功能的类似装置或特征(未明确提及)互换。

本文所公开的尺寸和值不应理解为严格地限制于所叙述的准确数值。实际上，除非另外指定，否则每一这类尺寸旨在意指所叙述的值和围绕所述值的功能上等同的范围两者。例如，公开为“40mm”的尺寸旨在意指“约40mm”。此外，本文公开的尺寸和值不限于指定的测量单位。例如，以英制单位表达的尺寸应理解为包含度量和其它单位中的等同尺寸(例如，公开为“1英寸”的尺寸旨在意指“2.5cm”的等同尺寸)。

如本文所用，术语“方法”或“过程”指代可以在不脱离当前公开的本发明的范围的情况下以与所示出的排序不同的排序而执行的一个或多个步骤。如本文所用，术语“方法”或“过程”可包含至少由一个电子设备或基于计算机的设备执行的一个或多个步骤。步骤的任何顺序都是示例性的，且不意图将本文中所描述的方法限于任何特定顺序，也不意图排除添加步骤、省略步骤、重复步骤、或同时执行步骤。如本文所用，术语“方法”或“过程”可包含至少通过一个电子设备或基于计算机的设备执行的一个或多个步骤，所述设备具有用于执行实施所述步骤的指令的处理器。

术语“一”和词语的单数形式应理解为包含相同词语的复数形式，使得术语意指提供一个或多个某物。术语“至少一个”和“一个或多个”可互换地使用。描述为“在a与b之间”的范围包含“a”和“b”的值。

除非明确排除或以其它方式限制，否则本文中所引用的每个文件(包含任何交叉参考或相关专利或申请)均以全文引用的方式并入本文中。任何文件的引用均不承认其为本文中所公开或所主张的任何发明的现有技术，或其单独或与任何其它参考文件组合教示、表明或公开任何这类发明。此外，在此文件中的术语的任何意义或定义与以引用方式并入的文件中的相同术语的任何意义或定义相冲突的情况下，应以在此文件中赋予所述术语的意义或定义为准。

Claims (10)

1.一种用于轮胎的轮辐，所述轮胎附接到轮毂，所述轮胎包括：

外胎面带；

第一轮辐元件，其由围绕纤维增强塑料的弹性体构成；

第二轮辐元件，其由围绕纤维增强塑料的弹性体构成；和

连接所述第一轮辐元件的第一端和所述第二轮辐元件的第一端的第一接合体，所述第一接合体具有三角形横截面且设置在第一轮辐元件的第一侧和第二轮辐元件的第一侧；

将所述第一轮辐元件的第二端连接到所述轮毂的第二接合体，所述第二接合体具有设置在第一轮辐元件的第二侧的支脚支撑部分；

将所述第二轮辐元件的第二端连接到所述外胎面带的第三接合体，所述第三接合体具有设置在第二轮辐元件的第二侧的支脚支撑部分；

其中所述第一接合体包括弹性材料，所述弹性材料布置成使得所述第一轮辐元件和所述第二轮辐元件在至少第一弯曲平面中可偏转，其中所述第一轮辐元件和第二轮辐元件设置在所述轮毂和所述外胎面带之间。

2.根据权利要求1所述的轮辐，其中所述纤维增强塑料是定向在径向方向上的细丝。

3.根据权利要求1所述的轮辐，其中所述第一接合体由橡胶弹性体构成。

4.根据权利要求1所述的轮辐，其中所述第一接合体具有连接所述第一和第二轮辐元件的增强膜。

5.根据权利要求4所述的轮辐，其中所述第一接合体的所述增强膜由帘线构成。

6.根据权利要求5所述的轮辐，其中所述第一接合体的所述增强膜由帘线构成，所述帘线由选自聚酯、人造丝、芳香族聚酰胺、尼龙和棉组成的群组的材料构成。

7.根据权利要求1所述的轮辐，其中所述第二和第三接合体由橡胶弹性体构成。

8.根据权利要求7所述的轮辐，其中所述第二和第三接合体具有增强膜。

9.根据权利要求8所述的轮辐，其中所述第二和第三接合体的所述增强膜由帘线构成。

10.根据权利要求9所述的轮辐，其中所述第二和第三接合体的所述增强膜由帘线构成，所述帘线由选自聚酯、人造丝、芳香族聚酰胺、尼龙和棉组成的群组的材料构成。

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