конструктивно поддерживаемая шина-эластик с каркасом со смещенным слоем

Формула изобретения

1. Конструктивно поддерживаемая шина-эластик, содержащая контактирующий с землей участок протектора и участки боковин, проходящие радиально внутрь от упомянутого участка протектора и закрепленные в участках бортов для крепления шины к колесу, дополнительно содержит слой каркаса, имеющий по меньшей мере два слоя, расположенные между участками бортов и включающие в себя параллельные усиливающие корды, ориентируемые относительно экваториальной плоскости шины под углом большим, чем приблизительно 10°, и меньшим, чем приблизительно 45°, причем корды упомянутых по меньшей мере двух слоев проходят наклонно друг к другу, эластомерный сдвиговый слой, расположенный в радиальном направлении снаружи от усиленного слоя, и мембрану, приклеенную к наружному в радиальном направлении участку эластомерного сдвигового слоя, причем и мембрана, и участок слоя каркаса, расположенного в радиальном направлении внутри сдвигового слоя, имеют модуль упругости при продольном растяжении больше, чем модуль сдвига сдвигового слоя.

2. Шина по п.1, в которой усиливающие корды слоя каркаса расположены под углом, находящимся в диапазоне от приблизительно 15° до приблизительно 20° к экваториальной плоскости шины в вершине шины.

3. Шина по п.1, в которой усиливающие корды слоя каркаса расположены под углом, находящимся в диапазоне от приблизительно 30° до приблизительно 60° к экваториальной плоскости на участках боковин.

4. Шина по п.1, в которой слой каркаса содержит два листа усиливающих кордов.

5. Шина по п.1, в которой слой каркаса представляет собой один лист усиливающих кордов, расположенных так, чтобы они обматывались вокруг бортов, а их свободные концы перекрывались в экваториальной плоскости.

6. Шина по п.1, в которой сдвиговый слой приклеен непосредственно к слою каркаса.

7. Шина по п.1, в которой отношение модуля упругости при продольном растяжении участка усиливающего слоя каркаса радиально внутри сдвигового слоя к модулю сдвига сдвигового слоя составляет по меньшей мере приблизительно 100:1.

8. Шина по п.1, в которой отношение модуля упругости при продольном растяжении мембраны к модулю сдвига сдвигового слоя составляет по меньшей мере приблизительно 100:1.

9. Шина по п.8, в которой отношение модуля упругости при продольном растяжении мембраны к модулю сдвига сдвигового слоя составляет приблизительно 1000:1 или более.

10. Шина по п.1, в которой мембрана содержит слои армирования, по существу, нерастяжимыми кордами, заделанные в слой эластомерного покрытия, имеющий модуль упругости при сдвиге, по меньшей мере равный модулю упругости при сдвиге сдвигового слоя.

11. Шина по п.10, в которой армирование кордом упомянутой мембраны образует угол с направлением по окружности шины в диапазоне между приблизительно 10° и 45°.

12. Шина по п.1, дополнительно содержащая вторую мембрану, расположенную между сдвиговым слоем и слоем каркаса и приклеенную к сдвиговому слою, причем вторая мембрана имеет модуль упругости при продольном растяжении больше, чем модуль сдвига сдвигового слоя.

13. Шина по п.12, в которой вторая мембрана содержит слои армирования, по существу, нерастяжимыми кордами, заделанные в слой эластомерного покрытия, имеющий модуль упругости при сдвиге, по меньшей мере равный модулю упругости при сдвиге сдвигового слоя.

14. Шина по п.13, в которой армирование кордом второй мембраны образует угол с направлением вдоль окружности шины в диапазоне между приблизительно 10° и 45°.

15. Шина по п.1, в которой шина имеет жесткость противопрогиба на единичную ширину области контакта больше, чем 0,1 даН/мм².

16. Шина по п.1, в которой G·hP·R, где G - модуль упругости при сдвиге сдвигового слоя, h - толщина в радиальном направлении сдвигового слоя, Р - заданное контактное давление на землю для шины, a R - положение в радиальном направлении наиболее удаленного протяжения мембраны.

17. Шина по п.1, в котором участки боковин являются прямолинейными в меридиональной плоскости шины.

18. Шина по п.17, в которой участок боковин имеет максимальную толщину, составляющую 20% от высоты сечения в радиальном направлении шины.

19. Шина по п.17, в которой участок боковин имеет максимальную толщину, составляющую 10% от высоты сечения в радиальном направлении шины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение касается шины-эластика, несущей нагрузку транспортного средства без эффекта внутреннего давления воздуха.

В течение более столетия пневматическая шина была предпочтительным решением для мобильности транспортного средства. Пневматическая шина обладает своими характерными механическими свойствами в значительной степени от действия внутреннего давления воздуха в полости шины, которое обеспечивает надлежащую жесткость компонентам пояса и каркаса.

Трудность, связанная с пневматическими шинами, состоит в том, что для гарантирования адекватной характеристики требуется надежное сохранение давления. Когда давление в шине полностью теряется, обычная пневматическая шина способна к весьма ограниченному использованию, если оно вообще возможно. Было предложено множество конструкций шины для обеспечения продолжающейся подвижности транспортного средства после полной потери давления воздуха из шины. Одним решением, представляющим коммерчески доступную спущенную шину для езды со спущенным колесом, является пневматическая шина, имеющая добавленное армирование или набивку боковин для обеспечения возможности боковинам действовать при сжатии в качестве несущих нагрузку элементов во время ограниченного функционирования при спущенной шине. Это добавленное армирование часто приводит к неудобствам, заключающимся в более высокой массе шины и пониженной комфортабельности при движении. В других попытках обеспечивать возможность езды со спущенным колесом в коронной зоне шины используют по существу кольцеобразные усиливающие полосы. В этих решениях жесткость участка протектора является результатом частично неотъемлемых свойств кольцеобразной усиливающей полосы, а частично реакции на внутреннее давление в шине. Еще в некоторых решениях полагаются на вторичные внутренние опорные конструкции, прикрепленные к колесу. Эти опоры добавляют массу к смонтированному узлу и увеличивают трудность монтажа, или для них может требоваться использование многокомпонентных ободов. Все эти решения в остальном представляют собой комбинации конструкции пневматической шины и обладают конструктивными недостатками, которые не являются оптимальными ни для одного из накачанного или спущенного состояний шины.

Кроме того, эти решения "езды со спущенным колесом" требуют использования некоторого средства для контролирования внутреннего давления в шине и информирования водителя транспортного средства, если внутреннее давление в шине находится за рекомендуемыми пределами.

Шина, предназначенная для работы без эффекта внутреннего давления, устраняет многие из проблем и компромиссов, связанных с пневматической шиной. Есть только один эксплуатационный режим, ненакачанный. Не требуются ни поддержание давления, ни контроль давления. Конструктивно поддерживаемые шины-эластик, типа сплошных шин или других эластомерных конструкций, до настоящего времени не обеспечивали уровни характеристик, доступные в обычной пневматической шине. Решение конструктивно поддерживаемой упругой шины-эластика, которое предоставляет аналогичную пневматической шине характеристику, явилось бы долгожданным усовершенствованием.

Конструктивно поддерживаемая шина-эластик в соответствии с изобретением поддерживает ее нагрузку исключительно посредством конструктивных элементов участков протектора, боковин и бортов, не опираясь на внутреннее давление воздуха.

Участок протектора конструктивно поддерживаемой шины-эластика, когда он изображен без участков боковин и бортов, имеет вид усиленной кольцеобразной полосы. Усиленная кольцеобразная полоса имеет жесткость для противостояния изгибанию как в меридиональной, так и в экваториальной плоскостях шины. Меридиональная плоскость проходит через шину с осью вращения, находящейся полностью в меридиональной плоскости. Экваториальная плоскость проходит перпендикулярно оси вращения шины и разделяет конструкцию шины пополам.

Контакт кольцеобразной полосы с плоской поверхностью аналогичен контакту шины с поверхностью земли. Результирующие реакции аналогичны нагрузкам контакта с землей нагруженной шины. Для жесткой кольцеобразной полосы, состоящей из однородного материала, находящейся в контакте с плоской поверхностью, распределение давления, удовлетворяющее условиям равновесия и изгибающего момента, состоит из пары сосредоточенных сил, локализированных на каждом конце контактной области, один конец которой показан на фиг.2A. При такой идеализации в контактной области не происходит деформации сдвига кольцеобразной полосы. Однако, если кольцеобразная полоса содержит конструкцию, которая определяет деформацию сдвига, образующееся распределение давления является по существу однородным, как изображено на фиг.2B.

Конструктивно поддерживаемая шина-эластик согласно изобретению включает в себя участок протектора, участки боковин, проходящие радиально от участка протектора по направлению к оси шины, и участки бортов на внутренних в радиальном направлении концах участков боковин для крепления шины к колесу. Протектор, боковины и борта образуют тороидальную оболочку, которая образует полое, кольцеобразное внутреннее пространство, подобное пространству в пневматической шине. В соответствии с изобретением кольцеобразная полоса расположена в радиальном направлении внутри участка протектора. Кольцеобразная полоса содержит эластомерный сдвиговый слой, по меньшей мере первую или внутреннюю мембрану, приклеенную к внутреннему в радиальном направлении протяжению упомянутого эластомерного сдвигового слоя, и по меньшей мере вторую или внешнюю мембрану, приклеенную к наружному в радиальном направлении протяжению эластомерного сдвигового слоя. Мембраны предпочтительно содержат наложенные слои армирования по существу нерастяжимыми кордами, заделанные в слой эластомерного покрытия. Мембраны имеют модуль упругости при продольном растяжении, в достаточной степени превышающий модуль упругости при сдвиге эластомерного сдвигового слоя, так что при прикладываемой внешней нагрузке контактирующий с землей участок протектора деформируется из по существу округлой формы в плоскую форму, в то же время сохраняя по существу постоянную длину мембран. Относительное смещение мембран происходит вследствие сдвига в сдвиговом слое.

Этот эффект схематично представлен на фиг.2B. Как показано на фиг.2B, положительный результат заключается в более однородном контактном давлении на землю по всей длине области контакта по сравнению с другими шинами, в которых не используется кольцеобразная полоса, имеющая только что описанные деформационные свойства. Кольцеобразная полоса не зависит от внутреннего давления воздуха в шине для того, чтобы иметь достаточно высокую жесткость в поперечном направлении в меридиональной плоскости шины и жесткость при изгибе в продольном направлении в экваториальной плоскости шины, для действия в качестве поддерживающего нагрузку элемента.

В одном варианте осуществления изобретения каркас содержит направленные радиально усиливающие корды, введенные в резину или другой эластомерный материал, а кольцеобразная полоса включает в себя сдвиговый слой с дискретными внутренней и внешней мембранами.

Согласно альтернативному варианту осуществления каркас содержит направленные не радиально усиливающие корды, введенные в резину или другой эластомерный материал, так называемый слой с перекрестным смещением.

Согласно дополнительному варианту осуществления шина включает в себя каркас из слоя с перекрестным смещением, а участок каркаса, в радиальном направлении смежный со сдвиговым слоем, представляет собой внутреннюю мембрану. Внешняя в радиальном направлении сторона каркаса в коронной зоне шины приклеена к сдвиговому слою, а каркас, по меньшей мере в этой области, имеет свойства жесткости в продольном направлении, описанные выше. Внешняя мембрана по существу из нерастяжимых усиливающих кордов, введенных в эластомерный материал, приклеена к радиально внешней поверхности сдвигового слоя.

Согласно одному аспекту изобретения поперечный радиус кольцеобразной полосы, то есть радиус кривизны в меридиональной плоскости шины меньше поперечного радиуса внешней поверхности протектора. Эта конструкция противодействует продольному изгибу кольцеобразной полосы в области контакта.

Конструкция в соответствии с изобретением позволяет конструктору шин регулировать жесткость шины в вертикальном направлении до некоторой степени независимо от контактного давления. В противоположность обычным пневматическим шинам жесткость в вертикальном направлении и контактное давление на землю прочно связаны.

Боковины шины обеспечивают необходимую конструкцию для противодействия в колесе нагрузке, поддерживаемой кольцеобразной полосой, таким образом поддерживая массу транспортного средства. В обычной пневматической шине поддержка нагрузки обеспечивается разностями в натяжениях боковин шины, с минимальным натяжением боковин, находящимся в центре области контакта, и максимумом, находящимся в меридионально противоположном конце от области контакта. Как показано на фиг.3А, соответствующая настоящему изобретению конструктивно поддерживаемая шина-эластик по существу поддерживает ее нагрузку посредством натяжения участка боковины вне области контакта. Оптимальную поддержку нагрузки получают, когда боковины имеют высокую эффективную жесткость в радиальном направлении при натяжении и низкую эффективную жесткость в радиальном направлении при сжатии. Когда эти условия удовлетворены, колесо, как можно считать, подвешено от верхнего участка шины. Кроме того, для оптимальной поддержки нагрузки боковины имеют прямолинейный профиль в меридиональной плоскости, то есть отсутствует искривление, как в пневматических шинах.

На жесткость в вертикальном направлении шины по изобретению, которая представляет собой сопротивление под нагрузкой деформации в вертикальном направлении, можно воздействовать до значительной степени посредством жесткости противопрогиба шины. Жесткость противопрогиба представляет собой критерий сопротивления шины деформации в радиальном направлении участка, не контактирующего с землей. Противопрогиб шины обеспечивает некоторое вертикальное смещение оси колеса, которое эффективно снижает жесткость шины в вертикальном направлении. Регулирование жесткости противопрогиба шины регулирует жесткость шины в вертикальном направлении.

На жесткость в вертикальном направлении также влияет вращение шины. Когда шина по изобретению вращается с высокой угловой скоростью, в кольцеобразной полосе развиваются центростремительные силы. Эти силы приводят к касательному напряжению на окружности, которое стремится расширять кольцеобразную полосу радиально наружу. Расширению кольцеобразной полосы противостоит высокоэффективная жесткость боковин в радиальном направлении. Поскольку в области контакта с землей такие центростремительные силы не развиваются, конечным результатом является сила, направленная вертикально вверх, которая действует, поддерживая участок прикладываемой нагрузки, и увеличивает эффективную жесткость шины в вертикальном направлении. Центростремительные силы, а следовательно, и эффективная жесткость шины в вертикальном направлении, увеличиваются с увеличением скорости; таким образом, с увеличением скорости деформация шины понижается. Пониженная деформация снижает тепловыделение в шине и улучшает высокоскоростную характеристику.

В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения конструктивно поддерживаемая шина-эластик содержит каркас радиального слоя, поддерживающий контактирующий с землей участок протектора, участок боковин, проходящий радиально внутрь от участка протектора и закрепленный в участках бортов, приспособленных для того, чтобы оставаться прикрепленными к колесу во время вращения шины, и усиленную кольцеобразную полосу, расположенную радиально внутри участка протектора, причем полоса содержит эластомерный сдвиговый слой, по меньшей мере первую мембрану, приклеенную к внутреннему в радиальном направлении протяжению эластомерного сдвигового слоя, и по меньшей мере вторую мембрану, приклеенную к радиально наружному протяжению эластомерного сдвигового слоя.

В соответствии с другим вариантом осуществления конструктивно поддерживаемая шина-эластик содержит каркас с перекрестным смещением, поддерживающий контактирующий с землей участок протектора, участки боковин, проходящие радиально внутрь от участка протектора и закрепленные в участках бортов, приспособленных для того, чтобы оставаться прикрепленными к колесу во время вращения шины, и усиленнную кольцеобразную полосу, расположенную радиально внутри участка протектора, причем полоса содержит эластомерный сдвиговый слой, по меньшей мере одну внешнюю мембрану, приклеенную к радиально наружному протяжению эластомерного сдвигового слоя и в которой коронная зона или участок вершины каркаса с перекрестным смещением приклеен к внутреннему в радиальном направлении протяжению эластомерного сдвигового слоя и действует в качестве внутренней мембраны.

Изобретение поясняется ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 представляет вид в поперечном разрезе иллюстративного варианта осуществления шины по изобретению;

фиг.2A представляет схематическое изображение, иллюстрирующее силы реакции земли для базовой однородной полосы;

фиг.2B представляет схематическое изображение, иллюстрирующее силы реакции земли для кольцеобразной полосы по изобретению;

фиг.3А схематично иллюстрирует механизм несения нагрузки в экваториальной плоскости для шины по изобретению;

фиг.3B схематично иллюстрирует механизм несения нагрузки в меридиональной плоскости для шины по изобретению;

фиг.4A иллюстрирует жесткость противопрогиба в экваториальной плоскости шины;

фиг.4B иллюстрирует жесткость противопрогиба в меридиональной плоскости шины;

фиг.5 графически иллюстрирует зависимость между областью контакта, контактным давлением и вертикальной нагрузкой для шины в соответствии с изобретением;

фиг.6 графически иллюстрирует зависимость между контактным давлением, жесткостью в вертикальном направлении и жесткостью противопрогиба для шины в соответствии с изобретением;

фиг.7 представляет вид в поперечном разрезе варианта осуществления каркаса с перекрестным смещением шины по изобретению;

фиг.8 представляет вид в поперечном разрезе шины согласно изобретению, имеющей дугообразные мембраны;

фиг.9 представляет вид в поперечном разрезе шины в соответствии с изобретением, имеющей волнообразную вторую мембрану;

фиг.10 представляет вид в поперечном разрезе шины по изобретению, соответствующей видоизменению варианта осуществления, показанного на фиг.9; и

фиг.11 представляет вид в поперечном разрезе шины по изобретению, соответствующей другому видоизменению варианта осуществления, показанного на фиг.9.

Термины, используемые в данном описании, определены следующим образом:

"Экваториальная плоскость" обозначает плоскость, перпендикулярную оси вращения шины и делящую конструкцию шины пополам.

"Меридиональная плоскость" обозначает плоскость, проходящую через шину, в которой находится ось вращения шины.

"Модуль" эластомерных материалов обозначает модуль упругости при растяжении при удлинении на 10%, измеренном стандартным методом испытаний D412 ASTM (Американского общества по испытанию материалов).

"Модуль" мембран обозначает модуль упругости при растяжении при удлинении на 1% в направлении вдоль окружности, умноженном на эффективную толщину мембраны. Этот модуль можно рассчитать с помощью приведенного ниже уравнения 1 для обычных материалов стальных поясов шин. Этот модуль отмечен штриховым обозначением (').

"Модуль сдвига" эластомерных материалов обозначает модуль упругости при сдвиге и определяется как эквивалентный одной трети от модуля упругости при растяжении, измеренного при удлинении на 10%.

"Гистерезис" обозначает динамический тангенс угла потерь, измеренный при динамической деформации сдвига на 10%, 30 Гц и 25°C.

На фиг.1 показана конструктивно поддерживаемая шина-эластик в соответствии с настоящим изобретением. "Конструктивно поддерживаемая" означает, что шина несет нагрузку исключительно посредством своих конструктивных компонентов, не опираясь на внутреннее давление газа в шине. В нескольких вариантах осуществления конструктивно поддерживаемой шины-эластик, описанных в этом описании, используются аналогичные основные компоненты, которые вводятся в связи с фиг.1. Ссылочные позиции, изображенные на чертежах, применяются для соответствующего образца для каждого видоизменения и варианта осуществления.

Показанная на фиг.1 шина 100 имеет контактирующий с землей участок 110 протектора, участки 150 боковин, проходящие радиально внутрь от участка 110 протектора, и участки 160 бортов на конце участков боковин. Участки 160 бортов крепят шину 100 к колесу 10. Каркас 115 прикреплен к участкам 160 бортов и проходит между ними. Каркасом 115 может быть каркас радиального слоя или каркас слоя с перекрестным смещением, как будет описано ниже. Каркас 115, участок 110 протектора, участки 150 боковин и участки 160 бортов образуют тороидальную оболочку, которая образует полое, кольцеобразное внутреннее пространство 5.

Усиленная кольцеобразная полоса расположена радиально внутри участка 110 протектора. В варианте осуществления, иллюстрируемом на фиг.1, кольцеобразная полоса содержит эластомерный сдвиговый слой 120, первую, или внутреннюю, мембрану 130, имеющую усиленные слои 131 и 132, приклеенные к наиболее внутреннему в радиальном направлении протяжению эластомерного сдвигового слоя 120, и вторую, или внешнюю, мембрану 140, имеющую усиленные слои 141 и 142, приклеенные к наиболее удаленному в радиальном направлении протяжению эластомерного сдвигового слоя 120.

Участок 110 протектора может не иметь канавок или может иметь множество продольно ориентированных канавок 170 протектора, образующих между ними по существу продольные ребра 175 протектора. Ребра 175 могут быть дополнительно разделены поперечно или продольно, образуя рисунок протектора, приспособленный к требованиям использования конкретного применения транспортного средства. Канавки 170 протектора могут иметь любую глубину в соответствии с предполагаемым использованием шины. Участок 110 протектора имеет толщину между основанием канавки протектора и внешней мембраной, достаточную для предохранения конструкции внешней мембраны от разрезов и небольших проникновений из участка протектора. Толщина подканавок может быть увеличена или уменьшена в зависимости от предполагаемого использования шины. Например, в шине для тяжелого грузового автомобиля обычно используется толщина приблизительно 5-7 мм.

Каждый из усиленных слоев внутренней 130 и внешней 140 мембран содержит по существу нерастяжимые усиливающие элементы, например, корды, заделанные в слой эластомерного покрытия. Для шины, изготовленной из эластомерных материалов, мембраны 130 и 140 приклеивают к сдвиговому слою 120 посредством вулканизации эластомерных материалов. В пределах объема изобретения можно приклеивать мембраны 130 и 140 к сдвиговому слою любым подходящим способом химического связывания, или клеевого соединения, или механической фиксации.

Усиливающие элементы мембранных слоев 131-132 и 141-142 могут быть любыми из нескольких материалов, подходящих для использования в качестве армирования поясов шин в обычных шинах, типа элементарного волокна или металлокордов, арамида или другого текстильного материала с высоким значением модуля или усиливающих нитей. Для описываемых здесь иллюстративных шин армирование представляет собой стальные корды из четырех проволок диаметром 0,28 мм (4×0,28). Хотя раскрытые здесь видоизменения изобретения для каждой из мембран имеют усиленные кордом слои, для мембран можно использовать любой подходящий материал, который отвечает описанным здесь требованиям в отношении необходимых для кольцеобразной полосы жесткости при растяжении, жесткости при изгибе и сопротивления сжатию с продольным изгибом. Конструкция мембран может быть любой из нескольких альтернатив, типа однородного материала, армированного волокном связующего материала или слоя, имеющего отдельные усиливающие элементы.

Во внутренней мембране 130 слой 131 может иметь по существу параллельные корды, ориентированные под углом относительно экваториальной плоскости шины, а слой 132 имеет по существу параллельные корды, имеющие ориентацию, противоположную ориентации в слое 131. Например, корды могут иметь угол + в слое 131 и угол - в слое 132. Аналогично этому во внешней мембране 140 слои 141 и 142 могут иметь по существу параллельные корды, ориентированные под углами + и - соответственно к экваториальной плоскости. В этих случаях прилежащий угол кордов между смежными слоями будет составлять удвоенный установленный угол, или . Углы и обычно могут находиться в диапазоне от приблизительно 10° до приблизительно 45°. Предпочтительно усиливающие элементы расположены под углами и , находящимися в диапазоне от 12 до 20°. Однако не требуется корды одного слоя мембраны ориентировать под взаимно равным и противоположным углом к кордам другого слоя мембраны. Например, может быть желательно обеспечить асимметричные корды для пар слоев относительно экваториальной плоскости шины.

Корды каждого из слоев 131, 132 и 141, 142, заделанные в слои эластомерного покрытия, обычно имеют модуль сдвига, равный приблизительно 20 МПа. Модуль сдвига слоев покрытия предпочтительно больше модуля сдвига сдвигового слоя 120, чтобы гарантировать, что деформация кольцеобразной полосы определяется прежде всего деформацией сдвига в сдвиговом слое 120.

Зависимость между модулем сдвига G эластомерного сдвигового слоя 120 и эффективным модулем при продольном растяжении E'_{мембраны} мембран 130 и 140 управляет деформацией кольцеобразной полосы под приложенной нагрузкой. Эффективный модуль упругости при растяжении E' _{мембраны} мембраны при использовании обычных материалов для пояса шины можно оценить с помощью следующего выражения:

где E_резины - модуль упругости при растяжении эластомерного материала покрытия;

P - шаг кордов (интервал между средними линиями кордов), измеренный перпендикулярно направлению кордов;

D - диаметр корда;

- коэффициент Пуассона для эластомерного материала покрытия;

- угол корда относительно экваториальной плоскости и

t - толщина резины между канатами в смежных слоях.

Отметим, что E'_{мембраны} представляет собой модуль упругости мембраны, умноженный на эффективную толщину мембраны. Когда отношение E'_{мембраны}/G относительно низкое, деформация кольцеобразной полосы под нагрузкой приблизительно равняется деформации однородной полосы и производит неравномерное контактное давление на землю, как показано на фиг.2A. С другой стороны, когда отношение E' _{мембраны}/G достаточно высокое, деформация кольцеобразной полосы под нагрузкой является по существу деформацией сдвига сдвигового слоя с небольшим продольным растяжением или сжатием мембран. Соответственно, контактное давление на землю является по существу однородным, как в примере, показанном на фиг.2B.

В соответствии с изобретением отношение модуля упругости при продольном растяжении мембраны E'_{мембраны} к модулю сдвига G сдвигового слоя составляет по меньшей мере приблизительно 100:1 и предпочтительно по меньшей мере приблизительно 1000:1. Для мембран, содержащих усиленные кордом слои с использованием кордов 4×0,28 и с описанными выше углами, требуемый модуль сдвига сдвигового слоя 120 составляет от приблизительно 3 до приблизительно 20 МПа.

Многократная деформация сдвигового слоя 120 во время вращения под нагрузкой приводит к рассеянию энергии, обусловленному гистерезисным характером используемых материалов. Полное теплообразование в шине представляет собой функцию как этого рассеяния энергии, так и толщины сдвигового слоя. Таким образом, для данной конструкции шины, с использованием обычных материалов, гистерезис сдвигового слоя следует выбирать так, чтобы сохранять рабочую температуру шины ниже приблизительно 130°C для шин, находящихся в непрерывном использовании.

Когда сформулированные условия для модуля упругости при продольном растяжении E'_{мембраны} мембран и модуля сдвига G сдвигового слоя выполнены и кольцеобразная полоса деформируется по существу за счет сдвига в сдвиговом слое, создана зависимость, позволяющая оценить величины модуля сдвига G и толщины сдвигового слоя h для данного применения:

где: P_эфф - заранее определенное контактное давление на землю;

G - модуль сдвига слоя 120;

h - толщина слоя 120;

R - положение в радиальном направлении внешней мембраны.

P_эфф и R являются конструктивными параметрами, выбираемыми в соответствии с предполагаемым использованием шины. В уравнении (2) предполагается, что произведение модуля упругости при сдвиге сдвигового слоя и толщины в радиальном направлении сдвигового слоя приблизительно равняется произведению заранее определенного контактного давления на землю и положения в радиальном направлении наиболее удаленного протяжения внешней мембраны. На фиг.5 графически изображена эта зависимость в широком диапазоне контактных давлений, которая может использоваться для оценки характеристик сдвигового слоя, необходимых для многих различных применений.

Приведенное выше соотношение целесообразно для одной конструкции шины в соответствии с изобретением. Например, чтобы сконструировать шину, предназначенную для использования в легковом автомобиле, конструктор может выбирать расчетное контактное давление P_эфф от 1,5 до 2,5 даН/см² и размер шины, в которой радиус R составляет приблизительно 335 мм. Перемножая эти величины, можно определить "коэффициент сдвигового слоя", составляющий 50,25-83,75 даН/см, который можно использовать для определения толщины h материала сдвигового слоя и модуля сдвига G. В этом случае при использовании модуля сдвига в диапазоне от приблизительно 3 до приблизительно 10 МПа толщина h сдвигового слоя составит по меньшей мере 5 мм и предпочтительно от приблизительно 10 мм до приблизительно 20 мм.

Рассмотрим фиг.3А и 3B, на которых шина по изобретению по существу поддерживает прикладываемую нагрузку L, передавая нагрузку от колеса к кольцеобразной полосе через натяжение в области А участка 150 боковины вне контакта с землей. В противоположность этому в пневматической шине нагрузка переносится посредством различий в натяжении в находящейся под давлением боковине, наводимых деформацией контактирующей с землей шины.

В соответствующей изобретению шине растягивающие силы боковины переносятся на каркас 115, который усилен по существу нерастяжимыми кордами. Согласно одному варианту осуществления изобретения каркас включает в себя один или более слоев радиально ориентируемых усиливающих кордов. В качестве альтернативы каркас может включать в себя по меньшей мере два слоя, имеющих усиливающие корды, ориентируемые в конфигурации перекрестного смещения. Как должно быть понятно специалистам в данной области техники, и радиальный каркас, и каркас перекрестного смещения испытывают натяжение в участке боковин, находящемся вне контакта с землей. Стрелки на фиг.3А, как предполагается, указывают скорее на существование натяжения в боковине, а не фактическое направление растягивающих сил кордов.

Согласно варианту осуществления радиального каркаса участки боковин являются по существу нерастяжимыми при натяжении и обладают низким сопротивлением сжимающему продольному изгибу. При таком условии участок 150 боковин шины имеет эффективную жесткость в радиальном направлении при натяжении, достаточно превышающем эффективную жесткость в радиальном направлении при сжатии, для поддержания прикладываемой внешним образом нагрузки по существу с помощью растягивающих сил в участке боковин шины, находящемся вне контакта с землей, и по существу без вертикальной поддержки нагрузки, обусловленной участком боковин шины, находящемся в контакте с землей. Колесо может быть, как считают, подвешено от верхнего участка шины.

Эффективная жесткость в радиальном направлении участка боковин означает механическое свойство при растяжении или сжатии, связанное с полным радиальным протяжением боковины. Его можно измерить, например, извлекая образец из боковины, которая сохраняет ненапряженную конфигурацию боковины, и после этого испытывая его в стандартном устройстве для испытания на растяжение. Как было обнаружено, изогнутая боковина в пневматической шине может иметь жесткость при растяжении, относящуюся к кривизне боковины, и будет, соответственно, ниже, чем жесткость при растяжении боковины шины по изобретению, которая по существу является прямой.

Описанные выше требования относительно жесткости при сжатии боковины могут быть выполнены, когда участок боковины имеет толщину в осевом направлении меньше, чем 20% от высоты сечения шины в радиальном направлении.

В варианте осуществления по изобретению каркаса с перекрестным смещением боковина является более жесткой, чем шина с радиальным каркасом. В то время как большая часть нагрузки поддерживается натяжением в неконтактирующей области A, каркас с перекрестным смещением обеспечивает дополнительное сопротивление прогибу шины в участке шины, деформируемом контактом с землей, на фиг.3А, в областях В и C. Каркас с перекрестным смещением имеет дополнительную жесткость при сдвиге в направлении вдоль окружности и при изгибе в боковом направлении.

Возвращаясь к фиг.1, отметим, что участок 150 боковин проходит предпочтительно прямолинейно между участком 110 протектора и участками 160 бортов, как показано в меридиональной плоскости шины, то есть участок 150 боковин не изогнут, как в обычной пневматической шине. Участки боковин могут иметь наклон от протектора к ободу, расширяясь, как показано на фиг.1, или сужаясь.

Конфигурация прямолинейных участков 150 боковин и характеристики зависимости удлинения усиливающих кордов от действующей нагрузки такие, что растягивающие силы в участке боковин производят минимальное удлинение или изменение в форме участка боковин, аналогично увеличению натяжения в туго натянутой струне. По сравнению со случаем, когда изогнутую боковину обычной пневматической шины помещают под натяжением в ненадутом состоянии, растягивающая сила первоначально выпрямляет изгиб и, таким образом, эффективно удлиняет боковину. Только после того, как изогнутая боковина выпрямлена, в боковине производится увеличение натяжения.

Натяжения, развивающиеся в боковинах шины по изобретению при нагрузке, существенно ниже, чем натяжения боковин накачанной и нагруженной пневматической шины. Относительно фиг.1 для участков 160 бортов можно использовать любую из нескольких конструкций борта, которые обеспечивают возможность их надлежащего размещения на ободе 10, не полагаясь на внутреннее давление в шине, и которые сохраняют надлежащее размещение участков бортов во время использования шины. Пример конструкции борта, отвечающего этим требованиям, описан в патенте США №5785781, выданном Drieux и др. и приведенном здесь в качестве ссылки.

Жесткость в вертикальном направлении касается способности шины противостоять прогибу, когда она находится под нагрузкой. Жесткость в вертикальном направлении можно отрегулировать для оптимизирования способности нести нагрузку для данной шины. В качестве альтернативы жесткость в вертикальном направлении можно регулировать так, чтобы обеспечить кольцеобразную полосу пониженной толщины для пониженного контактного давления или массы шины, при поддержании требуемого уровня жесткости в вертикальном направлении.

На жесткость в вертикальном направлении шины оказывает сильное влияние реакция участка шины, не находящегося в контакте с землей, на прогиб участка, контактирующего с землей, "противопрогиб" шины. Фиг.4A и 4B иллюстрируют это явление в преувеличенном масштабе. Когда шина находится под нагрузкой L, она прогибается на величину f, позволяя шине образовывать область C контакта с землей. Отметим, что в данном описании система координат на фиг.4A и 4B сохраняет ось X шины в фиксированном местоположении и перемещает землю вверх к оси. Вертикальный прогиб f пропорционален нагрузке L, на основании которой можно получить жесткость K шины в вертикальном направлении. Поскольку кольцеобразная полоса стремится сохранять постоянную длину, участок шины, не контактирующий с землей, сдвигается, или противопрогибается, от области контакта C, как обозначено на чертежах пунктирными линиями. Величина противопрогиба также пропорциональна нагрузке L, и таким образом, можно получить жесткость противопрогиба К . Жесткость противопрогиба К касается пути, которым нагружаются усиливающие шину корды, не контактирующие с землей, и следует понимать, что она включает в себя взаимодействия как поперечных, так и круговых конструкций.

Противопрогиб можно измерять непосредственно, помещая шину под нагрузкой F с фиксированной осью и измеряя как прогиб f шины в области контакта, так и прогиб поверхности протектора, противоположный контактной области. Затем определяют жесткость противопрогиба посредством деления нагрузки F на величину противопрогиба .

Практически жесткость противопрогиба К по существу управляет жесткостью в вертикальном направлении шины и, соответственно, прогибом под нагрузкой оси колеса шины. Жесткость противопрогиба К определяет длину области контакта, как можно видеть на фиг.4A. Низкая жесткость противопрогиба позволяет кольцеобразной полосе перемещаться вертикально под нагрузкой и, таким образом, понижает допустимую нагрузку при таком прогибе. Соответственно, шина, имеющая высокую жесткость противопрогиба, имеет сравнительно меньший противопрогиб и более длинную область контакта и в результате может нести большую нагрузку.

На фиг.6 графически показана приблизительная зависимость жесткости противопрогиба К от жесткости в вертикальном направлении шины, имеющей радиальный каркас. На фиг.6 показана независимость жесткости в вертикальном направлении и контактного давления, достигаемого в данном изобретении, что обеспечивает гибкость конструкции, не доступную в пневматических шинах. Спущенная пневматическая шина обычно имеет жесткость противопрогиба на единичную ширину области контакта меньше, чем 0,1 даН/мм ². В противоположность этому соответствующую изобретению шину можно сконструировать таким образом, чтобы она имела жесткость противопрогиба на единичную ширину области контакта в диапазоне, превышающем 0,1 даН/мм².

Жесткость противопрогиба К можно изменять многими способами. Некоторые из конструктивных параметров, используемых для регулирования этой жесткости, включают в себя модуль и плотность корда каркаса, высоту боковин, модуль эластомерного покрытия кордов каркаса, конфигурацию соединения между каркасом и кольцеобразной полосой, модуль соединительной резины, модуль упругости при сжатии мембран кольцеобразной полосы, толщину сдвигового слоя, диаметр шины и ширину кольцеобразной полосы.

Как было упомянуто, было обнаружено, что каркас с перекрестным смещением может увеличивать жесткость в вертикальном направлении шины, изменяя жесткость боковин и изменяя связь между кольцеобразной полосой и боковинами. Возвращаясь к фиг.3А, отметим, что усиливающие корды с перекрестным смещением производят силы, противостоящие прогибу в области контакта С, поскольку конструкция перекрестного смещения противостоит поперечной деформации (обычная радиальная выгнутость каркаса). Кроме того, корды с перекрестным смещением производят радиальные и периферические компоненты растягивающей силы в областях В, входящие и выходящие из контактной области C. Боковины противостоят кручению на концах области контакта C, делая шину более жесткой и уменьшая величину прогиба. Соответствующую величину жесткости в каркасе с перекрестным смещением можно изменить с помощью выбора материала и диаметра кордов и расположения кордов, используя известные аналитические средства и некоторое экспериментирование.

На фиг.7 изображен каркас с перекрестным смещением, который обеспечивает преимущества в конструировании шины, предназначенной для более легких нагрузок. В шине 200, имеющей каркас 215 с перекрестным смещением, каркас расположен между участками 160 бортов так, что соединяется внахлестку под сдвиговым слоем 120, образуя два слоя. Участок 216 вершины каркаса 215, то есть участок под сдвиговым слоем 120, служит как внутренняя мембрана. Корды в участке 216 вершины предпочтительно расположены под углом 12-15° относительно экваториальной плоскости для получения достаточной жесткости в направлении по окружности относительно сдвигового слоя. Отметим на основании обсуждения мембран 130, 140 в связи с фиг.1, что усиливающие мембраны элементы расположены под углами, находящимися в пределах такого же диапазона. Таким образом, используя каркас с перекрестным смещением, можно исключить внутреннюю мембрану и, соответственно, вес мембраны и этап изготовления. Кроме того, эта конструкция улучшает передачу сил между сдвиговым слоем и боковинами, поскольку она устраняет необходимость соединять внутреннюю мембрану и каркас. Эта улучшенная связь сдвигового слоя с боковиной также может иметь влияние на жесткость в вертикальном направлении.

Корды в области 250 боковин расположены под углом 30-60° и более предпочтительно 45° относительно направления по окружности в середине между областью 160 бортов и вершиной 216. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, как устанавливать каркас на формовочном барабане для образования таких углов кордов на вершине и боковинах после того, как каркас примет свою тороидальную форму, используя известное соотношение cos/r=c, где - угол кордов к направлению по окружности, r - радиус от оси вращения шины, а с - константа.

Если каркас 215 с перекрестным смещением сделан с использованием аналогичных материалов, как описанные выше внешние мембранные слои 141, 142, жесткость в продольном направлении участка 216 вершины можно аппроксимировать как жесткость внешней мембраны. Для более легких нагрузок, например, для транспортных средств меньшей величины, типа тележек для гольфа, мопедов и т.д., подходящим является каркас с перекрестным смещением, в котором используются обычные материалы для шины, нейлоновые корды или аналогичные элементы. Для такой конструкции жесткость в продольном направлении каркаса в области сдвигового слоя будет меньше жесткости внешней мембраны, однако жесткость в продольном направлении, по меньшей мере в 100 раз превышающая модуль сдвига сдвигового слоя, в общем является достаточной для более низких диапазонов нагрузок.

На жесткость в вертикальном направлении шины по изобретению также влияет действие центростремительных сил на участках кольцеобразной полосы и боковин. С увеличением скорости вращения шины развиваются центростремительные силы. В обычных радиальных шинах центростремительные силы могут повышать рабочую температуру шины. Соответствующая изобретению шина, напротив, получает положительный результат от действия этих же сил. Когда шина по изобретению вращается под прикладываемой нагрузкой, центростремительные силы вызывают в кольцеобразной полосе тенденцию расширяться по окружности и приводят к дополнительному натяжению в участках боковин. Жесткие в радиальном направлении боковины для участка шины, находящегося вне контакта (область А на фиг.3А), противостоят этим центростремительным силам. Это производит чистую направленную вверх равнодействующую силу, действие которой увеличивает эффективную жесткость в вертикальном направлении шины и понижает радиальный прогиб шины относительно статического, невращающегося состояния. Этот результат получают в значительной степени, когда отношение жесткости в продольном направлении полосы в экваториальной плоскости шины (2·E'_{мембраны}) к эффективной жесткости участка боковин в натяжении меньше, чем 100:1.

Показанная на фиг.1 шина имеет плоское поперечное сечение для участка 110 протектора, внутренней мембраны 130 и внешней мембраны 140. Усилия на участке кольцеобразной полосы в контактной области С будут сжимающими для внешней мембраны 140, как хорошо показано на фиг.3А. С увеличением вертикального прогиба шины контактная длина С может увеличиваться так, что сжимающее усилие во внешней мембране 140 превышает критическое напряжение, вызывающее продольный изгиб, и происходит продольный изгиб мембраны. Это явление продольного изгиба приводит к снижению контактного давления продольно расположенной секции контактной области. Более однородное контактное давление на землю по всей длине контактирующей с землей области получается, когда избегают продольного изгиба мембраны. Мембрана, имеющая изогнутое поперечное сечение, будет лучше противостоять изгибу в контактной области.

В показанном на фиг.8 варианте изобретения шина 300 имеет кольцеобразную полосу, включающую в себя сдвиговый слой 320, внутреннюю мембрану 330 и внешнюю мембрану 340, имеющую поперечный радиус, который меньше поперечного радиуса наиболее удаленной в радиальном направлении поверхности участка 310 протектора. Изгибы, показанные на фиг.8, преувеличены для иллюстрации. Оптимизация контактного давления между поверхностью протектора и землей для шины пассажирского транспортного средства предполагает, чтобы поперечный радиус внешней мембраны 340 составлял по меньшей мере 500 мм, а поперечный радиус наиболее удаленной в радиальном направлении поверхности участка 310 протектора составлял по меньшей мере 1000 мм. Изогнутую внешнюю мембрану также можно использовать в шине 200 на каркасе со смещением, показанной на фиг.7.

Шины, предназначенные для использования в легковом автомобиле, соответствующие описаниям шины 300, иллюстрируемой на фиг.8, уменьшены для технологии, использующей обычные процессы монтажа шин и материалы. В таблице 1 кратко представлены результаты.

При субъективной оценке исследуемая пневматическая шина 1 была накачана до рекомендуемого давления накачивания шины в холодное время, а исследуемая пневматическая шина 2 была накачана до такого давления, чтобы достигнуть жесткости в вертикальном направлении, эквивалентной шине, сделанной в соответствии с изобретением.

В шинах, соответствующих описаниям шины 300, есть тенденция иметь средние значения напряжений продольного контакта с землей, которые являются положительными, или стимулирующими, вдоль продольной средней линии зоны контакта, и отрицательными, или тормозящими, вдоль боковых краев зоны контакта. Это различие обусловлено разницей в радиусе качения колеса между средней линией и боковыми краями кольцеобразной полосы. Предпочтительный результат для характеристики шины (особенно износа) получают, когда продольные напряжения хорошо сбалансированы между средней линией и боковыми краями.

На фиг.9 показан альтернативный вариант осуществления изобретения, в котором шина 400 имеет внешнюю мембрану волнообразной формы, с амплитудой волнистости в радиальном направлении и длиной волны волнистости в осевом направлении. Амплитуда волнистости определяется как разность между максимальными и минимальными протяжениями мембраны в радиальном направлении. Длина волны волнистости определяется как расстояние в осевом направлении между последовательными максимумами мембраны в радиальном направлении. Волнообразная внешняя мембрана противостоит продольному изгибу, обусловленному сжатием в зоне контакта, подобно дугообразной мембране шины 300 на фиг.8. Деформирование внешней мембраны из по существу круглой формы в плоскую форму прикладываемой извне нагрузкой происходит без продольного изгиба упомянутой внешней мембраны и сохраняет по существу однородное контактное давление на землю упомянутого контактирующего с землей участка протектора по всей длине области контакта с землей. Эффективность волнообразной мембраны в противостоянии продольному изгибу не зависит от ее полного поперечного искривления. Таким образом, шина 400 может иметь внешнюю мембрану 440, поперечный радиус кривизны которой может быть определен для оптимизирования напряжения контакта с землей, независимо от ее сопротивления продольному изгибу. Внешняя мембрана 440 предпочтительно имеет циклы волнистости два к пяти и имеет длину волны волнистости, составляющую от приблизительно 20 до приблизительно 50% от ширины вращающегося протектора участка 410 протектора. Амплитуда волнистости изменяется предпочтительно между приблизительно 20 и 50% максимальной толщины сдвигового слоя и может быть постоянной или переменной амплитудой. Сдвиговый слой 420 имеет среднюю толщину, равную сдвиговому слою постоянной толщины, определяемой уравнением (2) для сдвигового слоя 120 шины 100 и сдвигового слоя 320 шины 300.

На фиг.10 и 11 показаны дополнительные видоизменения волнообразной внешней мембраны, в которых волнообразная внешняя мембрана имеет, соответственно, четыре или пять гребней. В этих видоизменениях гребни расположены в поперечном направлении в пределах каждого ребра протектора с вогнутым участком, расположенным под каждой канавкой протектора. Количество гребней не должно зависеть от количества ребер протектора, и при этом шина не обязательно должна иметь продольные ребра. Изобретение можно в равной степени применять для шины с гладким протектором или другого резинового изделия, не имеющего канавок. Когда шина 400 имеет по меньшей мере одну канавку 470 протектора, расположенную в радиальном направлении снаружи от минимума, или вогнутого участка, волнистости, канавка может иметь увеличенную глубину относительно номинальной глубины протекторного рисунка обычной шины. В этом случае "номинальная" означает стандартную глубину протекторного рисунка для конкретного класса шины, как определено Ассоциацией шин и ободов Копли (Tire and Rim Association of Copley), шт. Огайо. В вариантах, иллюстрируемых шинами 400, 500 и 600, по меньшей мере одна канавка протектора имеет глубину, составляющую по меньшей мере 120% от номинальной глубины протекторного рисунка.

Специалистам в данной области техники должны быть очевидны множество других видоизменений на основании приведенного выше описания. Эти и другие видоизменения находятся в пределах сущности и объема притязаний настоящего изобретения, как определено в последующей формуле изобретения.