Данное изобретение относится к упругой шине, способной выдерживать нагрузку транспортного средства за счет конструктивных компонентов шины, без использования преимущества, обеспечиваемого внутренним давлением воздуха.
Пневматическая шина является выбранным решением для обеспечения движения транспортных средств вот уже более века. Современные пневматические шины с брекерным поясом и радиальным каркасом являются замечательными изделиями, которые являются эффективными средствами для выдерживания приложенных нагрузок, в то же время, допуская приемлемую вертикальную и боковую податливость. Пневматическая шина приобретает свои механические свойства в значительной степени благодаря действию внутреннего давления воздуха в полости шины. Реакция на давление накачки придает необходимую жесткость компонентам брекерного пояса и каркаса. Таким образом, давление накачки является одним из самых важных параметров при создании пневматической шины. К сожалению, когда давление накачки является фиксированным, разработчик пневматической шины имеет ограниченные возможности по модификации вертикальной жесткости шины.
Для достижения наилучшего функционирования пневматической шины требуется поддержание оптимального давления. Снижение давления накачки ниже заданного уровня может привести к повышению расхода топлива. Первейшее значение имеет то, что обычную пневматическую шину можно использовать лишь очень ограниченное время после полной потери давления накачки. Для продолжения движения транспортного средства после полной потери давления воздуха в шине предложено множество конструкций шин. Предлагаемые на рынке конструкции шин, способных работать в спущенном состоянии, представляют собой пневматические шины, имеющие дополнительные усиления в боковинах или шнуры-наполнители, позволяющие боковинам работать при сжатии как несущим нагрузку элементам во время работы в спущенном состоянии. Это дополнительное усиление часто приводит к возникновению таких недостатков, как увеличенная масса шины и уменьшенный комфорт при езде. Другие попытки обеспечить возможность работы шины в спущенном состоянии заключаются в использовании по существу кольцевых усиливающих полос в области шинной короны. В этих решениях жесткость в области протектора является результатом отчасти собственных свойств кольцевой усиливающей полосы и отчасти реакцией на давление накачки. В основе других решений лежит обеспечение вспомогательных внутренних опорных конструкций, прикрепленных к колесному диску. Эти опорные средства увеличивают массу собранного узла и либо повышают сложность монтажа, либо могут потребовать применения составных ободов. Все эти подходы являются гибридами собственно пневматической шины и страдают от конструктивных компромиссов, которые не являются оптимальными ни для накаченного, ни для спущенного состояния. Кроме того, эти решения для работы в спущенном состоянии требуют использования определенных средств контроля давления накачки в шине и информирования водителя транспортного средства в том случае, если давление накачки вышло за рекомендуемые пределы.
Шина, разработанная для работы без использования преимущества, обеспечиваемого давлением накачки, устраняет многие проблемы и компромиссы, связанные с пневматической шиной. В этом случае существует только одно рабочее состояние - ненакачанное. Не требуется ни поддержания давления, ни контроль давления. Упругие шины с конструктивной опорой, такие как литые шины или другие эластомерные конструкции, на настоящий момент не обеспечивают уровней функционирования, ожидаемых от обычной пневматической шины. Конструкция упругой шины с конструктивной опорой, которая обеспечивает функционирование, подобное функционированию пневматической шины, стало бы желательным усовершенствованием.
Общее описание изобретения
Упругая шина с конструктивной опорой, соответствующая данному изобретению, выдерживает свою нагрузку исключительно за счет конструктивных свойств областей ее протектора, боковин и бортов, и без поддержки, создаваемой внутренним давлением воздуха. Область протектора упругой шины с конструктивной опорой, если не рассматривать области боковин и бортов, представляет собой усиленную кольцевую полосу. Усиленная кольцевая полоса имеет достаточную жесткость, чтобы противостоять изгибу как в меридианной, так и в экваториальной плоскости шины. Меридианная плоскость проходит через шину таким образом, что ось вращения лежит в этой плоскости. Экваториальная плоскость проходит перпендикулярно оси вращения шины и делит ее конструкцию пополам. Контактирование кольцевой полосы с горизонтальной плоскостью аналогично контактированию шины с поверхностью земли. Результирующие реакции аналогичны напряжениям, возникающим в области контакта с землей шины под нагрузкой. Для жесткой кольцевой полосы, состоящей из однородного материала, распределение давлений, удовлетворяющее требованиям по равновесию и изгибающему моменту, представлено парой сосредоточенных сил, расположенных по концам зоны контакта, одна половина которой показана на Фиг.2А. При такой идеализации в кольцевой полосе не возникает деформации сдвига. Однако если кольцевая полоса содержит конструкцию, предусматривающую деформацию сдвига, то результирующее распределение давлений является практически равномерным.
Упругая шина с конструктивной опорой, соответствующая данному изобретению, включает область протектора, области боковин, проходящие в радиальном направлении от области протектора к оси шины, и области бортов, расположенные на внутренних в радиальном направлении окончаниях областей боковин и предназначенные для крепления шины к колесу. Протектор, боковина и борта создают полое кольцевое пространство, подобное пространству пневматической шины. Согласно данному изобретению кольцевая полоса расположена в радиальном направлении внутри области протектора, при этом кольцевая полоса содержит эластомерный, работающий на сдвиг слой; по меньшей мере, первую мембрану, скрепленную с внутренней в радиальном направлении поверхностью эластомерного, работающего на сдвиг слоя; и, по меньшей мере, вторую мембрану, скрепленную с внешней в радиальном направлении поверхностью эластомерного, работающего на сдвиг слоя. Предпочтительно упомянутые мембраны содержат наложенные друг на друга слои из практически нерастяжимых кордовых усилений, внедренных в эластомерный слой покрытия. Мембраны имеют такой модуль упругости при продольном растяжении, который в достаточной степени больше модуля упругости при сдвиге для эластомерного, работающего на сдвиг слоя, в результате чего при приложении внешней нагрузки контактирующая с землей область протектора деформируется из по существу круглой формы в плоскую, при этом сохраняется по существу неизменная длина мембран. Из-за сдвига в работающем на сдвиг слое возникает относительное перемещение упомянутых мембран.
Этот эффект схематично представлен на Фиг.2В. Как показано на Фиг.2В, по сравнению с другими шинами, не использующими кольцевую полосу, имеющую описанные только что деформационные свойства, положительным результатом является более равномерное давление в контакте с землей по всей длине зоны контакта. Создание в кольцевой полосе поперечной жесткости в меридианной плоскости шины и продольной жесткости на изгиб в экваториальной плоскости шины достаточно высок, чтобы позволить этой полосе работать как несущему нагрузку элементу, не обусловлена внутренним давлением накачки.
Согласно одной из характеристик данного изобретения поперечный радиус кольцевой полосы, то есть радиус кривизны в меридианной плоскости, меньше поперечного радиуса внешней поверхности протектора для сопротивления продольному выгибанию кольцевой полосы в области контакта.
Соответствующая данному изобретению конструкция позволяет разработчику шины выгодным образом регулировать вертикальную жесткость шины в некоторой степени независимо от давления в контакте. В противоположность этому в обычных пневматических шинах давление в зоне контакта с землей и вертикальная жесткость шины строго взаимосвязаны.
Боковины шины обеспечивают необходимые средства переноса нагрузки, выдерживаемой кольцевой полосой, на колесо (колесный диск), таким образом поддерживая массу транспортного средства. В обычной пневматической шине поддержка нагрузки обеспечивается различиями растягивающих усилий в боковинах шины, при этом минимальные растягивающие усилия возникают в центре зоны контакта, а максимальные - на линии меридиана, проходящего через зону контакта, с противоположной стороны от этой зоны. Как показано на Фиг.3А, упругая шина с конструктивной опорой, соответствующая настоящему изобретению, поддерживает свою нагрузку путем растяжения боковин по тем меридианам, которые расположены вне зоны контакта. Оптимальная поддержка нагрузки достигается, когда боковины имеют высокую эффективную радиальную жесткость при растяжении и низкую эффективную радиальную жесткость при сжатии. Когда эти условия выполняются, можно сказать, что колесо удерживается верхней частью шины. Кроме того, для обеспечения оптимальной поддержки нагрузки боковины имеют прямоугольный профиль и радиально ориентированные усиливающие элементы.
На вертикальную жесткость шины по данному изобретению, которая представляет собой сопротивление при нагрузке деформации в вертикальном направлении, в значительной степени может влиять жесткость противодействия деформации шины. Жесткость противодействия деформации представляет собой меру сопротивления шины деформации той ее части, которая не находится в контакте с землей. Противодействие деформации шины допускает некоторое вертикальное смещение оси колеса, что существенно снижает вертикальную жесткость шины. Регулирование жесткости противодействия радиальной деформации сжатия шины регулирует вертикальную жесткость шины.
Когда шина, соответствующая данному изобретению, вращается с высокой угловой скоростью, в кольцевой полосе возникают центростремительные силы. Эти силы приводят к появлению кругового напряжения, которое стремится выгнуть кольцевую полосу наружу в радиальном направлении. Выгибанию кольцевой полосы препятствует высокая эффективная радиальная жесткость боковин. Так как в зоне контакта с землей таких центростремительных сил не возникает, окончательным результатом является сила, направленная вертикально вверх, которая компенсирует часть приложенной нагрузки и повышает эффективную вертикальную жесткость шины. Центростремительные силы и, следовательно, эффективная вертикальная жесткость шины увеличиваются по мере роста скорости; таким образом, радиальная деформация сжатия шины по мере роста скорости снижается. Уменьшенная радиальная деформация сжатия снижает выделение тепла в шине и улучшает функционирование на высокой скорости.
Растяжения, возникающие в боковинах шины, соответствующей данному изобретению, при нагружении значительно ниже растяжений в боковинах накаченной и нагруженной пневматической шины. Если обратиться к Фиг.1, для областей 160 бортов может использоваться любая из нескольких конструкций бортов, которая делает возможной должную посадку на обод 10 без использования давления накачки и которая может обеспечивать должную посадку упомянутых областей бортов во время использования шины. Пример конструкции бортов, отвечающей этим требованиям, приведен в патенте США 5,785,781, принадлежащем 
(Drieux) и др., который включен в данное описание путем отсылки.
Согласно одному из вариантов реализации данного изобретения упругая шина с конструктивной опорой содержит контактирующую с землей область протектора, области боковин, проходящие в радиальном направлении внутрь от области протектора и закрепленные в областях бортов, приспособленных оставаться скрепленными с колесом во время качения шины; и усиленную кольцевую полосу, расположенную в радиальном направлении внутри области протектора, причем упомянутая полоса содержит эластомерный, работающий на сдвиг слой, по меньшей мере, первую мембрану, скрепленную с внутренней в радиальном направлении поверхностью эластомерного, работающего на сдвиг слоя, и, по меньшей мере, вторую мембрану, скрепленную с внутренней в радиальном направлении поверхностью эластомерного, работающего на сдвиг слоя, и где вторая мембрана является волнистой и имеет амплитуду волнистости в радиальном направлении и длину волны в осевом направлении.
Эта волнистая мембрана противостоит выгибанию кольцевой полосы при сжатии в зоне контакта с землей, при этом не возникает реакций на поперечные радиусы кольцевой полосы и внешнюю поверхность протектора. Если расположение канавок протектора совпадает с минимумом волнистости, то есть областью мембраны, вогнутой относительно протектора, то эти канавки могут быть выполнены глубже канавок обычных шин, в результате чего повышается сопротивление шины гидропланированию.
Согласно другому варианту реализации данного изобретения упругая шина с конструктивной опорой содержит контактирующую с землей область протектора, области боковин, проходящие в радиальном направлении внутрь от области протектора и закрепленные в областях бортов, приспособленных оставаться скрепленными с колесом во время качения шины; и усиленную кольцевую полосу, расположенную в радиальном направлении внутри области протектора, причем упомянутая полоса содержит эластомерный, работающий на сдвиг слой, по меньшей мере, первую мембрану, скрепленную с внутренней в радиальном направлении поверхностью эластомерного, работающего на сдвиг слоя, и, по меньшей мере, вторую мембрану, скрепленную с внешней в радиальном направлении поверхностью эластомерного, работающего на сдвиг слоя, где отношение продольной жесткости упомянутой полосы в экваториальной плоскости шины к эффективной радиальной жесткости области боковины при растяжении составляет менее 100:1.
Согласно другому варианту реализации данного изобретения упругая шина с конструктивной опорой содержит контактирующую с землей область протектора, области боковин, проходящие в радиальном направлении внутрь от области протектора и закрепленные в областях бортов, приспособленных оставаться скрепленным с колесным диском во время качения шины; и усиленную кольцевую полосу, расположенную в радиальном направлении внутри области протектора, причем упомянутая полоса содержит эластомерный, работающий на сдвиг слой, по меньшей мере, первую мембрану, скрепленную с внутренней в радиальном направлении поверхностью эластомерного, работающего на сдвиг слоя, и, по меньшей мере, вторую мембрану, скрепленную с внешней в радиальном направлении поверхностью эластомерного, работающего на сдвиг слоя, где области боковин являются по существу нерастяжимыми при растяжении и фактически не оказывают сопротивления выгибанию при сжатии, в результате чего приложенная внешняя нагрузка компенсируется практически силами растяжения в области боковины в зоне шины, не контактирующей с землей, и практически без вертикальной компенсации нагрузки со стороны области боковины, находящейся в зоне контакта с землей.
Согласно данному изобретению способ изготовления упругой шины с конструктивной опорой, имеющей усиленную кольцевую полосу, содержащую эластомерный, работающий на сдвиг слой между жесткими в продольном направлении мембранами, содержит этапы выбора давления в контакте с землей и радиуса шины, умножение давления в контакте с землей на радиус шины для определения характеристики работающего на сдвиг слоя, выбора материала работающего на сдвиг слоя, который имеет некоторый модуль упругости при сдвиге и некоторую толщину таким образом, чтобы произведение модуля упругости при сдвиге на упомянутую толщину равнялось характеристике работающего на сдвиг слоя, выбора мембран, имеющих модуль упругости при растяжении, по меньшей мере, в 100 раз больший модуля упругости при сдвиге, и сборки контактирующей с землей области протектора, усиленной кольцевой полосы, расположенной в радиальном направлении внутри области протектора, по меньшей мере, первой мембраны, скрепленной с внутренней в радиальном направлении поверхностью эластомерного, работающего на сдвиг слоя, по меньшей мере, второй мембраны, скрепленной с внешней в радиальном направлении поверхностью эластомерного, работающего на сдвиг слоя, и областей боковин, проходящих в радиальном направлении внутрь от области протектора и закрепленных в областях бортов для крепления к колесу.
Краткое описание чертежей
Данное изобретение будет лучше понято при рассмотрении последующего описания и приложенных чертежей, на которых:
Фиг.1 - поперечное сечение шины по данному изобретению;
Фиг.2А - схематическая диаграмма, иллюстрирующая силы реакции земли для являющейся аналогом однородной полосы;
Фиг.2В - схематическая диаграмма, иллюстрирующая силы реакции земли для кольцевой полосы по данному изобретению;
Фиг.3А - схематичное изображение нагруженной шины по данному изобретению, иллюстрирующее механизм восприятия нагрузки в экваториальной плоскости;
Фиг.3В - схематичное изображение нагруженной шины по данному изобретению, иллюстрирующее механизм восприятия нагрузки в меридианной плоскости;
Фиг.4 - поперечное сечение соответствующей данному изобретению шины, которая имеет дуговидные мембраны;
Фиг.5А иллюстрирует жесткость противодействия радиальной деформации сжатия в экваториальной плоскости шины;
Фиг.5В иллюстрирует жесткость противодействия деформации в меридианной плоскости шины;
Фиг.6 - поперечное сечение соответствующей данному изобретению шины, которая имеет волнистую вторую мембрану;
Фиг.7 - поперечное сечение шины по данному изобретению, соответствующей модификации варианта, показанного на Фиг.6;
Фиг.8 - поперечное сечение шины по данному изобретению, соответствующее другой модификации варианта, показанного на Фиг.6;
Фиг.9 графически иллюстрирует взаимосвязь между площадью контакта, давлением в контакте и вертикальной нагрузкой для шины, соответствующей данному изобретению; и
Фиг.10 графически иллюстрирует взаимосвязь между давлением в контакте, вертикальной жесткостью и жесткостью противодействия радиальной деформации сжатия для шины, соответствующей данному изобретению.
Подробное описание изобретения
Приведенные ниже термины для данного описания определяются следующим образом:
"Экваториальная плоскость" означает плоскость, перпендикулярную оси вращения шины и проходящую через осевую линию шины.
"Меридианная плоскость" означает плоскость, параллельную оси вращения шины и простирающуюся от упомянутой оси в радиальном направлении.
"Модуль" эластомерных материалов означает модуль упругости при растяжении, измеренный при удлинении 10% по стандартному методу испытаний D412 Американского общества по испытанию материалов (ASTM, American Society of Testing Materials).
"Модуль" мембран означает модуль упругости при растяжении, измеренный при удлинении 1% в направлении по окружности, который умножен на эффективную толщину мембраны. Этот модуль для обычных материалов стального брокера шины может быть вычислен с использованием приведенного ниже Уравнения (1). Этот модуль обозначен апострофом (').
"Модуль сдвига" эластомерных материалов означает модуль упругости при сдвиге и принимается равным одной трети модуля упругости при растяжении, измеренного при удлинении 10%.
"Гистерезис" означает тангенс динамических потерь, измеренный при 10% деформации в результате динамического сдвига и при 25°С.
Соответствующие настоящему изобретению упругие шины с конструктивной опорой показаны на Фиг.1, 4, 6, 7 и 8. "С конструктивной опорой" означает, что шина выдерживает нагрузку без поддержки за счет давления накачки газом. Конструкции, рассмотренные для нескольких вариантов упругой шины с конструктивной опорой, используют похожие базовые компоненты. Ссылочные номера, проставленные на чертежах, отражают закономерности для каждого варианта.
Шина 100, показанная на Фиг.1, имеет контактирующую с землей область 110 протектора, области 150 боковин, проходящие в радиальном направлении внутрь от области 110 протектора, и области 160 бортов, расположенные на конце упомянутых областей боковин. Области 160 бортов крепят шину 100 к колесному диску 10. Область 110 протектора, область 150 боковин и области 160 бортов создают полое кольцевое пространство 105.
Усиленная кольцевая полоса расположена в радиальном направлении внутри области 110 протектора. В варианте реализации настоящего изобретения, изображенным на Фиг.1, кольцевая полоса содержит эластомерный, работающий на сдвиг слой 120, первую мембрану 130, имзкщую усиленные слои 131 и 132, скрепленные с внутренней в радиальном направлении поверхностью эластомерного, работающего на сдвиг слоя 120, и вторую мембрану 140, имеющую усиленные слои 141 и 142, скрепленные с внешней в радиальном направлении поверхностью эластомерного, работающего на сдвиг слоя 120.
Область 110 протектора может быть без канавок или может иметь множество продольно ориентированных протекторных канавок 115, образующих расположенные между ними практически продольные протекторные ребра 116. Ребра 116 могут далее разделяться в поперечном или продольном направлении с образованием рисунка протектора, приспособленного к требованиям использования конкретного варианта транспортного средства. Протекторные канавки 115 могут иметь любую глубину, соответствующую предполагаемому применению шины. Вторая мембрана 140 смещена в радиальном направлении внутрь от дна протекторной канавки на расстояние, достаточное для защиты конструкции второй мембраны от разрезов области протектора и проникших в нее небольших инородных предметов. Величина смещения увеличивается или уменьшается в зависимости от предполагаемого применения шины. Например, в шине тяжелого грузовика в обычном случае будет использоваться величина смещения приблизительно от 5 до 7 мм.
Каждый из слоев первой 130 и второй 140 мембран содержит практически нерастяжимые кордовые усиления, внедренные в эластомерное покрытие. Для шины, созданной из эластомерных материалов, мембраны 130 и 140 скрепляются с работающим на сдвиг слоем 120 при помощи вулканизации эластомерных материалов. За пределы объема данного изобретения не выходит крепление мембран 130 и 140 к работающему на сдвиг слою 120 при помощи любого подходящего способа химического или адгезионного связывания или механической фиксации.
Усиливающие элементы слоев 131-132 и 141-142 могут быть изготовлены из любого материала, пригодного для использования в качестве брекерных усилений в обычных шинах, например мононити или корды из стали, арамид или другие текстильные материалы с высоким модулем. Для описанных здесь примерных шин усиления представляют собой стальные корды из четырех проволок диаметром 0,28 мм (4×0,28). Хотя для рассмотренных здесь вариантов данного изобретения каждая из мембран содержит слои, усиленные кордом, для мембран может использоваться любой подходящий материал, отвечающий требованиям к свойствам жесткости при растяжении, жесткости при изгибе и сопротивления выгибанию при сжатии, необходимым для кольцевой полосы. То есть структура мембраны может представлять собой любую из нескольких альтернатив, например однородный материал, усиленную волокном основу или слой, содержащий дискретные усиливающие элементы.
В первой мембране 130 слои 131 и 132 содержат по существу параллельные корды, ориентированные под углом α к экваториальной плоскости шины, при этом корды соответственных слоев имеют противоположную ориентацию. То есть угол +α в слое 131 и угол -α в слое 132. Похожим образом для второй мембраны 140 слои 141 и 142 содержат по существу параллельные корды, ориентированные соответственно под углами +β и -β к экваториальной плоскости. В этих случаях внутренний угол кордов между смежными слоями будет равен удвоенному заданному углу, α или β. Углы α и β в типичном случае будут находиться в диапазоне от приблизительно 10° до приблизительно 45°. Однако не требуется, чтобы корды в паре слоев мембраны были ориентированы друг к другу под равными и противоположными углами. Например, может быть желательно, чтобы корды в парах слоев располагались асимметрично относительно экваториальной плоскости шины.
Корды каждого из слоев 131, 132 и 141, 142 внедрены в эластомерный слой покрытия, в типичном случае имеющий модуль сдвига приблизительно 20 МПа. Предпочтительно, чтобы модуль сдвига слоев покрытия был больше модуля сдвига работающего на сдвиг слоя 120, чтобы гарантировать, что деформация кольцевой полосы происходит в первую очередь за счет деформации сдвига в работающем на сдвиг слое 120.
Соотношение между модулем сдвига G эластомерного, работающего на сдвиг слоя 120 и эффективным модулем упругости при продольном растяжении Е'мембрана мембран 130 и 140 определяет деформацию кольцевой полосы под действием приложенной нагрузки. Эффективный модуль упругости при растяжении Е'мембрана для мембраны, использующей обычные материалы шинного брокера, может быть оценен следующим образом:
где: Ерезина - модуль упругости при растяжении для материала эластомерного покрытия,
Р - шаг кордов (расстояние между осевыми линиями кордов), измеренный перпендикулярно направлению кордов,
D - диаметр корда,
ν - коэффициент Пуассона для материала эластомерного покрытия,
α - угол корда относительно экваториальной плоскости,
t - толщина резины между нитями в смежных слоях.
Отметим, что Е'мембрана - модуль упругости мембраны, умноженный на эффективную толщину мембраны. Когда отношение Е'мембрана/G является относительно низким, деформация кольцевой полосы под действием нагрузки близка к деформации однородной полосы и приводит к возникновению неравномерного давления в контакте с землей, как показано на Фиг.2А. С другой стороны, когда отношение Е'мембрана/G является достаточно высоким, деформация кольцевой полосы под действием нагрузки по существу определяется деформацией сдвига в работающем на сдвиг слое с небольшим продольным растяжением или сжатием мембран. Соответственно давление в контакте с землей является практически равномерным как в примере, показанном на Фиг.2В.
Согласно данному изобретению отношение модуля упругости при продольном растяжении мембраны Е'мембрана к модулю сдвига G работающего на сдвиг слоя составляет, по меньшей мере, приблизительно 100:1 и предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 1000:1. Для мембран, содержащих усиленные кордом слои, использующие 4×0,28 корды и рассмотренные здесь углы, требуемый модуль сдвига работающего на сдвиг слоя 120 составляет от приблизительно 3 МПа до приблизительно 20 МПа. Неоднократная деформация работающего на сдвиг слоя 120 во время качения под нагрузкой вызывает рассеивание энергии, обусловленное гистерезисной природой используемых материалов. Общее накопление тепла в шине является функцией как этого рассеивания энергии, так и толщины работающего на сдвиг слоя.
Таким образом, при данной конструкции шины, использующей обычные материалы, гистерезис работающего на сдвиг слоя должен задаваться таким образом, чтобы поддерживать рабочие температуры в шине ниже приблизительно 130°С для шин, находящихся в продолжительном использовании.
Шина, показанная на Фиг.1, имеет плоский поперечный профиль области 110 протектора, первой мембраны 130 и второй мембраны 140. Напряжения в области кольцевой полосы в контактной зоне "С" будут сжимающими для второй мембраны 140, что можно понять из Фиг.3А. По мере возрастания вертикальной радиальной деформации сжатия в шине длина контакта "С" может увеличиваться, в результате чего сжимающее напряжение во второй мембране 140 превысит критическое напряжение выгибания и возникнет продольное выгибание мембраны. Это явление выгибания приводит к снижению контактного давления в продольном направлении зоны контакта. Более равномерное давление в контакте с землей по всей длине контактирующей с землей зоны обеспечивается, если выгибание мембраны предотвращается. Мембрана, имеющая криволинейное поперечное сечение, будет лучше сопротивляться выгибанию в зоне контакта.
В варианте данного изобретения, показанном на Фиг.4, шина 200 содержит кольцевую полосу, включающую работающий на сдвиг слой 220, первую мембрану 230 и вторую мембрану 240, имеющие поперечный радиус, который меньше поперечного радиуса внешней в радиальном направлении поверхности области 210 протектора. Кривизна компонентов, показанная на Фиг.4, преувеличена в целях наглядности. Оптимизация контактного давления между поверхностью протектора и землей для шины пассажирского транспортного средства предполагает, что поперечный радиус второй мембраны 240 составляет, по меньшей мере, 500 мм, а поперечный радиус внешней в радиальном направлении поверхности области 210 протектора составляет, по меньшей мере, 1000 мм.
Когда соблюдаются описанные ранее условия для модуля упругости при продольном растяжении Е'мембрана мембран и модуля сдвига G работающего на сдвиг слоя, а кольцевая полоса деформируется практически за счет сдвига в работающем на сдвиг слое, создается выгодное соотношение, позволяющее определить значения модуля сдвига G и толщину h работающего на сдвиг слоя для заданного варианта применения:
где: Peff - предварительно определенное давление в контакте с землей,
G - модуль сдвига слоя 120,
h - толщина слоя 120,
R - радиальная позиция второй мембраны.
Peff и R - параметры разработки, выбираемые в соответствии с предполагаемым применением шин. Следовательно, Уравнение (2) предполагает, что произведение модуля упругости при сдвиге для работающего на сдвиг слоя на толщину в радиальном направлении упомянутого работающего на сдвиг слоя приблизительно равно произведению предварительно определенного давления в контакте с землей на радиальную позицию внешней поверхности второй мембраны. Фиг.9 графически иллюстрирует это соотношение для широкого диапазона контактных давлений и может быть использована при оценке характеристик работающего на сдвиг слоя для множества различных вариантов применения.
Приведенное выше соотношение удобно для разработчика шины, соответствующей данному изобретению. Например, чтобы создать шину, предназначенную для использования в пассажирском автомобиле, разработчик может выбрать предполагаемое контактное давление Peff величиной от 1,5 до 2,5 даН/см2 и размер шины, при котором радиус R составляет приблизительно 335 мм. При перемножении этих величин может быть получена "характеристика работающего на сдвиг слоя" от 50,25 до 83,75 даН/см, которая может использоваться для определения толщины и модуля сдвига материала работающего на сдвиг слоя. В этом случае при модуле сдвига, находящемся в диапазоне от приблизительно 3 МПа до приблизительно 10 МПа, толщина h работающего на сдвиг слоя составляет, по меньшей мере, 5 мм и предпочтительно находится в диапазоне от приблизительно 10 мм до приблизительно 20 мм.
Шина по данному изобретению несет приложенную нагрузку, как показано на Фиг.3А и 3В. Элементы каркаса находятся под действием растягивающего усилия Т в зоне "А" и в состоянии сжатия в зонах контакта "В", "С". Если вернуться к Фиг.1, предпочтительной геометрией для области 150 боковины является ее прямоугольное сечение на протяжении от области 110 протектора до областей 160 бортов, если смотреть в меридианной плоскости шин. Области боковин могут расходиться от протектора к ободу, как показано на Фиг.1, или сходиться, оставаясь при этом прямоугольного сечения.
В шине 100, показанной на Фиг.1, области 150 боковин усилены практически нерастяжимыми кордами, ориентированными вдоль радиального направления. Характеристики "сила/удлинение" областей 150 боковин являются такими, что растягивающие силы создают минимальное удлинение области боковины, аналогично увеличению растяжения натянутой струны. В качестве сравнения, когда к криволинейной боковине обычной пневматической шины прикладывается растягивающее усилие в ненакачанном состоянии, растягивающая сила первоначально выпрямляет кривую линию и таким образом удлиняет боковину. Только после того, как криволинейная боковина выпрямлена, в ней будет усиливаться растяжение.
Как можно понять из Фиг.3А и 3В, эффективная поддержка нагрузки достигается в случае области боковины, которая имеет высокую жесткость при растяжении, но очень низкую жесткость при сжатии. Шина по данному изобретению содержит область боковины, имеющую эффективную радиальную жесткость при растяжении, которая в достаточной степени больше, чем эффективная радиальная жесткость при сжатии, в результате чего приложенная внешняя нагрузка практически компенсируется растягивающими силами в зоне "А" области 150 боковины, не контактирующей с землей. Эффективная радиальная жесткость области боковины означает способность растягиваться или сжиматься, относящуюся ко всей поверхности боковины по радиусу шины. Она может быть измерена, например, путем взятия образца из боковины, который сохраняет геометрию боковины в ее ненапряженном состоянии, и последующего тестирования этого образца в стандартном устройстве для испытаний на растяжение. Криволинейная боковина, имеющаяся в пневматической шине, будет иметь жесткость при растяжении, которая зависит от кривизны боковины и, соответственно, будет ниже, чем жесткость при растяжении боковины шины по данному изобретению, которая является практически прямолинейной.
Предпочтительно, чтобы области боковин практически не растягивались под действием растягивающего усилия и практически не оказывали сопротивления выгибанию при сжатии. При соблюдении этого условия приложенная внешняя нагрузка по существу компенсируется растягивающими силами в области боковины в зоне шины, не контактирующей с землей, при этом практически не возникает вертикальной поддержки нагрузке со стороны области боковины, расположенной в зоне, контактирующей с землей.
Требования по жесткости боковины при сжатии могут соблюдаться, если область боковины имеет толщину в осевом направлении менее 10% высоты сечения шины по радиусу.
Вертикальная жесткость связана со способностью шины сопротивляться деформации под действием нагрузки. Вертикальная жесткость шины сильно зависит от реакции той части шины, которая не контактирует с землей, "противодействие деформации" шины. Фиг.5А и 5В иллюстрирует это явление в преувеличенном виде. Когда шина находится под нагрузкой L, она деформируется в процессе радиального сжатия на величину f, что формирует зону С контакта с землей. Отметим, что для целей данного описания в системе координат на Фиг.5А и 5В сохраняется постоянное положение оси шины А и перемещается поверхность земли вверх, по направлению к этой оси. Вертикальная деформация f пропорциональна нагрузке L, на основе чего можно рассчитать вертикальную жесткость Кv. Так как кольцевая полоса стремится сохранить неизменную длину, часть шины, не находящаяся в контакте, смещается или противодействует радиальной деформации шины в направлении от зоны контакта С, как показано пунктирными линиями на данных чертежах. Величина λ противодействия деформации также пропорциональна нагрузке L, и поэтому может быть получена жесткость Кλ противодействия деформации. Жесткость Кλ противодействия деформации связана с тем, каким образом нагрузка действует на усиливающие корды шины, не контактирующие с землей, и должна пониматься включающей как поперечные, так и круговые структурные взаимодействия.
Величина противодействия деформации может быть измерена непосредственно путем нагружения шины нагрузкой F при фиксированном положении оси и измерения как деформации f шины в зоне контакта, так и деформации (прогиба) поверхности протектора в зоне, противоположной зоне контакта. Затем жесткость противодействия деформации определяется путем деления нагрузки F на величину λ противодействия деформации.
На практике жесткость Кλ противодействия деформации по существу определяет вертикальную жесткость шины и, соответственно, смещение под действием нагрузки оси колеса с установленной шиной. Как можно видеть на Фиг.5А, жесткость Кλ противодействия деформации определяет длину зоны контакта. Низкая жесткость противодействия деформации позволяет кольцевой полосе перемещаться вертикально под действием нагрузки и, таким образом, уменьшает допустимую нагрузку при данной деформации. Соответственно шина, имеющая высокую жесткость противодействия, обладает относительно меньшей величиной противодействия деформации и более длинной зоной контакта и в результате может нести более высокую нагрузку.
На Фиг.10 графически показана приблизительная зависимость жесткости Кλ противодействия деформации от вертикальной жесткости шины. Фиг.10 демонстрирует независимость вертикальной жесткости и контактного давления, появляющуюся при использовании данного изобретения, что делает возможным гибкость конструирования, не доступную для пневматических шин. В типичном случае спущенная пневматическая шина имеет жесткость противодействия деформации на единицу ширины зоны контакта, составляющую менее 0,1 даН/мм2. В противоположность этому соответствующая данному изобретению шина может быть разработана таким образом, чтобы ее жесткость противодействия деформации на единицу ширины зоны контакта находилась в диапазоне, нижняя граница которого выше 0,1 даН/мм2.
Преимущественно исходные параметры разработки для любого предполагаемого варианта применения могут выбираться, используя Фиг.10 в комбинации с Фиг.9. После того, как с использованием Фиг.9 выбраны контактное давление, вертикальная нагрузка и площадь контакта, с использованием Фиг.10 для шины могут быть определены характеристики вертикальной жесткости.
После получения на основе Фиг.10 приближенного требуемого значения жесткости Кλ противодействия деформации разработчик затем должен применить доступные аналитические инструменты, например расчет методом конечных элементов, чтобы определить конструкцию, в которой достигается эта жесткость. Последующая работа, включая изготовление и тестирование шин, должна подтвердить параметры разработки.
Жесткость Кλ противодействия деформации может быть изменена несколькими путями. Некоторые из параметров разработки, используемые для регулирования этой жесткости, включают модуль и плотность каркасного корда, высоту боковины, модуль эластомерного покрытия каркасных кордов, геометрию связи между каркасом и кольцевой полосой, модуль связующей резины, модуль упругости при сжатии мембран кольцевой полосы, толщину работающего на сдвиг слоя, диаметр шины и ширину кольцевой полосы.
Для оптимизации возможностей данной шины по несению нагрузки может регулироваться вертикальная жесткость. В другом случае вертикальная жесткость может регулироваться, чтобы создать кольцевую полосу уменьшенной толщины для уменьшенного контактного давления или уменьшенной массы шины, но при этом требуемый уровень вертикальной жесткости должен сохраняться.
Вертикальная жесткость шины по данному изобретению также зависит от влияния центростремительных сил на кольцевую полосу и области боковин. По мере возрастания скорости качения шины центростремительные силы увеличиваются. В обычных радиальных шинах центростремительные силы могут повышать рабочую температуру шины. В противоположность этому в шине по данному изобретению достигается неожиданный положительный результат от этих же самых сил. Когда соответствующая данному изобретению шина вращается при приложенной нагрузке, центростремительные силы вызывают тенденцию расширения кольцевой полосы в направлении по окружности и порождают дополнительное растягивающее усилие в областях боковин. Жесткие в радиальном направлении боковины в части шины, не контактирующей с землей (зона "А" на Фиг.3А), сопротивляются этим центростремительным силам. Это создает результирующую силу, направленную вверх, которая способствует увеличению эффективной вертикальной жесткости шины и снижению деформации шины по сравнению со статическим не вращающимся состоянием. Этот результат является значительным, если отношение продольной жесткости упомянутой полосы в экваториальной плоскости шины (2·Е'мембрана) к эффективной жесткости области боковины при растяжении составляет менее 100:1.
Шины, разработанные для использования в пассажирском автомобиле и отвечающие спецификациям шины 200, изображенной на Фиг.4, были изготовлены с применением обычных процессов производства и материалов и опробованы на практике. Итоговые результаты приведены в Таблице 1.
Е'мембрана=8750 Н/мм Peff=G*h/R=1,6 бар
ческая 2
тение
При проведении субъективной оценки тестируемая пневматическая шина 1 накачивалась до рекомендуемого давления для холодной шины, а тестируемая пневматическая шина 2 накачивалась до такого давления, при котором достигается вертикальная жесткость, эквивалентная жесткости шины, изготовленной в соответствии с данным изобретением.
В шинах, соответствующих спецификациям шины 200, наблюдается тенденция к установлению положительных, или стимулирующих движение, средних значений продольных напряжений в контакте с землей вдоль продольной осевой линии зоны контакта и отрицательных, или тормозящих, - вдоль боковых краев зоны контакта. Это различие обусловлено разницей в радиусе качения между осевой линией и боковыми краями кольцевой полосы. Предпочтительный результат для функционирования шины (в частности, износ) достигается, когда продольные напряжения между осевой линией и боковыми краями являются хорошо уравновешенными.
Предпочтительный вариант реализации данного изобретения показан на Фиг.6, где шина 300 содержит волнистую вторую мембрану, имеющую некоторую амплитуду волнистости в радиальном направлении и некоторую длину волны в осевом направлении. Амплитуда волнистости определяется как разность между точками максимума и минимума на поверхности мембраны в радиальном направлении. Длина волны определяется как расстояние в осевом направлении между смежными точками максимума на поверхности мембраны в радиальном направлении. Волнистая вторая мембрана противостоит выгибанию благодаря сжатию в зоне контакта аналогично дуговидной мембране шины 200 на Фиг.4. Деформирование второй мембраны с изменением ее формы из по существу кольцевой в плоскую под действием приложенной внешней нагрузки происходит без продольного выгибания этой мембраны и при этом сохраняется практически равномерное давление в контакте с землей, контактирующей с землей области протектора по всей длине зоны контакта. Эффективность сопротивления волнистой мембраны выгибанию не зависит от ее общей кривизны в поперечном направлении. Таким образом, шина 300 может иметь вторую мембрану 340, чей поперечный радиус кривизны может задаваться с целью оптимизации напряжений в контакте с землей независимо от сопротивления этой мембраны выгибанию. Предпочтительно вторая мембрана 340 имеет от двух до пяти циклов волнистости и длину волны от приблизительно 20% до приблизительно 50% от ширины протектора, контактирующего с землей при качении, в области 310 протектора. Амплитуда волнистости предпочтительно составляет приблизительно от 20% до 50% от максимальной толщины работающего на сдвиг слоя и может быть постоянной или переменной. Работающий на сдвиг слой 320 может иметь среднюю толщину, равную постоянной толщине работающего на сдвиг слоя, определяемой уравнением (2) для слоев 120 и 220 шин 100 и 200 соответственно.
На Фиг.6, 7 и 8 показаны модификации волнистой второй мембраны, где эта мембрана имеет соответственно два, четыре или пять гребней. В этих модификациях гребни расположены под протекторными ребрами, хотя количество гребней не обязательно должно быть функцией количества протекторных ребер, и шина не обязательно должна иметь продольные ребра. Данное изобретение может в равной степени применяться к шине с гладким протектором или другому резиновому изделию, не имеющему канавок. Когда шина 300 имеет, по меньшей мере, одну протекторную канавку 315, расположенную в радиальном направлении выше минимума волнистости, канавка может иметь увеличенную глубину по сравнению с номинальной глубиной протектора в обычной шине. В этом случае "номинальная" означает стандартную глубину протектора для конкретного класса шин, заданную Ассоциацией по стандартизации шин и ободов (Tire and Rim Association) г. Копли, штат Огайо (Copley, Ohio). В модификациях, проиллюстрированных шинами 300, 400 и 500, по меньшей мере, одна протекторная канавка имеет глубину, по меньшей мере, 120% от номинальной глубины протектора.
Очевидно, что на основе приведенного выше описания специалисту в данной области техники становится очевидным множество других модификаций данного изобретения. Эти и другие модификации не выходят за пределы сущности и объема представленного изобретения, определенных пунктами приложенной Формулы изобретения.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| КОНСТРУКТИВНО ПОДДЕРЖИВАЕМАЯ ШИНА-ЭЛАСТИК С КАРКАСОМ СО СМЕЩЕННЫМ СЛОЕМ | 2001 |
|
RU2261804C2 |
| НЕПНЕВМАТИЧЕСКАЯ ШИНА | 2001 |
|
RU2269425C2 |
| СИСТЕМА ДЛЯ НЕПНЕВМАТИЧЕСКОЙ ОПОРЫ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА | 2011 |
|
RU2463171C1 |
| СТРУКТУРНО НЕСУЩАЯ ШИНА, А ТАКЖЕ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОПЕРЕЧНОГО ПРОФИЛЯ ПЕРЕМЫЧКИ-СПИЦЫ ДЛЯ ТАКОЙ ШИНЫ | 2005 |
|
RU2372209C2 |
| УПРУГОДЕФОРМИРУЕМОЕ КОЛЕСО | 2004 |
|
RU2347684C2 |
| БРЕКЕРНАЯ КОНСТРУКЦИЯ ДЛЯ ШИНЫ | 2020 |
|
RU2749204C1 |
| ПНЕВМАТИЧЕСКАЯ ШИНА С КОЛЬЦЕОБРАЗНОЙ ВОГНУТОСТЬЮ БОКОВИНЫ | 2017 |
|
RU2742440C2 |
| ПНЕВМАТИЧЕСКАЯ ШИНА С ПОВЫШЕННОЙ СТОЙКОСТЬЮ К ВНЕШНИМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ | 2007 |
|
RU2441768C2 |
| ПРОТЕКТОРНЫЙ БРАСЛЕТ ДВОЙНОЙ СТРУКТУРЫ ДЛЯ ШИНЫ | 1999 |
|
RU2242374C2 |
| ШИНА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА, СОДЕРЖАЩАЯ УПРОЧНЯЮЩУЮ КОНСТРУКЦИЮ | 2019 |
|
RU2766023C1 |
Изобретение относится к автомобильной промышленности. Упругая шина, несущая нагрузку без внутреннего давления воздуха, включает контактирующую с землей область протектора и области боковин, проходящие в радиальном направлении внутрь от области протектора и закрепленные в областях бортов, приспособленных оставаться скрепленными с колесом во время качения шины. Усиленная кольцевая полоса расположена в радиальном направлении внутри протектора. Упомянутая полоса содержит эластомерный, работающий на сдвиг слой, по меньшей мере первую мембрану, скрепленную с внутренней в радиальном направлении поверхностью эластомерного, работающего на сдвиг слоя, и, по меньшей мере, вторую мембрану, скрепленную с внешней в радиальном направлении поверхностью эластомерного, работающего на сдвиг слоя. В результате повышается надежность шины за счет возможности ее использования в ненакачанном состоянии. 5 н. и 22 з.п. ф-лы, 13 ил. 1 табл.
в результате чего деформирование второй мембраны с изменением ее формы из, по существу, кольцевой в плоскую под действием приложенной внешней нагрузки происходит без продольного выгибания второй мембраны, при этом сохраняется практически равномерное давление в контакте с землей контактирующей с землей области протектора по всей длине зоны контакта.
усиленную кольцевую полосу, расположенную в радиальном направлении внутри области протектора, причем полоса содержит эластомерный, работающий на сдвиг слой, по меньшей мере, первую мембрану, скрепленную с внутренней в радиальном направлении поверхностью эластомерного, работающего на сдвиг слоя, и, по меньшей мере, вторую мембрану, скрепленную с внешней в радиальном направлении поверхностью эластомерного, работающего на сдвиг слоя, и где отношение продольной жесткости кольцевой полосы в экваториальной плоскости шины к эффективной радиальной жесткости области боковины при растяжении составляет менее 100:1, в результате чего вращение шины при приложенной нагрузке вызывает расширение кольцевой полосы в направлении по окружности и порождает дополнительное растяжение в областях боковин и уменьшает радиальную деформацию сжатия шины по сравнению с состоянием покоя.
усиленную кольцевую полосу, расположенную в радиальном направлении внутри области протектора, где полоса содержит эластомерный, работающий на сдвиг слой, по меньшей мере, первую мембрану, скрепленную с внутренней в радиальном направлении поверхностью эластомерного, работающего на сдвиг слоя, и, по меньшей мере, вторую мембрану, скрепленную с внешней в радиальном направлении поверхностью эластомерного, работающего на сдвиг слоя, и где области боковин являются практически нерастяжимыми при растяжении и практически не оказывают сопротивления выгибанию при сжатии, в результате чего приложенная внешняя нагрузка компенсируется практически силами растяжения в области боковины в зоне шины, не контактирующей с землей, и практически без вертикальной компенсации нагрузки со стороны области боковины, находящейся в зоне контакта с землей.
выбор давления в контакте с землей и радиуса шины; умножение давления в контакте с землей на радиус шины для определения характеристики работающего на сдвиг слоя; выбор материала работающего на сдвиг слоя, имеющего модуль упругости при сдвиге и толщину, таким образом, чтобы произведение модуля упругости при сдвиге на толщину равнялось характеристике работающего на сдвиг слоя; выбор мембран, имеющих модуль упругости при растяжении, который, по меньшей мере, в 100 раз больше модуля упругости при сдвиге; сборка контактирующей с землей области протектора, усиленной кольцевой полосы, расположенной в радиальном направлении внутри области протектора, по меньшей мере, первой мембраны, скрепленной с внутренней в радиальном направлении поверхностью эластомерного, работающего на сдвиг слоя, по меньшей мере, второй мембраны, скрепленной с внешней в радиальном направлении поверхностью эластомерного, работающего на сдвиг слоя, и областей боковин, проходящих в радиальном направлении внутрь от области протектора и закрепленных в областях бортов для крепления к колесу.
| US 5201971 А, 13.04.1993 | |||
| US 5164028 А, 17.11.1992 | |||
| US 4425953 А, 17.01.1984 | |||
| US 4456048 A, 26.06.1984 | |||
| US 3233649 А, 08.02.1966. |
