本主题涉及一种拥有辐条的柔性非充气车轮，所述辐条通过剪切变形对外部带施加张力。
背景技术：
非充气车轮的细节和益处描述于例如美国专利号6,769,465；6,994,134；7,013,939；和7,201,194中，所述美国专利以全文引用的方式结合在此。一些非充气轮胎构造并入剪切带，其实施例描述于例如美国专利号6,769,465和7,201,194中，所述美国专利以全文引用的方式结合在此。此类非充气轮胎提供无需依赖于气体充气压力以用于支撑施加到轮胎的负载的轮胎性能优势。
在非充气车轮的一个实例中，具有地面接触部分的柔性带可与从中心元件或轮毂径向延伸的多个张力传递的腹板状元件(也被称为“辐条”)相连接。通过举例，可通过开放式铸造模制形成此类非充气车轮，其中将例如聚氨酯的材料倒入形成非充气轮胎的全部或部分的模具中。可替代地，辐条可单独形成，接着附接到外部带和轮毂。例如绳索等一个或多个加强结构可模制在外部带中的适当位置以增大外部带的压缩和拉伸硬度。
辐条的拉伸被车轮的外部带中的周向压缩抵消。辐条的拉伸越大，周向压缩就越大。均匀辐条拉伸由辐条中的每一个的均匀拉动形成。当车轮置于负载下时，例如当车轮支撑车辆的重量时，负载的一部分通过外部带中的周向压缩力在周向方向上被载送到外部带的顶部。车轮的顶部处的辐条载送与施加到车轮的负载成比例的更大拉伸量。此负载载送机构类似于充气轮胎的径向绳索如何在轮缘的顶部上载送车辆的负载且大体上被称为“顶部负载车轮”。
例如实心轮胎、半实心轮胎、充满泡沫的轮胎或弹簧车轮等底部负载车轮载送与轮胎的轮毂处于抵靠压缩的负载的主要部分。
当轮胎碰到障碍物时，例如可能会碰到轮胎在不光滑的表面上滚动，或当碰到例如岩石、裂缝、坑洞或路缘等障碍物时，外部带短暂地移位且使辐条短暂地变形。如果辐条具有高硬度速率，那么由障碍物所致的变形与在辐条具有低硬度速率时相比形成传递到车辆的更大负载。由障碍物形成的短暂高负载被车辆和其操作者感知为噪声、振动或冲量。
大体上，辐条硬度随辐条延伸而增大。辐条的硬度与辐条的移位相比的斜率将指示车轮对由于碰到障碍物所致的短暂位移的响应。虽然当轮胎碰到短暂移位时具有更小硬度-移位斜率的辐条将对车辆施予更少的力，但是斜率越大，随辐条移位而形成的力就越大。
更长辐条允许辐条的更大变形以吸收撞击。更长辐条减轻与增大的辐条拉伸相关联的增大的硬度速率的影响。然而，辐条长度受到轮胎的轮毂和外部带的直径的限制。辐条的弯曲也可导致辐条发生大的局部变形、疲劳和过早断裂。
因此，具有足够低以减少噪声、振动和冲量的硬度速率的辐条结构将是有用的。避免大的局部辐条变形的辐条结构也将是有用的。还会最小化轮毂与外部柔性带之间的距离的辐条结构将是特别有用的。
技术实现要素：
方面和优点将部分地在以下描述中阐述，或是通过描述可显而易见的，或可通过本发明的实践而习得。
在一个示范性实施例中，公开一种非充气车轮，具有柔性外部带、内轮毂和将外部带连接到轮毂的多个辐条，每个辐条具有附接到外部带的第一辐条部分、附接到轮毂的第二辐条部分和接合第一辐条部分与第二辐条部分的至少一个剪切变形构件。在至少一个示范性实施例中，辐条具有在组装期间施加的预拉伸，使得在其正性拉伸状态中的辐条延伸等于或大于靠压在平坦表面上的轮胎在其被设计成载送的最大负载下的移位距离。
在另一示范性实施例中，公开一种非充气车轮，具有：柔性外部带和内轮毂；多个第一辐条部分，每个第一辐条部分具有第一末端和第二末端；多个第二辐条部分，每个第二辐条部分具有第一末端和第二末端，每个第一辐条部分的第一末端连接到轮毂且每个第二辐条部分的第二末端连接到外部带，每个第一辐条部分的第二末端连接到剪切变形构件的第一末端且每个第二辐条部分的第一末端连接到剪切变形构件的第二末端。在替代示范性实施例中，第一辐条部分和第二辐条部分具有沿着其长度延伸的加强件。在替代示范性实施例中，第二辐条部分在每个第二辐条部分的第二末端处的两个点处分叉和附接。在替代示范性实施例中，第二辐条部分在每个第二辐条部分的第二末端处的两个点处分叉和附接且拥有加强件。
在另一示范性实施例中，公开一种非充气车轮，具有：柔性外部带和内轮毂；多个第一辐条部分，每个第一辐条部分具有第一末端和第二末端；多个第二辐条部分，每个第二辐条部分具有第一末端和第二末端，每个第一辐条部分的第一末端连接到轮毂且每个第二辐条部分的第二末端连接到外部带，每个第一辐条部分的第二末端连接到剪切变形构件的第一末端且每个第二辐条部分的第一末端连接到剪切变形构件的第二末端，所述第一辐条部分具有从第一辐条部分第一末端延伸到第一辐条部分第二末端的加强件，且第二辐条部分具有从第二辐条部分第一末端延伸到第二辐条部分第二末端的加强件。
在另一示范性实施例中，公开一种非充气车轮，具有：柔性外部带和内轮毂；多个内部辐条部分，每个内部辐条部分具有第一末端和第二末端；多个外部辐条部分，每个外部辐条部分具有第一末端和第二末端，每个内部辐条部分的第一末端连接到轮毂且每个外部辐条部分的第二末端连接到外部带，每个内部辐条部分的第二末端连接到剪切变形构件的第一末端且每个外部辐条部分的第一末端连接到剪切变形构件的第二末端，其中每个外部辐条部分连接到两个邻近的内部辐条部分，同样，每个内部辐条部分连接到两个邻近的外部辐条部分。
在另一示范性实施例中，如在以上示范性实施例中的任一个中所描述的非充气车轮，其中辐条预拉伸形成从中间位置到延伸位置的等于或大于轮胎在负载到如由制造商指定的最大承载量时在接触面(contactpatch)中的移位的辐条移位，其中中间位置是辐条在未连接到轮毂结构或外部带时将采用的位置且其中延伸位置是辐条连接到轮毂和外部带且轮胎在未负载状态中的位置。
这些和其它特征、方面和优点将参考以下描述和所附权利要求书变得更好理解。结合在此说明书中且构成此说明书的一部分的附图说明实施例，且连同描述一起用以解释实施例。
附图说明
本说明书中阐述针对所属领域的技术人员的全面和可让人实现的公开内容，包含其最佳模式，本说明书参考了附图，在附图中：
图1提供非充气车轮的示范性实施例的侧面视图，所述非充气车轮具有将内轮毂连接到外部带的多个剪切变形辐条。
图2提供车轮的示范性实施例的侧面视图，其中所述车轮在施加的负载下靠压在表面上。
图3示出通过剪切变形构件连接的径向内部辐条部分和邻近的径向外部辐条部分的局部侧视图。
图4示出在延伸的正性剪切状态(实线)中和在松弛或中性剪切状态(虚线)中的剪切变形构件。
图5示出在径向外部辐条处附接到外部带的辐条的局部透视图的替代实施例。
图6示出附接到轮毂的辐条的局部透视图的实施例。
图7示出具有附接到加强型辐条结构的梯形剪切变形构件的替代实施例。
图8示出车轮的实施例的计算机模型有限元测试模型。
图9描绘从具有从其它轮胎设计获得的剪切变形辐条测试数据的实施例的计算机模型测试获得的数据，所述其它轮胎设计包含气动、非充气和混合轮胎。
不同图中的相同或类似参考标号的使用表示相同或类似特征。
具体实施方式
本发明描述提供一种非充气轮胎，具有通过将外部带连接到轮毂的剪切可变形块的剪切变形而拉伸的多个辐条。出于描述实施例的目的，现在将详细参考实施例和/或方法，其一个或多个实例说明于图式中或用图式说明。每个实例以解释而不是限制本发明的方式提供。实际上，所属领域的技术人员将显而易见，在不脱离实施例的范围或精神的情况下可进行各种修改和变化。举例来说，说明或描述为一个实施例的部分的特征或步骤可与另一实施例或步骤一起使用以产生再一实施例或方法。因此，希望本发明涵盖此类修改和变化，如同其处于所附权利要求书及其等效物的范围内。
以下术语针对本公开如下定义：
图中的“轴向方向”或字母“a”是指平行于例如剪切带、轮胎和/或车轮在其沿着道路表面行进时的旋转轴的方向。
图中的“径向方向”或字母“r”是指与轴向方向正交且在与从轴向方向垂直延伸的任何半径相同的方向上延伸的方向。
“赤道平面”意味着垂直于旋转轴传递且平分剪切带和/或车轮结构的平面。
“径向平面”意味着垂直于赤道平面传递且穿过车轮的旋转轴的平面。
“有效长度”是指辐条在到轮毂的辐条连接与到车轮的外部带的辐条连接之间跨越的直线距离。
其被设计成载送的最大负载应被理解为由制造商指示的应由轮胎在其附接到的车辆的标准操作条件下载送的最大负载。
图1提供非充气车轮10的示范性实施例的侧面视图，所述非充气车轮10具有将内轮毂100连接到外部带400的多个剪切变形辐条300。此处，车轮10被描绘为在未负载状态中，其中辐条300中的每一个在轮毂100与围绕车轮10的外部带400之间延伸相等距离。辐条300包括径向内部部分320和径向外部部分370。至少一个剪切变形构件350将径向内部辐条部分320连接到径向外部辐条部分370。此处，剪切变形构件350是从径向内部辐条部分320的表面延伸到邻近的径向外部辐条部分370上的相对表面的橡胶块。在此实施例中，每个径向内部辐条部分320连接到两个邻近的径向外部辐条部分370。径向外部辐条部分370同样地连接到两个径向内部辐条部分320。
当从轮胎的侧面观察时，径向外部辐条部分370分叉或分流以形成“y形状”。这为每个外部辐条部分370提供到外部带400的两个附接点，从而与单个附接相比有助于更均匀地分布负载。可替代地，可使用更多辐条，然而，额外辐条将产生周向更短的剪切变形构件350，这将会使得剪切变形构件350针对相同辐条移位经历更高应力。y形外部辐条部分370允许使到外部带的连接点的数目加倍，同时维持相同数目的剪切变形构件350。虽然三十二个剪切变形构件示出于本发明的实施例中。可替代地，车轮在围绕车轮的单个周向行中可拥有九十个剪切变形构件370，其中每个邻近的对连接到四十五个径向内部辐条部分320和四十五个径向外部辐条部分370且一百八十个外部辐条与外部带400分叉连接。可替代地，径向外部辐条370可能不具有分叉，且对于具有九十个径向外部辐条370的车轮，与外部带400只有九十个辐条连接。具有不同数目的辐条的其它实施例是可能的且在实施例的范围内，原因在于辐条的数目可取决于车轮的大小或轮胎被设计成适应的所要辐条移位而变化。
胎面450可形成于外部带400上，如本发明的实施例中所示出。胎面450可由一个或多个凹槽、草皮、凸起块、凸起隆脊或形成于外部带400中的其它表面纹理形成。外部带可拥有内部加强件，包含例如线缆、绳索或复合物，所述复合物例如纤维加强型塑料、玻璃纤维或碳纤维复合物。
图2示出在施加的负载l下靠压在例如地面等大体上平坦表面3上的非充气车轮的示范性实施例。在施加的负载l下，轮胎抵靠地面3变形以形成接触面，所述接触面使力分布在地面上。车轮d的移位由虚线5在图中示出，所述虚线5表示居中于车轮的中心轴线上的在未负载状态中的相同轮胎。如在图中可看出，在负载下的车轮在车轮的顶部部分处向上移位，使得车轮的上部部分中的辐条进一步延伸且因此被置于比紧接在接触面上的车轮部分中的辐条更大的张力下。
车轮10的接触面部分中的辐条300具有有效长度，所述有效长度在围绕车轮定位于别处的辐条中更短。剪切变形构件350随着辐条的径向外部部分370朝向轮毂100移动而大部分在剪切时变形，且辐条的径向内部部分320随着辐条随车轮围绕其中心轴线旋转移动到接触面中而更接近车轮10的外部带400移动。当辐条300的外部部分370远离轮毂100移位且有效长度延长时，在轮毂的与接触面相对的侧上的剪切变形构件350在相反方向上剪切。
图3示出通过剪切变形构件350连接的径向内部辐条部分320和邻近的径向外部辐条部分370的局部侧视图。此处，辐条300拥有将径向外部辐条部分370连接到径向内部辐条部分320的第一剪切变形构件351和将辐条连接到邻近的辐条组件的第二剪切变形构件352。可替代地，辐条300可拥有仅一个剪切变形构件350。可替代地，辐条300可由多个剪切变形构件350连接。此处，辐条径向内部部分320和辐条径向外部部分370与剪切变形构件350的剪切模量相比拥有相对高的拉伸模量，使得辐条300的大部分延伸发生在对剪切变形构件350的剪切时。
辐条径向内部部分320和外部部分370可由具有沿着径向方向嵌入以防止延伸的加强件的材料构造，或可替代地或另外由具有相对高的拉伸硬度的材料构造。在此实施例中，辐条由嵌入有提供拉伸硬度的加强件的橡胶构造。
在当前实施例中，剪切变形构件350由橡胶构造且围绕辐条320、370对称，两个一组重复。剪切变形构件350此处被描绘在松弛的未延伸状态中。当辐条连接到轮毂和外部带时，辐条在正性拉伸状态中。在所示出的实施例中，当如图1和图2中所示出附接到轮毂100和外部带400时，辐条拉伸贯穿轮胎在大部分滚动条件期间的旋转、具体地说在等于或小于轮胎被设计成载送的最大负载的负载下在水平地面上滚动时维持正性状态。
在所示出的实施例中，剪切变形构件350拥有增厚的中间区段以防止屈曲。在径向方向r上测量剪切变形构件350的厚度且在周向方向c上测量剪切变形构件的长度。
图4示出在延伸的正性剪切状态(实线)中和在松弛或中性剪切状态(虚线)中的剪切变形构件350。由箭头t所示出的施加到辐条的张力致使剪切变形构件350随着辐条300延伸而剪切。未变形状态与拉伸状态之间的移位可取决于所设计的用途和车轮的负载条件而随设计变化。在所示出的实施例中，被设计成辐条组件在未变形状态与预拉伸状态之间的目标移位大约等于接触面中的轮胎在标准负载条件下的最大移位d。
图5示出在径向外部辐条370处附接到外部带400的辐条300的局部透视图的替代实施例。此实施例拥有外部带400中的周向加强件420。在此实施例中，径向内部辐条部分320以机械方式附接到轮毂100。径向内部辐条部分320的径向内端具有接合形成于轮毂100中的保持狭槽150的增厚部分325。
图6示出附接到轮毂100的辐条300的局部透视图的实施例。此处，剪切变形构件350在正性剪切状态中延伸。径向内部辐条部分保持在轮毂保持狭槽150中。
图7示出具有附接到加强型辐条结构320、370的梯形剪切变形构件350的替代实施例。此处，辐条径向外部结构370加强件由围绕轮胎的外部带400延伸的周向连续的加强件形成。辐条结构加强件在外部带的内表面处附接到外部带400。此处，辐条由某一材料制成，使得其拉伸时的硬度至少是橡胶块在拉伸时的硬度的十倍，且等于或小于橡胶块在压缩时的硬度。作为连续加强件的替代方案，织物纱线类型的加强件可围绕车轮周向地编织，使得在轴向方向上，多个层完成辐条的加强。在至少一个此类替代实施例中，如沿着轴向方向所测量，一百层纱线围绕模具周向地编织，从而形成径向外部辐条加强件。
辐条径向内部部分320可通过机械连接而连接到轮毂，所述机械连接例如狭槽和对应的径向内部辐条部分320的增厚径向内端。可替代地，径向内部辐条部分320可通过胶粘剂接合附接到轮毂。在组装之后，外部带、辐条、橡胶块和轮毂以机械方式永久性地联接为一个机械单元。
作为替代实施例，车轮拥有四十五个辐条单元，其中具有总共九十个剪切变形构件以及与外部带的九十个连接和与轮毂的四十五个辐条连接。
使用辐条结构的有限元模型进行的实验测试揭示类似于充气轮胎的时域响应的时域响应。当以10到90公里每小时的模拟速度进行测试时，振动、噪声和其它冲击力类似于充气轮胎的振动、噪声和其它冲击力。
图8示出车轮10的实施例的计算机模型有限元测试模型，所述车轮10具有四十五个辐条元件、连接到外部带400的九十个剪切变形构件350。此处，外部带被示出为在其在障碍物上滚动时是柔性的，所述障碍物在此处示出为固着楔(cleat)。接着将计算出的测试结果与来自其它构造的轮胎的测试结果进行比较。
图9描绘从具有剪切变形辐条(sdp)的实施例的计算机模型测试获得且与从具有类似大小且被设计用于类似负载条件的测试轮胎的实验结果获得的数据相比的实验数据，所述类似负载条件即：乘客车辆轮胎具有粗略相同的直径和承载量。每个轮胎负载有4500牛顿的簧下力且以等于以10kph增量在10到90kph下行进的车轮的旋转速度在固着楔4上驱动。固着楔4是地表面3上的凸起部分，轮胎在所述固着楔4上滚动。测量在垂直方向fz上的最大额外力且以牛顿报道。将以下轮胎与具有剪切变形辐条(sdp)的非充气轮胎的实施例的模型进行比较：非充气轮胎(npp)，其中辐条在一端处连接到轮毂且在另一端处连接到外部带；具有互连辐条(inp)的非充气轮胎，其中辐条具有到任一侧上的邻近辐条的一个连接；混合非充气轮胎(ht1)，其具有类似于具有增厚侧壁的充气轮胎的充气空腔；混合非充气轮胎(ht2)，其具有类似于具有厚度减少的侧壁的充气轮胎的充气空腔；充气到2.4巴的传统非充气参照轮胎(wt2)；充气到2.6巴的传统非充气参照轮胎(wt3)；和充气到2.1巴的传统非充气参照轮胎(wt1)。
收集到的数据展现出已在有限元模型固着楔上运行的轮胎的出人意料的类似频率响应结果。当剪切变形辐条车轮(sdp)在固着楔上滚动时在垂直方向fz上的最大额外力出人意料地类似于对在固着楔上运行的充气轮胎(wt1、wt2、wt3)记录的最大额外力。特别出人意料的是在剪切变形辐条车轮(sdp)模型的垂直方向fz上的最大额外力显著小于所观察到的具有在拉伸时变形的辐条的非充气轮胎(nnp、inp)的最大额外力且更接近于具体地说在更高速度下的充气轮胎(wt1、wt2、wt3)的值。
应理解，在实施例的范围内可使用其它辐板元件配置和几何结构，包含在径向内部辐条部分320与径向外部辐条部分370之间拥有多个剪切变形构件350的腹板元件，或多行腹板元件，使得多个侧向邻近的辐条可存在于车轮中。
虽然已关于本发明的具体示范性实施例和其方法详细地描述本发明主题，但是应了解，在获得对前述内容的理解之后所属领域的技术人员可容易地产生对此类实施例的改变、变化和等效物。因此，本公开的范围是作为实例而非作为限制，且本公开并不排除将此类修改、变化和/或添加包含到本发明主题中，如所属领域的技术人员将容易地显而易见。