CN116568527A - 具有带层的轮胎 - Google Patents

Abstract

一种制造轮胎胎面的方法包括提供材料片材以及将该材料片材形成为圆筒，使得该材料片材的第一边缘接触该材料片材的第二边缘。该方法还包括将该第一边缘焊接到该第二边缘以形成有缝圆筒的焊接接头以及围绕该有缝圆筒设置胎面橡胶。

Description

具有带层的轮胎

技术领域

本公开涉及轮胎及其制造方法。更具体地，本公开涉及具有附接到胎面橡胶层的带层的轮胎及其制造方法。

背景技术

已开发出各种能使轮胎在未充气或充气不足状态下行驶的轮胎构造。非充气轮胎不需要充气，而“防爆轮胎”在被刺穿和损失全部或部分加压空气后可以继续在相对高速下行驶延长的时间。非充气轮胎可包括多个轮辐、腹板或将下环连接到上环的其他支撑结构。在一些非充气轮胎中，周向胎面可包裹在轮胎的上环周围。

轮胎的周向胎面可包括剪切元件，该剪切元件具有设置在上部非弹性区域和下部非弹性区域之间的弹性区域。剪切元件也可称为剪切带、胎面带或薄的环形高强度带元件。当在充气轮胎中使用时，剪切元件在轮胎被加压时充当抗拉构件。当在非充气轮胎中或在未加压或部分加压状态的充气轮胎中使用时，剪切元件充当结构压缩构件。

发明内容

在一个实施方案中，一种非充气轮胎包括具有旋转轴线的下环和与该下环同轴的上环。该非充气轮胎进一步包括从该下环延伸到该上环的支撑结构以及围绕该上环延伸的周向胎面。该周向胎面包括由单一材料构成的有缝圆筒形成的带层和直接附接到该带层的胎面橡胶层。

在另一实施方案中，一种制造非充气轮胎的方法包括提供组件，该组件具有下环、与该下环同轴的上环和从该下环延伸到该上环的支撑结构。该方法还包括提供材料片材以及将该材料片材形成为圆筒，使得该材料片材的第一边缘接触该材料片材的第二边缘。该方法进一步包括将该第一边缘焊接到该第二边缘以形成有缝圆筒的焊接接头。该方法还包括将该有缝圆筒围绕该上环放置以及围绕该有缝圆筒设置胎面橡胶。

在又一实施方案中，一种制造轮胎胎面的方法包括提供材料片材以及将该材料片材形成为圆筒，使得该材料片材的第一边缘接触该材料片材的第二边缘。该方法还包括将该第一边缘焊接到该第二边缘以形成有缝圆筒的焊接接头以及围绕该有缝圆筒设置胎面橡胶。

附图说明

在附图中，示出了结构，该结构与下文提供的详细描述一起描述了受权利要求书保护的本发明的示例性实施方案。类似的元件用相同的附图标号标示。应当理解，被示出为单个部件的元件可以用多个部件替换，并且被示出为多个部件的元件可以用单个部件替换。附图未按比例绘制，并且出于说明性目的，可能放大了某些元件的比例。

图1是未变形的非充气轮胎的前视图；

图2是图1的非充气轮胎在承受载荷时变形的前视图；

图3是示出图1的非充气轮胎的沿着线3-3的局部截面的示意图；

图4A是金属或高强度聚合物材料的片材的一个实施方案的前视平面图；

图4B是由图4A的片材形成的有缝圆筒的一个实施方案的透视图；

图5A是金属或高强度聚合物材料的片材的另选实施方案的前视平面图；

图5B是由图5A的片材形成的圆筒的一个实施方案的透视图；

图6A是金属或高强度聚合物材料的片材的另一另选实施方案的前视平面图；

图6B是由图6A的片材形成的圆筒的一个实施方案的透视图；

图7A是用于形成圆筒的反向流动成型系统的一个实施方案的截面视图；

图7B是图7A的反向流动成型系统的前视图；

图8A是图6B的圆筒的透视图，其中箭头示出了在流动成型工艺期间的行进方向的一个实施方案；并且

图8B是图6B的圆筒的透视图，其中箭头示出了在流动成型工艺期间的行进方向的另选实施方案。

具体实施方式

下文包括本文所采用的所选择的术语的定义。这些定义包括落入术语范围内且可用于实施的部件的各种示例或形式。示例并非旨在进行限制。术语的单数形式和复数形式均可在定义内。

“轴向”和“轴向地”是指平行于轮胎的旋转轴线的方向。

“周向”和“周向地”是指沿胎面的表面的圆周延伸的与轴向方向垂直的方向。

“径向”和“径向地”是指垂直于轮胎旋转轴线的方向。

如本文所用的“胎面”是指在正常充气和正常负载情况下与道路或地面接触的轮胎部分。

虽然用于以下说明的类似术语描述常用轮胎部件，但应当理解，由于这些术语带有略微不同的含义，本领域的普通技术人员不会认为下列术语中的任何一者可与用于描述常用轮胎部件的另一个术语完全地互换。

方向在本文中参考轮胎的旋转轴线来阐明。术语“向上”和“向上地”是指朝向轮胎的胎面的总体方向，而“向下”和“向下地”是指朝向轮胎的旋转轴线的总体方向。因此，当相对的方向性术语诸如“上部”和“下部”或“顶部”和“底部”结合元件使用时，“上部”或“顶部”元件比“下部”或“底部”元件在空间上更靠近胎面。此外，当相对的方向性术语诸如“上方”或“下方”结合元件使用时，如果某一元件位于另一元件的“上方”，则意味着该元件比其他元件更靠近胎面。

术语“向内”和“向内地”是指朝向轮胎的赤道面的总体方向，而“向外”和“向外地”是指远离轮胎的赤道面并且朝向轮胎的侧面的总体方向。因此，当相对的方向性术语诸如“内部”和“外部”结合元件使用时，“内部”元件比“外部”元件在空间上更靠近轮胎的赤道面。

图1和图2示出了非充气轮胎10的一个实施方案。非充气轮胎10仅为示例性图示，并非旨在进行限制。在所示实施方案中，非充气轮胎10包括大致环形下环20，该大致环形下环接合安装有轮胎10的轮辋(未示出)。大致环形下环20具有内表面23和外表面24，并且可由弹性体材料或金属制成。

非充气轮胎10进一步包括围绕互连腹板40的大致环形上环30，该互连腹板是连接到大致环形下环20的支撑结构。在另选实施方案中，多个轮辐或其他支撑结构将下环连接到上环。上环30可被构造成在围绕并包括接地区域32(参见图2)的区域48中变形，这减少了振动并增加了乘坐舒适性。

在一个实施方案中，大致环形下环20和大致环形上环30由与互连腹板40相同的材料制成。在另选实施方案中，大致环形下环、大致环形上环和互连腹板中的至少一者由不同的材料制成。如图1所示，大致环形上环30可具有径向外表面34，胎面承载层70附接到该径向外表面。可以通过粘合或使用本领域中通常可用的其他方法完成附接。

在所示实施方案中，互连腹板40具有限定多个大致多边形开口50的腹板元件42的至少两个径向相邻的层56、58。在其他实施方案(未示出)中，可采用其他腹板构型。在另一个实施方案(未示出)中，可采用轮辐或其他支撑结构来代替腹板。

图3是示出非充气轮胎100的一个实施方案的局部截面的示意图。在该实施方案中，非充气轮胎100包括具有下环110、上环120和从下环延伸到上环的支撑结构130的轮胎结构。在一个实施方案中，支撑结构130为腹板，诸如图1和图2中所示的腹板。在另选实施方案中，支撑结构包括多个轮辐。然而，应当理解，可以采用任何支撑结构。

非充气轮胎100包括与上环120具有相同宽度的周向胎面。周向胎面包括由单一材料构成的带层140。胎面橡胶层150直接附接到带层140。在另选实施方案(未示出)中，周向胎面比上环宽。在另一另选实施方案(未示出)中，上环比周向胎面宽。

所示结构通过抵抗围绕其中性轴线的弯曲来承载施加的负载。带层140的弯曲有助于承载非充气轮胎100上的负载。如果将金属或其他无损耗材料用于带层140，则可减少组件的滚动阻力和发热。这与具有钢帘线层片的现有聚合物剪切层不同。此类聚合物剪切层以高滚动阻力和发热为代价提供承载能力。

带层140的单一材料可为复合材料或多种材料的共混物，但带层140并非由不同的材料层形成。在一个实施方案中，带层140由钢构成。在一个具体实施方案中，带层140由超高强度钢构成。其他示例性材料包括但不限于橡胶、其他金属(诸如铝、黄铜、铜和不锈钢)或聚合物材料(包括聚氨酯、聚酯和聚氯乙烯(PVC))。

可用由具有高极限拉伸强度和具有低表面粗糙度的表面光洁度的材料构成的带层来实现有利的性能。在一个实施方案中，带层由具有至少60,000磅力/平方英寸(即，60ksi或410MPa)的极限拉伸强度的材料构成。在另一实施方案中，带层由具有至少120,000磅力/平方英寸(即，120ksi或830MPa)的极限拉伸强度的材料构成。在又一实施方案中，带层由具有至少200,000磅力/平方英寸(即，200ksi或1400MPa)的极限拉伸强度的材料构成。由具有高极限拉伸强度的材料构成的带层具有更好的疲劳寿命。

另外，在一个实施方案中，带层由平均表面粗糙度小于1000微英寸(即，25微米)的材料构成。在另一实施方案中，带层由平均表面粗糙度小于64微英寸(即，1.6微米)的材料构成。在又一实施方案中，带层由平均表面粗糙度小于32微英寸(即，0.8微米)的材料构成。虽然更粗糙的光洁度可能对附着更好，但已发现更精细的光洁度对疲劳寿命更好。

上述极限拉伸强度和平均表面粗糙度可存在于已通过喷丸强化或激光冲击强化工艺制备的高强度钢中。高强度钢可为特种钢并且可接受特殊热处理。铝和钛也可表现出上述极限拉伸强度和平均表面粗糙度。

在所示实施方案中，带层140具有带厚度T_B，并且胎面橡胶层150具有比带厚度T_B大的胎面厚度T_T。在一个已知实施方案中，带厚度在0.010英寸和0.300英寸(0.254mm至7.62mm)之间。然而，可采用其他布置。可选择带层和胎面层的厚度以提供非充气轮胎的期望性能。例如，可能期望平衡带层的弯曲刚度与带层的厚度以调节围绕中性轴线的弯矩，从而在期望的挠曲下承载期望的负载。

选择带层和胎面橡胶层的厚度还允许轮胎设计者选择周向胎面的中性轴线的位置。例如，可选择中性轴线位置，使得周向胎面将在不同方向上具有不同的弯曲刚度。如果中性轴线更靠近轮胎的外径，则接地部的前缘和后缘将更难弯曲，从而增加承载能力。然而，如果轮胎在物体上滚动，则其将在该方向上具有较低的弯曲刚度，从而允许更容易的包络和更舒适的乘坐。

在选择每个层的材料和厚度时，可考虑其他因素。例如，可能期望减小带层厚度以减小体积和重量以及减小轮胎旋转期间产生的热的量。然而，也可能期望增加带层厚度以减小带层中的应力。

另外，可能期望选择胎面橡胶层和带层的厚度和刚度以调节接地部长度。

此类圆筒可具有20英寸至50英寸(50cm至130cm)之间的直径。在更具体的实施方案中，圆筒具有在30英寸至40英寸(75cm至100cm)之间的直径。在一个具体实施方案中，圆筒具有36英寸(91cm)的直径。

如上所述，圆筒厚度可在0.010英寸和0.300英寸(0.254mm至7.62mm)之间。在更具体的实施方案中，圆筒厚度在0.020英寸和0.150英寸(0.50mm至3.8mm)之间。在一个具体实施方案中，圆筒厚度为0.145英寸(3.68mm)。

如上所述，圆筒可由钢制成。示例性钢包括超高强度钢、4340钢或1080钢。另选地，圆筒可由合金形成。

已发现，金属或高强度聚合物圆筒形式的带产生良好的结果。如国际公布WO2020/142665号中所讨论的，先前已知无缝金属圆筒产生良好的结果。无缝金属圆筒可在整个圆周上具有一致的厚度，从而使应力集中最小化。相比之下，具有通过焊接工艺形成的接缝的圆筒在接缝处具有不同的厚度，这可能产生应力集中。然而，尽管存在这一已知问题，但测试表明，有缝的金属或高强度聚合物圆筒可能产生出人意料的良好结果。

与无缝圆筒相比，有缝的金属或高强度聚合物圆筒具有额外的制造有益效果。难以锻造直径在20英寸至50英寸之间且厚度在0.010英寸和0.300英寸之间的圆筒。锻造具有此类尺寸的圆筒可导致裂纹、微裂纹或其他不规则性。因此，在先前实施方案中，直径在20英寸至50英寸之间且厚度在0.300英寸至1英寸之间的无缝圆筒通过粗锻工艺制成。然后将圆筒机加工或车削至在0.010英寸和0.300英寸之间的期望厚度。机加工或车削可在多个步骤中进行。圆筒也可经受热处理步骤和抛光步骤。此类工艺可能是时间密集的，并且可能产生不期望的浪费。

在另一另选先前实施方案中，直径在20英寸至50英寸之间且厚度在0.300英寸至1英寸之间的无缝圆筒是通过粗锻工艺制成的。然后通过冷成型工艺减小圆筒的厚度。

相比之下，有缝的金属或高强度聚合物圆筒可由厚度在0.010英寸和0.300英寸之间的金属或高强度聚合物的片材形成。与锻造的金属圆筒相比，此类厚度的片材不太可能导致裂纹、微裂纹或其他不规则现象。因此，由金属或高强度聚合物的薄片材制造有缝的金属或高强度聚合物圆筒可能是有利的，因为在形成此类圆筒之后需要较少的处理，并且所得圆筒可与无缝金属圆筒相当，或者甚至具有比无缝金属圆筒更少的应力集中。然而，应当理解，片材可具有在制造过程期间减小的更大厚度。例如，片材可具有介于0.300英寸至2英寸之间的减小的初始厚度。

在一个实施方案中，有缝的金属圆筒由钢的平板坯料形成。在另一实施方案中，有缝的金属圆筒由其他金属(诸如铝、锡、黄铜、镍、铜、钛或其他金属或合金，特别是高强度合金)的平板坯料制成。在又一实施方案中，有缝圆筒可由高强度聚合物形成。

图4A是具有矩形形状的金属或高强度聚合物的平板坯料或片材200A的一个实施方案的前视平面图。在一个实施方案中，片材200A形成为指定尺寸的单个板。在另选实施方案中，片材形成为切割成指定尺寸的细长片材。然后沿纵向方向轧制片材200A，使得第一端部或边缘210A接触第二端部或边缘220A以形成圆筒300A。

图4B是圆筒300A的透视图。从该视图中可以看出，矩形片材200A的第一端部210A和第二端部200A形成纵向接缝310A。然后可焊接纵向接缝310A。在一个实施方案中，焊缝310A用产生与基体具有相同组成的接头的技术形成，诸如摩擦搅拌焊接、激光焊接、电子束焊接或感应焊接技术。所选择的工艺可消除对填充材料的需要，并且保持片材200A的材料的高强度和韧性。

图5A是具有平行四边形形状的金属或高强度聚合物的平板坯料或片材200B的另选实施方案的前视平面图。在一个实施方案中，片材200B形成为指定尺寸的单个板。在另选实施方案中，片材形成为切割成指定尺寸的细长片材。然后轧制片材200B，使得第一端部或边缘210B接触第二端部或边缘220B以形成圆筒300B。

图5B是圆筒300B的透视图。从该图中可以看出，平行四边形片材200B的第一端部210B和第二端部200B形成对角接缝310B。然后可使用上文针对纵向接缝所讨论的焊接工艺中的一种焊接工艺来焊接对角接缝310B。

图6A是具有细长平行四边形形状的金属或高强度聚合物的平板坯料或片材200C的另一另选实施方案的前视平面图。在一个实施方案中，片材200C形成为指定尺寸的单个板。在另选实施方案中，片材形成为切割成指定尺寸的细长片材。然后将片材200C螺旋化，使得第一侧或边缘210C沿着所得圆筒300C以螺旋形式接触第二侧或边缘220C。

图6B是圆筒300C的透视图。从该视图可以看出，细长平行四边形的第一侧210C和第二侧200C形成圆筒300C的螺旋接缝310C。然后可使用上文针对纵向接缝讨论的焊接方法中的一种焊接方法来焊接螺旋接缝310C。

图4至图6所示的示例并非旨在进行限制。应当理解，可采用其他接缝。例如，接缝可以是非线性的，诸如曲线或波形接缝。

在一个实施方案中，在接缝被焊接之后不执行生产后处理。换句话说，不执行机加工、尺寸调整、热处理。在另选实施方案中，在焊接步骤之后，可执行应力消除操作以减轻在形成圆筒之后的任何应力。例如，可执行冷成型工艺。

在一个实施方案中，冷成型工艺为反向流动成型工艺，如图7A、图7B所示。图7A示出了反向流动成型系统400的截面图，而图7B示出了反向流动成型系统400的前视图。在该系统中，有缝圆筒410(诸如上述圆筒300A、300B、300C中的任一者)被放置在具有主轴430的芯模420上。在圆筒410放置在芯模420上之后，主轴430使芯模420和圆筒410沿第一方向旋转。多个辊440接合圆筒410并且辊440沿与第一方向相反的第二方向旋转。尾座450为系统提供支撑。

然后辊440朝向主轴移动。在一个实施方案中，辊440间隔开，使得焊缝的厚度减小至与圆筒410的其余部分相同的厚度，而圆筒410的壁厚不以其他方式改变。在另一实施方案中，辊440间隔开，使得主轴的移动减小焊缝的厚度和圆筒410的壁厚两者。在该实施方案中，辊440的移动进一步使圆筒的材料沿与辊440的行进方向相反的方向移动。

在所示实施方案中，采用三个辊。在替代实施方案中，可以采用任何数量的辊。

除了减小焊缝的厚度之外，冷成型工艺还可改善表面光洁度并强化材料。在冷成型工艺之后，圆筒也可经受热处理步骤和抛光步骤。

在一个实施方案中，辊440与芯模420隔开等于成品圆筒的期望厚度的距离。因此，在此类实施方案中，圆筒410的厚度(包括焊缝的厚度)通过辊440的单道次减小至期望厚度。在另选实施方案中，辊440首先隔开大于成品圆筒的期望厚度的距离。在此类实施方案中，在辊440的第一道次之后，辊440返回到轴向起始位置，并且辊440和芯模420之间的距离减小。然后进行辊的第二道次。如果圆筒的厚度仍然大于期望厚度，则该过程可根据需要重复多道次。在所有实施方案中，辊440可同时轴向和径向交错。

当圆筒410具有对角焊接部(诸如圆筒300B中所示)或螺旋焊接部(诸如圆筒300C中所示)时，辊的旋转方向可相对于焊接部的方向变化。例如，图8A是图6B的圆筒的透视图，其中箭头指示辊沿焊接部的互补方向行进。另选地，图8B是图6B的圆筒的透视图，其中箭头指示辊沿与焊接部相反的方向行进。

由于所得的微结构，在流动成型工艺之后，圆筒410的机械性能和疲劳性能可能显著不同。已知的是，材料内的微结构与机械性能和疲劳性能直接相关。通过在流动成型工艺期间通过冷加工使材料塑性变形，改善的微结构的发展预计不仅可以减轻焊接线处的应力，还可以改善最终零件内的机械性能和疲劳性能。

虽然已相对于非充气轮胎描述了带层和胎面橡胶层，但应当理解，它们也可用于充气轮胎，诸如防爆胎充气轮胎。

就在说明书或权利要求书中使用术语“包括”或“具有”而言，其旨在以类似于术语“包含”在权利要求书中用作过渡词时所理解的方式来具有包容性。此外，就采用术语“或”(例如，A或B)而言，该术语旨在表示“A或B或两者”。当申请人旨在指示“仅A或B但不是两者”时，则将采用术语“仅A或B但不是两者”。因此，本文中术语“或”的使用具有包容性，不具有排他性用途。参见Bryan A.Garner，《现代法律用语词典》第624页(第二版，1995年)(BryanA.Garner,A Dictionary of Modern Legal Usage 624(2d.Ed.1995))。此外，就在说明书和权利要求书中使用术语“在……中”或“到……中”而言，该术语旨在另外表示“在……上”或“到……上”。此外，就在说明书或权利要求书中使用术语“连接”而言，该术语旨在不仅表示“直接连接到”，而且也表示“间接连接到”，诸如通过另外的一个或多个部件进行连接。

虽然本申请已通过其实施方案的描述进行了说明，并且虽然已相当详细地对所述实施方案进行了描述，但申请人并非意图将所附权利要求书的范围约束为这样的细节或以任何方式限制为这样的细节。附加的优点和修改对于本领域的技术人员而言将是显而易见的。因此，在其更广泛的方面，本申请并不限于所示和所述的特定细节、代表性设备和方法，以及示例性示例。因此，可以在不脱离申请人的总体发明构思的实质或范围的情况下偏离此类细节。

Claims (15)

1.一种非充气轮胎，所述非充气轮胎包括：

下环，所述下环具有旋转轴线；

上环，所述上环与所述下环同轴；

支撑结构，所述支撑结构从所述下环延伸到所述上环；和

周向胎面，所述周向胎面围绕所述上环延伸，所述周向胎面包括由单一材料构成的有缝圆筒形成的带层和直接附接到所述带层的胎面橡胶层。

2.根据权利要求1所述的非充气轮胎，其中所述带层直接附接到所述上环。

3.根据权利要求1所述的非充气轮胎，其中所述带层的所述单一材料是钢。

4.根据权利要求1所述的非充气轮胎，其中所述带层的所述单一材料是聚合物材料。

5.根据权利要求1所述的非充气轮胎，其中所述单一材料具有至少410MPa的极限拉伸强度。

6.根据权利要求1所述的非充气轮胎，其中所述有缝圆筒具有纵向接缝。

7.根据权利要求1所述的非充气轮胎，其中所述有缝圆筒具有对角接缝。

8.根据权利要求1所述的非充气轮胎，其中所述有缝圆筒具有螺旋接缝。

9.根据权利要求1所述的非充气轮胎，其中所述单一材料具有平均表面粗糙度小于25微米的表面。

10.一种制造非充气轮胎的方法，所述方法包括：

提供组件，所述组件具有下环、与所述下环同轴的上环和从所述下环延伸到所述上环的支撑结构；

提供材料片材；

将所述材料片材形成为圆筒，使得所述材料片材的第一边缘接触所述材料片材的第二边缘；

将所述第一边缘焊接到所述第二边缘以形成有缝圆筒的焊接接头；

将所述有缝圆筒围绕所述上环放置；以及

围绕所述有缝圆筒设置胎面橡胶。

11.根据权利要求10所述的方法，所述方法进一步包括冷成型所述有缝圆筒以使所述有缝圆筒的壁变薄。

12.根据权利要求10所述的方法，所述方法进一步包括冷成型所述有缝圆筒以减小所述焊接接头的厚度。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述冷成型所述有缝圆筒包括对所述有缝圆筒进行反向流动成型。

14.根据权利要求13所述的方法，其中沿与所述焊接接头互补的方向执行所述反向流动成型。

15.根据权利要求13所述的方法，其中沿与所述焊接接头相反的方向执行所述反向流动成型。