非充气轮胎的制作方法

非充气轮胎
1.本技术主张在2020年4月30日提交的美国专利申请号63/018,502的优先权。
技术领域
2.本公开涉及用于公路上行驶的车辆或越野行驶的车辆(例如，汽车、轻型卡车和重型卡车、全地形汽车、零转弯半径割草机和军用车辆)的非充气轮胎(npt)。本公开特别涉及可能对速度、负载能力和高损伤容限有更高要求的越野行驶的车辆。


背景技术：

3.非充气轮胎(npt)具有优于气动式轮胎的特点。和气动式轮胎不一样，npt并不是压力容器。这种轮胎不会由于空气压力损失而失去作用。
4.使用帘线-橡胶复合材料构造体可使npt表现出更高性能。此类复合材料构造体可以在优选方向上提供高刚度，同时能够在优选方向上弯曲。显而易见地，橡胶支承面在出现牵引力时非常有效，同时抗磨损，可实现较长使用寿命。出于这些原因，增强的环形梁可以提供高性能。此外，设置在环形梁外径向延伸区内的橡胶支承面也可以是优选的设计。
5.基于张力的npt可以提供高效的负荷承载机构。对于此类npt，环形梁的径向内表面可由形成张力的环形支撑件支撑。环形支撑件可包括多个径向取向辐条。由于辐条在张力下工作，有效的辐条应包括高模量材料。而各向同性的橡胶并非高模量。在辐条中放置帘线加强件可能很繁琐或昂贵。由于这个原因，其它材料，例如，热塑性弹性体或浇铸聚氨酯弹性体可以为可行的选择。
6.专利号为9,751,270的美国专利(由当前申请人拥有)公开了一种用于形成npt辐条的热塑性模塑过程。热塑性注塑是成熟的行业，可以实现npt的低成本。然而，现有技术中尚未出现以下与用于npt形成的过程有关的公开内容：该npt包括利用包括帘线-橡胶复合材料的环形梁的热塑性环形支撑件。
7.本公开提供了一种用帘线-橡胶环形梁和热塑性环形支撑件形成npt的过程。在初始模塑操作中形成该环形梁，然后放置于热塑性注塑模具中。环形梁的轴向延伸区被设计来形成动态密封。当放置在模具中时，注入的弹性体的压力在该梁的轴向延伸区内引起特定变形。此外，与该梁的轴向延伸区接合的模具轮廓受到限定，使得在沿径向向内的延伸区处产生最高接触压力。这会形成动态闭合效应，从而允许在关键区域中进行出色的模塑控制。


技术实现要素：

8.本发明的方面及优点将部分在以下描述中阐述，或可从所述描述显而易见，或可通过本发明的实践习得。
9.本发明对使用轮胎的车辆普遍适用。具体地说，本技术特别适于可能要求高速、高负载和高能量吸收能力的越野车辆。
10.根据本发明的一方面，提供了一种非充气轮胎，其包括环形梁和从该环形梁沿径
向向内延伸的环形支撑件，所述支撑件包括热塑性弹性体。该环形梁具有包括周向加强件的部分。该部分在轴向上延伸。该环形梁具有不包括周向加强件的部分。在该环形梁的侧向延伸区上存在一个部分，以及在第二侧向延伸区上存在第二部分。这些部分各自沿该环形梁的轴向延伸至少8mm。
11.根据本发明的一个方面，提供了一种用于形成非充气轮胎的过程，该非充气轮胎包括环形梁和环形支撑件。在第一过程中形成该环形梁。该环形梁放置在热塑性注塑模具中。第二形成过程包括热塑性注塑，在该热塑性注塑期间形成环形支撑件并将其附接到该环形梁的径向向内的表面上。该环形梁和该模具被配置，以使该环形梁的轴向延伸区用作可变形衬垫。在该模塑过程期间，在该模具与该梁的侧向延伸区的径向向内部分之间产生接触压力。此压力提供闭合作用并阻挡弹性体在该梁的轴向延伸区和该模具之间流动。该热塑性模具的模具轮廓可以包括产生闭合压力的凸形区段。
12.参考以下描述及所附权利要求书，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解。并入在本说明书中并且构成本说明书的一部分的附图说明本发明的实施方案，并且与所述描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
13.下面仅通过示例的方式，参考附图提供实施方案的详细描述，在附图中：
14.图1为npt的示意性示例。
15.图2为环形梁的示意性示例，该环形梁包括支承面。
16.图3为环形梁和支承面图案的r-y横截面视图。
17.图4为具有放置在模具中经过热塑性注塑的支承面图案的环形梁的r-y横截面视图。
18.图5为用于注塑过程的fea仿真的环形梁和支承面的未变形几何结构。
19.图6为图5中轴向延伸区的特写。
20.图7为闭合模具之后用于热塑性模塑过程的fea仿真的环形梁和支承面的已变形几何结构。
21.图8为图7中轴向延伸区的特写。
22.图9为闭合模具以及注入用于形成环形支撑件的热塑性材料之后用于热塑性模塑过程的fea仿真的环形梁和支承面的已变形几何结构。
23.图10为图9中轴向延伸区的特写。
24.在不同附图中使用相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。应当明确理解的是，说明书和附图仅是为了说明特定实施方案的目的，并且是帮助理解的。说明书和附图不旨在并且不应该是限制性的。
25.术语定义
26.除非另有说明，否则以下术语在本公开中的定义如下，其中材料特性指环境温度下的特性：
[0027]“轮毂”指用于支撑轮胎并能够附接到车辆轴线的任何结构。
[0028]
当提及热塑性弹性体时，“模量”指按照iso 527-1:2019测量的杨氏拉伸弹性模量。
[0029]
当提及加强帘线或电缆时，“模量”指根据astm d2969测量的杨氏拉伸弹性模量。该拉伸模量可以计算为0.5％应力下的割线模量。
[0030]
当提及橡胶时，“剪切模量”指根据astm d5992-96(2018)在10hz、23c和2％应力下测量的动态剪切模量。当提及橡胶时，“拉伸模量”指根据astm d412测量的杨氏模量。
具体实施方式
[0031]
本发明提供一种非充气轮胎、用于制造此类非充气轮胎的模具和用于形成此类非充气轮胎的过程。出于描述本发明的目的，现在将详细参考本发明的实施方案和/或方法，其一个或多个实例说明于附图中或用附图说明。每一实例是作为本发明的解释而非本发明的限制而提供的。事实上，所属领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下可以在本发明中进行各种修改和改变。举例来说，说明或描述为一个实施方案的部分的特征或步骤可与另一个实施方案或步骤一起使用，以产生又另一实施方案或方法。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以及其等效物的范围内。
[0032]
图1示出了npt 100的示意性示例，其尺寸为26
×
10-12。这是应用于越野的常见尺寸。该轮胎限定具有径向r、周向θ和轴向y的圆柱坐标系。方便的笛卡尔坐标系具有作为轮胎行进方向的x、作为轴向的y和作为垂直方向的z。
[0033]
该轮胎包括环形梁200，该环形梁包括支承面部分101。该梁包括周向上的加强件。该轮胎还包括环形支撑部分103，该环形支撑部分包括热塑性弹性体、轮辋部分104和轮毂部分105。在此实施方案中，该环形支撑部分包括沿径向延伸的辐条，以将环形梁的内表面连接到轮辋，而轮辋不与其它辐条中的任何一根辐条发生交叉。
[0034]
在此实施方案中，在初始模塑操作中形成该环形梁。与轮毂部分105一起，该环形梁放置在模具中以进行次级模塑操作，其中，通过热塑性注塑形成辐条。
[0035]
现有技术中的构造，例如，专利号为9,004,901的美国专利中描述的构造则使用热固性聚氨酯形成辐条。本技术公开了一种通过热塑性弹性体的热塑性注塑形成辐条的方法。示例性过程提供了在该环形梁的侧向延伸区处的有效闭合，从而防止注入的弹性体在模具与该梁之间流动。
[0036]
图2示出了包括支承面图案101的示例性环形梁200。该环形梁具有内径向延伸区201。在第一操作中形成该环形梁，然后插入到热塑性注塑模具中，以经过第二成形操作。在示意性示例中，轮毂105也可以放置在该模具中。在该注塑过程中形成环形支撑件103。在示意性示例中，也可以在相同的注塑过程中形成轮辋104。因此，注塑过程可形成辐条和轮辋并进一步连接梁、辐条、轮辋和轮毂，从而形成图1的示例性npt 100。
[0037]
图3示出了环形梁200的r-y横截面。该梁包括加强部分202，该加强部分以宽度w1沿轴向延伸。该加强件主要在周向上提供刚度。在该梁的侧向延伸区处，部分203无加强件。在示例性npt中，部分203可以包括各向同性橡胶并无支承面图案；即，其可以为旋转体。部分203的宽度为w2。针对形成该环形支撑件的有效过程，发明人发现宽度w2应至少为8mm；在其它情况下，其至少为12mm，在其它情况下，其至少为16mm，以及在其它情况下甚至更宽。
[0038]
该环形梁在侧向延伸区处具有可由部分204和部分205限定的轮廓。在示意性示例中，204可以大体上为线性并可以角度α从径向倾斜。针对形成该环形支撑件的有效过程，发明人发现α应至少为15度；在其它情况下，其至少为30度，以及在其它情况下，其至少为45
度。
[0039]
因为该环形梁不包括在侧向延伸区附近的周向加强件，该梁在轴向延伸区处将具有较高的兼容性。发明人发现这一兼容性可通过选择w2和α来进行控制。更宽的w2和更大的α可形成更兼容的部分203。发明人发现了如何将热塑性模具的设计与使用这些设计特征配合起来。意外的是，轴向延伸区的兼容性可用于形成动态衬垫，该动态衬垫在热塑性注塑的压力下会发生变形并对模具形成期望的接触压力。一旦变形，部分203就提供密封，以阻碍热塑性材料在模具与环形梁的轴向延伸区之间流动。
[0040]
图4示出了放置在用于热塑性注塑的模具中的环形梁的r-y横截面。模具轮廓301接触该环形梁的外径向延伸区。轮廓302接触该环形梁的轴向延伸区的外径向延伸区。轮廓303接触该环形梁的轴向延伸区的内径向延伸区。
[0041]
该模具可以任何合适的方式进行配置。示例性模具配置具有径向致动的模具部件a，其包括轮廓301和轮廓302。部件a可包括区段部分。轮胎设计领域的技术人员将对区段部分的模具设计很熟悉。模具部件b可包括轮廓303。示例性模具配置具有轴向致动的模具部件b。
[0042]
用于形成该环形支撑件的示例性热塑性模塑过程可包括这些工艺步骤：
[0043]-将模具部分a的模具轮廓301和轮廓302径向回缩。
[0044]-将模具部分b的模具轮廓303轴向回缩。
[0045]-将环形梁放置在模具中。
[0046]-模具部分a径向延伸，接触该梁的外径向延伸区。
[0047]-模具部分b轴向延伸，接触该梁的轴向延伸区。
[0048]-闭合模具，形成模具腔，热塑性弹性体可注入到模具腔中以形成该环形支撑件。
[0049]-该模具腔的外径向延伸区包括该环形梁的内径向延伸区201。因此，该环形梁限定该模具腔的表面。
[0050]-将热塑性弹性体注入该模具腔中。
[0051]-模塑压力使该环形梁部分203发生变形。
[0052]-这一变形在模具轮廓303上形成接触压力。
[0053]-这一接触压力会形成闭合，阻碍弹性体在该环形梁和该模具之间流动。
[0054]-形成环形支撑件103。
[0055]-打开模具，其包括轮廓303的轴向回缩和轮廓的径向回缩
[0056]-从该模具中取出示例性npt。
[0057]
发明人通过应用示例性环形梁将这一过程付诸实施。进一步地，设计了两种不同版本的模具轮廓303并付诸实施。图5至图10通过2d轴对称有限元建模(fea)示出了上述步骤中的若干步骤。对这两个不同的轮廓进行分析并将其与经验观察进行比较。
[0058]
图5示出了放置在模具中的示例性环形梁r-y横截面的fea模型。设计a为模具轮廓303a的第一设计。设计b为模具轮廓303b的第二设计。设计b为示例性设计，下面将予以解释。
[0059]
对于设计a和设计b，该附图示出了模具轮廓301和轮廓302径向延伸并与环形梁接触。模具轮廓303与环形梁相邻但不与环形梁接触。该环形梁具有加强件202、支承面图案部分101和轴向延伸区(即各向同性橡胶)处的部分203。
[0060]
图6为环形梁和轮廓303a和轮廓303b的轴向延伸区的特写。轮廓303a具有区段401。这一尖头的区段被设计成在模具闭合时在环形梁侧向延伸区上形成高压。轮廓303b具有区段501。这一圆凸的区段被设计成在环形梁的侧向延伸区的内径向延伸区上形成高压。此外，如下所示，轮廓303b使得部分203能够发生变形并有效地使轮廓303b的大部分形成闭合。
[0061]
图7分别示出了轮廓303a和轮廓303b闭合之后的设计a和设计b。在此步骤中并不进行热塑性注塑。模具仅简单地闭合并与环形梁的外径向延伸区和轴向延伸区接触。
[0062]
图8为图7中轴向延伸区的特写。由于区段401，轮廓303a形成了较高局部压力。303b形成了较低的但表面面积更大的压力。设计b中的区域210是关键区域，因为其位于对于形成闭合作用要求最高的区域，该作用会抑制注入的弹性体在模具与环形梁之间流动。
[0063]
在至少一个实施方案中，闭合压力从一组变形而来，这些变形由对径向向内的凸形特征进行干涉而引起，同时由在模塑过程期间注入材料而产生的压力而引起。由于这一压力增大，未加强的橡胶被迫适应内径向凸形特征和外径向凸形特征之间的凸纹，从而形成较强的闭合，这可以防止树脂模制过程中发生窜气。
[0064]
该环形梁的轴向外部部分的侧向外侧变形使得径向内表面在轴向延伸区附近的未加强区域中径向向外发生变形。在注塑过程之后，当热塑性塑料正在冷却并收缩时，由于npt已脱模，密封过程引起的变形得以释放，因此，径向内表面在粘合的热塑性塑料回拉的相同方向上径向向内移动。因此，那些组件并不会在热塑性塑料和橡胶之间沿环形梁的边缘对彼此形成张力，与此相反，组件会形成压缩力，这有助于减轻热塑性塑料与橡胶之间的粘结处的张力，从而实现改进的粘结。
[0065]
图9示出了在热塑性注塑过程已在环形梁的内径向表面上形成压力之后的已变形的几何结构。201u为“未变形”轮廓，而201d为在3.5mpa(500psi)的压力下的“已变形”轮廓。对于这两种设计，已变形的轮廓201d在从加强件202径向向内的区域中与201u互相接近并平行。然后，从区域203径向向内，变形则较大。这是因为区域203中缺乏加强件。相当意外的是，发明人发现，这种行为可能形成动态密封或衬垫效应。
[0066]
与此相关的是设计b的变形。各向同性橡胶制成的部分203意外地发生变形并旋转到轮廓303b中，从而形成较大的接触面积和接触压力。
[0067]
图10示出了图9中侧向延伸区的特写。由于轮廓401，设计a确实会在局部形成较高的接触压力。这有利于形成闭合作用。然而，设计b使得轮胎与模具之间存在大面积的接触，并由于局部高压而不会产生损坏橡胶的风险。由于缺乏加强件，整个区域203在注塑压力下径向向外偏转。然后，由于轮廓303b，尤其是由于凸形轮廓部分501，橡胶的相对较大区域210紧紧受压而抵靠模具轮廓。这产生了有效的闭合，同时没有损坏环形梁的风险。
[0068]
如前所述，将设计a和设计b付诸实施，并使用模具轮廓303a和303b来制造轮胎。虽然这两种设计都提供闭合，但轮廓303b更为出色。模具轮廓303b和在轴向延伸区附近区域中的环形梁的设计进行组合，因此，使用303b制造的轮胎具有模塑非常清洁的特性和高质量。模具的设计与环形梁的设计一起产生作用，形成了示例性模塑过程。
[0069]
特定的附加元件由于假定它们在本领域普通技术人员的能力之内，因此未描述或示出一些实施方案的操作可能需要的特定的附加元件。此外，特定的实施方案在没有本文中未具体公开的任何元件的情况下可以没有、可以缺少和/或可以起作用。
[0070]
在实施方案的一些示例中，本文中讨论的任何实施方案的任何特征可以与本文中讨论的任何其它实施方案的任何特征组合。
[0071]
尽管已经呈现了各种实施方案和示例，但这仅是为了描述的目的，而不应该是限制性的。各种修改和增强对于本领域普通技术人员将变得显而易见。
[0072]
如本文中所使用，术语“方法”或“过程”是指可以在不脱离本发明的范围的情况下以与所示出的排序不同的排序而执行的一个或多个步骤。
[0073]
术语“一”、“一个”和单词的单数形式应被视为包含相同单词的复数形式，使得这些术语意味着提供一个或多个某物。术语“至少一个”和“一个或多个”可互换使用。被描述为“在a和b之间”的范围包括“a”和“b”的值。
[0074]
除非明确排除或以其它方式限制，否则本文所引用的每个文档(包含任何交叉参考或相关专利或申请)由此以全文引用的方式并入本文中。任何文件的引用不承认其为本文中所公开或所要求的任何发明的现有技术，或其单独或与任何其它一个参考文件或一个以上参考文件组合教示、表明或公开任何这类发明。另外，在此文件中的术语的任何意义或定义与以引用方式并入的文件中的相同术语的任何意义或定义冲突的情况下，应以在此文件中赋予所述术语的意义或定义为准。