СИСТЕМА ДЛЯ НЕПНЕВМАТИЧЕСКОЙ ОПОРЫ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
SYSTEM FOR NON-PNEUMATIC SUPPORT OF VEHICLE

Область техники
Изобретение относится к системе для непневматической опоры транспортного средства и, более точно, к непневматической шине и способу изготовления такой непневматической шины.
Уровень техники
Обычные непневматические сплошные резиновые шины использовались раньше, чем пневматические шины. По мере того как увеличивались скорости транспортных средств и ходовые характеристики приобретали более важное значение, возникла потребность в пневматической конструкции. Пневматическая шина обеспечила решение проблем и устранение ограничений, связанных со сплошными, непневматическими шинами.
Обычная пневматическая шина представляет собой эффективную конструкцию, которая выдержала испытание в качестве решения, отвечающего требованиям, связанным с обычными транспортными средствами. Обычная пневматическая шина представляет собой «конструктивный элемент, работающий на растяжение». Конструктивные элементы, работающие на растяжение, содержат «структуру», работающую на сжатие, для создания растягивающей предварительной нагрузки в конструктивном элементе, работающем на растяжение. Конструктивный элемент, работающий на растяжение, как правило, может не воспринимать никакого сжатия, а «структура», работающая на сжатие, может не воспринимать никакого растяжения. В пневматических шинах корды представляют собой конструктивный элемент, работающий на растяжение, а сжатый воздух представляет собой «структуру», работающую на сжатие.
Недостаток обычной пневматической шины заключается в том, что она является пневматической. Воздух, удерживаемый под давлением, может выходить и, как правило, выходит в неподходящие моменты времени, по меньшей мере, с точки зрения человека, управляющего транспортным средством.
Непневматическая шина не имеет никакого воздуха под давлением. Это конструкция шины, которая функционирует аналогично пневматической шине и при этом не требует воздуха, удерживаемого под давлением. Взаимодействие непневматической шины с поверхностью дороги/контакта в зоне отпечатка шины или пятна контакта вызывает образование единственного входного усилия, действующего на транспортное средство со стороны поверхности контакта, и образование усилий реакции и нагрузки, действующей на поверхность контакта. Таким образом, непневматическая шина имеет данные основные характеристики, общие с пневматической шиной.
Обычная пневматическая шина имеет специфические характеристики изгиба и несущую способность. Несмотря на то, что удары и деформации возникают локально в зоне, находящейся в радиальном направлении внутри отпечатка шины, они могут поглощаться «глобально» всей конструкцией шины. Характеристики при движении на повороте обеспечиваются за счет комбинации увеличений и уменьшений растяжения боковины шины.
Обычная непневматическая шина должна обладать способностью аналогичным образом выдерживать ударные нагрузки и обеспечивать рассеяние поглощенной энергии. Однако, в отличие от пневматической шины, непневматическая шина, как правило, поглощает удары и деформируется локально в пределах отпечатка шины или пятна контакта. Следовательно, при подобной локализованной деформации непневматической шины также должны проявляться хорошие характеристики демпфирования.
Кроме того, любая шина в состоянии движения должна обладать способностью к рассеянию тепла. Демпфирование нагрузок по своей природе представляет собой форму рассеяния энергии. Поглощенная энергия превращается в тепло. Тепло, в свою очередь, может повлиять на эксплуатационные характеристики шины и может привести к преждевременному выходу шины из строя. Таким образом, эффективное рассеяние тепла имеет существенное значение для любой шины. В идеальном случае энергия поглощается шиной только в зоне, находящейся в радиальном направлении внутри отпечатка шины или пятна контакта, так что энергия может отводиться из подобной зоны во время остальной части оборота шины.
Однако резина является плохим проводником тепла. Чем толще резина, тем больше аккумулирование тепла. Аккумулирование тепла может быть уменьшено до регулируемого уровня за счет наличия сечений, образуемых тонким материалом, с сильной циркуляцией воздуха.
Уретановые шины могут работать при температуре, составляющей приблизительно 93°С (200°F). Температуры, превышающие 121°С (250°F) в течение продолжительных периодов, вызовут ослабление уретана. Если температура уретановой шины поднимется достаточно высоко, то может возникнуть преждевременное разрушение уретановой шины.
Одна обычная непневматическая шина/колесо включает в себя центральную часть из упругого материала, наружную упругую протекторную часть и расположенную между ними ударопоглощающую часть, содержащую множество перекрещивающихся лент из упругого материала, образованных с центральными и протекторными частями. На внутреннем участке ударопоглощающей части образован кольцевой ряд отверстий. Отверстия расположены в поперечном направлении и незначительно перекрываются. Каждое отверстие проходит через всю ширину ударопоглощающей части в аксиальном направлении. Два диска также выполнены с аналогичными отверстиями. По одному диску расположено с каждой стороны шины/колеса, при этом отверстия в них выровнены относительно отверстий ударопоглощающей части. При формовании образуется один цельный элемент. В данной подушечной шине/колесе исключены металлические компоненты, используемые для крепления пневматической или сплошной резиновой шины к колесу.
Подобные традиционные попытки разработать непневматическую шину не обеспечили надлежащего рассеяния тепла, а также не обеспечили соответствующую грузоподъемность. Когда скорости транспортных средств увеличились, данные концепции оказались неспособными обеспечить соответствие требованиям к шинам для легковых и грузовых автомобилей.
Другая обычная непневматическая шина отформована как одно целое из эластомерного материала для образования цельной конструкции, содержащей внутренний и наружный «обручные элементы». Наружный обручной элемент опирается на множество разнесенных в направлении вдоль окружности плоских ребер и плоскую центральную перемычку, и его пружинение обеспечивается множеством разнесенных в направлении вдоль окружности плоских ребер и плоской центральной перемычкой, которая соединяет обручные элементы в центре их окружности. Перемычка расположена в плоскости, перпендикулярной оси вращения шины. Ребра проходят в аксиальном направлении вдоль внутреннего и наружного обручных элементов с обеспечением соединения обручных элементов с краями ребер вдоль противоположных сторон перемычки. Плоские ребра могут быть выполнены с подрезами на радиальных концах для обеспечения изгибания и отсутствия выпучивания до тех пор, пока не будет превышена критическая нагрузка.
Еще одна обычная непневматическая шина имеет экваториальную плоскость, ось, перпендикулярную экваториальной плоскости, кольцевой протектор, вращающийся вокруг данной оси, и кольцевое эластомерное тело, изготовленное из материала, имеющего твердость по шкале А Шора в диапазоне от 60 до 100. Эластомерное тело имеет первую и вторую расположенные на расстоянии друг от друга боковые стороны. Боковые стороны удалены на одинаковые расстояния от экваториальной плоскости и проходят между протектором и ободом. Тело имеет отверстия, расположенные на одинаковом расстоянии от оси, при этом некоторые из указанных отверстий проходят от первой стороны, а остальные проходят от второй стороны для образования первого и второго множеств отверстий. Множества отверстий проходят от соответствующих сторон по направлению к экваториальной плоскости. Отверстия образуют равномерно распределенные столбики из эластомерного материала в теле. Столбики, образованные посредством первого множества отверстий, наклонены относительно радиального направления шины, и столбики, образованные посредством второго множества отверстий, как правило, наклонены относительно радиального направления шины, но направление их наклона противоположно направлению наклона столбиков, образованных посредством первого множества отверстий.
Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) разработало транспортные средства для движения по поверхности для обеспечения долгосрочного исследования Луны и создания лунного «аванпоста». Данные транспортные средства являются более тяжелыми и перемещаются на большие расстояния, чем машина для передвижения по поверхности Луны (LRV), разработанная для программы «Аполлон» в конце 1960-х годов. Следовательно, потребуются новые шины для обеспечения грузоподъемности, которая должна быть в десять раз больше, чем была у шин, используемых на машине для передвижения по поверхности Луны (LRV) по программе «Аполлон», и долговечности, которая должна соответствовать длине перемещения, в сто раз превышающей длину перемещения для шин, используемых на машине для передвижения по поверхности Луны (LRV) по программе «Аполлон», в результате чего возникает потребность в эксплуатационных характеристиках, аналогичных характеристикам шин для легковых автомобилей, используемых на Земле. Однако обычные резиновые пневматические шины не могут функционировать приемлемым образом в космосе.
Например, свойства резины изменяются в значительной степени при изменении температуры от низких температур в тени (до 40 K) до высоких температур на солнечном свете (до 400 K). Кроме того, резина разрушается при подвергании ее воздействию прямой солнечной радиации без атмосферной защиты. Кроме того, наполненная воздухом шина не допустима для управляемых человеком машин для передвижения по поверхности Луны из-за возможности наличия спущенной шины. Для преодоления данных ограничений была разработана конструкция шины для машины для передвижения по поверхности Луны (LRV) по программе «Аполлон», и данная конструкция была успешно использована в миссиях/полетах «Аполлон-15», «Аполлон-16» и «Аполлон-17». Данная непневматическая шина была «соткана» из струнной проволоки, которая обладала стойкостью к колебаниям лунных температур и солнечной радиации, функционировала в вакууме и не требовала воздуха для обеспечения опоры для груза. Кроме того, данная конструкция служила для обеспечения соответствия профилю лунного рельефа, что способствовало сцеплению с грунтом и обеспечивало уменьшение передачи вибраций машине для передвижения по поверхности Луны (LRV) по программе «Аполлон».
Как указано выше, вследствие новых требований к грузоподъемности и расстоянию, проходимому машинами для передвижения по поверхности Луны, потребовалась шина большей прочности и долговечности. Один обычный комплект из колеса и непневматической шины имеет переменный диаметр, при этом указанный комплект, помимо изменения его диаметра, также может изменять свою ширину, в результате чего увеличивалась зона колеса, которая входит в контактное взаимодействие с грунтом. Таким образом, данная непневматическая шина может быть отрегулирована для улучшения эксплуатационных характеристик машины для передвижения в соответствии с рельефом местности, по которой она перемещается. Данный комплект из шины и колеса имеет дугообразные элементы с первым и вторым концами, соединенными со ступицей колеса. Дугообразные элементы растягиваются наружу в виде дуги между первым и вторым концами. Дугообразные элементы образуют множество гибких обручных элементов, разнесенных в направлении вдоль окружности вокруг ступицы и проходящих в радиальном направлении наружу от ступицы.
Более точно, данный обычный комплект из шины и колеса образует каркас, состоящий из тридцати восьми равноотстоящих, проходящих в радиальном направлении обручных элементов, которые проходят по дуге между наружными в аксиальном направлении ободьями ступицы. Обручные элементы изготовлены из спиральных стальных пружин, заполненных проволоками, отрезанными до заданной длины и протянутыми через центр пружин. Обычная ступица может расширяться/сужаться в аксиальном направлении для изменения диаметра шины/колеса.
Было установлено, что конструктивный элемент в виде проволочной сетки, предназначенный для шины для машины для передвижения по поверхности Луны (LRV) по программе «Аполлон», не является легко «масштабируемым». В частности, увеличение диаметра проволоки для создания шины, которая по грузоподъемности превышает исходную конструкцию в десять раз, создало два важных ограничения: 1) способность адаптироваться к рельефу/повторять рельеф местности была утеряна, в результате чего ограничивалось сцепление с грунтом и способность к изоляции вибраций; и 2) увеличенные напряжения в проволоке ограничивали эффективный срок службы.
Таким образом, обычная непневматическая шина/колесо включает в себя множество спиральных пружин. Каждая спиральная пружина включает в себя первую концевую часть, вторую концевую часть и дугообразную среднюю часть, соединяющую первую концевую часть и вторую концевую часть. Каждая спиральная пружина переплетена или сплетена, по меньшей мере, с одной другой спиральной пружиной из множества, в результате чего образуется сплетенный тороидальный конструктивный элемент, проходящий вокруг всей окружности непневматической шины/колеса. Подмножество спиральных пружин может быть прикреплено к первому кольцевому ободу колеса и/или ко второму кольцевому ободу колеса. Колесо с кольцевым ободом у каждой стороны шины в аксиальном направлении может обеспечить крепление шины к колесу. Таким образом, по сравнению с конструкциями обычных пневматических шин, переплетенный/сплетенный тороидальный конструктивный элемент из переплетенных спиральных пружин образует первый слой каркаса для непневматической шины. Второй слой каркаса может перекрывать первый слой в радиальном направлении. Подобный второй слой может содержать такой же переплетенный тороидальный конструктивный элемент, как и первый слой.
В результате желательна усовершенствованная непневматическая шина, предназначенная для использования в особых случаях применения.
Определения
«Вершина» означает эластомерный наполнитель, размещенный в радиальном направлении над сердечником борта и между слоями и загнутым вверх слоем.
«Кольцевой» означает выполненный в виде кольца.
«Отношение высоты профиля шины к его ширине» означает отношение высоты профиля шины к ширине профиля шины.
Термины «аксиальный» и «в аксиальном направлении» используются в настоящем описании для обозначения линий или направлений, которые параллельны оси вращения шины.
«Борт» означает ту часть шины, которая образует кольцевой элемент, работающий на растяжение, вокруг которого намотаны корды слоев и который выполнен с определенной формой, предусмотренный с другими усиливающими элементами или без других усиливающих элементов, таких как крыльевые ленты, вершины, защитные приспособления для носка борта и внутренние защитные слои борта шины, для обеспечения соответствия заданному ободу.
«Брекерный конструктивный элемент» означает, по меньшей мере, два кольцевых слоя или слоя параллельных кордов, тканых или нетканых, расположенных под протектором, не прикрепленных к борту и имеющих корды, наклоненные относительно экваториальной плоскости шины. Брекерный конструктивный элемент также может включать в себя слои из параллельных кордов, наклоненных под сравнительно малыми углами, функционирующих в качестве ограничивающих слоев.
«Диагональная шина» (слой с диагональным расположением нитей корда) означает шину, в которой усиливающие корды в слое каркаса простираются диагонально через шину от борта до борта под углом, составляющим приблизительно 25-65° относительно экваториальной плоскости шины. При наличии множества слоев корды слоев проходят под противоположными углами в чередующихся слоях.
«Брекеры» означают, по меньшей мере, два кольцевых слоя или слоя параллельных экваториальных кордов, имеющих одинаковый угол наклона относительно экваториальной плоскости шины, как параллельные усиливающие корды в слоях каркаса. Брекеры обычно связаны с диагональной шиной.
«Жгут» означает корд, образованный скручиванием вместе двух или более дублированных нитей.
«Каркас» означает конструктивный элемент шины за исключением брекерного конструктивного элемента, протектора, подпротекторного слоя и резины боковин над слоями, но включающий в себя борта.
«Покрышка» означает каркас, брекерный конструктивный элемент, борта, боковины и все другие компоненты шины за исключением протектора и подпротекторного слоя, то есть всю шину.
«Прокладка» относится к узкой ленте из тканевых или стальных кордов, расположенных в зоне борта, назначение которой состоит в усилении зоны борта и обеспечении устойчивости той части боковины, которая расположена ближе всего к центру в радиальном направлении.
«Окружной» означает линии или направления, проходящие вдоль периферии поверхности кольцевой шины параллельно экваториальной плоскости (ЕР) и перпендикулярно аксиальному направлению; причем данный термин также может относиться к направлению множества соседних круговых кривых, радиусы которых определяют кривизну протектора в аксиальном направлении, если смотреть в сечении. «Корд» означает одну из армирующих нитей, из которых состоят усиливающие конструктивные элементы шины.
«Угол расположения нитей корда» означает острый угол слева или справа на виде в плане шины, образованный кордом относительно экваториальной плоскости. «Угол расположения нитей корда» измеряют в вулканизованной, но не накачанной шине.
«Денье» означает массу в граммах на 9000 метров (единицу для выражения линейной плотности). Дтекс означает массу в граммах на 10000 метров.
«Эластомер» означает упругий материал, способный восстанавливать размер и форму после деформации.
«Экваториальная плоскость (ЕР)» означает плоскость, перпендикулярную оси вращения шины и проходящую через центр ее протектора, или плоскость, в которой лежит окружная средняя линия протектора.
«Ткань» означает сетку из кордов, проходящих по существу в одном направлении, которые могут быть скручены и которые, в свою очередь, состоят из множества разнообразных нитей/волокон (которые также могут быть скручены) из материала с высоким модулем упругости.
«Волокно» представляет собой единичный компонент вещества, или природного, или искусственного, который образует базовый элемент из элементарных нитей/волокон. Отличается тем, что оно имеет длину, по меньшей мере, в 100 раз превышающую его диаметр или ширину.
«Номер нити/пряжи» означает число элементарных нитей/волокон, которые образуют нить. Пример: сложный полиэфир с характеристикой 1000 денье имеет приблизительно 190 элементарных волокон.
«Крыльевая лента» относится к усиливающему материалу вокруг бортовой проволоки для упрочнения и для закрепления бортовой проволоки в теле шины.
«Отпечаток» означает пятно контакта или зону контакта протектора шины с плоской поверхностью при нулевой скорости и под нормальной нагрузкой.
«Калибр» в целом относится к размеру и, в частности, к размеру по толщине.
«Неплавность» означает величину возмущения, передаваемого шиной, когда она перемещается через небольшие, но непрерывные неровности дороги.
«Высокопрочная сталь (НТ)» означает углеродистую сталь с пределом прочности при растяжении, составляющим, по меньшей мере, 3400 МПа при диаметре элементарной нити 0,20 мм.
«Гистерезис» означает замедление воздействия при изменении сил, действующих на тело.
«Внутренний» означает по направлению к внутренней части шины, а «наружный» означает по направлению к ее наружной стороне.
«Внутренний герметизирующий слой» означает слой или слои эластомера или другого материала, которые образуют внутреннюю поверхность бескамерной шины и которые обеспечивают удерживание текучей среды для накачивания внутри шины.
«Нагрузка при заданном удлинении» представляет собой нагрузку при заданном удлинении.
«Боковой» означает аксиальное направление.
«Шаг скрутки» означает расстояние, на которое перемещается скрученная элементарная нить или прядь для того, чтобы сделать оборот, равный 360°, вокруг другой элементарной нити или пряди.
«Мегапрочная сталь (МТ)» означает углеродистую сталь с пределом прочности при растяжении, составляющим, по меньшей мере, 4500 МПа при диаметре элементарной нити 0,20 мм.
«Номинальная нагрузка» означает определенное расчетное внутреннее давление в шине и нагрузку, заданные соответствующей организацией по вопросам стандартизации для условий работы шины.
«Сталь нормальной прочности (NT)» означает углеродистую сталь с пределом прочности при растяжении, составляющим, по меньшей мере, 2800 МПа при диаметре элементарной нити 0,20 мм.
«Слой» означает усиленный кордами слой из покрытых резиной, развернутых в радиальном направлении или иным образом размещенных параллельно кордов.
«Пневматическая шина» означает многослойное механическое приспособление по существу тороидальной формы (обычно в виде открытого тора), имеющее борта и протектор и изготовленное из резины, химических веществ, ткани, стали и/или других материалов. Будучи смонтированной на колесе транспортного средства, пневматическая шина посредством своего протектора обеспечивает сцепление с дорогой и содержит текучую среду, которая выдерживает нагрузку со стороны транспортного средства.
Термины «радиальный» и «в радиальном направлении» используются для обозначения направлений по радиусу к или от оси вращения шины.
«Конструктивный элемент из радиальных слоев» означает один или несколько слоев каркаса, из которых, по меньшей мере, один слой имеет усиливающие корды, ориентированные под углом, составляющим от 65 до 90° относительно экваториальной плоскости шины.
«Радиальная шина» означает пневматическую шину с брекером или ограниченную в направлении вдоль окружности пневматическую шину, в которой, по меньшей мере, один слой имеет корды, которые проходят от борта до борта и уложены под углами расположения нитей корда, составляющими от 65 до 90° относительно экваториальной плоскости шины.
«Обод» означает опору для шины или для комплекта из шины и камеры, на которой закреплена шина.
«Высота профиля» означает расстояние в радиальном направлении от окружности обода с номинальным диаметром до окружности шины с наружным диаметром в ее экваториальной плоскости.
«Ширина профиля» означает максимальное линейное расстояние в направлении, параллельном оси шины, и между наружными поверхностями ее боковин, когда она будет накачана и, после того, как она будет накачана с нормальным давлением в течение 24 часов, но не нагружена, за исключением тех выступающих частей боковин, которые образованы вследствие маркирования, декорирования или защитных полос.
«Боковина» означает ту часть шины, которая находится между протектором и бортом.
«Жесткость пружины» означает жесткость шины или пружины, выраженную в виде наклона кривой прогиба под действием нагрузки.
«Сверхпрочная сталь (ST)» означает углеродистую сталь с пределом прочности при растяжении, составляющим, по меньшей мере, 3650 МПа при диаметре элементарной нити 0,20 мм.
«Прочность на разрыв» представляет собой напряжение, выраженное как сила на единицу линейной плотности ненагруженного образца (г/текс или г/денье). Используется для текстильных материалов.
«Растяжение» представляет собой напряжение, выраженное как сила/площадь поперечного сечения. Прочность в фунтах на квадратный дюйм (psi)=2800×удельный вес×прочность на разрыв в граммах на денье.
«Защитное приспособление для носка борта» относится к развернутой в направлении вдоль окружности эластомерной контактирующей с ободом части шины, расположенной в аксиальном направлении внутри каждого борта.
«Протектор» означает формованный резиновый компонент, который, будучи прикрепленным к покрышке шины, включает в себя ту часть шины, которая входит в контакт с дорогой, когда шина накачана до расчетного давления и находится под номинальной нагрузкой.
«Ширина протектора» означает длину дуги поверхности протектора в плоскости, включающей в себя ось вращения шины.
«Загнутый вверх конец» означает часть слоя каркаса, которая загнута вверх (то есть в радиальном направлении наружу) от бортов, вокруг которых намотан слой.
«Ультравысокопрочная сталь (UT)» означает углеродистую сталь с пределом прочности при растяжении, составляющим, по меньшей мере, 4000 МПа при диаметре элементарной нити 0,20 мм.
«Нить» представляет собой обобщающий термин для непрерывной пряди из текстильных волокон или элементарных нитей. Нить существует в следующих видах: 1) некоторое число волокон, скрученных вместе; 2) некоторое число элементарных нитей/волокон, уложенных вместе без скручивания; 3) некоторое число элементарных нитей/волокон, уложенных вместе с некоторой степенью скрутки; 4) одна элементарная нить с круткой или без крутки (мононить); 5) узкая полоска материала с круткой или без крутки.
Краткое описание изобретения
Способ создания непневматической шины в соответствии с настоящим изобретением включает следующие этапы: смещение конструктивного элемента из слоя/слоев каркаса с вводом его в контактное взаимодействие с диафрагмой; установку первого круглого борта конструктивного элемента из слоя/слоев каркаса на пресс-форму; частичное накачивание диафрагмы для образования выпуклого конструктивного элемента из слоя/слоев каркаса; заливку эластомера в пресс-форму; установку второго круглого борта конструктивного элемента из слоя/слоев каркаса на крышку пресс-формы; закрытие пресс-формы крышкой пресс-формы для ограждения эластомера; полное накачивание диафрагмы, чтобы способствовать вводу эластомера в контактное взаимодействие с конструктивным элементом из слоя/слоев каркаса; вулканизацию эластомера и извлечение комбинации из конструктивного элемента из слоя/слоев каркаса и эластомера, которая теперь образует непневматическую шину.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения конструктивный элемент из слоя/слоев каркаса содержит множество пружин, при этом каждая пружина проходит от первого круглого борта до второго круглого борта.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения каждая пружина содержит первую концевую часть, вторую концевую часть и дугообразную среднюю часть, соединяющую друг с другом первую концевую часть и вторую концевую часть.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения каждую пружину переплетают с соседней пружиной с первой стороны пружины и дополнительно переплетают с соседней пружиной со второй противоположной стороны пружины, в результате чего образуется тороидальный конструктивный элемент из слоя/слоев каркаса, проходящий вокруг всей окружной периферии непневматической шины.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения эластомер представляет собой уретан.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения способ дополнительно включает этап изменения положения автономного узла из пресс-формы и крышки пресс-формы после указанной операции закрытия.
Непневматическая шина в соответствии с настоящим изобретением содержит множество пружин, которые могут быть спиральными. Каждая пружина содержит первую концевую часть, вторую концевую часть и дугообразную среднюю часть. Каждая пружина переплетена, по меньшей мере, с одной другой спиральной пружиной, в результате чего образуется тороидальный конструктивный элемент, проходящий вокруг всей окружной периферии непневматической шины. Тороидальный конструктивный элемент, по меньшей мере, частично покрыт эластомером.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения пружины прикреплены к кольцевому ободу колеса.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения, как первая, так и вторая концевые части каждой кольцевой пружины прикреплены к кольцевому ободу.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения тороидальный конструктивный элемент образует первый слой для непневматической шины.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения непневматическая шина создана посредством использования способа, описанного выше.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения непневматические шины дополнительно содержат второй тороидальный конструктивный элемент, имеющий переплетенный тороидальный конструктивный элемент с множеством пружин. Второй тороидальный конструктивный элемент перекрывает первый тороидальный конструктивный элемент и может иметь, по меньшей мере, одну пружину, переплетенную, по меньшей мере, с одной пружиной первого тороидального конструктивного элемента.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения второй тороидальный конструктивный элемент, по меньшей мере, частично покрыт эластомером.
Система для создания непневматической шины в соответствии с настоящим изобретением содержит множество пружин. Каждая пружина содержит первую концевую часть, вторую концевую часть и дугообразную среднюю часть. Каждая пружина переплетена, по меньшей мере, с одной другой пружиной, в результате чего образуется тороидальный конструктивный элемент из слоя/слоев каркаса, проходящий вокруг всей окружной периферии непневматической шины. Тороидальный конструктивный элемент из слоя/слоев каркаса, по меньшей мере, частично покрыт эластомером, вулканизованным для сцепления с тороидальным конструктивным элементом из слоя/слоев каркаса.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения тороидальный конструктивный элемент из слоя/слоев каркаса введен в контактное взаимодействие с диафрагмой.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения тороидальный конструктивный элемент из слоя/слоев каркаса дополнительно включает в себя два круглых борта для установки тороидального конструктивного элемента из слоя/слоев каркаса в конструкцию пресс-формы во время вулканизации эластомера.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения эластомер содержит двухкомпонентный полиуретан для химической вулканизации эластомера на тороидальном конструктивном элементе из слоя/слоев каркаса при температуре окружающей среды.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения вулканизованный эластомер образует протекторную часть для создания сцепления непневматической шины с грунтом на различных поверхностях контакта.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения тороидальный конструктивный элемент из слоя/слоев каркаса образует анизотропную конструкцию, имеющую разные механические свойства в направлении вдоль окружности непневматической шины и в радиальном направлении непневматической шины.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения система дополнительно включает в себя сегментированную пресс-форму для вулканизации эластомера с тороидальным конструктивным элементом из слоя/слоев каркаса.
Краткое описание чертежей
Конструкция, функционирование и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными при изучении нижеприведенного описания при рассмотрении его совместно с прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг.1 схематически показывает первый этап создания непневматической шины в соответствии с системой по настоящему изобретению.
Фиг.2 схематически показывает второй этап создания непневматической шины в соответствии с системой по настоящему изобретению.
Фиг.3 схематически показывает третий этап создания непневматической шины в соответствии с системой по настоящему изобретению.
Фиг.4 схематически показывает четвертый этап создания непневматической шины в соответствии с системой по настоящему изобретению.
Фиг.5 схематически показывает пятый этап создания непневматической шины в соответствии с системой по настоящему изобретению.
Фиг.6 схематически показывает шестой этап создания непневматической шины в соответствии с системой по настоящему изобретению.
Фиг.7 схематически показывает седьмой этап создания непневматической шины в соответствии с системой по настоящему изобретению.
Фиг.8 схематически показывает восьмой этап создания непневматической шины в соответствии с системой по настоящему изобретению.
Фиг.9 схематически показывает девятый этап создания непневматической шины в соответствии с системой по настоящему изобретению.
Фиг.10 схематически показывает десятый этап создания непневматической шины в соответствии с системой по настоящему изобретению.
Фиг.11 представляет собой схематическую иллюстрацию обычной полосы из проволочной сетки.
Фиг.12 показывает полосу из переплетенных спиральных пружин, предназначенную для использования вместе с системой по настоящему изобретению.
Фиг.13 показывает промежуточный этап при образовании полосы по фиг.12.
Фиг.14 показывает другой промежуточный этап при образовании полосы по фиг.12.
Фиг.15 показывает этап при скреплении вместе двух полос, таких как полоса по фиг.12.
Фиг.16 показывает приведенную в качестве примера, спиральную пружину, предназначенную для использования вместе с системой по настоящему изобретению.
Фиг.17 показывает спиральную пружину по фиг.16 в изогнутом состоянии.
Фиг.18 показывает схематическую иллюстрацию приведенного в качестве примера комплекта из шины и колеса в соответствии с системой по настоящему изобретению.
Фиг.19 показывает сечение, выполненное по линии 19-19 с фиг.18.
Фиг.20 показывает сечение, выполненное по линии 20-20 с фиг.19.
Фиг.21 показывает схематический вид в перспективе приведенной в качестве примера шины в соответствии с системой по настоящему изобретению.
Фиг.22 показывает схематический ортогональный вид шины по фиг.21.
Фиг.23 показывает схематическое сечение шины по фиг.21.
Фиг.24 показывает кривую зависимости прогиба от нагрузки для пневматической шины при нагрузке 2000 фунтов.
Подробное описание приведенных в качестве примера вариантов осуществления системы согласно настоящему изобретению
Система в соответствии с настоящим изобретением может включать в себя способ 500 создания шины для непневматической опоры для транспортного средства, непневматической шины 100 для обеспечения опоры для транспортного средства или обеих указанных шин.
Способ 500 может включать выполнение сегментированной цилиндрической пресс-формы 510 с открытым концом, круглой крышки 520 пресс-формы, которая соответствует пресс-форме, и надувной/расширяемой диафрагмы 530. На первом этапе 510 создания слой цилиндрического каркаса с открытым концом, например, слой каркаса, образованный нижеописанными пружинами 310, может быть надвинут на диафрагму 530 или опущен вокруг диафрагмы 530. На втором этапе 502 первый круглый борт 541 устанавливают в соответствующей первой кольцевой канавке (не показанной) в пресс-форме 510. На третьем этапе 503 диафрагму 530 частично накачивают для образования выпуклого слоя. На четвертом этапе 504 эластомер 550, такой как полиуретан, заливают в пресс-форму 510. На пятом этапе крышку 520 пресс-формы опускают с вводом ее в контактное взаимодействие с пресс-формой 510 для закрытия, в результате чего второй круглый борт 542 устанавливается в соответствующей второй кольцевой канавке (не показанной) в крышке пресс-формы, а также обеспечивается сжатие бортов 541, 542 слоя каркаса в аксиальном направлении с образованием тороидального каркасного конструктивного элемента. На шестом этапе 506 диафрагму 530 дополнительно накачивают, что обеспечивает дополнительное расширение слоя каркаса и способствует протеканию эластомера 550 вокруг открытых для воздействия поверхностей слоя каркаса. Воздух и избыточный эластомер 550 могут быть вытеснены из внутреннего пространства пресс-формы 510/крышки 520 пресс-формы через однопутевой запорный клапан (не показанный) в пресс-форме/крышке пресс-формы во время данного шестого этапа 506.
На седьмом этапе 507 диафрагму 530 полностью накачивают, в результате чего воздух и избыточный эластомер 550 полностью вытесняются из внутреннего пространства пресс-формы 510/крышки 520 пресс-формы. После седьмого этапа 507 комплект из пресс-формы 510 и крышки 520 пресс-формы в сборе может быть перемещен в удобное место, поскольку в данный момент комплект является автономным. На восьмом этапе 508 после того, как пройдет время, достаточное для вулканизации, воздух из диафрагмы 530 выпускают, крышку 520 пресс-формы поднимают с выводом ее из контактного взаимодействия с пресс-формой 510, и сегменты 511 пресс-формы отсоединяют друг от друга и от новой вулканизованной шины 600. На девятом этапе 509 шину 600 полностью выводят из контактного взаимодействия с диафрагмой 530, и шина 600 будет готова к использованию.
Во время пятого, шестого и седьмого этапов 505-507 фактические размеры диафрагмы 530, пресс-формы/крышки пресс-формы 510, 520 и слоя каркаса будут определять, будет ли слой каркаса полностью окружен эластомером 550 (фиг.23) или внутренняя поверхность слоя каркаса будет образовывать внутреннюю тороидальную поверхность шины 600. Другими словами, или полностью накачанная диафрагма 550 будет непосредственно контактировать с внутренней поверхностью слоя каркаса, расширенного за счет сближения бортов 541, 542 в аксиальном направлении, в результате чего будет образована шина 600, имеющая внутреннюю тороидальную поверхность, которая представляет собой внутреннюю поверхность слоя каркаса, или полностью накачанная диафрагма не будет достигать внутренней поверхности слоя каркаса, в результате чего обеспечивается возможность прохода эластомера в данный зазор и образования полностью окруженного слоя каркаса.
Шина 300, 600 в соответствии с системой по настоящему изобретению может включать в себя переплетенное, или сплетенное, множество спиральных пружин (то есть свернутых в спираль проволок, которые упруго деформируются под нагрузкой при незначительной потере энергии). Шина 300, 600 может образовывать конструкцию тороидальной формы, предназначенную для установки на колесе 200. Шина 300, 600 может принимать форму поверхности, с которой шина входит в контакт, для облегчения сцепления с грунтом при одновременном ослаблении передачи вибраций соответствующему транспортному средству. Спиральные пружины обеспечивают опору для транспортного средства и/или распределение нагрузки, действующей со стороны транспортного средства. Шина 300, 600 может быть пневматической или непневматической.
Под действием веса транспортного средства шина 300, 600 может быть приведена в движение, использована при буксировке или может обеспечить осуществление рулевого управления транспортным средством. Спиральные пружины шины 300, 600 могут пассивно принимать форму любого рельефа посредством изгибания и перемещения друг относительно друга. Сплетенная конструкция из спиральных пружин придает устойчивость шине 300, 600 и предотвращает смятие/разрушение конструкции, когда шина вращается и входит в контактное взаимодействие с изменяющимся рельефом местности.
Спиральные пружины 300, 600 могут быть упругими при конечных пределах деформирования, и, таким образом, сравнительно жесткая рама, аналогичная слою каркаса, может быть использована для предотвращения чрезмерного деформирования. Части пружин, ориентированные в радиальном направлении, могут быть использованы для соединения шины 300, 600 с колесом 200. Данные пружины могут быть переплетены или сплетены. Другие пружины могут быть включены в шину под любым углом наклона с целью распределения нагрузки, при этом их направление может быть от радиального до направления вдоль окружности. Эти другие пружины могут представлять собой спиральные пружины. Кроме того, в качестве одного примера данные другие пружины могут проходить в направлении вдоль окружности вокруг шины в той части шины 300, 600, которая является наружной в радиальном направлении.
Наружное покрытие какого-либо вида (то есть протектор, эластомер 550) может быть добавлено для частичной или полной защиты спиральных пружин от повреждений при ударе и/или для изменения способности шины к самоустановке и созданию сцепления с грунтом. В качестве одного примера четыре базовых этапа могут быть использованы для изготовления одного, приведенного в качестве примера, конструктивного элемента из слоя/слоев каркаса, предназначенного для шины 300, 600: i) скручивание спиральных пружин вместе для образования прямоугольной полосы с длиной, соответствующей длине окружности заданной шины; ii) переплетение концов прямоугольной полосы из пружин для образования сетчатого цилиндра (фиг.2); iii) сжатие одного конца сетчатого цилиндра и прикрепление его к ободу колеса 200; и iv) переворачивание другого конца сетчатого цилиндра «наизнанку» и крепление его к другому, противоположному в аксиальном направлении ободу колеса 200.
Шина 300, 600 в соответствии с системой по настоящему изобретению может быть использована на Земле, на Луне, на Марсе и/или любом другом планетарном объекте, поскольку ее элементы функционируют надежно в условиях атмосферы и рельефа данных планет. Шина 300, 600 может быть использована сама по себе или может быть встроена в качестве системы для обеспечения частичной или вспомогательной опоры для нагрузки/частичного или вспомогательного распределения нагрузки в шину другого типа. Тем не менее, шина 300, 600 не требует никакого воздуха, работает в неблагоприятных условиях среды и может принимать форму всех рельефов.
Шина 300, 600 обеспечивает улучшение по сравнению с обычной непневматической шиной с проволочной сеткой для машины для передвижения по поверхности Луны (LRV), разработанная для программы «Аполлон». Шина 300, 600 обеспечивает более высокую несущую способность, поскольку диаметр проволоки спиральных пружин может быть увеличен при сравнительно малых функциональных изменениях. Шина 300, 600 обеспечивает бόльшую долговечность при циклическом нагружении, поскольку напряжения в проволоке спиральных пружин более равномерно распределяются по конструктивному элементу типа слоя каркаса. Кроме того, шина 300, 600 обеспечивает сравнительно малую массу на единицу массы транспортного средства, для которого обеспечивается опора, поскольку сетка из переплетенных спиральных пружин (подобная слою каркаса) по существу является более прочной, чем обжатая проволочная сетка. Кроме того, спиральные пружины способны сжиматься и удлиняться для приспосабливания к изменениям в производственном процессе. В завершение шина 300, 600 обеспечивает бόльшую гибкость при проектировании, поскольку пружины для распределения нагрузки могут быть добавлены для изменения прочности шины в различных местах в шине и в разных направлениях.
Шина 300, 600 может дополнительно обеспечить сравнительно низкие потери энергии по сравнению с шинами, в которых используются фрикционные или гистерезисные материалы в каркасе, поскольку спиральные пружины во время деформации потребляют энергию, близкую к нулевой. Шина 300, 600 содержит резервные/дублирующие несущие нагрузку элементы и может работать нормально даже после значительного повреждения. Таким образом, шина 300, 600 в соответствии с системой по настоящему изобретению может быть использована для малого потребления энергии транспортным средством, для шины, разрушение которой создает критическую угрозу, для перемещения по неровной местности, в случаях подвергания шины воздействию экстремальных температур или высоких уровней радиации и/или подвергания шины воздействию артиллерийского огня или взрывов бомб.
Как показано на фиг.11, переплетенная проволочная сетка была использована для обычной лунной шины. Однако, как было рассмотрено выше, желательны более высокая прочность и большая долговечность. Фиг.12 показывает сетчатую полосу 50 из переплетенных спиральных пружин 55, которая может обеспечить более высокую прочность и бόльшую долговечность, чем проволочная сетка. Фиг.13, 14 и 15 показывают промежуточные этапы при образовании сетчатой полосы 50, подобной показанной на фиг.12. На фиг.13 показана первая спиральная пружина 55 в процессе ее поворота, в результате чего та же самая первая пружина переплетается со второй спиральной пружиной 55. На фиг.14 показана третья спиральная пружина 55 в процессе ее поворота, в результате чего данная третья пружина переплетается с уже переплетенными первой и второй пружинами 55. На фиг.15 показана спиральная пружина 55 в процессе поворота для соединения двух сетчатых полос 50 (то есть полосы по фиг.12) из спиральных пружин 55. Фиг.16 показывает одну спиральную пружину 55, предназначенную для использования, как описано выше со ссылкой на фиг.12-15. Фиг.17 показывает одну спиральную пружину 55, изогнутую для использования в шине, такой как шины 300, 600, как описано ниже.
Как показано на фиг.18-20, приведенный в качестве примера узел 100 в соответствии с настоящим изобретением включает в себя колесо 200 и шину 300. Колесо 200 имеет кольцевой обод 202 с каждой стороны в аксиальном направлении, предназначенный для крепления шины 300 к колесу. Каждый обод 202 зафиксирован относительно другого обода 202. Каждый обод 202 может иметь множество соединительных отверстий 204, предназначенных для выравнивания шины 300 относительно обода. Любые другие пригодные средства могут быть использованы для крепления шины 300 к ободу 200.
Шина 300 может включать в себя множество спиральных пружин 310, проходящих в радиальном направлении от колеса 200 в виде дугообразной конфигурации и в радиальном направлении обратно к колесу. Каждый конец 315 каждой пружины 310 может быть прикреплен к колесу на соответствующем ободе 202 колеса. Каждая пружина 310 имеет среднюю часть, соединяющую концы 315 друг с другом. Каждый конец 315 может быть прикреплен в аксиальной ориентации (фиг.19) или в наклонной ориентации, при этом каждая пружина 310 простирается в аксиальном направлении наружу от одного обода 202, затем в сторону от колеса 300, затем обратно поверх самой себя, затем внутрь и, в завершение, в аксиальном направлении к другому ободу 202. Каждый конец 315 каждой пружины тем самым может быть ориентирован коаксиально (или под некоторым углом) относительно другого конца 315 той же пружины.
Кроме того, каждая пружина 55 может быть переплетена с соседними пружинами 55 (фиг.12), что обеспечивает возможность распределения нагрузки между пружинами. Как показано на фиг.12, каждая пружина 55 переплетена или сплетена с соседней пружиной 55 с первой стороны пружины и дополнительно сплетена с соседней пружиной 55 со второй противоположной стороны пружины. Таким образом, пружины 310 проходят в радиальном направлении и в аксиальном направлении и образуют сплетенный тороидальный конструктивный элемент, аналогичный слою каркаса пневматической шины, проходящий вокруг всей окружной периферии шины 300 (фиг.8-10).
Спиральные пружины 310 могут иметь любую соответствующую длину, диаметр, шаг и форму (то есть могут быть предусмотрены овальные пружины, эллиптические пружины и т.д.). Диаметр витков спирали спиральных пружин 310 может варьироваться (то есть могут быть использованы бочкообразные пружины) для обеспечения непрерывности сетки на всем интервале радиальных мест в шине 300 (то есть меньшая ширина витков будет у бортов). Кроме того, спиральные пружины 310 могут образовывать конструкцию в виде двух или более слоев, одного или нескольких слоев, внутренних в радиальном направлении и перекрываемых в радиальном направлении одним или несколькими слоями, наружными в радиальном направлении. Кроме того, по меньшей мере, одна спиральная пружина одного слоя может быть переплетена, по меньшей мере, с одной спиральной пружиной другого слоя для предпочтительного увеличения прочности всей конструкции. Спиральные пружины 310 могут быть выполнены из сплава на основе Ti и N, стали, титана, полимера, керамического материала или любого другого пригодного материала.
Чисто металлическая непневматическая шина 300 с пружинами, описанная выше, была разработана для применений в космосе. Конструкция представляет собой ряд переплетенных пружин, подобных показанным на фиг.20. Данная конструкция хорошо подходила для применений в космосе, где резина недопустима вследствие колебаний температуры (от 40 K до 400 K). Кроме того, шина 300 с пружинами может обеспечить отличное сцепление с грунтом, когда состав грунта может представлять собой мягкий песок, как на Луне.
Однако на Земле множество разных поверхностей дорог приводит к тому, что чисто металлическая поверхность контакта вышеуказанной шины 300 будет иметь ограниченное применение. Исходя из данного ограниченного коммерческого/промышленного применения, в соответствии с системой по настоящему изобретению переплетенная конструкция шины 300 может быть улучшена для применений на Земле.
Для обеспечения сцепления на разнообразных поверхностях земных дорог полимер может быть добавлен к цельнометаллической шине 300 для функционирования в качестве протектора. Для этапа 504 способа 500 одна опция состоит в использовании двухкомпонентного полиуретана, который может быть залит в пресс-форму 510, содержащую предварительно собранную шину 300 с пружинами. Как только два компонента будут смешаны вместе, возникает химическая реакция, которая обеспечивает вулканизацию полимера при температуре и давлении окружающей среды. Как только вулканизация будет завершена, получающуюся в результате шину 300 извлекают из формы, и она будет готова к использованию.
Испытания на усталость были проведены на лабораторных образцах с размерами из таблицы 1 при циклическом нагружении с более чем одним миллионом циклов при прогибе 1,5 дюйма (38,1 мм). Исходя из предполагаемых требований по нагрузке и описаний рельефа, шина с покрытием из полимера была предназначена для транспортного средства повышенной проходимости (вездехода). Как показано на фиг.21-23, было установлено, что такая шина 600 имеет зависимость прогиба от нагрузки, показанную на фиг.24. Жесткость конструкции шины 600 была значительно выше, чем ожидалось от самой пружинной конструкции. Используемый полимер, то есть уретан, не только сам несет некоторую нагрузку при изгибе, но также ограничивает перемещение пружин таким образом (например, предотвращает поворот), так что при этом увеличивается жесткость пружин при изгибе.
Таблица 1
Размеры пружин для лабораторных образцов
Наружный диаметр (мм)
6,985
Внутренний диаметр (мм)
4,318
Диаметр нити из проволоки (мм)
1,397
Шаг витков пружины (мм)
6,620
Как показано на фиг.21-23, ободья 202, используемые для лунной шины 300 с пружинами, могут не использоваться в способе 500. Обод, аналогичный тем, которые используются для стандартных пневматических шин, может быть использован в способе 500 для изготовления шины 600. Только в качестве примера приводятся три опции: 1) специальный обод, предназначенный специально для определенного транспортного средства и условий применения; 2) стандартный (промышленно изготавливаемый и имеющийся на рынке) обод для применений при легких условиях эксплуатации; и 3) стандартный (промышленно изготавливаемый и имеющийся на рынке) обод, модифицированный для обеспечения возможности крепления борта шины к ободу посредством механических крепежных средств (поскольку борта 541, 542 необязательно должны иметь воздухонепроницаемый контакт с ободом).
Таким образом, шина 600 из полимера и пружин в соответствии с системой по настоящему изобретению имеет несущий нагрузку механизм, общий с лунной шиной 300 с пружинами (то есть подобную каркасу конструкцию из переплетенных пружин). Кроме того, слой из переплетенных пружин, окруженных полимером, становится анизотропным слоем с разными свойствами в направлении вдоль осей и в направлении, поперечном к осям пружин. Однако в отличие от типовых слоев, армированных волокнами, усиливающие пружины 310 сами имеют некоторую жесткость при изгибе, обусловленную шириной спиралей каждой пружины, которая может быть больше, чем изгибная жесткость армирующих волокон или нитей самих по себе.
Данная дополнительная изгибная жесткость вносит значительный вклад в общую изгибную жесткость слоя из переплетенных пружин. Поскольку изгибная жесткость «несет» нагрузку, действующую на шину 300, 600 со слоем из пружин, это представляет собой нечто противоположное обычной пневматической шине, которая несет нагрузку при растяжении с «отводом» ее от пятна контакта в корды (элементарные волокна или нити) верхнего сегмента пневматической шины. Другие обычные непневматические шины также несут нагрузку за счет растяжения в элементах в верхней части таких шин. Таким образом, шина с переплетенными пружинами в соответствии с системой по настоящему изобретению представляет собой гибкую, нагружаемую внизу конструкцию в отличие от обычных шин. Как показано на фиг.21-23, полимерное покрытие слоя из переплетенных пружин может образовывать рисунок 601 протектора, предназначенный для сцепления с конструктивным элементом в виде слоя из пружин, несущим бόльшую часть нагрузки.
2
2
2
2
Приведенный в качестве примера полимер 550 может содержать эластомерный материал, который может иметь модуль Е Юнга от приблизительно 21 кг-сила/см до приблизительно 21000 кг-сила/см. Модуль упругости при растяжении при удлинении 300% может составлять 161 кг-сила/см или 915,9 МПа. В качестве другого альтернативного варианта модуль Юнга, превышающий 140 кг-сила/см, может потребовать смеси полиуретана и штапелированных волокон из ароматического полиамида. Кроме того, бор может быть смешан с полиуретаном.
Как указано выше, конструктивный элемент 300 из слоя/слоев каркаса, образованный из радиальных пружин 310, в соответствии с системой по настоящему изобретению обеспечивает отличные характеристики грузоподъемности приведенной в качестве примера непневматической шины 300 или 600. Таким образом, данный конструктивный элемент 300 из слоя/слоев каркаса обеспечивает улучшение эксплуатационных характеристик приведенной в качестве примера непневматической шины 300 или 600. Несмотря на непневматический характер конструкции, схожесть конструктивного элемента 300 из слоя/слоев каркаса с традиционным слоем каркаса пневматической шины дает полезное сравнение.
Сложности конструкции и поведения пневматической шины таковы, что не было предложено никакой полной и удовлетворительной теории. Temple, Mechanics of Pneumatic Tires (2005). Несмотря на то, что основные положения классической теории композиционных материалов легко можно обнаружить в механике пневматических шин, дополнительная сложность, обусловленная многими конструктивными компонентами пневматических шин (и приведенной в качестве примера непневматической шины 300, 600), приводит сразу к усложнению проблемы прогнозирования эксплуатационных характеристик шин. Mayni, Composite Effects on Tire Mechanics (2005). Кроме того, вследствие нелинейного характера изменений характеристик полимеров и резины (эластомеров) в зависимости от времени, частоты и температуры аналитический расчет пневматических шин представляет собой одну из наиболее сложных и недооцененных инженерных проблем в современной промышленности. Mayni.
Пневматическая шина (и приведенная в качестве примера непневматическая шина 300, 600) имеет определенные существенные конструктивные элементы. Министерство транспорта США, Mechanics of Pneumatic Tires, страницы 207-208 (1981). Важным конструктивным элементом является слой каркаса, как правило, изготовленный из множества гибких, имеющих высокий модуль упругости кордов из натурального текстильного материала, синтетического полимера, стекловолокна или тонкой, подвергнутой волочению с наклепом стали, заделанных в матрицу и прикрепленных к матрице из имеющего низкий модуль упругости полимерного материала, обычно натурального или синтетического каучука. Там же, страницы 207-208. Приведенная в качестве примера непневматическая шина 300, 600 в соответствии с настоящим изобретением имеет конструктивный элемент 300 из слоя/слоев каркаса из радиальных пружин 310.
Гибкие, имеющие высокий модуль упругости корды обычно расположены в виде одного слоя. Там же, страница 208. Производители шин во всей данной отрасли не могут прийти к единому мнению относительно влияния различных скруток или спрогнозировать влияние различных скруток кордов слоев каркаса в пневматических шинах на характеристики шума, управляемость, долговечность, комфорт и т.д. Mechanics of Pneumatic Tires, страницы 80-85. Спрогнозировать влияние переплетенных спиральных пружин на характеристики шума, управляемость, долговечность, комфорт и т.д. можно еще в меньшей степени.
Данные сложности продемонстрированы в таблице 2 взаимосвязей между эксплуатационными характеристиками шины и компонентами шины.
Как видно из таблицы 2, характеристики кордов слоя каркаса влияют на остальные компоненты пневматической шины (то есть слой каркаса влияет на вершину, брекер, верхний слой и т.д.), что приводит к тому, что некоторое число компонентов будет взаимосвязано и будет взаимодействовать таким образом, что они будут влиять на группу функциональных свойств (шум, управляемость, долговечность, комфорт, высокую скорость и массу), что приводит к получению сложного композиционного материала с совершенно не прогнозируемыми характеристиками. Таким образом, изменение даже одного компонента может привести к непосредственному улучшению или ухудшению целых десяти вышеуказанных функциональных характеристик, а также к изменению взаимодействия между данным одним компонентом и целыми шестью другими конструктивными компонентами. Таким образом, каждое из данных шести взаимодействий может приводить к непрямому улучшению или ухудшению данных десяти функциональных характеристик. Будет ли каждая из данных функциональных характеристик улучшаться, ухудшаться или не подвергнется изменению в приведенной в качестве примера непневматической шине 300, 600 и, если будет, то на какую величину, - это невозможно было бы прогнозировать без экспериментов и испытаний, проведенных авторами изобретения.
Таким образом, например, когда конструкция (то есть жесткость пружин, диаметр пружин, материал пружин и т.д.) конструктивного элемента 300 из слоя/слоев каркаса приведенной в качестве примера непневматической шины 300, 600 будет модифицирована с целью улучшения одного функционального свойства непневматической шины, любой ряд других функциональных свойств может быть ухудшен неприемлемым образом. Кроме того, взаимодействие между конструктивным элементом 300 из слоя/слоев каркаса и вулканизованным эластомером 550 также может неприемлемым образом отрицательно повлиять на функциональные свойства непневматической шины. Модификация конструктивного элемента 300 из слоя/слоев каркаса может даже не привести к улучшению данного одного функционального свойства вследствие данных сложных взаимосвязей.
Таким образом, как указано выше, сложность взаимосвязей множества компонентов делает невозможным прогнозирование или предвидение реального результата модификации конструктивного элемента из слоя/слоев каркаса непневматической шины в соответствии с системой по настоящему изобретению из большого количества возможных результатов. Только посредством обширной программы экспериментов конструктивный элемент 300 из слоя/слоев каркаса и эластомер 550 в соответствии с системой по настоящему изобретению были «раскрыты» как отличная, неожиданная и непрогнозируемая опция для непневматической шины.
В вышеприведенном описании определенные термины были использованы для краткости, четкости и понимания, и они не должны предусматривать никаких ненужных ограничений за пределами требований предшествующего уровня техники, поскольку подобные термины используются в целях описания и предназначены для интерпретирования их в широком смысле. Кроме того, описание и иллюстрации настоящего изобретения приведены в качестве примера, и объем настоящего изобретения не ограничен конкретными показанными или описанными деталями.
Выше были описаны признаки, открытия и принципы настоящего изобретения, при этом то, каким образом настоящее изобретение создано и используется, характеристики конструкции и предпочтительные, новые и полезные полученные результаты, объем/сфера использования новых и полезных конструкций, устройств, элементов, компоновок, компонентов и комбинаций приведены в приложенной формуле изобретения.