復合材料的制作方法

專利名稱：復合材料的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種復合材料，更具體地，涉及一種展現獨特且意外的物理特性的復合材料。
背景技術：
在充氣輪胎之前已經使用了傳統的非充氣實心橡膠輪胎。隨著車速提高和乘坐特征變得越來越重要，顯露出了對于充氣結構的需求。充氣輪胎提供了對實心非充氣輪胎的問題和限制的解決方案。傳統的充氣輪胎是仍能作為傳統車輛需求的解決方案的有效結構。傳統的充氣輪胎為“張力結構”。張力結構含有用于在張力結構中提供張力預載荷的壓縮結構。該張力結構通常可能不接受壓縮，并且所述壓縮結構無張力。在充氣輪胎中，簾線為張力結構，壓縮空氣為壓縮結構。傳統充氣輪胎的缺點在于它是充氣的。至少從車輛操作員的觀點來看，在壓力下所含的空氣在不恰當的時刻可能會逸出，并且通常會逸出。非充氣輪胎不具有處在壓力下的空氣。它是一種工作類似于充氣輪胎的輪胎結構，不需要含有處在壓力下的空氣。非充氣輪胎與在輪胎印跡區域內的路/接觸表面、或接地面積的接觸從接觸表面僅給車輛提供了力輸入，并向接觸表面提供了操縱力和負載。因此，非充氣輪胎具有與充氣輪胎相同的這些基本特征。傳統的充氣輪胎具有獨特的彎曲和承載特性。盡管沖擊和撓曲是在印跡的徑向內側區域中局部地發生，但是可通過整個輪胎結構全面地吸收沖擊和撓曲。通過輪胎側壁的張力的增大與減小的組合獲得轉彎特性。傳統的非充氣輪胎必須類似地能夠承受沖擊載荷和耗散吸收的能量。然而，與充氣輪胎不同，非充氣輪胎通常在印跡或接觸面積內局部地吸收沖擊和撓曲。因此，非充氣輪胎的這種局部撓曲必須還展現高阻尼特性。另外，所有輪胎在運行狀態中都必須能夠散熱。阻尼載荷的特性是能量耗散的一種形式。吸收的能量轉換為熱量。轉而，熱量會影響輪胎性能，并可能導致過早的輪胎故障。 因此，熱量的有效散逸對于所有輪胎都是必不可少的。理想地，能量只被輪胎在印跡或接觸面積徑向內側區域中吸收，使得在輪胎其余部分旋轉期間，能量可從該區域被帶走。然而，橡膠是熱的不良導體。橡膠越厚，熱量聚積得就越多。通過具有高空氣循環的薄材料斷面，所述熱量聚積可被減輕至受控制的水平。聚氨酯輪胎可操作在大約93°C (200 Τ)這樣高的溫度。溫度長期高于121°c (250 °F)會引起聚氨酯的弱化。如果聚氨酯輪胎的溫度上升足夠高，那么會發生聚氨酯輪胎的過早故障。一種傳統的非充氣輪胎/車輪包括彈性材料中心部分、外彈性胎面部分、以及布置其間的沖擊吸收部分，該沖擊吸收部分包括與中心部分和胎面部分一起形成的多個彈性材料交叉網。在沖擊吸收部分的內部形成環形系列的孔。這些孔設置成橫向地稍微重疊。每個孔都延伸穿過沖擊吸收部分的整個軸向寬度。一對盤也設有類似的孔。輪胎/車輪的每側上都有一個盤，其孔與沖擊吸收部分上的孔對齊。在模制時，形成一個整體單元。該彈性(半實心)輪胎(cushion tire) /車輪省略了用于將充氣或實心橡膠輪胎緊固至車輪的金屬部件。這種開發非充氣輪胎的傳統嘗試無法提供充分的散熱以及適當的承載能力。當車速升高時，這些概念無法滿足轎車和貨車輪胎的需求。另一種傳統的非充氣輪胎是由彈性材料整體地模制，以形成包括內“箍”和外“箍” 的一體結構。外箍通過多個周向間隔開的平面肋和一個平面中心腹板來支撐和緩沖，其中平面中心腹板在箍的圓周中心連接箍。所述腹板位于與輪胎旋轉軸線垂直的平面內。所述肋沿著內外箍軸向地延伸，沿著腹板的相對兩面將箍與肋的邊緣相連接。平面肋可在徑向末端被底切，以確保彎曲以及除非超過臨界載荷，否則不會扭曲。再一種傳統的非充氣輪胎具有赤道面、與赤道面垂直的軸線、可繞所述軸線旋轉的環形胎面、以及由具有范圍在60至100的肖式A級硬度的材料制成的環形彈性體。所述彈性體具有第一和第二間隔開的橫向側面。該兩個側面距赤道面等距間隔，并在胎面與輪輞之間延伸。所述彈性體具有距所述軸線等距定位的孔，一些孔從第一側面延伸，其它孔從第二側面延伸，以形成第一組和第二組孔。這兩組孔從各自的側面朝著赤道面延伸。這些孔在彈性體中形成等距間隔的彈性材料柱。由第一組孔形成的柱與輪胎的徑向方向傾斜， 由第二組孔形成的柱相對于輪胎的徑向方向大體上傾斜，但是相對于由第一組孔形成的柱反向傾斜。國家航空航天管理局(NASA)開發了地面車輛，以支持長距離月球探索和月球基地的開發。這些車輛比阿波羅計劃在I960年代后期開發的月球車(LRV)更重且行駛的距離更大。因此，與阿波羅LRV上使用的輪胎相比，需要新型的輪胎來支撐高達十倍的重量和堅持高達一百倍的行駛距離，從而需要與地球上使用的轎車相類似的操作特性。然而，傳統的橡膠充氣輪胎在宇宙空間中無法令人滿意地工作。例如，橡膠特征在陰影中的低溫(低至40 K)與陽光中的高溫(高達400 K)之間會顯著地變化。另外，當沒有大氣保護而暴露于太陽直接輻射時，橡膠會降解。最后，由于輪胎漏氣的可能性，對于載人月球車來說，填充空氣的輪胎是不允許的。為了克服這些限制， 為阿波羅月球車已開展了輪胎設計，并該輪胎設計已成功應用在阿波羅任務15、16和17號上。該非充氣輪胎由琴弦編織而成，其耐月球溫度變化和太陽輻射，操作于真空之中，并且不需要空氣來進行負載支撐。該結構還用于吻合月球地形，便于牽引并減小傳遞到阿波羅月球車的振動。如上所述，因為對月球車的新的重量和距離的要求，所以需要具有更高強度和耐用性的輪胎。一個傳統車輪與非充氣輪胎總成具有可變的直徑，除了改變其直徑之外，該總成還可改變其寬度，從而增大車輪接合地面的面積。因此，該非充氣輪胎可根據其行駛的地形來調節，以提高車輛的性能。該輪胎/車輪具有弓形構件，該弓形構件具有連接輪轂的第一端和第二端。弓形構件在第一端和第二端之間以弧形向外延伸。所述弓形構件形成繞著輪轂在周向上間隔開并且從輪轂徑向向外延伸的多個柔性箍。更具體地，該傳統的非充氣輪胎/車輪形成由38個等距間隔的徑向延伸箍組成的骨架，所述箍在輪轂的軸向外緣之間成拱形。所述箍由螺旋鋼彈簧制成，該螺旋鋼彈簧由切割成期望長度并穿過所述彈簧的中心的鋼絲來填充。傳統的輪轂可軸向擴張/收縮，以改變輪胎/車輪的直徑。發現阿波羅月球車輪胎的絲網設計無法容易地可擴展。具體地，為產生支撐原始設計的十倍載荷的輪胎而增大線絲直徑，產生了兩個明顯的限制1)喪失了吻合地形的能力，從而限制了牽引和隔離振動的能力；和2)增大的線絲應力限制了使用壽命。因此，另一種傳統的非充氣輪胎/車輪包括多個螺旋彈簧。每個螺旋彈簧都包括第一端部部分、第二端部部分、以及連接第一端部部分和第二端部部分的弓形中間部分。每個螺旋彈簧都與所述多個螺旋彈簧中的至少另一個螺旋彈簧交織或交錯編織，從而形成繞著非充氣輪胎/車輪的整個圓周延伸的編織環面結構(toroidal structure)。一部分螺旋彈簧可緊固至車輪的第一環形輪輞和/或車輪的第二環形輪輞。在輪胎的每個軸向側都具有環形輪輞的車輪可將輪胎緊固至車輪上。因此，與傳統充氣輪胎的結構相比，交織螺旋彈簧的編織/交織環面結構限定了非充氣輪胎的第一簾布層。第二簾布層可徑向地重疊在第一簾布層上。該第二簾布層可包括與第一簾布層相同的交織環面結構。因此，期望一種用于非充氣輪胎的改進型復合材料。定義
“三角膠芯”意味著位于胎圈芯徑向上方且在簾布層與反包簾布層之間的彈性體填料。“環形”意味著形成如同一個環。“縱橫比”意味著其截面高度與其截面寬度的比。“軸向的”和“軸向地”在本文中是指平行于輪胎旋轉軸線的線或方向。“胎圈”意味著包括由簾布層簾線纏繞且成形為帶有或不帶其它增強元件的環形抗拉構件的輪胎的一部分，所述增強元件如胎圈芯包布、加強片、三角膠芯、護趾膠和胎圈包布以便適配于設計輪輞。“帶束層結構”意味著由平行簾線構成的至少兩個環形層，簾線經過編織或未經編織，位于胎面下方，非錨定于胎圈上，并且具有相對于輪胎的赤道面傾斜的簾線。所述帶束層結構也可包括以相對低的角度傾斜的用作限制層的平行簾線層。“斜交輪胎”(交叉簾布層)意味著其中在胎體簾布層中的加強簾線以相對于輪胎赤道面約25度至65度角斜對角地穿過輪胎從胎圈至胎圈延伸的輪胎。如果存在多個簾布層，那么簾線在交替的層內以相反的角度延伸。“緩沖層”意味著由平行加強簾線構成的至少兩個環形層或簾布層，上述平行加強簾線關于輪胎的赤道面具有與胎體簾布層中平行加強簾線相同的角度。緩沖層通常與斜交輪胎相關聯。“簾布繩”意味著通過將兩個或多個簾布紗線纏繞在一起而形成的簾線。“胎體”意味著除帶束結構、胎面、底胎面以及簾布層上的側壁橡膠之外的輪胎結構，但是包括胎圈。“外胎”意味著除胎面與底胎面之外的胎體、帶束層結構、胎圈、側壁及輪胎所有其它組件，即，整個輪胎。“加強片”指的是位于胎圈區域內的一窄條織物或鋼簾線，其功能是加強胎圈區域并穩定側壁的徑向最內側部分。“周向”意味著沿著與赤道面(EP)平行且與軸向方向垂直的環形輪胎表面的周長延伸的直線或方向；它還指其半徑限定胎面的軸向曲率的一組相鄰圓形曲線的方向，從截面圖中所視。“簾線”意味著構成輪胎加強結構的加強線束之一。“簾線角”意味著由簾線相對于赤道面在輪胎平面圖的向左或右形成的銳角。所述 “簾線角”在已固化但未充氣的輪胎中測量。“旦尼爾(denier)”意味著每9000米的克數的重量(表示線性密度的單位)。分特 (dtex)意味著每10000米的克數的重量。“彈性體”意味著在變形之后能夠恢復大小和形狀的彈性材料。“赤道面”意味著垂直于輪胎的旋轉軸線并且穿過其胎面中心的平面；或者含有胎面周向中心線的平面。“織物”意味著基本上單向延伸的簾線的網織品，其可被扭絞，進而包括多個由高模量材料構成的眾多長絲(也可被扭絞)。“纖維”為形成長絲的基本元素的天然或人造的物質單位。其特征為具有其直徑或寬度的至少100倍的長度。“長絲支數”意味著構成紗線的長絲的數量。例如，1000旦聚酯纖維具有大約190 根長絲。“包布”指的是纏繞胎圈鋼絲的加強織物用于強度并將胎圈鋼絲緊固在輪胎本體內。“印跡”意味著輪胎胎面在零速度及標準負載下，與平坦表面的接觸面積。“規格尺寸(gauge)”通常指的是測量，具體指厚度測量。“粗糙度”意味著當輪胎通過較小但連續的道路凹凸不平時輪胎傳遞的擾動量。“高抗拉強度鋼(HT)”意味著以0. 20 mm的長絲直徑具有至少3400 MPa的抗拉強度的碳鋼。“遲滯”意味著當改變作用在體上的力時效果的延遲。“內部”意味著朝著輪胎的內側，“外部”意味著朝著其外側。“內襯”意味著形成無內胎輪胎的內表面的彈性體或其它材料的一個或多個層，其含有輪胎內的膨脹流體。“LASE”意味著在規定伸長下的載荷。“橫向”意味著軸向方向。“捻距”意味著加捻的長絲或線束繞另一長絲或線束旋轉360度而行進的距離。“兆抗拉強度鋼(MT)”意味著以0. 20 mm的長絲直徑具有至少4500 MPa的抗拉強度的碳鋼。“標準載荷”意味著由適當的標準組織為輪胎使用狀況選定的規定設計充氣壓力禾口載荷。“標準抗拉強度鋼(NT)”意味著以0. 20 mm的長絲直徑具有至少觀00 MPa的抗拉強度的碳鋼。“簾布層”意味著由涂覆有橡膠的徑向配置或以其它方式平行布置的簾線構成的簾線加強層。“充氣輪胎”意味著大體環面形狀(通常為敞口圓環)的層壓機械裝置，其具有胎圈和胎面，并由橡膠、化學品、織物、鋼和/或其它材料制成。當安裝到車輛的車輪上時，充氣輪胎通過其胎面提供牽引，并含有承受車輛載荷的流體。“徑向的”和“徑向地”用于表示在徑向方向上朝著或遠離輪胎的旋轉軸線的方向。“子午線簾布層結構”意味著具有加強簾線的一個或多個胎體簾布層或至少一個簾布層，且所述加強簾線相對于輪胎的赤道面定向在65度與90度之間的角度。“子午線輪胎”意味著帶束或周向地限制的充氣輪胎，其中，至少一個簾布層具有以相對于輪胎赤道面在65度與90度之間的簾線角從胎圈延伸至胎圈的簾線。“輪輞”意味著用于輪胎或內外胎總成的支撐，輪胎緊固在其上。“斷面高度”意味著在輪胎赤道面上從標稱輪輞直徑到輪胎外直徑的徑向距離。“斷面寬度”意味著以標準壓力對輪胎充氣對小時之時或之后，但并未承載的情況下，平行于輪胎軸線且位于其側壁的外部之間的最大線性距離，不包括由于標簽、裝飾或保護帶而導致的側壁升高造成的寬度。“側壁”意味著輪胎在胎面與胎圈之間的部分。“彈簧剛度”意味著表示為載荷一撓度曲線的斜率的輪胎或彈簧的剛度。“超抗拉強度鋼(ST)”意味著以0. 20 mm的長絲直徑具有至少3650 MPa的抗拉強度的碳鋼。“韌度”為表示為無應變樣品的每單位線性密度的力的應力(克/特克斯或克/ 旦)。用在紡織品中。“張力”為以力/截面積表示的應力。psi=12，800的強度乘以比重乘以克/旦尼爾為單位的韌度。“護趾膠”指的是輪胎的在各胎圈軸向內側的周向配置的彈性輪輞接觸部分。“胎面”意味著當粘合至輪胎外胎時，包括輪胎正常充氣并在標準載荷下時輪胎與道路接觸的那部分的模制橡膠組件。“胎面寬度”意味著胎面表面在包括輪胎旋轉軸線的平面內的圓弧長度。“反包端”意味著胎體簾布層的從簾布層包繞的胎圈向上(即徑向向外)翻折的部分。“超高抗拉強度鋼(UT)”意味著以0. 20 mm的長絲直徑具有至少4000 MPa的抗拉強度的碳鋼。“紗線”為用于紡織纖維或長絲的連續絲線的專業術語。紗線以下列幾種形式出現1)扭絞在一起的多根纖維；2)布置在一起沒有扭絞的多根長絲；3)以一定程度的扭絞而布置在一起的多根長絲；4)有或沒有扭絞的單根長絲(單絲)；5)有或沒有扭絞的窄條材料。

發明內容
根據本發明的復合材料包括形成嵌在聚合物中的結構的多個彈簧。每個彈簧都與至少一個其它彈簧交織，從而形成全覆聚合物結構。根據本發明的另一方面，每個彈簧都以相鄰的彈簧橫向地拉伸，使得每個彈簧的每圈的內部都與相鄰彈簧的每圈的內部接合。根據本發明的另一方面，每個彈簧都以相鄰的彈簧橫向地壓縮，使得每個彈簧的每圈的外部都與相鄰彈簧的每圈的內部接合。根據本發明的另一方面，所述彈簧為橢圓形。根據本發明的另一方面，所述彈簧由選自下列組的材料構成金屬、塑料、聚氨基甲酸酯、橡膠和碳。根據本發明的另一方面，所述彈簧由標準抗拉強度鋼構成，具有0. 35”(英寸)的彈簧外徑、0. 055”的線(直)徑和0. 28”的節距。根據本發明的另一方面，所述復合材料的彎曲剛度比形成所述復合材料之前分別測量的所述彈簧的彎曲剛度和所述聚合物的彎曲剛度大。根據本發明的另一方面，所述復合材料形成繞著非充氣輪胎的整個圓周延伸的環形胎體結構。根據本發明的另一方面，所述聚合物可為，例如，賓夕凡尼亞州伊斯頓的Polytek Development Corporation 的 Poly PT Flex 20、Poly PT Flex 60、Poly PT Flex 70、禾口 /或Poly PT Flex 85。另一例子材料可為俄亥俄州阿文郡的Freeman Manufacturing & Supply Company的Itepro超輕快速鑄塑的氨基甲酸乙酯。另外，根據本發明的用于構造非充氣輪胎的方法包括如下步驟滑動胎體簾布層結構與氣膽接合；將胎體簾布層結構的第一圓形胎圈坐落在模具上；給氣膽部分地充氣， 以形成膨脹的胎體簾布層結構；將彈性體注入所述模具；將胎體簾布層結構的第二圓形胎圈坐落在模具蓋上；使用模具蓋封閉模具，用以封裝所述彈性體；給氣膽完全充氣，用以促進彈性體與胎體簾布層結構的接合；固化所述彈性體；以及取出現在限定了所述非充氣輪胎的組合的胎體簾布層結構/彈性體。根據本發明的另一方面，所述胎體簾布層結構包括多個彈簧，每個彈簧都從所述第一圓形胎圈延伸到所述第二圓形胎圈。根據本發明的另一方面，每個彈簧都包括第一端部部分、第二端部部分、以及將所述第一端部部分與所述第二端部部分互相連接的弓形中間部分。根據本發明的再一方面，每個彈簧都與在所述彈簧第一側上的相鄰彈簧交織，進一步與在所述彈簧的相對的第二側上的相鄰彈簧交織，從而形成繞著所述非充氣輪胎的整個圓周延伸的環面胎體簾布層結構。根據本發明的又一方面，所述彈性體為氨基甲酸乙酯。根據本發明的另一方面，所述方法還包括在所述封閉步驟之后重新定位所述獨立的整裝的模具/模具蓋的步驟。另外，根據本發明的一種非充氣輪胎包括多個可為螺旋形的彈簧。每個彈簧都包括第一端部部分、第二端部部分、以及弓形中間部分。每個彈簧都與至少另一個螺旋彈簧交織，從而形成繞著所述非充氣輪胎的整個圓周延伸的環面結構。所述環面結構至少部分地覆有彈性體。根據本發明的另一方面，所述彈簧緊固至車輪的環形輪輞。根據本發明的再一方面，每個環形彈簧的第一和第二端部部分都緊固至所述環形輪輞。根據本發明的又一方面，所述環面結構限定了所述非充氣輪胎的第一簾布層。根據本發明的另一方面，所述非充氣輪胎使用上述方法來構造。
根據本發明的另一方面，所述非充氣輪胎還包括具有與多個彈簧的交織環面結構的第二環面結構。所述第二環面結構與所述第一環面結構重疊，并且可具有與所述第一環面結構的至少一個彈簧交織的至少一個彈簧。根據本發明的另一方面，所述第二環面結構至少部分地覆有所述彈性體。并且，根據本發明的構造非充氣輪胎的一種系統，包括多個彈簧。每個彈簧都包括第一端部部分、第二端部部分、以及弓形中間部分。每個彈簧都與至少另一個彈簧交織，從而形成繞著所述非充氣輪胎的整個圓周延伸的環面胎體簾布層結構。所述環面胎體簾布層結構至少部分地覆有固化粘結至所述環面胎體簾布層結構的彈性體。根據本發明的另一方面，所述環面胎體簾布層結構被帶入與氣膽接合。根據本發明的再一方面，所述環面胎體簾布層結構還包括用于在固化所述彈性體期間將所述環面胎體簾布層結構坐落在模具結構上的兩個圓形胎圈。根據本發明的又一方面，所述彈性體包括用于在環境溫度將所述彈性體化學地固化在所述環面胎體簾布層結構上的雙組分聚氨酯。根據本發明的另一方面，所述固化彈性體形成用于產生所述非充氣輪胎在各種接觸表面上的牽引的胎面部分。根據本發明的另一方面，所述環面胎體簾布層結構形成沿所述非充氣輪胎的周向方向和沿所述非充氣輪胎的徑向方向具有不同機械特性的各向異性結構。根據本發明的另一方面，所述系統還包括用于將所述彈性體固化至所述環面胎體簾布層結構的分段式模具。


結合附圖，通過研究下面的描述可更加清楚本發明的結構、操作和優點，其中
圖1示意性地示出了構造包括根據本發明的復合材料的非充氣輪胎的例子的第一步
馬聚O圖2示意性地示出了構造包括根據本發明的復合材料的非充氣輪胎的例子的第
-~‘步驟。圖3示意性地示出了構造包括根據本發明的復合材料的非充氣輪胎的例子的第
三步驟。圖4示意性地示出了構造包括根據本發明的復合材料的非充氣輪胎的例子的第四步驟。圖5示意性地示出了構造包括根據本發明的復合材料的非充氣輪胎的例子的第五步驟。圖6示意性地示出了構造包括根據本發明的復合材料的非充氣輪胎的例子的第六步驟。圖7示意性地示出了構造包括根據本發明的復合材料的非充氣輪胎的第七步驟。圖8示意性地示出了構造包括根據本發明的復合材料的非充氣輪胎的例子的第八步驟。圖9示意性地示出了構造包括根據本發明的復合材料的非充氣輪胎的例子的第九步驟。
圖10示意性地示出了構造包括根據本發明的復合材料的非充氣輪胎的例子的第十步驟。圖11表示傳統金屬絲網片材的示意圖。圖12表示用于與本發明的復合材料一起使用的一片交織螺旋彈簧。圖13表示形成圖12中片材的中間步驟。圖14表示形成圖12中片材的另一中間步驟。圖15表示將兩個片材(例如圖12的片材)緊固在一起的步驟。圖16表示用于與本發明的復合材料一起使用的螺旋彈簧例子。圖17表示圖16的螺旋彈簧處于撓曲狀態。圖18表示包括根據本發明的復合材料的輪胎與車輪總成的例子的示例圖。圖19表示通過圖18中線19-19的斷面。圖20表示通過圖19中線20-20的斷面。圖21表示本發明的復合材料制成的輪胎例子的示意性透視圖。圖22表示圖21的輪胎的示意性正交視圖。圖23表示圖21的輪胎的示意性斷面圖。圖M表示示例的載荷/撓度曲線的示意圖。圖25表示另一個示例的載荷/撓度的示意圖。圖沈表示又一個示例的載荷/撓度曲線的示意圖。圖27表示又一個示例的載荷/撓度曲線的示意圖。
具體實施例方式系統可包括構造用于車輛的非充氣支撐的輪胎的方法500、用于支撐車輛的非充氣輪胎100，或者兩者。所述方法500可包括提供分段式圓柱形開口模具510、對應于所述模具的圓形模具蓋520、和可充氣/可膨脹氣膽530。在第一構造步驟510中，開口圓柱形胎體簾布層，例如下面由彈簧310限定的胎體簾布層，可在氣膽530上滑動或繞著氣膽530下降。在第二步驟502中，第一圓形胎圈541裝在模具510中相應的第一圓形槽(未示出)內。在第三步驟503中，氣膽530被部分地充氣以形成膨脹的簾布層。在第四步驟504中，彈性體550， 例如聚氨酯，被注入模具510中。在第五步驟505中，模具蓋520被下降到與模具510緊密接合，從而使第二圓形胎圈542裝在模具蓋中相應的第二圓形槽(未示出)內，并且軸向地壓縮胎體簾布層的胎圈M1542，產生環面胎體結構。在第六步驟506中，氣膽530進一步充氣，從而進一步膨脹胎體簾布層，促進彈性體550環繞胎體簾布層的暴露表面的流動。在該第六步驟506期間，空氣及過量彈性體550通過模具/模具蓋中的單向止回閥(未示出)從模具510/模具蓋520的內部排出。在第七步驟507中，氣膽530被完全充氣，從而將空氣和過量彈性體550完全從模具510/模具蓋520的內部排出。在該第七步驟507之后，可將模具/模具蓋組件510、520 重新布置在方便位置，這是因為該組件在該點是獨立整裝的。第八步驟508中，在充分固化時間之后，氣膽530被放氣，模具蓋520被升起，脫離與模具510的接合，各模具段511彼此分離并與新固化的輪胎600分離。在第九步驟509中，輪胎600被從與氣膽530的接合完
10全移開，并準備使用。在第五、第六、和第七步驟505-507期間，氣膽530、模具510/模具蓋520、及胎體簾布層的實際尺寸會確定胎體簾布層是否會被彈性體550 (圖23)完全裝入，或者胎體簾布層的內表面是否形成輪胎600的內環面。換句話說，或者完全充氣的氣膽530直接接合胎體簾布層被胎圈541、542的軸向會聚所膨脹的內表面，從而形成具有內環面的輪胎600，所述內環面為胎體簾布層的內表面；或者完全充氣的氣膽無法達到胎體簾布層的內表面，從而允許彈性體流入該間隙，并形成被完全包圍的胎體簾布層。例子輪胎300、600可包括交織或交錯編織的多個螺旋彈簧(即，在載荷下彈性變形而幾乎沒有能量損失的螺旋線)。輪胎300、600可限定用于安裝至車輪200的環面形結構。輪胎300、600可吻合輪胎接合的表面，以便于牽引，同時減輕傳遞至相應車輛的振動。 螺旋彈簧支撐和/或分布車輛的負載。輪胎300、600可為充氣的或不充氣的。在車輛的重量下，輪胎300、600可被驅動、拖動或給車輛提供轉向。輪胎300、600 的螺旋彈簧可通過相對于彼此彎曲和移動而被動地吻合任何地形。螺旋彈簧的交織結構給輪胎300、600提供了穩定性，并且在輪胎旋轉和接合變化地形時防止該結構塌縮。輪胎300、600的螺旋彈簧可在有限變形范圍內是有彈性的，從而可使用類似于胎體簾布層的相對較剛性的框架來防止過大變形。彈簧的徑向取向部分可用于將輪胎300、 600連接到車輪200上。這些彈簧可以是交織的或交錯編織的。以分布負荷為目的，其它彈簧可從徑向到周向以任意的偏角與輪胎相結合。這些其它彈簧可為螺旋彈簧。另外，例如， 這些其它彈簧可在輪胎300、600的徑向外部部分繞著輪胎周向地延伸。可增加某類外覆層(S卩，胎面、彈性體550)，以部分地或完全地保護螺旋彈簧不受沖擊損害和/或改變輪胎漂移和產生牽引的能力。作為一個例子，可使用四個基本步驟來制造用于輪胎300、600的一個示例胎體簾布層結構i)將螺旋彈簧扭絞在一起，以形成具有對應于期望輪胎周長的長度的矩形片；ii)將彈簧矩形片的端部交織，形成網狀圓筒(圖 2);iii)折疊網狀圓筒的一端，并將其連接到車輪200的輪輞；和iv)將網狀圓筒的另一端里面朝外地翻，并將其連接到車輪200的另一軸向相對的輪輞。例子輪胎300、600可用在地球、月球、火星和/或任意其它行星體上，這是因為它的元件在這些行星的大氣和地形條件下能可靠地操作。輪胎300、600可獨立地應用，或者結合進其它輪胎類型中作為局部或輔助載荷支撐/分布系統。然而，輪胎300、600不需要空氣，操作在困難環境中，并且吻合所有地形。輪胎300、600提供了對阿波羅月球車的傳統絲網的非充氣輪胎的改進。由于螺旋彈簧的線材尺寸可被增大而功能改變相對很小，所以輪胎300、600提供了更高的承載能力。由于螺旋彈簧的線材應力在整個胎體簾布層狀結構上分布得更加均勻，所以輪胎300、 600提供了更長的循環壽命。另外，由于交織的螺旋彈簧網織品(像胎體簾布層)比卷曲的金屬絲網從根本上強度更高，所以對于每單位的被支撐的車輛重量，輪胎300、600提供相對低的重量。另外，螺旋彈簧能夠壓縮和伸長，以適應制造的變化。最后，由于可在不同的輪胎位置和方向增加載荷分布彈簧來改變輪胎強度，所以輪胎300、600提供了改進的設計多用性。由于螺旋彈簧在變形期間幾乎不消耗能量，所以與在胎體中使用摩擦或遲滯材料的輪胎相比，例子輪胎300、600還提供了相對較低的能量損失。示例輪胎300、600含有冗余載荷承載元件，即便在顯著的損壞之后也能正常地操作。因此，對于低車輛能量消耗、造成嚴重危險的輪胎故障、行駛通過不平地形、暴露于極端溫度或高水平輻射、和/或暴露于炮火或炸彈爆炸可利用示例輪胎300、600。如圖11中所示，編織金屬絲網已經被用于傳統的月球車輪胎。然而，如上所述，期望更高的強度和耐用性。圖12示出了可比金屬絲網提供更高強度和耐用性的交織螺旋彈簧55的網狀片50。圖13、14和15示出了形成圖12中所示網狀片50的中間步驟。在圖13 中，第一螺旋彈簧55圖示為正在旋轉，從而將同一第一彈簧與第二螺旋彈簧55交織。在圖 14中，第三螺旋彈簧55圖示為正在旋轉，從而將第三彈簧與已經編織好的第一和第二彈簧 55交織。在圖15中，一個螺旋彈簧55圖示為正在旋轉，用于連接由多個螺旋彈簧55制成的兩個網狀片50 (S卩，圖12的網狀片)。圖16示出了用作上述圖12-15中的一個螺旋彈簧 55。圖17示出了用在輪胎(例如輪胎300、600)中撓曲的一個螺旋彈簧55，如下所述。如圖18-20中所示，例子總成100包括車輪200和輪胎300。車輪200在每個軸向側都具有環形輪輞202，用于將輪胎300緊固到車輪上。每個輪輞202都相對于另一輪輞 202固定。每個輪輞202可包括用于將輪胎300與輪輞對齊的多個插口孔204。可使用任意其它適當的裝置來將輪胎300緊固到輪輞200上。例子輪胎300可包括以弓形結構從車輪200徑向向遠處延伸并徑向延伸回車輪的多個螺旋彈簧310。每個彈簧310的每個端部315可以在車輪的相應輪輞202上緊固至車輪上。每個彈簧310都具有互連端部315的中間部分。每個端部315都可在軸向方位(圖 19)或在有角度的方位被緊固，每個彈簧310都從一個輪輞202軸向向外地延伸，然后遠離車輪300，再折回自身，然后向內延伸，最后朝著另一輪輞202軸向地延伸。從而每個彈簧的每個端部315可與相同彈簧的另一端部315同軸地(或以一定角度)定向。另外，每個彈簧55可與相鄰的彈簧55交織(圖12)，能夠在彈簧之間分擔載荷。如圖12中所示，每個彈簧55都與在該彈簧的第一側上的相鄰彈簧55交織或交錯編織，并進一步與在該彈簧的相反的第二側上的相鄰彈簧陽交織。因此，彈簧310徑向地和軸向地延伸，形成繞著輪胎300的整個圓周延伸的編織環面結構(圖8-10)，類似于充氣輪胎的胎體簾布層。螺旋彈簧310可為任意適當的長度、規格、節距和形狀(S卩，卵形彈簧、橢圓彈簧等)。螺旋彈簧310可改變線圈直徑(S卩，可使用圓筒形彈簧)，以在輪胎300中徑向位置的整個范圍產生連續網狀織物(即，使胎圈處的線圈寬度變窄)。螺旋彈簧310還可構造為兩個或多個層，一個或多個徑向內部層被一個或多個徑向外部層徑向地重疊。另外，一個層的至少一個螺旋彈簧可與另一層的至少一個螺旋彈簧交織，用以有利地提高整體結構的強度。螺旋彈簧310可為Ti-N合金、鋼、鈦、聚合物、陶瓷或任意其它適當的材料。上述純金屬、非充氣彈簧輪胎300已經開發用于空間應用。如圖20中所示，該結構為一系列的交織彈簧。該結構良好地適于因溫度變化(40 K到400 K)而不允許使用橡膠的空間應用。另外，彈簧輪胎300在土壤成分可為軟砂的地方(例如月球)可獲得卓越的牽引。然而，在地球上，路面的變化使得以上例子輪胎300的純金屬接觸界面具有有限的應用。基于該有限商業應用，可增強示例輪胎300的交織結構以用于地球應用。為了在廣泛變化的地球路面上獲得牽引，可在全金屬例子輪胎300上添加聚合物作為胎面。對于方法500的步驟504，一種選擇是使用雙組分聚氨酯，該雙組分聚氨酯可被注入含有預裝配的示例彈簧輪胎300的模具510中。一旦所述兩個組分混合在一起，那么就會發生化學反應，在環境溫度和壓力固化該聚合物。一旦固化完成，就從模具取出產生的輪胎300，以備使用。 在實驗樣品中，通過以1. 5英寸的撓曲循環超過一百萬次來測試下方表格1中每個尺寸的疲勞。基于預期載荷需求和地形規格，聚合物覆層輪胎典型地定位于全地形車輛 (ATV)0如圖21-23中所示，這種例子輪胎600確定為具有由圖M所示的非充氣輪胎600 的載荷/撓度曲線示出的載荷/撓度特性。輪胎600的結構剛度顯著地高于彈簧結構本身預計的剛度。使用的聚合物——氨基甲酸乙酯——本身不僅承受一部分彎曲載荷，而且以提高彈簧彎曲剛度的方式(例如，阻止旋轉)來約束彈簧運動。
表1實驗室樣品的彈簧尺寸
權利要求
1.一種復合材料，其特征在于，包括形成嵌在聚合物內的結構的多個彈簧，每個彈簧都與至少一個其它彈簧交織在一起，從而形成全覆聚合物結構。
2.如權利要求1所述的復合材料，其特征在于，每個彈簧都與相鄰的彈簧橫向地拉伸， 使得每個彈簧的各簧圈的內部與相鄰彈簧的各簧圈的內部接合。
3.如權利要求1所述的復合材料，其特征在于，每個彈簧都與相鄰的彈簧橫向地壓縮， 使得每個彈簧的各簧圈的外部與相鄰彈簧的各簧圈的內部接合。
4.如權利要求1所述的復合材料，其特征在于，所述彈簧為橢圓形。
5.如權利要求1所述的復合材料，其特征在于，所述彈簧由選自下列組的一種材料構成金屬、塑料、聚氨基甲酸酯、橡膠和碳。
6.如權利要求1所述的復合材料，其特征在于，所述彈簧由標準抗拉強度鋼構成，具有 0. 35”的彈簧外側直徑、0. 055”的線直徑和0. 28，，的節距。
7.如權利要求1所述的復合材料，其特征在于，所述復合材料的彎曲剛度比形成所述復合材料之前分別測量的所述彈簧的彎曲剛度和所述聚合物的彎曲剛度大。
8.如權利要求1所述的復合材料，其特征在于，所述復合材料形成繞著非充氣輪胎的整個圓周延伸的環形胎體結構。
9.如權利要求1所述的復合材料，其特征在于，所述聚合物為可塑彈性體。
全文摘要
復合材料包括形成嵌在聚合物中的結構的多個彈簧。每個彈簧都與至少一個其它彈簧交織，從而形成全覆聚合物結構。
文檔編號C08K3/08GK102433010SQ201110252438
公開日2012年5月2日 申請日期2011年8月30日 優先權日2010年8月30日
發明者林 C-H., A. 因卡沃 J., A. 本京二世 J., C. 萊蒂里 J., B. 科爾曼 R. 申請人:固特異輪胎和橡膠公司