CN100450796C - 充气轮胎 - Google Patents

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Abstract

一种充气轮胎，包括在胎圈部分之间延伸的胎体，和在胎面部分中径向放置在胎体外侧的带束层，胎体包含聚2，6-萘二甲酸乙二酯纤维帘线的PEN帘线层，聚2，6-萘二甲酸乙二酯纤维帘线总旦尼尔数为2500～3600，捻度数为30～40圈/10cm，25℃时的起始阶段模量的范围是50～65gf/d，在25～70℃之间的起始阶段模量的变化绝对值不超过20%。

Description

充气轮胎
技术领域
本发明涉及一种充气轮胎，更具体地是涉及胎体和胎面带结构，其中使用特殊的聚2，6萘二甲酸乙二酯纤维帘线来改进轮胎的诸如行驶稳定性，乘坐舒适性，滚动阻力，道路噪音和耐久性等性能。
背景技术
在例如轿车轮胎等高速使用的子午线轮胎上，胎面带通常设置在缓冲层的径向外侧以改进轮胎的高速耐久性。
发明者的研究结果发现，可以通过在胎面带中使用高模量的帘线来降低250Hz左右的道路噪音(车内听到的行进噪音)。但是，也发现如果简单地增加该带帘线的模量并不能有效地减少道路噪音，因为在轮胎硫化过程中该带的拉伸随着模量的增加而变得不充分，从而使得硫化胎轻微地变形。虽然这种变形小，但在高速行驶中会引起振动从而恶化了行驶噪音。
在另一方面，为了减少轮胎的重量以改进燃料的消耗和改进行驶的稳定性等，在胎体中使用高模量的帘线成为很常用的手段。然而，在该种情况下，由于胎侧刚性增加，乘坐舒适性易于变坏。另外，依赖于帘线材料，还存在使轮胎的滚动阻力恶化的可能性。
日本专利特开平9-66705公开了一种子午线轮胎，其带束层通过螺旋缠绕PEN帘线层而形成，但是没有公开由PEN帘线制成胎体。
发明内容
因此，本发明的目的之一是提供一种充气轮胎，以解决以上提到的问题，通过在胎体和/或带中使用聚2，6-萘二甲酸乙二酯(PEN)纤维帘线以一种良好平衡的方式改进了诸如行驶稳定性、乘坐舒适性、滚动阻力、道路噪音和耐久性等轮胎性能。
依照本发明，一种充气轮胎包括胎面部分，一对胎侧部分，一对每一个其中均有一个胎圈芯的胎圈部分，在胎圈部分之间延伸的胎体，以及在胎面部分中径向放置在胎体外侧的带束层，其中，
胎体和带束层中的至少一个包括聚2，6-萘二甲酸乙二酯纤维帘线的PEN帘线层，该聚2，6-萘二甲酸乙二酯纤维帘线具有
总旦尼尔数为2500～3600，
捻度数为30～40圈/10cm，
25℃的起始阶段模量为50～65gf/d，和
在25℃到70℃之间的温度范围内的起始阶段模量的变化绝对值不超过20％，
胎体的PEN帘线层包括多根以相对于轮胎赤道70～90度角径向放置聚2，6-萘二甲酸乙二酯纤维帘线，每一根帘线具有
损耗角正切值为0.06～0.09，
复数弹性模量为2800～4000牛顿/帘线，和
25℃～70℃温度范围内损耗角正切值的绝对值变化不超过20％，和
25℃～70℃温度范围内复数弹性模量的绝对值变化不超过20％，和
带束层的PEN帘线层包括至少一根以相对于轮胎赤道不大于5度角螺旋缠绕的聚2，6-萘二甲酸乙二酯纤维帘线。
附图说明
以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细描述。
图1是依照本发明的充气轮胎的横截面图。
图2是帘线带的部分透视图。
具体实施方式
在图中，依照本发明的充气轮胎1包括胎面部分2，一对胎侧部分3，一对其中每一个均具有一个胎圈芯5的胎圈部分4，在胎圈部分4之间延伸的胎体6。和在胎面部分中径向放置在胎体6外侧的胎面增强带束层。
在下面的实施方式中，充气轮胎1是用于轿车的子午线轮胎。
胎体6包括至少一个以相对于胎周方向70～90度角径向放置帘线层6A，该帘线层6A在胎圈部分之间延伸通过胎面部分和胎侧部分，并在每一个胎圈部分中反包胎圈芯5以形成一对反包部分6b和反包部分之间的主体部分6a。
在每一个胎圈部分4中，在主体部分6a和反包部分6b之间，装有一个从胎圈芯5径向向外延伸并同时向其径向外端变细的胎圈胶芯8。
带束层包括缓冲层7和任选的带9。
缓冲层7由至少两层平行的帘线以相对于轮胎赤道以10～35度角放置的交叉帘布层7A和7B。为了增强胎面部分，缓冲层7沿着胎面部分2的基本上整个宽度延伸。因此，如钢制帘线等高强度帘线被用来作为缓冲层帘线。
为了在轮胎高速旋转中控制胎面边缘的提升，将带9设置在缓冲层7的径向外侧以至少覆盖缓冲层7的轴向边缘。因此，帘线的角度是相对于轮胎赤道不大于5度。带9可以由延伸通过缓冲层7的基本上所有宽度的全宽度带层构成。另外，带9可以形成为由仅覆盖缓冲层边缘的轴向间隔的两层或部分组成的边带。此外，全宽度带层和一对边带层的结合也是可能的。
带9可以通过螺旋缠绕单一帘线或多根帘线而形成。但是，考虑到生产率和帘线间距的精确度等，优选通过螺旋缠绕帘线带13来代替仅缠绕一根帘线或多根帘线。如图2所示，帘线带13是橡胶带，其中一根或多根帘线10沿帘线带的纵向相互平行地嵌入其上层橡胶中。图中所示的例子中包括大约10根平行的帘线10，宽度W1大约为10mm。
依照本发明，PEN帘线用于胎体和带中的一个或两者中。
PEN帘线为通过以捻度数30～40圈/10cm将大量的纤维捻合在一起形成的聚2，6-萘二甲酸乙二酯纤维帘线。当然，作为纤维材料，可以使用均聚聚2，6-萘二甲酸乙二酯。但是，也可以使用至少85mol％的聚2，6-萘二甲酸乙二酯和至多15mol％的另一组分或多个组分，如对苯二甲酸，间苯二甲酸，二苯基二羧酸和二苯基醚二羧酸以及除2，6-萘二羧酸以外的萘二羧酸。
在这个实施方式中，PEN帘线是将每一个均通过将PEN纤维捻合在一起形成的多股(股加捻)捻合在一起成为一根帘线(帘线加捻)的方式形成的，其中股加捻的方向和帘线捻合的方向相反，且股捻度和帘线捻度的范围是30～40圈/10cm。优选股捻度数和帘线捻度数相同。如果捻度数小于30圈/10cm，帘线的伸长和耐疲劳性变得不足，对于胎体/带来说很难获得必要的耐久性。如果捻度数大于40圈/10cm，设定下面提到的在优选范围内的起始阶段模量M变得困难。另外，由于胎体/带的伸长增加，二维稳定性和轮胎的耐久性易于恶化。通过按上述设定捻度数，可以以一种良好平衡的方式来改进强度，伸长率和耐疲劳性。
组成PEN帘线的纤维的总旦尼尔的范围设定为2500～3600。如果总旦尼尔小于2500，由于单根帘线的强度大大降低，为了提供必要的胎体/带强度，有必要增加胎体层数/带层数。如果总旦尼尔超过3600，胎体/带层的厚度也相应增加。考虑到轮胎重量的减少，上述的两种情况均不是优选的。因此，总旦尼尔设定在范围2500～3600。这对于轮胎的刚性和强度也是必要的。
一般说来，由于在在轮胎硫化过程中的拉伸，嵌入在成品胎中的胎体帘线和带帘线会经受大约在1～3％的小的伸长。
胎体帘线的起始阶段模量M，即低伸长时的模量，是改进轮胎刚性的重要因素。因此，为了以一种良好平衡的方式改进行驶稳定性和乘坐舒适性，将胎体帘线的在25℃的起始阶段模量M设定在范围50～65gf/d，且其复数弹性模量E*设定为范围2800～4000牛顿/帘线。如果起始阶段模量M和复数弹性模量E*小于各自的下限值，行驶稳定性可能会变坏。如果超过上限值，乘坐舒适性可能会变差。
带帘线的起始阶段模量M也是改进带的加箍效果的一个重要因素。因此，为了以一种良好平衡的方式改进在成品胎中带的加箍效果和提供在硫化过程中一合适的拉伸，带帘线的25℃起始阶段模量M的范围设定为50～65gf/d。如果起始阶段模量M小于50gf/d，加箍效果会变得不足。如果超过65gf/d，轮胎由于帘线的不良拉伸容易变形。无论那一种情况，都难以降低道路的噪音。
另一方面，在行驶中轮胎的内部结构的温度升高，有时会升至70℃或者更高。因此，模量M和复数弹性模量E*的变化在这样的一个温度范围内应该控制得尽可能地小。
因此，在25～70℃的温度范围内，起始阶段模量M的变化和复数弹性模量E*的变化均限制在绝对值不超过20％。更具体地说，在25℃时起始阶段模量M25与在温度范围25℃～70℃内的最大起始阶段模量Mmax以及最小起始阶段模量Mmin之间的差值Mmax-M25和M25-Mmin均不大于25℃时的起始阶段模量M25的20％。在25℃时复数弹性模量M*25与在温度范围25℃～70℃内的最大复数弹性模量M*max以及最小复数弹性模量M*min之间的差值M*max-M*25和M*25-M*min均不大于25℃时的复数弹性模量M*25的20％。
在胎体帘线的情况下，这些低于20％的参数优选进一步限制在低于15％，考虑到行驶的稳定性和乘坐舒适性更优选的是低于10％。在带帘线的情况下，同样地，这些低于20％的参数优选进一步限制在低于15％，考虑到降低路面噪音更优选低于10％，因为如果变化超过20％，带帘线的张力会随着温度地升高而显著降低，而无论是考虑到加箍效果还是路面噪音，这都不是优选的。
此外，考虑到在行驶过程中轮胎的滚动阻力和生热，优选降低胎体/带的帘线的损耗角正切值(tanδ)。因此，PEN帘线的在25℃损耗角正切值(tanδ)的范围设定为0.06～0.09。优选损耗角正切值(tanδ)在温度范围25～70℃的变化设定为不超过20％的范围内，更优选的是不超过15％，更进一步优选不超过10％。更具体地说，在25℃时复数弹性模量tanδ25与在温度范围25℃～70℃的最大tanδmax以及最小tanδmin之间的差值tanδmax-tanδ25和tanδ25-tanδmin均不大于25℃时的tanδ25的20％。
这里，起始阶段模量M对应于帘线的负载-伸长曲线的始点出正切线的斜率，该曲线是依照日本工业标准L1017“用于化学纤维轮胎帘线的测试方法”得到的。损耗角正切值(tanδ)和复数弹性模量(M*)用30mm样品(帘线)使用IWAMOTO SEISAKUSYO粘弹谱仪测量。测试的条件如下：起始负载1000g/帘线；起始伸长10％；动态应变0.01mm；频率10Hz。
为了降低上面的提到的变化，上面提及的PEN帘线纤维的材料参数优选限制为如下所示：2，6-萘二甲酸乙二酯大于90mol％；差示扫描量热计(DSC)的峰值不小于280℃；特征粘数不小于0.7；和双折射率不低于0.30。另外，存在通过改变以下的条件来控制变化：间苯二酚-福尔马林-乳胶(RFL)处理的条件；和/或诸如捻度数、单根纤维的旦尼尔数、纤维数目等PEN帘线的物理参数。
为了乘坐舒适性，在一根帘线中的纤维数目优选设定为不少于400，但为了行驶的稳定性优选不高于600。
考虑到影响路面噪音的轮胎二维稳定性和轮胎的均一性，优选胎体/带帘线的伸长率在2.0gf/d负载下设定在范围0.5～2.5％。
实施例1
以下将描述上面提到的PEN帘线使用在如图1所示的轮胎结构胎体6和带9中的一个实施例。
本例中的胎体6由相对于轮胎赤道以90度角径向放置的一径向PEN帘线层6A组成，该帘线层6A在胎圈部分4之间延伸通过胎面部分2和胎侧部分3，并在每一个胎圈部分中反包胎圈芯5以形成一对反包部分6b和反包部分之间的主体部分6a。
本例中的缓冲层7由径向外层7B和最宽的径向内层7A构成。
本例中的带9沿缓冲层7的基本上整个宽度WB连续延伸，该带由PEN帘线的全宽度带层9A构成。该带宽W不小于缓冲层宽度WB的95％，在本例中，基本上和缓冲层的宽度WB相同。该带层9A或者带9是通过螺旋缠绕如上面所述和如图2所示的橡胶带13形成的。
实施例2
也可以仅将上面提到的PEN帘线用于带9。在该种情况下，作为胎体帘线，对于轿车轮胎可以使用有机纤维帘线如尼龙、聚酯、人造纤维、芳香聚酰胺等。另外，可以根据轮胎的预定用途使用钢制帘线。带9也可以形成为除以上提及的单层全宽度带以外的各种类型。
实施例3
在带束层仅由缓冲层7构成的情况下，即，带9被省去，可以仅在胎体6中使用上面提到的PEN帘线。胎体6优选由PEN帘线的单一层构成。然而，这并未必表示胎体6不包括另外的可以是PEN帘线或者其他材料帘线的帘线层。
通过应用在带中的PEN帘线，带的加筛效果得到了改进，因此胎面部分2的周向刚性增加且均匀，因在行驶过程中的路面的不均匀性引起的振动能够得以控制以降低路面噪音。在很高模量的芳香聚酰胺纤维帘线的情况下，在硫化过程中很难获得合适的拉伸。因此，轮胎易于变形。虽然该种形变小，但有时影响到道路噪音。此外，与聚2，6-萘二甲酸乙二酯相比，芳香聚酰胺纤维的能量损失相对较大。因此，这对滚动阻力和生热不利。在低模量的聚2，6-萘二甲酸乙二酯纤维的情况下，道路噪音不能充分地减少。在聚2，6-萘二甲酸乙二酯纤维帘线的情况下，可以使在设定捻度数的范围是30～40圈/10cm的同时帘线的起始阶段的模量M为50～65gf/d。因此，就可以良好均衡地改进强度，伸长率和耐疲劳性。
对比测试1
制造的尺寸为195/65R15的测试轮胎具有如图1所示的结构和如表1给出的规格，用其进行行驶稳定性，乘坐舒适性，滚动阻力和路面噪音的测试。
行驶稳定性测试：
在干沥青道路上开动一个装有测试轮胎(压力为200kPa)的1800cc的轿车，在直行和转弯过程中通过测试的驾驶者的感觉对行驶的稳定性分成10个级别进行评价，其中级别数越大，行驶稳定性越好。
乘坐舒适性测试：
在乘坐舒适性测试过程中，测试汽车行驶在不平的道路上，根据急剧性、减震性和往上猛推等情况，测试的驾驶者对乘坐舒适性分成10个级别进行评估，其中级别数越大，乘坐舒适性越好。
滚动阻力测试：
在预热30分钟之后以80km/h的速度行驶，测试汽车停在10度的斜坡上的距从斜坡低端延伸的水平路面6米高处，然后将车轮制动器松开在空档以允许测试汽车在重力的作用下向下运动。然后，测量被测试汽车自动停止时总的行进的距离。该距离用以参考例A1为100作为基准的某一系数来表示，其中系数值越大，滚动阻力越小。
道路噪音测试：
在噪音测试过程中，测试汽车以80km/h的速度沿光滑路面行驶，使用安装在驾驶员座椅上的话筒测试在250Hz波段的噪音级别(dB)。测试结果以参考例A1为100作为基准的某一系数表示在表1中，其中系数值越小，道路噪音情况越好。
实验结果证实了行驶稳定性，乘坐舒适性和滚动阻力可良好均衡地得到改进。
对比测试2
制造的尺寸为195/65R15的测试轮胎具有如图1所示的结构和如表1给出的规格，用其进行耐久性和路面噪音的测试。
表1
  轮胎   对比例A1   对比例A2   对比例A3   对比例A4   实施例A1   实施例A2
  胎体层数相对于轮胎赤道线的帘线角度(度)帘线数/5cm帘线材料总旦尼尔捻度数(圈/10cm)纤维根数25℃时起始阶段模量(gf/d)(在25～70℃间的变化％)25℃的损耗角正切值(tanδ)(在25～70℃间的变化％)25℃的复数弹性模量E*(N/帘线)(在25～70℃间的变化％)带*1帘线材料缓冲带层数帘线帘线角度(度)帘线数/5cm 19050尼龙661500d/2300018，3842019-210.033761150-24尼龙661260d/221×3/0.27钢制帘线+20/-2040 19050PET1500d/2300040，4076845.3-30.046-21900-6尼龙661260d/221×3/0.27钢制帘线+20/-2040 19050PEN940d/2188015，1549648-100.078102850-21尼龙661260d/221×3/0.27钢制帘线+20/-2040 19050Aramid1500d/2300043，43200086.7-250.09385300-7尼龙661260d/221×3/0.27钢制帘线+20/-2040 19050PEN1500d/2300035，3549656-70.07593230-19尼龙661260d/221×3/0.27钢制帘线+20/-2040 19050PEN1500d/2300035，3549656-70.07593230-19PEN*21500d/221×3/0.27钢制帘线+20/-2040
  行驶稳定性乘坐舒适性滚动阻力道路噪音   100100100100   10310210397   10610110298   106999499   11410810393   11510710389
PET：聚对苯二甲酸乙二酯纤维，PEN：聚2，6-萘二甲酸乙二酯纤维
*1)每一带由通过螺旋缠绕10mm宽的带条形成的全宽度层构成，帘线数是49/5cm。
*2)与胎体帘线相同。
路面噪音测试：
与对比测试1中的相同。
耐久性测试：
使用轮胎转鼓，在以下的加速条件下测试可行驶距离：日本工业标准(JIS)规定的最大轮胎载荷的150％；JIS规定的压力的80％；速度为80km/h。该距离以参考例B1为100作为基准的系数来表示，其中系数值越大，耐久性越好。
表2
  轮胎   对比例B1   对比例B2   对比例B3   对比例B4   实施例B
  胎体层数帘线材料帘线角度(度)帘线数/5cm缓冲带层数帘线帘线角度(度)帘线数/5cm带*1帘线材料总旦尼尔捻度数(圈/10cm)25℃时起始阶段模量(gf/d)(在25～70℃间的变化率％) 1PET1670dtex/290502钢1×3/0.27+20/-2040尼龙661500d/2300038，3819-21 1PET1670dtex/290502钢1×3/0.27+20/-2040PET1500d/2300040，4045.3-3 1PET1670dtex/290502钢1×3/0.27+20/-2040PEN940d/2188015，1548-10 1PET1670dtex/290502钢1×3/0.27+20/-2040Aramid1500d/2300043，4386.7-25 1PET1670dtex/290502钢1×3/0.27+20/-2040PEN1500d/2300035，3556-7
  道路噪音耐久性   100100   98101   9297   9599   89105
PET：聚对苯二甲酸乙二酯纤维，PEN：聚2，6-萘二甲酸乙二酯纤维
*1)每一带由通过螺旋绕10mm宽的带条形成的全宽度层构成，帘线数是49/5cm。
测试结果证实可大大改善道路噪音，同时改进或保持耐久性。

Claims (4)

1、一种充气轮胎，包括胎面部分，一对胎侧部分，一对每一个其中均有一个胎圈芯的胎圈部分，在胎圈部分之间延伸的胎体，以及在胎面部分中径向放置在胎体外侧的带束层，其中，
胎体包括PEN帘线层，所述PEN帘线层包括多根以相对于轮胎赤道70～90度角径向放置的聚2，6-萘二甲酸乙二酯纤维帘线，
其特征在于，所述帘线的每一根都是由聚2，6-萘二甲酸乙二酯纤维捻合而形成，且具有
总旦尼尔数为2500～3600，
捻度数为30～40圈/10cm，
25℃的起始阶段模量为50～65gf/d，和
在25℃到70℃之间的温度范围内的起始阶段模量的变化绝对值不超过20％，
25℃时的损耗角正切值在0.06～0.09的范围内，
25℃时的复数弹性模量在2800～4000牛顿/帘线的范围内，和
25℃～70℃温度范围内损耗角正切值的绝对值变化不超过20％，和
25℃～70℃温度范围内复数弹性模量的绝对值变化不超过20％。
2、如权利要求1所述的充气轮胎，其特征在于，
PEN帘线胎体层中的聚2，6-萘二甲酸乙二酯纤维帘线在负载2.0gf/d条件下的伸长率的范围是0.5～2.5％。
3、如权利要求1所述的充气轮胎，其特征在于，
PEN帘线胎体层中的聚2，6-萘二甲酸乙二酯纤维帘线的纤维数目的范围是400～600。
4、如权利要求1所述的充气轮胎，其特征在于，
带束层包括PEN帘线层，所述PEN帘线层由至少一根以相对于轮胎赤道不大于5度角螺旋缠绕的聚2，6-萘二甲酸乙二酯纤维帘线构成，且由聚2，6-萘二甲酸乙二酯纤维捻合而成，以具有
总旦尼尔数为2500～3600，
捻度数为30～40圈/10cm，
25℃的起始阶段模量为50～65gf/d，和
在25℃到70℃之间的温度范围内的起始阶段模量的变化绝对值不超过20％，
在负载2.0gf/d条件下的伸长率的范围是0.5～2.5％。
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