CN102652066B - 用于重型土木工程车辆的轮胎胎圈 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过降低裂缝的扩展速度来改进用于重型土木工程车辆的子午线轮胎的胎圈的耐久性，这些裂缝出现在与胎圈钢丝芯部（22）接触的第一填料聚合物材料（23a）与位于第一填料聚合物材料的径向外侧的第二填料聚合物材料（23b）之间的径向最内侧接触表面处。根据本发明，由过渡聚合物材料制成并具有恒定厚度（e）的过渡元件（24）在其径向内表面（24a）上与第一填料聚合物材料（23a）接触，并且在其径向外表面（24b）与第二填料聚合物材料（23b）接触，过渡聚合物材料在10%伸长率时的弹性模量介于第一填料聚合物材料与第二填料聚合物材料在10%伸长率时的各自的弹性模量之间。

Description

用于重型土木工程车辆的轮胎胎圈

技术领域

本发明涉及旨在装配到土木工程类型的重型车辆的子午线轮胎。

背景技术

本发明将更具体地针对旨在安装在翻斗车（其为运送从采石场或露天采矿场挖掘出的材料的车辆）上的子午线轮胎进行描述，但本发明不限于这种类型的应用。这种轮胎的轮辋的公称直径，在由欧洲轮胎和轮辋技术组织或ETRTO给出的定义内的最小值为25”。

如下定义应用于下文中：

-“子午平面”为包括轮胎的旋转轴线的平面。

-“赤道平面”为穿过轮胎胎面表面的中间且垂直于轮胎的旋转轴线的平面。

-“径向方向”为垂直于轮胎的旋转轴线的方向。

-“轴向方向”为平行于轮胎的旋转轴线的方向。

-“周向方向”为垂直于子午平面的方向。

-“径向距离”为从轮胎的旋转轴线起，与轮胎的旋转轴线成直角地测量的距离。

-“轴向距离”为从赤道平面起，平行于轮胎的旋转轴线测量的距离。

-“径向地”指的是在径向方向上。

-“轴向地”指的是在轴向方向上。

-“在……的径向内侧上或在……的径向外侧上”指的是在更短、或更长的径向距离上。

-“在……的轴向内侧上或在……的轴向外侧上”指的是在更短、或更长的轴向距离上。

轮胎包括两个胎圈，所述胎圈在轮胎和轮辋（轮胎安装在其上）之间提供机械连接，胎圈通过两个胎侧分别连接至旨在经由胎面表面与地面接触的胎面。

子午线轮胎更具体地包括增强件，所述增强件包括在胎面的径向内侧上的胎冠增强件和在胎冠增强件的径向内侧上的胎体增强件。

用于土木工程类型的重型车辆的子午线轮胎的胎体增强件通常包括至少一个胎体增强件层，所述胎体增强件层由涂布有涂层聚合物材料的金属增强元件构成。金属增强元件基本上彼此平行，并与周向方向形成介于85°和95°之间的角度。胎体增强件层包括主要部分，所述主要部分将两个胎圈连接在一起，并且在每个胎圈中围绕胎圈钢丝芯部卷绕。胎圈钢丝芯部包括通常由金属制成的周向增强元件，其由至少一种可由聚合物或织物（非穷举地）制成的材料环绕。胎体增强件层从轮胎内侧朝向外侧围绕胎圈钢丝芯部卷绕以形成包括端部的胎体增强件的包边部分。胎体增强件的包边部分在每个胎圈中将胎体增强件层锚固至那个胎圈的胎圈钢丝芯部。

每个胎圈包括向外径向延伸所述胎圈钢丝芯部的填料元件。填料元件在任何子午平面具有基本上三角形的横截面，且由至少一种填料聚合物材料制成。填料元件通常由沿着接触表面（其沿着子午线与任何子午平面相交）相接触的至少两种填料聚合物材料的径向堆叠构成。填料元件将胎体增强件的主要部分与胎体增强件的包边部分轴向分离。

聚合物材料在固化后通过由拉伸试验确定的拉伸应力-变形特性加以机械表征。该拉伸试验由本领域技术人员在试样上根据已知的方法，例如根据国际标准ISO 37，且在由国际标准ISO 471限定的正常温度（23±2°C）和湿度（50±5%相对湿度）条件下进行。试样在10%伸长率时测得的拉伸应力被称为聚合物共混物在10%伸长率时的弹性模量，以兆帕（MPa）表示。

聚合物材料在固化后还通过其硬度加以机械表征。硬度特别地由根据ASTM D 2240-86测定的肖氏A硬度限定。

当车辆行驶时，安装在轮胎的轮辋上、在车辆的载荷下被充气和压缩的轮胎特别地在其胎圈及其胎侧处承受弯曲循环。

由于在轮辋凸轮上胎圈的弯曲，弯曲循环特别地导致在填料聚合物材料中主要在剪切和压缩方面的应力和变形。

特别地，在两种填料聚合物材料之间的接触表面处，弯曲循环引发经过位于径向最外侧的填料聚合物材料扩展的裂缝，所述裂缝随时间可能导致轮胎的降解，从而需要替换轮胎。

发明人认为，裂缝的出现是由于与胎圈钢丝芯部接触的径向最内侧的填料聚合物材料与位于其径向外侧且邻近接触表面的填料聚合物材料之间存在刚度梯度。两种填料聚合物材料之间沿着它们的接触表面的粘结力缺陷是出现裂缝的一个因素。

裂缝扩展速度首先取决于应力和应变变形周期的幅度和频率，其次取决于填料聚合物材料各自的刚度。举例而言，位于径向最内侧其与胎圈钢丝芯部接触的填料聚合物材料在10%伸长率时的弹性模量可以等于位于其径向外侧且与其相邻的填料聚合物材料在10%伸长率时的弹性模量的3倍。

发明内容

本发明人为自己设定了这样的目标：通过降低出现在位于径向最内侧并与胎圈钢丝芯部接触的第一填料聚合物材料与位于第一填料聚合物材料的径向外侧的第二填料聚合物材料之间的接触表面处的裂缝的扩展速度，来改进用于土木工程类型的重型车辆的子午线轮胎的胎圈的耐久性。

根据本发明，该目标已经如下实现：

用于土木工程类型的重型车辆的轮胎，其包括用于接触轮辋的两个胎圈、包括至少一个由金属增强元件构成的胎体增强件层的胎体增强件，

所述胎体增强件层包括胎体增强件的主要部分，所述主要部分在每个胎圈中由轮胎内侧朝向外侧围绕胎圈钢丝芯部卷绕以形成胎体增强件的包边部分，

每个胎圈包括向外径向延伸所述胎圈钢丝芯部的填料元件，

所述填料元件在任何子午平面中具有基本上三角形的横截面且由至少两种填料聚合物材料形成，

第一填料聚合物材料位于径向最内侧并与所述胎圈钢丝芯部接触，

第二填料聚合物材料位于所述第一填料聚合物材料的径向外侧，且在10%伸长率时的弹性模量小于第一填料聚合物材料在10%伸长率时的弹性模量，

恒定厚度的由过渡聚合物材料制成的过渡元件经由其径向内部面与所述第一填料聚合物材料接触，且经由其径向外部面与所述第二填料聚合物材料接触，并且

所述过渡聚合物材料在10%伸长率时的弹性模量介于第一填料聚合物材料和第二填料聚合物材料在10%伸长率时的各自的弹性模量之间。

根据本发明，有利的是恒定厚度的由过渡聚合物材料制成的过渡元件经由其径向内部面与所述第一填料聚合物材料接触，且经由其径向外部面与所述第二填料聚合物材料接触。

过渡元件为插置在第一填料聚合物材料和第二填料聚合物材料之间的元件。

过渡元件通常由单一过渡聚合物材料构成。然而，过渡元件可由过渡聚合物材料在径向方向上的堆叠构成，其在10%伸长率时的各自的弹性模量介于第一填料聚合物材料和第二填料聚合物材料在10%伸长率时各自的弹性模量之间，且随着过渡聚合物材料所处的径向距离的增加而降低。

过渡元件的厚度为分别与胎体增强件的主要部分和胎体增强件的包边部分所接触的区域外侧测得的过渡元件的厚度，在胎体增强件的主要部分和包边部分中过渡元件向过渡元件各自的径向外端和径向内端渐缩。在过渡元件由过渡聚合物材料在径向方向上的堆叠构成的情况下，过渡元件的厚度为过渡聚合物材料在径向方向上堆叠的总厚度。

除了在与胎体增强件的主要部分接触的过渡元件的径向内部面的轴向内部部分中，当过渡元件的径向内部面与第一填料聚合物材料的径向外部面几何重合时，过渡元件被称为经由其径向内部面与第一填料聚合物材料接触。

除了在与胎体增强件的包边部分接触的过渡元件的径向外部面的轴向外部部分中，当过渡元件的径向外部面与第二填料聚合物材料的径向内部面几何重合时，过渡元件被称为经由其径向外部面与第二填料聚合物材料接触。

过渡聚合物材料在10%伸长率时的弹性模量有利地介于第一填料聚合物材料和第二填料聚合物材料在10%伸长率时的各自的弹性模量之间，第二填料聚合物材料在10%伸长率时的弹性模量小于第一填料聚合物材料在10%伸长率时的弹性模量。从第一填料聚合物材料到过渡聚合物材料，再到第二填料聚合物材料，在10%伸长率时的弹性模量的逐渐降低导致下降的和渐变的刚度梯度，这使得有可能局部地减少第一填料材料和第二填料材料之间的过渡区域中的应力和变形，并因此减缓裂缝的扩展。

第一填料聚合物材料与第二填料聚合物材料在10%伸长率时各自的弹性模量之差越大，由过渡聚合物材料在10%伸长率时的中间弹性模量所带来的优势越显著。举例而言，在根据本发明的轮胎中，第一填料聚合物材料在10%伸长率时的弹性模量等于第二填料聚合物材料在10%伸长率时的弹性模量的大约2.9倍。

过渡元件的厚度有利地至少等于胎体增强件的包边部分的端部与胎体增强件的主要部分之间的距离的0.1倍。

胎体增强件的包边部分的端部与胎体增强件的主要部分之间的距离是沿着穿过胎体增强件的包边部分的端部且垂直于胎体增强件的主要部分的直线测得的胎体增强件的包边部分中的增强元件的轴向内部母线与胎体增强件的主要部分中的增强元件的轴向外部母线之间的距离。

过渡元件的该最小厚度使得有可能建立最小的刚度梯度，从而降低裂缝的扩展速度。

过渡元件的厚度还有利地至多等于胎体增强件的包边部分的端部与胎体增强件的主要部分之间的距离的0.5倍。

这是因为，由于过渡聚合物材料在10%伸长率时的弹性模量较高，因此过渡聚合物材料的热耗散大于第二填料聚合物材料的热耗散。结果，超出过渡元件的最大厚度，当相对于参照轮胎，过渡元件取代了第二填料聚合物材料的部分时，过高的过渡聚合物材料的体积导致胎圈温度的升高，其损害胎圈寿命，因此需要对于过渡元件的厚度设定上限。

而且，本发明人选择限制过渡元件的厚度以局部地影响破裂，同时限制过渡元件对于胎圈的弯曲刚度的影响。过渡元件的目的不是允许胎圈弯曲刚度的变化，而是影响第一聚合物填充材料和第二聚合物填充材料之间裂缝的扩展速度。换言之，轮辋凸缘上胎圈的总弯曲相同，不管有或没有过渡元件。

还有利的是使得过渡聚合物材料在10%伸长率时的弹性模量至少等于第一填料聚合物材料和第二填料聚合物材料在10%伸长率时的各自的弹性模量的算数平均值的0.9倍且至多等于该算数平均值的1.1倍。过渡聚合物材料在10%伸长率时的弹性模量的该范围的值保证了连续地从第一填料聚合物材料到过渡聚合物材料，接着到第二填料聚合物材料的刚度梯度最小，由此使得裂缝扩展速度显著下降。

过渡元件的径向内部面有利地与胎体增强件的主要部分在起始接触点与最后接触点（其为过渡元件的径向最外点）之间连续接触。胎体增强件的主要部分与过渡元件之间的该连续接触表面使得有可能降低裂缝的扩展速度，这些裂缝在该接触区域中在胎体增强件的主要部分的轴向外部面上出现并轴向向外通过第二填料聚合物材料而扩展。

还有利的是过渡元件的径向内部面与胎体增强件的主要部分的起始接触点与最后接触点之间的距离至少等于胎体增强件的包边部分的端部与胎体增强件的主要部分之间的距离且至多等于该距离的三倍。

该距离为垂直于胎体的主要部分且分别经过过渡元件的径向内部面与胎体增强件的主要部分的起始接触点和最后接触点的两条直线之间的距离。

该距离保证了过渡元件与胎体增强件的主要部分之间的接触区域处于胎体增强件的主要部分的最大曲率的区域中，胎体增强件的主要部分的轴向外部面是出现裂缝的优选区域。定义为胎体增强件的包边部分的端部与胎体增强件的主要部分之间距离的函数的该距离的值的范围保证了在胎体增强件的主要部分的轴向外部面上在所有潜在出现裂缝的区域中将存在一些过渡元件。

附图说明

根据所附的图1至图2的说明，本发明的特征将会得到更清楚的理解：

图1是现有技术中用于土木工程类型的重型车辆的轮胎的胎圈的子午平面的横截面图。

图2是根据本发明的用于土木工程类型的重型车辆的轮胎的胎圈的子午平面的横截面图。

为了使得它们更易于理解，图1和2没有按比例绘制。

具体实施方式

图1显示了现有技术中用于土木工程类型的重型车辆的轮胎的胎圈，包括：

-胎体增强件，所述胎体增强件包括至少一个由金属增强元件构成的胎体增强件层1，

-所述胎体增强件层包括胎体增强件的主要部分1a，所述主要部分在每个胎圈中由轮胎内侧朝向外侧围绕胎圈钢丝芯部2卷绕以形成胎体增强件的包边部分1b，

-每个胎圈包括向外径向延伸胎圈钢丝芯部的填料元件3，

-填料元件在任何子午平面中具有基本上三角形的横截面且由两种填料聚合物材料形成，

-第一填料聚合物材料3a位于径向最内侧并与胎圈钢丝芯部接触，

-第二填料聚合物材料3b位于第一填料聚合物材料的径向外侧，且在10%伸长率时的弹性模量小于第一填料聚合物材料在10%伸长率时的弹性模量。

图2显示了根据本发明的用于土木工程类型的重型车辆的轮胎的胎圈，包括：

-胎体增强件，所述胎体增强件包括由金属增强元件构成的胎体增强件层21，

-所述胎体增强件层包括胎体增强件的主要部分21a，所述主要部分在每个胎圈中由轮胎内侧朝向外侧围绕胎圈钢丝芯部22卷绕以形成胎体增强件的包边部分21b，

-胎圈包括向外径向延伸胎圈钢丝芯部的填料元件23，

-填料元件在任何子午平面中具有基本上三角形的横截面且由两种填料聚合物材料形成，

-第一填料聚合物材料23a位于径向最内侧并与胎圈钢丝芯部接触，

-第二填料聚合物材料23b位于第一填料聚合物材料的径向外侧，且在10%伸长率时的弹性模量小于第一填料聚合物材料在10%伸长率时的弹性模量，

-恒定厚度（e）的由过渡聚合物材料制成的过渡元件（24）经由其径向内部面（24a）与第一填料聚合物材料接触，且经由其径向外部面（24b）与第二填料聚合物材料接触，并且

-过渡聚合物材料在10%伸长率时的弹性模量介于第一填料聚合物材料和第二填料聚合物材料在10%伸长率时的各自的弹性模量之间。

过渡元件24具有恒定厚度e，在分别与胎体增强件的主要部分和胎体增强件的包边部分接触的区域的外侧，在所述区域中过渡元件渐缩直至过渡元件的各自的径向外端E'₂₄和径向内端I₂₄（在此处过渡元件24的径向内部面24a与径向外部面24b会合）。

过渡元件24的径向内部面24a分别通过其与胎体增强件的包边部分23b接触的径向最内点I₂₄和其与胎体增强件的主要部分21a接触的径向最外点E'₂₄限定。

过渡元件24的径向外部面24b分别通过其与胎体增强件的包边部分23b接触的径向最内点I₂₄和其与胎体增强件的主要部分21a接触的径向最外点E'₂₄限定。

过渡元件24与胎体增强件的主要部分21a之间的连续接触区域沿着过渡元件24的径向内部面24a获得，且通过径向最内起始接触点E₂₄和也在过渡元件的径向外端的径向最外的最后接触点E'₂₄径向限定。

过渡元件24与胎体增强件的包边部分21b之间的连续接触区域沿着过渡元件24的径向外部面24b获得，且通过径向最外起始接触点I'₂₄和也在过渡元件24的径向内端的径向最内的最后接触点I₂₄径向限定。

胎体增强件的包边部分21b的端部E₂₁与胎体增强件的主要部分21a之间的距离d是沿着穿过胎体增强件的包边部分的端部E₂₁且垂直于胎体增强件的主要部分的直线D测得的介于胎体增强件的包边部分的增强元件的轴向内部母线与胎体增强件的主要部分的增强元件的轴向外部母线之间的距离。

过渡元件24的径向内部面24a与胎体增强件的主要部分21a的各自的起始接触点和最后接触点之间的距离为分别在E₂₄和E'₂₄处垂直于胎体增强件的主要部分21a的直线D'与D″之间测得的距离。

本发明更具体地针对用于尺寸为59/80R63的翻斗车类型的重型车辆的轮胎进行了研究。根据ETRTO标准，使用这种轮胎的正常条件如下：6巴的充气压力、99吨的静载荷和在1小时内覆盖介于16千米和32千米之间的距离。

根据本发明设计59/80R63轮胎，如图2所示。

过渡元件24的厚度e等于4.5毫米，即胎体增强件的包边部分的端部E₂₁与胎体增强件的主要部分21a之间的距离d（等于15毫米）的0.3倍。

第一填料聚合物材料、过渡聚合物材料和第二填料聚合物材料在10%伸长率时的弹性模量分别等于10MPa、6.5MPa和3.5MPa。因此过渡聚合物材料在10%伸长率时的弹性模量介于第一填料聚合物材料和第二填料聚合物材料在10%伸长率时各自的弹性模量之间，且等于第一填料聚合物材料和第二填料聚合物材料在10%伸长率时各自的弹性模量的算数平均值的0.96倍。

过渡元件24的径向内部面24a与胎体增强件的主要部分21a的起始接触点E₂₄与最后接触点E'₂₄之间的距离a等于22.5毫米，即为胎体增强件的包边部分21b的端部E₂₁与胎体增强件的主要部分21a之间的距离d的1.5倍。

在如图1所示的参照轮胎和如图2所示的根据本发明的轮胎上分别进行了有限元计算仿真。对于参照轮胎，在轮胎的径向内部面附近的第二填料聚合物材料3b的伸长率等于在轮胎的径向外部面附近的第一填料聚合物材料3a的伸长率的2.5倍。对于根据本发明的轮胎，在轮胎的径向内部面24a附近的过渡聚合物材料24的伸长率等于在轮胎的径向外部面附近的第一填料聚合物材料23a的伸长率的1.5倍。类似地，对于根据本发明的轮胎，在轮胎的径向内部面24a附近的第二填料聚合物材料23b的伸长率等于在轮胎的径向外部面附近的过渡聚合物材料24的伸长率的1.5倍。

因此，在本发明的情况下裂缝从第一填料聚合物材料23a扩展到过渡聚合物材料24，再从过渡聚合物材料24扩展到第二填料聚合物材料23b的扩展速度低于在参照轮胎的情况下裂缝从第一填料聚合物材料3a扩展到第二填料聚合物材料3b的扩展速度，因为过渡聚合物材料24的伸长率与第一填料聚合物材料23a的伸长率之比以及第二填料聚合物材料23b的伸长率与过渡聚合物材料24的伸长率之比小于第二填料聚合物材料3b的伸长率与第一填料聚合物材料3a的伸长率之比。

本发明不应该解释为受限于图2所示的实例，而是可扩展至其他实施例变型，例如（非穷举地）：涉及过渡聚合物材料的数目，在第一填料聚合物材料与第二填料聚合物材料之间在径向方向上构成堆叠，或涉及构成填充元件的填料材料的数目（大于2）。

Claims (7)

1.用于土木工程类型的重型车辆的轮胎，其包括用于接触轮辋的两个胎圈、包括至少一个由金属增强元件构成的胎体增强件层（1，21）的胎体增强件，所述胎体增强件层包括胎体增强件的主要部分（1a，21a），所述主要部分在每个胎圈中由轮胎内侧朝向外侧围绕胎圈钢丝芯部（2，22）卷绕以形成胎体增强件的包边部分（1b，21b），每个胎圈包括径向向外延伸所述胎圈钢丝芯部的填料元件（3，23），所述填料元件（3，23）在任何子午平面中具有基本上三角形的横截面且由至少两种填料聚合物材料形成，第一填料聚合物材料（3a，23a）位于径向最内侧并与所述胎圈钢丝芯部接触，第二填料聚合物材料（3b，23b）位于所述第一填料聚合物材料的径向外侧且在10%伸长率时的弹性模量小于所述第一填料聚合物材料在10%伸长率时的弹性模量，其特征在于，恒定厚度（e）的由过渡聚合物材料制成的过渡元件（24）经由其径向内部面（24a）与所述第一填料聚合物材料（23a）接触，且经由其径向外部面（24b）与所述第二填料聚合物材料（23b）接触，所述过渡聚合物材料在10%伸长率时的弹性模量介于所述第一填料聚合物材料和第二填料聚合物材料在10%伸长率时的各自的弹性模量之间。 

2.根据权利要求1所述的用于土木工程类型的重型车辆的轮胎，其特征在于，所述过渡元件（24）的厚度（e）至少等于胎体增强件的包边部分（21b）的端部（E₂₁）与胎体增强件的主要部分（21a）之间的距离（d）的0.1倍。 

3.根据权利要求1和2中任一项所述的用于土木工程类型的重型车辆的轮胎，其特征在于，所述过渡元件（24）的厚度（e）至多等于胎体增强件的包边部分（21b）的端部（E₂₁）与胎体增强件的主要部分（21a）之间的距离（d）的0.5倍。 

4.根据权利要求1所述的用于土木工程类型的重型车辆的轮胎，其特征在于，所述过渡聚合物材料（24）在10%伸长率时的弹性模量至少等于所述第一填料聚合物材料（23a）和第二填料聚合物材料（23b）在10%伸长率时的各自的弹性模量的算数平均值的0.9倍，且至多等于该算数平均值的1.1倍。 

5.根据权利要求1所述的用于土木工程类型的重型车辆的轮胎，其特征在于，所述过渡元件（24）的径向内部面（24a）与胎体增强件的主要部分（21a）在起始接触点（E₂₄）与位于所述过渡元件（24）的径向最外点的最后接触点（E'₂₄）之间连续接触。 

6.根据权利要求1所述的用于土木工程类型的重型车辆的轮胎，其特征在于，所述过渡元件（24）的径向内部面（24a）与胎体增强件的主要部分（21a）的起始接触点（E₂₄）与最后接触点（E'₂₄）之间的距离（a）至少等于胎体增强件的包边部分（21b）的端部（E₂₁）与胎体增强件的主要部分（21a）之间的距离（d）。 

7.根据权利要求1所述的用于土木工程类型的重型车辆的轮胎，其特征在于，所述过渡元件（24）的径向内部面（24a）与胎体增强件的主要部分（21a）的起始接触点（E₂₄）与最后接触点（E'₂₄）之间的距离（a）至多等于胎体增强件的包边部分（21b）的端部（E₂₁）与胎体增强件的主要部分（21a）之间的距离（d）的3倍。