CN102770288B - 用于重型土木工程车辆的轮胎胎圈 - Google Patents

用于重型土木工程车辆的轮胎胎圈 Download PDF

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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，这些裂缝出现在胎体增强件框架的轴向外表面上并且经过涂层聚合物材料和填充聚合物材料扩展。根据本发明，由过渡聚合物材料制成的过渡元件（28）经由其轴向内表面与胎体增强件框架（21b）的轴向外表面的涂层聚合物材料接触，并且经由其轴向外表面与填充聚合物材料（26）接触，过渡聚合物材料在10%伸长率时的弹性模量介于涂层聚合物材料与填充聚合物材料各自在10%伸长率时的弹性模量之间。

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。胎体增强件层包括胎体增强件的主要部分，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。填料元件可由沿着接触表面（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。
每个胎圈还包括使胎侧径向内延伸且在胎体增强件的包边部分的轴向外侧上的保护元件。保护元件还至少部分地经由其轴向外部面与轮辋凸缘接触。保护元件由至少一种保护聚合物材料制成。
每个胎圈最终包括填充元件，所述填充元件位于胎侧和保护元件的轴向内侧上，并位于胎体增强件的包边部分的轴向外侧上。填充元件由至少一种填充聚合物材料制成。
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ISO37，且在由国际标准ISO471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ASTMD2240-86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。
弯曲循环导致在胎体增强件的主要部分和胎体增强件的包边部分处的曲率变化以及金属增强元件的张力变化。
由于在轮辋凸轮上胎圈的弯曲，弯曲循环特别地导致在胎体增强件的包边部分的轴向外部面上的涂层聚合物材料和填充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，在胎圈围绕轮辋凸缘缠绕的区域中，弯曲循环在胎体增强件的包边部分的轴向外部面上引发裂缝。这些裂缝在涂层聚合物材料中接着在填充聚合物材料中扩展，在其中，裂缝形成腔，所述腔随时间有可能导致轮胎的降解，由此需要将轮胎替换。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，其次取决于在裂缝区中的聚合物材料的刚度。
文献JP2004345414已经描述了在具有径向胎体增强件、胎圈的轮胎的情况下，其设计目的在于防止在胎体增强件的包边部分与围绕胎圈钢丝芯部的径向内部部分的金属增强元件的层的径向外端之间重叠的区域中产生裂缝。在提出的技术方案中，将由聚合物材料制成的元件插在胎体增强件的包边部分与围绕胎圈钢丝芯部的径向内部部分的金属增强元件的层的径向外端之间。
发明内容
本发明人已经自己设定了这样的目标：通过降低出现在胎体增强件的包边部分的轴向外部面上然后经过涂层聚合物材料和填充聚合物材料而扩展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，所述轮辋包括两个至少部分为圆形的轮辋凸缘，
-胎体增强件包括至少一个由涂层聚合物材料涂布的金属增强元件构成的胎体增强件层，
-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，
-每个胎圈包括使胎侧轴向向内延伸的保护元件以及填充元件，所述填充元件位于保护元件和胎侧的轴向内侧上且位于胎体增强件的包边部分的轴向外侧上，
-所述保护元件和填充元件分别由至少一种保护聚合物材料和一种填充聚合物材料构成，
-填充聚合物材料在10%伸长率时的弹性模量小于涂层聚合物材料在10%伸长率时的弹性模量，
-由过渡聚合物材料制成的过渡元件经由其轴向内部面与胎体增强件的包边部分的轴向外部面的涂层聚合物材料接触，且经由其轴向外部面与所述填充聚合物材料接触，并且
-所述过渡聚合物材料在10%伸长率时的弹性模量介于所述涂层聚合物材料和所述填充聚合物材料各自在10%伸长率时的弹性模量之间。
根据本发明，有利的是由过渡聚合物材料制成的过渡元件经由其轴向内部面与胎体增强件的包边部分的轴向外部面的涂层聚合物材料接触，且经由其轴向外部面与所述填充聚合物材料接触。这是由于，加入过渡元件使得有可能产生刚度梯度并局部地限制应力和变形的水平，出现在胎体增强件的包边部分的轴向外部面上并经过涂层聚合物材料和填充聚合物材料扩展的裂缝的扩展速度取决于这些应力和变形的水平。
所述过渡聚合物材料在10%伸长率时的弹性模量有利地介于过渡元件所接触的涂层聚合物材料和填充聚合物材料各自在10%伸长率时的弹性模量之间。从涂层聚合物材料到过渡聚合物材料，再到填充聚合物材料，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，这使得有可能减少胎体增强件的包边部分的轴向外部面上的应力和变形，并因此减缓裂缝的扩展。
涂层聚合物材料与填充聚合物材料各自在10%伸长率时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。在根据本发明的轮胎的研究实例中，涂层聚合物材料在10%伸长率时的弹性模量等于填充聚合物材料在10%伸长率时的弹性模量的1.6倍。
还有利的是，使得过渡元件的径向外端位于经过轮辋凸缘的圆的中心且相对于轴向方向成+70°角度的直线的径向外侧上。
还有利的是，使得过渡元件的径向内端位于经过轮辋凸缘的圆的中心且相对于轴向方向成+40°角度的直线的径向内侧上。
由于轮胎的轮辋包括两个相对于轮胎的赤道平面对称的轮辋凸缘，且由于每个轮辋凸缘在其径向最外部分包括圆形部分，为每个轮辋凸缘限定局部参照系，该局部参照系的原点为轮辋凸缘的圆的中心，其轴为经过轮辋凸缘的圆的中心的两条直线，且这两条直线分别轴向朝向轮胎的内侧和径向朝向轮胎的外侧取向。
穿过轮辋凸缘的圆的中心的直线相对于轴向方向的角度为该直线相对于穿过轮辋凸缘的圆的中心并朝向轮胎内侧导向的轴向导向的直线的角度。如果从穿过轮辋凸缘的圆的中心并朝向轮胎内侧轴向取向的直线朝向所述直线测得的角度在三角方向上进行测量的话，该角度为正的。
过渡元件的端部的几何位置在轮胎（安装在其轮辋上）上测量，亦即，所述轮胎被充气至确保轮胎的胎圈相对于轮辋凸缘正确定位的最小压力。举例而言，该最小压力可以等于如ETRTO标准中所规定的额定充气压力的10%。
发明人已经证实，对于胎体增强件的包边部分的轴向外部面上的破裂敏感的区域包括在经过轮辋凸缘的圆的中心的直线之间，所述直线相对于轴向方向各自成等于+40°的最小角度和等于+70°的最大角度。这实际上是在施加于轮胎的载荷下围绕轮辋凸缘缠绕胎圈时的最大压缩和最大剪切的区域。结果，过渡元件至少需要覆盖对于胎体增强件的包边部分的轴向外部面上的破裂敏感的该区域，记住过渡元件相对于胎体增强件的包边部分定位的公差，该公差是该制造方法固有的。
根据本发明的一个有利的实施例，过渡元件的厚度至少等于涂层聚合物材料的厚度。
过渡元件的厚度指的是在过渡元件的端部处的渐缩区域的外侧测得的过渡元件的恒定厚度。
涂层聚合物材料的厚度指的是在胎体增强件的包边部分的轴向外部面上测得的涂层聚合物材料始于并垂直于胎体增强件的包边部分的圆柱形金属增强元件的轴向外部母线的厚度。
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。
过渡元件的厚度有利地至多等于涂层聚合物材料的厚度的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填充聚合物材料的热耗散。结果，过渡聚合物材料的过高体积导致胎圈温度增加，这损害了胎圈的寿命，因此重要的是为过渡元件的厚度设定上限。
本发明的一个有利的实施例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涂层聚合物材料和填充聚合物材料各自在10%伸长率时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从涂层聚合物材料连续移动至过渡聚合物材料，接着到填充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。
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单层的胎体增强件1，所述单层的胎体增强件1由以涂层聚合物材料涂布的金属增强元件构成，胎体增强件的主要部分1a从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，
-填料元件3，所述填料元件3径向向外延伸胎圈钢丝芯部2，且在任何子午平面中具有基本上三角的横截面，并由两种填料聚合物材料制成，
-第一填料聚合物材料3a，所述第一填料聚合物材料3a位于胎圈钢丝芯部2的径向外侧并与胎圈钢丝芯部2接触，
-第二填料聚合物材料3b，所述第二填料聚合物材料3b位于第一填料聚合物材料3a的径向外侧并与第一填料聚合物材料3a接触，
-保护元件4，所述保护元件4径向向内延伸胎侧5，并由至少一种保护聚合物材料制成，
-填充元件6，所述填充元件6位于保护元件4和胎侧5的轴向内侧上，并位于胎体增强件的包边部分1b的轴向外侧上，且由填充聚合物材料制成。
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单层的胎体增强件21，所述单层的胎体增强件21由以涂层聚合物材料涂布的金属增强元件构成，胎体增强件的主要部分21a从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，
-填料元件23，所述填料元件23径向向外延伸胎圈钢丝芯部22，且在任何子午平面中具有基本上三角的横截面，并由两种填料聚合物材料制成，
-第一填料聚合物材料23a，所述第一填料聚合物材料23a位于胎圈钢丝芯部22的径向外侧并与胎圈钢丝芯部22接触，
-第二填料聚合物材料23b，所述第二填料聚合物材料23b位于第一填料聚合物材料23a的径向外侧并与第一填料聚合物材料23a接触，
-保护元件24，所述保护元件24径向向内延伸胎侧25，并由至少一种保护聚合物材料制成，
-填充元件26，所述填充元件26位于保护元件24和胎侧25的轴向内侧上，并位于胎体增强件的包边部分21b的轴向外侧上，且由填充聚合物材料制成，
-过渡元件28，所述过渡元件28经由其轴向内部面与胎体增强件的包边部分的轴向外部面的涂层聚合物材料接触，且经由其轴向外部面与填充聚合物材料接触。
过渡元件28具有示意性地示为恒定值的厚度e，但是该厚度实际上在其各自的径向外端E和径向内端I处通常为渐缩的。
过渡元件28的径向外端E和径向内端I的各自的几何位置相对于局部参照系定义，该局部参照系的原点为轮辋凸缘27的圆的中心O，其轴线YY’和ZZ’为经过轮辋凸缘的圆的中心O的两条直线，且这两条直线分别轴向朝向轮胎的内侧和径向朝向轮胎的外侧取向。如果从轴线YY’到直线进行的测量是在三角方向上测量，则经过轮辋凸缘的圆的中心O的直线所成的角度称为正的。
过渡元件28的径向外端E和径向内端I分别位于直线D和d上，这两条直线与轴线YY’所成的角度为A和a。
过渡元件28的径向外端E和径向内端I分别位于相对于轴线YY’成+70°角度的直线Dmin的径向外侧上和相对于轴线YY’成+40°角度的直线dmax的径向内侧上。
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。
经过过渡元件28的径向外端E的直线D的角度A等于+80°，因此大于+70°。
经过过渡元件28的径向内端I的直线d的角度a等于+35°，因此小于+40°。
过渡元件28的厚度e等于1.5毫米，因而介于等于1毫米的涂层聚合物材料的厚度与聚合物涂层材料的厚度的5倍之间。
涂层聚合物材料、过渡聚合物材料和填充聚合物材料在10%伸长率时的弹性模量分别等于6MPa、4.8MPa和3.5MPa。因此，过渡聚合物材料在10%伸长率时的弹性模量等于涂层聚合物材料和填充聚合物材料各自在10%伸长率时的弹性模量的算数平均值。
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。对于参照轮胎而言，在对于破裂敏感的区域中的填料聚合物材料在胎体增强件的包边部分1b的轴向外部面上的伸长率等于与之接触的涂层聚合物材料的伸长率的1.3倍，这些伸长平行于胎体增强件的包边部分。对于根据本发明的轮胎而言，在对于破裂敏感的区域中的过渡聚合物材料28在胎体增强件的包边部分21b的轴向外部面上的伸长率等于涂层聚合物材料的伸长率的1.1倍。结果，在本发明的情况下裂缝从涂层聚合物材料扩展到过渡聚合物材料28的扩展速度低于在参照轮胎的情况下裂缝从涂层聚合物材料扩展到填充聚合物材料6的扩展速度，因为过渡聚合物材料28的伸长率与涂层聚合物材料的伸长率之比（等于1.1）低于填充聚合物材料6的伸长率与涂层聚合物材料的伸长率之比（等于1.3）。
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（作为示例且非穷举地）：使得过渡聚合物材料的数量包括在涂层聚合物材料与填充聚合物材料之间。

Claims (6)

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、胎体增强件，所述轮辋包括两个至少部分为圆形的轮辋凸缘(7，27)，所述胎体增强件包括至少一个由涂层聚合物材料涂布的金属增强元件构成的胎体增强件层(1，21)，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)，每个胎圈包括使胎侧(5，25)径向向内延伸的保护元件(4，24)以及填充元件(6，26)，所述填充元件(6，26)位于保护元件和胎侧的轴向内侧上且位于胎体增强件的包边部分的轴向外侧上，所述保护元件由至少一种保护聚合物材料构成，所述填充元件由至少一种填充聚合物材料构成，所述填充聚合物材料在10％伸长率时的弹性模量小于所述涂层聚合物材料在10％伸长率时的弹性模量，其特征在于，由过渡聚合物材料制成的过渡元件(28)经由其轴向内部面与胎体增强件的包边部分(21b)的轴向外部面的涂层聚合物材料接触，且经由其轴向外部面与所述填充聚合物材料(26)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涂层聚合物材料和所述填充聚合物材料各自在10％伸长率时的弹性模量之间。
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(28)的径向外端(E)位于经过所述轮辋凸缘(27)的圆的中心(O)且相对于所述轴向方向(YY’)成+70°角度的直线(Dmin)的径向外侧上。
3.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(28)的径向内端(I)位于经过所述轮辋凸缘(27)的圆的中心(O)且相对于所述轴向方向(YY’)成+40°角度的直线(dmax)的径向内侧上。
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，所述过渡元件(28)的厚度(e)至少等于所述涂层聚合物材料的厚度。
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(28)的厚度(e)至多等于所述涂层聚合物材料的厚度的5倍。
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，所述过渡聚合物材料在10％伸长率时的弹性模量至少等于所述涂层聚合物材料和所述填充聚合物材料各自在10％伸长率时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。
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