CN104661833B - 重型土木工程车辆的轮胎的胎冠 - Google Patents

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Abstract

为了使用于重型土木工程车辆的轮胎在基本上撞击胎面中间的冲击方面不再敏感，提供一种轮胎(1)，该轮胎(1)包括：胎面(2)、加强帘布层(3)和外胎帘布层(4)，加强帘布层(3)在径向上由外至内包括：保护帘布层(5)、工作帘布层(6)和额外帘布层(7)，所述保护帘布层(5)包括至少一个由弹性金属增强件形成的层(51、52)，弹性金属增强件与周向方向形成≥10°的角度，所述工作帘布层(6)包括至少两个由非弹性金属增强件形成的层(61、62)，非弹性金属增强件从一个工作层至另一个工作层交叉并且与周向方向形成≤60°的角度，所述额外帘布层(7)以轮胎的赤道平面为中心，包括至少一个由弹性金属增强件形成的额外层(71、72)，弹性金属增强件在延伸时具有150GPa的最大弹性模量并且与周向方向形成≤10°的角度。

Description

重型土木工程车辆的轮胎的胎冠
技术领域
本发明涉及旨在装配至土木工程重型车辆的子午线轮胎，更具体地涉及这种轮胎的胎冠。
背景技术
尽管并不限于这种类型的应用，本发明通过更具体地参考大尺寸的径向轮胎来进行描述，所述径向轮胎旨在例如装配至倾卸车，其为用于运输从采石场或从露天矿场开采的材料的车辆。在欧洲轮胎和轮辋技术组织或ETRTO标准的含义内，这种轮胎的轮辋的公称直径为至少25英寸。
轮胎包括两个胎圈，所述胎圈提供轮胎和轮胎安装在其上的轮辋之间的机械连接，胎圈分别通过两个胎侧结合至胎面，所述胎面旨在经由胎面表面与路面接触。
由于轮胎的几何形状显示出相对于旋转轴线的旋转对称性，轮胎的几何形状通常在包含轮胎的旋转轴线的子午平面中进行描述。对于给定的子午平面，径向、轴向和周向方向分别意指垂直于轮胎的旋转轴线、平行于轮胎的旋转轴线和垂直于子午平面的方向。
在下文中，表述“在径向上位于内部或在径向上位于外部”分别意指“更接近轮胎的旋转轴线或更远离轮胎的旋转轴线”。表述“在轴向上位于内部或在轴向上位于外部”分别意指“更接近轮胎的赤道平面或更远离轮胎的赤道平面”，轮胎的赤道平面为经过轮胎的胎面表面的中间并且垂直于轮胎的旋转轴线的平面。
子午线轮胎包括增强件，所述增强件由在径向上位于胎面内部的胎冠增强件和在径向上位于胎冠增强件内部的胎体增强件组成。
用于土木工程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层，所述胎体层通常由覆盖有聚合物材料的金属加强件组成，所述聚合物材料被称为覆盖配混物。胎体层包括主要部分，所述主要部分将两个胎圈连接在一起并且在每个胎圈内从轮胎的内部朝向外部围绕通常为金属的周向增强元件(被称为胎圈线)卷绕从而形成卷边。胎体层的金属加强件基本上彼此平行并且与周向方向形成在85°和95°之间的角度。
用于土木工程重型车辆的子午线轮胎的胎冠增强件包括沿周向设置的胎冠层的叠加，所述胎冠层在径向上位于胎体增强件的外部。每个胎冠层通常由金属加强件组成，所述金属加强件彼此平行并且覆盖有聚合物材料或覆盖配混物。
在胎冠层中，通常区分为保护层和工作层，所述保护层构成保护增强件并且在径向上位于朝向外部的最远位置处，所述工作层构成工作增强件并且在径向上位于保护增强件和胎体增强件之间。
由至少一个保护层组成的保护增强件在本质上保护工作层免受可能通过胎面在径向上朝向轮胎内部传播的机械攻击或物理化学攻击。
保护增强件通常包括两个在径向上叠置的保护层，所述保护层由弹性金属加强件形成，所述弹性金属加强件在每个层内彼此平行并且从一个层至另一个层交叉，与周向方向形成绝对值通常在10°和35°之间，优选在15°和30°之间的角度。
由至少两个工作层组成的工作增强件的功能在于用带束环绕轮胎并且为轮胎提供刚度和抓地力。所述工作增强件抵抗充气的机械应力和运转的机械应力，所述充气的机械应力通过轮胎充气压力产生并且通过胎体增强件传递，所述运转的机械应力通过轮胎在地面上的运转产生并且通过胎面传递。所述工作增强件还必须借助其固有设计和保护增强件的固有设计忍受氧化、敲击和穿孔。
工作增强件通常包括两个在径向上叠置的工作层，所述工作层由非弹性金属加强件形成，所述非弹性金属加强件在每个层内彼此平行并且从一个层至另一个层交叉，与周向方向形成绝对值通常至多等于60°，优选在15°和40°之间的角度。
金属加强件的机械特征在于表示应用至金属加强件的拉伸力(用N表示)随金属加强件的相对伸长(用％表示)的变化的曲线，所述曲线被称为力-伸长曲线。通过该力-伸长曲线推出拉伸机械性质例如结构伸长As(用％表示)、总断裂伸长At(用％表示)、断裂力Fm(用N表示的最大负载)和断裂强度Rm(用MPa表示)，根据1984年的ISO标准6892测量这些性质。
根据定义，金属加强件的总断裂伸长At为结构伸长、弹性伸长和塑性伸长的总和(At＝As+Ae+Ap)。结构伸长As为组成金属加强件的金属丝线在轻微拉伸负载下的相对定位的结果。弹性伸长Ae为组成金属加强件的金属丝线(独立考虑)的金属的实际弹性的结果(胡克定律)。塑性伸长Ap为这些金属丝线(独立考虑)的金属的塑性(超过弹性极限的不可逆变形)的结果。这些不同的伸长及其各自的含义是本领域技术人员公知的，并且例如描述在文献US5843583、WO2005/014925和WO2007/090603中。
拉伸模量(用GPa表示)也在力-伸长曲线上的每个点处限定并且表示在该点处与力-伸长曲线正切的直线的梯度。特别地，拉伸弹性模量或杨氏模量为赋予力-伸长曲线的弹性线性部分的拉伸模量的名称。
使用金属加强件时，通常区分为弹性金属加强件和非弹性金属加强件，所述弹性金属加强件例如为用在保护层中的那些，所述非弹性金属加强件例如为用在工作层中的那些。
弹性金属加强件的特征在于至少等于1％的结构伸长As和至少等于4％的总断裂伸长At。此外，弹性金属加强件具有至多等于150GPa，通常在40GPa和150GPa之间的拉伸弹性模量。
非弹性金属加强件的特征在于在等于断裂力Fm的10％的拉伸力下的至多等于0.2％的相对伸长。此外，非弹性金属加强件具有通常在150GPa和200GPa之间的拉伸弹性模量。
弹性金属加强件或弹性帘线通常为多线股绳，即由多个线股的组件形成，在线股为两层线股的通常情况下，所述组件的结构为例如K*(L+M)类型。K为两层线股的数目，L为组成线股的内层的金属丝线的数目，M为组成线股的外层的金属丝线的数目。通常通过围绕L根组成线股的内层的丝线螺旋缠绕M根组成线股的外层的丝线获得两层线股。
对于多线股绳类型的弹性帘线，结构伸长As为多线股绳和/或其基本线股的实际构造和通气及其固有弹性以及可能地强加在一个或更多个这些构成线股和/或丝线的预成型的结果。帘线的通气为首先是丝线相对于轴向方向(垂直于线股的轴线方向的方向)的分离和其次是线股相对于轴向方向(垂直于帘线的轴线方向的方向)的分离的结果。
为了减少传递至工作增强件的机械充气应力，通过文献FR2 419 181和FR 2 419 182已知在工作增强件和胎体增强件之间设置被称为限制块的额外增强件，所述额外增强件的功能是部分抵抗机械充气应力。
文献FR 2 419 181描述并且要求保护胎冠增强件，所述胎冠增强件包括由至少两个工作层组成的工作增强件和包括至少两个额外层的额外增强件或限制块，所述工作层的金属加强件与周向方向形成至少等于+/-30°的角度，所述额外层的金属加强件不可过多延伸(即为非弹性的)并且与周向方向形成从一个层至另一个层相反的角度，所述角度至多等于工作层的最小角度的四分之一。该限制块以赤道平面为中心并且具有的宽度至多等于在胎冠增强件和胎体增强件之间的并行区域。
文献FR 2 419 182描述并且要求保护胎冠增强件，所述胎冠增强件包括由至少两个工作层组成的工作增强件和包括至少两个额外层的额外增强件或限制块，所述工作层的金属加强件与周向方向形成至少等于+/-30°的角度，所述额外层的金属加强件不可过多延伸(即为非弹性的)并且与周向方向形成从一个层至另一个层相反的角度，所述角度至多等于工作层的最小角度的一半，优选在5°和10°之间。该限制块以赤道平面为中心并且具有的宽度至多等于在胎冠增强件和胎体增强件之间的并行区域。
然而，由金属加强件(所述金属加强件为非弹性的并且与周向方向形成优选在5°和10°之间的角度并且从一个层至另一个层交叉)的两个层组成的额外增强件造成胎冠增强件过硬。胎冠增强件变硬造成轮胎对胎面中间处遭受的敲击的增加的敏感度，因为大部分的通过敲击产生的变形能量随后传递至胎体增强件，胎体增强件的寿命因此缩短。
发明内容
本发明人为其自身设定的目的是：使用于土木工程重型车辆的子午线轮胎的胎冠对通常在胎面中间处出现的敲击更不敏感。
根据本发明，通过这样的用于土木工程重型车辆的轮胎实现所述目的，所述轮胎包括：
-胎面、胎冠增强件和胎体增强件，所述胎冠增强件在径向上位于胎面的内部，所述胎体增强件在径向上位于胎冠增强件的内部，
-胎冠增强件在径向上由外至内包括
-保护增强件，所述保护增强件包括至少一个由弹性金属加强件形成的保护层，所述弹性金属加强件与周向方向形成至少等于10°的角度，
-工作增强件，所述工作增强件包括至少两个由非弹性金属加强件形成的工作层，所述非弹性金属加强件从一个工作层至另一个工作层交叉并且与周向方向形成至多60°的角度，
-额外增强件，所述额外增强件以轮胎的赤道平面为中心，包括至少一个由金属加强件形成的额外层，所述金属加强件与周向方向形成至多10°的角度，
-每个额外层的金属加强件为弹性的并且具有至多等于150GPa的拉伸弹性模量。
在上文引用的现有技术中，在胎冠的中间部分，在轮胎的赤道平面的附近，额外增强件的拉伸刚度明显大于工作增强件的拉伸刚度。增强件的拉伸刚度意指为了获得增强件的1mm伸长需要在所述增强件的每单位宽度上施加的拉伸力：所述拉伸力取决于金属加强件的拉伸模量和所述金属加强件与周向方向形成的角度。举例而言并且非限制性地，在现有技术中，在胎冠的中间部分，额外增强件的拉伸刚度大约等于工作增强件的拉伸刚度的两倍。
考虑到额外增强件和工作增强件各自的拉伸刚度，通过额外增强件来抵抗大部分负载。当估计额外增强件的拉伸刚度为约工作增强件的拉伸刚度的两倍时，通过额外增强件抵抗三分之二的轮胎充气负载，而通过工作增强件抵抗三分之一的轮胎充气负载。
当轮胎在使用过程中被压缩时，工作增强件因此能够在其中间部分中压缩，风险是工作层的金属加强件在弯曲时断裂。此外，由于额外增强件因此抵抗高的拉伸负载，额外层的金属加强件承担了在张力下断裂的风险。由于土木工程轮胎通常在包括大量障碍物(例如岩石)的地面上运转并且因此经受重复敲击，所述重复敲击造成高的局部拉伸和压缩负载的出现，上述现象更为显著。使工作增强件经受压缩并且使额外增强件经受张力对于胎冠增强件的耐久性而言是破坏性的。
本发明的额外增强件使得有可能再平衡工作增强件和额外增强件之间对负载的抵抗。具体地，在这种情况下，由于组成额外增强件的额外层的弹性金属加强件的拉伸模量限制于150GPa，对于与周向方向的给定角度，额外增强件的拉伸刚度因此有限并且变得基本上等于工作增强件的拉伸刚度。这意味着两个增强件将抵抗基本上相同水平的负载。在压缩时，相比于现有技术，通过额外增强件抵抗的拉伸负载将减小，而通过其中间部分中的工作增强件抵抗的压缩负载将减小或甚至是抵消。这造成工作层的金属加强件在弯曲时断裂和工作层的金属加强件在张力下断裂的风险明显降低，因此整体上改进了胎冠增强件的耐久性。
通常地，每个额外层的弹性金属加强件具有在40GPa和150GPa之间的拉伸弹性模量。
有利地，每个额外层的弹性金属加强件为由线股的组件形成的多线股绳，所述线股由独立丝线组成。这种加强件具有的优点在于可以使用已知和熟练掌握的方法制造。
根据一个优选的实施方案，每个额外层的弹性金属加强件为由线股的组件形成的结构为K*(L+M)的多线股绳，所述线股具有两个同轴的丝线层，其中K为线股的数目，L为线股的内层中的丝线的数目，M为线股的外层中的丝线的数目。这种加强件的特征在于对覆盖配混物的良好渗透性，这保证了良好的耐腐蚀性并且因此保证了胎冠增强件的改进的耐久性。
根据所述优选的实施方案的第一个替代形式，每个额外层的弹性金属加强件为由3个线股形成的式E 3*(1+6).28的帘线，每个线股由一个内部丝线和6个丝线的外层形成，每个丝线具有0.28mm的直径。
根据所述优选的实施方案的第二个替代形式，每个额外层的弹性金属加强件为由4个线股形成的式E 4*(4+9).26的帘线，每个线股由4个丝线的内层和9个丝线的外层形成，每个丝线具有0.26mm的直径。
根据所述优选的实施方案的另一个替代形式，每个额外层的弹性金属加强件为由4个线股形成的式E 4*(1+5).26的帘线，每个线股由一个内部丝线和5个丝线的外层形成，每个丝线具有0.26mm的直径。
有利地，额外增强件的轴向宽度至多等于轮胎的标称截面宽度的0.4倍。额外增强件的轴向宽度为最宽额外层在其两个轴向端部之间测得的轴向宽度。然而，额外层可以具有相同的轴向宽度，所述轴向宽度则为额外增强件的轴向宽度。在欧洲轮胎和轮辋技术组织(ETRTO)标准的含义内，轮胎的标称截面宽度为安装在其理论轮辋上并且充气的轮胎的宽度并且在轮胎的尺寸中指明。
额外增强件有利地包括至少两个额外层。考虑到额外增强件所需的拉伸刚度(即基本上与工作增强件的中间部分的拉伸刚度处于相同水平)，并且考虑到所使用的金属帘线的类型、结构为K*(L+M)的多线股绳的类型，额外增强件包括至少两个额外层，或甚至是三个叠置的额外层。
根据第一个优选的实施方案，每个额外层的弹性金属加强件与周向方向形成在5°和10°之间的角度。更具体地，所述角度的绝对值在5°和10°之间。角度的符号相对于正交参考框架(X、Y、Z)定义，其中X为在周向方向(以轮胎的旋转方向定向)上的轴线，Z为在径向方向(朝向轮胎外部定向)上的轴线。优选地，金属加强件从一个额外层至另一个额外层交叉，与周向方向形成绝对值相等但是符号相反的角度。
绝对值在5°和10°之间的角度保证了所需的环箍作用和预期的对周向拉伸负载的抵抗。绝对值基本上等于8°的角度保证了额外增强件的令人满意的效果。
从制造观点来看，非零角度的额外层也容易使用已知的轮胎建造方法进行实施。
根据第二个优选的实施方案，每个额外层的弹性金属加强件与周向方向形成零角度。
由额外层(所述额外层的弹性金属加强件与周向方向形成零角度，即在周向上定向)组成的额外增强件使得有可能最大化额外增强件对抵抗周向负载的贡献。
此外，额外增强件对其构成额外层的轴向端部处的分离风险更不敏感。这是因为当额外层具有非零角度时，存在由于额外层的轴向端部处金属加强件的端部的存在而造成的额外层分离的风险。对于零角度的额外层，不再存在任何可能造成层分离的金属加强件端部。
在制造中，当在周向方向上铺设额外增强件时，零角度的额外增强件使得有可能减少同一个额外层内的接缝或焊缝的数目，因此有利于生产率并且减少在焊缝处开口的风险。
可以使用制造方法的各种替代形式制造零角度的额外增强件。
根据制造零角度的额外增强件的方法的第一个替代形式，通过在径向上在胎体增强件的外部沿周向缠绕由弹性金属加强件组成的单个条带形成每个额外层。该方法允许以单次操作铺设额外增强件，仅具有一个最终焊缝，因此保证了良好的生产率。
根据制造零角度的额外增强件的方法的第二个替代形式，通过在径向上在胎体增强件的外部沿周向缠绕由弹性金属加强件组成的轴向并列的条带形成每个额外层。该方法允许使用标准宽度的基本条带，允许在给定额外层的轴向宽度的选择方面的灵活性，并且例如允许在同一个额外增强件内改变额外层的轴向宽度。基本条带的使用可能允许不同材料部件(弹性帘线的类型、覆盖配混物的类型)的并列。换言之，所述使用并列的基本条带进行制造的替代形式允许在额外层的轴向宽度和材料部件方面的灵活性。
最后，根据制造零角度的额外增强件的方法的第三个替代形式，通过在径向上在胎体增强件的外部沿周向缠绕单独的弹性金属加强件形成每个额外层。该方法是生产性的并且允许在额外层的轴向宽度和材料部件方面的灵活性。
优选地，每个保护层的弹性金属加强件与周向方向形成在15°和30°之间的角度。
通常地，保护增强件包括两个由弹性金属加强件形成的保护层，所述弹性金属加强件从一个保护层至另一个保护层交叉。
优选地，每个工作层的非弹性金属加强件与周向方向形成在15°和40°之间的角度。
附图说明
借助于图1的描述将更好地理解本发明的特征，图1以简单方式不按比例绘制，在子午平面中显示了根据本发明的用于土木工程重型车辆的轮胎的胎冠的半截面。
具体实施方式
图1显示了用于土木工程重型车辆的轮胎1的胎冠的子午半截面，所述轮胎包括：-胎面2、胎冠增强件3和胎体增强件4，所述胎冠增强件3在径向上位于胎面2的内部，所述胎体增强件4在径向上位于胎冠增强件3的内部，
-胎冠增强件3在径向上由外至内包括
-保护增强件5，所述保护增强件5包括至少一个由弹性金属加强件形成的保护层(51、52)，所述弹性金属加强件与周向方向形成至少等于10°的角度，
-工作增强件6，所述工作增强件6包括至少两个由非弹性金属加强件形成的工作层(61、62)，所述非弹性金属加强件从一个工作层至另一个工作层交叉并且与周向方向形成至多60°的角度，
-额外增强件7，所述额外增强件7以轮胎的赤道平面为中心，包括至少一个由金属加强件形成的额外层(71、72)，所述金属加强件与周向方向形成至多10°的角度，
-每个额外层(71、72)的金属加强件为弹性的并且具有至多等于150GPa的拉伸弹性模量。
更特别地在尺寸为40.00R57的轮胎的情况下研究本发明。
所研究的轮胎的胎冠增强件在径向上由外至内包括：
-保护增强件，所述保护增强件包括两个保护层并且由E 4(1+5).26类型的弹性金属加强件形成，所述弹性金属加强件的结构伸长As等于1.8％，总断裂伸长At等于6％并且拉伸弹性模量等于80GPa，所述弹性金属加强件从一个保护层至另一个保护层交叉并且与周向方向形成绝对值等于10°的角度，
-工作增强件，所述工作增强件包括两个由189.23Fr类型的非弹性金属加强件形成的工作层，所述非弹性金属加强件从一个工作层至另一个工作层交叉并且与周向方向形成绝对值等于33°的角度，
-额外增强件，所述额外增强件包括三个由E 3(1+6).28类型的弹性金属加强件形成的额外层，所述弹性金属加强件的结构伸长As等于1.8％，总断裂伸长At等于7.5％并且拉伸弹性模量等于80GPa，并且所述弹性金属加强件与周向方向形成零角度。
在车辆上进行的耐久性测试证明根据本发明的轮胎的胎冠的耐久性的明显改进。
本发明不限于上述特征并且可以延伸至保证额外增强件的所需拉伸刚度的其它类型的金属帘线，例如但非限制性地：
-波纹帘线，
-分裂帘线。

Claims (12)

1.用于土木工程重型车辆的轮胎(1)，所述轮胎(1)包括：
-胎面(2)、胎冠增强件(3)和胎体增强件(4)，所述胎冠增强件(3)在径向上位于所述胎面(2)的内部，所述胎体增强件(4)在径向上位于所述胎冠增强件(3)的内部，
-所述胎冠增强件(3)在径向上由外至内包括
-保护增强件(5)，所述保护增强件(5)包括至少一个由弹性金属加强件形成的保护层(51、52)，所述弹性金属加强件与周向方向形成至少等于10°的角度，
-工作增强件(6)，所述工作增强件(6)包括至少两个由非弹性金属加强件形成的工作层(61、62)，所述非弹性金属加强件从一个工作层至另一个工作层交叉并且与周向方向形成至多60°的角度，
-额外增强件(7)，所述额外增强件(7)以轮胎的赤道平面为中心，包括至少一个由金属加强件形成的额外层(71、72)，所述金属加强件与周向方向形成至多10°的角度，
其特征在于，每个额外层(71、72)的金属加强件为弹性的并且具有至多等于150GPa的拉伸弹性模量。
2.根据权利要求1所述的用于土木工程重型车辆的轮胎(1)，其特征在于，每个额外层(71、72)的弹性金属加强件具有在40GPa和150GPa之间的拉伸弹性模量。
3.根据权利要求1和2任一项所述的用于土木工程重型车辆的轮胎(1)，其特征在于，每个额外层(71、72)的弹性金属加强件为由线股的组件形成的多线股绳，所述线股由独立丝线组成。
4.根据权利要求3所述的用于土木工程重型车辆的轮胎(1)，其特征在于，每个额外层(71、72)的弹性金属加强件为由线股的组件形成的结构为K*(L+M)的多线股绳，所述线股具有两个同轴的丝线层，其中K为线股的数目，L为线股的内层中的丝线的数目，M为线股的外层中的丝线的数目。
5.根据权利要求4所述的用于土木工程重型车辆的轮胎(1)，其特征在于，每个额外层(71、72)的弹性金属加强件为由3个线股形成的式E 3*(1+6).28的帘线，每个线股由一个内部丝线和6个丝线的外层形成，每个丝线具有0.28mm的直径。
6.根据权利要求4所述的用于土木工程重型车辆的轮胎(1)，其特征在于，每个额外层(71、72)的弹性金属加强件为由4个线股形成的式E 4*(4+9).26的帘线，每个线股由4个丝线的内层和9个丝线的外层形成，每个丝线具有0.26mm的直径。
7.根据权利要求1所述的用于土木工程重型车辆的轮胎(1)，其特征在于，所述额外增强件(7)的轴向宽度至多等于所述轮胎的标称截面宽度的0.4倍。
8.根据权利要求1所述的用于土木工程重型车辆的轮胎(1)，其特征在于，所述额外增强件(7)包括至少两个额外层(71、72)。
9.根据权利要求8所述的用于土木工程重型车辆的轮胎(1)，其特征在于，每个额外层(71、72)的弹性金属加强件与周向方向形成在5°和10°之间的角度。
10.根据权利要求8所述的用于土木工程重型车辆的轮胎(1)，其特征在于，每个额外层(71、72)的弹性金属加强件与周向方向形成零角度。
11.根据权利要求1所述的用于土木工程重型车辆的轮胎(1)，其特征在于，每个保护层(51、52)的弹性金属加强件与周向方向形成在15°和30°之间的角度。
12.根据权利要求1所述的用于土木工程重型车辆的轮胎(1)，其特征在于，每个工作层(61、62)的非弹性金属加强件与周向方向形成在15°和40°之间的角度。
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