CN111319404A - 用于轮胎的轻质胎圈 - Google Patents

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CN111319404A CN201911285655.7A CN201911285655A CN111319404A CN 111319404 A CN111319404 A CN 111319404A CN 201911285655 A CN201911285655 A CN 201911285655A CN 111319404 A CN111319404 A CN 111319404A
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P.J.恩德雷斯
C.塞利克
J.G.吉利克
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Abstract

本发明公开了用于轮胎的轻质胎圈。根据本发明的用于轮胎的胎圈包括具有嵌入密度为0.9 g/m3至2.0g/m3的有机基质中的至少一根复丝纺织纤维纱线的芯体和包括卷绕在芯体周围并与芯体接触的至少一根金属线材的外护套层。所述芯体具有5.0 mm至30.0 mm的直径。

Description

用于轮胎的轻质胎圈
技术领域
本发明涉及用于轮胎的胎圈，特别涉及用于充气轮胎（如飞机轮胎）的轻质混合胎圈。
背景技术
传统上，轮胎包括两个周向胎圈，其旨在使得轮胎能够装配在轮辋上。每个胎圈可以包括一个环形加强胎圈芯体。用于陆上车辆的传统轮胎可以包括胎圈，所述胎圈包括芯体和卷绕在芯体周围的一根或多根钢丝的外层。所述芯体可以是钢单丝。钢单丝可以在其两端焊接在一起的情况下自身弯曲以便形成大致圆形的环或圈。
除了相对高的重量之外，这样的胎圈还可能表现出塑性变形。因此，在运输和/或储存的步骤（在此过程中轮胎在其自身重量下或在其它轮胎的重量下被挤压）后，胎圈可能表现出不可逆的塑性变形。这种变形可能降低胎圈的机械性质，导致胎圈不能充分地夹紧到轮辋上。因此，轮胎的气密性和其它性能可能降低。
另一种用于轮胎的传统胎圈可以包括嵌入有机基质中的至少一根复丝纺织纤维纱线的芯体和卷绕在芯体周围并与芯体接触的至少一根金属线材的外层。根据定义，纺织纤维是非金属的。复丝纺织纤维可以包括并排布置并以基本单向方式取向的基元纺织长丝。基元长丝由此除了偶尔的重叠之外或多或少地彼此平行。
纺织纤维可以增强有机基质。这样的纤维可以选自例如聚乙烯醇纤维、芳族聚酰胺（或“芳纶”）纤维、聚酯纤维、芳族聚酯纤维、聚乙烯纤维、纤维素纤维、人造丝纤维、粘胶纤维、聚亚苯基苯并二噁唑（“PBO”）纤维、聚萘二甲酸乙二醇酯（“PEN”）纤维、玻璃纤维、碳纤维、二氧化硅纤维、陶瓷纤维以及此类纤维的混合物。
有机基质可以是包含按重量计大于50%的有机材料的任何基质。有机基质可以含有来自其制造过程的矿物和/或金属，但也可以含有有意添加的矿物和/或金属添加剂。因此，有机基质可以是热固性聚合物基质，例如基于不饱和聚酯、聚环氧化物、酚类衍生物和/或氨基塑料的热固性聚合物基质，或基于氰酸酯、聚(双马来酰亚胺)、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺的耐热性聚合物基质，或基于聚丙烯、聚酰胺、饱和聚酯、聚甲醛、聚砜和聚醚砜、聚醚酮和聚醚醚酮、聚苯硫醚和/或聚醚酰亚胺的热塑性聚合物基质，或基于聚氨酯、有机硅和/或橡胶的热塑性或交联弹性体，或甚至由这些基质的混合物产生的有机基质。
有机基质可以是热固性和交联的。例如，可通过电离辐射如紫外-可见辐射和/或加速电子束或X射线交联的树脂。也可以选择包含可通过过氧化物交联的树脂的组合物。可交联树脂可以由聚酯树脂（即基于不饱和聚酯）或乙烯基酯树脂制成。
芯体可以包括单根纱线并形成一体式圆环。术语“一体式”可以意味着圆环在宏观尺度上没有材料的不连续性或接合处。基元长丝可以均匀地分布在圆环的整个体积中。或者，芯体可以以多个线圈的形式形成纱线的圈层，并包括多根单独的纱线。纱线可以通过并捻来组装，例如以螺旋形式卷绕在一起，而不围绕它们自身的轴线加捻。纱线也可以通过加捻来组装，例如以螺旋形式卷绕在一起并围绕其自身的轴线进行集体加捻和个体加捻。此外，芯体可以包括彼此平行并置的多个一体式圆环。
定义
对于本发明，以下列定义为准。
“轴向”和“轴向地”是指与轮胎旋转轴线平行的线或方向。
“轴向向内”是指在轴向方向上朝向赤道面。
“轴向向外”是指在轴向方向上远离赤道面。
“胎圈”或“胎圈芯体”通常是指轮胎的一部分，其包括径向内部胎圈的环形拉伸构件，所述径向内部胎圈与将轮胎固定到轮辋上相关联。
“带束层结构”或“加强带束层”或“带束层组合件”是指至少两个平行帘线的环形层或帘布层，其是织造或非织造的，位于胎面下方，未锚定到胎圈上，并具有相对于轮胎赤道面在18度至30度范围内的左右帘线角。
“胎体”是指除了带束层结构、胎面、帘布层上方的底胎面之外的轮胎结构，但包括胎圈。
“周向”最通常是指垂直于轴向方向沿环形胎面表面的周边延伸的圆形线或方向；其也可以是指相邻的圆弧组的方向，所述圆弧的半径限定了胎面的轴向曲率，如在横截面中观察的那样。
“定向胎面花纹”是指为特定旋转方向设计的胎面花纹。
“赤道面”是指垂直于轮胎的旋转轴线并穿过其胎面中心的平面；或包含胎面的周向中心线的平面。
“接地印痕”是指在正常载荷压力和速度条件下轮胎胎面与平坦表面接触的接触印迹或接触区域。
“花纹沟”是指胎面中的细长空隙区域，其可以在胎面中以笔直、弯曲或Z字形方式周向或侧向延伸。要理解的是，所有花纹沟宽度都垂直于花纹沟的中心线来测量。
“侧向”是指由轮胎一个胎侧朝向轮胎另一胎侧的方向。
“净毛比”是指净接触地面的胎面表面与包括接触地面的胎面表面和包含花纹沟、槽口和刀槽花纹的空隙空间的胎面毛面积之比。
“槽口”是指有限长度的空隙区域，其可用于改变花纹块边缘的净毛空隙区域的变化。
“帘布层”是指橡胶涂覆的径向铺展或否则平行的帘线的帘布加强层。
“径向”和“径向地”是指径向朝向或远离轮胎旋转轴线的方向。
“子午线轮胎”是指带束或周向受限的充气轮胎，其中至少一个帘布层具有从胎圈延伸至胎圈的相对于轮胎赤道面呈65度至90度帘线角铺设的帘线。
“饱和”是指在缆线的相邻初级绕组之间没有足够的空间，使得不能在初级绕组之间卷绕附加绕组。
“胎肩”是指刚好位于胎面边缘下方的胎侧上部。
“胎侧”是指胎面与胎圈之间的轮胎部分。
“刀槽花纹”是指宽度为胎面宽度的0.2%至0.8%的花纹沟。刀槽花纹通常由插入铸造或机加工模具中的0.4至1.6 mm的钢刀片形成。
“切向”和“切向地”是指在一点处相交的圆弧线段，穿过该点可以绘制与两个圆弧线段均相互相切的直线。
“胎面”是指轮胎的接触地面的部分。
“胎面宽度”（TW）是指当安装在设计轮辋上并经受指定载荷时并且当充气至对于所述载荷而言的指定充气压力时，当从胎肩至胎肩边缘侧向测量（使用轮胎接地印痕）时，横跨胎面的最大轴向距离。
“空隙空间”是指包含花纹沟、槽口和刀槽花纹的胎面表面的区域。
发明内容
根据本发明的用于轮胎的胎圈包括具有嵌入密度为0.9 g/m3至2.0g/m3的有机基质中的至少一根复丝纺织纤维纱线的芯体，和包括卷绕在所述芯体周围并与所述芯体接触的至少一根金属线材的外护套层。所述芯体具有5.0 mm至30.0 mm、或5.0 mm至20.0 mm的直径。
根据所述胎圈的另一方面，所述芯体包括单根复丝纺织纤维纱线。
根据所述胎圈的又一方面，所述芯体包括多根单独的复丝纺织纤维纱线。
根据所述胎圈的再一方面，每根复丝纺织纤维纱线具有2000 MPa至2500 MPa的屈服强度。
根据所述胎圈的又一方面，每根复丝纺织纤维纱线具有小于或等于300 GPa的杨氏模量。
根据所述胎圈的再一方面，所述芯体的质量与所述胎圈的质量之比为小于0.5。
根据所述胎圈的又一方面，所述芯体的断裂力与整个胎圈的断裂力之比为大于或等于0.25。
根据所述胎圈的再一方面，所述芯体对整个胎圈的断裂力的贡献为5%至30%，或15%至25%，或等于20%。
根据所述胎圈的又一方面，所述芯体对所述胎圈的断裂力的贡献为5%至60%，或20%至40%，或25%至35%。
根据所述胎圈的再一方面，所述芯体的质量与所述胎圈的质量之比为40%至60%，或45%至55%。
根据所述胎圈的又一方面，所述芯体的质量与所述胎圈的质量之比为大于或等于5%，或大于或等于10%。
根据所述胎圈的再一方面，所述芯体的直径与胎圈的直径之比为大于或等于0.4。
根据所述胎圈的又一方面，胎圈芯体的断裂力为大于或等于200 MPa，或15 kN至20 kN，或17 kN至18 kN。
根据所述胎圈的再一方面，每根复丝纺织纤维纱线的直径为0.5 mm至6.0 mm。
根据所述胎圈的又一方面，每根复丝纺织纤维的每根基元长丝的直径为2.0 μm至30.0 μm。
根据所述胎圈的再一方面，每根复丝纺织纤维是连续的。
根据所述胎圈的又一方面，每根复丝纺织纤维包括多于10根基元长丝。
根据所述胎圈的再一方面，每根复丝纺织纤维选自由以下组成的纤维的组：玻璃纤维、聚亚苯基苯并二噁唑（“PBO”）、碳纤维、二氧化硅纤维、陶瓷纤维及其混合物。
根据所述胎圈的另一方面，所述有机基质是热固性类型的基质。
根据本发明的轮胎包括至少一个胎圈。每个胎圈包括具有嵌入密度为0.9 g/m3至2.0g/m3的有机基质中的至少一根复丝纺织纤维纱线的芯体，和包括卷绕在所述芯体周围并与所述芯体接触的金属线材的外层。所述芯体具有5.0 mm至30.0 mm、或5.0 mm至20.0mm的直径。
因此，本发明公开了以下实施方案：
方案1．用于轮胎的胎圈，其包括：
芯体，其包括嵌入密度为0.9 g/m3至2.00g/m3的有机基质中的至少一根复丝纺织纤维纱线，所述芯体具有5.0 mm至30.0 mm的直径；和
外护套层，其包括卷绕在所述芯体周围并与所述芯体接触的至少一根金属线材。
方案2．如方案1所述的胎圈，其中所述芯体包括单根复丝纺织纤维纱线。
方案3．如方案1所述的胎圈，其中所述芯体包括多根单独的复丝纺织纤维纱线。
方案4．如方案1所述的胎圈，其中每根复丝纺织纤维纱线具有大于2000 MPa的屈服强度。
方案5．如方案1所述的胎圈，其中每根复丝纺织纤维纱线具有小于或等于300 GPa的杨氏模量。
方案6．如方案1所述的胎圈，其中所述芯体的质量与所述胎圈的质量之比为小于0.6。
方案7．如方案6所述的胎圈，其中所述胎圈芯体的断裂力与所述胎圈的断裂力之比为大于或等于0.25。
方案8．如方案1所述的胎圈，其中所述芯体对整个胎圈的断裂力的贡献为5%至60%。
方案9．如方案8所述的胎圈，其中所述芯体对所述胎圈的断裂力的贡献为5%至30%。
方案10．如方案1所述的胎圈，其中所述芯体的质量与所述胎圈的质量之比为40%至60%。
方案11．如方案10所述的胎圈，其中所述芯体的质量与所述胎圈的质量之比为大于或等于0.05。
方案12．如方案1所述的胎圈，其中所述芯体的直径与胎圈的直径之比为大于或等于0.4。
方案13．如方案1所述的胎圈，其中所述胎圈芯体具有大于或等于200 MPa的极限断裂强度。
方案14．如方案1所述的胎圈，其中每根复丝纺织纤维纱线的直径为0.5 mm至6.0mm。
方案15．如方案1所述的胎圈，其中每根复丝纺织纤维的每根基元长丝的直径为2.0 μm至30.0 μm。
方案16．如方案1所述的胎圈，其中每根复丝纺织纤维是连续的。
方案17．如方案1所述的胎圈，其中每根复丝纺织纤维包括多于10根基元长丝。
方案18．如方案1所述的胎圈，其中每根复丝纺织纤维选自由以下组成的纤维的组：玻璃纤维、碳纤维、聚亚苯基苯并二噁唑（PBO）、二氧化硅纤维、陶瓷纤维及其混合物。
方案19．如方案1所述的胎圈，其中所述有机基质是热固性类型的基质。
方案20．轮胎，其包括至少一个胎圈，
每个胎圈包括芯体和外层，所述芯体包括嵌入密度为0.9 g/m3至2.0g/m3的有机基质中的至少一根复丝纺织纤维纱线，并且所述外层包括卷绕在所述芯体周围并与所述芯体接触的金属线材，所述芯体具有5.0 mm至30.0 mm的直径。
附图说明
通过参照附图阅读以下描述将更好地理解本发明，所述描述仅以非限制性实例的方式给出，在附图中：
图1是以本发明的方式使用的轮胎的示意性横截面视图；
图2是根据本发明的一个实例的胎圈的示意性横截面视图；和
图3是根据本发明的一个实例的胎圈的示意性横截面视图。
具体实施方式
图1显示了以本发明的方式使用的充气或非充气的轮胎10。作为一个实例，轮胎10可以是用于飞机的轮胎。轮胎10可以具有通过胎冠加强件或带束层结构14加强的胎冠12；两个胎侧16；和两个环形胎圈120。胎冠12可以被胎面（在该示意图中未显示）覆盖。胎体加强件22可以卷绕在两个胎圈120周围，并包括朝向装配到轮辋26上的每个胎圈120的外侧设置的反包部24。胎体加强件22可以包括至少一个用径向帘线加强的帘布层。每个胎圈120可以具有环形的整体形状，具有大致圆形的横截面（图2-3）。或者，胎圈120可以具有正方形、矩形、六边形和/或其它多边形横截面或椭圆形或长圆形的横截面（未显示）。
如图2中所示，另一种胎圈220可以包括芯体230和外护套层240。胎圈芯体230可以具有圆形横截面和单个芯体。胎圈芯体30可以包括形成一体式圆环的单根纱线。芯体230可以具有大致圆形的横截面和7.0 mm至10.00 mm、或大约8.90 mm的示例性直径。芯体230可以包括嵌入有机基质中的复丝纺织纤维。芯体230的复丝纺织纤维可以是玻璃纤维，有机芯体基质可以是热固性树脂。芯体230的复丝纺织纤维可以是连续或不连续的。芯体230的玻璃纤维可以包括除了偶尔重叠外并排且彼此平行布置的多于1000根的基元玻璃长丝。芯体230的纺织纤维的每根基元长丝的直径可以为2.0 μm至30.0 μm。热固性树脂可以是乙烯基酯类型，如环氧乙烯基酯。芯体230可以通过浸渍纤维来制造，如US 3,730,678（其全文以引用方式并入本文）中所述，或通过将有机基质注入纤维已预先放置在其中的模具中来制造，如文献US 7,032,637（其全文以引用方式并入本文）中所述。
胎圈220的护套层240可以包括以螺旋形式卷绕在芯体230周围的一根或多根金属线材（例如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多根等等）。护套层240的（一根或多根）线材可以卷绕在芯体230周围并与芯体230接触，并且具有直径为1.0 mm至2.0 mm、或1.30 mm的圆形横截面。护套层240的（一根或多根）线材可以由碳含量小于钢的0.9重量%的钢制成。 护套层240的（一根或多根）线材可以卷绕一匝或多匝，如6匝至10匝，或8匝。护套层240可以是“饱和的”。护套层240的线材的两端可以通过套筒（未显示）连接。
以本发明的方式使用的又一胎圈320可以包括具有三个线圈335的芯体330，每个线圈为单根纱线。三个线圈335各自可以包括形成彼此卷绕（例如加捻、并捻等等）的三个独立的一体式圆环的单根纱线。芯体330的三个线圈335各自可以具有圆形横截面，其示例性直径为7.0 mm至10.0 mm，或8.9 mm。线圈335各自可以包括嵌入有机基质中的复丝纺织纤维。如上所述，芯体330的复丝纺织纤维可以是玻璃纤维，并且有机芯体基质可以是热固性树脂。芯体330的复丝纺织纤维可以是连续或不连续的。芯体330的玻璃纤维可以包括除了偶尔重叠外并排且彼此平行布置的多于1000根的基元玻璃长丝。芯体330的纺织纤维的每根基元长丝的直径可以为2.0 μm至30.0 μm。热固性树脂可以是乙烯基酯类型，如环氧乙烯基酯。芯体330可以通过浸渍纤维来制造，如US 3,730,678（其全文以引用方式并入本文）中所述，或通过将有机基质注入纤维已预先放置在其中的模具中来制造，如美国专利号7,032,637（其全文以引用方式并入本文）中所述。
可以进行每个线圈335经多个匝数的横向卷绕，使得芯体330具有基本三角形的横截面（图3），每个线圈的直径为0.5 mm至3.0 mm，或1.0 mm至2.0 mm，或1.5 mm。由胎圈320限定的圆环的直径可以为4.0 mm至8.0 mm，或5.8 mm。由芯体330限定的圆环的直径可以为2.0 mm至5.0 mm，或3.28 mm。护套340的线材可以具有1.0 mm至3.0 mm，或1.5 mm的直径。
护套层340可以包括一根或多根以螺旋形式卷绕在芯体330周围的金属线材（例如2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多根等等）。护套层340的单根线材可以卷绕在芯体330周围并与芯体330接触，并且具有直径为1.0 mm至2.0 mm，或1.30 mm的圆形横截面。护套层40的单根线材可以是碳含量大于或等于钢的0.9重量%的钢。 护套层340的线材可以卷绕一匝或多匝，如6匝至10匝，或8匝。护套层340可以是“饱和的”。护套层340的线材的两端可以通过套筒（未显示）连接。
或者，如图3中所示，以本发明的方式使用的另一胎圈320可以包括具有三个线圈335的芯体330，每个线圈为单根纱线。三个线圈335各自可以包括形成彼此平行延伸的三个独立的一体式圆环的单根纱线。芯体330的三个线圈335各自可以具有圆形横截面，其示例性直径为7.0 mm至10.0 mm，或8.9 mm。线圈335各自可以包括嵌入有机基质中的复丝纺织纤维。如上所述，复丝纺织纤维可以是玻璃纤维，并且有机芯体基质可以是热固性树脂。复丝纺织纤维可以是连续或不连续的。玻璃纤维可以包括除了偶尔重叠外并排且彼此平行布置的多于1000根的基元玻璃长丝。纺织纤维的每根基元长丝的直径可以为2.0 μm至30.0 μm。热固性树脂可以是乙烯基酯类型，如环氧乙烯基酯。芯体30可以通过浸渍纤维来制造，如文献美国专利号 3,730,678（其全文以引用方式并入本文）中所述，或通过将有机基质注入纤维已预先放置在其中的模具中来制造，如文献美国专利号7,032,637（其全文以引用方式并入本文）中所述。
可以进行每个线圈335经多个匝数的横向卷绕，使得芯体30具有基本多边形（在这种情况下为三角形）的横截面（图3），每个线圈的直径为0.5 mm至3.0 mm，或1.0 mm至2.0mm，或1.5 mm。由胎圈320限定的圆环的直径可以为4.0 mm至8.0 mm，或5.8 mm。由芯体330限定的圆环的直径可以为2.0 mm至5.0 mm，或3.28 mm。护套340的线材可以具有1.0 mm至3.0 mm，或1.5 mm的直径。
根据本发明的胎圈120、220、320可以装配在任何类型的轮胎上。例如，所述胎圈可旨在用于选自厢式货车、重型车辆（例如地铁车辆、公共汽车、公路运输车辆（卡车、拖拉机、拖车））、越野车辆、飞机、农用和/或建筑设备机械和其它运输或搬运车辆的工业车辆的轮胎。此外，胎圈120、220、320的特征可以以彼此相容的任何合适方式彼此混合和/或组合。
根据本发明，芯体30、230、330可以具有5.0 mm至30.0 mm，或6.0 mm至8.0 mm，或7.0 mm的直径。芯体30、230、330的这种较大的直径由此使得能够进一步减轻轮胎10的胎圈20、220、320的重量。如上所述，护套40、240、340的线材可以具有1.0 mm至3.0 mm，或1.5 mm的直径。铝通常可具有2.71 g/m3的密度，而芯体30、230、330的聚合物树脂体系的密度通常可为0.5 g/m3至2.0g/m3，或0.9 g/m3至2.0 g/m3，或0.9 g/m3至1.8 g/m3，或1.74 g/m3。因此，可以实现相同尺寸芯体的重量减轻35%。此外，铝的断裂强度可以为1,360 ft*lb，而聚合物树脂的断裂强度可以为4300 ft*lb。模制工艺还可以在不进行铝焊接（这是目前用于铝芯体生产的实践）的情况下提供完美连续的结构。
虽然已经结合被认为是最实际的示例描述了本发明，但要理解的是，本发明不限于所公开的布置，而是旨在涵盖包括在所附权利要求的最宽泛的可能解释的精神和范围内的各种布置，以便包括所有可能的修改和等同布置。根据上述教导，可以对本发明进行大量修改和改变。因此，要理解的是，在所附权利要求的范围内，本发明可以以不同于本文中具体和示例性描述的方式来实施。

Claims (10)

1.用于轮胎的胎圈，其特征在于包括：
芯体，其包括嵌入密度为0.9 g/m3至2.00g/m3的有机基质中的至少一根复丝纺织纤维纱线，所述芯体具有5.0 mm至30.0 mm的直径；和
外护套层，其包括卷绕在所述芯体周围并与所述芯体接触的至少一根金属线材。
2.如权利要求1所述的胎圈，其特征在于所述芯体包括单根复丝纺织纤维纱线。
3.如权利要求1所述的胎圈，其特征在于所述芯体包括多根单独的复丝纺织纤维纱线。
4.如权利要求1所述的胎圈，其特征在于每根复丝纺织纤维纱线具有大于2000 MPa的屈服强度。
5.如权利要求1所述的胎圈，其特征在于每根复丝纺织纤维纱线具有小于或等于300GPa的杨氏模量。
6.如权利要求1所述的胎圈，其特征在于，所述芯体的质量与所述胎圈的质量之比为小于0.6。
7.如权利要求6所述的胎圈，其特征在于所述胎圈芯体的断裂力与所述胎圈的断裂力之比为大于或等于0.25。
8.如权利要求1所述的胎圈，其特征在于所述芯体对整个胎圈的断裂力的贡献为5%至60%。
9.如权利要求8所述的胎圈，其特征在于所述芯体对所述胎圈的断裂力的贡献为5%至30%。
10.如权利要求1所述的胎圈，其特征在于所述芯体的质量与所述胎圈的质量之比为40%至60%。
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