CN1218902A - 轮胎的应力监测装置 - Google Patents

Abstract

一轮胎,使用过程中经受一种或多种猛烈应力,使得其正常使用条件下的期望使用寿命大大缩短。为了能确定轮胎是否经受如此严酷条件,轮胎上装有一监测装置,包括至少一个对一定应力敏感、从而能记忆关于该轮胎组件在至少一定时间或一定周期数中经受过该应力的信息的部件。

Description

轮胎的应力监测装置

本发明涉及一种监测一轮胎在一车辆上的使用过程中所受应力的大小的装置，特别涉及可确定一轮胎是否在会大大减少其寿命的恶劣应力条件、例如在充气气压不足甚至为零的条件下行驶的装置。本发明还涉及在制造时或制造后装有至少一个这样的装置的轮胎。

轮胎在使用时承受极大应力；应力包括由所受荷载造成的应力和变形周期造成的应力，该应力决定于变形大小和总周期数(一段轮胎每通过与地面接触区一次相当于一个周期)。

普通轮胎由与轮胎钢圈座接触的胎边、行驶中与地面接触的胎面上的加固带和确保所述胎边与所述加固带之间的连接的两侧边(即两侧壁)构成。在每次转入与地面的接触区时，胎面与地面接触的部分把轮胎所受荷载传给地面，而两侧壁确保在钢圈与胎面之间传导所述应力。在这些接触应力的作用下，两侧壁局部变形，即两侧壁与胎面的地面接触部分连接的部分多多少少发生弯曲，其大小决定于所支撑的荷载。

所谓弯曲指侧壁在子午断面(即与轮胎的赤道平面垂直的平面)中其最小曲率半径从进入接触区到该接触区的中部递减。

提高轮胎的充气气压可提高两侧壁的刚性，从而对于同样荷载可减小侧壁的弯曲应变。

为了平衡由充气气压造成的应力和减小变形，用由许多与圆周方向成至少45°角的加固编织线或编织条构成的至少一层帘布层加固弹性侧壁；这些加固物承受由轮胎的充气造成的拉应力分量。该帘布层在侧壁的每一周期中还承受该变形；因此它主要承受接触区周期中的该弯曲变形。此外，视所述帘布层在该侧壁的厚度中的位置的不同，该帘布层在该弯曲应力中承受反复变动的力，力的大小与所述帘布层所受弯曲直接有关。

轮胎经长期行驶后，例如当胎面的磨损程度要求所述轮胎重做胎面或更换新轮胎时或当轮胎因受损漏气而需要修理时，为用户的安全起见，检查轮胎的现状和帘布层损坏程度是非常重要的。确定轮胎现状包括对由行驶条件可能造成的寿命缩短作出定量评价，虽然新轮胎的期望寿命最长，但要确定其使用限度，因为超过该限度就不会有足够的潜在使用寿命了。

对于大客车来说，常可见到轮胎的充气气压大大低于工作气压(即在正常使用条件下所述轮胎的期望寿命最长的充气气压)；在这种情况下，短期使用不会造成任何后果，但长期或反复使用较之正常使用会大大缩短使用寿命。但驾驶员往往看不到这种情况而照驶不误。

不幸的是，即使仔细检查轮胎的内部或外部，也往往看不出轮胎因在反常条件下长期使用所受的破坏。

此外，比方说在大多数卡车上为了支撑很大的荷载，常常使用成双轮胎。成双轮胎指在同一轴上安装两对同样的轮胎，所述轮胎在正常使用时充气到相同的工作气压。

使用这种成双轮胎时，两轮胎之一常常充气不足，而另一个轮胎气充得很足。但是，除非装有瘪气警告装置，驾驶员往往看不到这种情况而照驶不误。

在这种情况下，这一对轮胎中充气不足的轮胎的刚性比另一充足气的轮胎小，因此该充足气的轮胎几乎承受通常应由这两个轮胎所承受的全部荷载，而瘪气轮胎只承受一部分荷载，其内部气压降比另一轮胎小。

因此，这一对轮胎中的充足气的轮胎和瘪气轮胎被进一步压扁，即它们的侧壁承受可使比方说所述轮胎中的加固结构发生疲劳破坏的猛烈的弯曲周期。

因此，较之其帘布层不管多大弯曲总能保持张力的充足气的轮胎，瘪气轮胎的帘布层行驶中不张紧，甚至局部受压而弯曲得很厉害(即曲率半径比正常使用条件下小得多)。在帘布层中随压缩出现的这一很弱的抗拉应力在周期数足够大时可造成所述帘布层的不断破坏，从而使轮胎报废。人们把疲劳破坏比作比方说反复弯曲一金属棒所得结果。

在重载和/或低气压下行驶时，成双两轮胎的侧壁在胎面每次接触地面的过程中会至少是局部地互相接触，这在行驶一段时间后也使得接触的侧壁的寿命降低。

为了监测在这种条件下行驶后的轮胎，可用肉眼检查轮胎外部和内部以便监测轮胎受损的迹象。经验表明，用这种方法对大客车、卡车或其他车辆上的轮胎进行检查即使是专家也很难得到可靠的结果。

为了获得一轮胎的破坏程度的信息，开发出了各种各样的复杂装置和设备，使用射线照相装置或射线检查装置或激光直接在所述轮胎的结构中检查由特殊行驶条件造成的所述轮胎的破坏迹象。但是，这些装置，除了轮胎修理店不一定配备外，如果轮胎的破坏发生在其帘布层处和所述帘布层的结构之内，通常很难使用。而且，要作彻底检查耗费的时间就很长。

此外，这类设备较贵，其使用需要很强的专业知识。

一般来说，在怀疑轮胎有问题时，在一保护金属网中把待检查的轮胎充气到比工作气压高的气压(至少为其1.25倍)，使得其加固结构受到相当大、但从外表看不出的疲劳破坏的所述轮胎爆裂。但是，有时即使其加固结构被破坏、从而所述轮胎无法使用，该轮胎在充气试验中也不爆裂。

本发明的目的是提供一种简单而廉价的装置，它能永久性地记忆和显示一轮胎在行驶后关于所述轮胎的至少一个组件所受应力超过所述组件在正常使用条件下为它设定的应力大小和应力周期数的事实。应力指机械应力、化学应力、热应力、甚至这些应力中至少两种应力的组合。

按照本发明，提供了一种监测一轮胎的至少一组件的破坏程度的装置，所述轮胎在一车辆上在至少一部分使用时间中经受过至少一预定应力。所述装置的特征在于，它在车辆行驶前设置在一轮胎上或轮胎中所述组件旁；它包括至少一个对该一定应力敏感、从而能记忆关于该组件在至少给定的周期数或一定时间中经受所述应力的一永久性信息的部件。

组件指该橡胶复合轮胎的加固结构或一部分等等。

本发明的优点是可在行驶过程中或行驶后提供可靠的信息，该信息显示出装有这一装置的轮胎就其耐疲劳度来说是否承受过猛烈的行驶条件。

确切说，一监测装置与一轮胎组合使用，从而监测一在车辆上使用的轮胎的加固结构的破坏程度，记忆一具有一内壁和一外壁的充气轮胎的行驶条件，该轮胎的充气气压作用在该内壁上，所述受监测的结构至少局部承受至少一周期变动的机械应力。

监测所述显著弯曲的加固结构的破坏程度的该装置的特征在于，它包括一非常柔软的薄支撑件，其一面可紧贴在轮胎的两壁之一上靠近受监测的该加固结构旁；所述支撑件包括对猛烈弯曲敏感、从而永久记忆至少一关于受监测结构在给定周期数中承受猛烈弯曲的信息的部件，该信息可卸下或不卸下轮胎由驾驶员用肉眼检查或自动检查。

本发明装置的一个优点是提供关于构成该轮胎的两壁之一的橡胶化合物的初始机械和化学特性的可能过度恶化的信息；所述恶化可以是比方说由温度、存在在所述壁旁的空气和机械应力的共同作用所造成的该化合物的过早老化。

本发明装置的另一个优点是可在一轮胎的制造中或制造后、甚至在修理后、在重做胎面(更换磨损的胎面)或对所述轮胎进行任何操作后把它设置在一新轮胎上。

从结合下面附图对各例示性实施例的说明中可更好理解以上所概述的本发明：

图1示出本发明一装置，它包括三根对反复弯曲应力敏感的丝；

图2为沿图1中A-A线剖取的与丝横交的剖面图；

图3为沿图1中B-B线、即沿一根丝剖取的剖面图；

图4示出图1装置在一充气不足、行驶较长时间的轮胎上使用后的情况；

图5示出一段轮胎，该轮胎的内表面上、侧壁区中装有本发明一装置，该装置由对反复猛烈弯曲敏感的一薄层橡胶化合物构成；

图6示出图5的一段轮胎在与地面接触时其两侧壁受到非常猛烈弯曲的行驶条件。

图1示出本发明一监测装置1，所述装置包括对猛烈弯曲敏感、可记忆所述装置经受第一曲率半径R_MAX与第二曲率半径R_MIN之间的反复弯曲周期的部件2、3、4，所述两曲率半径至少之一小于或等于这三个敏感部件之一的疲劳极限。

疲劳极限半径指，如果同一部件经受两曲率半径之间的弯曲周期，这两个曲率半径都大于该疲劳极限半径，那么所述部件不发生不可逆转和可见的破坏。根据这两个极端曲率半径的值，可得出敏感部件的疲劳极限，它是所述最小曲率半径和最大曲率半径的值和所述部件所经受的周期数的函数。

图1所示长方形装置1由构成该装置的支撑件5的一薄层(厚度为0.6mm)橡胶构成；支撑件5上有三根丝2、3、4，其方向与长方形支撑件的长边平行。这些丝可由一股或多股细丝绕成，其特征在于对周期弯曲敏感；例如可使用由一股或多股绕成的玻璃丝。

直径不同的圆形横截面的丝2、3、4的疲劳极限不同，从而可获得关于装有所述装置的轮胎的行驶条件的精确信息。事实上，直径最大的丝比其他两根直径较小的丝先达到疲劳极限。

丝2、3、4的两端涂有一薄层橡胶6，以确保所述各丝固定在支撑件上(如图3的B-B截面所示)并可直接读到所记忆信息，这从图4可看得很清楚，图4示出该装置1经受若干弯曲周期后足以使直径较大的两根丝断裂，但不足以使第三根丝断裂。

另一实施例可在一支撑件上设置至少一根丝，所述部件的端部不使用任何涂层，而是使用丝上的粘接剂确保与支撑件的粘合。该监测装置最好设置在轮胎的内壁上，以确保行驶过程中不脱落。

丝的支撑层在该例中用0.6mm厚的橡胶化合物制成；该支撑层当然可用令人满意的抗反复弯曲性能的任何厚度的任何材料制成。

在把丝放到所述支撑件的表面之一上后，丝的两端涂上一层与支撑件同样的橡胶化合物，然后在压力下进行硫化。

此外，可用该装置有丝表面上的可见记号示出与丝平行的方向，所述方向与弯曲方向垂直，从而可用至少一根丝看出弯曲方向。(在该例中，该方向由与丝2、3、4垂直的两箭头标示)。

图2示出图1装置1的A-A剖面；所述剖面沿一与互相平行的三根丝垂直的横向平面剖取而得。稍稍突起在支撑件5表面之一上的所述三根丝2、3、4用相同材料制成，但它们的圆形横截面的直径不同，丝的易折断性与其直径成正比。

图4装置同图1装置，但使用在一已在一车辆上行驶至少一定距离的轮胎上。所述装置示出弯曲应力足以使三根丝中的两根丝因受压缩疲劳而发生断裂。

这些断裂表明行驶条件可能不同于正常行驶条件；这一发现要求不再在非正常条件下使用该轮胎或至少用其他装置进一步检查加固结构。

在一轮胎上使用时，如三根丝都发生断裂，则表明轮胎的行驶条件更为严酷，帘布层的磨损已非常厉害。

在该例中，直接读得该装置所记忆的信息，但也可使用射线照相装置或射线检查装置，从而无需卸下轮胎即可获得所述信息。

除了上述装置外，也可使用其上只有一根丝甚至没有丝的另一装置。

在后一种情况、即没有丝的情况下，支撑件的制作材料选用对一定应力、例如在最小给定时间和/或给定周期数中的周期弯曲应力敏感的材料。敏感材料指所述材料的至少一种特性(例如记号的外观、断裂、颜色变化等等)会发生明显变化。

使用二烯橡胶基化合物、例如天然橡胶、聚丁二烯族或苯乙烯一丁二烯共聚物的合成橡胶甚至这些不同类橡胶的混合物可获得并调节对弯曲疲劳应力的敏感性。在由轮胎的非正常使用造成高压缩应力的情况下，可用丁基橡胶获得对弱疲劳强度的敏感性。

为了提高该装置在一轮胎上的稳定性，最好在所述轮胎的制造过程中装入所述由至少一种敏感材料构成的所述装置，然后一起硫化轮胎和该装置。这样做的优点还在于可避免受损，从而提高可靠性。

另一实施例用若干化合物制成该装置，每一种化合物对给定时间或周期数中的给定应力敏感，从而可获得轮胎使用过程中所受应力的精确信息。

本发明另一实施例在所述轮胎的制造过程中把至少一根丝装在该轮胎中，每一根丝的方向与受监测的加固结构的方向大致相同，以便用肉眼或比方说射线检查装置之类辅助装置检查。

图5和6示出本发明装置一特殊使用例，用来监测一卡车两侧壁区上的过度弯曲应力，如该应力作用时间太长，帘布层就会发生疲劳破坏。

其一半子午剖面示出在图5中的轮胎10包括一伸展在所述轮胎的轮周12和与轮胎钢圈14接触的胎边13之间的帘布层11，该帘布层11套在一由所述帘布层的一固定胎边加固物15构成的轮毂上。该轮周用一由多个线网层构成的结构121加固。胎边13与轮周12之间的区域即为轮胎的侧壁16。在所述侧壁16靠近轮周区部位的轮胎内壁(即轮胎的充气气压施加在其上的该壁)上在轮胎硫化后(也可在轮胎制造过程中在硫化前固定)永久固定一显示所述轮胎在过度弯曲的条件下已行驶至少一定时间的装置18。所述部件与装置18的实际支撑件熔合，用通常用来与帘布层的加固物接触的橡胶化合物制成。

在图6中，该一半子午剖面示出图5轮胎在地面20上行驶时的几何形状，构成成双轮胎之一的所述轮胎充气不足。可以看到轮胎的一明显弯曲区C，在该区中帘布层呈最小弯曲直径R_MIN，从而在较少周期数后会使帘布层的耐磨度大大降低。

车轮在第一半径R_MAX与第二半径R_MIN之间每转动一圈，帘布层的每一加固物就会经受一次弯曲应力，半径R_MAX大致等于在图5所示充气轮胎的子午剖面上测得的半径。这一弯曲应力在某些行驶条件下甚至可由于成双轮胎之间的局部接触而加剧。

用该装置进行了试验，装置的支撑件的尺寸为120mm×40mm或80mm×10mm、厚0.6mm或0.3mm，用以天然橡胶化合物为基的材料制成，其基本特性是对于最大与最小曲率半径之间的弯曲周期有一定量疲劳极限(用来进行试验的装置即为图5和6所示装置)。

在图6所示过度弯曲条件下行驶后，可看到构成支撑件5的材料大致在轮胎的圆周方向上发生局部断裂。继续进行试验，可看到这些断裂扩展到支撑件5的整个宽度上。同时，在装有同样装置的相同轮胎上进行正常条件下的行驶试验：所述试验显示出所述装置的良好稳定性，所述装置的边缘上不发生断裂。

本发明装置可呈长方形、圆形或任何其他所需形状，如为细长形(例如长方形)，最好把它设置在轮胎的一壁上，使各边不与比方说帘布层的加固物平行，以便防止应力集中在所述各边上。为了防止装置脱落，其各边最好不为直线，而是比方说呈凹形。

本发明装置上最好有一涂层，它在由过度弯曲条件下的轮胎的两部件的接触所造成的摩擦的作用下不断磨损；最好选择这样的涂层，它在初始状态与行驶后的最终状态之间显示不同颜色，以便估计所述轮胎所能承受的周期数。

以上着重说明使帘布层经受过度机械应力的行驶；但可能需要观察行驶的温度条件，特别是在轮胎的某些区域中的温度条件，所述条件通常导致轮胎材料发生化学变化，该化学变化加上正常应力，可导致所述材料的过早和/或过度疲劳。

为了观察轮胎的一种或多种橡胶化合物的化学变化、特别是所述化合物的老化，可使用本发明装置，该装置呈长方形片状，其老化特性是众所周知的，这些老化特性加上一滚动轮胎的常见应力可导致该装置可见的恶化。

可使用在局部区域或整个区域的发热超过一定基准值时(弯曲次数过多、一轮胎的两部件之间的摩擦造成局部发热或导致漆从该装置上局部脱落)改变颜色的热敏感制品。根据该基准值选择漆，而该基准值又根据轮胎的大小和所述轮胎的使用条件选择。在该例中，最好在硫化后在轮胎的整个内表面上涂漆；事实上，行驶后用肉眼检查所述轮胎的内表面即可确定颜色发生变化的区域，从而知道所述区域的表面温度已超过基准温度。此外，由这类热点的精确位置可获得该信息。

本发明装置还可用来检查和记忆装在一轴上的单个轮胎的整个压扁或几乎整个压扁而无需在这些条件下经过行驶；在该例中，需要使用至少一个轮周形装置，把该装置设置在至少一侧壁上，所述装置上有特别易折断而无法承受过度弯曲的部件。

本发明装置的另一实施例使用一对给定时间或给定周期数中的一定大小的应力敏感的化合物带子，所述带子在轮胎的至少一整圈上形成一螺线。便于制作的这种布置可测量一侧壁在子午方向上的一部分上所发生的破坏。

本发明装置的另一实施例在受监测的轮胎的内表面上喷射可粘合在该表面上、对给定时间或周期数中的至少一种应力敏感的材料。

上述不同装置当然可同时使用在同一轮胎上。从而可使用结构相同或不同的多个装置观察加固结构所受过度机械应力以及环境对改变轮胎化合物的特性和性能的影响等等。

本发明装置当然可用于必需使用一内胎的轮胎；在这种情况下，所述装置与上面同样地设置在轮胎的各壁之一上。本发明装置也可设置在该内胎的外壁上而用作所述轮胎的应力指示器。

本发明装置为一种轮胎使用情况的跟踪记录装置，可显示所述轮胎的特别猛烈使用条件；这类装置实际上是防干扰的(其缺失表明应力特别猛烈和强制)，从而可提高装有这一装置的轮胎的用户的安全性。

使用本发明装置可减少检查装有这类装置的轮胎所化时间和费用，由于其使用简单，因此可用肉眼直接检查、甚至自动检查所有经行驶的轮胎。

可更好估计轮胎的剩余期望寿命，从而可更好使用轮胎而降低轮胎使用成本(在使用卡车、建筑设备和飞机的轮胎时该参数特别重要)。

Claims (14)

1、一种监测一轮胎的至少一组件的破坏程度的装置，所述轮胎在一车辆上在至少一部分使用时间中经受过至少一预定应力，所述装置在车辆行驶前设置在一轮胎上或轮胎中所述部件旁；它包括至少一个对该预定应力敏感、从而能永久记忆关于该组件在至少给定的周期数或一定时间中经受所述应力的一信息的部件。

2、一种监测一在车辆上使用的轮胎的加固结构的破坏程度的装置，所述轮胎具有一内壁和一外壁，该轮胎的充气气压作用在该内壁上，所述受监测的结构至少局部承受至少一周期变动的机械应力，监测所述加固结构的破坏程度的所述装置包括一非常柔软的薄支撑件，其一面可紧贴在轮胎的两壁之一上，并靠近受监测的该加固结构旁，以及该支撑件上的部件，所述部件对猛烈弯曲敏感、从而能永久记忆至少一关于受监测结构在至少一给定周期数中承受猛烈弯曲的信息，该信息可卸下或不卸下轮胎由驾驶员用肉眼检查或自动检查。

3、按权利要求2所述的监测装置，其特征在于，它包括至少两个对猛烈弯曲敏感的部件，所述两部件的直径不同，从而可各永久记忆受监测加固结构在一定周期数中经受一在一最小曲率半径R_MIN与一最大曲率半径R_MAX之间的给定弯曲应力的信息，从而精确显示行驶轮胎在猛烈弯曲条件下实际所受应力。

4、按权利要求2所述的监测装置，其特征在于，该支撑件紧贴在轮胎的一侧壁的内壁上；该支撑件用从丁基橡胶族中选出的、对猛烈弯曲疲劳应力敏感的至少一种橡胶材料制成。

5、按权利要求2所述的监测装置，其特征在于，该支撑件紧贴在轮胎的一侧壁的内壁上，包括至少一个做成其方向可标示在所述支撑件上的一根丝的部件，所述部件对在一定最小周期数后显示可看出的破坏的猛烈弯曲周期应力敏感、从而能永久记忆该应力。

6、按权利要求1所述的监测装置，其特征在于，所述装置所记忆的每一信息可用射线检查装置或射线照相装置记忆。

7、一可装在一车轮上的轮胎，其特征在于，其至少一壁的全部或一部分上装有至少一个监测所述轮胎的至少一个组件的破坏程度的装置，所述破坏由所述轮胎行驶过程中所出现的一定应力造成，所述装置上有至少一个对所述应力敏感、从而能永久记忆表征一定周期数或一定最小时间后所述应力的至少一信息特征的部件。

8、一种轮胎，包括与轮胎钢圈接触的两胎边、其上有轮周加固物的一轮周和两侧壁，每一侧壁伸展在轮周加固物的一侧端与一胎边之间，每一侧壁包括至少一个帘布层加固结构，其许多加固物的方向与圆周方向相交成至少45°的角，每一侧壁在轮胎上有一外壁和一内壁，所述轮胎的充气气压作用在该内壁上，所述轮胎的特征在于，轮胎的至少一壁上装有至少一个监测该帘布层加固结构的破坏程度的装置，所述装置包括至少一个能永久记忆并显示表征至少一一定行驶时间中所述结构所经受一定应力的信息特征的部件。

9、按权利要求8所述的轮胎，其特征在于，监测装置至少之一可用来估计一径向帘布层在反复受到猛烈弯曲后的破坏程度，该帘布层包括一由许多加固物构成的织物，这些加固物的方向与轮胎的圆周方向相交成至少为45°的角；所述装置包括一由至少一种橡胶材料制成的支撑件，该橡胶材料的特性在于在所述应力作用下其机械性能发生变化，然后所述支撑件在普通应力下就易折断，从而在所述应力作用下，所述支撑件在一定的最小周期数后显示出可见的破坏。

10、按权利要求8所述的轮胎，其特征在于，监测装置至少之一可用来估计轮胎的一加固结构在反复受到猛烈弯曲后的破坏程度，所述装置包括一橡胶支撑件和至少一根对一最小曲率半径R_MIN与一最大曲率半径R_MAX之间的周期弯曲应力敏感的丝，所述丝设置在该支撑件上或该支撑件中，所述支撑件一旦放置在轮胎的壁之一上的选定部位，其方向使该丝经受与受监测结构相同的弯曲。

11、按权利要求7所述的轮胎，其特征在于，监测所述轮胎的一加固结构的破坏程度的至少一个装置包括至少一根对猛烈弯曲应力敏感的丝，所述丝在所述轮胎的制造过程中装入在轮胎中，其方向与受监测的加固结构的方向大致相同。

12、按权利要求7所述的轮胎，其特征在于，它还包括一对由所述轮胎的行驶条件造成的温度敏感的部件，所述部件的物理特性随成对的时间和温度以一定方式发生永久性变化。

13、一种显示轮胎一区域受反复应力的破坏程度的监测装置，所述监测装置包括一可紧贴到轮胎一壁的所述区域上的可弯曲支撑件和装在该支撑件上、显示该破坏程度的可弯曲部件，所述可弯曲显示部件的材料经反复、猛烈弯曲会发生断裂，从而其断裂显示出该轮胎的该区域的破坏程度。

14、按权利要求13所述的监测装置，其特征在于，支撑件上装有多个可弯曲显示部件，所述各部件选择成相继断裂，以便显示不同的破坏程度。

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