EP1246964B1 - Cable d'acier multicouches pour carcasse de pneumatique - Google Patents

Cable d'acier multicouches pour carcasse de pneumatique Download PDF

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Publication number
EP1246964B1
EP1246964B1 EP00991642A EP00991642A EP1246964B1 EP 1246964 B1 EP1246964 B1 EP 1246964B1 EP 00991642 A EP00991642 A EP 00991642A EP 00991642 A EP00991642 A EP 00991642A EP 1246964 B1 EP1246964 B1 EP 1246964B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cable
cables
layer
wires
cable according
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP00991642A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP1246964A1 (fr
Inventor
François-Jacques CORDONNIER
Alain Domingo
Henri Barguet
Le Tu Anh Vo
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Michelin Recherche et Technique SA Switzerland
Michelin Recherche et Technique SA France
Societe de Technologie Michelin SAS
Original Assignee
Michelin Recherche et Technique SA Switzerland
Michelin Recherche et Technique SA France
Societe de Technologie Michelin SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Michelin Recherche et Technique SA Switzerland, Michelin Recherche et Technique SA France, Societe de Technologie Michelin SAS filed Critical Michelin Recherche et Technique SA Switzerland
Publication of EP1246964A1 publication Critical patent/EP1246964A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP1246964B1 publication Critical patent/EP1246964B1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B5/00—Non-insulated conductors or conductive bodies characterised by their form
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D07—ROPES; CABLES OTHER THAN ELECTRIC
    • D07B—ROPES OR CABLES IN GENERAL
    • D07B1/00—Constructional features of ropes or cables
    • D07B1/06—Ropes or cables built-up from metal wires, e.g. of section wires around a hemp core
    • D07B1/0606—Reinforcing cords for rubber or plastic articles
    • D07B1/062—Reinforcing cords for rubber or plastic articles the reinforcing cords being characterised by the strand configuration
    • D07B1/0633—Reinforcing cords for rubber or plastic articles the reinforcing cords being characterised by the strand configuration having a multiple-layer configuration
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D07—ROPES; CABLES OTHER THAN ELECTRIC
    • D07B—ROPES OR CABLES IN GENERAL
    • D07B2201/00—Ropes or cables
    • D07B2201/20—Rope or cable components
    • D07B2201/2015—Strands
    • D07B2201/2024—Strands twisted
    • D07B2201/2029—Open winding
    • D07B2201/2031—Different twist pitch
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S57/00—Textiles: spinning, twisting, and twining
    • Y10S57/902—Reinforcing or tire cords
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/249921—Web or sheet containing structurally defined element or component
    • Y10T428/249924—Noninterengaged fiber-containing paper-free web or sheet which is not of specified porosity
    • Y10T428/249933—Fiber embedded in or on the surface of a natural or synthetic rubber matrix
    • Y10T428/249934—Fibers are aligned substantially parallel

Definitions

  • the present invention relates to steel wires ( "steel cords") used for reinforcing rubber articles such as tires. It relates more particularly to the so-called “layered” cables used for reinforcing the carcass reinforcement of industrial vehicle tires such as heavy-duty tires.
  • Steel tire ropes are generally made of steel wire perlitic (or ferritic-pearlitic) carbon, hereinafter referred to as "carbon steel", the content of which carbon is generally between 0.2% and 1.2%, the diameter of these wires being the most often between about 0.10 and 0.40 mm (millimeter).
  • carbon steel the content of which carbon is generally between 0.2% and 1.2%, the diameter of these wires being the most often between about 0.10 and 0.40 mm (millimeter).
  • These threads require a very high tensile strength, in general greater than 2000 MPa, preferably greater than 2500 MPa, obtained thanks to the structural hardening occurring during the hardening phase sons.
  • These wires are then assembled in the form of cables or strands, which requires used they also have sufficient ductility in torsion to support the various wiring operations.
  • layered cords or "multilayer” steel cables consisting of a central core and one or more layers of concentric threads disposed around this core.
  • These layered cables which favor longer contact lengths between the wires, are preferred over the older " strand-cords ", due in part to greater compactness, from a lower sensitivity to fretting wear.
  • layered cables there is particular distinction. in a known manner, compact structure cables and cables with tubular or cylindrical layers.
  • the most common layered cables in heavy truck tire carcasses are cables of formula (L + M) or (L + M + N), the latter being generally intended for the more big tires.
  • These cables are formed in a known manner of a core of L wire (s) surrounded at least one layer of M son possibly itself surrounded by an outer layer of N son, with in general L varying from 1 to 4, M ranging from 3 to 12, N varying from 8 to 20 optionally, the assembly which can optionally be hooped by an external hoop wire wound in helix around the last layer.
  • layered cables must first have good flexibility and high endurance in flexion, which implies in particular that their son have a diameter relatively small, normally less than 0.28 mm, smaller in yarns used in conventional cables for tire crown reinforcement.
  • proposed or described construction layer cables (3 + 9) or (3 + 9 + 15) consisting of a core of 3 wires surrounded by a first layer of 9 wires and the case a second layer of 15 wires, as described for example in EP-A-0 168 858, EP-A-0 176 139, EP-A-0 497 612, EP-A-0 669 421, EP-A-0 709 236, EP-A-0 744 490, EP-A-0 779 390, the diameter of the threads of the soul being or not different from that of the threads of the others layers.
  • the publication RD No. 34370 describes, for example, cables of structure [1 + 6 + 12], of the type compact or concentric tubular layer type, consisting of a core formed of a single wire, surrounded by an intermediate layer of 6 wires itself surrounded by a layer external 12 wires. Penetrability by rubber can be improved by using different wire diameters from one layer to another, even within the same layer. of the construction cables [1 + 6 + 12] whose penetrability is improved by an appropriate choice wire diameters, in particular the use of a larger diameter core wire, have been described for example in EP-A-0 648 891 or WO98 / 41682.
  • multilayer cables with a central core surrounded by at least two concentric layers, in particular cables of formula [1 + M + N] (for example [1 + 5 + 10]) whose outer layer is unsaturated (incomplete), thus ensuring better penetrability by rubber (see, for example, the aforementioned applications EP-A-0 675 223, EP-A-0 719 889, EP-A-0 744 490, WO98 / 41682).
  • the proposed constructions allow the removal of the wire hoop, thanks to a better penetration of rubber to through the outer layer and the resulting self-hooping.
  • these cables are not penetrated to the heart by the rubber, in any case still insufficiently.
  • the cables When used for the reinforcement of tire carcass reinforcement, the cables must not only resist corrosion but also satisfy a large number of criteria, sometimes contradictory, in particular of tenacity, fretting resistance, high adhesion to rubber, uniformity, flexibility, endurance in repeated bending, stability under strong bending, etc.
  • This cable of the invention has, thanks to a specific architecture, no only excellent penetrability by rubber, limiting corrosion problems, but still endurance properties in fatigue-fretting which are significantly improved compared to the cables of the prior art.
  • the invention also relates to the use of a cable according to the invention for the reinforcement of articles or semi-finished products made of plastic and / or rubber, by examples of plies, pipes, belts, conveyor belts, tires, more particularly tires intended for industrial vehicles using usually a metal carcass reinforcement.
  • the cable of the invention is particularly intended to be used as an element of reinforcement of a tire carcass reinforcement for industrial vehicles selected from vans, "HGVs" - i.e., metro, bus, road transport vehicles (trucks, tractors, trailers), off-the-road vehicles -, agricultural or civil engineering machinery, aircraft, other transport or handling vehicles.
  • the invention also relates to these articles or semi-finished products made of plastic and / or themselves when reinforced with a cable according to the invention, tires for the above-mentioned industrial vehicles, in particular particularly heavy-duty tires and their carcass reinforcement plies.
  • the breaking force measurements noted by Fm maximum load in N
  • breaking strength denoted Rm in MPa
  • elongation at rupture noted At total elongation in%) are performed in tension according to the standard ISO 6892 of 1984.
  • modulus measurements are performed in tension according to the AFNOR-NFT-46002 standard of September 1988: second elongation (i.e., after an accommodation cycle) the nominal secant modulus (or apparent stress, in MPa) at 10% elongation, denoted M10 (normal conditions of temperature and hygrometry according to AFNOR-NFT-40101 of December 1979).
  • the air permeability test makes it possible to measure a relative index of air permeability denoted " Pa ". It is a simple means of indirect measurement of the penetration rate of the cable by a rubber composition. It is made on cables extracted directly, by shelling, vulcanized rubber sheets that they reinforce, thus penetrated by the cooked rubber.
  • the test is performed on a given cable length (for example 2 cm) in the manner next: we send air to the cable inlet, under a given pressure (for example 1 bar), and measuring the amount of air at the outlet, using a flowmeter; during the measurement the cable sample is stuck in a tight seal in such a way that only the quantity air flow through the cable from one end to the other, along its longitudinal axis, is taken account by the measure.
  • the measured flow rate is even lower than the penetration rate of the cable by the rubber is high.
  • the "belt” test is a known fatigue test which has been described for example in the applications EP-A-0 648 891 or WO98 / 41682 mentioned above, the steel cables to be tested being incorporated into a rubber article that is vulcanized.
  • the rubber article is an endless belt made with a known rubber mixture, similar to those commonly used for carcasses of radial tires.
  • the axis of each cable is oriented according to the direction of the belt and the cables are separated from the faces of the latter by a gum thickness of about 1 mm.
  • the belt is arranged to form a cylinder of revolution, the cable forms a spiral winding of the same axis as this cylinder (for example, no helix equal to about 2.5 mm).
  • This belt is then subjected to the following stresses: the belt is rotated around two rollers, so that each elemental portion of each cable is subjected to a tension of 12% of the initial force-rupture and undergo cycles of variation of curvature that pass it from an infinite radius of curvature to a radius of curvature of 40 mm and this for 50 million cycles.
  • the test is carried out under a controlled atmosphere, the temperature and humidity of the air in contact with the belt being maintained at approximately 20 ° C and 60% relative humidity.
  • the duration of the stresses for each belt is of the order of Three weeks. At the end of these stresses, the cables are extracted from the belts, by shelling, and the residual breaking strength of the tired cable wires is measured.
  • the "wavy traction” test is a fatigue test well known to those skilled in the art, in which test material is fatigued in pure uni-axial extension (extension-extension), that is to say without compression constraint.
  • a first amplitude of stress ⁇ a is chosen (generally in a range of about 1/4 to 1/3 of the resistance Rm of the cable) and the test is started fatigue for a maximum of 10 5 cycles (frequency 30 Hz), the load ratio R being set to 0.1.
  • a new amplitude ⁇ a is applied (less than or greater than the previous, respectively) on a new specimen, by varying this value ⁇ a according to the so-called staircase method (Dixon & Mood, Journal of the American statistical association, 43, 1948, 109-126).
  • a tensile fatigue machine from Schenk (PSA model) is used for this test; the effective length between the two jaws is 10 cm; the measurement is carried out under an atmosphere controlled dry (relative humidity rate less than or equal to 5%, temperature of 20 ° C).
  • heavy-duty tires are manufactured whose carcass reinforcement is constituted a single rubberized sheet reinforced by the cables to be tested.
  • These are then rolled pneumatic on an automatic rolling machine under a very high load (overload relative to the nominal load) and at the same speed for a fixed number of kilometers.
  • the cables are extracted from the carcass of the tire, by debridement, and the residual breaking force is measured on both the wires and the cables and tired.
  • the cable of the invention already self-shrunk. does not require generally not using an external hoop wire around the layer C2; this solves advantageously the wear problems between the hoop wire and the wires of the most external cable.
  • the cable of the invention could also include such an outer ring, consisting for example of a (at least one) single wire wound helically around the layer external C2, in a pitch of a helix preferentially shorter than that of the layer C2, and a winding direction opposite or identical to that of this outer layer.
  • the cable of the invention in particular when it is devoid of such an external hoop wire, preferably satisfies the characteristic (vii) below. : (vii) 5.0 ⁇ (d) 0 + d 1 ) ⁇ p 1 ⁇ p 2 ⁇ 5.0 ⁇ (d 0 + 2d 1 + d 2 ).
  • tubular layer cables is meant cables consisting of a core (ie, core or central portion) and one or more concentric layers, each of tubular form, disposed around of this core, such that, at least in the cable at rest, the thickness of each layer is substantially equal to the diameter of the son constituting it;
  • the cross-section of the cable has an outline or envelope (denoted E ) which is substantially circular, as illustrated for example in FIG.
  • the cables with cylindrical or tubular layers of the invention should not be confused with so-called “compact” layer cables, assemblies of wires wound at the same pitch and in the same direction of torsion; in such cables, the compactness is such that virtually no separate layer of wires is visible;
  • the cross-section of such cables has an outline ( E ) which is no longer circular, but polygonal, as illustrated for example in FIG.
  • the outer layer C2 is a tubular layer of N son said "unsaturated” or "incomplete”, that is to say that, by definition, there is sufficient space in this tubular layer C2 to add at least one (N +1) th wire of diameter d 2 , several of the N son possibly being in contact with each other. Conversely, this tubular layer C2 would be described as “saturated” or “complete” if there was not enough room in this layer to add at least one (N + 1) th wire diameter d 2 .
  • the cable of the invention is a layered construction cable denoted [1 + M + N], that is to say, his soul consists of a single thread, as represented for example on the Figure 1 (cable noted C-I).
  • This Figure 1 shows a section perpendicular to the axis (denoted O) of the core and the cable, the cable being assumed rectilinear and at rest.
  • the soul C0 (diameter d 0 ) is formed of a single wire; it is surrounded and in contact with an intermediate layer C1 of 5 son diameter d 1 wound together helically in a pitch p 1 ; this layer C1, of thickness substantially equal to d 1 , is itself surrounded and in contact with an outer layer C2 of 10 d-diameter wires 2 wound together in a helix in a pitch p 2 , and therefore of substantially equal to d 2 .
  • the wires wound around the core C0 are thus arranged in two adjacent and concentric, tubular layers (layer C1 having a thickness substantially equal to d 1 and then layer C2 having a thickness substantially equal to d 2 ). It can be seen that the wires of the layer C1 have their axes (denoted O 1 ) disposed practically on a first circle C 1 represented in dashed lines, while the wires of the layer C2 have their axes (denoted O 2 ) disposed practically on a second circle C 2 , also shown in dotted lines.
  • the cable of the invention verifies the following relation: (viii) 5.3 ⁇ (d) 0 + d 1 ) ⁇ p 1 ⁇ p 2 ⁇ 4.7 ⁇ (d 0 + 2d 1 + d 2 ).
  • the pitch represents the length, measured parallel to the axis O of the cable, at the end of which a wire having this pitch performs a complete revolution around the axis O of the cable; thus, if the axis O is divided by two planes perpendicular to the axis O and separated by a length equal to the pitch of a wire of one of the two layers C1 or C2, the axis of this wire (O 1 or O 2 , respectively) has in these two planes the same position on the two circles corresponding to the layer C1 or C2 of the wire considered.
  • a preferred embodiment consists of choosing the steps p 1 and p 2 lying in a range of 5 to 15 mm, p 1 being in particular within a range of 5 to 10 mm and p 2 included in a range of 10 to 15 mm.
  • a particular and advantageous embodiment then consists in choosing p 1 of between 6 and 10 mm and p 2 of between 10 and 14 mm.
  • all the wires of the layers C1 and C2 are wound in the same direction of torsion, that is to say either in the direction S (arrangement "S / S"), or in the Z direction ("Z / Z” arrangement).
  • Such an arrangement of layers C1 and C2 is rather contrary the most classical constructions of layered cables [L + M + N], in particular those of construction [3 + 9 + 15], which most often require a crossing of the two layers C1 and C2 (either an "S / Z" or "Z / S” layout) so that the C2 layer wires come themselves fretting the wires of the layer C1.
  • the winding in the same direction of the layers C1 and C2 allows advantageously, in the cable according to the invention, to minimize the friction between these two layers C1 and C2 and thus the wear of the son constituting them.
  • the ratios (d 0 / d 1 ) must be set within specified limits, according to the number M (4 or 5) of wires of the layer C1.
  • a too low value of this ratio is detrimental to the wear between the core and the wires of the layer C1.
  • a value that is too high impairs the compactness of the cable, for a level of resistance that is ultimately little modified, as well as its flexibility; the increased stiffness of the soul due to a diameter d 0 too high would also be detrimental to the feasibility of the cable itself, during wiring operations.
  • the maximum number N max of roll-up yarns in a single saturated layer around the layer C1 is of course a function of numerous parameters (diameter d 0 of the core, number M and diameter d 1 of the wires of the layer C1, diameter d 2 wires of the layer C2).
  • N max is equal to 12
  • N can then vary from 9 to 11 (for example constructions [1 + M + 9], [1 + M + 10] or [1 + M + 11])
  • N max is for example equal to 11
  • N may vary from 8 to 10 (for example constructions [1 + M + 8], [1 + M + 9] or [1 + M + 10]).
  • the number N of wires in the layer C2 is 1 to 2 less than the maximum number N max .
  • the invention is preferably implemented with a cable chosen from cables of structure [1 + 4 + 8], [1 + 4 + 9], [1 + 4 + 10], [1 + 5 + 9 ], [1 + 5 + 10] or [1 + 5 + 11].
  • the invention is preferably implemented in carcass reinforcement of Heavy-duty tires, with structural cables [1 + 5 + N], more preferably structure [1 + 5 + 9], [1 + 5 + 10] or [1 + 5 + 11]. More preferably still, we use structural cables [1 + 5 + 10] or [1 + 5 + 11].
  • the wires of the layer C1 may be chosen to be greater in diameter than those of the layer C2, for example in a ratio (d 1 / d 2 ) preferably between 1.05 and 1.30.
  • the diameter d 0 of the core be between 0.14 and 0.28 mm.
  • the diameters of the wires of the layers C2 are between 0.15 and 0.25 mm.
  • the diameter d is preferably less than or equal to 0.26 mm and the diameter d 2 is preferably greater than 0.17 mm.
  • a diameter d, less than or equal to 0.26 mm makes it possible to reduce the level of stresses experienced by the wires during significant variations in the curvature of the cables, whereas d 2 diameters greater than 0.17 mm are preferably chosen for reasons, in particular, resistance of the wires and industrial cost; when d 1 and d 2 are chosen from these preferential intervals, the diameter d 0 of the core is then more preferably between 0.14 and 0.25 mm.
  • the invention can be implemented with any type of steel wire, for example carbon steel and / or stainless steel wire as described, for example, in applications EP-A-0 648 891 or WO98 / 41682 mentioned above.
  • a steel is preferably used carbon, but it is of course possible to use other steels or other alloys.
  • carbon steel When carbon steel is used, its carbon content (% by weight of steel) is preferably between 0.50% and 1.0%, more preferably between 0.68% and 0.95%; these levels represent a good compromise between the mechanical properties required for pneumatic and the feasibility of the wire. It should be noted that in applications where the highest mechanical strengths are not necessary, it will be possible to advantageously use steels with a carbon content of between 0,50% and 0,68%, 0.55% to 0.60%, such steels being ultimately less expensive because easier to draw. A Another advantageous embodiment of the invention may also consist, depending on the applications to use low carbon steels, for example between 0.2% and 0.5%, mainly because of lower cost and easier wire drawing.
  • the cables of the invention When the cables of the invention are used to reinforce the carcass reinforcement of pneumatic tires for industrial vehicles, their yarns preferably have tensile strength greater than 2000 MPa, more preferably greater than 3000 MPa.
  • the cable of the invention may comprise an outer hoop, consisting for example of a wire unique, metallic or not, helically wrapped around the cable in a shorter pitch than the one of the outer layer, and a winding direction opposite or identical to that of this layer external.
  • the cable of the invention already auto-fretted, does not usually does not require the use of an external hoop wire, which advantageously solves the wear problems between the ferrule and the wires of the outermost layer of the cable.
  • a hoop wire in the general case where the wires of the layer C2 are in carbon steel, we can then advantageously choose a stainless steel wire hoop to reduce fretting wear of these carbon steel wires in contact with the steel hoop as taught by WO98 / 41682, the stainless steel wire possibly being replaced, in an equivalent way, by a composite wire of which only the skin is made of stainless steel and the carbon steel core, as described for example in the patent application EP-A-0 976 541.
  • the invention also relates to tires intended for industrial vehicles, more particularly heavy-duty tires as well as usable rubberized fabrics as carcass reinforcement plies of these heavy-duty tires.
  • FIG. 3 schematically represents a radial section of a Pneumatic Heavy-duty vehicle 1 with radial carcass reinforcement that may or may not conform to invention, in this general representation.
  • This tire 1 has a vertex 2, two sidewalls 3 and two beads 4, each of these beads 4 being reinforced with a 5.
  • the crown 2, surmounted by a tread (not shown in this figure schematic) is known per se reinforced by a crown reinforcement 6 constituted for example at least two superposed crossed plies, reinforced by cables known metal.
  • a carcass reinforcement 7 is wrapped around the two rods 5 in each bead 4, the upturn 8 of this armature 7 being for example disposed towards the outside of the tire 1 which is shown here mounted on its rim 9.
  • the carcass reinforcement 7 consists of at least one ply reinforced by so-called "radial” cables, that is to say that these cables are arranged substantially parallel to each other and extend from a bead to the other so as to form an angle of between 80 ° and 90 ° with the circumferential plane median (plane perpendicular to the axis of rotation of the tire which is located mid-way of the two beads 4 and passes through the middle of the crown reinforcement 6).
  • the tire according to the invention is characterized in that its carcass reinforcement 7 has at least one carcass ply whose radial cables are steel cables multilayer according to the invention.
  • the density of the cables according to the invention is preferably between 40 and 100 cables per dm (decimetre) of radial ply, more preferably between 50 and 80 cables per dm, the distance between two adjacent radial cables, axis to axis, being thus preferably between 1.0 and 2.5 mm, more preferably between 1.25 and 2.0 mm.
  • the cables according to the invention are preferably arranged in such a way that the width (denoted "l") of the rubber bridge, between two adjacent cables, is between 0.35 and 1 mm. This width l represents in a known manner the difference between the pitch of calendering (no laying of the cable in the rubber fabric) and the diameter of the cable.
  • the rubber bridge which is too narrow, may degrade mechanically during the working of the sheet, in particular during the deformations undergone in its own plane by extension or shear. Beyond the maximum indicated, exposed to the risk of appearance defects on the tire sidewalls or penetration of objects, by perforation, between the cables. More preferentially, for these same reasons.
  • the width "l" is chosen between 0.4 and 0.8 mm.
  • the recommended values above for cable density, distance between adjacent cables and of width "l" rubber bridge are those measured both on the fabric as is in the raw state (i.e., before incorporation into the tire) than in the tire itself, in the latter cases measured under the tire bead.
  • Previous layer cables are incorporated by calendering into a fabric a rubber composition formed from a known composition based on natural rubber and black carbon as a reinforcing filler, conventionally used for the manufacture of carcass reinforcement plies of radial heavy-duty tires.
  • the tires are then manufactured in a known manner and are as shown diagrammatically in FIG. commentary.
  • Their radial carcass reinforcement 7 is, for example, constituted of a single radial ply formed of the rubberized fabric above, the radial ropes of the invention being arranged at an angle of about 90 ° with the median circumferential plane.
  • Their frame of vertex 6 is, in a manner known per se, constituted of two superimposed working plies crossed, reinforced with metal cables inclined by 22 degrees, these two sheets of work being covered by a protective top ply reinforced with wire ropes "elastic" (i.e., high elongation cables).
  • the metal cables used are known conventional cables, arranged substantially parallel to each other, and the angles of inclination indicated are measured relative to the median circumferential plane.
  • the starting commercial yarns first undergo a known degreasing treatment and / or stripping before their subsequent implementation. At this stage, their breaking strength is equal at about 1150 MPa, their elongation at break is about 10%. Then we perform on each wire a deposit of copper, then a deposit of zinc, electrolytically at the temperature room. and then thermally heated by Joule effect at 540 ° C to obtain brass by diffusion of copper and zinc, the weight ratio ( ⁇ phase) / (phase ⁇ + phase ⁇ ) being equal to about 0.85. No heat treatment is performed on the wire after obtaining the brass coating.
  • a "final” work hardening (i.e., implemented after the last one) is then carried out on each wire. heat treatment), by wet cold drawing with a drawing lubricant which is in the form of an emulsion in water. This wet drawing is carried out known manner in order to obtain the final work hardening rate (noted ⁇ ) calculated from the diameter previously indicated for the starting trade threads.
  • the steel wires thus drawn have the mechanical properties shown in Table 1. Son ⁇ (mm) Fm (N) At (%) Rm (MPa) F 1 0,200 82 1.8 2720 F 2 0,175 62 2.1 2860
  • the elongation At indicated for the yarns is the total elongation recorded at the rupture of the yarn, that is to say integrating both the elastic part of the elongation (Hooke's law) and the part plastic of lengthening.
  • the brass coating that surrounds the wires has a very small thickness, much lower than the micrometer, for example of the order of 0.15 to 0.30 ⁇ m, which is negligible compared to diameter of the steel wires.
  • the composition of the wire steel in its different elements eg C, Mn, Si
  • the brass coating facilitates the drawing of the wire, as well as the bonding of the wire with the rubber.
  • the wires could be covered with a thin metallic layer other than brass, having for example function of improving the corrosion resistance of these threads and / or their adhesion to rubber, for example a thin layer of Co.
  • the previous wires are then assembled in the form of layered cables.
  • structure [1 + 5 + 10] for the cable according to the invention (cable noted CI)
  • structure [1 + 6 + 12] for the cable of the prior art (cable noted C-II)
  • the wires F 1 are used to form the core C0 of these cables CI and C-II, as well as the layers C1 and C2 of the CI cable according to the invention
  • the wires F2 are used to form the layers C1 and C2 of the C-II control cable.
  • the wires F 2 of the layers C1 and C2 are wound in the same direction of twist (Z direction).
  • the two cables tested are fretless and have a diameter of about 1.0 mm for the CI cable, about 0.90 mm for the C-II cable.
  • the core of these cables has a diameter d 0 the same diameter as that of its single wire F 1 , virtually free of torsion on itself.
  • the cable of the invention CI is a cable with tubular layers as schematized in cross section in Figure 1, already discussed above. It differs from conventional cables of the prior art in particular by the fact that its intermediate layers C1 and C2 external comprise respectively one and two son less than a conventional saturated cable, and that its p 1 and p 2 steps are different while also checking the relation (v) above.
  • the control cable C-II is a compact layer cable as shown diagrammatically in FIG. 2. It is seen in particular on this cross-section of FIG. 2 that the cable C-II, although of neighboring construction, has because of its mode. wiring (wires wound in the same direction and not p 1 and p 2 equal) a much more compact structure than that of the CI cable; as a result, no tubular layer of wires is visible for this cable, the cross section of this cable C-II having an outline E which is no longer circular but hexagonal.
  • the elongation At indicated for the cable is the total elongation recorded at the rupture of the cable, that is to say integrating both the elastic part of the elongation (Hooke's law), the part plastic of elongation and the so-called structural part of the elongation inherent in geometry specific cable tested.
  • the previous layered cables are incorporated by calendering into a rubberized fabric formed of a known composition based on natural rubber and carbon black as a filler reinforcement, conventionally used for the manufacture of reinforcing plies of carcass of radial heavy-duty tires (module M10 equal to approximately 6 MPa after cooking).
  • This composition essentially comprises, in addition to the elastomer and the filler antioxidant, stearic acid, extension oil, naphthenate cobalt as adhesion promoter, finally a vulcanization system (sulfur. accelerator, ZnO).
  • the cables are arranged parallel to known manner, according to a cable density of the order of 63 cables per dm (decimetre) of tablecloth. what. given the diameter of the cables, equates to a width "l" of the bridges of rubber, between two adjacent cables, about 0.6 mm for the cable of the invention. about 0.7 mm for the control cable.
  • the tissues thus prepared are subjected to the belt test described in paragraph I-3. After fatigue, shelling is carried out, that is to say extraction of the cables from the belts. Cables are then subjected to tensile tests, each time measuring the residual breaking force (cable extracted from the belt after fatigue) of each type of wire, according to the position of the wire in the cable, and for each of the cables tested, and comparing it to the initial breaking force (cables extracted from new belts).
  • the non-fatigued CI and C-II cables (after extraction from new belts) were subjected to the air permeability test described in paragraph I-2, measuring the amount of air passing through the cables in 1 minute (average of 10 measurements).
  • the permeability indices Pa obtained are reported in Table 4 (in relative units); the values indicated correspond to the average of 10 samples taken at different points of the belts, the base 100 being used for the control cables C-II. Cable Average Pa THIS 17 C-II 100
  • the cable according to the invention has an air permeability index Pa significantly lower (approximately factor 5) than that of the control C-II, and consequently a significantly higher penetration rate by the rubber.
  • the C-III cable is similar in construction to the previously tested C-I cable.
  • Cables of structure [1 + 5 + 10] close to or similar to that of the control cables C-IV or CV above, characterized, inter alia, by a double pitch p 2 of the pitch p 1 , are known to the skilled person. job ; they have, for example, been described in the aforementioned EP-A-0 675 223 or EP-A-0 744 490 applications. These known cables do not satisfy all the characteristics (i) to (vi) of the cables of the invention, in particular the essential characteristic (v) relating to the shift between the steps p 1 and p 2 .
  • the cable of the invention C-III is distinguished by a fatigue endurance substantially greater than that of the control cables, in particular to that of the control cable C-IV which should be noted that only the pitch p 1 differs (5.5 mm instead of 8 mm).
  • the cable of the invention C-VI consists of a 0.23 mm diameter core wire, surrounded by an intermediate layer of 5 wires wound together in a helix (direction S) in a pitch of 7.5 mm. , itself surrounded by an outer layer of 11 son themselves wound helically (direction S) in a pitch of 15 mm.
  • the son of the C1 layer were chosen to be greater in diameter than those of the layer C2 in a ratio (d 1 / d 2 ) preferential between 1.10 and 1.20.
  • the diameter of the cable (total space) is equal to about 1.49 mm.
  • Cable C-VII was chosen as a control for this rolling test because of its performance recognized by those skilled in the art for reinforcing heavy-duty tires large dimensions. Cables of identical or similar structure have for example described in the aforementioned applications EP-A-0 497 612, EP-A-0 669 421, EP-A-0 675 223, EP-A-0 709 236 or EP-A-0 779 390 to illustrate the prior art in this field.
  • the cable C-VII consists of 27 wires (denoted F5 in table 7) of the same diameter 0.23 mm, with a core of 3 wires wound together in a helix (direction S) in a pitch of 6.5 mm, this core being surrounded by an intermediate layer of 9 wires themselves wound together in propeller (S direction) at a pitch of 12.5 mm, itself surrounded by an outer layer of 15 wires themselves wound together in a helix (Z direction) in a pitch of 18.0 mm.
  • the son F 3 , F 4 and F 5 are brass threads, prepared in a known manner as indicated previously in paragraph III-1 for son F 1 F 2 .
  • the two tested cables and their constituent wires have the mechanical properties indicated in Table 7.
  • Wire or Cable ⁇ (mm) Fm (N) At (%) Rm (MPa) F 3 0.23 125 1.8 3100 F 4 0.26 165 1.8 3070 F 5 0.23 115 1.8 2840 C-VI 1.49 2195 2.8 2830 C-VII 1.65 2870 2.7 2580
  • the carcass reinforcement 7 of the tires tested consists of a single radial ply formed of rubberized fabrics of the same type as those previously used for the test belt (previous paragraph III-3): composition based on natural rubber and black carbon, having an M10 module of about 6 MPa.
  • the armature 7 is reinforced either by the cables according to the invention (C-VI), or by the control cables (denoted C-VII).
  • the fabric according to the invention comprises approximately 53 cables per dm of sheet, which is equivalent to a distance between two adjacent radial cables, axis-to-axis, about 1.9 mm and a gum bridge width equal to about 0.41 mm.
  • the fabric witness has about 45 cables per dm of web, which equates to a distance between two adjacent radial cables, axis to axis, of approximately 2.2 mm and at a width l equal to about 0.55 mm.
  • the mass of metal in the carcass reinforcement of the tire according to the invention is thus reduced by 23% compared to the control tire, which constitutes a very light weight sensitive.
  • the reduction in strength of the fabric according to the invention is reduced only by About 13%.
  • the crown reinforcement 6 it is in a known manner constituted of (i) two layers of superimposed crossed work, reinforced with metal cables inclined by 22 degrees, these two plies being covered by (ii) a reinforced top protection ply of elastic metal cables inclined 22 degrees.
  • the metal cables used are known conventional cables, arranged substantially parallel to each other, and all angles of inclination indicated are measured relative to the median circumferential plane.
  • a series of two tires (rated P-1) was reinforced by the C-VI cable, another series two tires (rated P-2) was reinforced with control cable C-VII.
  • P-1 tires therefore constitute the series according to the invention, the tires P-2 the sample series.
  • the cables of the invention can significantly reduce the phenomena of fatigue-fretting-corrosion in carcass reinforcement of tires, in particular tires Heavyweight, and thus improve the longevity of these frames and tires.
  • the invention makes it possible to reduce the size of the cables and thus to lighten these carcass reinforcement and these tires.
  • the core C0 of the cables of the invention could consist of a wire non-circular section, for example plastically deformed, in particular a section wire substantially oval or polygonal, for example triangular, square or rectangular; the core C0 could also consist of a preformed wire, of circular section or not, by example a corrugated wire, twisted, twisted helical or zig-zag.
  • the diameter do of the soul represents the diameter of the cylinder of imaginary revolution that surrounds the soul thread (clutter diameter), and no longer the diameter (or any other transverse size, if its section is not circular) of the core wire itself. It would be the same if the soul C0 was formed not of a single thread as in the examples above, but of several son assembled together, for example two son arranged parallel to each other or twisted together in a twisting direction identical or not to that of the intermediate layer C1.
  • the core wire being less stressed during the wiring operation than the other wires, given its position in the cable, it is not necessary for this wire to use by example of steel compositions with high torsional ductility; we will be able to advantageously use any type of steel, for example a stainless steel, in order to result in example to a hybrid steel cable [1 + 5 + 10] or [1 + 5 + 11], as taught in the application WO98 / 41682 mentioned above, comprising a stainless steel wire in the center and 15 or 16 wires in carbon steel around.
  • a (at least one) linear wire of one of the two layers C1 and / or C2 could also be replaced by a preformed or deformed wire, or more generally by a wire of different section from that of the other diameter wires.
  • d 1 and / or d 2 for example to further improve the penetrability of the cable by the rubber or any other material, the overall size of this replacement wire may be less than, equal to or greater than the diameter (d 1 and or d 2 ) other constituent son of the layer (C1 and / or C2) concerned.
  • all or part of the wires constituting the cable according to the invention could consist of wires other than steel wires, of metal or not, especially of mineral or organic threads of high mechanical strength, by example of monofilaments organic polymers liquid crystals as described in the WO92 / 12018.
  • the invention also relates to any multi-strand steel cable (" multi-strand rope ”) whose structure incorporates at least, as elementary strand, a layered cable according to the invention.

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Description

La présente invention est relative aux câbles d'acier ("steel cords") utilisables pour le renforcement d'articles en caoutchouc tels que des pneumatiques. Elle se rapporte plus particulièrement aux câbles dits "à couches" utilisables pour le renforcement de l'armature de carcasse de pneumatiques de véhicules industriels tels que des pneumatiques Poids-lourd.
Les câbles d'acier pour pneumatiques sont en règle générale constitués de fils en acier perlitique (ou ferrito-perlitique) au carbone, désigné ci-après "acier au carbone", dont la teneur en carbone est généralement comprise entre 0,2% et 1,2%, le diamètre de ces fils étant le plus souvent compris entre environ 0,10 et 0,40 mm (millimètre). On exige de ces fils une très haute résistance à la traction, en général supérieure à 2000 MPa, de préférence supérieure à 2500 MPa, obtenue grâce au durcissement structural intervenant lors de la phase d'écrouissage des fils. Ces fils sont ensuite assemblés sous forme de câbles ou torons, ce qui nécessite des aciers utilisés qu'ils aient aussi une ductilité en torsion suffisante pour supporter les diverses opérations de câblage.
Pour le renforcement des armatures de carcasse de pneumatiques Poids-lourd, on utilise le plus souvent aujourd'hui des câbles d'acier dits "à couches" ("layered cords") ou "multicouches" constitués d'une âme centrale et d'une ou plusieurs couches de fils concentriques disposées autour de cette âme. Ces câbles à couches, qui privilégient des longueurs de contact plus importantes entre les fils, sont préférés aux câbles plus anciens dits "à torons" ("strand cords") en raison d'une part d'une plus grande compacité, d'autre part d'une sensibilité moindre à l'usure par fretting. Parmi les câbles à couches, on distingue notamment. de manière connue, les câbles à structure compacte et les câbles à couches tubulaires ou cylindriques.
Les câbles à couches les plus répandus dans les carcasses de pneumatiques Poids-lourd sont des câbles de formule (L+M) ou (L+M+N), les derniers étant généralement destinés aux plus gros pneumatiques. Ces câbles sont formés de manière connue d'une âme de L fil(s) entourée d'au moins une couche de M fils éventuellement elle-même entourée d'une couche externe de N fils, avec en général L variant de 1 à 4, M variant de 3 à 12, N variant de 8 à 20 le cas échéant, l'ensemble pouvant être éventuellement fretté par un fil de frette externe enroulé en hélice autour de la dernière couche.
De tels câbles à couches utilisables pour le renforcement d'armatures de carcasse de pneumatiques radiaux, notamment de pneumatiques Poids-lourd, ont été décrits dans un très grand nombre de publications. On se reportera notamment aux documents US-A-3 922 841 ; US-A-4 158 946 ; US-A-4 488 587 ; EP-A-0 168 858 ; EP-A-0 176 139 ou US-A-4 651 513 ; EP-A-0 194 011 ; EP-A-0 260 556 ou US-A-4 756 151 ; EP-A-0 362 570 ; EP-A-0 497 612 ou US-A-5 285 836 ; EP-A-0 568 271 ; EP-A-0 648 891 ; EP-A-0 669 421 ou US-A-5 595 057 ; EP-A-0 675 223 ; EP-A-0 709 236 ou US-A-5 836 145 ; EP-A-0 719 889 ou US-A-5-697 204 ; EP-A-0 744 490 ou US-A-5 806 296 ou US-A-5 822 973 : EP-A-0 779 390 ou US-A-5 802 829 ; EP-A-0 834 613 ou US-A-6 102 095; WO98/41682 ; RD (Research Disclosure) N°34054, août 1992, pp. 624-33 ; RD N°34370, novembre 1992, pp. 857-59.
Pour remplir leur fonction de renforcement des d'armatures de carcasse de pneumatiques radiaux, les câbles à couches doivent tout d'abord présenter une bonne flexibilité et une endurance élevée en flexion, ce qui implique notamment que leurs fils présentent un diamètre relativement faible, normalement inférieur à 0,28 mm, plus petit en particulier que celui des fils utilisés dans les câbles conventionnels pour les armatures de sommet des pneumatiques.
Ces câbles à couches sont d'autre part soumis à des contraintes importantes lors du roulage des pneumatiques, notamment à des flexions ou variations de courbure répétées induisant au niveau des fils des frottements, notamment par suite des contacts entre couches adjacentes, et donc de l'usure, ainsi que de la fatigue ; ils doivent donc présenter une haute résistance aux phénomènes dits de "fatigue-fretting".
Il est important enfin qu'ils soient imprégnés autant que possible par le caoutchouc, que cette matière pénètre dans tous les espaces entre les fils constituant les câbles. En effet, si cette pénétration est insuffisante, il se forme alors des canaux vides, le long des câbles, et les agents corrosifs, par exemple l'eau, susceptibles de pénétrer dans les pneumatiques par exemple à la suite de coupures, cheminent le long de ces canaux jusque dans l'armature de carcasse du pneumatique. La présence de cette humidité joue un rôle important en provoquant de la corrosion et en accélérant les processus de dégradation ci-dessus (phénomènes dits de "fatigue-corrosion"), par rapport à une utilisation en atmosphère sèche.
Tous ces phénomènes de fatigue que l'on regroupe généralement sous le terme générique de "fatigue-fretting-corrosion" sont à l'origine d'une dégénérescence progressive des propriétés mécaniques des câbles et peuvent affecter, pour les conditions de roulage les plus sévères, la durée de vie de ces derniers.
Afin d'améliorer l'endurance des câbles à couches dans les armatures de carcasse de pneumatiques Poids-lourd, où de manière connue les sollicitations en flexion répétée peuvent être particulièrement sévères, on a proposé depuis longtemps de modifier leur construction afin d'augmenter notamment leur pénétrabilité par le caoutchouc, et ainsi limiter les risques dus à la corrosion et à la fatigue-corrosion.
Ont été par exemple proposés ou décrits des câbles à couches de construction (3+9) ou (3+9+15) constitués d'une âme de 3 fils entourée d'une première couche de 9 fils et le cas échéant d'une seconde couche de 15 fils, comme décrit par exemple dans EP-A-0 168 858, EP-A-0 176 139, EP-A-0 497 612, EP-A-0 669 421, EP-A-0 709 236, EP-A-0 744 490, EP-A-0 779 390, le diamètre des fils de l'âme étant ou non différent de celui des fils des autres couches. Ces câbles ne sont pas pénétrables jusqu'à coeur à cause de la présence d'un canal ou capillaire au centre des trois fils d'âme, qui reste vide après imprégnation par le caoutchouc, et donc propice à la propagation de milieux corrosifs tels que l'eau.
La publication RD N°34370 décrit par exemple des câbles de structure [1+6+12], du type compacts ou du type à couches tubulaires concentriques, constitués d'une âme formée d'un seul fil, entourée d'une couche intermédiaire de 6 fils elle-même entourée d'une couche externe de 12 fils. La pénétrabilité par le caoutchouc peut être améliorée en utilisant des diamètres de fils différents d'une couche à l'autre, voire à l'intérieur d'une même couche. Des câbles de construction [1+6+12] dont la pénétrabilité est améliorée grâce à un choix approprié des diamètres des fils, notamment à l'utilisation d'un fil d'âme de plus gros diamètre, ont été décrits par exemple dans EP-A-0 648 891 ou WO98/41682.
Pour améliorer encore, par rapport à ces câbles conventionnels, la pénétration du caoutchouc à l'intérieur du câble, on a proposé ou décrit des câbles multicouches avec une âme centrale entourée d'au moins deux couches concentriques, notamment des câbles de formule [1+M+N] (par exemple [1+5+10]) dont la couche externe est insaturée (incomplète), assurant ainsi une meilleure pénétrabilité par le caoutchouc (voir par exemple demandes précitées EP-A-0 675 223, EP-A-0 719 889, EP-A-0 744 490, WO98/41682). Les constructions proposées permettent la suppression du fil de frette, grâce à une meilleure pénétration du caoutchouc à travers la couche externe et l'auto-frettage qui en résulte. L'expérience montre toutefois que ces câbles ne sont pas pénétrés jusqu'à coeur par le caoutchouc, en tout cas encore insuffisamment.
En tout état de cause, une amélioration de la pénétrabilité par le caoutchouc n'est pas suffisante pour garantir un niveau de performance suffisant. Lorsqu'ils sont utilisés pour le renforcement des armatures de carcasse de pneumatiques, les câbles doivent non seulement résister à la corrosion mais aussi satisfaire un grand nombre de critères, parfois contradictoires, en particulier de ténacité, résistance au fretting, adhésion élevée au caoutchouc, uniformité, flexibilité, endurance en flexion répétée, stabilité sous forte flexion, etc.
Ainsi, pour toutes les raisons exposées précédemment, et malgré les différentes améliorations récentes qui ont pu être apportées ici ou là sur tel ou tel critère déterminé, les meilleurs câbles utilisés aujourd'hui dans les armatures de carcasse de pneumatiques Poids-lourds restent limités à un petit nombre de câbles à couches de structure fort conventionnelle, du type compacts ou à couches cylindriques, avec une couche externe saturée (complète) ; il s'agit essentiellement des câbles de constructions [3+9], [3+9+15] ou [1+6+12] tels que décrits précédemment.
Or, la Demanderesse a trouvé lors de ses recherches un câble à couches nouveau, du type à couche externe insaturée, qui de manière inattendue améliore encore la performance globale des meilleurs câbles à couches connus pour le renforcement des carcasses de pneumatiques Poids-lourd. Ce câble de l'invention présente, grâce à une architecture spécifique, non seulement une excellente pénétrabilité par le caoutchouc, limitant les problèmes de corrosion, mais encore des propriétés d'endurance en fatigue-fretting qui sont notablement améliorées par rapport aux câbles de l'art antérieur.
La longévité des pneumatiques Poids-lourd et celle de leurs armatures de carcasse peuvent être ainsi sensiblement améliorées.
En conséquence, un premier objet de l'invention est un câble multicouches à couche externe insaturée, utilisable comme élément de renforcement d'une armature de carcasse de pneumatique, comportant une âme (notée C0) de diamètre d0, entourée d'une couche intermédiaire (notée C1) de quatre ou cinq fils (M = 4 ou 5) de diamètre d1 enroulés ensemble en hélice selon un pas p1, cette couche C1 étant elle-même entourée d'une couche externe (notée C2) de N fils de diamètre d2 enroulés ensemble en hélice selon un pas p2, N étant inférieur de 1 à 3 au nombre maximal Nmax de fils enroulables en une couche autour de la couche C1, ce câble étant caractérisé en ce qu'il présente les caractéristiques suivantes (d0, d1, d2, p1 et p2 en mm):
  • (i) 0,08 < d0 < 0,28 ;
  • (ii) 0,15 < d1 < 0,28 ;
  • (iii) 0,12 < d2 < 0,25 ;
  • (iv) pour M = 4 : 0,40 < (d0/ d1) < 0,80 ;
    pour M = 5 : 0,70 < (d0/ d1) < 1,10 ;
  • (v) 4,8 π (d0 + d1) < p1 < p2 < 5,6 π (d0 + 2d1 + d2) ;
  • (vi) les fils des couches C1 et C2 sont enroulés dans le même sens de torsion.
L'invention concerne également l'utilisation d'un câble conforme à l'invention pour le renforcement d'articles ou de produits semi-finis en matière plastique et/ou en caoutchouc, par exemple des nappes, des tuyaux, des courroies, des bandes transporteuses, des pneumatiques, plus particulièrement des pneumatiques destinés à des véhicules industriels utilisant habituellement une armature de carcasse métallique.
Le câble de l'invention est tout particulièrement destiné à être utilisé comme élément de renforcement d'une armature de carcasse de pneumatique destiné à des véhicules industriels choisis parmi camionnettes, "Poids-lourds" - i.e., métro, bus, engins de transport routier (camions, tracteurs, remorques), véhicules hors-la-route - , engins agricoles ou de génie civil, avions, autres véhicules de transport ou de manutention.
L'invention concerne en outre ces articles ou produits semi-finis en matière plastique et/ou en caoutchouc eux-mêmes lorsqu'ils sont renforcés par un câble conforme à l'invention, en particulier les pneumatiques destinés aux véhicules industriels cités ci-dessus, plus particulièrement les pneumatiques Poids-lourds et leurs nappes d'armature de carcasse.
L'invention ainsi que ses avantages seront aisément compris à la lumière de la description et des exemples de réalisation qui suivent, ainsi que des figures 1 et 3 relatives à ces exemples qui schématisent, respectivement:
  • une coupe transversale d'un câble de structure [1+5+10] conforme à l'invention (figure 1);
  • une coupe transversale d'un câble de structure compacte de l'art antérieur (figure 2);
  • une coupe radiale d'une enveloppe de pneumatique Poids-lourd à armature de carcasse radiale (figure 3).
I. MESURES ET TESTS I-1. Mesures dynamométriques
En ce qui concerne les fils ou câbles métalliques, les mesures de force à la rupture notée Fm (charge maximale en N), de résistance à la rupture notée Rm (en MPa) et d'allongement à la rupture noté At (allongement total en %) sont effectuées en traction selon la norme ISO 6892 de 1984. En ce qui concerne les compositions de caoutchouc, les mesures de module sont effectuées en traction selon la norme AFNOR-NFT-46002 de septembre 1988 : on mesure en seconde élongation (i.e., après un cycle d'accommodation) le module sécant nominal (ou contrainte apparente, en MPa) à 10% d'allongement, noté M10 (conditions normales de température et d'hygrométrie selon la norme AFNOR-NFT-40101 de décembre 1979).
I-2. Test de perméabilité à l'air
Le test de perméabilité à l'air permet de mesurer un indice relatif de perméabilité à l'air noté "Pa". Il constitue un moyen simple de mesure indirecte du taux de pénétration du câble par une composition de caoutchouc. Il est réalisé sur des câbles extraits directement, par décorticage, des nappes de caoutchouc vulcanisées qu'ils renforcent, donc pénétrés par le caoutchouc cuit.
Le test est réalisé sur une longueur de câble déterminée (par exemple 2 cm) de la manière suivante: on envoie de l'air à l'entrée du câble, sous une pression donnée (par exemple 1 bar), et on mesure la quantité d'air à la sortie, à l'aide d'un débitmètre ; pendant la mesure l'échantillon de câble est bloqué dans un joint étanche de telle manière que seule la quantité d'air traversant le câble d'une extrémité à l'autre, selon son axe longitudinal, est prise en compte par la mesure. Le débit mesuré est d'autant plus faible que le taux de pénétration du câble par le caoutchouc est élevé.
I-3. Test courroie
Le test "courroie" est un test de fatigue connu qui a été décrit par exemple dans les demandes EP-A-0 648 891 ou WO98/41682 précitées, les câbles d'acier à tester étant incorporés dans un article en caoutchouc que l'on vulcanise.
Son principe est le suivant: l'article en caoutchouc est une courroie sans fin réalisée avec un mélange connu à base de caoutchouc, semblable à ceux qui sont couramment utilisés pour les carcasses des pneumatiques radiaux. L'axe de chaque câble est orienté selon la direction longitudinale de la courroie et les câbles sont séparés des faces de cette dernière par une épaisseur de gomme d'environ 1 mm. Lorsque la courroie est disposée de façon à former un cylindre de révolution, le câble forme un enroulement en hélice de même axe que ce cylindre (par exemple, pas de l'hélice égal à environ 2,5 mm).
On fait ensuite subir à cette courroie les sollicitations suivantes : on fait tourner la courroie autour de deux galets, de telle sorte que chaque portion élémentaire de chaque câble soit soumise à une tension de 12% de la force-rupture initiale et subisse des cycles de variation de courbure qui la font passer d'un rayon de courbure infini à un rayon de courbure de 40 mm et ceci pendant 50 millions de cycles. Le test est réalisé sous une atmosphère contrôlée, la température et l'humidité de l'air au contact de la courroie étant maintenues à environ 20°C et 60% d'humidité relative. La durée des sollicitations pour chaque courroie est de l'ordre de 3 semaines. A la fin de ces sollicitations, on extrait les câbles des courroies, par décorticage, et on mesure la force rupture résiduelle des fils des câbles fatigués.
On réalise d'autre part une courroie identique à la précédente et on la décortique de la même façon que précédemment mais cette fois sans soumettre les câbles au test de fatigue. On mesure ainsi la force rupture initiale des fils des câbles non fatigués.
On calcule finalement la déchéance de force-rupture après fatigue (notée ΔFm et exprimée en %), en comparant la force-rupture résiduelle à la force-rupture initiale.
Cette déchéance ΔFm est de manière connue due à la fatigue et à l'usure des fils causées par l'action conjointe des sollicitations et de l'eau provenant de l'air ambiant, ces conditions étant comparables à celles auxquelles sont soumis les câbles de renforcement dans des carcasses de pneumatiques.
I-4. Test de traction ondulée
Le test de "traction ondulée" est un test de fatigue bien connu de l'homme du métier, dans lequel le matériau testé est fatigué en extension uni-axiale pure (extension-extension), c'est-à-dire sans contrainte de compression.
Le principe est le suivant : un échantillon du câble à tester, maintenu à chacune de ses deux extrémités par les deux mors d'une machine de traction est soumis à une contrainte de traction ou extension dont l'intensité σ varie de manière cyclique et symétrique (σmoy ± σa) autour d'une valeur moyenne (σmoy), entre deux valeurs extrêmes σmin (σmoy - σa) et σmax (σmoy + σa) encadrant cette valeur moyenne, sous un rapport de charge "R" = (σmin/σmax) déterminé. La contrainte moyenne σmoy est donc liée au rapport de charge R et à l'amplitude σa par la relation σmoy = σa(1+R)/(1-R).
En pratique, le test est conduit de la manière suivante: on choisit une première amplitude de contrainte σa (généralement dans un domaine de l'ordre de 1/4 à 1/3 de la résistance Rm du câble) et on lance le test de fatigue pour un nombre maximal de 105 cycles (fréquence 30 Hz), le rapport de charge R étant choisi égal à 0,1. Selon le résultat obtenu -- i.e. rupture ou non-rupture du câble au bout de ces 105 cycles maximum -- on applique une nouvelle amplitude σa (inférieure ou supérieure à la précédente, respectivement) sur une nouvelle éprouvette, en faisant varier cette valeur σa selon la méthode dite de l'escalier (Dixon & Mood ; Journal of the American statistical association, 43, 1948, 109-126). On effectue ainsi 17 itérations au total, le traitement statistique des essais défini par cette méthode de l'escalier conduit à la détermination d'une limite d'endurance - notée σd - qui correspond à une probabilité de rupture du câble de 50% au bout des 105 cycles de fatigue.
On utilise pour ce test une machine de fatigue en traction de la société Schenk (modèle PSA) ; la longueur utile entre les deux mors est de 10 cm ; la mesure est réalisée sous une atmosphère sèche contrôlée (taux d'humidité relative inférieur ou égal à 5% ; température de 20°C).
I-5. Test d'endurance en pneumatique
L'endurance des câbles en fatigue-fretting-corrosion est évaluée dans des nappes carcasse de pneumatiques poids-lourd par un test de roulage de très longue durée.
On fabrique pour cela des pneumatiques Poids-lourd dont l'armature de carcasse est constituée d'une seule nappe caoutchoutée renforcée par les câbles à tester. On monte ces pneumatiques sur des jantes connues adaptées et on les gonfle à la même pression (avec une surpression par rapport à la pression nominale) avec de l'air saturé en humidité. On fait ensuite rouler ces pneumatiques sur une machine de roulage automatique, sous une charge très élevée (surcharge par rapport à la charge nominale) et à la même vitesse, pendant un nombre déterminé de kilomètres. A la fin du roulage, on extrait les câbles de la carcasse du pneumatique, par décorticage, et on mesure la force rupture résiduelle à la fois sur les fils et sur les câbles ainsi fatigués.
On réalise d'autre part des pneumatiques identiques aux précédents et on les décortique de la même façon que précédemment, mais cette fois sans les soumettre au roulage. On mesure ainsi, après décorticage, la force rupture initiale des fils et des câbles non fatigués.
On calcule finalement la déchéance de force-rupture après fatigue (notée ΔFm et exprimée en %), en comparant la force-rupture résiduelle à la force-rupture initiale. Cette déchéance ΔFm est due à la fatigue et à l'usure (diminution de section) des fils causées par l'action conjointe des diverses sollicitations mécaniques, en particulier de l'intense travail des forces de contact entre les fils, et de l'eau provenant de l'air ambiant, en d'autres termes à la fatigue-fretting-corrosion subie par le câble à l'intérieur du pneumatique, lors du roulage.
On peut aussi choisir de conduire le test de roulage jusqu'à la destruction forcée du pneumatique, en raison d'une rupture de la nappe de carcasse ou d'un autre type d'avarie survenant plus tôt (par exemple un déchapage).
II. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION II-1. Câble de l'invention
Les termes "formule" ou "structure", lorsqu'ils sont utilisés dans la présente description pour décrire les câbles, se réfèrent simplement à la construction de ces câbles.
Le câble de l'invention est un câble multicouches comportant une âme (C0) de diamètre d0, une couche intermédiaire (C1) de 4 ou 5 fils (M = 4 ou 5) de diamètre d1 et une couche externe insaturée (C2) de N fils de diamètre d2, N étant inférieur de 1 à 3 au nombre maximal Nmax de fils enroulables en une couche unique autour de la couche C1.
Dans ce câble à couches de l'invention, le diamètre de l'âme et celui des fils des couches C1 et C2 , les pas d'hélice (donc les angles) et les sens d'enroulement des différentes couches sont définies par l'ensemble des caractéristiques ci-après (d0, d1, d2, p1 et p2 exprimés en mm):
  • (i) 0,08 < d0 < 0,28 ;
  • (ii) 0,15 < d1 < 0,28 ;
  • (iii) 0,12 < d2 < 0,25 ;
  • (iv) pour M = 4 : 0,40 < (d0 / d1) < 0,80 ; pour M = 5 : 0,70 < (d0/ d1) < 1,10 ;
  • (v) 4,8 π (d0 + d1) < p1 < p2 < 5,6 π (d0 + 2d1 + d2) ;
  • (vi) les fils des couches C1 et C2 sont enroulés dans le même sens de torsion.
Les caractéristiques (i) à (vi) ci-dessus, en combinaison, permettent d'obtenir à la fois:
  • des forces de contact suffisantes mais limitées entre C0 et C1, favorables à une usure réduite et une fatigue moindre des fils de la couche C1;
  • une usure par fretting réduite entre les fils des couches C1 et C2, ceci malgré la présence de pas différents (p1 ≠ p2) entre les deux couches C1 et C2.
  • grâce notamment à une optimisation du rapport des diamètres (d0/ d1) et des angles d'hélice que forment les fils des couches C1 et C2, une pénétration optimale du caoutchouc à travers les couches C1 et C2 et jusqu'au coeur C0 de ce dernier, assurant d'une part une très haute protection contre la corrosion ou son éventuelle propagation, d'autre part une désorganisation minimale du câble sous sollicitation en forte flexion.
Ainsi, grâce à sa structure spécifique, le câble de l'invention, déjà auto-fretté. ne nécessite généralement pas l'emploi d'un fil de frette externe autour de la couche C2 ; ceci résout avantageusement les problèmes d'usure entre le fil de frette et les fils de la couche la plus externe du câble.
Mais, bien entendu, le câble de l'invention pourrait aussi comporter une telle frette externe, constituée par exemple d'un (au moins un) fil unique enroulé en hélice autour de la couche externe C2, selon un pas d'hélice préférentiellement plus court que celui de la couche C2, et un sens d'enroulement opposé ou identique à celui de cette couche externe.
Afin de renforcer encore l'effet de frettage spécifique apportée par la couche C2, le câble de l'invention, en particulier lorsqu'il est dépourvu d'un tel fil de frette externe, vérifie de préférence la caractéristique (vii) ci-après: (vii)   5,0 π (d0 + d1) < p1 < p2 < 5,0 π (d0 + 2d1 + d2).
Les caractéristiques (v) et (vi) - pas p1 et p2 différents et couches C1 et C2 enroulés dans le même sens de torsion - font que, de manière connue, les fils des couches C1 et C2 sont essentiellement disposés selon deux couches cylindriques (i.e. tubulaires), adjacentes et concentriques. Par câbles à couches dites "tubulaires" ou "cylindriques", on entend ainsi des câbles constitués d'une âme (i.e., noyau ou partie centrale) et d'une ou plusieurs couches concentriques, chacune de forme tubulaire, disposée(s) autour de cette âme, de telle manière que, au moins dans le câble au repos, l'épaisseur de chaque couche est sensiblement égale au diamètre des fils qui la constituent ; il en résulte que la section transversale du câble a un contour ou enveloppe (notée E) qui est sensiblement circulaire, comme illustré par exemple sur la figure 1.
Les câbles à couches cylindriques ou tubulaires de l'invention ne doivent en particulier pas être confondus avec des câbles à couches dits "compacts", assemblages de fils enroulés au même pas et dans la même direction de torsion ; dans de tels câbles, la compacité est telle que pratiquement aucune couche distincte de fils n'est visible ; il en résulte que la section transversale de tels câbles a un contour (E) qui n'est plus circulaire, mais polygonal, comme illustré par exemple sur la figure 2.
La couche externe C2 est une couche tubulaire de N fils dite "insaturée" ou "incomplète", c'est-à-dire que, par définition, il existe suffisamment de place dans cette couche tubulaire C2 pour y ajouter au moins un (N+1)ème fil de diamètre d2, plusieurs des N fils se trouvant éventuellement au contact les uns des autres. Réciproquement, cette couche tubulaire C2 serait qualifiée de "saturée" ou "complète" s'il n'existait pas suffisamment de place dans cette couche pour y ajouter au moins un (N+1)ème fil de diamètre d2.
De préférence, le câble de l'invention est un câble à couches de construction notée [1+M+N], c'est-à-dire que son âme est constituée d'un seul fil, tel que représenté par exemple sur la figure 1 (câble noté C-I).
Cette figure 1 schématise une coupe perpendiculaire à l'axe (noté O) de l'âme et du câble, le câble étant supposé rectiligne et au repos. On voit que l'âme C0 (diamètre d0) est formée d'un fil unique ; elle est entourée et au contact d'une couche intermédiaire C1 de 5 fils de diamètre d1 enroulés ensemble en hélice selon un pas p1 ; cette couche C1, d'épaisseur sensiblement égale à d1, est elle-même entourée et au contact d'une couche externe C2 de 10 fils de diamètre d2 enroulés ensemble en hélice selon un pas p2, et donc d'épaisseur sensiblement égale à d2. Les fils enroulés autour de l'âme C0 sont ainsi disposés selon deux couches adjacentes et concentriques, tubulaires (couche C1 d'épaisseur sensiblement égale à d1, puis couche C2 d'épaisseur sensiblement égale à d2). On voit que les fils de la couche C1 ont leurs axes (notés O1) disposés pratiquement sur un premier cercle C1 représenté en pointillés, tandis que les fils de la couche C2 ont leurs axes (notés O2) disposés pratiquement sur un second cercle C2 , représenté également en pointillés.
Pour un compromis de résultats encore meilleur, vis-à-vis en particulier de la pénétrabilité du câble par le caoutchouc et des forces de contact entre les différentes couches, on préfère que la relation (vii) supra soit vérifiée, ceci que le câble de l'invention soit fretté ou non par un fil de frette externe.
Plus préférentiellement encore, pour ces mêmes raisons, le câble de l'invention vérifie la relation suivante: (viii)   5,3 π (d0 + d1) < p1 < p2 < 4,7 π (d0 + 2d1 + d2).
En décalant ainsi les pas et donc les angles de contact entre les fils de la couche C1 d'une part, et ceux de la couche C2 d'autre part, on a constaté qu'on améliorait encore la pénétrabilité du câble, en augmentant la surface des canaux de pénétration entre ces deux couches, tout en optimisant ses performances en fatigue-fretting.
On rappelle ici que, selon une définition connue, le pas représente la longueur, mesurée parallèlement à l'axe O du câble, au bout de laquelle un fil ayant ce pas effectue un tour complet autour de l'axe O du câble ; ainsi, si l'on sectionne l'axe O par deux plans perpendiculaires à l'axe O et séparés par une longueur égale au pas d'un fil d'une des deux couches C1 ou C2, l'axe de ce fil (O1 ou O2, respectivement) a dans ces deux plans la même position sur les deux cercles correspondant à la couche C1 ou C2 du fil considéré.
Dans le câble conforme à l'invention, un mode de réalisation préférentiel consiste à choisir les pas p1 et p2 compris dans un domaine de 5 à 15 mm, p1 étant notamment compris dans un domaine de 5 à 10 mm et p2 compris dans un domaine de 10 à 15 mm.
La relation suivante est plus préférentiellement vérifiée, en particulier lorsque le câble de l'invention est dépourvu de fil de frette externe: 6 < p1 < p2 < 14 .
Un mode de réalisation particulier et avantageux consiste alors à choisir p1 compris entre 6 et 10 mm et p2 compris entre 10 et 14 mm.
Dans le câble conforme à l'invention, tous les fils des couches C1 et C2 sont enroulés dans le même sens de torsion, c'est-à-dire soit dans la direction S (disposition "S/S"), soit dans la direction Z (disposition "Z/Z"). Une telle disposition des couches C1 et C2 est plutôt contraire aux constructions les plus classiques des câbles à couches [L+M+N], notamment ceux de construction [3+9+15], qui nécessitent le plus souvent un croisement des deux couches C1 et C2 (soit une disposition "S/Z" ou "Z/S") afin que les fils de la couche C2 viennent eux-mêmes fretter les fils de la couche C1. L'enroulement dans le même sens des couches C1 et C2 permet avantageusement, dans le câble conforme à l'invention, de minimiser les frottements entre ces deux couches C1 et C2 et donc l'usure des fils qui les constituent.
Dans le câble de l'invention, les rapports (d0/d1) doivent être fixés dans des limites déterminées, selon le nombre M (4 ou 5) de fils de la couche C1. Une valeur trop faible de ce rapport est préjudiciable à l'usure entre l'âme et les fils de la couche C1. Une valeur trop élevée nuit à la compacité du câble, pour un niveau de résistance en définitive peu modifié, ainsi qu'à sa flexibilité ; la rigidité accrue de l'âme due à un diamètre d0 trop élevé serait par ailleurs préjudiciable à la faisabilité elle-même du câble, lors des opérations de câblage.
Les fils des couches C1 et C2 peuvent avoir un diamètre identique ou différent d'une couche à l'autre ; on peut utiliser avantageusement des fils de même diamètre (d1 = d2), notamment pour simplifier le procédé de câblage et abaisser les coûts, comme représenté par exemple sur la figure 1.
Le nombre maximal Nmax de fils enroulables en une couche unique saturée autour de la couche C1 est bien entendu fonction de nombreux paramètres (diamètre d0 de l'âme, nombre M et diamètre d1 des fils de la couche C1, diamètre d2 des fils de la couche C2). A titre d'exemple, si Nmax est égal à 12, N peut alors varier de 9 à 11 (par exemple constructions [1+M+9], [1+M+10] ou [1+M+11]) ; si Nmax est par exemple égal à 11, N peut alors varier de 8 à 10 (par exemple constructions [1+M+8], [1+M+9] ou [1+M+10]).
De préférence, le nombre N de fils dans la couche C2 est inférieur de 1 à 2 au nombre maximal Nmax. Ceci permet dans la plupart des cas d'aménager un espace suffisant entre les fils pour que les compositions de caoutchouc puissent s'infiltrer entre les fils de la couche C2 et atteindre la couche C1. Ainsi, l'invention est de préférence mise en oeuvre avec un câble choisi parmi les câbles de structure [1+4+8], [1+4+9], [1+4+10], [1+5+9], [1+5+10] ou [1+5+11].
A titre d'exemples de câbles conformes à l'invention, on citera les câbles ayant les constructions suivantes et en particulier, parmi eux, les câbles préférentiels vérifiant au moins l'une des relations (vii) ou (viii) précitées:
  • [1+4+8] avec d0 = 0,100 mm et d1 = d2 = 0,200 mm;
  • [1+4+8] avec d0 = 0,120 mm et d1 = d2 = 0,225 mm;
  • [1+4+9] avec d0 = 0,120 mm et d1 = d2 = 0,200 mm;
  • [1+4+9] avec d0 = 0,150 mm et d1 = d2 = 0,225 mm;
  • [1+4+10] avec d0 = 0,120 mm et d1 = d2 = 0,175 mm;
  • [1+4+10] avec d0 = 0,150 mm et d1 = d2 = 0,225 mm;
  • [1+5+9] avec d0 = 0,150 mm et d1 = d2 = 0,175 mm;
  • [1+5+9] avec d0 = 0,175 mm et d1 = d2 = 0,200 mm;
  • [1+5+10] avec d0 = 0,150 mm et d1 = d2 = 0,175 mm;
  • [1+5+10] avec d0 = d1 = d2 = 0,200 mm;
  • [1+5+11] avec d0 = d2 = 0,200 mm ; d1 = 0,225 mm;
  • [1+5+11] avec d0 = 0,200 mm et d1 = d2 = 0,225 mm;
  • [1+5+11] avec d0 = d1 = d2 = 0,225 mm;
  • [1+5+11] avec d0 = 0,240 mm et d1 = d2 = 0,225 mm;
  • [1+5+11] avec d0 = d2 = 0,225 mm ; d1 = 0,260 mm.
On notera que, dans ces câbles, au moins deux couches sur trois (C0, C1, C2) contiennent des fils de diamètres (respectivement d0, d1, d2) identiques.
L'invention est préférentiellement mise en oeuvre, dans les armatures de carcasses des pneumatiques Poids-lourd, avec des câbles de structure [1+5+N], plus préférentiellement de structure [1+5+9], [1+5+10] ou [1+5+11]. Plus préférentiellement encore, on utilise des câbles de structure [1+5+10] ou [1+5+11].
Pour de tels câbles [1+5+N], un mode avantageux de réalisation de l'invention consiste à utiliser des fils de même diamètre pour l'âme et au moins une des couches C1 et C2, voire pour les deux couches (dans ce cas, d0 = d1 = d2), comme représenté par exemple à la figure 1.
Toutefois, pour augmenter encore la pénétrabilité du câble par le caoutchouc, les fils de la couche C1 peuvent être choisis de diamètre supérieur à ceux de la couche C2, par exemple dans un rapport (d1/d2) Préférentiellement compris entre 1,05 et 1,30.
Pour des raisons de résistance, de faisabilité et de coût industriels, on préfère que le diamètre d0 de l'âme soit compris entre 0,14 et 0,28 mm.
D'autre part, pour un meilleur compromis entre résistance, faisabilité et tenue en flexion du câble, d'une part, pénétrabilité par les compositions de caoutchouc d'autre part, on préfère que les diamètres des fils des couches C2 soient compris entre 0,15 et 0,25 mm.
Pour les armatures de carcasse de pneumatiques Poids-lourd. le diamètre d, est de préférence choisi inférieur ou égal à 0,26 mm et le diamètre d2 est de préférence supérieur à 0,17 mm. Un diamètre d, inférieur ou égal à 0,26 mm permet de réduire le niveau des contraintes subies par les fils lors des variations importantes de courbure des câbles, alors qu'on choisit de préférence des diamètres d2 supérieurs à 0,17 mm pour des raisons, notamment, de résistance des fils et de coût industriel; lorsque d1 et d2 sont choisis dans ces intervalles préférentiels, le diamètre d0 de l'âme est alors plus préférentiellement compris entre 0,14 et 0,25 mm.
L'invention peut être mise en oeuvre avec tout type de fils en acier, par exemple des fils en acier au carbone et/ou des fils en acier inoxydable tels que décrits par exemple dans les demandes EP-A-0 648 891 ou WO98/41682 précitées. On utilise de préférence un acier au carbone, mais il est bien entendu possible d'utiliser d'autres aciers ou d'autres alliages.
Lorsqu'un acier au carbone est utilisé, sa teneur en carbone (% en poids d'acier) est de préférence comprise entre 0,50% et 1,0%, plus préférentiellement entre 0,68% et 0,95% ; ces teneurs représentent un bon compromis entre les propriétés mécaniques requises pour le pneumatique et la faisabilité du fil. Il est à noter que dans les applications où les plus hautes résistances mécaniques ne sont pas nécessaires, on pourra utiliser avantageusement des aciers au carbone dont la teneur en carbone est comprise entre 0,50% et 0,68%, notamment varie de 0,55% à 0,60%, de tels aciers étant finalement moins coûteux car plus faciles à tréfiler. Un autre mode avantageux de réalisation de l'invention peut consister aussi, selon les applications visées, à utiliser des aciers à faible teneur en carbone, comprise par exemple entre 0,2% et 0,5%, en raison notamment d'un coût plus bas et d'une plus grande facilité de tréfilage.
Lorsque les câbles de l'invention sont utilisés pour renforcer les armatures de carcasse de pneumatiques pour véhicules industriels, leurs fils ont de préférence une résistance en traction supérieure à 2000 MPa, plus préférentiellement supérieure à 3000 MPa. Dans le cas de pneumatiques de très grosses dimensions, on choisira notamment des fils dont la résistance en traction est comprise entre 3000 MPa et 4000 MPa. L'homme du métier sait comment fabriquer par exemple des fils d'acier au carbone présentant une telle résistance, en ajustant notamment la teneur en carbone de l'acier et les taux d'écrouissage final (ε) de ces fils.
Le câble de l'invention peut comporter une frette externe, constituée par exemple d'un fil unique, métallique ou non, enroulé en hélice autour du câble selon un pas plus court que celui de la couche externe, et un sens d'enroulement opposé ou identique à celui de cette couche externe.
Cependant, grâce à sa structure spécifique, le câble de l'invention, déjà auto-fretté, ne nécessite généralement pas l'emploi d'un fil de frette externe, ce qui résout avantageusement les problèmes d'usure entre la frette et les fils de la couche la plus externe du câble.
Toutefois, si un fil de frette est utilisé, dans le cas général où les fils de la couche C2 sont en acier au carbone, on pourra alors avantageusement choisir un fil de frette en acier inoxydable afin de réduire l'usure par fretting de ces fils en acier au carbone au contact de la frette en acier inoxydable, comme enseigné par la demande WO98/41682 précitée, le fil en acier inoxydable pouvant être éventuellement remplacé, de manière équivalente, par un fil composite dont seule la peau est en acier inoxydable et le coeur en acier au carbone, tel que décrit par exemple dans la demande de brevet EP-A-0 976 541.
II-2. Tissu et pneumatique de l'invention
L'invention concerne également les pneumatiques destinés à des véhicules industriels, plus particulièrement les pneumatiques Poids-lourds ainsi que les tissus caoutchoutés utilisables comme nappes d'armature de carcasse de ces pneumatiques Poids-lourd.
A titre d'exemple, la figure 3 représente de manière schématique une coupe radiale d'un pneumatique Poids-lourd 1 à armature de carcasse radiale pouvant être conforme ou non à l'invention, dans cette représentation générale. Ce pneumatique 1 comporte un sommet 2, deux flancs 3 et deux bourrelets 4, chacun de ces bourrelets 4 étant renforcé avec une tringle 5. Le sommet 2, surmonté d'une bande de roulement (non représentée sur cette figure schématique) est de manière connue en soi renforcé par une armature de sommet 6 constituée par exemple d'au moins deux nappes croisées superposées, renforcées par des câbles métalliques connus. Une armature de carcasse 7 est enroulée autour des deux tringles 5 dans chaque bourrelet 4, le retournement 8 de cette armature 7 étant par exemple disposé vers l'extérieur du pneumatique 1 qui est ici représenté monté sur sa jante 9. L'armature de carcasse 7 est constituée d'au moins une nappe renforcée par des câbles dits "radiaux", c'est-à-dire que ces câbles sont disposés pratiquement parallèles les uns aux autres et s'étendent d'un bourrelet à l'autre de manière à former un angle compris entre 80° et 90° avec le plan circonférentiel médian (plan perpendiculaire à l'axe de rotation du pneumatique qui est situé à mi-distance des deux bourrelets 4 et passe par le milieu de l'armature de sommet 6).
Le pneumatique conforme à l'invention est caractérisé en ce que son armature de carcasse 7 comporte au moins une nappe de carcasse dont les câbles radiaux sont des câbles d'acier multicouches conformes à l'invention.
Dans cette nappe de carcasse, la densité des câbles conformes à l'invention est de préférence comprise entre 40 et 100 câbles par dm (décimètre) de nappe radiale, plus préférentiellement entre 50 et 80 câbles par dm, la distance entre deux câbles radiaux adjacents, d'axe en axe, étant ainsi de préférence comprise entre 1,0 et 2,5 mm, plus préférentiellement entre 1,25 et 2,0 mm. Les câbles conformes à l'invention sont de préférence disposés de telle manière que la largeur (notée "ℓ") du pont de caoutchouc, entre deux câbles adjacents, est comprise entre 0,35 et 1 mm. Cette largeur ℓ représente de manière connue la différence entre le pas de calandrage (pas de pose du câble dans le tissu de caoutchouc) et le diamètre du câble. En dessous de la valeur minimale indiquée, le pont de caoutchouc, trop étroit, risque de se dégrader mécaniquement lors du travail de la nappe, notamment au cours des déformations subies dans son propre plan par extension ou cisaillement. Au-delà du maximum indiqué, on s'expose à des risques d'apparition de défauts d'aspect sur les flancs des pneumatiques ou de pénétration d'objets, par perforation, entre les câbles. Plus préférentiellement, pour ces mêmes raisons. la largeur "ℓ" est choisie comprise entre 0,4 et 0,8 mm.
Les valeurs préconisées ci-dessus de densité des câbles, de distance entre câbles adjacents et de largeur "ℓ" de pont de caoutchouc sont celles mesurées tant sur le tissu tel quel à l'état cru (i.e., avant incorporation au pneumatique) que dans le pneumatique lui-même, dans ce dernier cas mesurées sous la tringle du pneumatique.
De préférence, la composition de caoutchouc utilisée pour le tissu de la nappe de carcasse présente, à l'état vulcanisé (i.e., après cuisson), un module sécant en extension M10 qui est inférieur à 8 MPa, plus préférentiellement compris entre 4 et 8 MPa. C'est dans un tel domaine de modules que l'on a enregistré le meilleur compromis d'endurance entre les câbles de l'invention d'une part, et les tissus renforcés de ces câbles d'autre part.
A titre d'exemple, pour la fabrication des pneumatiques de l'invention, on procède de la manière suivante. Les câbles à couches précédents sont incorporés par calandrage à un tissu caoutchouté formé d'une composition connue à base de caoutchouc naturel et de noir de carbone à titre de charge renforçante, utilisée conventionnellement pour la fabrication des nappes d'armature de carcasse des pneumatiques Poids-lourd radiaux. Les pneumatiques sont ensuite fabriqués de manière connue et sont tels que schématisés sur la figure 3, déjà commentée. Leur armature de carcasse radiale 7 est, à titre d'exemple, constituée d'une seule nappe radiale formée du tissu caoutchouté ci-dessus, les câbles radiaux de l'invention étant disposés selon un angle d'environ 90° avec le plan circonférentiel médian. Leur armature de sommet 6 est, de manière connue en soi, constituée de deux nappes de travail superposées croisées, renforcées de câbles métalliques inclinés de 22 degrés, ces deux nappes de travail étant recouvertes par une nappe sommet de protection renforcée de câbles métalliques "élastiques" (i.e., des câbles à haute élongation). Dans chacune de ces nappes d'armature de sommet, les câbles métalliques utilisés sont des câbles conventionnels connus, disposés sensiblement parallèlement les uns par rapport aux autres, et les angles d'inclinaison indiqués sont mesurés par rapport au plan circonférentiel médian.
III. EXEMPLES DE REALISATION DE L'INVENTION III-1. Nature et propriétés des fils utilisés
Pour la réalisation des exemples de câbles conformes ou non conformes à l'invention à l'invention, on utilise des fils fins en acier au carbone préparés selon des méthodes connues telles que décrites par exemple dans les demandes EP-A-0 648 891 ou WO98/41682 précitées, en partant de fils commerciaux dont le diamètre initial est d'environ 1 mm. L'acier utilisé est un acier au carbone connu (norme USA AISI 1069) dont la teneur en carbone est de 0,7% environ. comportant 0,5% de manganèse et 0,2% de silicium environ, le reste étant constitué de fer et des impuretés inévitables habituelles liées au procédé de fabrication de l'acier.
Les fils commerciaux de départ subissent d'abord un traitement connu de dégraissage et/ou décapage avant leur mise en oeuvre ultérieure. A ce stade, leur résistance à la rupture est égale à environ 1150 MPa, leur allongement à la rupture est d'environ 10%. On effectue ensuite sur chaque fil un dépôt de cuivre, puis un dépôt de zinc, par voie électrolytique à la température ambiante. et on chauffe ensuite thermiquement par effet Joule à 540°C pour obtenir du laiton par diffusion du cuivre et du zinc, le rapport pondéral (phase α) / (phase α + phase β) étant égal à environ 0,85. Aucun traitement thermique n'est effectué sur le fil après l'obtention du revêtement de laiton.
On effectue alors sur chaque fil un écrouissage dit "final" (i.e., mis en oeuvre après le dernier traitement thermique), par tréfilage à froid en milieu humide avec un lubrifiant de tréfilage qui se présente sous forme d'une émulsion dans de l'eau. Ce tréfilage humide est effectué de manière connue afin d'obtenir le taux d'écrouissage final (noté ε) calculé à partir du diamètre initial indiqué précédemment pour les fils commerciaux de départ.
Par définition, le taux d'un écrouissage noté ε est donné par la formule ε = Ln (Si / Sf), dans laquelle Ln est le logarithme népérien, Si représente la section initiale du fil avant cet écrouissage et Sf la section finale du fil après cet écrouissage.
En ajustant le taux d'écrouissage final, on prépare ainsi deux groupes de fils de diamètres différents, un premier groupe de fils de diamètre moyen  égal à environ 0,200 mm (ε = 3,2) pour les fils d'indice 1 (fils notés F1) et un second groupe de fils de diamètre moyen  égal à environ 0,175 mm (ε = 3,5) pour les fils d'indice 2 (fils notés F2).
Les fils en acier ainsi tréfilés ont les propriétés mécaniques indiquées dans le tableau 1.
Fils  (mm) Fm (N) At (%) Rm (MPa)
F1 0,200 82 1.8 2720
F2 0,175 62 2.1 2860
L'allongement At indiqué pour les fils est l'allongement total enregistré à la rupture du fil, c'est-à-dire intégrant à la fois la partie élastique de l'allongement (loi de Hooke) et la partie plastique de l'allongement.
Le revêtement de laiton qui entoure les fils a une épaisseur très faible, nettement inférieure au micromètre, par exemple de l'ordre de 0,15 à 0,30 µm, ce qui est négligeable par rapport au diamètre des fils en acier. Bien entendu, la composition de l'acier du fil en ses différents éléments (par exemple C, Mn, Si) est la même que celle de l'acier du fil de départ.
On rappelle que, lors du procédé de fabrication des fils, le revêtement de laiton facilite le tréfilage du fil, ainsi que le collage du fil avec le caoutchouc. Bien entendu, les fils pourraient être recouverts d'une fine couche métallique autre que du laiton, ayant par exemple pour fonction d'améliorer la résistance à la corrosion de ces fils et/ou leur adhésion au caoutchouc, par exemple une fine couche de Co. Ni, Zn, Al, d'un alliage de deux ou plus des composés Cu, Zn, Al, Ni, Co, Sn.
III-2. Réalisation des câbles
Les fils précédents sont ensuite assemblés sous forme de câbles à couches. de structure [1+5+10] pour le câble conforme à l'invention (câble noté C-I), de structure [1+6+12] pour le câble de l'art antérieur (câble noté C-II) ; les fils F1 sont utilisés pour former l'âme C0 de ces câbles C-I et C-II, ainsi que les couches C1 et C2 du câble C-I conforme à l'invention, tandis que les fils F2 sont utilisés pour former les couches C1 et C2 du câble témoin C-II.
Ces câbles sont fabriqués avec des dispositifs de câblage (câbleuse Barmag) et selon des procédés bien connus de l'homme du métier qui ne sont pas décrits ici pour la simplicité de l'exposé. Le câble C-II est réalisé en une seule opération de câblage (p1 = p2) alors que le câble C-I nécessite, en raison de pas p1 et p2 différents, deux opérations successives (fabrication d'un câble [1+5] puis câblage de la dernière couche autour de ce câble [1+5]), ces deux opérations pouvant avantageusement être réalisées en ligne à l'aide de deux câbleuses disposées en série.
Le câble C-I conforme à l'invention présente les caractéristiques suivantes:
  • structure [1+5+10]
  • d0 = d1 = d2 = 0,200 ;
  • (d0/ d1) = 1,00 ;
  • p1 = 8 (Z) ; p2 = 11 (Z).
Le câble C-II témoin présente les caractéristiques suivantes:
  • structure [1+6+12]
  • d0 = 0,200 ;
  • d1 = d2 = 0,175 ;
  • (d0/ d1) = 1,14 ;
  • p1 = 10 (Z) ; p2 = 10 (Z).
Quels que soient les câbles, les fils F2 des couches C1 et C2 sont enroulés dans le même sens de torsion (direction Z).
Les deux câbles testés sont dépourvus de frette et ont un diamètre d'environ 1,0 mm pour le câble C-I, d'environ 0,90 mm pour le câble C-II. L'âme de ces câbles a pour diamètre d0 le même diamètre que celui de son fil unique F1, pratiquement dépourvu de torsion sur lui-même.
Le câble de l'invention C-I est un câble à couches tubulaires tel que schématisé en coupe transversale sur la figure 1, déjà commentée précédemment. Il se distingue des câbles usuels de l'art antérieur notamment par le fait que ses couches intermédiaire C1 et externe C2 comportent, respectivement, un et deux fils en moins qu'un câble conventionnel saturé, et que ses pas p1 et p2 sont différents tout en vérifiant par ailleurs la relation (v) précitée. Dans ce câble C-I, N est inférieur de 2 au nombre maximal (ici Nmax = 12) de fils enroulables en une couche unique saturée autour de la couche C1.
Le câble témoin C-II est un câble à couches compact tel que schématisé sur la figure 2. On voit notamment sur cette coupe transversale de la figure 2 que le câble C-II, bien que de construction voisine, a en raison de son mode de câblage (fils enroulés dans le même sens et pas p1 et p2 égaux) une structure beaucoup plus compacte que celle du câble C-I ; il en résulte qu'aucune couche tubulaire de fils n'est visible pour ce câble, la section transversale de ce câble C-II ayant un contours E qui n'est plus circulaire mais hexagonal.
On note que le câble de l'invention C-I (M=5) vérifie bien les caractéristiques suivantes:
  • (i) 0,08 < d0 < 0,28 ;
  • (ii) 0,15 < d1 < 0,28 ;
  • (iii) 0,12 < d2 < 0,25 ;
  • (iv) pour M = 4 : 0,40 < (d0/ d1) < 0,80 ; pour M = 5 : 0,70 < (d0/ d1) < 1,10 ;
  • (v) 4,8 π (d0 + d1) < p1 < p2 < 5,6 π (d0 + 2d1 + d2) ;
  • (vi) les fils des couches C1 et C2 sont enroulés dans le même sens de torsion.
Ce câble C-I vérifie par ailleurs chacune des relations préférentielles suivantes:
  • d2 > 0,17 ;
  • d1 ≤ 0,26 ;
  • 0,14 < d0 < 0,25 ;
  • 6 < p1 < p2 < 14 .
Il vérifie en outre chacune des relations (vii) et (viii) supra.
Les propriétés mécaniques des câbles C-I et C-II sont indiquées dans le tableau 2 ci-après:
Câble Fm (N) At (%) Rm (MPa)
C-I 1250 2.6 2650
C-II 1255 2.8 2750
L'allongement At indiqué pour le câble est l'allongement total enregistré à la rupture du câble, c'est-à-dire intégrant à la fois la partie élastique de l'allongement (loi de Hooke), la partie plastique de l'allongement et la partie dite structurale de l'allongement inhérente à la géométrie spécifique du câble testé.
III-3. Tests d'endurance (test courroie)
Les câbles à couches précédents sont incorporés par calandrage à un tissu caoutchouté formé d'une composition connue à base de caoutchouc naturel et de noir de carbone à titre de charge renforçante, utilisée conventionnellement pour la fabrication des nappes d'armature de carcasse des pneumatiques Poids-lourd radiaux (module M10 égal à 6 MPa environ. après cuisson). Cette composition comporte essentiellement, en plus de l'élastomère et de la charge renforçante, un antioxydant, de l'acide stéarique, une huile d'extension, du naphténate de cobalt en tant que promoteur d'adhésion, enfin un système de vulcanisation (soufre. accélérateur, ZnO). Dans le tissu de caoutchouc, les câbles sont disposés parallèlement de manière connue, selon une densité de câbles de l'ordre de 63 câbles par dm (décimètre) de nappe. ce qui. compte tenu du diamètre des câbles, équivaut à une largeur "ℓ" des ponts de caoutchouc, entre deux câbles adjacents, d'environ 0,6 mm pour le câble de l'invention. d'environ 0,7 mm pour le câble témoin.
On fait subir aux tissus ainsi préparés le test courroie décrit au paragraphe I-3. Après fatigue, on réalise un décorticage c'est-à-dire une extraction des câbles hors des courroies. Les câbles sont alors soumis à des essais de traction, en mesurant à chaque fois la force-rupture résiduelle (câble extrait de la courroie après fatigue) de chaque type de fil, selon la position du fil dans le câble, et pour chacun des câbles testés, et en la comparant à la force-rupture initiale (câbles extraits des courroies neuves).
Les déchéances moyennes ΔFm sont données en % dans le tableau 3 ; elles sont calculées à la fois pour les fils d'âme (C0) et pour les fils des couches C1 et C2. Les déchéances ΔFm globales sont mesurées aussi sur les câbles eux-mêmes.
Câble ΔFm (%)
C0 C1 C2 Câble
C-I 14 11 7 8
C-II 26 19 10 14
A la lecture du tableau 3, on constate que, quelle que soit la zone du câble analysée (âme C0, couches C1 ou C2), les meilleurs résultats sont enregistrés sur le câble C-I conforme à l'invention. Si les déchéances ΔFm restent assez voisines en ce qui concerne la couche externe C2 (bien que plus faibles dans le câble selon l'invention), on note que plus on pénètre à l'intérieur du câble (couche C1 et âme C0), plus les écarts se creusent en faveur du câble conforme à l'invention ; les déchéances ΔFm de l'âme et de la couche C1 sont quasiment deux fois plus faibles dans le câble de l'invention. La déchéance globale du câble de l'invention est sensiblement inférieure à celle du câble témoin (8% au lieu de 14%).
Corrélativement aux résultats ci-dessus, un examen visuel des différents fils montre que les phénomènes d'usure ou fretting (érosion de matériel aux points de contact), qui résultent du frottement répété des fils entre eux, sont nettement réduits dans le câble C-I par rapport au câble C-II.
Ces résultats sont inattendus dans la mesure où l'homme du métier pouvait s'attendre au contraire à ce que le choix de pas d'hélice p1 et p2 différents dans le câble conforme à l'invention, et donc la présence d'angles de contact différents entre les couches C1 et C2 - qui ont pour effet de diminuer les surfaces de contact et donc d'augmenter les pressions de contact entre les fils des couches C1 et C2 - se traduisent au contraire par une augmentation du frottement et donc de l'usure entre les fils, et finalement pénalisent le câble selon l'invention. Il n'en est rien.
III-4. Tests de perméabilité à l'air
Les résultats d'endurance décrits précédemment apparaissent bien corrélés au taux de pénétrabilité des câbles par le caoutchouc, comme expliqué ci-après.
Les câbles C-I et C-II non fatigués (après extraction hors des courroies neuves) ont été soumis au test de perméabilité à l'air décrit au paragraphe I-2, en mesurant la quantité d'air traversant les câbles en 1 minute (moyenne de 10 mesures). Les indices de perméabilité Pa obtenus sont reportés dans le tableau 4 (en unités relatives) ; les valeurs indiquées correspondent à la moyenne de 10 prélèvements réalisés en des points différents des courroies, la base 100 étant retenue pour les câbles témoins C-II.
Câble Pa moyen
C-I 17
C-II 100
On note que le câble conforme à l'invention présente un indice de perméabilité à l'air Pa nettement plus bas (facteur 5 environ) que celui du témoin C-II, et en conséquence un taux de pénétration par le caoutchouc nettement plus élevé.
Sa construction spécifique rend possible, lors du moulage et/ou de la cuisson des pneumatiques, une migration quasiment complète du caoutchouc à l'intérieur de câble. jusqu'au coeur de ce dernier, sans formation de canaux vides. Le câble, ainsi rendu imperméable par le caoutchouc, se trouve protégé des flux d'oxygène et d'humidité qui transitent par exemple depuis les flancs ou la bande de roulement des pneumatiques vers les zones de l'armature de carcasse, où le câble de manière connue est soumis au travail mécanique le plus intense.
III-5. Autres câbles et tests d'endurance (test traction ondulée et test courroie)
Dans cette nouvelle série d'essais. on prépare trois câbles à couches, notés C-III à C-V, de construction [1+5+10], ces câbles étant conformes on non à l'invention, pour les soumettre au test de fatigue en traction ondulée (paragraphe I-4).
Ces câbles, préparés à partir des fils F1 précédemment décrits, ont les caractéristiques qui suivent.
  • Câble C-III (conforme à l'invention):
    • structure [1+5+10]
    • d0 = d1 = d2 = 0,200 ;
    • (d0/ d1) = 1,00 ;
    • p1 = 8 (S) ; p2 = 11 (S).
  • Câble C-IV (témoin):
    • structure [ 1+5+10]
    • d0 = d1 = d2 = 0,200 ;
    • (d0/ d1) = 1,00 ;
    • p1 = 5,5 (S) ; p2 = 11 (S).
  • Câble C-V (témoin):
    • structure [1+5+10]
    • d0 = d1 = d2 = 0,200 ;
    • (d0/ d1) = 1,00 ;
    • p1 = 7,5 (S) ; p2 = 15 (S).
Le câble C-III a une construction similaire à celle du câble C-I précédemment testé.
Des câbles de structure [1+5+10] proche ou similaire à celle des câbles témoin C-IV ou C-V ci-dessus, se caractérisant entre autres par un pas p2 double du pas p1, sont connus de l'homme du métier ; ils ont par exemple été décrits dans les demandes EP-A-0 675 223 ou EP-A-0 744 490 précitées. Ces câbles connus ne vérifient pas l'ensemble des caractéristiques (i) à (vi) des câbles de l'invention, en particulier la caractéristique essentielle (v) relative au décalage entre les pas p1 et p2.
Aucun des trois câbles testés ne comporte de frette. Leurs propriétés sont celles indiquées dans le tableau 5 ci-dessous:
Câble Fm (N) At (%) Rm (MPa)
C-III 1234 2.4 2560
C-IV 1213 2.3 2530
C-V 1220 2.0 2545
Ces trois câbles ont donc des constructions et des propriétés mécaniques à la rupture qui sont très voisines : dans les trois cas, N est inférieur de 2 au nombre maximal (ici Nmax = 12) de fils enroulables en une couche unique saturée autour de la couche C1 ; ils ont tous une construction à couches tubulaires comme illustré à la figure 1 ; les pas p1 et p2 sont différents dans chaque câble.
Cependant, seul le câble C-III vérifie la relation (v) précitée, ainsi que les caractéristiques préférentielles des relations (vii) et (viii).
Au test de fatigue en traction ondulée, ces trois câbles ont donné les résultats du tableau 6 ; σd y est exprimée en MPa ainsi qu'en unités relatives (u.r.), la base 100 étant retenue pour le câble de l'invention C-III.
Câble σd (MPa) σd (u.r.)
C-III 655 100
C-IV 600 92
C-V 565 86
On note que, malgré des constructions très proches, le câble de l'invention C-III se distingue par une endurance en fatigue sensiblement supérieure à celle des câbles témoins, en particulier à celle du câble témoin C-IV dont il faut noter que seul le pas p1 diffère (5,5 mm au lieu de 8 mm).
Les trois câbles de cet essai ont été par ailleurs soumis au test courroie précédemment appliqué aux câbles C-I et C-II (paragraphe III-4). Ils ont tous montré une très bonne performance, proche en termes de déchéance globale du câble (ΔFm au plus égale à 10%). Toutefois, c'est sur le câble de l'invention que l'on a enregistré l'usure moyenne la plus faible pour les fils de la couche périphérique C2 ; ce résultat amélioré doit être souligné car, dans ce type de câble, c'est bien la couche C2 qui comporte le plus grand nombre de fils et donc supporte l'essentiel de la charge.
En résumé, l'endurance globalement améliorée du câble de l'invention C-III, comparée aux câbles témoin C-IV et C-V de constructions très proches, doit être attribuée ici, en premier lieu, à une optimisation des rapports des angles d'hélice (écart entre les pas p1 et p2) que forment les fils des couches C1 et C2. Grâce à cela, est obtenu un compromis de résultats encore meilleur vis-à-vis d'une part de la pénétrabilité du câble par le caoutchouc et des forces de contact entre les différentes couches.
III-6. Endurance en pneumatique
On réalise ici un essai de roulage sur des pneumatiques Poids-lourd destinés à être montés sur une jante à sièges plats, de dimension 12.00 R 20 XZE.
Tous les pneus testés sont identiques, à l'exception des câbles à couches qui renforcent leur armature de carcasse 7 (voir figure 3).
Les câbles utilisés pour l'armature de carcasse 7 ont les caractéristiques qui suivent :
  • Câble C-VI (conforme à l'invention - 17 fils + 1 fil de frette):
    • structure [1+5+11]
    • d0 = d2 = 0,230 ;
    • d1 = 0,260 ;
    • (d0/ d1) = 0,88 ;
    • p1 = 7,5 (S) ; p2 = 15 (S).
  • Câble C-VII (témoin - 27 fils + 1 fil de frette):
    • structure [3+9+15]
    • d0 = d1 = d2 = 0,230 ;
    • p0 = 6,5 (S) ; p1 = 12,5 (S) ; p2 = 18,0 (Z).
Le câble de l'invention C-VI est constitué d'un fil d'âme de diamètre 0,23 mm, entouré d'une couche intermédiaire de 5 fils enroulés ensemble en hélice (direction S) selon un pas de 7,5 mm, elle-même entourée d'une couche externe de 11 fils eux-mêmes enroulés ensemble en hélice (direction S) selon un pas de 15 mm. Ce câble C-VI est fretté par un fil unique de diamètre 0,15 mm (Rm = 2800 MPa) enroulé en hélice (direction Z) selon un pas de 5 mm. Dans ce câble conforme à l'invention, N est inférieur de 1 au nombre maximal (ici Nmax = 12) de fils enroulables en une couche unique saturée autour de la couche C1. Il vérifie la relation (v) sans toutefois vérifier les relations préférentielles (vii) et (viii). Pour augmenter encore sa pénétrabilité par le caoutchouc, les fils de la couche C1 ont été choisis de diamètre supérieur à ceux de la couche C2 dans un rapport (d1/d2) préférentiel compris entre 1,10 et 1,20. Le diamètre du câble (encombrement total) est égal à environ 1,49 mm.
A l'exception du fil de frette (acier à 0,7% de carbone), tous les fils du câble C-VI, notés F3 et F4 dans le tableau 7 ci-après, ont été réalisés à partir d'un acier à plus haut taux de carbone (0,82% au lieu de 0,71% pour le câble témoin) pour compenser, en partie, la diminution du nombre de fils par une augmentation de résistance de l'acier.
Le câble C-VII a été choisi comme témoin pour cet essai de roulage, en raison de ses performances reconnues par l'homme du métier pour le renforcement des pneumatiques Poids-lourd de grandes dimensions. Des câbles de structure identique ou similaire ont par exemple été décrits dans les demandes précitées EP-A-0 497 612, EP-A-0 669 421, EP-A-0 675 223, EP-A-0 709 236 ou encore EP-A-0 779 390, pour illustrer l'art antérieur dans ce domaine. Le câble C-VII est constitué de 27 fils (notés F5 dans le tableau 7) de même diamètre 0,23 mm, avec une âme de 3 fils enroulés ensemble en hélice (direction S) selon un pas de 6,5 mm, cette âme étant entourée d'une couche intermédiaire de 9 fils eux-mêmes enroulés ensemble en hélice (direction S) selon un pas de 12,5 mm, elle-même entourée d'une couche externe de 15 fils eux-mêmes enroulés ensemble en hélice (direction Z) selon un pas de 18,0 mm. Ce câble C-VII est fretté par un fil unique de diamètre 0,15 mm (Rm = 2800 MPa) enroulé en hélice (direction S) selon un pas de 3,5 mm. Son diamètre (encombrement total) est égal à environ 1,65 mm.
Les fils F3, F4 et F5 sont des fils laitonnés, préparés de manière connue comme indiqué précédemment au paragraphe III-1 pour les fils F1 F2. Les deux câbles testés et leurs fils constitutifs ont les propriétés mécaniques indiquées dans le tableau 7.
Fil ou Câble  (mm) Fm (N) At (%) Rm (MPa)
F3 0.23 125 1.8 3100
F4 0.26 165 1.8 3070
F5 0.23 115 1.8 2840
C-VI 1.49 2195 2.8 2830
C-VII 1.65 2870 2.7 2580
L'armature de carcasse 7 des pneumatiques testés est constituée d'une seule nappe radiale formée des tissus caoutchoutés du même type que ceux utilisés précédemment pour le test courroie (paragraphe III-3 précédent) : composition à base de caoutchouc naturel et de noir de carbone, présentant un module M10 de 6 MPa environ.
L'armature 7 est renforcée soit par les câbles conformes à l'invention (C-VI), soit par les câbles témoins (notés C-VII). Le tissu conforme à l'invention comporte environ 53 câbles par dm de nappe, ce qui équivaut à une distance entre deux câbles radiaux adjacents, d'axe en axe, d'environ 1,9 mm et à une largeur ℓ de pont de gomme égale à environ 0,41 mm. Le tissu témoin comporte environ 45 câbles par dm de nappe, ce qui équivaut à une distance entre deux câbles radiaux adjacents, d'axe en axe, d'environ 2,2 mm et à une largeur ℓ égale à environ 0,55 mm.
La masse de métal, dans l'armature de carcasse du pneumatique conforme à l'invention est ainsi réduite de 23% par rapport au pneumatique témoin, ce qui constitue un allègement très sensible. Corrélativement, grâce à l'emploi d'un acier type "HR" (0,82% carbone) pour les fils du câble C-VI, la diminution de résistance du tissu conforme à l'invention n'est réduite que de 13% environ.
Quant à l'armature de sommet 6, elle est de manière connue constituée de (i) deux nappes de travail superposées croisées, renforcées de câbles métalliques inclinés de 22 degrés, ces deux nappes de travail étant recouvertes par (ii) une nappe sommet de protection renforcée de câbles métalliques élastiques inclinés de 22 degrés. Dans chacune de ces nappes d'armature sommet, les câbles métalliques utilisés sont des câbles conventionnels connus, disposés sensiblement parallèlement les uns par rapport aux autres, et tous les angles d'inclinaison indiqués sont mesurés par rapport au plan circonférentiel médian.
Une série de deux pneumatiques (notés P-1) a été renforcée par le câble C-VI, une autre série de deux pneumatiques (notés P-2) a été renforcée par le câble témoin C-VII. Dans chaque série, un pneumatique est destiné au roulage, l'autre au décorticage sur pneumatique neuf. Les pneumatiques P-1 constituent donc la série conforme à l'invention, les pneumatiques P-2 la série témoin.
On fait subir à ces pneumatiques un test de roulage sévère tel que décrit au paragraphe 1-5, avec un total de 150 000 km parcourus. La distance imposée à chaque type de pneumatique est très élevée ; elle équivaut à un roulage en continu d'une durée de trois mois environ et à 50 millions de cycles de fatigue.
Malgré ces conditions de roulage très sévères, les deux pneumatiques testés roulent sans dommage jusqu'au bout du test, en particulier sans rupture des câbles de la nappe de carcasse; ceci illustre notamment pour l'homme du métier la performance élevée des deux types de pneumatiques, y compris des pneumatiques témoins.
Après roulage, on réalise un décorticage c'est-à-dire une extraction des câbles hors des pneumatiques. Les câbles sont alors soumis à des essais de traction, en mesurant à chaque fois la force-rupture initiale (câble extrait du pneumatique neuf) et la force-rupture résiduelle (câble extrait du pneumatique ayant roulé) de chaque type de fil, selon la position du fil dans le câble. et pour chacun des câbles testés. La déchéance moyenne ΔFm donnée en % dans le tableau 8, est calculée à la fois pour les fils d'âme (C0) et pour les fils des couches C1 et C2. Les déchéances ΔFm globales sont également mesurées sur les câbles eux-mêmes.
Câble ΔFm (%)
C0 C1 C2 Câble
C-VI 7 11 18 15
C-VII 7 22 16 17
A la lecture du tableau 8, on constate que l'armature de carcasse du pneumatique conforme à l'invention, bien que très sensiblement allégée, ainsi que les câbles métalliques de l'invention qui la renforcent, bien que nettement plus petits, présentent une endurance globale équivalente à celle de la solution témoin, avec de surcroít un autre avantage de l'invention résidant dans une usure moindre (moitié moins) des fils de la couche C1 ; cette usure moindre des fils de la couche C1 est vraisemblablement due à la construction optimisée du câble de l'invention, à savoir un enroulement dans le même sens (ici S/S) des couches C1 et C2, contrairement à la construction croisée (S/Z) des couches C1 et C2 du câble témoin.
Les câbles C-VI et C-VII non fatigués (après extraction hors des pneus neufs) ont été soumis par ailleurs au test de perméabilité à l'air (paragraphe I-2). Les résultats du tableau 9 soulignent clairement, si besoin était, la supériorité du câble de l'invention ; les indices de perméabilité Pa sont exprimés en unités relatives, la base 100 étant inchangée par rapport au tableau 4 précédent (base 100 pour le câble témoin C-II).
Câble Pa moyen
C-VI 1
C-VII > 370
En conclusion, comme le démontrent clairement les différents essais qui précèdent, les câbles de l'invention permettent de réduire de manière notable les phénomènes de fatigue-fretting-corrosion dans les armatures de carcasse des pneumatiques, en particulier des pneumatiques Poids-lourd, et d'améliorer ainsi la longévité de ces armatures et pneumatiques.
Ainsi, à durée de vie équivalente, l'invention permet de réduire la taille des câbles et ainsi d'alléger ces armatures de carcasse et ces pneumatiques.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation précédemment décrits.
C'est ainsi par exemple que l'âme C0 des câbles de l'invention pourrait être constituée d'un fil à section non circulaire, par exemple déformé plastiquement, notamment un fil de section sensiblement ovale ou polygonale, par exemple triangulaire, carrée ou encore rectangulaire ; l'âme C0 pourrait aussi être constituée d'un fil préformé, de section circulaire ou non, par exemple un fil ondulé, vrillé, tordu en forme d'hélice ou en zig-zag. Dans de tels cas, il faut bien sûr comprendre que le diamètre do de l'âme représente le diamètre du cylindre de révolution imaginaire qui entoure le fil d'âme (diamètre d'encombrement), et non plus le diamètre (ou toute autre taille transversale, si sa section n'est pas circulaire) du fil d'âme lui-même. Il en serait de même si l'âme C0 était formée non pas d'un seul fil comme dans les exemples précédents, mais de plusieurs fils assemblés entre eux, par exemple de deux fils disposés parallèlement l'un à l'autre ou bien tordus ensemble, dans une direction de torsion identique ou non à celle de la couche intermédiaire C1.
Pour des raisons de faisabilité industrielle, de coût et de performance globale, on préfère toutefois mettre en oeuvre l'invention avec un seul fil d'âme linéaire conventionnel, de section circulaire.
D'autre part, le fil d'âme étant moins sollicité lors de l'opération de câblage que les autres fils, compte tenu de sa position dans le câble, il n'est pas nécessaire pour ce fil d'employer par exemple des compositions d'acier offrant une ductilité en torsion élevée ; on pourra avantageusement utiliser tout type d'acier, par exemple un acier inoxydable, afin d'aboutir par exemple à un câble d'acier hybride [1+5+10] ou [1+5+11], comme enseigné dans la demande WO98/41682 précitée, comportant un fil en acier inoxydable au centre et 15 ou 16 fils en acier au carbone autour.
Bien entendu, un (au moins un) fil linéaire d'une des deux couches C1 et/ou C2 pourrait lui aussi être remplacé par un fil préformé ou déformé, ou plus généralement par un fil de section différente de celle des autres fils de diamètre d1 et/ou d2, de manière par exemple à améliorer encore la pénétrabilité du câble par le caoutchouc ou toute autre matière, le diamètre d'encombrement de ce fil de remplacement pouvant être inférieur, égal ou supérieur au diamètre (d1 et/ou d2) des autres fils constitutifs de la couche (C1 et/ou C2) concernée.
Sans que l'esprit de l'invention soit modifié, tout ou partie des fils constituant le câble conforme à l'invention pourrait être constitué de fils autres que des fils en acier, métalliques ou non, notamment de fils en matière minérale ou organique à haute résistance mécanique, par exemple des monofilaments en polymères organiques cristaux liquides tels que décrits dans la demande WO92/12018.
L'invention concerne également tout câble d'acier multitorons ("multi-strand rope") dont la structure incorpore au moins, en tant que toron élémentaire, un câble à couches conforme à l'invention.

Claims (26)

  1. Câble multicouches à couche externe insaturée, utilisable comme élément de renforcement d'une armature de carcasse de pneumatique, comportant une âme (notée C0) de diamètre d0 entourée d'une couche intermédiaire (notée C1) de quatre ou cinq fils (M = 4 ou 5) de diamètre d1 enroulés ensemble en hélice selon un pas p1, cette couche C1 étant elle-même entourée d'une couche externe (notée C2) de N fils de diamètre d2 enroulés ensemble en hélice selon un pas p2, N étant inférieur de 1 à 3 au nombre maximal Nmax de fils enroulables en une couche autour de la couche C1, ce câble étant caractérisé en ce qu'il présente les caractéristiques suivantes (d0, d1, d2, p1 et p2 en mm):
    (i) 0,08 < d0 < 0,28 ;
    (ii) 0,15 < d1 < 0,28 ;
    (iii) 0,12 < d2 < 0,25 ;
    (iv) pour M = 4 : 0,40 < (d0/ d1) < 0,80 ; pour M = 5 : 0,70 < (d0/ d1) < 1,10 ;
    (v) 4,8 π (d0 + d1) < p1 < p2 < 5,6 π (d0 + 2d1 + d2) ;
    (vi) les fils des couches C1 et C2 sont enroulés dans le même sens de torsion.
  2. Câble selon la revendication 1, de construction [1+M+N], dont l'âme est constituée d'un seul fil.
  3. Câble selon la revendication 2, choisi parmi les câbles de constructions [1+4+8], [1+4+9], [1+4+10], [1+5+9], [1+5+10] et [1+5+11].
  4. Câble selon les revendications 2 ou 3, de construction [1+5+N].
  5. Câble selon la revendication 4, de construction [1+5+10] ou [1+5+11].
  6. Câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les pas p1 et p2 sont compris dans un domaine de 5 à 15 mm.
  7. Câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, vérifiant la relation suivante: 0,15 < d2 < 0,25 .
  8. Câble selon la revendication 7, vérifiant les relations suivantes:
    0,14 < d0 < 0,25 ;
    d2 > 0,17 ;
    d1 ≤ 0,26.
  9. Câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il s'agit d'un câble d'acier.
  10. Câble selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'acier est un acier au carbone.
  11. Câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, vérifiant la relation: 5.0 π (d0 + d1) < p1 < p2 < 5,0 π (d0 + 2d1 + d2).
  12. Câble selon la revendication 11, vérifiant la relation: 5,3 π (d0 + d1) < p1 < p2 < 4,7 π (d0 + 2d1 + d2).
  13. Câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel le rapport (d1/d2) est compris entre 1,05 et 1,30.
  14. Câble selon la revendication 13, dans lequel le rapport (d1/d2) est compris entre 1,10 et 1,20.
  15. Utilisation d'un câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 14 comme élément de renforcement d'articles ou de produits semi-finis en matière plastique et/ou en caoutchouc.
  16. Utilisation d'un câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 14 comme élément de renforcement d'une armature de carcasse de pneumatique destiné à des véhicules industriels choisis parmi camionnettes, Poids-lourds, engins agricoles ou de génie civil, avions, autres véhicules de transport ou de manutention.
  17. Pneumatique Poids-lourd dont l'armature de carcasse comporte un câble conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 14.
  18. Tissu composite utilisable comme nappe d'armature de carcasse de pneumatique Poids-lourd, comportant une matrice de composition de caoutchouc renforcée d'un câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 14.
  19. Tissu selon la revendication 18, sa densité de câbles étant comprise entre 40 et 100 câbles par dm de tissu.
  20. Tissu selon la revendication 19, la densité de câbles étant comprise entre 50 et 80 câbles par dm de tissu.
  21. Tissu selon l'une quelconque des revendications 18 à 20, la largeur notée ℓ du pont de composition de caoutchouc, entre deux câbles adjacents, étant comprise entre 0,35 et 1 mm.
  22. Tissu selon la revendication 21, la largeur ℓ étant comprise entre 0,4 et 0,8 mm.
  23. Tissu selon l'une que conque des revendications 18 à 22, la composition de caoutchouc présentant, à l'état vulcanisé, un module sécant en extension M10 qui est inférieur à 8 MPa.
  24. Tissu selon la revendication 23, la composition de caoutchouc présentant, à l'état vulcanisé, un module M10 compris entre 4 et 8 MPa.
  25. Tissu selon l'une quelconque des revendications 18 à 24, le caoutchouc étant du caoutchouc naturel.
  26. Pneumatique Poids-lourd dont l'armature de carcasse comporte, à titre de nappe renforçante, au moins un tissu selon l'une quelconque des revendications 18 à 25.
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