JP4326952B2 - タイヤのカーカス補強体に使用できる金属ケーブル - Google Patents
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Description
重車両用タイヤの走行によりカーカス補強体を備えたケーブルに座屈応力が生じるとき、更にはこの走行が低圧力またはゼロ圧力で行なわれるときは、経験から、これらのケーブルが大きく曲げられるため座屈しかつ開いてしまい易く、当業者が「バードケージ(bird cage)」と呼ぶ状態が形成されることが知られている。この場合、これらのケーブルは早期に破壊され、従って重車両用タイヤが「フラット」走行するときの耐久限度が決定される。
一般にラッピングワイヤは、ケーブルのワイヤの材料(すなわち、パーライトスチール)と同じ金属材料で形成される。
この形式の金属ラッピングはケーブルの圧縮強度および座屈強度を改善するが、前記ケーブルの最外ワイヤのフレッチングにより多量の摩耗を引起こすことが知られている。フレッチングによるこの摩耗は、ラッピングされないケーブル(非ラッピングケーブル)と比較してケーブルの耐久性の相対劣化を引起こし、このため、これらのケーブルが組込まれたタイヤがフラット走行するときに耐久性に悪影響を及ぼす。
これは、ケーブルのワイヤの性質とは異なる性質をもつ従来のラッピングケーブルが試験された場合に、これらのラッピングケーブルが、フレッチングによるこの摩耗を最小にできると同時に、満足できる圧縮強度および座屈強度をケーブルに付与することによる。
特許文献2には、ラップのフレッチングによる摩耗を低減させるためのタイヤ用のラップ型金属ケーブルが開示されている。このケーブルは多層型であり、使用されるラップは、プラスチック材料、ゴム、または金属/プラスチック材料または金属/ゴム配合物で作られた扁平断面をもつスレッドで形成されている。
特許文献3には、ラップとケーブルの外側層との接触による腐食および摩耗を低減させるため、ホット状態で収縮する非金属ラップが設けられた金属ケーブルが開示されている。このラップは、ポリアミドまたはポリエステルで形成できる。
特許文献4には、1本以上のケーブルで形成された非金属ラップが設けられたスチールケーブルが開示されている。このラップは、テクスタイルであるか否かを問わず、ナイロン(R)、ポリエチレン、ポリウレタン、レーヨン、ガラス繊維、カーボン繊維およびKevlar(R)の商標をもつ芳香族ポリアミドからなるポリマー系統の中から選択できる。
特許文献6には、ゴムへのこのケーブルの満足できる接着力を付与するラップが設けられかつプライの分離に対する優れた耐久性が得られるタイヤのクラウンプライ用金属ケーブルが開示されている。このラップは、単一スレッド、複数のスレッドまたはストリップで形成され、かつ上記接着力を最適化するためナイロン(R)、レーヨンまたはコットンで作るのが好ましく、或いはポリビニルアルコール(PVA)またはポリエステルで作ることもできる。
テクスタイルラップが設けられたこれらのケーブルの1つの欠点は、特に金属ラップが設けられたケーブルで得られる耐久性と比較して、フラットタイヤで走行するときに、カーカス補強体が設けられた重車両用タイヤのようなタイヤで得られる耐久性が比較的小さいことにある。
本発明による、ラップされたケーブル(ラップ型ケーブル)は、重車両用タイヤのカーカス補強体の補強要素として使用されるのが有利である。
本発明によるラップを得るのに使用される出発ポリマーは、溶融状態で紡ぐことができる任意のサーモトロピック芳香族ポリエステルまたはポリエステルアミド(すなわち、溶融状態で液晶形態にある)である。
上記準備が光学的異方性であるとき、すなわち交差するリニア偏光子と分析器との間に置かれたときに偏光減少する場合(この場合には、幾分かの着色テクスチャを伝達する光を伝える)には、試験されたポリマーはサーモトロピックであるといわれる。
逆に、同じ観察条件下で前記準備が光学的に等方性でありかつこの偏光減少(depolarisation)の特性をもたない場合(顕微鏡の視野が暗くなっている)には、試験されたポリマーはサーモトロピックではない。
例えば、特許明細書(上記特許文献7〜24参照)を参照されたい。
好ましくは、本質的に(A)6−オキシ−2−ナフトイルおよび(B)4−オキシベンゾイルの再帰ユニット(recurrent units)を有し、モル比A/Bが10:90〜90:10、好ましくは20:80〜30:70の範囲内にある特定のサーモトロピック芳香族ポリエステルを使用する。
このサーモトロピック芳香族ポリエステルは、特に、27:73に等しいモル比をもつものがHoechst Celanese社から「VECTRA」の名称で販売されておりかつ文献(上記特許文献25参照)において説明されている。
これは、p−ヒドロキシ安息香酸と6−ヒドロキシ−2−ナフトエ酸との共重合により得られ、これらの2つの酸は置換できる。これは融点が比較的低いことから、既知の態様で、耐熱性、耐薬品性、作業容易性および紡績適合性に関して優れた特性妥協性を有している。
・互いに平行な小さい直径をもつ素フィラメント(elementary filament)で形成されたマルチフィラメント繊維、
・一緒に撚られるこのような素フィラメントの大きさに基いたスパンヤーン(例えば、各々が約10ミクロンに近い直径をもつ約100本の素フィラメントに基いたスパンヤーン)、または
・単一モノフィラメント
をも意味する。
「モノフィラメント(monofilament)」とは、単位フィラメントを意味するものと理解されたい。単位フィラメントの直径D(すなわち、フィラメントの横断面が円形でないときは横断面の最小横寸法)は少なくとも40μm(1.7texの最小線密度)に等しい。従って、この定義は、本質的に円筒状(すなわち円形断面)モノフィラメント、楕円形モノフィラメントおよび扁平状モノフィラメントも等しくカバーし、厚さDのバンドまたはフィルムをもカバーする。
紡績により、また任意の後・縮重合熱処理(この処理により、出発ポリマーの重合度を高めることおよびモノフィラメントの靭性を高めることができる)によりこのようなモノフィラメントを得るための一般的な条件については、文献(上記特許文献26および27参照)を参照されたい。原紡績(「紡績されたまま(as-spun)」)の状態では、このモノフィラメントは、熱いときに収縮しない特性を有し、これは、関係ΔL≧0で表される。ここで、ΔLは、0.2cN/texの初期張力下で、2分後の235±5℃での長さ変化(%)を表す。この温度による長さ変化の測定条件についても、上記特許文献27を参照されたい。下記の全ての機械的特性は、コンディショニングの前、すなわち測定前(乾燥後)の貯蔵を受けたモノフィラメントについて、欧州規格DIN EN 20139(20±2℃および65±2%の相対湿度)に従って標準気圧で少なくとも24時間に亘って測定される。
モノフィラメントの線密度は少なくとも3つの試料(各試料は50mの長さに等しい)について、この長さのモノフィラメントの重量を測定することにより決定される。線密度はtex(texとは1000mのモノフィラメントのグラムでの重量。注;0.111texが1デニールに等しい)で与えられる。
靭性(破断荷重を線密度で除したもの)および初期モジュラスは、cN/tex(注:1cN/tex=0.11g/den)で表示される。初期モジュラスは、0.5cN/texの標準初期張力を加えた直後に生じる力−伸び曲線の直線部の勾配として定義される。破断時の伸びは、パーセンテージ(%)で表示される。
モノフィラメントの直径Dは、次式に従って、モノフィラメントの線密度および密度からの計算により決定される。
本発明によるケーブルに使用されるラップは、0.08〜0.40mmの直径すなわち厚さを有することが好ましい。
本発明によるラップは、50texより小さい線密度、好ましくは30texより小さい線密度を有する。
また、このラップは、180cN/texより大きい靭性、3500cN/texより大きい初期モジュラス、および2.5%より大きい破断時での伸びを有することが好ましい。
この高い初期モジュラスは、本発明によるケーブルに優れたラッピング機能を確保できること、およびこの高い靭性は、前記ケーブルの直径と比較してラップに小さい直径を意地することを可能にすることに留意すべきである。
また、本発明によるケーブルのラップは、好ましくは、前記外面上に3〜5.5mmのピッチで螺旋状に巻回される。
本発明によるラップには、ケーブル(各ケーブルにはこのラップが設けられている)に結合されることを意図したゴム配合物への接着を可能にするためのサイジング処理を施こすのが有利である。
このケーブルは、内側層またはコアを有し、該内側層またはコアは単一の真直ワイヤまたは同一または異なる直径を有しかつ互いに平行であるか所与のピッチで螺旋状に一緒に巻回される複数のワイヤで形成され、この内側層は、同一または異なる直径を有しかつ他の所与のピッチで螺旋状に一緒に巻回されるワイヤで形成された金属外側層で包囲され、内側層と外側層との間には中間層を設けることは任意であり、本発明によるラップは、外側層のラップの巻回方向と同一または反対方向で外側層上に巻回される。
かくして、このような多層ケーブルは、例えば公式(L+M)または(L+M+N)に一致し、かつL本のワイヤ(単一または複数)からなるコアで形成され、該コアはM本のワイヤからなる少なくとも1つの層により包囲され、該層自体はN本のワイヤからなる外側層により包囲することができる。一般に、Lは1〜4、Mは3〜12、Nは8〜20の範囲で変化する。
既知のケーブリング技術により組立てられるこのような多層ケーブルは、非常に多くの刊行物において開示されている。特に文献(上記特許文献28〜53参照)および文献(上記非特許文献1および2参照)を参照されたい。
例えば、これらに限定するものではないが、公式のケーブルとして下記のものに留意されたい。
(1+5)、(1+6)、(1+5+10)、(1+5+11)、(1+5+12)、(1+6+10)、(1+6+11)、(1+6+12)、(1+7+11)、(1+7+12)、(1+7+13)、
本発明の好ましい他の実施例によれば、これらの多層ケーブルは、上記公式(L+M)または(L+M+N)の一方または他方に一致し、Lが1より大きいときは、これらは、平行に(すなわち一定ピッチで)組立てられた複数のワイヤまたは一定ピッチで螺旋状に一緒に巻回された複数のワイヤで形成されたコアを有するものとなる。
(2+7)、(3+8)、(3+9)または(3+9+15)
本発明の好ましい例によれば、公式のラップ型ケーブルについて、下記のものに留意されたい。すなわち、
・(3+9).0.18+0.15、ピッチは6.5/12.5/3.5(mm)および捩れ方向はSSZ
(3本の金属ワイヤからなる内側層および9本の金属ワイヤからなる外側層を有するケーブルであり、該ケーブル上に直径0.15mmのラップが3.5mmのピッチで反対方向に巻回され、ケーブルの各ワイヤは0.18mmの直径を有している)、および
・(3+9+15).0.23+0.15、ピッチは6.5/12.5/18/3.5(mm)および捩れ方向はSSZS
(3本の金属ワイヤからなる内側層、9本の金属ワイヤからなる中間層および15本の金属ワイヤからなる外側層を有するケーブルであり、該ケーブル上に直径0.15mmのラップが3.5mmのピッチで反対方向に巻回され、各ワイヤは0.23mmの直径を有している)。
本発明によるケーブルは多層ケーブルであるだけでなく、少なくとも一部がストランド形式(ストランディング技術により組立てられた形式であり、これも既知である)任意のケーブルでもあることに留意されたい。
このゴム配合物は少なくとも1つのジエンエラストマーに基いており(すなわち、ジエンエラストマーで形成されており)、このジエンエラストマー以外に、補強フィラー、架橋系およびタイヤ用ゴム配合物に使用できる他の添加物等の全ての慣用配合剤を有している。
「ジエン」エラストマーとは、既知の態様で、少なくとも一部がジエンモノマー(すなわち、共役であるか否かを問わず、2つの二重炭素結合をもつモノマー)から作られるエラストマー(すなわちホモポリマーまたはコポリマー)を意味することを理解されたい。
「本質的に不飽和」のジエンエラストマーもカテゴリ内で、「高度に不飽和」のジエンエラストマーとは、特に、50%より大きいジエンオリジン(共役ジエン)のユニットの含有物を有するジエンエラストマーを意味するものと理解されたい。
与えられるこれらの定義から、本発明による複合材のジエンエラストマーは、ポリブタジエン、天然ゴム、合成ポリイソプレン、種々のブタジエンコポリマー、種々のイソプレンコポリマーおよびこれらのエラストマーの混合物からなる群から選択されるのが好ましい。
要約すれば、ポリブタジエン(BR)、天然ゴム(NR)、合成ポリイソプレン(IR)、ブタジエン/スチレンコポリマー(SBR)、イソプレン/ブタジエンコポリマー(BIR)、イソプレン/スチレンコポリマー(SIR)、ブタジエン/スチレン/イソプレンコポリマー(SBIR)およびこれらのエラストマーの混合物からなる高度に不飽和の群から選択されたジエンエラストマーが適している。
しかしながら、本発明の他の有利な実施例によれば、これらのポリイソプレンと、他の高度に不飽和のジエンエラストマー、特に上記SBRまたはBRエラストマーとのブレンド(混合物)を使用することもできる。
もちろん、本発明の複合材のゴムマトリックスには単一または幾つかのジエンエラストマーを含めることができ、幾つかのジエンエラストマーは、ジエンエラストマー以外のあらゆる種類の合成エラストマーに関連して使用でき、或いはエラストマー以外のポリマー、例えば熱可塑性ポリマーに関連して使用することもできる。
本発明による複合ファブリックは、変更した形態例えば、プライ、バンド、例えばモールディング、カレンダリングまたは押出手段等の当業者に知られた種々の手段を用いて金属補強部材が組込まれたゴムのストリップまたはブロックの形態に作ることができる。
本発明による複合ファブリックは、特に重車両用タイヤに、フラットタイヤでの走行中の優れた耐久性を付与することに留意されたい。
本発明によるタイヤ、例えば重車両用タイヤのカーカス補強体はこの複合ファブリックを有し、本発明によるタイヤはこのカーカス補強体を有している。
実行した耐久試験の説明
I.アンジュレーティング・トラクション試験
「アンジュレーティング・トラクション」試験は当業者に良く知られた疲労試験であり、試験される材料は、純単軸引張り(引張り−引張り)すなわち圧縮応力を加えないで疲労される。この原理は次の通りである。
試験すべきケーブルの試料(該試料の両端部の各々が牽引機の2つのジョーにより保持される)は引張り応力を受け、この引張り応力の強度は、平均値(σavg)を囲む2つの極端値σmin(σavg−σa)とσmax(σavg+σa)の間の平均値(σavg)の近くで、所与の荷重比「R」=(σmin/σmax)で周期的かつ対称的に変化する。従って、平均応力σavgは、荷重Rの比および振幅σaに対して、σavg=σa(1+R)/(1−R)の関係でリンクしている。
応力σaの第一振幅が選択され(一般に、ケーブルの抵抗Rmのほぼ1/4〜1/3の範囲内)、疲労試験が105サイクル(周波数30Hz)の最大数について開始される。荷重比Rは0.1に設定される。
得られた結果(すなわち、この105の最大サイクル後に、ケーブルが破断したか否か)に基いて、いわゆるステップス法(steps method)に従ってこの値σaを変えることにより、新しい試験片に新しい振幅σa(前の振幅よりも小さいか、大きい振幅)が加えられる(非特許文献3参照)。
かくして全部で17回の反復が行なわれ、このステップス法により定められている試験の統計処理により、105回の疲労サイクルの終了時に、ケーブルの50%の破断確率に等しい耐久限度(σd)が決定される。
この試験には、Schenck 社により製造された引張り疲労試験機(Model PSA)が使用された。両ジョー間の有効長さは10cmであり、測定は、調節された乾燥大気中で行なわれた(相対湿度は5%以下、温度は20℃)。
「ベルト」試験は、例えば上記特許文献41または53において説明されている既知の疲労試験であり、試験すべきスチールケーブルは、加硫されたゴム製品内に組込まれている。この試験の原理は次の通りである。
ここでのゴム製品は、ラジアルタイヤのカーカス補強体に一般的に使用されているゴム配合物から作られた無端ベルトである。各ケーブルの軸線はベルトの長手方向に配向されており、ケーブルは、その面から約1mmのゴム厚さだけ分離されている。ベルトが、回転円筒体を形成すべく配置されるとき、ケーブルは、円筒体と同じ軸線の螺旋巻回(例えば、約2.5mmに等しい螺旋ピッチ)を形成する。
このベルトは、次に、下記応力を受ける。
ベルトは、各ケーブルの各要素部分が初期破断荷重の12%の張力を受けるように、かつ無限の曲率半径から40mmの曲率半径に移行する曲率変化サイクル(これは5000万サイクルを超える)を受けるように、2つのローラの回りで回転される。
更に、前のベルトと同じベルトが製造された。このベルトも前と同じ態様で剥皮されたが、今回はケーブルの疲労試験は行なわなかった。従って、非疲労ケーブルのワイヤの初期破断荷重が測定された。
最後に、残留破断荷重と初期破断荷重とを比較することにより、疲労後の破断荷重の低下(ΔFmと呼ばれ、%で表される)が計算された。
このようにして得られた破断荷重の低下は、試験されたケーブルのフレッチングによる摩耗レベルを表すものである。この低下が大きいほど、フレッチングによる摩耗に関するケーブルの耐久性は小さくなる。
この低下ΔFmは、既知の態様では、応力と大気から侵入する水分との結合作用により引起こされる、ワイヤの疲労および摩耗を受けることによるものであり、これらの条件は、補強ケーブルがタイヤカーカス中で受ける条件に匹敵する。
20℃の温度で、重車両用タイヤを、低い膨張圧力で滑らかな試験ドラム上に装着し、試験される各タイヤに、重車両に装着されたタイヤに加えられる代表的荷重と同じ荷重を加えて走行させた。
より正確には、2種類の試験を行なった。1つの試験は膨張圧力が0.50バール、他の試験は膨張圧力が0.55バールであった。
これらの試験を停止する基準は、タイヤが破裂し、次にカーカス補強体のケーブルが劣化することである。
各々が上記公式(3本のスレッドからなる内側層および9本のスレッドからなる外側層)に一致する種々のラップ型金属ケーブルが比較された。すなわち、
(3+9).0.18+0.15(6.5/12.5/3.5のピッチ(mm)およびSSZの捩れ方向を有する)
これらのケーブルは、単に、設けられたラップの材料の性質およびラップを構成する素フィラメント(単一または複数)の数の点で異なっている。
第一「コントロール」ラップ型ケーブルは、直径0.15mmのパーライトスチールワイヤで形成された金属ラッチに特徴を有する。
第二「コントロール」ラップ型ケーブルは、約22texの線密度をもつスパンヤーンで形成されたマルチフィラメント・テクスタイルラップに特徴を有し、該ラップはKevlar(R)の名称のアラミドからなる100本の素フィラメント(各素フィラメントは約12μmの直径を有する)で形成されている。これらの素フィラメントは、係数Z100(Z方向に100回/mの捩り)で「オーバーツイスト」されており、かつ既知の態様のサイズを有する。
第三「コントロール」ラップ型ケーブルは、単に、前記フィラメントが係数Z300(Z方向に300回/mの捩り)で「オーバーツイスト」されている点で、第一および第二「コントロール」ラップ型ケーブルとは異なっている。
このポリエステルは、「VECTRA」の名称でHOECHST CELANSE社から市販されている。
このモノフィラメントを得るための条件については、上記特許文献26および27を参照されたい。この条件には、上記「VECTRA」ポリエステルを溶融紡績し、次に、後・重縮合熱処理することが含まれる。
このモノフィラメントは、前記第二および第三「コントロール」ケーブルのアラミドラップのサイジングと同じ態様でサイジングされた。
下記表1には、「コントロール」ラップ型ケーブルおよび本発明によるラップ型ケーブルに使用されるラッピングワイヤの機械的特性が示されている。
第一「コントロール」ケーブルの金属ラッピングワイヤに関して、破断荷重Fm(最大荷重:N)、破断点Aでの伸び(全伸び:%)または初期モジュラス(cN/tex)等のダイナモメータ測定が、1984年標準規格ISO 6892に従って牽引して行なわれた。
表2には、サーモトロピック芳香族ポリエステルのラップが、本発明によるケーブルに破断点での力および伸びを与え、これらの力および伸びは、スチールラップ(第一「コントロール」ケーブル)により得られる力および伸びより大きい。これは、ケーブルが引張られている間の接触圧力が小さいことによる。このことから、第一「コントロール」ケーブルに比べ、本発明によるケーブルの引張り強度および疲労強度に関する性能が改善されたことが推論される。
また表2には、本発明によるこのラップが、該ラップを組込んだケーブルに、アラミドラップ(第二および第三「コントロール」ケーブル)により得られる破断点での破断荷重および伸びと事実上同じ破断荷重および伸びを与えることが示されている。
第一耐久試験は、上記ケーブルの各々についてアンジュレーティング・トラクションσD(MPa)を加えて耐久性限度を測定することにより行なわれた。
第二耐久試験は、「ベルト」試験により、これらのケーブルの各々について、フレッチングによる摩耗の低下(%)を測定することにより行なわれた。より正確には、内側層の各ワイヤ、外側層の各ワイヤおよびケーブルの全てのワイヤについての摩耗低下が、各ケーブルについて測定された。
第三耐久試験は、カーカス補強体に「コントロール」ラップ型ケーブルおよび本発明によるラップ型ケーブルが設けられた、それぞれ「コントロール」重車両用タイヤおよび本発明による重車両用タイヤが、フラットタイヤで走行した距離を測定することにより行なわれた。前記第一「コントロール」ケーブル(そのラップがスチールで作られている)を備えた第一「コントロール」タイヤが走行した距離に基準ベース100を割当てた。100より大きい値で示された結果は、この第一「コントロール」タイヤのフラットタイヤで得られた走行距離より大きい走行距離を有することを示している。逆の結果の場合には、100より小さい値で示される。
また表3には、サーモトロピック芳香族ポリエステルのラップが、スチールラップで得られるよりも大きい疲労耐久性(アンジュレーティング・トラクション下で40MPa以上増大された耐久性)、またはアラミドの場合でもアンジュレーティング・トラクション下で10MPa以上増大された耐久性を、本発明によるケーブルに与えることが示されている。
更に表3には、サーモトロピック芳香族ポリエステルのラップが、スチールラップにより得られるよりも大幅に改善されかつアラミドラップにより得られるのと事実上同じ、ケーブルのワイヤのフレッチングによる摩耗に対する抵抗性を、本発明によるケーブルに与えることが示されている。
これらの結果は、本発明によるケーブルをこの疲労試験後の断面で観察することにより確認され、従ってこのケーブルの外側層のワイヤの摩耗を事実上ゼロにすることを確保できる。
Claims (8)
- 重車両用タイヤのようなタイヤのカーカス補強体の補強に使用できる、テクスタイルラップを備えた金属ケーブルにおいて、前記テクスタイルラップは、芳香族サーモトロピックポリエステルまたは芳香族サーモトロピックポリエステルアミドで形成されていることを特徴とする金属ケーブル。
- 前記ラップはモノフィラメントで形成されていることを特徴とする請求項1に記載の金属ケーブル。
- 前記ラップは180cN/texより大きい靭性を有することを特徴とする請求項1または2に記載の金属ケーブル。
- 前記ラップは3500cN/texより大きい初期モジュラスを有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の金属ケーブル。
- 前記ラップは3〜5.5mmのピッチでケーブルの外面上に巻回されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の金属ケーブル。
- 金属ケーブルは多層形式であり、前記ケーブルは、L本のワイヤ(単一または複数)からなる内側層で形成され、該内側層は、可能ならばN本のワイヤからなる外側層により包囲されたM本のワイヤからなる少なくとも1つの層により包囲された、公式(L+M)または(L+M+N)を満たし、Lは1〜4まで変化し、Mは3〜12まで変化し、Nは8〜20まで変化することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の金属ケーブル。
- 前記内側層は、前記ケーブルが公式(1+M)または(1+M+N)を満たすように、単一の真直ワイヤで形成されていることを特徴とする請求項6に記載の金属ケーブル。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の金属ケーブルにより補強されたゴム配合物を有する複合ファブリックを有するカーカス補強体を有することを特徴とする重車両用タイヤのようなタイヤ。
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