CN102387927B - 具有径向胎体增强件的轮胎 - Google Patents

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Abstract

本发明特别涉及一种乘用车辆的轮胎，其中胎冠增强件由三种分离元件构成，所述三种分离元件的构成如下：径向胎体增强件(2)，所述径向胎体增强件(2)由将两个轮胎胎圈(3)连接在一起的增强元件形成；胎冠带束层(4)，所述胎冠带束层(4)主要由平行于所述轮胎的周向方向的增强元件构成；以及胎冠三角层(5)，所述胎冠三角层(5)主要由与所述轮胎的周向方向形成在10度与80度之间的角度的增强元件(55)构成，所述三角层(5)的所述增强元件(55)具有扁平的横截面。

Description

具有径向胎体增强件的轮胎
技术领域
本发明涉及轮胎，尤其涉及具有径向胎体的轮胎。
背景技术
具有径向胎体的轮胎(通常称为“子午线轮胎”)正逐渐成为大部分市场，特别是乘用车辆轮胎市场中的标准。这一成功特别要归功于子午线轮胎工艺拥有的耐久性、舒适性、轻质及低滚动阻力。
子午线轮胎主要由挠性胎侧和更为坚硬的胎冠构成，胎侧从胎圈径向延伸直至胎肩，多个胎肩在其之间界定出胎冠，胎冠支撑轮胎的胎面胶条。因为轮胎的这些部分的每一个均具有其自身的特定功能，所以其也具有其自身专用的增强件。子午线轮胎工艺的一个特征在于，这些部分的每一个的增强件都能够彼此相对独立地精确适用。
乘用车辆子午线轮胎(通常称为“客车轮胎”)的胎冠增强件按照公知的方式包括如下元件：
●径向胎体增强件，其由连接轮胎的两个胎圈的增强元件(基本为织物)形成，
●两个交叉的胎冠三角层(或帘布层)，其主要由增强元件(基本为金属)构成，这些增强元件中的每一个与轮胎的周向方向形成大约30°的角度。
●胎冠带束层，其主要由实际上平行于轮胎的周向方向的增强元件构成，这些增强元件通常被称为0°增强元件，但是它们通常与周向方向会形成非零角度，例如在0°与10°之间的角度。
按照广义的术语，胎体可以说具有抑制轮胎的内部压力的主要功能，交叉的帘布层的主要功能是赋予了轮胎转弯刚度(corneringstiffness)，并且胎冠带束层的主要功能是在高速下抵抗胎冠上的离心影响。另外，在所有这些增强元件只见到相互作用产生了所谓的胎冠三角结构(triangulation)。该三角结构赋予胎体其面对各种应力载荷时保持相对圆柱形状的能力。
胎冠增强件的这些元件的每一个基本均通过与橡胶合成物混炼而进行结合。这些元件的堆叠随后在对轮胎进行硫化的过程中接合在一起。
经过对子午线轮胎结构的数十年的研究、改进和开发，所有这些增强元件(胎体、交叉层、带束层)的结合使子午线轮胎达到了不容置疑的舒适性、长期寿命和成本性能，这已经使子午线轮胎获得了成功。贯穿这样的开发的始终，一直在尝试提高轮胎的性能，例如在其质量和其滚动阻力方面的性能。因此，随着越来越多地采用高性能的增强元件并且越来越多地使用更薄的混炼橡胶层，子午线轮胎的胎冠的厚度已经逐渐减小，从而能够制造尽可能轻质的轮胎。
发明内容
本发明的一个目的是使胎冠的质量进一步显著减小，从而使用于乘用车辆的轮胎的质量进一步显著减小，而不会因此降低其性能。
根据本发明使该目的得以实现，本发明提出了一种乘用车辆的轮胎，所述轮胎的胎冠增强件由三种不同元件构成，所述三种不同元件的构成如下：
●径向胎体增强件，所述径向胎体增强件由连接所述轮胎的两个胎圈的增强元件形成，
●胎冠带束层，所述胎冠带束层主要由平行于所述轮胎的周向方向的增强元件构成，以及
●胎冠三角层，所述胎冠三角层主要由与所述轮胎的周向方向形成在10度与80度之间的角度的增强元件构成，所述三角层的所述增强元件具有扁平横截面。
优选地，所述三角层的扁平横截面的增强元件由聚合物制成，更优选地，由热塑性聚合物薄膜制成。
优选地，所述热塑性聚合物薄膜为已经承受多轴拉伸的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜。
根据本发明的第一替代方案，所述胎冠三角层在径向上位于所述胎冠带束层的外侧。
根据本发明的第二替代方案，所述胎冠三角层在径向上位于所述胎冠带束层的内侧。
优选地，所述胎冠带束层的增强元件的拉伸模量高于25GPa。更优选地，这些增强元件包含钢或芳族聚酰胺。
优选地，所述三角层的具有扁平横截面的增强元件的拉伸模量大于1GPa。
根据本发明的一个替代方案，所述三角层中的具有扁平横截面的两个增强元件之间的间距大于所述两个增强元件的一半宽度之和，所述间距在横穿所述增强元件的方向上进行测量。
根据本发明的另一个替代方案，所述三角层的扁平横截面的两个增强元件之间的间距小于所述两个增强元件的一半宽度之和，所述间距在横穿所述增强元件的方向上进行测量。同样优选地，所述间距小于所述两个增强元件的一半宽度之和的数值等于扁平横截面的增强元件的最大厚度的至少四倍。
优选地，所述三角层的扁平横截面的增强元件的宽度至少等于所述增强元件的最大厚度的5倍，并且优选为至少等于所述增强元件的最大厚度的20倍。
根据本发明的一个优选实施方案，所述三角层主要由与所述轮胎的周向方向形成在25度与60度之间的角度的增强元件构成。
附图说明
通过结合如下附图的说明书的其余部分将更好地理解本发明：
●图1为显示根据现有技术的轮胎结构的示意性的剖视图，
●图2为显示根据本发明的第一实施方案的轮胎结构的剖视图，
●图3为显示根据本发明的第二实施方案的轮胎结构的剖视图，
●图4为显示根据本发明的第三实施方案的轮胎结构的剖视图，
●图5为图4中的细节A的视图，
●图6为显示根据本发明的第四实施方案的轮胎结构的剖视图，
●图7为显示根据本发明的第五实施方案的轮胎结构的剖视图，
●图8为显示根据本发明的第六实施方案的轮胎结构的剖视图，
●图9为显示根据本发明的第七实施方案的轮胎结构的剖视图。
具体实施方式
图1在剖视图中示意性地显示了根据现有技术的用于乘用车辆的子午线轮胎。可以看到其胎体增强件2，该胎体增强件2连接在胎圈钢丝31周围形成的两个胎圈3。胎体增强件由径向取向的增强元件21形成。增强元件21为织物帘线(例如，由尼龙、人造纤维或聚酯制成)。胎体构成胎侧8的单个增强件，而在胎冠中，也就是说在轮胎的两个胎肩之间，该胎体由两个交叉的三角层51和52覆盖，并且由带束层4覆盖。
两个交叉的胎冠三角层51和52包括在轮胎的周向方向的每一侧上的基本以在20°和40°之间的角度取向的增强元件(分别为511和521)。交叉层中的增强元件主要为金属帘线。
胎冠带束层4主要由平行于轮胎的周向方向而取向的增强元件(也称为“0°增强元件”)构成。这些增强元件基本为金属帘线、织物帘线(例如，由尼龙、人造纤维、聚酯、芳族聚酰胺制成)或混合帘线。
内衬橡胶层7覆盖轮胎的空腔，并且胎面胶条6遮盖胎冠增强件。
图2显示了根据本发明的轮胎的第一实施方案。
根据本发明的轮胎的胎冠增强件包括径向胎体2和周向带束层4，两者与相对于现有技术的轮胎所描述的径向胎体和周向带束层相似。相比而言，现有技术的两个交叉层51和52被单个三角层5所取代。
三角层5中的增强元件55具有扁平形状的横截面，并且以相对于轮胎的周向方向的角度“α”而倾斜。在图2的实例中，角度α为45°。在该实例中，扁平增强元件55的宽度为大约30mm。在该实例中，铺设增强元件55的间距(在增强元件的横向方向上进行测量)大于多个增强元件的一半宽度之和，这意味着扁平增强元件并置而不重叠。在增强元件之间存在大约1至2mm的间隙“J”。如果(正如在该实例中的情况)三角条带55的宽度在胎肩附近略微较小，则该间隙可以在遍及胎冠的整个宽度上基本恒定。相比而言，如果这些条带具有恒定宽度，则由于胎冠的曲率而使该间隙在胎冠的中间比在胎肩附近更大。
令人意外的是，这样的轮胎能够达到可与通过本领域状态的轮胎所获得的转弯刚度相媲美的转弯刚度，即使该轮胎的厚度和质量会相当明显地得以减小。
图3显示了本发明的另一个实施方案，其中扁平增强元件55的层5此时定位在带束层4的顶部上。这一设置的一个优点在于，层5也保护带束层和胎体免受侵扰(戳刺、切割)。
在图3中还能够看到，扁平增强元件相对于轮胎的周向方向明显地愈加倾斜。在该实例中，角度α为80°，并且间隙“J”与图2中的间隙“J”相似。条带55的宽度为大约35mm。自然，还可以将图2中所述的胎冠元件的配置与当前的图3中所示的倾斜角度进行结合，并且反过来也可以进行结合。
图4显示了图2的实施方案的替代方案，其中周向带束层4在其中间部分具有双倍数量的周向增强元件。在该中间部分中，增强元件42被添加到增强元件41。如果这些增强元件单独铺设或以条带方式进行铺设，则应当意识到，所需的全部例如是，要在中间部分中铺设附加项，或者要减小该部分中的铺设节距。图5中所示的细节A有助于更好地领悟该变型的原理。
图6显示了本发明的另一个实施方案，其中三角层包括具有不同长度和定向的两组叠置的扁平增强元件55和56。条带55处于80°的角度α1，并且条带56处于70°的角度α2。增强元件56覆盖增强元件55之间的间隙。
图7显示了本发明的另一个实施方案，其中三角层5附加地包括插置在多个扁平增强元件55之间的帘线57。这些帘线例如可以相似于胎体帘线或带束层帘线。存在这些帘线57的一个优点是，这些帘线使得在硫化过程中更容易抽取气体。这些帘线还能够执行部分三角层的增强功能。
图8显示了本发明的另一个实施方案，其中三角层5的扁平增强元件55彼此部分地重叠，以便限定重叠量“R”，在该实例中其大约为2至3mm。这些增强元件的宽度为大约40mm。因此，在该实例中，铺设扁平增强元件的间距(在其横向方向上进行测量)小于这些增强元件的一半宽度之和。优选地，重叠量大于增强元件55的最大厚度两倍。
图9显示了图4和5的实施方案的替代形式，其中扁平增强元件55的宽度减小到大约10mm，并且间隙“J”为大约1mm。
根据本发明的轮胎的一个有利特点是，由于存在扁平增强元件而提高了胎冠的气密性。位于胎冠之下的内衬(在图2至9中未显示)的厚度可以明显减小。因此，该特征可以进一步减小胎冠的厚度和总质量。
扁平增强元件可以是金属增强元件，组合物增强元件或聚合物增强元件。
优选地，扁平增强元件由聚合物制成，更优选地，由热塑性聚合物制成。例如，可以使用已经承受多轴拉伸的热塑性聚合物薄膜，也就是说已经被拉伸并且在多于一个方向上取向的热塑性聚合物薄膜。已经承受多轴拉伸的这些薄膜是公知的，并且近来主要使用在包装工业、食品工业、电力领域中，甚或作为用于磁性涂层的背衬。
利用公知的拉伸工艺制备这些薄膜，所有拉伸工艺旨在在数个主方向而非仅在一个方向上(正如常规热塑性聚合物纤维(例如，PET或尼龙纤维)的情况那样，按照公知的方式，这些纤维当在熔融状态下拉成时承受单轴拉伸)赋予薄膜良好的机械属性。
这些工艺在数个方向上进行多个拉伸操作，这些拉伸是纵向的、横向的、平面的；以实例的方式，可以特别提及在两个方向上拉伸吹塑成型的工艺。
已经承受多轴拉伸的热塑性聚合物薄膜和获得这些薄膜的方法见诸于大量专利文献中，例如文献FR 2539349(或GB 2134442)、DE3621205、EP 229346(或US 4876137)、EP 279611(或US 4867937)、EP 539302(或US 5409657)和WO 2005/011978(或US 2007/0031691)。
拉伸操作可以在一个阶段或数个阶段中执行，当存在数个拉伸操作时，这些拉伸操作可以同时进行或者依次进行；根据目标最终机械属性而采用的拉伸率通常大于2。
优选地，无论考虑什么样的牵引方向，所使用的热塑性聚合物薄膜的拉伸模量(由E表示)都大于500MPa(特别是在500MPa与4000MPa之间)，更优选为大于1000MPa(特别是在1000MPa与4000MPa之间)，更优选为大于2000MPa。数值在2000MPa与4000MPa之间，特别是在3000MPa与4000MPa之间的E模量特别地可望作为根据本发明的胎冠三角层。
根据另一个优选实施方案，无论考虑什么样的张力方向，在热塑性聚合物薄膜中的最大拉伸应力(由σmax表示)都优选为大于80MPa(特别是在800MPa与200MPa之间)，更优选为大于100MPa(特别是在100MPa与200MPa之间)。特别希望超过150MPa的应力值σmax，特别是包括在150MPa与200MPa之间的应力值σmax。
根据另一个优选实施方案，无论考虑什么样的张力的方向，由Yp表示的热塑性聚合物薄膜的塑性变形阈值(也成为“屈服点”)处于3％伸长率以上，特别是在3％与15％伸长率之间。特别希望超过4％的Yp值，特别是包括在4％和12％之间的Yp值。
根据另一个优选实施方案，无论考虑什么样的张力的方向，热塑性聚合物薄膜的断裂伸长率(由Ar表示)大于40％(特别是在40％与200％之间)，更优选为大于50％。特别希望包括在50％与200％之间的Ar值。
上述机械属性对于本领域技术人员来说是公知的，并且由力伸长率曲线(例如根据用于厚度大于1mm的条带的标准ASTM F 638-02进行测量，或者替代地，根据用于厚度至多为1mm的薄板或薄膜的标准ASTM D882-09进行测量)而推导出；用于模量E和应力σmax的上述数值(单位为MPa)相对于拉伸测试样本的初始横截面而进行计算。
所使用的热塑性聚合物薄膜优选为热稳定的类型，这意味着在拉伸之后，其已经经过一种或多种热处理(这些热处理旨在以公知的方式限制其高温热收缩(或皱缩))；这样的热处理可以特别地由退火或回火操作或这样的退火或回火操作的组合构成。
因此，优选地，所使用的热塑性聚合物薄膜在150℃下保持30min之后，其长度的相对收缩小于5％，优选为小于3％(根据ASTM D1204进行测量)。
所使用的热塑性聚合物的熔融点(“Tf”)优选为选择为100℃以上，更优选为150℃以上，特别是在200℃以上。
热塑性聚合物优选为选自由聚酰胺、聚酯和聚酰亚胺构成的群组，更特别地选自由聚酰胺和聚酯构成的群组。在聚酰胺的群组中，可以特别提及由聚酰胺32尼龙4-6、尼龙6、尼龙6-6、尼龙11或尼龙12形成的群组。在聚酯的群组中，可以例如提及由PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PEN(聚萘二甲酸乙二酯)、PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯)、PBN(聚萘二甲酸丁二醇酯)、PPT(聚对苯二甲酸丙二醇酯)、PPN(聚萘二甲酸丙二醇酯)形成的群组。
热塑性聚合物优选为聚酯，更优选为PET或PEN。
适合用于本发明的胎冠三角层的已经承受多轴拉伸的PET热塑性聚合物薄膜的实例例如是已经承受两个方向拉伸的PET薄膜(市场上名为“Mylar”和“Melinex”(由DuPont Teijin Films生产)，或者替代地，“Hostaphan”(由Mitsubishi Polyester Film生产))。
在本发明的胎冠三角层中，热塑性聚合物薄膜的厚度优选为包括在0.05mm与1mm之间，更优选为在0.1mm与0.7mm之间。例如，厚度在0.20mm至0.60mm的薄膜以证明是完全适合的。
热塑性聚合物薄膜可以包含添加剂，这些添加剂特别是在形成聚合物时被添加到该聚合物，这些添加剂例如可以是提供抗老化保护的试剂、增塑剂、填料(例如二氧化硅、粘土、云母、高岭土或甚至短纤维)；填料例如可以使薄膜的表面粗糙，从而有助于增进其保持粘合和/或粘附到其旨在接触的橡胶层的方式。
根据本发明的一个优选实施方案，热塑性聚合物薄膜具有粘合层，该粘合层面对每一层与其接触的橡胶复合物。
为了使橡胶粘附到热塑性聚合物薄膜，可以使用任何适合的粘合***，例如简单的RFL(间苯二酚-甲醛-乳胶)类型的织物粘合剂(其包含至少一种二烯弹性体，例如天然橡胶)，或者已知的在橡胶和常规热塑性纤维(例如聚酯或聚酰胺纤维)之间提供令人满意的粘合的任何等同的粘合剂。
通过实例的方式，粘合剂涂敷过程可以主要包括如下连续步骤：穿过粘合剂浴槽，然后进行离心操作(例如通过吹送、筛分(grading))以除去过多的粘合剂；然后进行干燥，例如通过穿过烘炉(例如在180℃下保持30s)，然后最终进行热处理(例如在230℃下保持30s)。
在粘合剂的上述应用之前，有利地，可以例如利用机械和/或物理和/或化学方法对薄膜的表面进行活化(activate)，以便提高其与橡胶的粘合剂的保持性和/或其与橡胶的最终粘附度。机械处理例如可以包括对表面进行消光或刮擦的在前步骤；物理处理可以例如包括利用放射物(例如电子束)进行处理；化学处理例如可以包括预先通过环氧树脂和/或异氰酸盐化合物的浴槽。
因为热塑性聚合物薄膜的表面通常特别光滑，所以同样有利地，可以添加增厚试剂到所使用的粘合剂，从而当薄膜涂覆有粘合剂时，通过该薄膜提高粘合剂的整体保持性。
本领域技术人员将容易理解，在对轮胎进行最终硫化(交联)时确定地提供在热塑性聚合物薄膜和与其接触的每一层橡胶之间的连接。
在根据本发明的轮胎中，带束层中的周向增强元件(41、42)优选为相对较硬，其弹性模量优选为包括在25GPa与250GPa之间，优选地在40GPa与250GPa之间。
可以使用的周向增强元件的实例包括碳钢或不锈钢帘线、由捻合在一起的纤维制成的织物帘线、特别是其尺寸相对于温度和/或湿度而稳定的公知的帘线。这些帘线的织物纤维例如选自由如下构成的群组：聚乙烯醇纤维、芳香族聚酰胺(或“芳族聚酰胺”)纤维、脂族聚酰胺(或“尼龙”)纤维、聚酯(例如PET或PEN)、芳香族聚酯、纤维素(例如人造纤维、粘胶纤维)、聚亚苯基苯并双噁唑(polyphenylenebenzobisoxazole)、聚酮、玻璃纤维、碳纤维、陶瓷纤维。特别优选地，特别要提及由碳钢、芳族聚酰胺、聚酯、尼龙、纤维素、聚酮制成的增强元件以及由例如芳族聚酰胺/尼龙帘线的这些不同材料制成的混合增强元件。
在胎体中的增强元件或周向带束层中的增强元件可以采用任何公知的形状；它们可以例如是具有可测量直径(例如并且优选地，直径大于或等于50μm)的初级单丝、多丝纤维(由直径小(典型地小于30μm)的多个初级单丝制成)、由捻合在一起的数根纤维形成的合股织物纱线、由缆合或捻合在一起的数根纤维或单丝形成的织物或金属帘线。
将根据相似于图2的实施方案的轮胎与现有技术中的乘用车辆轮胎进行了比较。
所测试的尺寸为205/55R16。在三角层5中的扁平增强元件55是以40°角度铺设的350μm厚的双轴拉伸的PET薄膜，并且每一个的宽度为30mm。由此形成的三角层的宽度为180mm。所使用的胎冠带束层为芳族聚酰胺帘线。因此，根据本发明的轮胎的质量为8kg，而根据现有技术的轮胎(MICHELIN ENERGYSaver 205/55R16)的质量为6.8kg，也即高出15％。
转弯刚度，也即当以1°的偏离角(slip angle)行驶时在600daN的竖直载荷Fz之下由轮胎产生的横向力Fy。而根据现有技术的轮胎(MICHELIN ENERGYSaver 205/55R16)产生了1700N的横向力，根据本发明的轮胎产生了1650N的横向力。
因此，可以看到，虽然根据本发明的轮胎在重量上相比根据现有技术的轮胎更轻，但是并未显著地损失转弯刚度。

Claims (15)

1.一种乘用车辆的轮胎，所述轮胎的胎冠增强件由三种不同元件构成，所述三种不同元件的构成如下：
·径向胎体增强件，所述径向胎体增强件由连接所述轮胎的两个胎圈的增强元件形成，
·胎冠带束层，所述胎冠带束层主要由平行于所述轮胎的周向方向的增强元件构成，以及
·单个胎冠三角层，所述单个胎冠三角层主要由与所述轮胎的周向方向形成在10度与80度之间的角度的增强元件构成，所述单个胎冠三角层的所述增强元件具有扁平的横截面，并且由已经承受多轴拉伸的热塑性聚合物薄膜制成。
2.根据权利要求1所述的轮胎，其中，所述热塑性聚合物薄膜为已经承受多轴拉伸的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜。
3.根据前述权利要求中的一项所述的轮胎，其中所述单个胎冠三角层在径向上位于所述胎冠带束层的外侧。
4.根据权利要求1至2中的一项所述的轮胎，其中所述单个胎冠三角层在径向上位于所述胎冠带束层的内侧。
5.根据权利要求1至2中的任一项所述的轮胎，其中所述胎冠带束层的增强元件的拉伸模量高于25GPa。
6.根据权利要求5所述的轮胎，其中所述胎冠带束层的增强元件包含钢或芳族聚酰胺。
7.根据权利要求1至2中的任一项所述的轮胎，其中所述单个胎冠三角层的扁平横截面的增强元件的拉伸模量大于1GPa。
8.根据权利要求1至2中的任一项所述的轮胎，其中所述单个胎冠三角层中的具有扁平横截面的两个增强元件之间的间距大于该两个增强元件的一半宽度之和，所述间距在横穿所述增强元件的方向上进行测量。
9.根据权利要求1至2中的任一项所述的轮胎，其中所述单个胎冠三角层的具有扁平横截面的两个增强元件之间的间距小于该两个增强元件的一半宽度之和，所述间距在横穿所述增强元件的方向上进行测量。
10.根据权利要求9所述的轮胎，其中所述间距小于所述两个增强元件的一半宽度之和的数值(“R”)等于扁平横截面的增强元件的最大厚度的至少四倍。
11.根据权利要求1至2中的任一项所述的轮胎，其中所述单个胎冠三角层的扁平横截面的增强元件的宽度至少等于所述增强元件的最大厚度的5倍。
12.根据权利要求1至2中的任一项所述的轮胎，其中所述单个胎冠三角层的扁平横截面的增强元件的宽度至少等于所述增强元件的最大厚度的20倍。
13.根据权利要求1至2中的任一项所述的轮胎，其中所述单个胎冠三角层主要由与所述轮胎的周向方向形成在25度与60度之间的角度的增强元件构成。
14.根据权利要求1至2中的任一项所述的轮胎，其中所述单个胎冠三角层附加地包括插置在所述具有扁平横截面的增强元件之间的帘线。
15.根据权利要求1至2中的任一项所述的轮胎，其中所述单个胎冠三角层的具有扁平横截面的增强元件彼此部分重叠。
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