胎面包括定向纤维的轮胎的制作方法

1.本发明涉及一种具有径向胎体增强件的轮胎，更具体地涉及一种旨在安装至承载重型负载的车辆(例如货车、拖拉机、拖车或大客车)的轮胎。


背景技术：

2.通常，在重型类型轮胎中，胎体增强件从两侧锚固在胎圈区域中并且沿径向由胎冠增强件覆盖，所述胎冠增强件由至少两个由丝线或帘线形成的重叠的层组成，所述丝线或帘线在每个层中平行并且从一个层至另一个层交叉，且与周向方向形成在10
°
和45
°
之间的角度。形成工作增强件的所述工作层还可以覆盖有至少一个被称为保护层的层，所述保护层由增强元件形成，所述增强元件有利地是金属的和可延伸的，并且被称为弹性增强元件。所述工作层还可以包括具有较低延伸性的金属丝线或帘线的层，所述金属丝线或帘线与周向方向形成在45
°
和90
°
之间的角度，该帘布层(称为三角帘布层)沿径向位于胎体增强件和第一胎冠帘布层(称为工作帘布层)之间，所述工作帘布层由平行的丝线或帘线形成，所述丝线或帘线具有绝对值至多等于45
°
的角度。三角帘布层至少与所述工作帘布层形成三角增强件，该增强件在其经受的各种应力下几乎不表现出任何变形，所述三角帘布层的关键作用是吸收轮胎的胎冠区域中所有增强元件所经受的横向压缩力。
3.当帘线在等于断裂力的10％的张力下表现出至多等于0.2％的相对伸长时，所述帘线被称为是不可延伸的。
4.当帘线在等于断裂负荷的张力下表现出至少等于3％的相对伸长和小于150gpa的最大切线模量时，所述帘线被称为是弹性的。
5.轮胎的周向方向或纵向方向为对应于轮胎的圆周并由轮胎的行驶方向限定的方向。
6.轮胎的旋转轴线为轮胎在正常使用时绕其旋转的轴线。
7.径向平面或子午平面为包含轮胎的旋转轴线的平面。
8.周向正中平面或赤道平面为垂直于轮胎的旋转轴线并将轮胎分为两半的平面。
9.轮胎的横向方向或轴向方向平行于轮胎的旋转轴线。轴向距离为沿着轴向方向测量的距离。表述“分别沿轴向位于内侧或沿轴向位于外侧”意指“从赤道平面测量的轴向距离分别小于或大于”。
10.径向方向是与轮胎的旋转轴线相交并与其垂直的方向。径向距离为沿着径向方向测量的距离。表述“分别沿径向位于内侧或沿径向位于外侧”意指“从轮胎的旋转轴线测量的径向距离分别小于或大于”。
11.沿径向位于胎冠增强件外侧的为胎面，所述胎面通常由聚合物材料制成，并且旨在在轮胎与地面接触的接触斑块中与地面接触。
12.已知为胎面(即轮胎旨在在滚动过程中与地面接触并旨在在滚动过程中磨损的部分)设置由凸起元件形成的胎面花纹，所述凸起元件由切口(例如沟槽，无论其是周向定向、横向定向还是倾斜定向的)界定。这种胎面花纹的目的是当在干路面和被水覆盖的路面(尤
其是在下雨时)上行驶时，赋予胎面良好的性能。
13.然而，为了改进胎面的性能而不过多地降低所述胎面的剪切刚度，已知在胎面表面上形成用于切割路面上的水膜的多个横向定向或倾斜定向的边缘，从而确保胎面和路面之间的良好接触。获得这种边缘的一种方法在于为胎面设置多个切口，这些切口具有沟槽形式或刀槽形式。在本技术中，刀槽和沟槽之间的区别在于，刀槽的宽度适于在行驶的过程中允许界定这些刀槽的相对壁之间至少部分接触，特别是当在与地面接触的接触斑块中，而沟槽在轮胎的正常使用条件下不会出现这种情况。
14.对于本发明的目的，纵向定向的切口为所述切口的壁的至少一部分的等分平面与纵向平面形成小于10
°
的角度的切口。与纵向平面形成的该角度可以相对于所述纵向平面沿一个方向或另一个方向定向。纵向定向的切口可以进一步为壁围绕等分平面(如前所述的)波动或呈之字形的切口。
15.对于本发明的目的，横向定向的切口为所述切口的壁的至少一部分的等分平面与径向平面形成小于35
°
的角度的切口。与径向平面形成的该角度可以相对于所述径向平面沿一个方向或另一个方向定向。横向定向的切口可以进一步为壁围绕等分平面(如前所述的)波动或呈之字形的切口。
16.对于本发明的目的，倾斜定向的切口为所述切口的壁的至少一部分的等分平面与径向平面形成在35
°
和80
°
之间的角度的切口。与径向平面形成的该角度可以相对于所述径向平面沿一个方向或另一个方向定向。倾斜定向的切口可以进一步为壁围绕等分平面(如前所述的)波动或呈之字形的切口。
17.由于全世界公路网络的改善和高速公路网络的增长，被称为“公路”轮胎的某些现有轮胎旨在以高速行驶越来越长的距离。这种轮胎行驶所需的所有条件使得行驶里程增加，轮胎的磨损更小。
18.为了进一步增加轮胎的使用寿命，通常的做法是选择聚合物材料来制备具有改进的耐磨损性的胎面。另一方面，已知这种材料不利于抓地性，尤其是在湿地面上。
19.例如，在文献us 6,247,512中描述了这种轮胎。该文献描述了叠加两个材料层从而形成胎面，与地面接触的外部材料特别是在磨损方面更有效。


技术实现要素：

20.本发明人为其自身设定的任务是能够提供一种轮胎，所述轮胎允许更大的滚动距离并在湿地面上具有改进的抓地性。
21.根据本发明通过以下轮胎实现该目的，所述轮胎具有径向胎体增强件并包括胎冠增强件，所述胎冠增强件本身由胎面沿径向覆盖，所述胎面通过两个胎侧接合至两个胎圈，所述胎面包括形成至少一个胎面花纹元件的沟槽，所述胎面包括形成轮胎胎面表面的至少一个弹性体配混物层，所述至少一个弹性体配混物层由非金属纤维增强，所述非金属纤维基本上平行于胎面的外表面布置，至少40％的非金属纤维沿相对于惯性主轴线形成小于30％的角度的方向定向，所述惯性主轴线与所述至少一个胎面花纹元件的与地面接触的表面的最大惯性矩相关联，所述与地面接触的表面在穿过所述与地面接触的表面的重心的纵向方向上的中心沿纵向位于接触斑块的中心处，轮胎在标称轮辋上经受其标称负载并充气至其标称压力，并且所述至少一个弹性体配混物层在环境温度下沿至少一个平行于胎面表
interaction”(h.wang,i.l.al-qadi&i.stanciulescu,nextrans project no.049iy02,usdot region v regional university transportation center final report)，在达到可以传递的最大力之前相应地减少接触斑块中可以传递的力的量，特点是轮胎在地面上滑动。换句话说，这些所谓的寄生力消耗了一部分的抓地潜力。弹性体配混物中非金属纤维的存在限制了胎面的变形，从而有助于轮胎的更好的抓地力。
34.根据本发明优选地，非金属纤维的平均长度在0.5和10mm之间，还更优选在2和5mm之间。
35.根据本发明通过光学显微镜根据iso 16065标准使用自动光学分析或通过“a review of image analysis based methods to evaluate fiber properties”(ulrich hirn和wolfgang bauer，lenzinger berichte，86(2006)96-105)中描述的方法之一进行短纤维长度的测量。
36.根据本发明优选地，非金属纤维的平均厚度在5和40μm之间，还更优选在10和30μm之间。
37.根据本发明通过光学显微镜根据iso 16065标准使用自动光学分析或通过“a review of image analysis based methods to evaluate fiber properties”(ulrich hirn和wolfgang bauer，lenzinger berichte，86(2006)96-105)中描述的方法之一进行短纤维厚度的测量。
38.根据本发明有利地，非金属纤维的形状因子(即纤维的长度和厚度之间的比例)在12.5和2000之间。还有利地，形状因子在50和1500之间，更优选在100和1000之间。
39.非金属纤维可以具有任何已知的横截面，例如立方形、圆柱形或星形。根据本发明优选地，纤维具有圆柱形横截面。在这种情况下，厚度对应于短纤维的直径。
40.根据本发明的优选变体实施方案，非金属纤维的杨氏模量在0.5和500gpa之间，优选在0.5和200gpa之间，更优选在0.5和50gpa之间。
41.根据本发明按照astm d885标准测量短纤维的杨氏模量。
42.根据本发明的有利实施方案，形成轮胎胎面表面的弹性体配混物层中存在的非金属纤维的含量在2.5和10体积％之间，优选在5和7.5体积％之间。
43.对于本发明的目的，使用如论文“multi-resolution imaging by x-ray tomography:application to local tomography in materials science”(tao zhang，university of grenoble，2012(nnt:2012greni020.tel-00876871))中所述的x射线层析成像方法来确定以体积百分比表示的弹性体配混物的纤维含量。本领域技术人员则知晓如何使用采集参数、滤波器和适合的图像处理来识别基质内的纤维以及相应的体积，并因此确定所述纤维的体积比。
44.根据本发明有利地，非金属纤维选自天然纤维，例如棉、亚麻、大麻或竹等。这种选择的优点在于：生物可降解的增强元件可以随着轮胎胎面磨损释放到自然界中而消失。
45.根据本发明的一个实施方案，形成轮胎胎面表面的弹性体配混物在基本上彼此垂直的两个主定向上包括非金属纤维，使得在环境温度下沿至少两个平行于胎面表面的方向测量的纵向弹性模量的值大于在环境温度下沿垂直于胎面表面的方向测量的纵向弹性模量的值的5倍。
46.根据本发明的该实施方案，为了确定纤维的定向，平行于胎面表面进行一系列切
割以展现纤维，并且根据“orientation of short fibres in parts made of reinforced thermoplastic-observation of fibre orientation”(engineering techniques，参考am3729，2003年7月10日，michel vincent)中的推荐，在至少100根纤维的样品上通过光学反射显微镜建立平行于胎面表面的这些平面中的纤维相对于纵向方向的定向直方图。
47.根据该实施方案，为了进行纵向弹性模量的测量，沿着所述基本上彼此垂直的两个主定向在平行于胎面表面的平面上从胎面提取至少两个厚度为1mm的试样，以及在垂直于胎面表面的平面中以及垂直于胎面表面的方向上提取厚度为1mm的试样。
48.根据本发明的一个实施方案，轮胎的胎冠增强件由不可延伸的增强元件的至少两个工作胎冠层形成，所述增强元件从一个层至另一个层交叉，并与周向方向形成在10
°
和45
°
之间的角度。
49.根据本发明的其它实施方案，胎冠增强件还包括至少一个周向增强元件的层。
50.本发明的一个实施方案还使胎冠增强件通过至少一个具有增强元件(称为弹性增强元件)的附加层(称为保护层)在径向外侧得到补充，所述增强元件相对于周向方向以在10
°
和45
°
之间的角度定向，且方向与沿径向与其相邻的工作层的不可延伸元件形成的角度相同。
51.根据本发明的上述实施方案的任一个，胎冠增强件还可以在胎体增强件和最靠近所述胎体增强件的径向内部工作层之间通过三角层在径向内侧得到补充，所述三角层由不可延伸的钢金属增强元件制成，所述不可延伸的钢金属增强元件与周向方向形成大于60
°
的角度，且方向与沿径向最靠近胎体增强件的层的增强元件形成的角度的方向相同。
附图说明
52.本发明的进一步有利特征和细节将会从以下参考图1至图4的本发明的示例性实施方案的描述中变得显而易见，在附图中：
[0053]-图1显示了根据本发明的一个实施方案的轮胎的子午线示意图，
[0054]-图2显示了轮胎的接触斑块的示意图，
[0055]-图3显示了轮胎的接触斑块的局部示意图，示出了与轮胎的胎面花纹块的最大惯性矩和最小惯性矩相关联的方向，
[0056]-图4显示了轮胎的接触斑块的局部示意图，示出了与轮胎的肋部的最大惯性矩和最小惯性矩相关联的方向。
[0057]
为了便于理解，附图未按比例示出。
具体实施方式
[0058]
在图1中，尺寸为315/70r22.5的轮胎1包括围绕胎圈线(未示出)锚固在两个胎圈中的径向胎体增强件2。胎体增强件2由单个的金属帘线层形成。胎体增强件2被胎冠增强件5包覆，所述胎冠增强件5本身被胎面6覆盖。胎面具有形成五个肋部4的四个沟槽3。
[0059]
在附图中未特别显示轮胎1的下方区域和胎圈。
[0060]
在图1中，胎冠增强件5沿径向从内侧至外侧由以下形成：
[0061]-第一工作层51，所述第一工作层51由未包覆的不可延伸的11.35金属帘线形成，所述金属帘线在帘布层的整个宽度上连续，并以等于18
°
的角度定向，
[0062]-第二工作层52，所述第二工作层52由未包覆的不可延伸的11.35金属帘线形成，所述金属帘线在帘布层的整个宽度上连续，并以等于26
°
的角度定向且与第一工作层的金属帘线交叉，
[0063]-保护层53，所述保护层53由未包覆的弹性的6.35金属帘线形成，所述金属帘线在帘布层的整个宽度上连续，以等于26
°
的角度定向并且方向与工作层52的金属帘线相同。
[0064]
根据本发明，胎面6由嵌入纤维的弹性体配混物层构成。
[0065]
弹性体配混物在环境温度和5％变形下沿垂直于胎面表面的方向测量的纵向弹性模量等于5.2mpa。
[0066]
弹性体配混物的tan(δ)-20℃值等于0.35。
[0067]
所述纤维是平均长度等于4mm并且平均直径为23微米的pet纤维。
[0068]
弹性体配混物层中的纤维的体积百分比为5％。
[0069]
胎面通过叠加弹性体配混物层而制成并且根据专利wo2017/109336中描述的方法制备，所述弹性体配混物由厚度为2mm的非金属纤维增强。增强的弹性体配混物层被定向从而使纤维的优选方向为轴向方向，并且胎面通过堆叠多个层以达到所需厚度而形成。
[0070]
由非金属纤维增强的弹性体配混物在环境温度和5％变形下沿纤维的方向测量的纵向弹性模量等于49mpa。
[0071]
图2示意性地示出了轮胎表面22与地面接触的接触斑块21，轮胎安装在其标称轮辋上，充气至其标称压力并经受其标称负载。在该轮胎表面22上，可以看到胎面花纹在轴向方向的中心部分上由介于两个周向肋部24之间的块23组成，所述两个周向肋部24位于轮胎表面22的轴向外部。
[0072]
在该图2中进一步示出了沿轴向方向定向并沿纵向在接触斑块的中心处的轴线25。
[0073]
图3示意性地显示了胎面花纹块23，其中与地面接触的表面在穿过与地面接触的表面的重心的纵向方向上的中心沿纵向位于接触斑块的中心处，因此位于轴线25上。在该图3中还显示了块23与地面接触的表面的最大惯性矩(直线26)和最小惯性矩(直线27)相关联的两个方向。在与最大惯性矩26相关联的方向周围示出了根据本发明的非金属纤维在两个直线28、29之间的定向范围，所述两个直线28、29分别以30
°
设置在方向26的两侧。
[0074]
图4示意性地显示了胎面花纹肋部24。在肋部24周向连续的情况下，与地面接触的表面在穿过与地面接触的表面的重心的纵向方向上的中心沿纵向连续地位于接触斑块的中心处，因此位于轴线25上。在该图4中显示了肋部24与地面接触的表面的最大惯性矩(直线36)和最小惯性矩(直线37)相关联的两个方向。在与最大惯性矩36相关联的方向周围示出了根据本发明的非金属纤维在两个直线38、39之间的定向范围，所述两个直线38、39分别以30
°
设置在方向36的两侧。
[0075]
在如图1所示的根据本发明的轮胎的情况下，非金属纤维沿轴向方向定向，因此所述非金属纤维和肋部4与地面接触的表面的最大惯性矩相关联的方向形成基本上零角度。
[0076]
在胎面花纹与图2的胎面花纹相似的轮胎的情况下，本发明可以设置成非金属纤维的定向根据测量的轴向位置而变化。换句话说，非金属纤维的定向可以根据图2的位置是块23还是肋部24而设置为不同。
[0077]
基于下述弹性体配混物a及其性质制备轮胎。
[0078][0079]
组分的值用phr(每百份橡胶/弹性体的重量份)表示。
[0080]
根据对应于通常生产的构造制备参比轮胎r，其在形成胎面表面的弹性体配混物层中不包括纤维。胎面由混合物a制成。
[0081]
根据如图1所示的本发明的轮胎t结合混合物a以形成胎面，所述混合物a形成弹性体配混物层，所述弹性体配混物层(如上所述的纤维插入其中)形成胎面表面。
[0082]
根据iso 15222标准，在相同的行驶条件下对每个轮胎在湿地面上的抓地力进行了测量。测量结果如下表所示，为轮胎r指定100的值。
[0083]
大于100的值表示抓地力性能更好。
[0084]
轮胎r轮胎t100103
[0085]
这些值证明：在形成胎面表面的弹性体配混物中存在非金属纤维的优点是限制胎面在穿过与地面接触的接触斑块时的变形(所述变形引起寄生力)，从而有助于轮胎在湿地面上的更好的抓地力。
[0086]
在模拟高速公路式环线的轨道上进行磨损测试。将根据本发明的轮胎t与参比轮胎r进行比较。
[0087]
所有轮胎的行驶条件是相同的；充气压力为9巴并且轮胎经受3750kg的负载，轮胎安装至重型车辆的转向轴的两个位置。平均行驶速度为70km/h。
[0088]
在轨道上进行的磨损测试中，测量给定里程之后的平均重量损失。所进行的测试表明，对于相同的重量损失，根据本发明的轮胎t已经覆盖了等同于参比轮胎r的里程的里程。

技术特征：
1.轮胎(1)，其具有径向胎体增强件(2)并包括胎冠增强件(5)，所述胎冠增强件(5)本身由胎面(6)沿径向覆盖，所述胎面(6)通过两个胎侧接合至两个胎圈，所述胎面(6)包括形成至少一个胎面花纹元件的沟槽，所述胎面包括形成轮胎的胎面表面的至少一个弹性体配混物层，其特征在于，所述至少一个弹性体配混物层由非金属纤维增强，所述非金属纤维基本上平行于胎面的外表面布置，其中至少40％的非金属纤维沿相对于惯性主轴线形成小于30％的角度的方向定向，所述惯性主轴线与所述至少一个胎面花纹元件的与地面接触的表面的最大惯性矩相关联，所述与地面接触的表面在穿过所述与地面接触的表面的重心的纵向方向上的中心沿纵向位于接触斑块的中心处，轮胎在标称轮辋上经受其标称负载并充气至其标称压力，并且所述至少一个弹性体配混物层在环境温度下沿至少一个平行于胎面表面的方向测量的纵向弹性模量的值大于所述至少一个弹性体配混物层在环境温度下沿垂直于胎面表面的方向测量的纵向弹性模量的值的5倍。2.根据权利要求1所述的轮胎(1)，其特征在于，所述至少一个弹性体配混物层在环境温度下沿至少一个平行于胎面表面的方向测量的纵向弹性模量的值小于所述至少一个弹性体配混物层在环境温度下沿垂直于胎面表面的方向测量的纵向弹性模量的值的20倍，优选小于10倍。3.根据权利要求1或2中任一项所述的轮胎(1)，其特征在于，形成胎面表面的层的由非金属纤维增强的弹性体配混物的tan(δ)-20℃值严格小于0.50。4.根据权利要求1至3中任一项所述的轮胎(1)，其特征在于，非金属纤维的长度在0.5和10mm之间，优选在2和5mm之间。5.根据权利要求1至4中任一项所述的轮胎(1)，其特征在于，非金属纤维的平均厚度在5和40μm之间，优选在10和30μm之间。6.根据权利要求1至5中任一项所述的轮胎(1)，其特征在于，非金属纤维的形状因子在12.5和2000之间，优选在100和1000之间。7.根据权利要求1至6中任一项所述的轮胎(1)，其特征在于，非金属纤维的杨氏模量在0.5和500gpa之间，优选在0.5和50gpa之间。8.根据前述权利要求中任一项所述的轮胎(1)，其特征在于，形成轮胎胎面表面的弹性体配混物层中存在的非金属纤维的含量在2.5和10体积％之间，优选在5和7.5体积％之间。9.根据前述权利要求中任一项所述的轮胎(1)，其特征在于，织物纤维选自天然纤维，例如棉、亚麻、大麻或竹。10.根据前述权利要求中任一项所述的轮胎(1)，其特征在于，所述至少一个弹性体配混物层在基本上彼此垂直的两个主定向上包括非金属纤维，并且所述至少一个弹性体配混物层在环境温度下沿至少两个平行于胎面表面的方向测量的纵向弹性模量的值大于所述至少一个弹性体配混物层在环境温度下沿垂直于胎面表面的方向测量的纵向弹性模量的值的5倍。

技术总结
本发明涉及具有径向胎体增强件的轮胎，所述轮胎包括胎冠增强件，所述胎冠增强件本身由胎面沿径向覆盖，所述胎面通过两个胎侧接合至两个胎圈。根据本发明，形成轮胎的胎面表面的弹性体配混物层由非金属纤维增强，从而能够改进在湿地面上的抓地性。进在湿地面上的抓地性。进在湿地面上的抓地性。


技术研发人员：P
受保护的技术使用者：米其林集团总公司
技术研发日：2021.11.15
技术公布日：2023/8/9