优化的轮胎结构的制作方法

本发明涉及一种子午线轮胎，其旨在装配至货车、轻型卡车、重载或施工场地类型的载荷运输车辆以及某些农用车辆。本发明更特别地涉及这种轮胎的胎冠增强件。

背景技术：

1、在欧洲轮胎和轮辋技术组织或etrto标准的含义内指定了旨在装配至这些车辆的子午线轮胎。本发明涉及一种载荷指数大于110(即标称载荷大于1050kg)的轮胎，其旨在安装到直径至少等于16英寸的轮辋上。

2、在欧洲轮胎和轮辋技术组织或etrto标准的含义内，用于施工场地类型的重型车辆的子午线轮胎旨在安装到直径至少等于25英寸的轮辋上。尽管不限于这种类型的应用，但本发明特别地针对大尺寸且承载的标称载荷大于20000kg的子午线轮胎进行描述，所述子午线轮胎旨在通过直径至少等于35英寸(可能高达57英寸，或甚至63英寸)的轮辋安装到自卸车上，特别是安装到用于运输从采石场或露天矿山开采的材料的车辆上。

3、在欧洲轮胎和轮辋技术组织或etrto标准的含义内，用于重载车辆的子午线轮胎旨在安装到直径至少等于17.5英寸且至多等于24英寸(对于载荷指数大于126，即标称载荷大于1650kg)的轮辋上。

4、本发明所涉及的用于货车的子午线轮胎的载荷指数大于110，即标称载荷大于1050kg，并旨在安装到直径至少等于16英寸但小于20英寸的轮辋上。

5、本发明所涉及的用于农用车辆的子午线轮胎的载荷指数大于132，即标称载荷大于2000kg，并旨在安装到直径至少等于18英寸的轮辋上。

6、表述“本发明所涉及的用于车辆的子午线轮胎”指的是如上所述的所有轮胎、货车、重型车辆、施工场地车辆和农用车辆。

7、由于轮胎的几何形状呈现出围绕旋转轴线的旋转对称性，因此通常在包含轮胎旋转轴线的子午平面中描述轮胎的几何形状。对于给定的子午平面，径向方向、轴向方向和周向方向分别表示垂直于轮胎的旋转轴线的方向、平行于轮胎的旋转轴线的方向和垂直于子午平面的方向。周向方向与轮胎的圆周相切。

8、在下文中，表述“沿径向位于内侧”和“沿径向位于外侧”分别意指“更接近轮胎的旋转轴线”和“更远离轮胎的旋转轴线”。“沿轴向位于内侧”和“沿轴向位于外侧”分别意指“更接近轮胎的赤道平面”和“更远离轮胎的赤道平面”，轮胎的赤道平面为经过胎面表面的中间并且与旋转轴线垂直的平面。

9、一般来说，垂直于轮胎的旋转轴线并经过胎面中心的中间周向平面(称为赤道面或赤道平面)，将轮胎切割成两个相对于所述平面基本对称的半环面，允许有与沿径向位于胎面内侧的轮胎部分相关的铺设变化。

10、通常，轮胎包括胎面，所述胎面旨在通过胎面表面与地面接触，所述胎面的两个轴向端部通过两个胎侧连接至两个胎圈，所述两个胎圈提供轮胎和旨在安装轮胎的轮辋之间的机械连接。

11、子午线轮胎还包括由沿径向位于胎面内侧的胎冠增强件和沿径向位于胎冠增强件内侧的胎体增强件构成的增强件。

12、用于本发明所涉及车辆的子午线轮胎的胎体增强件通常包括至少一个胎体层，所述胎体层包括增强体或增强元件，所述增强体或增强元件通常为金属但有时也为织物(特别是对于货车轮胎)并涂覆有通过掺合获得并称为涂覆配混物的弹性体类型或弹性类型的聚合物材料。胎体层包括主要部分，所述主要部分将两个胎圈连接在一起，并通常在每个胎圈中从轮胎的内侧至外侧围绕通常称为胎圈线的金属周向增强元件缠绕，从而形成卷边。胎体层的增强体基本上相互平行，并与周向方向形成在80°至100°之间的角度。

13、用于本发明所涉及车辆的子午线轮胎的胎冠增强件包括沿径向位于胎体增强件外侧的沿周向延伸的叠加胎冠层。每个胎冠层通常由金属增强体构成，所述金属增强体相互平行并涂覆有弹性体类型或涂覆配混物类型的聚合物材料。

14、用于本发明所涉及车辆的子午线轮胎的胎冠增强件包括至少两个具有金属横向增强体的层，所述具有横向增强体的层的金属增强体在赤道平面处与周向方向形成至少等于10°且至多等于70°的定向角，两个具有横向增强体的层的至少两个角度具有相反的符号，至少一个具有横向增强体的层的金属增强体具有至少等于80dan的断裂强度。这些胎冠层的作用是吸收一些膨胀力和横向力，因此它们通常被称为工作层。它们在赤道平面处的铺设角为通常在等于15°至45°之间的定向角。对于用于本发明所涉及车辆的子午线轮胎，为了承受载荷，标称充气压力大于4巴或甚至5巴(对于货车轮胎)，以及7巴至9巴(对于重型轮胎)。这种压力要求具有横向增强体的层的金属增强体具有最小的断裂力。对于农用轮胎，在越野使用时的压力较低，但考虑到载荷，所使用的金属增强体也具有至少等于80dan的断裂强度。

15、对于用于本发明所涉及车辆的子午线轮胎，在胎冠层中，通常在一个或多个保护层和工作层之间进行区分，所述保护层构成保护增强件并且沿径向位于最外侧，所述工作层构成工作增强件并且沿径向介于保护增强件和胎体增强件之间。保护层通常只吸收很小的横向力，要么保护层与周向方向的铺设角比工作层的铺设角更接近90°，要么工作层的增强体比一个或多个保护层的增强体更硬。

16、包括至少一个保护层的保护增强件基本上保护工作层免受机械攻击或物理化学攻击，这些攻击可能通过胎面沿径向朝向轮胎的内部传播。

17、保护增强件通常包括用于本发明所涉及的货车、重载车辆、农用车辆的轮胎的保护层，以及用于施工场地车辆的通常两个保护层。则保护层径向叠加，由可延伸的金属增强体构成，所述金属增强体在每个层中相互平行并从一个层至另一个层交叉，且与周向方向形成至少等于10°的角度。

18、包括至少两个工作层的工作增强件的功能在于环绕轮胎并赋予其刚度和抓地力。所述工作增强件吸收机械充气应力和由行驶造成的机械应力，所述机械充气应力由轮胎充气压力产生并通过胎体增强件传递，所述由行驶造成的机械应力由轮胎在地面上的行驶产生并通过胎面传递。由于所述工作增强件的固有设计和负责保护其他胎冠层免受外部攻击、撕裂或其他刺穿的保护增强件的设计，所述工作增强件还旨在承受氧化、冲击和刺穿。

19、因此，径向叠加的两个工作层由以下金属增强体构成：所述金属增强体通常为非延伸的，或者可延伸性小于一个或多个保护层的金属增强体。工作层的金属增强体在每个层中相互平行并从一个层至另一个层交叉，且与周向方向形成至多等于60°，优选至少等于10°且至多等于45°的角度。为了令人满意地吸收径向力和横向力，设计者寻求最大限度地提高工作层的增强元件的断裂力。

20、为了降低传递至工作增强件的机械充气应力，已知的实践是在胎冠增强件中设置由一个或多个环箍层构成的环箍增强件。环箍增强件的功能在于至少部分地吸收机械充气应力，其通过加强胎冠增强件来改善胎冠增强件的耐久性。环箍增强件可以沿径向位于工作增强件的内侧，在工作增强件的两个工作层之间，或者沿径向位于工作增强件的外侧。

21、在施工场地类型的应用中，环箍增强件可以包括两个径向叠加的环箍层，所述环箍层由金属增强体形成，所述金属增强体在每个层中相互平行并从一个层至另一个层交叉，且与周向方向形成至多等于10°但至少等于5°的角度。在这种情况下，环箍层的增强元件被分层铺设，并在小于轮胎围绕旋转轴线的一圈内从所述环箍层的一个轴向边缘延伸到另一个轴向边缘。

22、在重型类型的应用中，环箍增强件通常包括由金属增强体构成的环箍层，所述金属增强体相互平行，且与周向方向形成至多等于10°的角度。

23、环箍层通过沿周向缠绕环箍丝线或连续环箍条带而产生，所述环箍丝线或连续环箍条带与周向方向形成至多等于5°的角度。

24、关于金属增强体，金属增强体的机械特征在于表示施加至金属增强体的拉伸力(以n计)随其相对伸长(以％计)变化的曲线，所述曲线被称为力-伸长曲线。通过该力-伸长曲线推出金属增强体的机械拉伸特征(例如结构伸长as(以％计)、总断裂伸长at(以％计)、断裂力fm(最大负荷，以n计)和断裂强度rm(以mpa计))，这些特征根据2014年的标准astm d2969-04测得。

25、根据定义，金属增强体的总断裂伸长at为特别在断裂时(此时每种伸长都不为零)其结构伸长、弹性伸长和塑性伸长之和(at＝as+ae+ap)。结构伸长as由构成金属增强体的金属丝线在低拉伸力下的相对定位产生。弹性伸长ae由构成金属增强体的金属丝线(单独考虑)的金属的实际弹性产生，所述金属的行为遵循胡克定律。塑性伸长ap由这些金属丝线(单独考虑)的金属的塑性(即超过屈服点的不可逆变形)产生。这些不同的伸长及其各自的含义是本领域技术人员公知的，并且描述于例如文献us5843583、wo2005/014925和wo2007/090603中。

26、在金属增强体的力-伸长曲线上的每个点处，还定义了以gpa表示的拉伸模量，其表示在该点处与应力-伸长曲线相切的直线的斜率。特别地，应力-伸长曲线的弹性线性部分的拉伸模量被称为拉伸弹性模量或杨氏模量。

27、在金属增强体中，通常在可延伸金属增强体(例如在保护层中使用的那些金属增强体)和不可延伸或非延伸的金属增强体(例如在工作层中使用的那些金属增强体)之间进行区分。

28、可延伸金属增强体在其非橡胶化状态下的特征在于结构伸长as至少等于1％，且总断裂伸长at至少等于3％。此外，可延伸金属增强体的拉伸弹性模量或杨氏模量至多等于180gpa，通常在40gpa至150gpa之间。

29、在其从聚合物基质(即轮胎)中取出的橡胶化状态下，可延伸金属增强体的特征在于结构伸长as至少等于0.5％，总断裂伸长at至少等于3％，聚合物基质阻止了丝线的造成结构伸长的一些运动。此外，可延伸的金属增强体在其从聚合物基质中取出的橡胶化状态下的拉伸弹性模量或杨氏模量至多等于150gpa，通常在40gpa至120gpa之间。

30、非延伸的金属增强体的特征在于，在等于断裂力fm的10％的拉伸力下，总伸长at至多等于0.2％。此外，非延伸的金属增强体的拉伸弹性模量通常在150gpa至200gpa之间。

31、本发明所涉及的车辆除了承受载荷并因此具有一定的压力外，还用于在其行驶的地面、正在施工的地面、轨道、自卸车行驶的矿山道路以及用于相关农用轮胎的森林道路上存在石块或其他或多或少尖锐物体的地形。轮胎的胎冠频繁经受切割，这些切割可能沿径向向内穿过胎冠，并且取决于物体的尺寸，刺穿胎冠增强件和胎体增强件组件，造成压力损失并导致轮胎失效。已知在保护层中使用可延伸的金属增强体，通过使所述保护层更好地适应障碍物的形状来提高轮胎的抗刺穿性；然而，考虑到大尺寸轮胎的成本以及此类事故的发生频率，提高防刺穿性能仍然十分重要。

32、对于用于货车类型、重载类型、施工场地类型或农用类型的重型车辆且载荷指数大于110或标称载荷大于1050kg的子午线轮胎，发明人为其设定的目标是，在控制胎冠增强件质量的同时，降低轮胎在碾过尖石时胎面受到攻击而被刺穿的风险。

技术实现思路

1、根据本发明，通过用于货车类型、重载类型、施工场地类型或农用类型的重型车辆且载荷指数大于110或标称载荷大于1050kg的子午线轮胎已经实现了这一目标，所述轮胎包括：

2、·胎冠增强件，所述胎冠增强件沿径向位于胎体增强件的外侧，并且沿径向位于胎面的内侧，

3、·所述胎面通过两个胎侧连接至位于中间周向平面(称为赤道平面)两侧的两个胎圈，所述中间周向平面垂直于轮胎的旋转轴线并经过胎面的中心，

4、·所述胎体增强件在两个胎圈之间延伸，

5、·所述胎冠增强件包括至少两个具有横向金属增强体的层，每个层具有表面金属密度，

6、·所述具有横向增强体的层的金属增强体在赤道平面处与周向方向形成至少等于10°且至多等于70°的定向角，两个具有横向增强体的层的至少两个角度具有相反的符号，至少一个具有横向增强体的层的金属增强体具有至少等于80dan的断裂强度，

7、·所述胎冠增强件包括至少一个沿径向位于最外侧的防刺穿层，所述防刺穿层具有表面金属密度，

8、·所述至少一个防刺穿层是由金属环组装而成的锁子甲，所述金属环由铁合金制成并具有外径(d)，所述锁子甲涂覆有至少一种聚合物材料，

9、·所述至少一个防刺穿层的表面金属密度至多等于具有横向增强体的层的表面金属密度总和的70％。

10、对于胎冠层为织物且质量是主要关注点的轮胎，本发明并不是有利的技术方案。对于载荷指数较低的轮胎，如乘用车辆轮胎，其用途限于沥青路面，其标称压力和载荷指数使其适合吸收通常的冲击力。对于这种用途，使用者对本发明的兴趣不大。

11、本发明包括载荷指数大于110并且胎冠增强件包括至少两个具有金属横向增强体的层的子午线轮胎。当增强体为非弹性增强体时，这两个具有横向增强体的层通常被称为工作层。它们的作用是吸收转弯时的力(特别是横向力)以及部分(如果不是全部)轮胎压力。在这种结构中，至少一个具有横向增强体的层的金属增强体具有至少等于80dan的断裂强度。

12、如果胎冠增强件包括环箍增强件，其金属增强体与轮胎的周向方向形成至多等于10°的角度，则横向层的增强体仅吸收部分压力和离心力。

13、具有横向增强体的层的增强元件可以是弹性的，也可以是非弹性的。因此，它们的拉伸弹性模量或杨氏模量至少等于40gpa。具体地，仅包括弹性增强体的轮胎，只要增强体的弹性与其在轮胎中的各种功能相平衡，就能显示出其在某些性能品质方面的优势，特别是在胎冠抗冲击方面。根据现有技术的这些轮胎包括至少一个沿径向位于最外侧的保护层。保护层与具有横向增强体的层的不同之处在于，保护层的弹性模量明显小于具有横向增强体的层的弹性模量，或者保护层的结构伸长as明显大于具有横向增强体的层的结构伸长as。在这两种情况下，它只能吸收非常小的横向力。发明人出乎意料地发现，用涂覆有至少一种聚合物材料的金属环的锁子甲(这种锁子甲与一个或多个保护层相比，质量相当或甚至质量更轻)取代一个或多个保护层，尽管锁子甲的环的钢材断裂强度远低于保护层的高强度钢材，并且防刺穿层由于其结构的原因，断裂强度比保护层低一个数量级，但还是提高了胎冠的抗冲击性能，尤其是在带有斜面端部的致凹体更容易刺穿轮胎的情况下。

14、为了测量所述层的表面密度，本领域技术人员所公知的解决方案是对轮胎上具有金属增强体的层的全部或部分进行取样。样品优选为矩形，其宽度与轮胎中层的宽度相同，长度接近所述宽度。测量所述样品的表面后，通过本领域技术人员已知的机械化学方法去除样品的橡胶配混物，然后称量样品的金属质量，从而允许计算出相关胎冠层的表面密度。

15、一种优选的制造方法是，将锁子甲以有拉伸或无拉伸的规则方式铺设在第一层橡胶配混物或涂覆材料上，然后与第二层橡胶配混物一起压延。因此，这些圆环以周向规则排列的方式彼此保持相对位置。这一阶段特别重要，因为锁子甲具有极高的变形能力。这种防刺穿层在纵向方向的拉伸下根据标准astm e8测量的断裂伸长至少等于120％，并且在锁子甲未绷紧(即间距较小)铺设的情况下优选至少等于140％。该值与现有产品保护层的至多10％的伸长形成对比。这一特征似乎更能说明其性能，因为测试的防刺穿层的断裂强度明显低于所述通常的保护层。此外，这种高可变形性是锁子甲的主要优点之一，因为它非常柔韧，对轮胎在其负载或运行时的挤压引起的弯曲和压缩变形没有抵抗力。因此，防刺穿层可以毫无问题地设置在离胎冠增强件的中轴线有一定距离的位置处。防刺穿层的柔韧性使其能够在距离胎冠增强件中轴线一定距离的位置处承受拉伸-压缩循环而不会损坏，而在该位置处，具有横向金属增强体的层、环箍层或保护层会因疲劳而迅速断裂。

16、此外，这种层对轮胎滚动阻力的影响与其橡胶配混物体积的贡献数量级相当。因此，作为一个或两个保护层的替代品，它的使用不会损害这一性能品质。

17、优选地，至少一个防刺穿层是锁子甲，其组装方式根据本领域技术人员的表达称为1环扣4环。这就意味着，除了位于防刺穿层端部(特别是轴向端部)的环之外，4个环穿过任何一个环。更确切地，锁子甲由环组装而成，其中除了位于防刺穿层横向端部的环之外，每个环都与另外四个环相互交错，从而构成了分别由纵列环和横排环组成的网格。也有1环扣6环或2环扣8环的组装方式，然而就每个防刺穿层的厚度而言，这些排列不是最佳的。

18、由于锁子甲形成了分别由纵列环和横排环组成的网格，因此可以测量纵向间距和横向间距，间距是同一纵列(或横排)上两个连续环之间的距离。优选的解决方案是，至少一个防刺穿层的纵向间距或横向间距分别为环外径的0.5倍至0.7倍之间。这样铺设的防刺穿层比绷紧铺设的锁子甲具有更好的效果。出人意料地，为了有效地承受刺穿，似乎不适合立即提供相对于致凹体的一定刚度，而是首先变形，然后提供刚度。在从轮胎取样的织物上测量纵向铺设间距或横向铺设间距。当锁子甲的环以规则的方式布置时，环是以横线和纵线布置的。在去除沿径向位于防刺穿层外侧的橡胶配混物时，除了位于防刺穿层边缘的环之外，对于每个环都有纵向或横向的相邻环，相邻环的中心分别位于纵向或横向的同一轴线上，定位误差大约为环外径的正负25％。纵向间距(或横向间距)是这两个纵向(或横向)相邻环的两个中心点之间的纵向(或横向)距离。这种测量方法是本领域技术人员已知的，用于在具有金属增强体的各种层上垂直于帘线进行测量。

19、橡胶配混物和防刺穿层的径向厚度是在穿过轮胎的子午截面(通过在两个子午平面上切割轮胎而获得)上测量的。例如，轮胎子午截面在周向方向上在胎面处具有约60mm的厚度。在两个胎圈之间的距离与安装在轮辋上并轻度充气的轮胎保持相同的情况下进行测量。在围绕轮胎分布的多个子午截面上进行测量，并进行统计处理，以评估在轮胎周长上的平均值。从金属增强体的边缘到边缘进行测量。因此，橡胶配混物的径向厚度是具有金属增强体的层的帘线沿径向邻近防刺穿层的径向最外边缘到防刺穿层的环的径向最内边缘的径向厚度。防刺穿层的径向厚度是防刺穿层的环的两个边缘(径向最内边缘和径向最外边缘)之间的径向厚度。

20、有利的解决方案是，至少一个防刺穿层的环是按重量百分比计的碳含量小于0.2％的钢材。这大大提高了将环的两个端部焊接在一起的可能性，从而获得根据本发明的锁子甲。

21、类似地，为了使每个环的端部更容易焊接在一起以使环自身闭合，有利的解决方案是使至少一个防刺穿层的环由按重量百分比计的铬含量大于10.5％的钢材制成。涂覆配混物必须粘附至锁子甲，否则，在横向力的作用下，锁子甲的宽度上会迅速产生裂纹，导致与胎面部分和轮胎其余部分分离。因此，要对锁子甲的环进行化学处理，以使橡胶配混物粘附至锁子甲的环，这是本领域技术人员已知的工艺。

22、经验表明，对于相同质量的金属，间距较小的单个防刺穿层比间距较大的两个防刺穿胎冠层更有利。因此，为了节省重量，包括单个防刺穿层的胎冠增强件更有利。

23、优选的解决方案是通过具有径向厚度的橡胶配混物将防刺穿层与具有金属增强体的最近胎冠层分隔开，所述径向厚度在赤道平面处至少等于防刺穿层的径向厚度的0.5倍，优选至少一倍。经验表明，防刺穿层和具有金属增强体的最近胎冠层的脱离对抵抗斜面致凹体的冲击具有非常有利的效果。考虑到防刺穿层在压缩和拉伸中的柔韧性，这个位置对于防刺穿层来说是完全可以接受的。由帘线和橡胶配混物构成的保护层会在压缩下断裂，从而远离胎冠增强件的中轴线。具有金属增强体的最近胎冠层可以是具有横向增强体的层或环箍层，视情况而定。

技术特征：

1.一种子午线轮胎(1)，其用于货车类型、重载类型、施工场地类型或农用类型的重型车辆，具有的载荷指数大于110或者标称载荷大于1050kg，所述子午线轮胎(1)包括：

2.根据权利要求1所述的轮胎，其中，所述至少一个防刺穿层(311)为组装方式被称为1环扣4环的锁子甲。

3.根据前述权利要求中任一项所述的轮胎，其中，所述至少一个防刺穿层(311)的纵向间距(p)或横向间距(p)分别为环外径(d)的0.5倍至0.7倍之间。

4.根据前述权利要求中任一项所述的轮胎，其中，所述至少一个防刺穿层(311)的环由按重量百分比计的碳含量小于0.2％的钢材制成。

5.根据前述权利要求中任一项所述的轮胎，其中，所述至少一个防刺穿层(311)的环由按重量百分比计的铬含量大于10.5％的钢材制成。

6.根据前述权利要求中任一项所述的轮胎，其中，所述胎冠增强件(3)包括单个防刺穿层(311)。

7.根据权利要求6所述的轮胎，其中，通过具有径向厚度(e)的橡胶配混物将防刺穿层(311)与具有金属增强体的最近胎冠层分隔开，所述径向厚度(e)在赤道平面处至少等于所述防刺穿层(311)的径向厚度的0.5倍，优选至少一倍。

8.根据前述权利要求中任一项所述的轮胎，其中，根据标准astm e8测量的所述防刺穿层(311)在纵向拉伸下的断裂伸长至少等于120％，优选140％。

技术总结
本发明涉及一种用于重型车辆的载荷指数大于1050kg的子午线轮胎，所述子午线轮胎包括胎冠增强件(3)，所述胎冠增强件(3)包括至少两个具有横向金属增强件的层(321、322)，所述横向金属增强件与周向方向形成以相反符号定向的至少等于10°且至多等于70°的角度，并且具有至少等于80daN的断裂强度。所述胎冠增强件包括至少一个沿径向位于最外侧的防刺穿层，所述防刺穿层由铁合金的金属环的网格组成，所述网格嵌入至少一种聚合物材料中，防刺穿层的质量至多为其他胎冠层质量的70％。

技术研发人员：W·莱森斯,O·雷克斯,E·乔安纳特,L·德凯瑞特
受保护的技术使用者：米其林集团总公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23