专利名称：充气轮胎的制作方法
技术领域：
本发明涉及充气轮胎，更具体而言，涉及适合于重载轮胎如卡车/公共汽车轮胎、能够改善胎圈耐久性的胎圈结构。
背景技术：
近年来，作为适合于重载轮胎的胎体安全结构，已经提出了如图5中所示的边缘部分(a2)围绕胎圈芯(b)缠绕几乎一圈的胎体层(a1)，如日本专利申请公开No.JP-A-2005-162057中所公开(还公开在家族专利US2005/0081976A1和CN1605481A中)。该结构有助于显著减小轮胎重量，并且还具有如下优点由于缠绕部分(a2)的终端(a2e)位于胎圈芯(b)附近相对稳定的区域，因此可以防止易于从胎体层终端开始出现的胎圈破坏，如帘线松脱和帘布层分离。
另一方面，由于胎体层在胎圈芯(b)的轴向内部从轮胎的轴向内部向外部缠绕，因此当轮胎充气时，胎体层(a1)沿径向向外被拉伸。对于重载轮胎而言，与轿车轮胎相比，这种轮胎充气压力非常高，通常为600-800kPa，并且径向向外的张力(F)倾向于使胎圈芯(b)转动，如图5中箭头M所示。因此，如果胎圈芯(b)转动，那么胎趾(ct)就从轮辋的胎圈座(d)处升高，同时伴随着胎体层的径向向外运动。同样地，如果构成胎圈芯(b)的胎圈钢丝在其轴向内侧部位的排列紊乱，则胎趾(ct)升高。因此，胎圈耐久性进一步劣化。
如果这种情况即胎趾(ct)升高的情况持续长时间，那么胎趾(ct)很容易永久变形。因此，如果轮胎一旦从轮辋上移除，就难以重新安装轮胎，这是因为注入到轮胎中使轮胎充气并使胎圈部分处于合适位置处的大部分空气通过胎圈底部和胎圈座之间泄漏。即使重新安装好了，也有可能在非常恶劣的工作条件下发生胎圈脱位以及耐久性变差。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种充气轮胎，其中在轮辋上的可重装性和胎圈耐久性可以通过使用对抗胎体层径向向外的张力而难于转动且难于变形的胎圈芯来改善。
根据本发明，充气轮胎包括胎面部分；一对胎壁部分；一对其中具有胎圈芯的胎圈部分和胎体层，所述胎体层在胎圈部分之间延伸，穿过胎面部分和胎侧部分并围绕每个胎圈部分中的胎圈芯从轮胎的轴向内侧向轴向外侧缠绕以形成一对缠绕部分和位于其间的主体部分，其中所述胎圈芯具有沿基本平行于胎圈部分底部的方向拉长的横截面形状，使得其沿该方向测量的宽度(WC)为其沿垂直于该方向测量的高度(HC)的1.5-2.5倍，并且所述胎圈芯覆盖有复合弹性模量E*1为20-100Mpa并且厚度t1为0.5-3.0mm的高模量橡胶层。
在本说明书中，除非另有说明，“复合弹性模量”是指使用粘弹谱仪在下列条件下测得的值温度70℃，频率10Hz，初始应变10％，以及动态应变+/-1％。
图1是根据本发明的重载轮胎的截面图。
图2是其胎圈部分的放大截面图。
图3是以进一步放大的形式描述胎圈部分的主要部件的示意性截面图。
图4是下述比较试验中对比轮胎(对比1)中所用传统胎圈结构的截面图。
图5是描述现有技术的胎圈结构的截面图。
具体实施例方式
现在将结合附图描述本发明的实施方案。
在附图中，根据本发明的充气轮胎1包括胎面部分2；一对轴向间隔的胎圈部分4，其中各自具有胎圈芯5；在胎面边缘和胎圈部分之间延伸的一对胎侧部分3；在胎圈部分4之间延伸的胎体6；和在胎面部分内、胎体6外侧径向放置的带束层7。
在该实施方案中，轮胎1是卡车/公共汽车子午线轮胎，其将要安装在作为标准轮辋的具有15度锥度的中心凹陷的轮辋上。如轮胎领域中众所周知的，轮辋(J)包括一对用于胎圈部分4的胎圈座(Js)；胎圈座(Js)之间用于安装操作的轮辋槽(未示出)和从每个胎圈座(Js)的轴向外端径向向外延伸的轮辋凸缘(Jf)。
因此，在该实施方案中，胎圈座(Js)各自具有轴向向内15度的锥度。另一方面，对于轮胎1的胎圈部分4而言，胎圈底部具有一定的锥度，所述锥度与胎圈座(Js)的锥度相同或稍(至多两或三度)大于胎圈座(Js)的锥度以适合于胎圈座。
在图1中，示出轮胎1的测量状态。测量状态是将轮胎安装在标准轮辋(J)上并充气到50kPa但是没有轮胎负荷的状态。所述标准轮辋是由标准化组织正式批准的轮胎轮辋，所述标准化组织即JATMA(日本和亚洲)、T&RA(北美洲)、ETRTO(欧洲)、STRO(斯堪的纳维亚)等。因此，所述标准轮辋是JATMA中规定的“标准轮辋”、ETRTO中的“测量轮辋”、TRA中的“设计轮辋”等。
在本说明书中，轮胎各部件或部分的“尺寸”均在该测量状态下测量，除非另有说明。
上述带束层7包括两层高模量高强度帘线的交叉缓冲层7A和7B，所述高模量高强度帘线例如钢丝帘线、高模量有机纤维帘线等。对于重载轮胎而言，带束层7通常由三层或四层钢丝帘线组成。因此，在该实施例中的带束层7由最宽的径向最内层7A、第二宽的中间层7B和最窄的径向最外层7C组成，其中径向最内层7A由相对于轮胎中纬线C以45-75度角排列的平行帘线制成，中间层7B和径向最外层7C各自由相对于轮胎中纬线C以10-35度的较小角度排列的平行帘线制成。
胎体6包括至少一层钢丝帘线层6A，其用挂胶橡胶6G挂胶处理并相对于轮胎中纬线C以80-90度角径向排列。优选地，挂胶橡胶6G具有4-20MPa的复合弹性模量E*3。
胎体层6A在胎圈部分4之间延伸，穿过胎面部分2的和胎侧部分3，并且其两个边缘部分分别围绕胎圈部分4中的胎圈芯5从轮胎轴向内侧向轴向外侧缠绕几乎一圈，由此胎体层6A提供有一对缠绕部分6b和其间的主体部分6a。在该实施方案中，胎体6由单帘布层6A组成，其中钢丝帘线以90度角排列。
胎圈芯5通过将至少一根胎圈线5w有序缠绕成预定的截面形状而形成。因此，胎圈芯由至少一根胎圈线5w的绕组构成。在该实施例中，胎圈线5w是钢制单丝。
在本发明中，为了防止胎圈芯转动和胎趾升高，胎圈芯5的截面形状沿轴向向内拉长，以便接近胎趾4t。更具体而言，该实施方案中胎圈芯5的截面形状沿平行于胎圈底部的方向(De)拉长，所述胎圈底部如上所述倾斜15度。沿该拉长方向(De)测量的胎圈芯5的宽度WC设定为沿垂直于拉长方向(De)测量的胎圈芯5的高度HC的至少1.5倍、但至多2.5倍的范围内。换句话说，截面形状的宽高比WC/HC设定在1.5-2.5的范围内。
至于截面形状，可以使用各种形状例如椭圆和多边形如四边形、五边形和六边形。但是，在该实施方案中，采用六边形的截面形状。该六边形形状具有限定胎圈芯5的径向内表面SL的径向内长边、限定径向外表面SU的径向外长边、两个限定轴向内表面Si的V形轴向内边、以及两个限定轴向外表面So的V形轴向外边。
径向内表面SL和外表面SU倾斜而基本平行于胎圈底部，以便当将胎圈安装在轮辋J上时基本平行于胎圈座J1。因此，在只有胎圈芯的情况下，上述宽度WC和高度HC可以认为分别是沿平行于径向外表面SU的方向和垂直于径向外表面SU的方向的测量值。术语“基本平行”是指倾斜角可以包括+/-2度范围内的偏差以及可以在如上所述胎圈座锥角和胎圈底部锥角之间提供小差异。
防止上述现象的效果可以通过增加拉长量来得到提高，但是截面形状的稳定性易于变差。因此，为了改善这种扁平形状的稳定性，用由高模量橡胶制成的增强橡胶层13覆盖胎圈芯5，所述高模量橡胶的复合弹性模量E*1为至少20MPa、优选大于30MPa、更优选大于40MPa、但是至多100MPa、优选小于80MPa、更优选小于60MPa。其最小覆盖厚度t1必须为至少0.5mm。优选厚度t1为至少0.8mm，但是至多3.0mm，更优选至多2.5mm。
因此，胎圈线5w的绕组由高模量橡胶固定，所述高模量橡胶渗透到绕组中，并且堆积在覆面层13中。结果，可以完全控制胎圈芯5的变形。此外，橡胶层13充当胎圈钢丝5w和胎体钢丝帘线之间的缓冲，因此，可以有效防止帘线损坏如易于在非常恶劣的工作条件下发生的由于二者之间直接接触而导致的微振磨损。
如果复合弹性模量E*1小于20MPa，那么增强胎圈芯5的效果以及缓冲作用变得不足。然而如果复合弹性模量E*1大于100MPa，那么与胎体帘线的挂胶橡胶6G之间的刚性差异变得太大，并且变得易于发生与胎体层的分离。因此，复合弹性模量E*1不应增大至超过该限制。在这种条件下，如果胎圈芯5的WC/HC比增加超过2.5，那么对于橡胶层13来说变得难以提供防止胎圈芯变形或胎圈线散乱所需要的形状稳定性。因此WC/HC比限制在2.5或更小。如果WC/HC比小于1.5，则不能充分抑制胎圈芯转动和胎趾升高。如果最小厚度t1小于0.5mm，那么增强效果变得不足。如果厚度t1大于3.0mm，那么胎圈部分4的体积变得太大，因此减重效果削弱。
作为提高复合弹性模量E*1的方法，可以适当采用将热固性树脂加入到橡胶组合物中的方法，但是不限于这种方法。例如，增强橡胶层13可以通过向包含二烯类橡胶、硫化剂如硫磺、硫化促进剂和其它常用添加剂的橡胶组合物中加入热固性树脂(例如酚醛树脂)来制备。橡胶的复合弹性模量E*1可以通过改变所加入的热固性树脂的数量和/或种类来调整。
下表1示出随酚醛树脂的量而模量变化的实例。
表1
根据本发明，如上所简述，胎体层6A的每个边缘部分6b围绕每个胎圈部分5中的胎圈芯5缠绕几乎一圈。因此，如图3所示，缠绕边缘部分6b由径向内基部10和径向外部11组成。
基部10沿胎圈芯5的轴向内表面Si、径向内表面SL和轴向外表面So弯曲，在该实施例中描述为几乎为半圆形的弧形。
径向外部11置于胎圈芯5的径向外表面SU附近，并轴向向内延伸，与外表面SU分离。径向外部11朝向胎体层主体部分6a延伸，但是在胎体层主体部分6a之前终止。如果其终端11a和主体部分6a之间的距离U2小于0.5mm，那么终端11a非常易于与主体部分中的胎体帘线接触，导致帘线损伤如微振磨损。另一方面，如果距离U2超过5.0mm，则由于外部11变得太短，在胎圈芯5上的固定倾向于变得不足。因此，距离U2优选设定在不小于0.5mm但是不大于5.0mm的范围内。
如果胎体钢丝帘线尖锐弯曲，那么弯曲位置处的帘线强度降低。因此，最好避免尖锐弯曲和基于这种尖锐弯曲的操作，并且理想的是，缠绕部分6b微微弯曲。基于此，终端11a和胎圈芯5的径向外表面SU之间的距离U1设定为至少2.0mm。然而，如果终端11a的位置远离径向外表面SU，那么终端11a上的应力增加。基于此，距离U1设定为至多8.0mm。
当胎体钢丝帘线微微弯曲而没有操作时，它们的回弹性变强。因此，稳定帘线层17通常置于径向外部11的径向外侧，以防止在制造轮胎过程中和成品轮胎中的回弹。
稳定帘线层17通过围绕径向外部11螺旋缠绕单一钢丝帘线17w至少一次、优选多次(2-6次)来形成。
如果改为使用有机纤维帘线，那么当在非常高的压力和高温下进行轮胎的硫化时，有机纤维帘线通常伸长较大，因此难以稳定保持径向外部11为所希望的形状。
优选地，钢丝帘线17w的强度设定在2000-4000N范围内，并涂覆以挂胶橡胶。如果该强度小于2000N，那么帘线的缠绕数必须增加以提供足够的总体强度，因此降低了生产率。另一方面，如果该强度大于4000N，那么帘线17w变得过硬，因此缠绕帘线17w的可操作性降低。
稳定帘线层17的合适位置在某种程度上取决于帘线17w的缠绕数，但是优选的是，稳定帘线层17的至少是显著部分、优选整体位于沿径向外部11从终端11a开始测量的距离Lc为1mm-10mm的范围内。如果从终端11a至稳定帘线层17的距离Lc小于1mm，那么当轮胎偏转时，从胎体层主要部分通过邻近橡胶所承受的应力增加，并且稳定帘线层17和径向外部11之间的剪切应力倾向于增加。如果从终端11a至稳定帘线层17的距离Lc大于10mm，那么当自由部分(freed part)增加时，变得难以完全避免回弹的不利效果。
如果胎体层缠绕部分6b的径向外部11朝径向外侧大大倾斜，那么在制造轮胎的过程中以及在成品轮胎中，稳定帘线层17易于朝轴向外侧滑出，与胎圈芯的固定力减小。因此，径向外部11相对于轮胎轴向的总体倾斜角限制在至多45度、优选小于30度。此处，总体倾斜角是在径向外部11的轴向内端11a和其轴向外端11b之间引出的直线K的倾斜角，所述轴向外端11b定义为缠绕部分6b和径向外表面SU的延长线之间的交叉点，如图3所示。然而，为了确保上述距离U1为至少2.0mm，相对于轮胎轴向的总体倾斜角应该大于-5度，优选该角度为至少0度，更优选为至少5度。顺便提一句，如果上述角度值是指相对于径向外表面SU的角度(θ)的话，则因为所述径向外表面倾斜-15度，因此上述角度值45、30、-5、0和5度分别可以读作60、45、10、15和20度。
因此，稳定帘线层17可以防止胎体帘线的回弹，并且径向外部11可以稳定保持为所希望的形状。
在稳定帘线层17的径向外侧和径向外部11的径向外侧，还布置有胎圈填充物16，所述胎圈填充物16沿径向向外直至其径向外端逐渐变细，并从胎圈部分延伸至较低的胎侧部分，同时邻接在胎体层主体部分6a的轴向外侧。
在该实施方案中，胎圈填充物16由径向内加强件16a和径向外缓冲物16b组成。其间的界面(j)从胎圈填充物16的轴向内表面向轴向外表面延伸，同时径向向内倾斜。界面(j)的径向内端紧邻胎圈芯5的轴向外侧布置，并且其径向外端置于胎圈填充物16径向高度的中点处。
加强件16a具有在胎圈芯5的全部轴向宽度上延伸的径向内端表面，以覆盖径向外部11的径向外侧并且在胎体层主体部分6a和下述金属帘线层15的轴向外部15i之间形成桥接。因此，加强件16a可以固定胎圈部分中的径向外部11以及稳定帘线层17。
如果加强件16a的复合弹性模量E*4太低，则难以固定。因此，复合弹性模量E*4设定在不小于20MPa、优选大于25MPa、更优选大于30MPa的范围内。但是，如果模量E*4太高，加强件的刚度则变得过大，因此在邻近帘线端发生应力集中。因此，模量E*4设定在不大于70MPa、优选小于65MPa、更优选小于60MPa的范围内。
缓冲物16b具有小于复合弹性模量E*4的复合弹性模量E*5，以适度降低从胎圈部分至较低的胎侧部分的刚性。优选地，复合弹性模量E*5设定在不小于3MPa、更优选不小于3.5MPa、但是不大于7MPa、更优选不大于5MPa的范围内。如果缓冲物的模量E*5小于3MPa，那么与加强件16a的模量差变得太大，因此易于沿界面(j)发生损坏。另一方面，如果模量E*5超过7MPa，那么胎圈填充物16的刚度总体上变得太高，并且易于在缓冲物16b的径向外端附近发生损坏。
此外，胎体层缠绕部分6b和增强橡胶层13之间的空隙填充有具有复合弹性模量E*2的橡胶14。优选地，复合弹性模量E*2小于增强橡胶层13的复合弹性模量E*1，但是大于胎体层6A的挂胶橡胶6G的复合弹性模量E*3，以使刚度渐变(E*1＞E*2＞E*3)。具体而言，复合弹性模量E*2优选设定在5-50MPa的范围内。因此，在行驶过程中作用在缠绕部分6b上的应力和冲击力被吸收，并且可以有效防止胎体帘线在终端11a处松脱的发生。
如上所述，胎体层6A的边缘部分被缠绕部分6b、胎圈芯5、稳定帘线层17和加强件16a牢固固定。
然而，如果胎圈部分4的温度由于来自制动装置、恶劣的工作条件如重载和高速等传递的热而变得非常高，那么胎圈部分4中的橡胶材料或多或少由于受热而变软，这导致缠绕部分6b的松脱。如果这种松脱发生在非常恶劣的条件下，那么胎圈部分的耐久性迅速降低。因此，为了分散胎圈部分中产生的热并且隔绝传热，以及为了提高胎体层缠绕部分6b的抗脱离性，在每一个胎圈部分4中提供金属帘线层15。
金属帘线层15包括至少一层导热金属帘线层，在该实施例中为单层钢丝帘线层，其相对于轮胎圆周方向倾斜15-60度角。金属帘线层15由下列部分组成沿上述基部10内侧延伸的弯曲基本部分15A；以及各自从基本部分15A径向向外延伸的轴向内部15i和轴向外部15o，由此如图2中所示，金属帘线层15具有U形截面形状。
如果轴向外部15o和内部15i的径向高度太低，则不能期待上述效果。因此，这些部分15i和15o径向向外延伸，至少超出缠绕部分6b的径向最外端(在该实施例中，终端11a)。然而，如果部分15o和15i的径向高度太高，并且其径向外端到达胎侧部分3中发生较大变形的位置处，那么在径向外端处的应力增加。此外，考虑到轮胎减重，它是不优选的。因此，轴向外部和内部15o和15i的径向外端的径向高度Ho和Hi设定在距离胎圈基线BL至少25mm、但是至多57mm的范围内。
在该实施例中，轴向外部15o沿胎圈填充物16的轴向外侧延伸，与胎体层6A分离，并且径向向外超出轮辋凸缘Jf的径向最外端。轴向内部15i沿胎体层主体部分6a的轴向内侧延伸，并且在该实施例中，为了减少径向外端处的应力，内部15i径向向外延伸在外部15o上方，也就是说，不同之处在于该高度更高。此外，径向外端通过在制造生轮胎时用橡胶薄片覆盖该端而与胎体层稍稍分离。高度Hi与高度Ho的差值(Hi-Ho)为至少2mm。
制造根据本发明的轮胎1，使生轮胎首先利用轮胎成型鼓成型，然后将生轮胎置于模具中并硫化。在模具中硫化生轮胎的过程中，将生轮胎加热并且向其内部加压至非常高的压力。因此，在胎体层和增强橡胶层13之间产生高接触压力。因此，在胎圈线上方的增强橡胶层13的覆盖厚度t1易于在成品轮胎中减小。为了防止覆盖层厚度的这种减小，理想的是，在硫化生轮胎时，使增强橡胶层13已与胎圈芯5一起硫化或者半硫化。例如，为了硫化或半硫化增强橡胶层13，具体而言可以采用电子束照射来硫化表面涂层橡胶。当然，也可以使用利用电加热、蒸汽加热、微波加热等的传统加热装置来整体硫化，即具体硫化表面涂层橡胶和渗透到胎圈线绕组中的橡胶。
比较试验实验性制造用于卡车和公共汽车的尺寸为11R22.5(轮辋尺寸7.50×22.5)的重载子午线轮胎并测试可重装性和胎圈耐久性。测试轮胎的规格示于表2中。未示出的规格对所有测试轮胎相同。
可重装性测试(空气注入测试)各自安装在标准轮辋上并充气到最大压力800kPa的测试轮胎在温度控制在80℃的环境中保持七天。然后，技术工人将每个轮胎从轮辋上取下并随后通过向轮胎中注入空气而将轮胎重新安装在轮辋上。基于重装操作，技术工人就空气泄漏是否很少来对每个轮胎进行评价。
此外，利用X射线CT扫描仪，对重装在轮辋上并且充气到700kPa的轮胎的胎趾和胎圈芯进行胎趾升高和胎圈芯变形的检查。
胎圈耐久性测试利用轮胎测试鼓，使安装在标准轮辋上的每个测试轮胎在加速条件(轮胎负载27.25kN，正常轮胎负载的300％，轮胎压力700kPa的正常压力，行驶速度20km/h)下行驶，以测量在胎圈部分处产生损坏的行驶时间。以对比实施例1为基准指数100，结果示于表2中，其中值越大，则胎圈耐久性就越好。
表2
从测试结果中证实，根据本发明，可以完全防止胎圈芯变形，同时将胎趾升高抑制在可接受范围内，从从而保持良好的可重装性，并且可以显著改善胎圈部分的耐久性。
如上所述，在根据本发明的充气轮胎中，胎体层围绕其缠绕的胎圈芯提供有具有特定宽/高比的拉长截面形状。因此，减少胎趾升高并且可以改善可重装性。此外，胎圈芯覆盖有具有特定覆盖厚度的高模量橡胶，以牢固束缚胎圈线的绕组。因此，可以抑制胎圈芯截面形状的变形，并且可以防止胎圈耐久性劣化。
权利要求
1.充气轮胎，包括胎面部分，一对胎侧部分，一对其中具有胎圈芯的胎圈部分，和胎体层，所述胎体层在胎圈部分之间延伸，穿过胎面部分和胎侧部分，并围绕每个所述胎圈部分中的胎圈芯从轮胎的轴向内侧向轴向外侧缠绕，以形成一对缠绕部分和位于其间的主体部分，其中所述胎圈芯具有沿基本平行于胎圈部分底部的方向拉长的截面形状，使得其沿所述方向测量的宽度(WC)为其沿垂直于所述方向测量的高度(HC)的1.5-2.5倍，并且所述胎圈芯覆盖有复合弹性模量E*1为20-100Mpa且厚度t1为0.5-3.0mm的高模量橡胶。
2.权利要求1的充气轮胎，其中每个所述缠绕部分终止于胎圈芯的径向外表面附近，使得该终端处于与胎圈芯径向外表面的距离(U1)为2.0-8.0mm且与胎体层主体部分的距离(U2)为0.5-5.0mm的位置处。
3.权利要求1的充气轮胎，其中每个所述胎圈部分提供在具有稳定帘线层的缠绕部分径向外部的径向外侧，所述稳定帘线层通过缠绕钢丝帘线至少一圈而形成。
4.权利要求1的充气轮胎，其中每个所述胎圈部分提供有金属帘线层，所述金属帘线层包含沿胎体层缠绕部分的径向内侧延伸的基本部分；径向向外延伸与胎体层缠绕部分分离的轴向外部；和沿胎体层主体部分的轴向内侧径向向外延伸的轴向内部。
全文摘要
一种充气轮胎，包括胎面部分、一对胎侧部分、一对其中具有胎圈芯的胎圈部分和胎体层，所述胎体层在胎侧部分之间延伸，穿过胎面部分和胎圈部分，并围绕每个胎圈部分中的胎圈芯从轮胎的轴向内部向轴向外部缠绕，以形成一对缠绕部分和位于其间的主体部分，其中所述胎圈芯具有沿基本平行于胎圈部分底部的方向拉长的截面形状，使得其沿该方向测量的宽度(WC)为其沿垂直于该方向测量的高度(HC)的1.5－2.5倍，并且所述胎圈芯覆盖有复合弹性模量E*1为20－100MPa并且厚度t1为0.5－3.0mm的高模量橡胶层。
文档编号B60C15/00GK1931617SQ20061008651
公开日2007年3月21日 申请日期2006年6月20日 优先权日2005年9月15日
发明者丸冈清人 申请人:住友橡胶工业株式会社