CN109789728B - 用于重型土木工程车辆的轮胎胎面 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旨在装配至土木工程工地类型的重型负载车辆的子午线轮胎(1)，更具体地涉及其胎面(2)。根据本发明，这种轮胎的特征在于，胎面表面刀槽程度TL至少等于3m/m²，至少在切口(21)的底部存在的胎面的弹性体混配物的失效循环数N_R至少等于60000循环，弹性体混配物的失效循环数N_R与胎面刀槽程度TL之间的比率C至少等于20000循环/(m/m²)。

Description

用于重型土木工程车辆的轮胎胎面

技术领域

本发明涉及旨在装配至工地类型的重型车辆的子午线轮胎，更具体地涉及所述轮胎的胎面。

背景技术

用于工地类型的重型车辆的子午线轮胎旨在装配在轮辋上；在ETRTO(EuropeanTyre and Rim Technical Organisation，欧洲轮胎和轮辋技术组织)标准的含义下，所述轮辋的标称直径至少等于25英寸。尽管不限于这种类型的应用，但是更具体地参考大尺寸的子午线轮胎描述本发明，所述子午线轮胎旨在例如安装至自卸车，自卸车为用于运输从采石场或从露天矿场开采的材料的车辆。大尺寸的子午线轮胎理解为旨在安装在下述轮辋上的轮胎，所述轮辋的标称直径至少等于49英寸，可能多达57英寸，甚至63英寸。

由于轮胎的几何形状显示出围绕旋转轴线的旋转对称性，通常在包括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、轴向和周向方向分别表示垂直于轮胎旋转轴线、平行于轮胎旋转轴线和垂直于子午平面的方向。

在下文中，表述“径向内侧”和“径向外侧”分别意指“更接近”和“更远离轮胎的旋转轴线”。“轴向内侧”和“轴向外侧”分别意指“更接近”和“更远离轮胎的赤道平面”，轮胎的赤道平面为经过轮胎的胎面表面的中间并且垂直于轮胎的旋转轴线的平面。

径向地从外侧到内侧，子午线轮胎包括胎面、胎冠增强件和胎体增强件。由胎面和胎冠增强件构成的组件是轮胎的胎冠。

胎面是这样的轮胎部分，其旨在通过胎面表面与地面接触，并且会被磨损。

胎面包括分隔浮凸元件的复杂的或者简单的切口系统，称为胎面花纹，特别用于确保令人满意的抓地性能。

胎面上的切口可以具有相对于轮胎的周向方向的任何类型的朝向。通常区分纵向或周向切口以及轴向或横向切口，所述纵向或周向切口与周向方向形成至多等于45°的角度，而所述轴向或横向切口与周向方向形成至少等于45°的角度。在切口中，区分沟槽和刀槽。沟槽是这样的切口，其限定由材料的相对壁划分的空间，所述材料的相对壁相互间隔开，从而使得当轮胎在推荐的标称负载和压力状况下行驶时，所述材料的相对壁不会在接触斑块中相互接触，在所述接触斑块中轮胎与地面接触。刀槽是这样的切口，其限定由材料的壁划分的空间，在行驶期间所述材料的壁相互接触。

胎面通常由轴向宽度W_T和径向厚度H_T来描述几何形状特性。轴向宽度W_T定义为全新轮胎的胎面与光滑地面的接触表面的轴向宽度，所述轮胎处于例如由E.T.R.T.O.(欧洲轮胎和轮辋技术组织)标准建议的压力和负载状况。按惯例，径向厚度H_T定义为在切口中测量的最大径向深度。在用于工地类型的重型车辆的轮胎的情况下，举例而言，轴向宽度W_T至少等于600mm，径向厚度H_T至少等于60mm。

胎面也经常由体积空隙率TEV来描述特性，所述体积空隙率TEV等于切口的总体积V_D与切口的总体积V_D和由这些切口划分的浮凸元件的总体积V_R的和之间的比率，所述切口的总体积V_D在未受约束的轮胎上测量，换而言之在未安装并且未充气的轮胎上测量。V_D+V_R的和对应于径向包括在胎面表面与底部表面之间的体积，所述底部表面从胎面表面径向向内平移等于胎面的径向厚度H_T的径向距离。该体积空隙率TEV(以％表示)通过可用的可磨损的橡胶的体积来特别地控制磨损性能，并且通过分别横向和纵向的边缘角部的存在以及能够储存或者去除水或泥的切口的存在来控制纵向和横向抓地性能。

在本发明中，下述切口称为有效切口，所述切口的宽度W_D至多等于它们的径向深度H_D的20％，并且所述切口的径向深度H_D至少等于胎面的径向厚度H_T的50％。这些是使得空气能够在胎面中流动的沟槽类型的切口，而非刀槽。

这些有效切口能够定义表面刀槽程度TL，所述有效切口具有在胎面的径向外表面上测量的积累长度L_D，所述表面刀槽程度TL以m/m²表示，等于有效切口的积累长度L_D与胎面的径向外表面的面积A之间的比率，所述面积A等于2ΠR_E*W_T，其中R_E为轮胎的外半径。

轮胎胎面还包括至少一个弹性体混配物，换而言之通过混合其各种成分而获得的弹性体材料。弹性体混配物通常包括弹性体基质、至少一个炭黑类型和/或二氧化硅类型的增强填料、通常基于硫的交联系统以及保护剂，所述弹性体基质包括至少一个天然或合成橡胶类型的二烯弹性体。

弹性体混配物特别在固化以后可以由其动态特性来描述机械方面的特性，例如动态剪切模量G*＝(G＇²+G＂²)^1/2，其中G＇是弹性剪切模量，G＂是粘性剪切模量，动态损失tgδ＝G＂/G＇。动态剪切模量G*和动态损失tgδ在Metravib VA4000类型的粘度分析仪上根据标准ASTM D 5992-96进行测量。记录厚度为4mm且截面为400mm²的圆柱形测试样本形式的硫化弹性体配混物样本，在100℃的温度下经受频率为10Hz的简单交替正弦剪切应力的响应，所述正弦剪切应力的变形幅度从0.1％至45％(向外循环)再从45％至0.1％(返回循环)蜿蜒。这些动态特性因此以等于10Hz的频率、等于峰值-峰值变形幅度的50％的变形以及等于100℃的温度进行测量。

弹性体混配物还可以通过疲劳测试在其断裂抗性方面描述特性。应用在ASTMD4482-85和ISO 6943标准中描述的协议，对于具有3mm的中间凹痕的长方形测试样本(有效长度65mm、厚度1.5mm、宽度15mm)，在12测试样本上测量以循环次数或相对单位(循环次数相对于参照循环次数的百分比)表示的疲劳强度N_R，所述测试样本使用Monsanto(MFTR类型)机器在23℃的温度下受到高达40％伸长的重复低频拉伸变形，直到测试样本断裂。在以相对单位表示的结果中，大于作为参照的控制值(任意地设定为100)的值表示改善的结果，即弹性体混配物的样本的更好的疲劳强度。相应地，小于100的值表示不利的结果，即弹性体混配物的样本的较差的疲劳强度。

公知的是，弹性体混配物的断裂抗性特别取决于其成分(特别是弹性体基质和增强填料)的混合的均匀程度。公知的均匀程度标准是增强填料在弹性体基质中的分散。

增强填料在弹性体基质中的分散通过分散系数Z以公知的方式描述特性，所述分散系数Z在弹性体混配物交联之后使用S.Otto等人在Kautschuk Gummi Kunststoffe，58Jahrgang，NR 7-8/2005中描述的方法根据标准ISO 11345进行测量。

系数Z基于未分散增强填料的表面积(“未分散表面积％”)的百分比(其通过“disperGRADER+”设备测得，该设备由Dynisco提供有其操作说明和“disperDATA”操作软件)根据下式进行计算：

Z＝100-(未分散表面积％)/0.35

未分散表面积的百分比本身使用在30°入射光线下观察样品表面的摄影机测得。如S.Otto在上述文献中所描述，浅色点与增强填料和附聚物相关，而深色点与弹性体基质相关；数字处理将图像转化成黑白图像并且可以确定未分散表面积的百分比。

系数Z越高，增强填料在弹性体基质中的分散越好(等于100的系数Z对应于完美分散，而等于0的系数Z对应于普通分散)。大于或等于65的系数Z将被认为对应于增强填料在弹性体基质中的良好的分散。

用于工地类型的重型车辆的轮胎的使用由承载高负载并且在覆盖有各种尺寸的石块的路径上行驶的轮胎来描述特性。当轮胎在高负载下行驶在覆盖有石块(其将嵌接入胎面)的路径上的时候，嵌接的物体将侵入胎面，还可能困在胎面上的切口中。石块困在胎面上的切口中(也称为石块留存)，容易引发切口底部的裂缝，裂缝将朝向轮胎胎冠的内部径向延伸，到达胎冠增强件，更具体地到达径向最外侧保护增强件，随着时间的推移，径向最外侧保护增强件将变差并且断裂，这将缩减轮胎的使用寿命。胎面上切口的数量越多和/或体积越大，即胎面的体积空隙率(通常至少等于12％)越高以及表面刀槽程度(通常至少等于3％)越高，该现象就越显著。

发明内容

发明人给自己设置的目的是，使得用于工地类型的重型车辆的轮胎胎面(特别是对于高体积空隙率、高表面刀槽程度的胎面)对于容易在切口底部导致裂缝的嵌接物体的侵入不敏感。

该目的由用于工地类型的重型车辆的轮胎实现，所述轮胎包括：

-胎面，其具有至少等于60mm的径向厚度H_T，以及轴向宽度W_T，

-所述胎面包括切口和浮凸元件，所述切口具有宽度W_D和径向深度H_D，所述浮凸元件通过切口相互分开，

-称为有效切口的切口具有在胎面的径向外表面上测量的积累长度L_D，所述切口的宽度W_D至多等于其径向深度H_D的20％，所述切口的径向深度H_D至少等于胎面的径向厚度H_T的50％，

-以m/m²表示的胎面的表面刀槽程度TL等于有效切口的积累长度L_D与胎面的径向外表面的面积A之间的比率，所述面积A等于2ΠR_E*W_T，其中R_E为轮胎的外半径，

-胎面至少在切口的底部处包括弹性体混配物，所述弹性体混配物具有由失效循环数N_R限定的断裂抗性，

-胎面的表面刀槽程度TL至少等于3m/m²，

-胎面的弹性体混配物的失效循环数N_R至少等于60000循环，

-胎面的弹性体混配物的失效循环数N_R与胎面的表面刀槽程度TL之间的比率C至少等于20000循环/(m/m²)。

本发明的第一个基本特征是具有至少等于3m/m²的胎面表面刀槽程度TL。这样的胎面表面刀槽程度TL(即这样的每单位表面面积的最小有效切口积累长度L_D)导致石块困在有效切口中的风险高。另一方面，其确保了轮胎良好的抓地力，还确保胎面中的有效切口的通风程度，由此确保了胎面的冷却，因此确保了降低胎冠的内部温度。

本发明的第二个基本特征是胎面的弹性体混配物的失效循环数N_R至少等于60000循环。这样的失效循环数(其为裂缝的平均延伸速率特性的描述)确保了弹性体混配物的令人满意的断裂抗性，至少是在特别地暴露于轮胎行驶的地面上存在的嵌接物体的切口底部。

发明人最终表明，在切口数量大、体积空隙率高并且表面刀槽程度高的胎面的情况下，胎面的弹性体混配物的失效循环数N_R与胎面的表面刀槽程度TL之间的比率C至少等于20000循环/(m/m²)，与胎面的刀槽以及弹性体混配物的断裂抗性这两个特征相结合，是胎面对于容易使切口底部产生裂缝的嵌接物体的侵入的良好抗性的相关准则。

有利地，比率C至少等于40000循环/(m/m²)。这样的比率进一步增强了胎面对侵入的抗性。

有利地，胎面的刀槽程度TL至少等于3.5m/m²。进一步增加了石块困在切口中的风险，但是改善了抓地性。此外，通过较高的刀槽程度TL使胎面中的有效切口的通风程度得到改善，这使得轮胎胎冠的受热程度降低，因此能够在装备有根据本发明的轮胎的车辆所承载的材料的运输方面获得更高的生产率。

进一步有利地，胎面的刀槽程度TL至多等于9m/m²。在该刀槽程度TL之上，每单位表面积的有效切口的积累长度L_D以及因此每单位表面积的有效切口的数量，使得轮胎对侵入的敏感达到不可接受的程度的风险。不仅使得切口底部处的裂缝起始区域的数量变得过高，而且由于切口的数量较多，浮凸元件的尺寸降低，因此其刚度降低，从而增加浮凸元件撕裂的风险。

优选地，胎面的弹性体混配物的失效循环数N_R至少等于120000循环。这样的失效循环数进一步强化了胎面的弹性体混配物对侵入的抗性。

有利地，胎面的弹性体混配物的动态剪切模量G*至少等于1.0MPa。最小的材料刚度确保了胎面的弹性体混配物的令人满意的磨损抗性。

同样有利地，胎面的弹性体混配物的动态损失tgδ至多等于0.2。不太高的动态损失能够限制胎冠的受热程度。更具体地，这种受热程度损失是弹性体混配物的特征，其中弹性体基质由天然橡胶构成。

根据其组成的优选的实施方案，胎面的弹性体混配物包括由天然聚异戊二烯构成的弹性体基质。如上所示，该类型的材料能够特别地确保限制轮胎胎冠中的受热程度。

胎面的弹性体混配物优选包括增强填料，其含量至少等于25phr(份每百份弹性体)而至多等于80phr。增强填料的该含量范围获得磨损抗性与对侵入抗性之间的良好折中。

根据第一个组成变体，胎面的弹性体混配物的增强填料包括炭黑，其含量至少等于25phr而至多等于60phr。特别地，炭黑是弹性体混配物中使用最多的增强填料。

根据第二个组成变体，胎面的弹性体混配物的增强填料包括无机物填料，优选为二氧化硅，其含量至多等于25phr。传统的无机物填料是二氧化硅。

胎面的弹性体混配物的增强填料具有分散系数Z，胎面的弹性体混配物的增强填料的分散系数Z优选至少等于65。分散系数Z越高，增强填料在弹性体混配物中的分散越均匀：这对于对侵入的抗性是有利的。

根据通常的实施方案，胎面由单一弹性体混配物构成。

有利地，切口的集合具有总体积V_D，浮凸元件的集合具有总体积V_R，胎面具有体积空隙率TEV(以％表示)，其等于切口的总体积V_D与切口的总体积V_D和浮凸元件的总体积的和之间的比率，胎面的体积空隙率TEV至少等于12％，优选地至少等于14％。为了具有胎面的有效的热排放，切口需要具有足够的数量(这导致了最小的刀槽程度TL)，以及具有足够的体积(这导致了最小的体积空隙率TEV)。此外，最小的体积空隙率TEV对于轮胎的抓地性能是有利的，易于排出所行驶的道路上可能存在的水和泥。

附图说明

借助于图1至图3将更好地理解本发明的特征，附图为示意性的并且未按比例绘制：

-图1为根据本发明的用于工地类型的重型车辆的轮胎的胎冠在子午线平面上的半截面图。

-图2A至图2C示出了根据本发明的用于工地类型的重型车辆的轮胎胎面的实施方案变体。

-图3示出了胎面的弹性体混配物的失效循环数N_R的范围随根据本发明的用于工地类型的重型车辆的轮胎胎面的表面刀槽程度TL的变化。

具体实施方式

图1在平面YZ中示出了用于工地类型的重型车辆的轮胎1的胎冠的子午线半截面，其包括胎面2以及在径向上位于胎面2内侧的胎冠增强件3。胎面2具有至少等于60mm的径向厚度H_T，包括具有宽度W_D和径向深度H_D的切口21以及通过切口21分隔的浮凸元件22。称为有效切口的切口21具有在胎面2的径向外表面23上测量的积累长度L_D(图中未示出)，所述切口21的宽度W_D至多等于其径向深度H_D的20％，所述径向深度H_D在胎面2的径向外表面23与切口底部24之间测量，所述切口21的径向深度H_D至少等于径向厚度H_T的50％。以m/m²表示的胎面2的表面刀槽程度TL等于有效切口21的积累长度L_D与胎面的径向外表面23的面积A之间的比率，所述面积A等于2ΠR_E*W_T，其中R_E为轮胎的外半径，在赤道平面XZ中在旋转轴线YY＇与胎面2的径向外表面23或胎面表面之间测量。在胎面2的径向内侧，径向地从外侧到内侧，胎冠增强件3包括由两个保护层构成的保护增强件、由两个工作层构成的工作增强件以及由两个环箍层构成的环箍增强件。

图2A至图2C示出了根据本发明的用于工地类型的重型车辆的轮胎胎面的实施方案变体。仅示出了在子午平面中的一半胎面。图2A示出了由单一弹性体混配物3构成的胎面2，所述弹性体混配物3在本发明的含义下抵抗裂缝产生，即通过失效循环数N_R至少等于60000循环来描述特征。图2B示出了胎面2，其径向外部由弹性体混配物3构成，所述弹性体混配物3在本发明的含义下抵抗裂缝产生。最后，图2C示出了这样的情况，其中在本发明的含义下抵抗裂缝产生的弹性体混配物3仅位于切口底部24。

图3示出了胎面的弹性体混配物的失效循环数N_R的范围随根据本发明的用于工地类型的重型车辆的轮胎胎面的表面刀槽程度TL的变化。根据本发明，胎面的表面刀槽程度TL至少等于3m/m²，胎面的弹性体混配物的失效循环数N_R至少等于60000循环，失效循环数N_R与表面刀槽程度TL之间的比率C至少等于20000循环/(m/m²)。由此，本发明的范围通过直线TL＝3m/m²和N_R＝C*TL＝20000*TL循环/(m/m²)划定，在图3中为划线部分。图3中的图像示出了现有技术的示例E，其在本发明的范围之外，其特征在于表面刀槽程度TL等于1.6m/m²，即小于3m/m²，并且失效循环数N_R等于80000循环。还示出了本发明的两个示例性实施方案I1和I2，其表面刀槽程度TL等于4.2m/m²，并且失效循环数N_R分别等于120000循环和140000循环。

更特别地，在尺寸为40.00R57的轮胎的情况下研究本发明。发明人对根据本发明的轮胎的两个示例I1和I2以及作为参照的现有技术轮胎E进行比较。

在下面的表1中列出了轮胎E以及轮胎I1和I2的胎面的刀槽和弹性体混配物各自的特征。

表1

根据表1，所比较的三个轮胎E、I1和I2的胎面由单一弹性体混配物构成，其弹性体基质为聚异戊二烯，即天然橡胶，其增强填料包括炭黑和二氧化硅类型的无机物填料。现有技术的轮胎E没有落入本发明的范围，因为其不满足最小表面刀槽程度TL至少等于3m/m²(即胎面具有足够数量的切口)的准则。相反，轮胎I1和I2的表面刀槽程度TL等于4.2m/m²，因此满足该准则。轮胎I1的胎面的弹性体混配物比轮胎I2刚度和滞后性质更大。此外，轮胎I1的增强填料比轮胎I2更分散。然而，轮胎I1的失效循环数NR比轮胎I2更小，而刀槽程度TL相同，轮胎I1的比率C比轮胎I2更小。因此，就对侵入的抗性而言，轮胎I2的性能比轮胎I1更好。

Claims (14)

1.一种用于工地类型的重型车辆的轮胎(1)，包括：

-胎面(2)，其具有至少等于60mm的径向厚度H_T，以及轴向宽度W_T，

-所述胎面(2)包括切口(21)和浮凸元件(22)，所述切口(21)具有宽度W_D和径向深度H_D，所述浮凸元件(22)通过切口(21)相互分开，

-称为有效切口的切口(21)具有在胎面(2)的径向外表面(23)上测量的积累长度L_D，所述切口(21)的宽度W_D至多等于其径向深度H_D的20％，所述切口(21)的径向深度H_D至少等于胎面(2)的径向厚度H_T的50％，

-以m/m²表示的胎面(2)的表面刀槽程度TL等于有效切口(21)的积累长度L_D与胎面(2)的径向外表面(23)的面积A之间的比率，所述面积A等于2ΠR_E*W_T，其中R_E为轮胎的外半径，

-胎面(2)至少在切口(21)的底部(24)处包括弹性体混配物(3)，所述弹性体混配物(3)具有由失效循环数N_R限定的断裂抗性，

其特征在于，胎面(2)的表面刀槽程度TL至少等于3m/m²，胎面(2)的弹性体混配物(3)的失效循环数N_R至少等于60000循环，胎面(2)的弹性体混配物(3)的失效循环数N_R与胎面(2)的表面刀槽程度TL之间的比率C至少等于20000循环/(m/m²)。

2.根据权利要求1所述的用于工地类型的重型车辆的轮胎(1)，其中，比率C至少等于40000循环/(m/m²)。

3.根据权利要求1或2所述的用于工地类型的重型车辆的轮胎(1)，其中，胎面(2)的表面刀槽程度TL至少等于3.5m/m²。

4.根据权利要求1或2所述的用于工地类型的重型车辆的轮胎(1)，其中，胎面(2)的表面刀槽程度TL至多等于9m/m²。

5.根据权利要求1或2所述的用于工地类型的重型车辆的轮胎(1)，其中，胎面(2)的弹性体混配物(3)的失效循环数N_R至少等于120000循环。

6.根据权利要求1或2所述的用于工地类型的重型车辆的轮胎(1)，其中，胎面(2)的弹性体混配物(3)的动态剪切模量G*至少等于1.0MPa。

7.根据权利要求1或2所述的用于工地类型的重型车辆的轮胎(1)，其中，胎面(2)的弹性体混配物(3)的动态损失tgδ至多等于0.2。

8.根据权利要求1或2所述的用于工地类型的重型车辆的轮胎(1)，其中，胎面(2)的弹性体混配物(3)包括由天然聚异戊二烯构成的弹性体基质。

9.根据权利要求1或2所述的用于工地类型的重型车辆的轮胎(1)，其中，胎面(2)的弹性体混配物(3)包括增强填料，其含量至少等于25phr(份每百份弹性体)而至多等于80phr。

10.根据权利要求9所述的用于工地类型的重型车辆的轮胎(1)，其中，胎面(2)的弹性体混配物(3)的增强填料包括炭黑，其含量至少等于25phr而至多等于60phr。

11.根据权利要求9所述的用于工地类型的重型车辆的轮胎(1)，其中，胎面(2)的弹性体混配物(3)的增强填料包括无机物填料，其含量至多等于25phr。

12.根据权利要求9所述的用于工地类型的重型车辆的轮胎(1)，胎面(2)的弹性体混配物(3)的增强填料具有分散系数Z，其中，胎面(2)的弹性体混配物的增强填料的分散系数Z至少等于65。

13.根据权利要求1所述的用于工地类型的重型车辆的轮胎(1)，其中，胎面(2)由单一弹性体混配物构成。

14.根据权利要求1所述的用于工地类型的重型车辆的轮胎(1)，切口(21)的集合具有总体积V_D，浮凸元件(22)的集合具有总体积V_R，胎面(2)具有以％表示的体积空隙率TEV，其等于切口(21)的总体积V_D与切口(21)的总体积V_D和浮凸元件(22)的总体积的和之间的比率，其中，胎面(2)的体积空隙率TEV至少等于12％。

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