Brevet FR2953456A1 — publié le 20110610

P10-2375 -1 (0001) La présente invention a pour objet une amélioration des bandes de roulement pour des pneumatiques destinés à équiper des véhicules poids lourd ; elle concerne en particulier la sculpture de ces bandes de roulement. (0002) Cette invention est notamment, mais pas exclusivement, destinée à être mise en oeuvre pour des pneumatiques à carcasse radiale et destinés aux essieux directeurs des véhicules poids lourd. Elle peut cependant également être utilisée pour des essieux non directeurs de véhicules poids lourd ainsi que pour des véhicules hors la route tels que des engins agricoles (forestiers) ou pour des engins de génie civil. (0003) De tels pneumatiques comportent en règle générale une armature de carcasse surmontée radialement à l'extérieur par une ceinture de sommet, elle-même surmontée d'une bande de roulement. Cette bande de roulement est pourvue d'une sculpture formée essentiellement de nervures d'orientation générale circonférentielle délimitées par des rainures de même orientation ou de blocs délimités par des rainures circonférentielles et des rainures transversales ou d'une combinaison de blocs et de nervures. État de la technique (0004) Dans le cas de pneumatiques destinés au segment régional possédant une sculpture de bande de roulement présentant des nervures et des rainures d'orientation circonférentielle, on peut constater une sensibilité à l'arrachement des bords de la nervure épaule selon les conditions de roulage et d'utilisation, notamment lors de sollicitations sévères telles que par exemple la montée ou la descente de trottoirs lors de livraisons de marchandises ou lors de chocs contre des trottoirs ou des obstacles ou corps étrangers présents sur la chaussée ou sur le terrain. Cette sensibilité à l'arrachement est en partie dépendante de la nature de la gomme qui constitue la nervure épaule et elle est souvent plus prononcée lorsque la gomme utilisée est un coupage de caoutchouc naturel avec un ou plusieurs caoutchoucs synthétiques bénéfique pour une usure réduite de la bande de roulement. (0005) Pour empêcher l'apparition d'arrachements indiqués ci-dessus et limiter le cisaillement induit par de telles sollicitations, diverses solutions ont été proposées qui généralement visent à réduire le rapport d'aspect de la nervure épaule, c'est-à-dire le rapport hauteur/largeur de la nervure, en augmentant la largeur de ladite nervure épaule. Une telle modification géométrique présente l'inconvénient de devoir redéfinir la totalité de la sculpture de la bande de roulement. 2953456 -2 (0006) La présente invention propose de résoudre le problème technique exposé en permettant d'éviter ou tout au moins de retarder et limiter fortement les arrachements de gomme des nervures épaule, voire la blessure en fond de creux d'une rainure d'orientation générale circonférentielle, pouvant résulter de la sollicitation sévère telle 5 qu'une montée ou une descente d'un trottoir ou un choc contre un trottoir ou d'autres obstacles présents sur la chaussée ou la surface de roulement sans modifier la géométrie de la bande de roulement. (0007) Pour résoudre le problème technique sans modifier la sculpture de la bande de roulement, l'invention propose d'augmenter le module de cisaillement du matériau 10 élastomérique qui constitue la bande de roulement du pneumatique d'un facteur au moins égal à trois en renforçant la gomme par de courtes fibres orientées sensiblement à +1- 45° par rapport au plan radial de l'enveloppe de pneumatique et le transformant ainsi en un matériau composite stratifié. (0008) L'addition de courtes fibres de diverses natures à des compositions de 15 caoutchouc destinée à des bandes de roulement pour pneumatiques est bien connue. Le brevet US 1746948 décrit une bande de roulement de pneumatique à carcasse croisée comprenant une nappe élastomérique comportant des fibres textiles enroulées autour d'une âme en caoutchouc qui sont inclinées par rapport à la surface de la bande de roulement et affleurent à ladite surface de roulement pour constituer des points 20 d'accrochage à la chaussée et ainsi éviter ou retarder le dérapage du pneumatique sur chaussée humide ou glissante. (0009) Le brevet US 3057389 décrit une bande de roulement de pneumatique de tourisme ou de peu avion à carcasse croisée comportant des rainures d'orientation générale longitudinale et un relief continu dans le sens circonférentiel, la gomme 25 constituant la totalité de la bande de roulement étant constituée par des nappes de caoutchouc renforcées de courtes fibres textiles parallèles les unes aux autres pour augmenter la résistance du pneumatique aux forces centrifuges tendant à sa destruction à haute vitesse. Les courtes fibres orientées parallèlement entre elles peuvent être disposées dans le sens circonférentiel dans un plan parallèle à un plan tangent à la surface de 30 roulement et dans la direction OX (OX étant la direction circonférentielle) ou être croisées entre elles dans un plan parallèle à un plan tangent à la surface de roulement et dans la direction OY (OY étant la direction de l'axe de rotation) ou les courtes fibres orientées parallèlement entre elles et disposées dans le sens circonférentiel dans un plan parallèle à un plan tangent à la surface de roulement et dans la direction OX peuvent être 2953456 -3 comprises entre deux nappes de courtes fibres croisées entre elles dans un plan parallèle à un plan tangent à la surface de roulement et dans la direction OY respectivement disposées au-dessus et en dessous de la nappe comprenant les courtes fibres orientées circonférentiellement. 5 (0010) La demande de brevet WO 2008/027045-Al décrit une bande de roulement pour pneumatique de tourisme et pour pneu poids lourd comportant des rainures d'orientation générale longitudinale et un relief continu dans le sens circonférentiel et enseigne que l'utilisation pour la gomme constituant les nervures circonférentielles continues de nappes ou fines couches de caoutchouc renforcées de courtes microfibres en 10 fibre de verre parallèles entre elles et soit orientées circonférentiellement dans la direction OX, soit orientées dans un plan YOZ (c'est-à-dire dans un plan perpendiculaire à la surface de roulement de la bande de roulement disposé sur la hauteur de l'épaisseur du relief dans la direction OZ), soit orientées transversalement dans une direction OY, soit orientées substantiellement à +/- 45° dans un plan XOZ, soit orientées à 45° dans un plan 15 XOY, permet d'obtenir un bon compromis de propriétés, à savoir une rigidité améliorée sans pénaliser, voire même améliorer, les propriétés hystérétique et d'élongation ou de résistance à l'usure. (0011) L'invention a pour objet une bande de roulement de pneumatique pourvue d'une surface de roulement destinée à être en contact avec une chaussée, cette bande de 20 roulement comportant une sculpture formée par des éléments de relief séparés les uns des autres par des rainures, cette bande de roulement étant formée par une gomme constituée de fines couches de caoutchouc empilées les unes contre les autres, chaque fine couche comprenant de courtes fibres de renforcement parallèles entre elles dans la couche et orientées unidirectionnellement dans le plan de la couche selon un angle. La bande de 25 roulement est caractérisée en ce que les fines couches sont empilées les unes contre les autres de façon que les courtes fibres soient croisées entre elles d'une couche à la suivante. (0012) Les courtes fibres de renforcement sont alternativement orientées symétriquement d'une couche à la couche adjacente circonférentiellement selon un angle 30 allant de +/- 10° à +/- 80° par rapport à une direction radiale dans le plan de la couche. Selon une forme d'exécution avantageuse de l'invention, les courtes fibres sont orientées selon un angle allant de +/- 30° à +/- 60° par rapport à une direction radiale dans le plan de la couche. Selon une variante d'exécution, l'orientation des courtes fibres peut varier dans le plan de croisement et ne pas être symétrique. De même une variation de l'angle de 2953456 -4 croisement peut également être réalisée dans le sens circonférentiel (dans une direction tangente à la direction circonférentielle). (0013) Selon une forme d'exécution préférentielle de l'invention, les courtes fibres de renforcement sont alternativement orientées d'une couche à la couche adjacente 5 circonférentiellement selon un angle sensiblement de + 45° et de ù 45° sur toute la largeur de la bande de roulement. Par "sensiblement", on entend ici une variation d'angle au plus égale à 3° en valeur absolue. (0014) Selon une autre forme d'exécution de l'invention, chaque couche fine renforcée de courtes fibres est inclinée par rapport à une direction radiale (direction 10 perpendiculaire à la surface de roulement) d'un angle au plus égal à 45°. (0015) Selon une autre forme d'exécution de l'invention, il est possible de ne renforcer que partiellement la bande de roulement sur une partie de sa largeur, préférentiellement les parties latérales proches des bords axiaux du pneu. (0016) A titre de courtes fibres utilisables selon l'invention, conviennent les fibres 15 organiques naturelles ou synthétiques ou inorganiques connues de l'homme du métier et disponibles dans le commerce telles que par exemple les fibres en coton, rayonne, cellulose, des fibres en polyamides aromatiques telles que des fibres en aramide comme par exemple des fibres en Kevlar® commercialisées par la société Dupont de Nemours, en polyamides aliphatiques telles que le nylon 46 et 66, en polyester, en polyéthylène 20 téréphtalate (PET), en polyéthylène naphtalates (PEN), en polyimides, en polyvinyalcools, des fibres de carbone, des fibres de verre. Selon une forme d'exécution préférentielle de l'invention, les courtes fibres de renforcement sont en aramide. Peuvent également convenir des fils métalliques de courte longueur. Les fibres de renforcement peuvent avoir une longueur égale ou inférieure à 10 mm, 25 avantageusement allant de 511m à 10 mm et préférentiellement allant de 3 mm à 8 mm, un diamètre moyen allant de 0,2 µm à 0,1 mm, leur section peut être circulaire ou non, elles peuvent ou non être creuses. La teneur en fibres dans la gomme constituant chaque couche de fibres orientées peut aller de 0.1% à 45% en poids du caoutchouc et préférentiellement aller de 0.5% à 10% en poids du caoutchouc. 30 (0017) Dans la présente description, tous les pourcentages (%) sont des pourcentages exprimés en masse. D'autre part, tout intervalle de valeurs désigné par l'expression "entre a et b" représente le domaine de valeurs supérieures à la valeur a et inférieures à la valeur b (c'est-à-dire bornes a et b exclues) tandis que tout intervalle de 2953456 -5 valeurs désigné par l'expression "de a à b" représente le domaine de valeurs allant de a jusqu'à b et incluant les bornes a et b. (0018) Les pneumatiques comportant une bande de roulement selon l'invention sont préférentiellement à armature de carcasse radiale et particulièrement destinés à équiper 5 les essieux directeurs des véhicules poids lourd prévus pour un usage lié à un marché régional de livraison de marchandises. Ils peuvent également être utilisés pour des essieux non directeurs de véhicules poids lourd (tracteurs et remorques), pour des véhicules hors la route tels qu'engins agricoles (forestiers) ou d'engins de génie civil opérant très souvent sur des terrains comportant de nombreux obstacles ou des corps étrangers à franchir et 10 soumettant les pneumatiques a de grandes forces de cisaillement ou d'autres véhicules de transport ou de manutention. (0019) Pour préparer la couche élastomérique contenant les courtes fibres de renforcement orientées unidirectionnellement selon l'angle choisi, on peut utiliser tout procédé connu en soi, notamment comme décrit par exemple dans la demande de brevet 15 WO 2008/027045. Une telle couche élastomérique peut être utilisée pour la fabrication de bandes de roulement destinées à la fabrication de pneus neufs ou au rechapage de pneus usagés. (0020) L'invention a également pour objet une enveloppe de pneumatique comportant une bande de roulement de pneumatique présentant les caractéristiques 20 définies ci-dessus. (0021) Une forme avantageuse de réalisation d'une enveloppe de pneumatique comprenant une bande de roulement conforme à l'invention consiste au moyen de calandrage avec un outil à cylindres à réaliser des plaques d'élastomère non vulcanisé contenant les courtes fibres de renforcement, puis à découper ces plaques et à les extruder 25 au moyen d'une micro buse pour réaliser des bandelettes d'élastomère dans lesquelles les courtes fibres sont orientées dans le sens de l'extrusion. La bande de roulement est ensuite réalisée par superposition sur un tambour de confection rotatif de plusieurs couches, préférentiellement quatre, de bandelettes juxtaposées puis alternativement disposées à + (plus) ou ù (moins) 45° ; cet empilement est ensuite découpé dans le sens circonférentiel 30 pour réaliser un nombre de profilés de produits semi-finis correspondant au nombre (n) de nervure(s) d'orientation générale circonférentielle renforcée(s) choisi pour le(s) élément(s) en relief de la bande de roulement, lesquels profilés sont jointivement disposés sur le bandage cru lui même disposé sur le tambour de confection du pneumatique. 2953456 -6 (0022) Les variantes qui ont été décrites précédemment peuvent aisément être combinées entre elles par la personne du métier recherchant une amélioration de la performance en résistance aux arrachements dus à des sollicitations sévères telles que celles subies lors de la montée ou la descente de trottoirs ou dus à des chocs contre le 5 trottoir ou à des corps étrangers d'un pneumatique notamment d'un pneumatique poids-lourd à carcasse radiale. (0023) D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, plusieurs formes de réalisation de l'objet de l'invention. 10 (0024) La figure 1 montre deux fines couches chaque couche comprenant des fibres orientées soit avec un angle soit avec l'angle opposé (on note cet empilement de la façon suivante couche + et couche -) ; (0025) La figure 2 montre une vue partielle d'une sculpture d'une bande de roulement de pneumatique selon l'invention pour laquelle l'ensemble de la bande est 15 formé par une pluralité de fines couches + et - ; (0026) La figure 3 montre une vue en plan d'une bande de roulement selon l'invention selon laquelle seules les parties de bord sont renforcées de fines couches ; (0027) La figure 4 montre une variante de bande de roulement selon l'invention dont les blocs sont formés de fines couches. 20 (0028) Description des figures (0029) Pour faciliter la lecture des figures les mêmes références sont utilisées pour désigner des éléments structurels ou fonctionnels identiques. En outre, un signe + est porté sur une couche renforcée par des fibres courtes orientées selon un angle positif et un signe - est porté sur une couche renforcée par des fibres courtes orientées selon un angle 25 négatif (0030) Sur la figure 1, on a représenté deux couches successives Cl, C2 de matériau caoutchoutique renforcé par des fibres courtes f orientées dans chaque couche selon un angle positif A, dite couche (+) ou selon un angle négatif B, dite couche (-). Par orientation des fibres courtes dans chaque couche Cl, C2, il faut bien sûr comprendre 30 qu'en moyenne toutes ou quasiment toutes les fibres f d'une couche sont orientées selon un même angle moyen A ou B. Selon le procédé de fabrication choisi pour réaliser de telles couches, il est possible qu'un certain nombre de fibres présentent une orientation 2953456 -7 différente de l'orientation moyenne des fibres dans la couche. L'angle d'orientation des fibres est pris par rapport à une direction qui sur la bande de roulement correspond à une direction radiale, c'est-à-dire une direction perpendiculaire à l'axe de rotation du pneu pourvu de ladite bande. 5 (0031) La figure 2 montre une variante de réalisation d'un pneu selon l'invention. Ce pneu comprend une bande de roulement 1 ayant une surface de roulement 10 formée par les surfaces radialement à l'extérieur des différents éléments en relief dont est pourvue ladite bande. Dans le cas présenté, la bande de roulement est pourvue de deux rainures circonférentielles 21, ces rainures 21 délimitant une nervure intermédiaire 32 et deux 10 nervures de bord 31, ces nervures étant continues circonférentiellement. La bande de roulement est formée dans un matériau composite comprenant un très grand nombre de couches Cl, C2 empilées les unes contre les autres, chaque couche étant soit une couche ayant des fibres courtes orientées selon un angle A (couche +) ou une couche ayant des fibres courtes orientées selon un angle B (couche -). Les couches sont empilées les unes 15 contre les autres de manière à ce que les fibres courtes de chaque couche soient croisées entre elles et à ce que l'empilement s'étende dans la direction circonférentielle (indiquée par la flèche T sur la figure). (0032) Chaque couche comprend un matériau caoutchoutique dans lequel on noie une pluralité de fibres courtes en PET de longueur égale à 3 mm et de diamètre égal à 20 12 µm. la densité en fibres de chaque couche est de 2% en poids. La fibre aramide a également été testée. Dans le cas présent, toutes les fibres courtes sont de même nature et de même orientation en valeur absolue dans chaque couche Cl, C2 (0033) La figure 3 montre une variante de l'invention selon laquelle, une bande de roulement comprend trois rainures circonférentielles délimitant des nervures 25 intermédiaires 32et des nervures de bord 31. Ces dernières sont situées axialement au bord de la bande de roulement et elles sont formées dans un matériau composite tel que défini par l'invention. En outre, les couches (+) et les couches (-) sont disposées de manière à faire sur la surface de roulement un angle C avec une direction tangente à la direction circonférentielle (figurée par la flèche T sur la figure 2). Dans l'exemple 30 montré, cet angle est, au signe près, le même sur les deux bords et égal à C. Dans ce cas, la bande de roulement acquiert une sorte de directionalité par la disposition des couches de matériaux renforcées par de courtes fibres. Dans l'exemple montré, les deux rangées intermédiaires entre les rangées bord sont formées dans des matériaux homogènes sans renforcement par des fibres courtes. Cette variante permet de renforcer de façon 2953456 -8 spécifique les bords de la bande de roulement contre les agressions auxquelles peuvent être soumis les pneus pour véhicules poids lourd. (0034) Bien entendu, la personne du métier peut adapter les angles sur chacun des bords pour, par exemple, tenir compte de la position du pneu sur le véhicule (on peut 5 ainsi tenir compte du bord extérieur du pneu par rapport au véhicule). (0035) La figure 4 montre une autre variante de pneu selon l'invention pour lequel sa bande de roulement comprend une pluralité de blocs 4 délimités par des rainures circonférentielles 21 et transversales 22. Chaque bloc 4 est formé d'un matériau composite résultant de l'empilement dans la direction transversale de couches Cl, C2 10 renforcées de fibres courtes, ces couches étant empilées de manière à alterner les couches ayant des fibres courtes orientées selon un angle positif (+) et les couches ayant des fibres courtes orientées selon un angle négatif (-). (0036) Dans une variante non montrée, certains blocs peuvent être formé par un empilement de même direction que celui montré avec la figure 3 et les autres selon un 15 empilement de direction telle que montré avec la figure 4. (0037) L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés et diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS1 - Bande de roulement (1) de pneumatique pourvue d'une surface de roulement (10) destinée à être en contact avec une chaussée, cette bande de roulement comportant une sculpture formée par des éléments de relief délimitant au moins deux rainures (21) d'orientation générale circonférentielle, cette bande de roulement étant formée au moins en partie dans un matériau composite constituée d'une pluralité de fines couches de caoutchouc comprenant chacune de courtes fibres (f) de renforcement parallèles entre elles et orientées unidirectionnellement dans la bande de roulement selon un angle (A, B) différent de zéro degré avec une direction contenue dans la fine couche et perpendiculaire à la surface de roulement, cette bande de roulement étant caractérisée en ce que d'une couche de caoutchouc à la suivante les courtes fibres (f) sont croisées entre elles. 2ù Bande de roulement selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend une partie centrale et de part et d'autre des parties de bord et en ce que seuls les éléments en relief des parties de bord sont formés d'une pluralité de fines couches de gomme comprenant chacune de courtes fibres de renforcement parallèles entre elles et orientées unidirectionnellement dans la bande de roulement selon un angle différent de zéro degré avec une direction contenue dans la fine couche et perpendiculaire à la surface de roulement, et en ce que d'une couche de caoutchouc à la suivante les courtes fibres sont croisées entre elles. 3 ù Bande de roulement selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend une partie centrale et de part et d'autre des parties de bord et en ce que les éléments en relief de la partie centrale et des parties de bord de la bande de roulement comportent de la gomme renforcée à l'aide des courtes fibres selon une pluralité de fines couches croisées, les angles des courtes fibres dans la partie centrale étant différents des angles des courtes fibres dans les parties de bord. 4ù Bande de roulement selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les courtes fibres sont croisées d'une couche à l'autre selon un angle symétrique par rapport à une direction radiale. 5 ù Bande de roulement selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les courtes 30 fibres sont croisées d'une couche à l'autre selon un angle sensiblement de + 45° et de ù 45°. 2953456 -10 6 ù Bande de roulement selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les courtes fibres sont croisées d'une couche à l'autre de façon dissymétrique par rapport à une direction radiale. 7 ù Bande de roulement selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les fibres 5 sont choisies parmi les fibres végétales, coton, rayonne, cellulose, des fibres en polyamides aromatiques telles que des fibres en aramide, en polyamides aliphatiques telles que le nylon 46 et 66, en polyester, en polyéthylène téréphtalate (PET), en polyéthylène naphtalates (PEN), en polyimides, en polyvinyalcools, des fibres de carbone, des fibres de verre. 8ù Bande de roulement selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que 10 les courtes fibres ont une longueur au plus égale à 10 mm. 9ù Pneumatique pour véhicule poids lourd à armature de carcasse radiale, caractérisé en ce qu'il comprend une bande de roulement définie selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.