Brevet FR3080797A1 — publié le 20191108

- 1 - PNEUMATIQUE PRESENTANT DES PROPRIETES D'USURE ET DE RESISTANCE AU ROULEMENT AlVIELIOREES [0001] La présente invention concerne un pneumatique, à armature de carcasse radiale et plus particulièrement un pneumatique destiné à équiper des véhicules portant de lourdes charges et roulant à vitesse soutenue, tels que, par exemple les camions, tracteurs, remorques ou bus routiers. [0002] D'une manière générale dans les pneumatiques de type poids-lourds, l'armature de carcasse est ancrée de part et d'autre dans la zone du bourrelet et est surmontée radialement par une armature de sommet constituée d'au moins deux couches, superposées et formées de fils ou câbles parallèles dans chaque couche et croisés d'une couche à la suivante en faisant avec la direction circonférentielle des angles compris entre 100 et 450 . Lesdites couches de travail, formant l'armature de travail, peuvent encore être recouvertes d'au moins une couche dite de protection et formée d'éléments de renforcement avantageusement métalliques et extensibles, dits élastiques. Elle peut également comprendre une couche de fils ou câbles métalliques à faible extensibilité faisant avec la direction circonférentielle un angle compris entre 45° et 90°, cette nappe, dite de triangulation, étant radialement située entre l'armature de carcasse et la première nappe de sommet dite de travail, formées de fils ou câbles parallèles présentant des angles au plus égaux à 45° en valeur absolue. La nappe de triangulation forme avec au moins ladite nappe de travail une armature triangulée, qui présente, sous les différentes contraintes qu'elle subit, peu de déformations, la nappe de triangulation ayant pour rôle essentiel de reprendre les efforts de compression transversale dont est l'objet l'ensemble des éléments de renforcement dans la zone du sommet du pneumatique. [0003] Radialement à l'extérieur de l'armature de sommet, on trouve la bande de roulement habituellement constituée de matériaux polymériques destinés à venir au contact du sol dans l'aire de contact entre le sol et le pneumatique. -2- 100041 Des câbles sont dits inextensibles lorsque lesdits câbles présentent sous une force de traction égale à 10% de la force de rupture un allongement relatif au plus égal à 0,2%. [0005] Des câbles sont dits élastiques lorsque lesdits câbles présentent sous une force 5 de traction égale à la charge de rupture un allongement relatif au moins égal à 3% avec un module tangent maximum inférieur à 150 GPa. [0006] Des éléments de renforcement circonférentiels sont des éléments de renforcement qui font avec la direction circonférentielle des angles compris dans l'intervalle + 2,5°, - 2,5° autour de 0°. 10 [0007] La direction circonférentielle du pneumatique, ou direction longitudinale, est la direction correspondant à la périphérie du pneumatique et définie par la direction de roulement du pneumatique. [0008] La direction transversale ou axiale du pneumatique est parallèle à l'axe de rotation du pneumatique. 15 [0009] La direction radiale est une direction coupant l'axe de rotation du pneumatique et perpendiculaire à celui-ci. [0010] L'axe de rotation du pneumatique est l'axe autour duquel il tourne en utilisation normale. [0011] Un plan radial ou méridien est un plan qui contient l'axe de rotation du 20 pneumatique. [0012] Le plan médian circonférentiel, ou plan équatorial, est un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du pneu et qui divise le pneumatique en deux moitiés. [0013] Certains pneumatiques actuels, dits "routiers", sont destinés à rouler à grande vitesse et sur des trajets de plus en plus longs, du fait de l'amélioration du réseau routier et 25 de la croissance du réseau autoroutier dans le monde. L'ensemble des conditions, sous lesquelles un tel pneumatique est appelé à rouler, permet sans aucun doute un accroissement - 3 - du nombre de kilomètres parcourus, l'usure du pneumatique étant moindre ; par contre l'endurance de ce dernier et en particulier de l'armature de sommet est pénalisée. [0014] Il existe en effet des contraintes au niveau de l'armature de sommet et plus particulièrement des contraintes de cisaillement entre les couches de sommet, alliées à une 5 élévation non négligeable de la température de fonctionnement au niveau des extrémités de la couche de sommet axialement la plus courte, qui ont pour conséquence l'apparition et la propagation de fissures de la gomme au niveau desdites extrémités. [0015] Afin d'améliorer l'endurance de l'armature de sommet du type de pneumatique étudié, des solutions relatives à la structure et qualité des couches et/ou profilés de 10 mélanges caoutchouteux qui sont disposés entre et/ou autour des extrémités de nappes et plus particulièrement des extrémités de la nappe axialement la plus courte ont déjà été apportées. [0016] Le brevet FR 1 389 428, pour améliorer la résistance à la dégradation des mélanges de caoutchouc situés au voisinage des bords d'armature de sommet, préconise 15 l'utilisation, en combinaison avec une bande de roulement de faible hystérésis, d'un profilé de caoutchouc couvrant au moins les côtés et les bords marginaux de l'armature de sommet et constitué d'un mélange caoutchouteux à faible hystérésis. [0017] Le brevet FR 2 222 232, pour éviter les séparations entre nappes d'armature de sommet, enseigne d'enrober les extrémités de l'armature dans un matelas de caoutchouc, 20 dont la dureté Shore A est différente de celle de la bande de roulement surmontant ladite armature, et plus grande que la dureté Shore A du profilé de mélange caoutchouteux disposé entre les bords de nappes d'armature de sommet et armature de carcasse. [0018] La demande française FR 2 728 510 propose de disposer, d'une part entre l'armature de carcasse et la nappe de travail d'armature de sommet, radialement la plus 25 proche de l'axe de rotation, une nappe axialement continue, formée de câbles métalliques inextensibles faisant avec la direction circonférentielle un angle au moins égal à 60°, et dont la largeur axiale est au moins égale à la largeur axiale de la nappe de sommet de travail la plus courte, et d'autre part entre les deux nappes de sommet de travail une nappe - 4 - additionnelle formée d'éléments métalliques, orientés sensiblement parallèlement à la direction circonférentielle. [0019] La demande française WO 99/24269 propose encore, de part et d'autre du plan équatorial et dans le prolongement axial immédiat de la nappe additionnelle d'éléments de 5 renforcement sensiblement parallèles à la direction circonférentielle, de coupler, sur une certaine distance axiale, les deux nappes de sommet de travail formées d'éléments de renforcement croisés d'une nappe à la suivante pour ensuite les découpler par des profilés de mélange de caoutchouc au moins sur le restant de la largeur commune aux dites deux nappes de travail. 10 [0020] La couche d'éléments de renforcement circonférentiels est usuellement constituée par au moins un câble métallique enroulé pour former une spire dont l'angle de pose par rapport à la direction circonférentielle est inférieur à 2.5°. [0021] Cette amélioration de l'endurance des pneumatiques permet d'envisager au moins la possibilité d'un rechapage lorsque la bande de roulement est usée. En effet, 15 lorsqu'il est souhaité faire un rechapage du pneumatique après usure de la bande de roulement, il faut être en mesure de rechaper un pneumatique dont le vieillissement n'est pas trop avancé afin d'optimiser l'utilisation de la nouvelle bande de roulement. [0022] Il est encore souhaité de réaliser des pneumatiques dont la résistance au roulement est diminuée. Pour cela, il est connu d'utiliser des matériaux constitutifs de la 20 bande de roulement avantageusement choisis avec des pertes hystérétiques réduites, tels que des mélanges polymériques comportant des charges de type silice. [0023] Les inventeurs ont toutefois mis en évidence que de tels matériaux pour constituer la bande de roulement d'un pneumatique présentent des propriétés de conductivité thermique réduites induisant des temps de cuisson plus importants pour 25 permettre une vulcanisation optimisée du pneumatique. Cela se traduit par une baisse de productivité et donc des coûts de fabrication plus élevés. [0024] Les inventeurs se sont ainsi donnés pour mission d'être en mesure de fournir des pneumatiques autorisant une distance de roulage toujours plus importante avant d'envisager un rechapage, les propriétés d'usure et notamment de régularité d'usure étant conservées - 5 - ou améliorées quel que soit l'usage et dont les propriétés de résistance au roulement sont améliorées tout en conservant des coûts de production raisonnables. [0025] Ce but est atteint selon l'invention par un pneumatique à armature de carcasse radiale comprenant une armature de sommet, elle-même coiffée radialement d'une bande de 5 roulement, ladite bande de roulement étant réunie à deux bourrelets par l'intermédiaire de deux flancs, l'armature de sommet comportant au moins une couche d'éléments de renforcement circonférentiels, ladite bande de roulement comportant au moins une couche de mélange polymérique formant une surface de roulement destinée à venir en contact avec une chaussée et former une surface de contact, la conductivité thermique de ladite couche 10 de mélange polymérique formant la surface de roulement étant strictement inférieur à 0.25 W/(m.K), le rapport de l'épaisseur du bloc sommet à une extrémité d'épaulement sur la largeur de la bande de roulement étant strictement inférieur à 0.15 et l'épaisseur du bloc sommet à une extrémité d'épaulement étant supérieure à 35 mm. [0026] L'épaisseur du bloc sommet à une extrémité d'épaulement est définie par la 15 longueur de la projection orthogonale de l'extrémité d'épaulement sur la couche de mélange caoutchouteux radialement la plus à l'intérieur du pneumatique. [0027] Les mesures d'épaisseur sont effectuées sur une coupe transversale d'un pneumatique, le pneumatique étant donc dans un état non gonflé. [0028] La largeur axiale de la bande de roulement est mesurée entre deux extrémités 20 d'épaulement lorsque le pneumatique est monté sur sa jante de service et gonflé à sa pression nominale. [0029] Une extrémité d'épaulement est définie par l'arête formée entre la surface de roulement et le flanc du pneumatique lorsque celle-ci est bien définie. Lorsque cette arête n'est pas clairement marquée sur le pneumatique, l'extrémité d'épaulement est définie, dans 25 la zone de l'épaule du pneumatique, par le point de tangence entre une droite, formant un angle de 30° avec la direction axiale, et la surface extérieure du pneumatique. [0030] Les essais réalisés ont montré que les pneumatiques selon l'invention présentent des régularités d'usure et des performances d'endurance satisfaisantes quelles que soient les - 6 - conditions d'utilisation des pneumatiques et des performances en termes de résistance au roulement améliorée, les coûts de fabrication de ces pneumatiques restant acceptables. [0031] Les inventeurs ont en effet su mettre en évidence que l'association d'une couche de mélange polymérique formant la surface de roulement dont la conductivité thermique est 5 strictement inférieur à 0.25 W/(m.K) et d'un rapport de l'épaisseur du bloc sommet à une extrémité d'épaulement sur la largeur de la bande de roulement strictement inférieur à 0.15, l'épaisseur du bloc sommet à une extrémité d'épaulement étant supérieure à 35 mm permet de concilier des performances en termes de résistance au roulement et des coûts de production raisonnables. 10 [0032] En effet, le pneumatique ainsi défini selon l'invention présente en comparaison de pneumatiques plus usuels une épaisseur réduite au niveau de l'épaule permettant de réduire le temps nécessaire pour la vulcanisation. Il est en effet connu de l'homme du métier que les zones des épaules d'un pneumatique peuvent être critiques pour le temps nécessaire à la vulcanisation. 15 [0033] Toutefois, il est totalement inusuel pour l'homme du métier de s'aventurer à réduire cette épaisseur de la bande de roulement au niveau des épaules du pneumatique, sachant qu'elle conduit lors de l'usage des pneumatiques à une altération des performances du pneumatique en termes d'usure et notamment de régularité d'usure. En effet, la réduction de ces épaisseurs doit conduire à une modification de l'empreinte au sol du 20 pneumatique lors de son usage et donc à une modification des conditions d'usure. Cela se traduit habituellement par des irrégularités d'usure entre le centre et les bords du pneumatique. [0034] Les inventeurs pensent interpréter les résultats obtenus avec les pneumatiques selon l'invention par la présence de la couche d'éléments de renforcement circonférentiels 25 qui semble pouvoir diminuer voire éviter ces irrégularités d'usure qui apparaissent notamment entre le centre de la bande de roulement et les bords du pneumatique. [0035] De manière très surprenante, la couche d'éléments de renforcement circonférentiels, qui est usuellement présente pour limiter des effets de cisaillement entre les couches de sommet de travail, semble permettre de compenser les effets liés à la diminution - 7 - de l'épaisseur au niveau des épaules du mélange constituant la bande de roulement sur la régularité d'usure de ladite bande de roulement lors des roulages. [0036] Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, ladite couche formant la surface de roulement est un mélange élastomérique comportant une charge renforçante 5 constituée d'au moins 30% de silice avec un taux exprimé en pce (parties en poids pour cent parties d'élastomères) strictement supérieur à 15. [0037] Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, ladite couche formant la surface de roulement est un mélange élastomérique à base de caoutchouc naturel ou de polyisoprène synthétique à majorité d'enchaînements cis-1,4 et éventuellement d'au moins 10 un autre élastomère diénique, le caoutchouc naturel ou le polyisoprène synthétique en cas de coupage étant présent à un taux majoritaire par rapport au taux de l'autre ou des autres élastomères diéniques utilisés et d'une charge renforçante constituée majoritairement de silice avec un taux exprimé en pce (parties en poids pour cent parties d'élastomères) supérieur à 40 et de préférence un taux de charge global exprimé en pce supérieur à 50. 15 [0038] Avantageusement encore selon ce mode de réalisation préféré de l'invention, la somme des taux de soufre et taux d'accélérateur est supérieure ou égale à 2,5 parties en poids pour 100 parties en poids d'élastomère (pce). [0039] Avantageusement encore selon l'invention, le taux de soufre total, exprimé en pce, est supérieur à 1.9. 20 [0040] La mesure du taux de soufre total dans la composition est effectuée par analyse élémentaire, à l'aide du micro-analyseur Thermo Scientific Flash 2000. L'analyse comprend une étape de combustion de l'échantillon puis une étape de séparation des composés formés. [0041] Environ 1 mg d'échantillon est introduit dans le micro-analyseur, où il subit une 25 combustion flash de 1000°C sous oxygène. Les gaz formés sont alors oxydés grâce à l'oxygène en excès et à un catalyseur d'anhydride tungstique. Une étape de réduction par passage sur du cuivre permet ensuite de piéger l'oxygène en excès, et de réduire les oxydes d'azote en N2 ainsi que les sulfites en dioxyde de soufre S02. L'eau est piégée et les composés N2, CO2, SO2 formés sont ensuite séparés sur une colonne chromatographique - 8 - puis détectés par un catharomètre. La quantification du soufre total est réalisée par mesure de l'aire du pic de S02, après calibration avec des standards. [0042] Selon un autre mode de réalisation de l'invention, ladite couche formant la surface de roulement est un mélange élastomérique à base de caoutchouc naturel ou de 5 polyisoprène synthétique à majorité d'enchaînements cis-1,4 et éventuellement d'au moins un autre élastomère diénique, le caoutchouc naturel ou le polyisoprène synthétique en cas de coupage étant présent à un taux majoritaire par rapport au taux de l'autre ou des autres élastomères diéniques utilisés et d'une charge renforçante constituée majoritairement d'une silice spécifique, avec un taux exprimé en pce (parties en poids pour cent parties 10 d'élastomères) supérieur à 40 et un taux de charge global exprimé en pce supérieur à 50, qui présente les caractéristiques suivantes : (a) une surface spécifique BET entre 200 et 240 et de préférence entre 210 et 230 m2/g, (b) une surface spécifique CTAB entre 180 et 220 et de préférence entre 190 et 210 m2/g, (c) une taille moyenne (en masse) de particules, notée dw, de 45 à 75 nm. 15 [0043] La surface spécifique ("aire massique") BET est déterminée par adsorption de gaz à l'aide de la méthode de Brunauer-Emmett-Teller décrite dans "The Journal of the American Chemical Society" Vol. 60, page 309, février 1938), plus précisément selon la norme française NF ISO 9277 de décembre 1996 [méthode volumétrique multipoints (5 points) - gaz: azote - dégazage : lheure à 160°C - domaine de pression relative p/po : 0.05 à 20 0.17] [0044] La surface spécifique CTAB est la surface externe déterminée selon la norme française NF T 45-007 de novembre 1987 (méthode B). [0045] La taille moyenne (en masse) des particules, notée dw, est mesurée de manière classique après dispersion, par désagglomération aux ultrasons, de la charge à analyser dans 25 l'eau. -9- 100461 La mesure est réalisée au moyen d'un sédimentomètre centrifuge à détection rayons X type "XDC" ("X-rays Disk Centrifuge"), commercialisé par la société Brookhaven Instruments, selon le mode opératoire qui suit. [0047] On réalise une suspension de 3,2 g d'échantillon de silice à analyser dans 40 ml 5 d'eau, par action durant 8 minutes, à 60% de puissance (60% de la position maxi du "output control"), d'une sonde ultrasons de 1500 W (sonificateur Vibracell 3/4 pouce commercialisé par la société Bioblock) ; après sonification, on introduit 15 ml de la suspension dans le disque en rotation ; après sédimentation pendant 120 minutes, la distribution en masse des tailles de particules est calculée par le logiciel du sédimentomètre "XDC". La moyenne 10 géométrique en masse des tailles de particules ("géométrie mean (Xg)" selon l'appellation du logiciel), notée dw, est calculée par le logiciel à partir de l'équation suivante : Erni log di log dw = Emi i.1 avec mi masse de l'ensemble des objets dans la classe de diamètre di. [0048] Selon un mode de réalisation préféré de cette variante de réalisation de 15 l'invention, la silice spécifique présente encore au moins l'une des caractéristiques suivantes, de préférence deux et plus préférentiellement les trois : (d) une distribution de taille de particules telle que dw > (16 500 / CTAB) - 30, (e) une porosité vérifiant le critère L / IF > -0,0025 CTAB + 0,85, (f) un taux de silanols par unité de surface, noté Nsion/nm2, tel que Nsion/nm2 REVENDICATIONS1 - Pneumatique à armature de carcasse radiale comprenant une armature de sommet, elle-même coiffée radialement d'une bande de roulement, ladite bande de roulement étant réunie à deux bourrelets par l'intermédiaire de deux flancs, l'armature de sommet comportant au moins une couche d'éléments de renforcement circonférentiels, ladite bande de roulement comportant au moins une couche de mélange polymérique formant une surface de roulement destinée à venir en contact avec une chaussée et former une surface de contact, caractérisé en ce que la conductivité thermique de ladite couche de mélange polymérique formant la surface de roulement est strictement inférieur à 0.25 W/(m.K), en ce que le rapport de l'épaisseur du bloc sommet à une extrémité d'épaulement sur la largeur de la bande de roulement est strictement inférieur à 0.15 et en ce que l'épaisseur du bloc sommet à une extrémité d'épaulement est supérieure à 35 mm. 2 - Pneumatique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche formant la surface de roulement est un mélange élastomérique comportant une charge renforçante constituée d'au moins 30% de silice avec un taux exprimé en pce (parties en poids pour cent parties d'élastomères) strictement supérieur à 15. 3 - Pneumatique selon l'une des revendications précédentes, l'armature sommet étant constituée d'au moins deux couches d'éléments de renforcement, caractérisé en ce que ladite au moins une couche d'éléments de renforcement circonférentiels est radialement disposée entre deux couches de sommet de travail. 4 - Pneumatique selon la revendication 3, caractérisé en ce que les largeurs axiales des couches de sommet de travail radialement adjacentes à la couche d'éléments de renforcement circonférentiels sont supérieures à la largeur axiale de ladite couche d'éléments de renforcement circonférentiels. 5 - Pneumatique selon la revendication 4, caractérisé en ce que les couches de sommet de travail adjacentes à la couche d'éléments de renforcement circonférentiels sont de part et d'autre du plan équatorial et dans le prolongement axial immédiat de la couche d'éléments de renforcement circonférentiels couplées sur une largeur axiale, pour être ensuite découplées par - 24 - des profilés de mélange de caoutchouc au moins sur le restant de la largeur commune aux dites deux couches de travail. 6 - Pneumatique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'armature de sommet est formée d'au moins deux couches de sommet de travail d'éléments de 5 renforcement, de préférence inextensibles, croisés d'une couche à l'autre en faisant avec la direction circonférentielle des angles compris entre 100 et 450 . 7 - Pneumatique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments de renforcement d'au moins une couche d'éléments de renforcement circonférentiels sont des éléments de renforcement métalliques présentant un module sécant à 0,7 % d'allongement 10 compris entre 10 et 120 GPa et un module tangent maximum inférieur à 150 GPa. 8 - Pneumatique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'armature de sommet est complétée radialement à l'extérieur par au moins une nappe supplémentaire, dite de protection, d'éléments de renforcement dits élastiques, orientés par rapport à la direction circonférentielle avec un angle compris entre 100 et 450 et de même sens que l'angle formé par 15 les éléments inextensibles de la nappe de travail qui lui est radialement adjacente. 9 - Pneumatique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'armature de sommet comporte en outre une couche de triangulation formée d'éléments de renforcement métalliques faisant avec la direction circonférentielle des angles supérieurs à 450 .