Сетчатая ткань для армирования экранирующего слоя радиальных шин
MESH FABRIC FOR REINFORCING THE RADIAL TIRES SHIELDING LAYER

Сетчатая ткань предназначена для использования в конструкциях современных радиальных шин, которые имеют кроме основных армирующих слоев каркаса и брекера также дополнительный слой брекера, называемый экранирующим слоем (см. В.В. Рагулин «Технология шинного производства», Химия, 1970). Его основное назначение – стабилизировать основные несущие слои брекера при качении с высокой скоростью, поскольку, как правило, основные слои брекера имеют диагональное расположение нитей армирующего материала, концы которого удерживаются только за счет прочности резины (Фиг. 1).
В массовом производстве радиальных шин экранирующий слой выполняют либо из раскроенного  слоя полной ширины (а.с. СССР № 1421545, 1988 г.; № 1648806, 1991 г.), либо в виде аналогичных полос на краях брекера, либо спиральной намоткой ленты. Последний способ наиболее распространен на современном оборудовании.
В качестве армирующего материала для экранирующего слоя в массовом производстве радиальных шин применяют чаще всего кордные ткани с линейной плотностью 940х1, 940х2, 1100x1, 1100х2, 1400х1, 1400х2 из различных полимеров (полиамид, арамид, полиэфир). Также известна ткань для образования экранирующего слоя, выполненная в виде ленты из одиночных термообработанных, пропитанных крученых нитей (монокорд) (патент США № 4284117, опубл. 18.08.1981). При этом лента изготавливается с помощью специального экструдора. Известны также ткани, образованные путем наложения необрезиненного клейкого материала из предварительно пропитанных и термообработанных сдвоенных нитей (патенты РФ № 2242372, опубл. 20.12.2004; № 2269419, опубл. 10.02.2006).
При качении шины в зоне контакта с дорогой происходит деформирование каркаса и основных слоев брекера ввиду закроя слоев брекера в противоположных диагональных направлениях, возникают существенные сдвиговые деформации в резине. Деформации особенно существенны в зоне кромок брекера. Кроме того, добавляются еще центробежные силы, возникающие при качении шины. Для снижения уровня деформаций и перемещений предназначен экранирующий слой. Однако надо еще учесть, что поверх брекера расположен протектор и сдвиговые деформации его нижней части в совокупности с деформациями от контакта с дорогой могут существенно снизить долговечность резины протектора. Для снижения влияния сдвиговых деформаций в конструкции шины применяется так называемый подканавочный слой – слой резины поверх брекера под протектором. Очень часто этот слой в современной технологии шин делается из резины со свойствами, отличными от свойств резины протектора для обеспечения лучшей долговечности и экономичности конструкции в целом.
Армирующие нити экранирующего слоя брекера ограничивают деформирование только в окружном направлении, поскольку либо не связаны между собой, либо удерживаются утком, линейная плотность и частота которого очень малы в сравнении с линейной плотностью и частотой основной нити. К примеру, для кордных тканей линейная плотность утка – 20–30 дтекс, частота – всего 8–30 нитей на дециметр, что в 30 и более раз меньше линейной плотности основной нити.
Известен армирующий корд брекера, сформированный путем спиральной намотки в виде полосы, содержащей по меньшей мере два корда, таким образом, чтобы она составляла угол от 0 до 5° с экваториальной плоскостью на пакете брекера. Армирующий корд слоя брекера формируется посредством скручивания вместе двух нитей из алифатического полиамида. Причем одна из полиамидных нитей имеет линейную плотность 1300–1500 децитекс, а другая – 850–1000 децитекс. Разница между уровнями предварительной крутки полиамидных нитей составляет максимум 20 %. Обеспечивается увеличение долговечности шины и уменьшение расхода топлива (патент РФ № 2721108, опубл. 28.06.2019).
,
Известно изобретение «Упрочняющий слой для изделий из эластомерного материалапредпочтительно для пневматических шин транспортного средства и пневматические шины транспортного средства». Прорезиненный упрочняющий слой для изделий, выполненных из эластомерного материала, предпочтительно для шин транспортного средства, при этом упрочняющий слой содержит множество параллельно расположенных взаимно разнесенных силовых элементов, причем каждый силовой элемент состоит по меньшей мере из одной крученой вискозной комплексной нити, степень кристалличности вискозной комплексной нити находится в диапазоне от 15 % до 40 %, линейная плотность нити находится в диапазоне от 150 децитекс до 1100 децитекс, а прочность на разрыв находится в диапазоне от 45 сантиньютон/текс до 55 сантиньютон/текс (патент РФ № 2664208, опубл. 15.08.2018).
Однако данные корды слоя брекера не обеспечивают снижение уровня деформаций в области подканавочного слоя шин.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является изобретение «Радиальные шины с колпачковыми слоями, использующими однонитевые армирующие элементы» по патенту США № 4284117, опубл. 18.08.1981), в котором представлена пневматическая шина, содержащая радиальный каркас слоя, протектор, перекрывающий корончатую область указанного каркаса, пояс, расположенный между указанным протектором и указанной корончатой областью указанного каркаса в окружном окружающем отношении к последнему, указанный пояс, включающий по меньшей мере два слоя ленточных шнуров из высокомодульного материала, причем ленточные шнуры в каждом слое проходят параллельно друг другу и находятся в пересечении по отношению к шнуру следующего соседнего ленточного слоя, колпачковый слой, расположенный между радиально крайним из указанных ленточных слоев и указанным протектором, указанный слой колпачка, состоящий из полосы материала, имеющей неметаллические армирующие элементы, параллельные друг другу и средней плоскости шины, причем указанные армирующие элементы состоят только из серии одиночных ямсов, имеющих крутку приблизительно от 100 до 400 витков на метр и имеющих плотность упаковки указанных одиночных нитей в указанном слое колпачка от 60 до 300 нитей на дециметр и предварительно напряженных в продольном направлении для создания сжимающего напряжения на указанных слоях ленты. Однако данное техническое решение не обеспечивает снижение деформаций протектора шины, вызванных сдвиговыми деформациями в резине, что в конечном итоге снижает долговечность шины.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка армирующего материала экранирующего слоя брекера, обеспечивающего:
– снижение уровня перемещений и сдвиговых деформаций шины в области экранирующего и подканавочного слоев радиальных шин;
– снижение деформаций протектора шины в совокупности с деформациями от контакта с дорогой№
– повышение долговечности шины.
Поставленная техническая задача решается тем, что для армирования экранирующего слоя брекера используется сетчатая ткань, включающая уток и основные нити, которая имеет соотношение линейной плотности (текса) утка к линейной плотности основных нитей в пределах от 1:2 до 1:20.
Как показало исследование, ткань с такими характеристиками ограничивает сдвиговые деформации шины не только в окружном, но и в поперечном направлении, при этом существенно повышается поперечная и сдвиговая жесткость экранирующего слоя в плоскости слоя. Все это ведет к уменьшению уровня деформации подканавочного слоя, наиболее часто подверженному разрушению на высоких скоростях движения, и повышению долговечности шины.
Такая ткань может использоваться как в виде слоя полной ширины, так и в виде полос на краях брекера или в виде ленты для намотки. Применение такой сетчатой ткани возможно как с предварительной обрезинкой, так и без нее с покрытием ткани клейким к резине составом.
Соотношение линейной плотности (текса) утка к линейной плотности основных нитей от 1:2 до 1:20, как показали исследования, является оптимальным для ограничения сдвиговых деформаций шины не только в окружном, но и в поперечном направлении, при этом существенно повышается сдвиговая жесткость экранирующего слоя в плоскости слоя, и ведет к уменьшению уровня деформации подканавочного слоя и повышению долговечности шины. Повышение соотношения линейной плотности (текса) утка к линейной плотности основных нитей сверх 1:2 является экономически необоснованным, а при значениях соотношения линейной плотности (текса) утка к линейной плотности основных нитей меньших 1:20 эффекта снижения уровня деформаций и увеличения долговечности уже практически не наблюдается.
Сущность изобретения отражена в следующих фигурах графических материалов:
Фиг. 1. Конструкция радиальной шины.
Фиг. 2. Диаграмма деформации вдоль продольной оси контакта в подканавочном слое, армирование экрана кордной тканью.
Фиг. 3. Диаграмма деформации вдоль продольной оси контакта в подканавочном слое, армирование экрана сетчатой тканью.
Фиг. 4. Диаграмма деформации в поперечном направлении в подканавочном слое, армирование экрана кордной тканью.
Фиг. 5. Диаграмма деформации в поперечном направлении в подканавочном слое, армирование экрана сетчатой тканью.
Фиг. 6. График распределения деформаций в продольном направлении в подканавочном слое, где 1 – армирование экрана кордной тканью, 2 – армирование экрана сетчатой тканью.
Фиг. 7. График распределения деформаций в поперечном направлении в подканавочном слое, где 1 – армирование экрана кордной тканью, 2 – армирование экрана сетчатой тканью.
Фиг. 8. Диаграмма деформации сдвига в плоскости контакта в подканавочном слое, армирование экрана кордной тканью.
Фиг. 9. Диаграмма деформации сдвига в плоскости контакта в подканавочном слое, армирование экрана сетчатой тканью.
Фиг. 10. График распределения деформаций сдвига в плоскости контакта в подканавочном слое поперек контакта, где 1 – армирование экрана кордной тканью, 2 – армирование экрана сетчатой тканью.
Фиг. 11. Диаграмма интенсивности деформации в подканавочном слое, армирование экрана кордной тканью.
Фиг. 12. Диаграмма интенсивности деформации в подканавочном слое, армирование экрана сетчатой тканью.
Фиг. 13. Диаграмма распределения показателя долговечности по профилю шины, армирование экрана кордной тканью. Соотношение линейной плотности нитей 1:2.
Фиг. 14. Диаграмма распределения показателя долговечности по профилю шины, армирование экрана сетчатой тканью. Соотношение линейной плотности нитей 1:2.
Фиг. 15. Диаграмма распределения показателя долговечности по профилю шины, армирование экрана сетчатой тканью. Соотношение линейной плотности нитей 1:15.
Где:
1 – каркас,
2 – брекер,
3 – экранирующий слой,
4 – подканавка,
5 –протектор.
На Фиг. 13–15 показан инвертированный показатель долговечности (с обратным знаком), с тем чтобы красный цвет соответствовал зоне с минимальной долговечностью.
В качестве примера конкретного выполнения приведены результаты, полученные для расчета шины 195/55VR15 при скорости качения 240 км/ч, нагрузка – 412 кг (стандартный режим стендовых испытаний на долговечность).
В качестве аналога взята стандартная кордная ткань, массово применяемая в шинной промышленности, конструкции 940х2 дтекс с суммарной линейной плотностью основных нитей 1880 дтекс, линейная плотность утка 22 дтекс в экранирующем слое (132А), соотношение линейной плотности (текса) утка к линейной плотности основных нитей составляет 1:85.
Во втором варианте применена сетчатая ткань в соответствии с изобретением с линейной плотностью основной нити 940х2 дтекс с той же частотой, что и в аналоге, а в качестве утка использована нить линейной плотности 940х1 дтекс, что составляет соотношение линейной плотности (текса) утка к линейной плотности основных нитей 1:2.
Как можно видеть из результатов, наличие армирования в двух направлениях меняет характер поперечных деформаций в подканавочном слое – они практически отсутствуют под действием внутреннего давления и существенны только в зоне контакта шины с дорогой (Фиг. 1, 2), также происходит снижение продольных деформаций и деформаций сдвига в плоскости подканавочного слоя (Фиг. 4–10). Снижение общей нагруженности подканавочного слоя, особенно в зоне кромок брекера в контакте с дорогой, показывает и интегральный показатель – интенсивность деформаций (Фиг. 11, 12), это снижение составляет в данном случае около 20 % в зоне максимальных величин. Таким образом, согласно полученным результатам, наличие армирования в двух направлениях снижает деформационную нагруженность подканавочного слоя, что обеспечивает лучшую изоляцию низа протектора от деформаций, создаваемых при деформировании брекера в зоне контакта, и создает условия для повышения долговечности зоны протектора шины.
Изменение долговечности оценивалось с помощью расчетного показателя – показателя долговечности (Соколов С.Л., Ненахов А.Б., Исследование долговечности зон повышенных деформаций пневматических шин // Материалы 28 симпозиума «Проблемы шин, РТИ и эластомерных композитов» М.: ООО «НПКЦ ВЕСКОМ». – 2018. – С. 311–320). Данный показатель характеризует потенциальную долговечность при равномерном качении с постоянной нагрузкой по плоской поверхности в заданной зоне профиля шины и основывается на экспериментальных кривых усталостной прочности соответствующих резин при разной температуре и расчетной оценке интенсивности деформаций и температуры в данной зоне. Численно является показателем степени по основанию 10 и оценивает число циклов до разрушения в данной зоне профиля шины при заданных интенсивности деформаций и температуре. Таким образом, пробег шины до разрушения в заданной зоне профиля шины определяется как произведение числа циклов на длину качения за один оборот шины.
Использование сетчатой ткани с соотношением линейной плотности (текса) утка к линейной плотности основных нитей 1:2 позволило снизить деформационную нагруженность протектора по всему профилю и увеличить его потенциальную долговечность (Фиг. 13, 14), особенно существенно повышение потенциальной долговечности в зоне над кромками брекера – на 50 %.
Как показали исследования, со снижением линейной плотности уточной нити эффект армирования в поперечном направлении снижается и при соотношении линейных плотностей утка и основной нити 1:15 повышение потенциальной долговечности в зоне над кромками брекера составит 20 % (Фиг. 15).
На Фиг. 13–15 указано  рабочее количество циклов – количество оборотов колеса при стандартных условиях испытаний  на плоской поверхности, где 1 цикл равен 1 обороту колеса.
При соотношении линейных плотностей утка и основной нити 1:20 повышение потенциальной долговечности в зоне над кромками брекера составит 5–7 %. Дальнейшее снижение линейной плотности уточной нити не дает какого-либо повышения долговечности по сравнению с серийной конструкцией, следовательно не представляется целесообразным.
Данное техническое решение – использование сетчатой ткани с соотношением линейной плотности (текса) утка к линейной плотности основных нитей в пределах от 1:2 до 1:20 – создает возможность повышения долговечности радиальных шин за счет снижения деформаций подканавки и протектора в целом. Сетчатая ткань может быть использована как предварительно обрезиненная, так и без обрезинки, покрытая клейким составом. Степень армирования в поперечном направлении можно регулировать за счет линейной плотности и частоты уточной нити. Сетчатая ткань может применяться как слоем полной ширины, так и полосами или лентой для намотки без каких-либо изменений в существующей технологии.
Данное техническое решение может быть осуществлено в условиях массового производства шин с использованием стандартного оборудования.