Пневматическая радиальная легковая шина и легкогрузовая шина
PNEUMATIC RADIAL TIRE FOR PASSENGER CAS AND LIGHT TRUCKS

Изобретение относится к пневматическим легковым шинам радиальной конструкции, максимально допустимая скорость эксплуатации которых составляет более 190 км/ч (категория скорости H, V, W и более), а также всех легкогрузовых шин, обрезиненный брекерный браслет которых состоит из двух слоев обрезиненного металлического корда, наложенных крест на крест друг на друга, и одного или двух слоев обрезиненного текстильного слоя.
Известны технические решения пневматических легковых шин с металлокордными и текстильными слоями в брекере: патент РФ № 2703441 на изобретение «Армирующий слой для изделий из эластомерного материала, предпочтительно для пневматических шин транспортного средства, и пневматическая шина транспортного средства» опубл. 16.10.2019, патент РФ № 2702369 на изобретение «Армирующий слой для предметов из эластомерного материала, предпочтительно для пневматических шин транспортного средства, и пневматические шины транспортного средства» опубл. 08.10.2019. По патенту РФ № 2731702 на изобретение «Полиамидная кордная ткань для каркаса многослойных шин» (опубл. 08.09.2020) известно техническое решение по применению в шинах полиамидных материалов.
Наиболее близким аналогом к разработанному решению является техническое решение по патенту 2703441 на изобретение «Армирующий слой для изделий из эластомерного материала, предпочтительно для пневматических шин транспортного средства, и пневматическая шина транспортного средства», согласно которого прорезиненный армирующий слой для изделий из эластомерного материала, предпочтительно для шин транспортного средства, причем армирующий слой содержит множество параллельных усиливающих элементов, расположенных на расстоянии друг от друга, при этом каждый усиливающий элемент состоит из полиамида 6.6 и имеет конструкцию ×1, таким образом представляя собой крученую многоволоконную нить из полиамида 6.6, отличающийся тем, что необработанная нить из полиамида 6.6 обладает отнесенной к единице линейной плотности прочностью, которая при удлинении 4% находится в диапазоне от 1,35 сН/дтекс до 1,60 сН/дтекс, и при этом скрученная, пропитанная и прошедшая горячую вытяжку многоволоконная нить обладает отнесенной к единице линейной плотности прочностью, которая при удлинении 4% находится в диапазоне от 2,0 сН/дтекс до 2,8 сН/дтекс, и при этом многоволоконная нить обладает термической усадкой при 177°C в диапазоне от 4,0% до 7,0%, при этом отнесенная к единице линейной плотности прочность в соответствии с ASTM D885-16 и термическая усадка при 177°C определены при предварительном натяжении 0,045 г/дтекс при продолжительности выдержки две минуты.
В вариантах исполнения технического решения прототипа указаны:
- многоволоконная нить обладает линейной плотностью от 300 до 4000 дтекс.
- коэффициент α крутки многоволоконной нити находится в диапазоне от 35 до 45, где α=крутка [кручений/м] * (линейная плотность [текс]/1000)1/2.
- необработанная нить из полиамида 6.6 обладает отнесенной к единице линейной плотности прочностью, которая при удлинении 4 % находится в диапазоне от 1,35 сН/дтекс до 1,50 сН/дтекс.
- многоволоконная нить обладает линейной плотностью нити 940 дтекс, при этом нить обладает отнесенной к единице линейной плотности прочностью, которая при удлинении 4% находится в диапазоне от 2,0 сН/дтекс до 2,8 сН/дтекс и при этом многоволоконная нить расположена в армирующем слое предпочтительно с плотностью до 210 нитей/дм, предпочтительно с плотностью приблизительно 100 нитей/дм.
- многоволоконная нить обладает линейной плотностью нити 1400 дтекс, при этом нить обладает отнесенной к единице линейной плотности прочностью, которая при удлинении 4% находится в диапазоне от 2,0 сН/дтекс до 2,8 сН/дтекс и при этом многоволоконная нить расположена в армирующем слое предпочтительно с плотностью до 180 нитей/дм, предпочтительно с плотностью приблизительно 90 нитей/дм.
- многоволоконная нить обладает термической усадкой при 177°C в диапазоне от 5,0% до 6,5%.
- Армирующий слой представляет собой арматуру борта, такую как усилительная бортовая лента (чиппер) или ободная лента (флиппер).
Пневматическая шина транспортного средства по прототипу имеет армирующий слой с указанными характеристиками.
Недостатком данных решений является недостаточные работоспособность шин, высокая температура катящейся шины, высокое значение коэффициента сопротивления качению, недостаточная коррозионная стойкость обрезиненного брекерного браслета при механических повреждениях шины.
Задачей данного изобретения является разработка пневматической радиальной шины с увеличенной общей работоспособностью, обеспечивающей снижение гистерезисных потерь в обрезиненном брекерном браслете, включающей в себя обрезиненый экранирующий слой, что приводит к снижению показателя коэффициента сопротивления качению, а также увеличение упругости обрезиненного брекерного браслета и окружной жесткости шины, в результате повышающих характеристику сопротивления шин боковому уводу, позволяющих снизить максимальную температуру катящейся шины и увеличить коррозионную стойкость обрезиненного брекерного браслета при механических повреждениях шины, изобретение расширяет арсенал технических средств.
+
+
+
+
+
Для достижения поставленной задачи разработана конструкция пневматической легковой шины, состоящей из протектора (1), каркаса, выполненного из текстильных кордов (2, 3), боковин (4), гермослоя (8), техпрослойки (9), бортовых колец (5), обрезиненного брекерного браслета, состоящего из двух слоев обрезиненного металлического корда (7) и одного или двух обрезиненных экранирующих слоев (6), состоящих из мононитей полимера полиамида структуры NY 66, 1400 дтекс, с толщиной пропитанной нити 0,41  0,03 мм, разрывной прочностью нити корда не менее 108 Н, числом кручений нити 145  7 оборотов на 1 м и направлением круток по типу «Z», с удлинением 8,2  0,6 % при нагрузке 45 Н, массовой долей пропиточного состава 3,5  0,5 % и прочностью связи кордной нити с производственной резиновой смесью не менее 56 Н/9,5 мм, причем отношение толщины нити к толщине обрезиненной экранирующей ленты составляет 0,50 ÷ 0,52, шагом нитей 0,9  0,09. Конструкция шины в  поперечном сечении приведена на Фиг. 1, конструкция брекерно-протекторной зоны шины – на Фиг. 3. На Фиг. 2 приведено расположение мононити, обработанной пропиточным составом, в резиновом слое обрезиненного экранирующего слоя (6).
Главное назначение обрезиненного экранирующего слоя (6) – повышение стабильности металлических кордов (7) брекерного браслета для высокоскоростных шин, повышение однородности готового изделия, снижение рабочей температуры брекерно-протекторной зоны, упрощение процесса изготовления брекерного браслета шин, повышение механической прочности. Обрезиненный экранирующий слой (6) в готовой шине по разработанному решению состоит из обрезиненных параллельных нитей, полученных путем обрезинивания на экструдере нескольких параллельных нитей, продольной резки на отдельные ленты шириной 12,5 ÷ 13,0 мм и последующей спиральной навивки экранирующих лент поверх брекерного браслета с программируемым шагом.
Конструкция навивки и число слоев обрезиненного экранирующего слоя (6) в шине определяются расчетом МКЭ (метод конечных элементов) исходя из заданного внутреннего давления воздуха, нагрузки, типа и назначения шины. Полиамидные нити несут основную нагрузку во время работы шины, обеспечивая механическую прочность, достаточную окружную жесткость, износостойкость и сохранение заданной формы шины. В разработанном решении использовалась полиамидная мононить структуры NY 66, применяемая к пневматическим легковым шинам радиальной конструкции, максимально допустимая скорость эксплуатации которых составляет более 190 км/ч (категория скорости H, V, W и более), а также ко всем легкогрузовым шинам.
Брекерный браслет из металлокордных слоев (7) в совокупности с обрезиненным одним или двумя экранирующими слоями (6) в покрышке работает главным образом на растяжение и многократный изгиб. Эти напряжения возникают, как правило, в результате давления воздуха и действия центробежных сил, которые создают в экранирующем слое растягивающие напряжения. Значительное влияние на работу экранирующего слоя оказывают толщина корда, плотность нитей, теплостойкость и другие физико-механические свойства.
+
+
+
В слоях экранирующего слоя готовой шины по разработанному решению шаг нитей h составляет 0,9  0,09, расстояние s между нитями в отношении к диаметру нити 0,49  0,05, что позволяет заполнить промежутки между нитями резиновой смесью. Каждая нить экранирующего слоя брекерного браслета изолирована от соседних и в то же время связана с ними уникальной резиновой смесью. Резина предохраняет кордные нити от влаги, перетирания и способствует равномерному распределению нагрузок между ними. Наличие резины между нитями экранирующего слоя увеличивает массу шины, а, следовательно, влияет на ее эксплуатационные характеристики. Расчетным (методом конечных элементов) и опытным путем подобрана конструкция, толщина обрезиненного экранирующего слоя для соблюдения оптимальных характеристик шин по настоящему изобретению. Толщина обрезиненного экранирующего слоя составляет 0,8  0,1 мм.
Резиновая смесь экранирующего слоя должна обладать высокой эластичностью, малым теплообразованием, обеспечивать прочную связь с подканавочным слоем протектора и брекерными резинами металлокордного браслета. Ввиду значительной температуры, развивающейся в зоне брекерного браслета и, следовательно, в экранирующем слое при эксплуатации шин, резиновая смесь экранирующего слоя должна обладать высокой температуро - и теплостойкостью. В лучшей степени требованиям высокой эластичности, высокой прочности связи с другими деталями покрышки, температуро- и теплостойкости отвечает натуральный каучук, который применяется в рецептуре.
Резина в экранирующем слое брекерного браслета работает в режиме, близком к режиму заданной деформации. Величина деформации резины определяется максимальной нагрузкой и относительным резиносодержанием в слое (зависит от частоты нитей (шага нитей) экранирующего слоя). Особенностью нагружения резины в слоях брекерного браслета радиальных шин состоит в том, что при повороте шины на 46° направление главных деформаций меняется. При этом резина в слоях брекерного браслета испытывает двухосное растяжение, и сдвиг резины в слое составляет около 30%.
За счёт модификации эластомерной матрицы улучшаются упруго-прочностные свойства резин в граничных областях, увеличивается густота пространственной сетки, обуславливающая возрастание прочности адгезионного соединения.
Одним из самых эффективных методов повышения адгезивных свойств резины с мононитью полимера полиамида структуры NY 66 является обработка различными пропиточными составами. После обрезинивания и вулканизации формируется трехкомпонентная система: нить - адгезив - резина, имеющая две межфазные поверхности (Фиг. 2). Основой пропиточных составов являются латексы различных каучуков. При подборе рецептуры пропиточного состава стараются обеспечить образование межфазных химических связей, что в сочетании с интенсивными ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями делает область контакта нить - адгезив достаточно прочной и долговечной. Поверхность адгезив - резина значительно менее развита, и, хотя между материалами образуется много химических связей в результате совулканизации и других реакций, разрушение системы почти всегда происходит именно в этой области. На прочность связи в системе нить - адгезив - резина влияют: химическое строение и структура поверхности нити, состав и свойства примененного адгезива и рецептура резиновой смеси (наличие модификаторов). Необходимость модификаторов в резиновой смеси диктуется требованиями достижения заданной разрывной прочности экранирующей ленты, допустимых удлинений как при разрыве, так и при рабочих нагрузках, плюс необходимостью гарантировать стабильную связь в межфазной поверхности.
Резиновая смесь, на основе каучука содержит агент вулканизации, что обеспечивает образование связи как между слоями плоской нити (ленты), так и со смежными резиновыми смесями других деталей шины. В качестве промотора адгезии используется адгезионно-активная модифицирующая система, в основе действия которой лежит реакция взаимодействия двухатомных ароматических спиртов с донорами метилена. Типичным представителем двухатомных ароматических спиртов в рецептуре резиновой смеси является резорцин, в качестве донора метилена применяется гексаметоксиметилолмеламин. Состав полимера и тип используемого каучука обеспечивает создание устойчивой связи со смежными резиновыми смесями слоев брекера и подканавочного слоя протектора.
Конструктивные параметры экранирующих слоев шины, характеристики примененной мононити, в сочетании с использованием уникальных резин, позволяют достичь высоких прочностных характеристик, адгезионных свойств экранирующего слоя в пневматических радиальных шинах, как в связи нитей экранирующего слоя с резиновой смесью, так и со смежными резиновыми смесями брекерного браслета и подканавочного слоя протектора.
Для достижения технического результата разработана опытная резиновая смесь, обладающая высокой эластичностью, температуро - и теплостойкостью, прочностью связи кордной нити с производственной резиновой смесью не менее 56 Н/9,5мм, со следующими прочностными показателями (значения приведены в таблице 1).
Таблица 1
<b>Наименование показателя</b>
<b>Серийно-применяемая резиновая смесь</b>
<b>Опытная резиновая смесь</b>
ASTM D 1871 Прочность связи кордной нити с резиновой смесью, Н/9,5 мм
67
81
+
+
+
+
+
По настоящему изобретению были изготовлены шины 185/75R16С и 205/55R16 с двумя обрезиненными экранирующими слоями и 205/75R16С с однис обрезиненным экранирующим слоем, состоящим из мононитей полимера полиамида структуры NY 66, 1400 дтекс, с толщиной пропитанной нити 0,41  0,03 мм, разрывной прочностью нити корда не менее 108 Н, числом кручений нити 145  7 оборотов на 1 м и направлением круток по типу «Z», с удлинением 8,2  0,6 % при нагрузке 45 Н, массовой долей пропиточного состава 3,5  0,5 % и прочностью связи кордной нити с производственной резиновой смесью не менее 56 Н/9,5мм, причем отношение толщины нити к толщине обрезиненной экранирующей ленты составляет 0,50 ÷ 0,52, шагом нитей 0,9  0,09,  с применением опытной резиновой смеси, предназначенной для обрезинивания нитей экранирующего слоя.
По итогам испытаний разработанные шины соответствуют требованиям Правил ООН № 30, №117 и в сравнении с прототипом обеспечивают увеличение работоспособности пневматической шины на высоких скоростях (до +13%), снижение гистерезисных потерь в брекерных слоях (что приводит к снижению коэффициента сопротивления качению до 10%), а также увеличение окружной жесткости шины, влияющих на улучшение сопротивления шин боковому уводу, достигая заявленный технический результат всей заявляемой совокупностью существенных признаков данного изобретения.
Разработанное решение может быть осуществлено на стандартном оборудовании с использованием стандартной технологии.