ПНЕВМАТИЧЕСКАЯ ШИНА
PNEUMATIC TIRE

Область техники
Изобретение относится к пневматической шине.
Уровень техники
Стандартная конструкция пневматической шины для обледенелой/заснеженной дороги содержит множество блоков, разделенных на поверхности контакта протектора с грунтом основными канавками, проходящими в окружном направлении протектора, и поперечными канавками, проходящими по ширине протектора, при этом в блоках выполнено множество прорезей, проходящих по ширине протектора. Кроме того, известна конструкция пневматической шины для обледенелой/заснеженной дороги, в которой протекторная резина, называемая «двухслойным протектором», включает в себя высокотвердый основной резиновый слой и беговой слой с меньшей твердостью, расположенный снаружи основного резинового слоя в радиальном направлении шины.
Такая конструкция позволяет достичь хорошей характеристики на снегу за счет достаточно большой площади основных и поперечных канавок, а также хорошей характеристики на льду за счет краевого эффекта из-за наличия прорезей и хорошего контакта с грунтом вследствие того, что поверхность контакта протектора с грунтом образована беговым слоем с низкой твердостью.
Таким образом, для дополнительного улучшения сцепных характеристик шины на обледенелой/заснеженной поверхности необходимо увеличить контактное давление на центральном участке протектора посредством снижения радиуса кривизны коронного участка шины (например, как описано в патентных документах JP 2002 -192914 А и JP 11-115419 А).
Однако при увеличении контактного давления на грунт в центральном участке протектора согласно вышеуказанному способу возникает проблема в том, что на этом участке расходуемая на износ энергия возрастает так, что увеличивается степень износа, т.е. происходит частичный износ центрального участка. Эта проблема может наблюдаться как в шине с продольными ребрами на рисунке протектора, так и в шине с шашечным рисунком.
Задачей изобретения является решение описанной выше проблемы путем создания пневматической шины (с высоким контактным давлением на грунт на центральном участке протектора), способной снизить частичный износ.
Раскрытие изобретения
В результате исследований, проведенных с целью решения указанной выше проблемы, были сделаны следующие выводы. Способ создания пневматической шины в целом включает в себя процесс размещения невулканизированной шины в форме для вулканизации и процесс ее вулканизации и формования. Форма для вулканизации снабжена выпускными отверстиями для отвода воздуха, остающегося между невулканизированной шиной и формой для вулканизации. Обычно эти выпускные отверстия выполнены в местах, соответствующих четырем углам каждого блока шины и формы для вулканизации, поскольку воздух имеет склонность оставаться между невулканизированной шиной и формой для вулканизации именно в этих местах. В шине с двухслойной структурой протектора основной слой резины имеет выпуклость в виде выступа высокой твердости, обращенного наружу в радиальном направлении шины, поскольку при формовании и вулканизации протекторная резина (резина бегового слоя) поступает в выпускные отверстия формы для вулканизации. Было обнаружено, что выпуклый или выступающий участок основного слоя резины увеличивает жесткость в местах около соответствующих четырех углов каждого блока шины (в этих местах выполнены выпускные отверстия), что, по меньшей мере частично, увеличивает расходуемую на износ энергию в центральном участке протектора. С учетом этого обстоятельства было установлено, что можно снизить частичный износ посредством задания такой жесткости полос в центральном участке протектора, чтобы она была ниже жесткости полос, расположенных с наружной стороны по ширине шины. В частности, возможно эффективное снижение частичного износа за счет задания жесткости полос в центральном участке протектора ниже жесткости полос с наружной стороны по ширине шины и размещения соответствующим образом выпускных отверстий.
Шина в соответствии с изобретением основана на описанных выше выводах. Пневматическая шина содержит на поверхности контакта протектора с грунтом множество основных канавок, проходящих в окружном направлении протектора, и множество полос, ограниченных основными канавками и кромками протектора, при этом:
- жесткость в окружном направлении центральной полосы, состоящей из двух полос, ограниченных центральной основной канавкой, проходящей по экваториальной плоскости шины или на расстоянии от этой экваториальный плоскости, не превышающем 0,2 ширины TW протектора, и двумя расположенными по ширине протектора с соответствующих сторон от центральной основной канавки соседними основными канавками, или ограниченной двумя основными канавками, наиболее близкими к экваториальной плоскости шины, меньше жесткости каждой соседней полосы, смежной с указанной центральной полосой с наружной по ширине протектора ее стороны;
- протекторная резина состоит из двух слоев, один из которых имеет модуль упругости, меньший, чем модуль упругости другого слоя, расположенного в радиальном направлении шины с внутренней стороны первого слоя; а
- указанная соседняя полоса имеет наплыв, образованный при вулканизации шины около основной канавки, прилегающей к внутренней по ширине шины стороне этой соседней полосы с, так что выполняется условие: 0,3G≤D≤0,55G, где D - расстояние по ширине шины между наплывом и концом указанной внутренней стороны соседней полосы, a G - толщина протекторной резины в месте этого наплыва.
В настоящем описании «жесткость в окружном направлении протектора» полосы определяется шириной полосы, ее кольцевой длиной, глубиной канавки и характеристиками резины в этой полосе и может быть найдена посредством модельных расчетов. «Основная канавка, проходящая в окружном направлении протектора» может представлять собой основную канавку, проходящую как зигзагообразно или криволинейно, так и линейно. Выражение «проходящий в окружном направлении протектора» может означать прохождение не только под углом 0° относительно окружного направления протектора, но также и прохождения с наклоном под углом не более 45° относительно окружного направления протектора. «Ширина TW протектора» представляет собой максимальную ширину поверхности контакта протектора с грунтом, когда шина собрана на соответствующем ободе, накачана до нормального внутреннего давления и к ней приложена нагрузка, равная максимально допустимой. В описании под «соответствующим ободом» подразумевается обод, соответствующий для каждого размера шины техническому стандарту, действующему в той области, где данная шина произведена и применяется. Примерами таких технических стандартов являются: «Ежегодник JATMA» (The Japan Automobile Tyre Manufacturers Association, Inc - Японская ассоциация производителей автомобильных покрышек), Япония; «Инструкция по применению стандартов» ETRTO (The European Tyre and Rim Technical Organisation - Европейская техническая организация по шинам и ободам) Европа; и «Ежегодник TRA» (The Tire And Rim Association Inc. - Ассоциация производителей шин и дисков), США. «Нормальным внутренним давлением» считается (максимальное) внутреннее давление воздуха, соответствующее максимально допустимой нагрузке по промышленным стандартам, таким как JATMA, для шины применяемого размера, собранной на соответствующем ободе. «Максимально допустимая нагрузка» представляет собой максимальную массу, разрешенную для нагружения одинарной шины применяемого размера согласно техническим стандартам, таким как JATMA.
Далее, «модуль упругости» представляет собой величину силы реакции, измеренной при растяжении (5%) образца резины синусоидальной нагрузкой с частотой 15 Гц при температуре 50°С. В частности, модуль упругости может быть измерен посредством анализатора вязкоупругих свойств, выпускаемого, например, Rheometric Scientific, Inc. «Толщина резины» означает толщину протекторной резины в радиальном направлении шины. «Толщина резины» и «расстояние по ширине шины» представляют собой соответственно «толщину резины» и «расстояние по ширине шины», измеренные в собранной на соответствующем ободе шине и накачанной до нормального внутреннего давления без приложения к ней нагрузки.
«Ширина канавки» означает ширину просвета основной канавки, измеренную в собранной на соответствующем ободе шине и накачанной до нормального внутреннего давления без приложения к ней нагрузки. Ширина основной канавки представляет собой среднюю ширину по полной окружности этой канавки, когда ее ширина по ее длине постоянна.
3
3
Степень вспенивания (Vs) вычисляется по формуле: Vs=(ρ0/ρ1-1)×100 (%), где ρ1 - плотность (г/см) протекторной резины, а ρ0 - плотность (г/см) твердой фазы протекторной резины.
В соответствии с изобретением пневматическая шина снижает частичный износ.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана поверхность контакта протектора шины с грунтом согласно первому варианту выполнения шины;
на фиг. 2 - то же, согласно другому варианту выполнения шины;
на фиг. 3 - то же, согласно другому варианту выполнения шины;
на фиг. 4 - то же, согласно другому варианту выполнения шины;
на фиг. 5А показан фрагмент стандартной шины, вид в сечении по ширине шины;
на фиг. 5В - то же, другой стандартной шины;
на фиг. 6А - показан фрагмент шины согласно одному из вариантов ее выполнения, вид в сечении по ширине шины;
на фиг. 6В - то же, согласно другому варианту выполнения шины.
Вариант осуществления изобретения
Пневматическая шина (далее «шина») согласно первому варианту ее выполнения подробно описывается со ссылкой на фиг. 1, где показана поверхность контакта протектора шины с грунтом. Как показано на фиг. 1, шина имеет на поверхности 1 контакта протектора с грунтом множество (на чертеже показано шесть) полос 3, ограниченных множеством (на чертеже показано пять) основных канавок 2, проходящих в окружном направлении протектора, и кромками ТЕ протектора. Соответствующие полосы 3 разделены поперечными канавками 4, проходящими по ширине протектора, ограничивая блоки 5, например, как показано на фиг. 1.
Основная канавка 2а проходит в окружном направлении по экваториальной плоскости CL. Две центральные полосы 3а ограничены основной кольцевой канавкой 2а и двумя соседними основными канавками 2b, прилегающими к внешним сторонам основной кольцевой канавки 2а по ширине протектора. Боковые канавки 4 разделяют центральные полосы 3а на центральные блоки 5а.
Кроме того, соседняя полоса 3b ограничена смежной основной канавкой 2b и наиболее удаленной по ширине протектора основной канавкой 2с, как показано на фиг. 1. Боковые канавки 4 разделяют соседние полосы 3а на смежные блоки 5b.
На фиг. 2 показана поверхность контакта протектора шины с грунтом согласно другому варианту выполнения шины. Показанная на фиг. 2 шина имеет на поверхности 1 контакта протектора с грунтом 1 пять полос 3, ограниченных четырьмя основными канавками 2, проходящими в окружном направлении протектора, и кромками ТЕ протектора. Как показано на фиг. 2 две кольцевые (центральные) основные канавки 2а, наиболее близкие к экваториальной плоскости CL шины по ширине протектора, расположены на расстоянии от этой экваториальной плоскости CL, составляющем 9-21% ширины протектора TW. Эти две основные канавки 2а ограничивают центральную полосу 3а. Боковые канавки 4, проходящие по ширине протектора, разделяют центральную полосу 3а на центральные блоки 5а.
Показанная на фиг. 2 шина содержит соседнюю основную канавку 2b, смежную по ширине протектора с внешней стороной каждой центральной основной канавки 2а, т.е. всего имеет две соседних основных канавки 2b. Каждая центральная основная канавка 2а и соседняя с ней основная канавка 2b ограничивают соседнюю полосу 3b. Боковые канавки 4, проходящие по ширине протектора, разделяют соседние полосы 3b на смежные блоки 5b.
Согласно двум описанным вариантом выполнения:
- как показано на фиг. 1, когда поверхность 1 контакта протектора с грунтом имеет центральную основную канавку 2а, проходящую по экваториальной плоскости CL шины или на расстоянии по ширине протектора от экваториальной плоскости шины, не превышающем 0,2 ширины TW протектора, две полосы, ограниченные центральной основной канавкой 2а и двумя расположенными с соответствующих ее сторон по ширине протектора соседними основными канавками 2b, образуют центральную полосу 3а;
- как показано на фиг. 2, полоса, ограниченная двумя основными канавками 2а, наиболее близкими к экваториальной плоскости CL шины, является центральной полосой 3а;
- каждая полоса, смежная с центральной полосой 3а с наружной по ширине протектора ее стороны, представляет собой соседнюю полосу 3b.
В шине, соответствующей настоящему изобретению, жесткость в окружном направлении протектора центральной полосы 3а ниже жесткости в окружном направлении протектора соседней полосы 3b.
Далее будет описаны преимущества шины в соответствии с изобретением.
В шине в соответствии с изобретением жесткость центрального участка протектора ниже жесткости других участков протектора, поскольку в окружном направлении протектора жесткость центральной полосы 3а ниже жесткости соседней полосы 3b. В результате стало возможным снизить в центральном участке протектора шины затрачиваемую на износ энергию и сделать равномерным износ шины по ширине протектора, тем самым значительно снижая частичный износ.
Протекторы шин согласно другим вариантам осуществления изобретения представлены на фиг. 3 и 4. На фиг. 3 и 4 показаны примеры рисунков протектора с ребрами (не с блоками). В частности, шины, соответствующие фиг. 3 и 4, отличаются от шин, соответствующих фиг. 1 и 2, тем, что у первых нет поперечных канавок 4 на поверхности 1 контакта с грунтом. Частичный износ может быть снижен в шинах по фиг. 3 и 4, так же, как и в шинах по фиг. 1 и 2, поскольку в окружном направлении протектора жесткость центральной полосы 3а ниже жесткости соседней полосы 3b.
Далее будет описана технология получения в окружном направлении протектора жесткости центральной полосы 3а, меньшей жесткости соседней полосы 3b. На фиг. 5А и 5В показаны в сечении фрагменты шин стандартной конструкции. На фиг. 5А показано сечение фрагмента шины, в которой протектор имеет центральную основную канавку 2а, проходящую по экваториальной плоскости CL шины (как показано на фиг. 1), или центральную основную канавку 2а, проходящую по ширине шины на расстоянии от экваториальной плоскости CL, не превышающем 0,2 ширины TW протектора. На фиг. 5В показан в сечении фрагмент шины, в которой центральная основная канавка 2а проходит по ширине шины на расстоянии, выходящем за пределы вышеуказанного диапазона (как показано на фиг. 2). Как показано на фиг. 5А, соседняя полоса 3b ограничена соседней основной канавкой 2b и наиболее удаленной по ширине от центра протектора основной канавкой 2с. Как показано на фиг. 5В, соседняя полоса 3b ограничена центральной основной канавкой 2а и соседней основной канавкой 2b.
Как показано на фиг. 5А и 5В, эти стандартные шины имеют конструкцию, в которой протекторная резина 7 состоит из двух слоев: основного и бегового. Модуль упругости резины бегового слоя 7а ниже модуля упругости резины основного слоя 7b, расположенного с внутренней стороны бегового слоя 7а в радиальном направлении шины. Соседняя полоса 3b на поверхности контакта с грунтом имеет наплыв 6, образованный при вулканизации шины около основной канавки на внутренней стороне соседней полосы по ширине шины. В частности, в шине по фиг. 5А наплыв 6 расположен около соседней основной канавки 2b, а в шине по фиг. 5В наплыв 6 расположен около центральной основной канавки 2а. В шинах по фиг. 5А и 5В основной слой 7b резины имеет выпуклый участок 7с в форме выступа, направленного к наружной в радиальном направлении шины стороне, образованный посредством втягивания основного слоя 7b резины в выпускные отверстия формы для вулканизации при формовании и вулканизации шины. Таким образом, около основной канавки часть полосы 3b с внутренней по ширине шины стороны состоит из основного слоя резины с высоким модулем упругости и обладает относительно высокой жесткостью, так что в шинах стандартной конструкции в центральном участке протектора контактное давление на грунт увеличено.
На фиг. 6А и 6В показаны в сечении фрагменты шин в соответствии с настоящим изобретением. На фиг. 6А показано сечение фрагмента шины, подобной представленной на фиг. 1, а на фиг. 6В показано сечение фрагмента шины, подобной представленной на фиг. 2. Положение наплыва 6 по ширине шины очень важно. Необходимо выполнение следующего условия: 0,3×G≤D≤0,55×G, где D - расстояние по ширине шины между наплывом 6 и концом е внутренней стороны соседней полосы 3b, a G - толщина протекторной резины в месте наплыва, как показано на фиг. 6А и 6В. Кроме того, как показано на фиг. 6А и 6В, вышеупомянутый выпуклый участок 7с может быть сдвинут к внутренней стороне соседней полосы 3b, так что жесткость центрального участка шины протектора оказывается сниженной. При отношении D/G, равном 30% или больше, обеспечивается эффективное снижение частичного износа. Кроме того, при отношении D/G, равном 55% или меньше, обеспечивается благоприятный эффект отвода воздуха.
На практике, положение наплыва 6 по ширине шины не совпадает с положением выпуклого участка 7с, т.е. по ширине шины этот выпуклый участок 7с находится ближе к внутренней стороне, чем наплыв 6, поскольку протекторная резина состоит из двух слоев резины, и на выпуклый участок 7с воздействует основной слой резины как показано на фиг. 6А и 6В. Кроме того, выполняется условие 0,1g≤d≤0,30g, где d - расстояние по ширине шины между вершиной 7d радиально выпуклого участка 7с и концом е внутренней стороны соседней полосы 3b, a g - толщина протекторной резины в месте вершины 7d выпуклого участка 7с в радиальном направлении шины, так же, как описано для параметров D и G.
Предпочтительно в окружном направлении протектора отношение жесткости центральной полосы 3а и жесткости соседней полосы 3b составляет от 30% до 70% (включительно). Возможно соответствующее уменьшение жесткости центрального участка протектора шины и снижение частичного износа при отношении, равном 30% или больше. Кроме того, при отношении 70% или менее обеспечиваются требуемые от шины хорошие характеристики на снегу и льду и подавляется значительный износ на плечевых участках протектора шины из-за слишком большого снижения жесткости центрального участка протектора шины.
В шине в соответствии с изобретением общая ширина основных канавок 2, проходящих в окружном направлении протектора по поверхности 1 контакта протектора с грунтом, больше или равна 10% и меньше или равна 20% от ширины TW протектора, а ширина каждой центральной основной канавки больше или равна 3% и меньше или равна 10% от ширины TW протектора. Общая ширина основных канавок 2, большая или равная 10% от ширины TW протектора, обеспечивает хорошую дренирующую способность и удовлетворительные противоаквапланирующие свойства шины, а ширина, меньшая 20% от ширины TW протектора, обеспечивает необходимую большую площадь контакта полос с грунтом и хорошие характеристики шины при движении на льду. Ширина каждой центральной основной канавки, большая или равная 3% от ширины TW протектора, обеспечивает удовлетворительные противоаквапланирующие свойства шины, а ширина, меньшая или равная 10% от ширины TW протектора, обеспечивает необходимую большую площадь контакта центрального участка протектора шины с грунтом, снижая частичный износ на центральном участке.
Предпочтительно в соответствии с изобретением основная канавка 2, расположенная на наименьшем расстоянии от экваториальной плоскости CL шины среди основных канавок 2, проходящих в окружном направлении протектора, выполнена с каждой стороны от этой экваториальной плоскости шины CL по ширине протектора на участке шины, проходящем от этой экваториальной плоскости шины на расстоянии, меньшем или равном 10% от ширины TW шины. Эта конструкция гарантирует относительно большую длину контакта центрального участка с грунтом, обеспечивая хорошие противоаквапланирующие свойства и хорошие характеристики шины на льду.
Кроме того, в соответствии с изобретением протекторная резина состоит из двух слоев; слой протекторной резины с наружной стороны в радиальном направлении шины выполнен из микропористой резины со степенью расширения (Vs) в диапазоне 5%≤Vs≤30%, а в радиальном направлении шины толщина слоя протекторной резины с наружной стороны больше или равна 10%, но меньше или равна 50% от толщины слоя протекторной резины с внутренней стороны. Степень расширения бегового слоя резины, большая или равная 5%, обеспечивает хорошие характеристики на льду, а степень, меньшая или равная 30% гарантирует хорошую износостойкость шины. Толщина бегового слоя резины, большая или равная 10% от толщины основного слоя резины, обеспечивает хорошие характеристики на льду, когда шина изношена, а толщина бегового слоя резины, меньшая или равная 50% от толщины основного слоя резины, усиливает жесткость протектора, обеспечивая хорошие характеристики на сухом покрытии и необходимую высокую износостойкость шины.
Предпочтительно полосы 3 разделены на блоки поперечными канавками 4, проходящими по ширине протектора, обеспечивая необходимые хорошие характеристики шины на снегу и льду.
Предпочтительно в соответствии с изобретением радиус кривизны поверхности контакта протектора с грунтом в экваториальной плоскости шины CL составляет R1, а радиус кривизны этой же поверхности контакта протектора с грунтом на плечевом участке составляет R2, когда шина собрана на соответствующем ободе и накачана до нормального внутреннего давления без приложения к ней нагрузки. При этом предпочтительно отношение R1/R2 находится в диапазоне 1≤R1/R2≤6. Отношение R1/R2 согласно этому диапазону гарантирует предпочтительную величину контактного давления центрального участка протектора шины на грунт. Таким образом, полосы 3 на фиг. 1 и 2 представляют собой «плечевые участки» протектора.
Описанная выше шина согласно изобретению не ограничивается представленными вариантами и может быть изменена различными способами. Например, в образцах, показанных на фиг. 1-4, полосы (блоки) могут быть снабжены прорезями (например, прорезями, проходящими по ширине протектора).
Примеры
Для подтверждения эффективности шин в соответствии с изобретением были изготовлены экспериментальные образцы шин 1-19. Кроме того, были изготовлены экспериментальные образцы стандартных шин. Соответствующие характеристики этих испытываемых шин представлены в Таблице 1. Все испытываемые шины имели двухслойную структуру. В каждой шине модуль упругости основного слоя резины в три раза превышал модуль упругости бегового слоя резины. Кроме того, в каждой шине общая ширина основных канавок составляла 15% от ширины TW протектора, а ширина каждой центральной основной канавки составляла 5% от ширины TW протектора.
Каждая шина размерами 195/65R15 с шириной TW протектора 160 мм была подвергнута следующим испытаниям для оценки устойчивости к частичному износу.
Устойчивость к частичному износу
К каждой шине, собранной на соответствующем ободе и накачанной до нормального внутреннего давления, была приложена нагрузка, соответствующая массе двух пассажиров. Были определены показатели износа «А» в месте около центральной основной канавки после 10000 км пробега и износа «В» в месте на противоположной стороне соседней полосы около соответствующей основной канавки для определения отношения А/В. Результаты представлены в Таблице 1.
Из Таблицы 1 понятно, что во всех образцах 1-12 шин частичный износ меньше, чем в образцах стандартных шин.
Благодаря шинам, аналогичным экспериментальному образцу 2, определено, как ширина основных канавок влияет на характеристики шины.
Дренирующая способность
К каждой испытываемой шине, собранной на соответствующем ободе и накаченной до нормального внутреннего давления, была приложена нагрузка, соответствующая массе двух пассажиров. Определялась скорость исследуемой шины, при которой проявлялся эффект аквапланирования. Результаты представлены в Таблице 2. Результаты оценки показаны в виде индексов, при этом за индекс «100» принят результат оценки для образца 13.
Из Таблицы 2 видно, что образцы 14-16, в которых ширина основных канавок находятся внутри оптимальных диапазонов, показывают лучшую дренирующую способность, чем образцы 13 и 17, в которых эта ширина не входит в оптимальные диапазоны.
Затем было определено, как изменяется дренирующая способность шины при изменении наименьшего расстояния основной канавки от экваториальной плоскости CL шины.
Дренирующая способность испытываемых образцов 18 и 19 шин была оценена посредством такого же способа оценки, как и в образцах 13-17.
Характеристики и результаты оценки испытываемых образцов 18 и 19 шин показаны в Таблице 3.
Ссылочные позиции
1
Поверхность контакта протектора с грунтом
2
Основная канавка в окружном направлении протектора
2а
Центральная основная канавка
2b
Соседняя основная канавка
3
Полоса
3а
Центральная полоса
3b
Соседняя полоса
4
Поперечная канавка
5
Блок
5а
Центральный блок
5b
Соседний блок
6
Наплыв
7
Протекторная резина
7а
Беговой слой резины
7b
Основной слой резины
7с
Выпуклый участок
7d
Вершина
8
Прорезь
CL
Экваториальная плоскость шины
ТЕ
Кромка протектора
TW
Ширина протектора
G
Толщина резины
g
Толщина резины
D
Расстояние по ширине шины между наплывом и внутренним концом соседней полосы
d
Расстояние по ширине шины между вершиной и внутренним концом соседней полосы