ПНЕВМАТИЧЕСКАЯ ШИНА, В КОТОРОЙ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ УСИЛИТЕЛЬНАЯ КОНСТРУКЦИЯ С ВОЛОКНАМИ, ИМЕЮЩИМИ ПРИПЛЮСНУТОЕ СЕЧЕНИЕ
AIR TIRE WITH REINFORCING STRUCTURE INCORPORATING FIBRES WITH FLAT CROSS-SECTION

В целом настоящее изобретение относится к оборудованию приводных транспортных средств.
Если быть более точным, то изобретение относится к шине, которая содержит герметичную резиновую оболочку и усилительную конструкцию, образованную в основном множеством расположенных несколькими слоями волокон, каждое из которых в отдельности залито резиной.
Характеристики современных пневматических шин, в частности, что касается их долговечности, герметичности и прочности, в настоящее время достигаются за счет повышенной сложности как физической конструкции этих шин, так и осуществляемых этапов и операций для их изготовления.
В этом контексте целью настоящего изобретения является шина, которая при равных эксплуатационных характеристиках имела бы более простую структуру и была более простой в изготовлении, чем современные шины.
С этой целью шина согласно изобретению и, кроме того, в соответствии с общим определением, данным в вышеприведенной вступительной части, в основном отличается тем, что усилительная конструкция образована слоем каркаса, брекерным слоем и соединительными средствами, а также тем, что каждое волокно слоя каркаса образует со срединной плоскостью, перпендикулярной оси шины, первый угол, составляющий от 75° до 90°, а также тем, что каждое волокно брекерного слоя образует со срединной плоскостью шины второй угол, составляющий от 0° до 15°, а также тем, что соединительные средства связывают между собой волокна слоя каркаса и брекерного слоя, а также тем, что, по меньшей мере, каждое из некоторых волокон усилительной конструкции имеет полностью соединенное, плоской формы поперечное сечение и содержит расположенные под прямым углом друг к другу первый и второй размеры, из которых первый (или толщина) меньше второго размера (или ширины) и располагается по существу в радиальном направлении шины.
В том случае, если первый угол равен 90°, то каждое волокно, ориентированное согласно данному углу, оказывается, таким образом, расположенным в меридианной плоскости шины, т.е. в плоскости, проходящей через ось шины.
Следует напомнить, что полностью соединенной поверхностью является поверхность, две любые части которой в обязательном порядке соединены между собой.
В качестве примера, доказывающего противоположное, волокна с полностью соединенным поперечным сечением можно, в частности, привести кабели с множеством скрученных жил такого же типа, которые обычно используются в усилительных конструкциях шин, причем поперечное сечение кабеля данного типа формируется путем размещения рядом поперченных сечений различных жил, образующих этот кабель, каждая из которых не зависит от другой и является самостоятельной относительно кабеля.
Кроме того, выражение «радиальное направление» в данном случае определено как всеохватывающее направление, которое одновременно и вписывается в меридианную полуплоскость, вытянутую от оси шины, и проходит через центр линии в этой меридианной полуплоскости по существу тороидального внутреннего объема, ограниченного шиной.
Другими словами, толщина каждого волокна, имеющего приплюснутое сечение, вытянута, таким образом, согласно по существу нормальному направлению к покрышке шины.
Изобретение основывается в действительности на открытии того факта, что в противовес их предпочтительным и общеизвестным механическим свойствам многожильные кабели, применяемые в настоящее время для обеспечения жесткости в пневматических шинах, могли также способствовать появлению нежелательных явлений, причем сложный характер конструкции современных пневматических шин как раз и обусловлен необходимостью снижения этих явлений.
В частности, многожильные кабели, имеющие, как правило, круглое сечение, обладают свойством оказывать сильное противодействие усилиям растяжения, возникающим в результате внутреннего давления в шине, и легко сгибаться для обеспечения деформации пневматической шины при контакте с грунтом.
С другой стороны, если каждый кабель в отдельности хорошо залит резиной в шине, то резина не проникает в середину кабеля, в результате чего ни одна из жил кабеля в отдельности не залита резиной, а поперечное сечение данного кабеля, таким образом, не имеет полностью соединенной формы.
В результате этого кабель, в частности, служит в качестве направляющего элемента распространения любых жидких и газообразных сред, которые могут попасть на него, в частности воздуха, содержащегося в шине, и влаги в случае пореза последней.
Кроме того, любое сгибание кабеля обязательно сопровождается относительным продольным перемещением между собой жил последнего с появлением трения между поверхностями в случае контакта этих жил друг с другом или возникновения деформации сдвига резины шины при отсутствии контакта, причем каждое из этих вредных явлений является нежелательным.
Предусматривая, что, по меньшей мере, некоторые из волокон усилительной конструкции имеют полностью соединенное и приплюснутое поперечное сечение, изобретение позволяет одновременно и повысить герметичность шины, и уменьшить механическую усталость последней.
Волокна с приплюснутым сечением имеют, например, ширину и толщину, соотношение которых (первой и второй) равно, по меньшей мере, пяти, причем это сечение может, в частности, принимать прямоугольную, овальную или эллипсовидную форму.
Согласно возможному способу осуществления изобретения, по меньшей мере, каждое из некоторых волокон с приплюснутым поперечным сечением образовано одним волокном.
Однако представляется также возможным предусмотреть, чтобы, по меньшей мере, некоторые из волокон с приплюснутым поперечным сечением были образованы множеством волокон, которые по существу параллельны друг другу и утоплены в матрицу, обеспечивающую герметичность и сцепление этого волокна.
Во всех случаях каждое волокно с приплюснутым поперечным сечением предпочтительно выполняется из материала (композитного или некомпозитного), обладающего модулем упругости при растяжении, который составляет от 3 до 250 ГПа, причем каждое волокно брекерного слоя имеет модуль упругости при растяжении, равный, по меньшей мере, 30 ГПа.
Предпочтительно между волокнами с приплюснутым поперечным сечением каждого слоя содержится (в каждом слое) отличный от нуля промежуток, который меньше 2 мм и, например, равен самое большее 1 мм.
Волокна с приплюснутым поперечным сечением могут быть выполнены из материала, выбранного из набора, содержащего сталь, алюминий, стекло, полимер, принадлежащий к группе полиэфира, полиэтилена, полиамида, арамида или поливинилспирта, композитный материал, образованный стекловолокнами или таким полимером, утопленным в смолу, в частности композитный материал из полиэтиленовых волокон, склеенных резорцин-формальдегид-латексом.
Согласно способу возможной реализации изобретения соединительные средства содержат соединяющий слой, размещаемый между слоем каркаса и брекерным слоем и соединяющий их друг с другом.
Предпочтительно материал, образующий этот соединяющий слой, имеет секущий модуль растяжения при 10% деформации, равный, по меньшей мере, 50 МПа.
В частности, материал, образующий этот соединяющий слой, может содержать полиэфир, эпоксидную смолу или материал с секущим модулем растяжения при 10% деформации, равным, по меньшей мере, модулю растяжения полиэфира или эпоксидной смолы.
Вместе с тем целесообразным является предусмотреть, чтобы материал, образующий соединяющий слой, имел секущий модуль растяжения при 10% деформации, равный максимально 300 МПа.
Согласно другому способу реализации соединительные средства могут, по меньшей мере, содержать места соединения, обеспечивающие непосредственное и индивидуальное соединение волокна с приплюснутым поперечным сечением слоя каркаса с каждым волокном с приплюснутым поперечным сечением брекерного слоя, причем слой каркаса и брекерный слой, таким образом, вместе образуют сетчатую структуру.
В том случае, если волокна с приплюснутым поперечным сечением слоя каркаса и брекерного слоя выполнены из композитного материала, образованного волокнами, погруженными в первую и вторую смолу, то места соединения предпочтительно образованы путем соединения второй смолы волокон слоя каркаса и второй смолы волокон брекерного слоя.
Согласно способу, который легко можно применять в промышленности, брекерный слой может быть образован путем наматывания по окружности ленты, различные витки которой представляют собой различные волокна этого слоя.
Для обеспечения сцепления усилительной конструкции, например, предусматривается, в частности, чтобы каждое волокно слоя каркаса было загнуто и удерживалось своими двумя концами на соответствующих круговых проволочных кольцах покрышки, усиливая тем самым соответствующие внутренние борта шины.
Кроме того, брекерный слой предпочтительно располагается вокруг слоя каркаса и в ограниченной зоне, по существу параллельной протектору шины.
Другие отличительные признаки и преимущества изобретения станут более понятны из нижеследующего описания, которое носит иллюстративный, но не ограничительный характер, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
- фиг.1 представляет собой частичный вид в перспективе изображения внутренней части шины в соответствии со способом практической реализации изобретения, согласно которому соединительные средства содержат соединяющий слой;
- фиг.2 представляет собой вид в увеличенном масштабе конструктивного элемента, обозначенного на фиг.1 позицией II;
- фиг. 3 изображает отдельно конструктивный элемент, выделенный из представленной на фиг.1 шины;
- фиг.4 представляет собой вид в увеличенном масштабе конструктивного элемента, обозначенного на фиг.3 позицией IV;
- фиг.5 представляет собой частичный вид в перспективе изображения внутренней части шины в соответствии со способом практической реализации изобретения, согласно которому соединительные средства содержат места соединения, соединяющие непосредственно волокна слоя каркаса с волокнами брекерного слоя;
- фиг.6 представляет собой частичный вид в перспективе изображения внутренней части шины в соответствии со способом практической реализации изобретения, согласно которому соединительные средства содержат соединяющий слой и согласно которому брекерный слой содержит волокна различной ширины и, возможно, с различными свойствами;
- фиг.7 представляет собой вид в перспективе брекерного слоя для шины согласно изобретению, причем этот слой выполнен путем спиралеобразного наматывания ленты и разрезан вдоль своих краев.
Как сообщалось ранее, изобретение относится к пневматической шине, рассматриваемой в основном с точки зрения ее структуры.
Шина 1, как правило, содержит герметичную резиновую оболочку 2 и усилительную конструкцию, образуемую в основном множеством волокон, которые по отдельности залиты резиной и расположены в несколько слоев.
Резина и усилительная конструкция способствуют определению бортов покрышки 11, посредством которых шина монтируется на ободе, протектора 12, которым шина опирается на дорогу, и боковин 13.
Резина 2, состав которой в целом не является однородным во всей массе шины, но даже наоборот может быть приспособлен к различным эксплуатационным назначениям, выполнение которых она должна обеспечить при различных месторасположениях, занимаемых ею в шине, в основном состоит из смесей на базе каучука, в которые вводятся различные известные специалистам наполнители или добавки.
В шине согласно изобретению усилительную конструкцию образуют слой каркаса 3, брекерный слой 4 и соединительные средства 21.
Слой каркаса 3 может, как правило, располагаться одновременно под протектором 12 и под боковинами 13 шины.
Каждое из волокон 30 слоя каркаса 3 удерживается, например, при помощи своих согнутых концов на бортовых проволочных кольцах 5, имеющих, например, круглое сечение, которые усиливают, соответственно, правый и левый борта покрышки 11 шины.
Волокна 30 этого слоя каркаса 3 образуют с меридианной плоскостью P, перпендикулярной оси X шины, первый угол A1, максимально близкий к 90° и самое большее равный 75°.
Как это показано на фиг. 1, 5 и 6, что касается брекерного слоя 4, то он расположен вокруг слоя каркаса 3 (но предпочтительно только в ограниченной зоне) под протектором 12, оставаясь по существу параллельным относительно этого протектора.
Этот брекерный слой может быть образован в основном множеством волокон 40, как это показано, в частности, на фиг. 1, 5 и 6.
Однако этот брекерный слой также может состоять в основном из одного волокна 40, сложенного в виде петли и занимающего всю ширину или, по меньшей мере, большую часть ширины брекерного слоя 4, причем это единственное волокно образует, таким образом, кольцо.
Каждое волокно 40 брекерного слоя 4 образует с меридианной плоскостью P шины второй угол A2, также максимально возможно близкий к 0° и самое большее равный 15°.
Этот угол A2 показан на фиг.1 между линией OP срединной плоскости P на плоскости, перпендикулярной этой плоскости P, и прямоугольной проекции 040 (на этой перпендикулярной плоскости) оси симметрии волокна 40.
Задачей соединительных средств, которые могут принимать различные формы практической реализации, в частности, практической реализации соединяющего слоя 21, является соединение между собой волокон 30 и 40 слоя каркаса 3 и брекерного слоя 4, в частности фиксация относительного углового положения волокон 30 относительно волокон 40 или волокон 40.
Кроме того, усилительная конструкция, формируемая слоями 3 и 4, содержит волокна, каждое из которых имеет полностью соединенное, приплюснутой формы поперечное сечение.
В дальнейшем в настоящем описании будет выдвинута гипотеза, что каждый из слоев 3 и 4 содержит множество волокон, соответственно, 30 и 40, а каждое из этих волокон 30 и 40 имеет полностью соединенное и плоской формы поперечное сечение, причем такая ситуация, соответствующая предпочтительному способу практической реализации, вместе с тем не является обязательной.
Соединенность поперечного сечения каждое из нитей 30 и 40 определяет в данном случае особенность данного сечения быть представленной в форме единого блока или более в теоретическом плане также представлять собой полностью соединенную зону в топологическом значении выражения.
Для того чтобы это сделать, каждое из волокон 30 и 40 может быть, например, образовано одним волокном, в частности волокном, выполненным из металла, сплава металла или полимера.
Две любые части поперечного сечения волокна принадлежат, таким образом, к одной и той же массе, образованной из одного и того же материала.
Однако каждое из этих волокон 30 и 40 также может быть образовано множеством металлических, текстильных, стеклянных или полимерных волокон, по существу параллельных друг другу, причем эти волокна, погруженные в матрицу, имеют задачей обеспечить герметичность и сцепление нити.
Таким образом, две любые части поперечного сечения волокна, по меньшей мере, соединены между собой посредством матрицы.
Приплюснутая форма сечения каждого из волокон 30 и 40 в данном случае определяется тем, что это сечение имеет два взаимно перекрещивающихся под прямым углом размера, первый из которых, называемый «толщиной», меньше второго, называемого «шириной», причем толщина располагается по существу в радиальном направлении шины.
Если только она будет приплюснутой, то сечение каждого из волокон 30 и 40 способно принимать любую форму и может иметь, в частности, прямоугольную (фиг.2), овальную или эллиптическую формы.
Например, соотношение w/t ширины w поперечного сечения каждой нити 30 (фиг.2 и 4) к толщине t этого же сечения может быть равно 5 или больше 5, причем такой же диапазон значений может быть применен к соотношению wz/tz ширины wz поперечного сечения каждой нити 40 (фиг.2) к толщине tz этого же сечения.
Предпочтительно каждое из волокон 30 и 40 может быть выполнено, в частности, из композитного или некомпозитного материала, обладающего модулем упругости при растяжении, составляющим от 3 до 250 ГПа, причем каждое волокно 40 брекерного слоя имеет модуль упругости при растяжении, равный, по меньшей мере, 30 ГПа.
Эти волокна 30 и 40 могут быть выполнены из материала, в частности, такого как сталь, алюминий, стекло, полимер, принадлежащий к группе полиэфира, полиэтилена, полиамида, арамида или поливинилспирта, или композитный материал, образованный стекловолокнами или таким полимером, залитым смолой.
Другими словами, каждое из волокон 30 и 40 может быть образовано одним изотропным или ортотропным материалом (последний, например, получается путем ориентации молекулярных цепей экструдированного текстильного волокна или путем волокнистости прокатной стали) или может быть образовано композитным материалом волокон, погруженных в матрицу, препятствующей любым относительным перемещениям волокон, отличным от перемещений, возникающих в результате деформации сдвига матрицы.
Во всех случаях волокно (вид снаружи) представляет собой герметичную ленту.
Двумя примерами используемых композитных материалов являются, с одной стороны, CVR (композитный материал стекловолокна и смолы) и, с другой стороны, полиэтиленовые волокна (PET), объединенные в одно единственное волокно путем склеивания при помощи резорцин-формальдегид-латекса (RFL), т.е. склеивания при помощи первого или второго, причем первое обеспечивает сцепление волокон нити, а второе, на базе латекса, производит соединение между первым и резиной шины.
Кроме того, смежные волокна 30 слоя 3 содержат между собой ненулевой промежуток предпочтительно меньше 2 мм, и, например, самое большое равный 1 мм, аналогичное правило может быть применено и к смежным волокнам 40 слоя 4.
На фиг.1 и 6 показан способ практической реализации, согласно которому соединительные средства содержат соединяющий слой 21, имеющий толщину ti (фиг.2), который расположен между слоем каркаса 3 и брекерным слоем 4 и соединяет между собой эти слои 3 и 4.
Этот соединяющий слой 21 предпочтительно выполняется из материала, который обладает секущим модулем растяжения при 10% деформации, равным, по меньшей мере, 50 МПа без необходимости вместе с тем превышения 300 МПа.
Материал, из которого образован этот соединяющий слой 21, может, например, содержать полиэфир, эпоксидную смолу или материал, обладающий секущим модулем растяжения при 10% деформации, равным, по меньшей мере, модулю растяжения полиэфира или эпоксидной смолы.
Согласно другому способу практической реализации, изображенному на фиг.5, соединительные средства в основном или исключительно образованы местами соединения, непосредственно и индивидуальным образом соединяющими волокнами 30 слоя каркаса 3 с волокнами 40 брекерного слоя 4.
Согласно данному способу практической реализации слой каркаса 3 и брекерный слой 4, таким образом, вместе образуют сетчатую структуру.
В случае, если волокна 30 и 40 слоев соответственно 3 и 4 выполнены из композитного материала, образованного волокнами, погруженными в первую смолу, то места соединения могут быть предпочтительно образованы второй смолой.
Когда эти волокна 30 и 40 выполнены из композитного материала, образованного волокнами, погруженными в первую и вторую смолу, то места соединения предпочтительно могут быть выполнены путем соединения второй смолы волокон слоя каркаса и второй смолы волокон брекерного слоя.
В частности, в том случае, если волокна 30 и 40 склеены при помощи резорцин-формальдегид-латекса, то на внутренней стороне волокон 40 может применяться соединяющее вещество, такое как изоцианат, для соединения между собой вторых смол волокон 30 и 40.
В том случае, если используемые волокна выполнены из стали, то эти волокна перед склеиванием предпочтительно могут быть покрыты тонким слоем латуни.
Независимо от выбранного решения соединения друг с другом слоев 3 и 4 брекерный слой 4 может быть образован, как это показано на фиг.7, путем спирального наматывания по окружности ленты, причем различные витки этой ленты образуют, таким образом, различные волокна 40 этого слоя 4.
В этом случае чем шире используемая лента, тем больше угол А2, который образуют нити 40 брекерного слоя 4 со срединной плоскостью Р шины.
В этом случае может быть полезным делать путем срезания скошенные края по краям спиралеобразно наматываемой ленты для того, чтобы эти края вписывались в соответствующие плоскости, параллельные срединной плоскости P.
Размеры w и t каждого из волокон 30 слоя каркаса 3, а также шаг укладки этих волокон зависят от многочисленных параметров конструкции, материала и условий эксплуатации пневматической шины.
Чем больше ширина w волокна 30, тем меньше это волокно будет иметь стремление изгибаться в направлении окружности шины, однако тем выше будет способность этой шины передавать крутящий момент.
Вместе с тем при идентичности всех размеров, чем выше будут модуль упругости и максимально допустимое напряжение образующего это волокно материала, тем меньше может быть выбрана толщина t.
Согласно способу реализации, приведенному в качестве примера, не имеющего ограничительного характера, в шине туристического транспортного средства согласно изобретению с размерами 205/55R16 для образования волокон слоя каркаса 3 может использоваться стальная лента, имеющая ширину w, равную 0,7 мм, толщину t, равную 0,09 мм, и прочность на разрыв, равную 2800 МПа, причем эти волокна размещаются на бортовых проволочных кольцах 5 с шагом укладки, равным 1 мм.
Размеры wz и tz каждого из волокон 40 брекерного слоя 4, а также шаг укладки этих волокон, в свою очередь, тоже зависят от многочисленных параметров конструкции, выбранных материалов и условий эксплуатации пневматической шины.
Хотя принципиальная схема действий будет в основном общей и для принципиальной схемы действий слоя каркаса и сможет быть практически реализована специалистом с сохранением усилительной конструкции, описание и иллюстрации которой были приведены, особое внимание следует обратить на расстояние dz в брекерном слое 4, разделяющее два соседних волокна 40.
В интересах обеспечения максимальной прочности соседние волокна 40 могут контактировать друг с другом в центральной части брекера, что приводит к установлению нулевой величины размера dz.
В том случае, если соединительные средства содержат специальный резиновый слой 21, то характеристики этого резинового слоя также учитываются при выборе ширины w и wz волокон 30 и 40 путем соединения слоев 3 и 4, главным образом модуль этой резины и ее толщина ti, которая является постоянной по окружности шины, но может меняться в одной и той же меридианной плоскости этой шины.
Действительно, соединение слоев 3 и 4 в основном производится посредством всех прямоугольных зон с размерами w и размерами wz, где резина 21 одновременно соединяется одной стороной со слоем 3, а другой стороной со слоем 4.
Для достижения высокой устойчивости на увод шины предпочтительно выбирать меньшее количество зон с большими размерами w и wz, чем большее количество зон небольших размеров w и wz.
Устойчивость на увод могла бы быть достигнута просто путем увеличения ширины волокон 40 брекерного слоя 4, например, до 80 мм, в центре брекера шины для стальных волокон.
Как это показано на фиг.6, брекерный слой 4 может быть образован по краям, т.е. рядом с плечевыми зонами шины, волокнами 40a, ширина которых меньше ширины волокон 40, занимающих более близкое к срединной плоскости P шины положение.
Кроме того, внешние волокна 40a предпочтительно могут быть выполнены из более гибкого материала, например из арамида, если более внутренние волокна 40 выполнены из стали, причем такое расположение позволяет оптимизировать устойчивость шины к деформации в области волокон 40a.
Внутренние волокна 40 брекерного слоя 4, изображенного на фиг.6, в свою очередь, могут быть образованы соответствующими кольцами, в данном случае в количестве четырех единиц, или путем наматывания единственной ленты сверху множества витков, в данном случае четырех, как это показано на фиг.7.
Кроме того, что при практической реализации шины может быть применен более простой способ, чем при осуществлении известных в настоящее время шин, шина согласно изобретению является более легкой и более экономичной по сравнению с последними.