ТЯЖЕЛОНАГРУЖЕННАЯ ШИНА
HEAVY DUTY TIRE

Область техники
Изобретение относится к тяжелонагруженной шине с брекерными слоями, расположенными снаружи окружной стороны верхнего участка каркаса, проходящего тороидально между парой бортов.
Уровень техники
В документе JP 2011162023 А раскрыта пневматическая тяжелонагруженная шина, используемая на грузовиках, автобусах и т.п. Такая пневматическая шина предотвращает локальный износ на поверхности протектора, повышая при этом усталостную прочность кордов, в частности по краю окружного брекерного слоя в направлении по ширине.
Существует необходимость в устранении износа плечевого края (износа рядом с краем плечевых участков, контактирующим с грунтом), в частности неравномерного, поддерживая при этом другие характеристики, в частности прочность шины при вдавливании плунжера (прочность в отношении вдавливания выступа плунжера).
Задачей изобретения является создание тяжелонагруженной шины, способной эффективно предотвращать износ плечевого края, обеспечивая при этом прочность шины при вдавливании плунжера.
Раскрытие изобретения
3
2
1
3
1
2
Указанная задача решается в тяжелонагруженной шине, которая включает в себя первый брекерный слой, содержащий корд, проходящий под наклоном более 45° к окружному направлению шины; второй брекерный слой, содержащий корд, проходящий в окружном направлении шины; и третий брекерный слой, содержащий корд, проходящий под наклоном не более 30° к окружному направлению шины в противоположном направлении от корда первого брекерного слоя. При этом первый, второй и третий брекерные слои расположены так, что первый брекерный слой является наиболее удаленным внутрь в радиальном направлении шины и расположен снаружи окружной стороны верхнего участка каркаса, проходящего тороидально между парой бортов, при этом ширина w третьего брекерного слоя составляет не менее 80% от ширины w протектора, a w<w<w, где w - ширина первого брекерного слоя и w - ширина второго брекерного слоя.
Такие размеры, как ширина каждого брекерного слоя, относятся к размерам, измеряемым на шине, установленной на соответствующем ободе с определенным внутренним давлением, но без приложения нагрузки.
Кроме того, термин «ширина протектора» означает расстояние в направлении по ширине шины между краями протектора при измерении в вышеуказанном состоянии. Термин «края протектора» означает самые наружные места контакта с грунтом в направлении по ширине шины на участке контакта с грунтом, когда нагрузка, соответствующая максимальной несущей способности, приложена к шине, установленной на соответствующем ободе с заданным внутренним давлением.
Выражение «корды брекерного слоя проходят в окружном направлении шины» означает не только случай, когда корды брекерного слоя проходят строго в окружном направлении шины, но также и случай, когда корды брекерного слоя проходят по существу в окружном направлении протектора с наклоном под углом менее 10° относительно окружного направления шины.
Термин «соответствующий обод» относится к стандартному ободу («утвержденному ободу» или «рекомендованному ободу») соответствующего размера согласно действующим промышленным стандартам в регионе, где изготавливается или используется шина, таким как «Ассоциация изготовителей шин и ободов, ежегодник» («The Tire and Rim Association, Inc. Year Воок») в Соединенных Штатах Америки, «Руководство по применению стандартов Европейской технической организации по шинам и ободам» («The European Tyre and Rim Technical Organisation Standards Manual») в Европе и «JATMA, ежегодник» («JATMA Year Воок») японской Ассоциации производителей автомобильных шин в Японии. Термин «заданное внутреннее давление» означает давление воздуха, заданное по вышеуказанному стандарту согласно максимальной несущей способности. Термин «максимальная несущая способность» означает максимальную массу, которую может нести шина согласно вышеуказанным стандартам.
Описанная выше тяжелонагруженная шина в достаточной степени предотвращает износ плечевого края, обеспечивая при этом прочность шины при вдавливании плунжера.
Вариант выполнения тяжелонагруженной шины согласно изобретению раскрыт далее со ссылками на чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана тяжелонагруженная шина, вид в разрезе в направлении по ширине шины;
на фиг. 2 - рисунок протектора тяжелонагруженной шины по фиг. 1, вид в увеличенном масштабе;
на фиг. 3 - график, показывающий взаимосвязь отношения высоты профиля шины к его ширине и усилия сдвига в направлении торможения в тяжелонагруженной шине.
Осуществление изобретения
Тяжелонагруженная шина 10 в соответствии с вариантом ее выполнения, показанным на фиг. 1, используется, в частности, в качестве шины для грузовиков и автобусов. Каркас 2 образован одним или несколькими каркасными слоями, проходящими тороидально между парой бортов 1 снаружи окружной стороны верхнего участка каркаса 2, причем брекерные слои 3а-3d расположены так, что первый брекерный слой 3а наиболее удален внутрь в радиальном направлении шины. Протекторная резина расположена с наружной стороны от первого - четвертого брекерных слоев 3а-3d в радиальном направлении шины. Вся область, включающая в себя верхний участок каркаса с первого по четвертый брекерные слои 3а-3d и протекторную резину, образует протектор 5, который является верхним участком шины.
Как показано на фиг. 2, на наружной поверхности протектора 5 выполнены пять кольцевых канавок 6а-6е, проходящих в окружном направлении шины, узкие канавки 7а и 7b, проходящие в окружном направлении шины, и узкие канавки 8а-8с, наклоненные под небольшим углом к направлению по ширине шины и проходящие зигзагообразно. Узкие канавки 8а сообщаются с тремя кольцевыми канавками 6b-6d рядом с экваториальной плоскостью CL и с узкими канавками 7а и 7b. Каждая из узких канавок 8b и 8с сообщается с двумя кольцевыми канавками снаружи в направлении по ширине шины (6а и 6b или 6d и 6е) и с одной из узких канавок 7а и 7b.
Выступы 9а и 9b, проходящие в окружном направлении шины, выполнены, соответственно, в кольцевых канавках 6а и 6b снаружи с обеих сторон в направлении по ширине шины. В выступах 9а и 9b выполнено множество прорезей, проходящих в направлении по ширине шины.
Однако в тяжелонагруженной шине рисунок протектора 5 на его наружной поверхности не ограничивается вышеописанной конфигурацией.
Каждый из брекерных слоев 3а-3d, с первого по четвертый, показанных на фиг. 1, выполнен посредством нанесения покрытия из резины на один или несколько кордов. Корд(корды) первого брекерного слоя 3а проходит под углом наклона более 45° к окружному направлению шины. Корд(корды) второго брекерного слоя 3b проходит в окружном направлении шины. Корд(корды) третьего брекерного слоя 3с проходит под углом наклона не более 30° к окружному направлению шины и в противоположном направлении от корда(кордов) первого брекерного слоя 3а. Корд(корды) четвертого брекерного слоя 3d проходит под наклоном к окружному направлению шины.
Когда корды имеют волнообразный и т.п. рисунок, направлением их прохождения становится центральная линия амплитуды кордов.
Брекерные слои, в которых корд(корды) проходит под относительно небольшим углом к окружному направлению шины, в частности по меньшей мере второй брекерный слой 3b, могут быть выполнены посредством спиральной намотки на наружной окружной стороне каркаса 2 полосы, выполненной из одного или нескольких кордов, например, из стальных кордов, покрытых резиной.
3
1
3
2
1
3
Ширина w третьего брекерного слоя составляет не менее 80% от ширины w протектора. Ширины w-w с первого по третий брекерных слоев удовлетворяют соотношению w<w<w.
Как правило, в пневматической шине радиус протектора уменьшается от центра к плечевым участкам. Из-за этого различия наблюдается различие в скорости качения между центральным участком и плечевыми участками во время качения шины, и в направлении торможения возникает усилие сдвига в плечевых участках, где скорость качения является небольшой по отношению к длине перемещения по дороге. Из-за этого усилия сдвига плечевые участки имеют тенденцию к неравномерному износу.
2
1
3
2
В тяжелонагруженной шине 10 в соответствии с этим вариантом выполнения корд(корды) третьего брекерного слоя 3с наклонен к окружному направлению шины в противоположном направлении от корда(кордов) первого брекерного слоя 3а, а ширина w второго брекерного слоя 3b меньше ширин w и w первого и третьего брекерных слоев 3а и 3с. Как результат, корд(корды) первого брекерного слоя 3а и корд(корды) третьего брекерного слоя 3с пересекаются на плечевых участках, увеличивая тем самым жесткость на изгиб в плоскости (жесткость многослойного брекера относительно изгиба в направлении плоскости). Для дальнейшего увеличения этого эффекта ширина w второго брекерного слоя 3b составляет предпочтительно не более 90%, а предпочтительнее - не более 85% от ширины протектора. Угол наклона корда(кордов) в третьем брекерном слое 3с к окружному направлению шины предпочтительно составляет не менее 10°.
3
1
3
Корд(корды) третьего брекерного слоя 3с наклонен под углом не более 30° к окружному направлению шины. Ширина w третьего брекерного слоя 3с больше ширины w первого брекерного слоя 3а, а ширина w составляет не менее 80% от ширины протектора. Такая структура может обеспечить жесткость на изгиб вне плоскости в окружном направлении шины вплоть до мест рядом с краями 5а протектора (жесткость плечевых участков брекера относительно гибкости наружу в радиальном направлении шины), при этом вплоть до положений рядом с краями 5а протектора центр изгиба расположен более удаленно наружу в радиальном направлении рядом с третьим брекерным слоем 3с, а усилие сдвига в направлении торможения может уменьшаться рядом с кромками 5а протектора. В результате этих эффектов износ плечевого края в тяжелонагруженной шине 10 в соответствии с этим вариантом ее выполнения будет в достаточной степени уменьшен.
3
1
Для дополнительного увеличения вышеописанного эффекта предотвращения износа плечевого края ширина w третьего брекерного слоя 3с составляет предпочтительно не менее 90% от ширины протектора, а угол наклона корда(кордов) в третьем брекерном слое 3с к окружному направлению шины предпочтительно составляет не более 25°. Предпочтительно угол наклона корда(кордов) в первом брекерном слое 3а к окружному направлению шины составляет не более 55°. Кроме того, ширина w первого брекерного слоя 3а предпочтительно составляет 100% или менее от ширины протектора.
3
Для дальнейшего повышения срока службы шины ширина w третьего брекерного слоя 3с предпочтительно составляет 105% или менее от ширины протектора.
1
Корд(корды) первого брекерного слоя 3а, который наиболее близко расположен к каркасу, наклонен под углом более 45° к окружному направлению шины. В результате может быть обеспечена требуемая прочность шины при вдавливании плунжера. Для дополнительного увеличения прочности шины при вдавливании плунжера ширина w первого брекерного слоя предпочтительно составляет не менее 70%, а предпочтительнее - не менее 85% от ширины протектора.
Корд(корды) второго брекерного слоя 3b проходит в окружном направлении шины.
2
Когда прикладывается внутреннее давление, в частности, когда шины вращаются под прикладываемой к ним нагрузкой, на этот(эти) корд(корды) действует растягивающее напряжение, которое сдерживает деформацию шины. В результате поддерживается форма шины. Для дальнейшего увеличения этого эффекта ширина w второго брекерного слоя 3b предпочтительно составляет не менее 50%, а предпочтительнее - не менее 60% от ширины протектора.
Для дальнейшего увеличения прочности корда(кордов) применительно к торможению корд(корды) второго брекерного слоя 3b предпочтительно имеет волнообразный рисунок. Аналогично, для дальнейшего увеличения стойкости к разрушению корда(кордов) в качестве корда(кордов) второго брекерного слоя 3b предпочтительно используются корды с большим относительным удлинением (например, корды с относительным удлинением 4,5-5,5% при разрушении).
4
В тяжелонагруженной шине 10 в соответствии с этим вариантом ее выполнения снаружи в радиальном направлении шины от третьего брекерного слоя 3с расположен четвертый брекерный слой 3d, в котором корд(корды) проходит под наклоном к окружному направлению шины. Ширина w четвертого брекерного слоя 4d и направление прохождения корда(кордов) могут свободно устанавливаться в зависимости от функции, подлежащей улучшению. Например, посредством четвертого брекерного слоя 3d может быть дополнительно снижен износ плечевого края.
4
Для дальнейшего улучшения устойчивости управления посредством увеличения бокового усилия, а также дальнейшего повышения жесткости на изгиб в плоскости и дальнейшего ослабления износа плечевого края корд(корды) четвертого брекерного слоя 3d предпочтительно наклонен к окружному направлению шины в противоположном направлении от третьего брекерного слоя 3с, так что корд(корды) третьего брекерного слоя 3с и корд(корды) четвертого брекерного слоя 3d пересекаются. Для дополнительного увеличения этого эффекта угол наклона корда(кордов) в четвертом брекерном слое 3d к окружному направлению шины предпочтительно составляет не более 70°, а предпочтительнее - от не менее 15° до не более 55°. Предпочтительно ширина w четвертого брекерного слоя 3d составляет более 20%, а более предпочтительно - не менее 30% от ширины w протектора.
4
2
4
Для предотвращения наложения концов брекерных слоев и повышения прочности концов слоев брекера ширина w четвертого брекерного слоя 3d предпочтительно меньше ширины w второго брекерного слоя 3b. Кроме того, ширина w четвертого брекерного слоя 3d предпочтительно составляет не более 70%, а более предпочтительно - не более 55% от ширины w протектора.
Для повышения прочности предпочтительно использовать в первом брекерном слое 3а и/или в третьем брекерном слое 3с в качестве корда(кордов) стальные корды. Наряду со стальными кордами могут использоваться корды, обеспечивающие относительную величину удлинения 0,3-2% при растягивающей нагрузке, эквивалентной 10% разрушающей нагрузки, когда корды не покрыты резиной.
Используя это описание применительно к шине с отношением высоты профиля шины к его ширине, равным 65 или менее, может быть эффективно предотвращен износ плечевого края.
Примеры
Были подготовлены шины-образцы и сравнительные шины размером 355/50R22.5 для получения характеристик, перечисленных ниже. На каждой шине были проведены испытания на сопротивление износу плечевых краев, на прочность шины при вдавливании плунжера, на прочность концов брекерных слоев и на стабильность управления, как описано ниже.
2
1
3
1
3
В шинах-образцах 1-11, выполненных как показано на фиг. 1 и 2, корд первого брекерного слоя проходит под углом наклона 50° к окружному направлению шины, корд второго брекерного слоя проходит в окружном направлении шины, а корд третьего брекерного слоя проходит под углом наклона не более 30° к окружному направлению шины в противоположном направлении от корда первого брекерного слоя. При этом брекерные слои расположены так, что первый брекерный слой находится снаружи окружной стороны верхнего участка каркаса, проходящего тороидально между парой бортов, и наиболее удален внутрь в радиальном направлении шины. Кроме того, w<w<w, где w-w - ширина брекерных слоев с первого по третий. В первом и третьем брекерных слоях используются стальные корды с относительной величиной удлинения 0,46% при растягивающей нагрузке, эквивалентной 10% разрушающей нагрузки, когда корды не покрыты резиной.
4
В шинах-образцах 1 и 3-11 имеется четвертый брекерный слой шириной w. В шинах-образцах 1-10 корд второго брекерного слоя проходит в окружном направлении шины по волнообразному рисунку. В шине-образце 11 корд второго брекерного слоя проходит в окружном направлении прямолинейно.
3
Сравнительная шина 1 имеет такую же структуру, что и шина-образец 1, за исключением того, что ширина w третьего брекерного слоя составляет 74% (226 мм) от ширины w протектора.
Сравнительная шина 2 имеет такую же структуру, что и шина-образец 1, за исключением того, что корд в третьем брекерном слое проходит под углом наклона 52° к окружному направлению шины в противоположном направлении от корда первого брекерного слоя.
Сравнительная шина 3 имеет такую же структуру, что и шина-образец 1, за исключением того, что корд в первом брекерном слое проходит под углом наклона 16° к окружному направлению шины.
1
1
2
Сравнительная шина 4 имеет такую же структуру, что и шина-образец 1, за исключением того, что ширина w первого брекерного слоя составляет 60% (184 мм) от ширины w протектора, и w<w.
1
4
В сравнительной шине 5 первый и второй брекерные слои содержат корд, проходящий в окружном направлении, корд третьего брекерного слоя проходит под углом наклона 52° к окружному направлению шины, а корд четвертого брекерного слоя проходит под углом наклона 52° к окружному направлению шины в противоположном направлении от корда третьего брекерного слоя. Брекерные слои расположены так, что первый брекерный слой расположен снаружи окружной стороны верхнего участка каркаса, проходящего тороидально между парой бортов, и наиболее удален внутрь в радиальном направлении шины. Ширины w-w брекерных слоев с первого по четвертый равны, соответственно, 74% (226 мм), 74% (226 мм), 95% (290 мм) и 85% (260 мм) от ширины w (305 мм) протектора. По всем другим параметрам сравнительная шина 5 имеет такую же структуру, что и шина-образец 1.
В таблице 1 представлены характеристики каждой из вышеописанных шин-образцов и сравнительных шин. По существу, знак угла наклона корда брекерных слоев с первого по четвертый относительно окружного направления шины, как указано в таблице 1, является положительным для наклона относительно окружного направления шины в том же направлении, что и для корда первого брекерного слоя, и отрицательным - для наклона в противоположном направлении. Однако что касается сравнительной шины 5, знак указывает, что корд третьего брекерного слоя и корд четвертого брекерного слоя наклонены в противоположных направлениях относительно один другого к окружному направлению шины, при этом угол наклона корда третьего брекерного слоя определен как положительный.
Каждая из вышеуказанных шин была установлена на обод размером 11,75 дюйма, и испытания были проведены при внутреннем давлении 900 кПа и нагрузке 4000 кг⋅с.
Испытание на сопротивление износу плечевых краев
Шины-образцы 1-11 и сравнительные шины 1-5 были установлены на управляемый мост транспортного средства, и после фактического пробега транспортного средства в 100000 км по дорогам общего пользования были измерены величина износа края протектора (величина изменения высоты в радиальном направлении шины; то же самое верно ниже) и величина износа центрального блока (величина изменения глубины основной канавки плеча). Для оценки сопротивления износу плечевого края сравнивались различия в разнице между этими двумя величинам износа испытанных шин. В таблице 1 представлены результаты оценки, при этом результат испытаний для сравнительной шины 5 был принят за 100. Большее цифровое значение указывает на большее сопротивление износу плечевого края.
Испытание на прочность шины при вдавливании плунжера
Для шин-образцов 1-11 и сравнительных шин 1-5 на основании испытаний на энергию разрушения, как описано в JIS D 4230, плунжер вдавливался в участок протектора, и измерялись усилия вдавливания и смещения плунжера непосредственно перед разрушением шины. Посредством преобразования произведения усилия вдавливания и смещения в числовой показатель была выполнена относительная оценка, при этом результат испытаний для сравнительной шины 5 был принят за 100. В таблице 1 представлены результаты оценки. Большее цифровое значение указывает на более высокую прочность шины при вдавливании плунжера.
Испытание на прочность концов брекерных слоев
Шины-образцы 1-4 были установлены в наружный испытательный барабан и после пробега 20000 км была измерена длина трещины, образовавшейся между краем в направлении по ширине шины третьего брекерного слоя и краем в направлении по ширине шины второго брекерного слоя. Сравнивалась разность этих длин между испытанными шинами для с целью оценки прочности концов брекерных слоев. В таблице 1 представлены результаты оценки, при этом результат испытаний для шины-образца 2 был принят за 100. Большее цифровое значение указывает на более высокую прочность концов рекерных слоев.
Испытание на стабильность управления
С помощью тестера бокового увода с плоскими ремнями был измерен коэффициент сопротивления шины боковому уводу для шин-образцов 1-4 и была выполнена относительная оценка стабильности управления, при этом коэффициент сопротивления шины боковому уводу для шины-образца 2 был принят за 100. В таблице 1 представлены результаты оценки. Большее цифровое значение указывает на более высокую устойчивость управления.
Из таблицы 1 понятно, что шины-образцы 1-11 достигают как высокой прочности шины при вдавливании плунжера, так и высокого сопротивления износу плечевого края. В отличие от этого сравнительные шины 1, 2, 4 и 5 имеют явно худшее сопротивление износу плечевого края по сравнению с шинами-образцами 1-11. Сравнительная шина 3 также имеет явно недостаточную прочность шины при вдавливании плунжера.
Эти данные показывают, что шины-образцы могут уменьшать износ плечевого края, обеспечивая при этом надлежащую прочность шины при вдавливании плунжера.
Шины-образцы 1, 3 и 4, снабженные четвертым брекерным слоем, имеют также явно улучшенную стабильность управления по сравнению с шиной-образцом 2, в которой четвертый брекерный слой отсутствует. В частности, в шинах-образцах 1 и 3, в которых корд четвертого брекерного слоя наклонен к окружному направлению шины в противоположном направлении от третьего брекерного слоя, значительно улучшена стабильность управления.
4
2
4
Из сравнения шин-образцов 1, 3 и 4, в которых имеется четвертый брекерный слой, также ясно, что прочность концов брекерных слоев повышается по сравнению с шиной-образцом 2 в шинах-образцах 1 и 4, в которых ширина w четвертого брекерного слоя меньше ширины w второго брекерного слоя и в которых ширина w четвертого брекерного слоя составляет не более 70% от ширины w протектора.
Кроме того, в вышеописанных испытаниях отношение высоты профиля шины к его ширине равнялось 50, однако на фиг. 3 представлены результаты моделирования применительно к усилию сдвига в направлении торможения на плечевом участке при изменении отношения высоты профиля шины к его ширине для шины-образца 1. Когда усилие сдвига в направлении торможения приближается к нулю, наблюдается тенденция к уменьшению износа плечевого края.
На фиг. 3 показано, что, когда в тяжелонагруженной шине уменьшается отношение высоты профиля шины к его ширине, усилие сдвига в направлении торможения приближается к нулю, тем самым более эффективно уменьшая износ плечевого края.
Перечень ссылочных позиций
1
- борт
2
- каркас
3а-3d
- брекерные слои с первого по четвертый
w<sub>1</sub>-w<sub>4</sub>
- ширина брекерных слоев с первого по четвертый
10
- тяжелонагруженная шина