车辆轮胎的制作方法

本发明涉及乘用车辆轮胎，更具体地涉及此类轮胎的胎冠。

背景技术：

由于轮胎的几何形状呈现出围绕旋转轴线的旋转对称性，因此通常在包含轮胎旋转轴线的子午平面中描述轮胎的几何形状。对于给定的子午平面，径向、轴向和周向方向分别表示垂直于轮胎旋转轴线的方向、平行于轮胎旋转轴线的方向和垂直于子午平面的方向。

在下文中，表述“沿径向位于内部”和“沿径向位于外部”分别表示“在径向方向上更接近轮胎的旋转轴线”和“在径向方向上更远离轮胎的旋转轴线”。表述“沿轴向位于内部”和“沿轴向位于外部”分别表示“在轴向方向上更接近赤道平面”和“在轴向方向上更远离赤道平面”。“径向距离”为相对于轮胎的旋转轴线的距离，“轴向距离”为相对于轮胎的赤道平面的距离。“径向厚度”在径向方向上测量，“轴向宽度”在轴向方向上测量。

轮胎包括胎冠、两个胎圈和两个胎侧，所述胎冠包括旨在通过胎面表面与地面接触的胎面，所述胎圈旨在与轮辋接触，所述胎侧连接胎冠和胎圈。此外，轮胎包括胎体增强件，所述胎体增强件包括至少一个胎体层，所述胎体层沿径向位于胎冠的内部并且连接两个胎圈。

胎面还由一种或多种橡胶配混物制成。表述“橡胶配混物”表示至少包括弹性体和填料的橡胶组合物。

胎冠包括至少一个胎冠增强件，所述胎冠增强件沿径向位于胎面的内部。胎冠增强件包括至少一个工作增强件，所述工作增强件包括至少一个工作层，所述工作层由相互平行的增强元件组成，所述增强元件与周向方向形成15°和50°之间的角度。胎冠增强件还可以包括环箍增强件，所述环箍增强件包括至少一个环箍层，所述环箍层由增强元件制成，所述增强元件与周向方向形成0°和10°之间的角度，环箍增强件通常(但不一定)沿径向位于工作层的外部。

在当前可持续发展的背景下，节约能源和原材料是工业的主要目的之一。对于乘用车辆轮胎，该目的的一个研究途径在于减轻质量和降低通常用作胎冠增强件的不同层的增强元件的金属帘线的断裂强度。如文献ep0043563所述，该方法可以导致用单独的丝线或单丝代替这些金属帘线，其中，使用这种类型的增强元件具有减轻质量和降低滚动阻力的双重目的。

相似地，从节约材料的角度来看，胎体增强件由单一胎体层组成的轮胎结构比胎体增强件具有至少两个胎体层的结构更有利。

因此，节约原材料导致设计了由单丝组成的工作层的断裂强度越来越低的轮胎。胎冠层的这种改变原则上不需要对同一尺寸和同一压力的胎体层进行任何改变。

然而，在胎冠层中使用这种类型的增强元件的缺点为降低了胎冠对某些物体的耐穿刺性。因此，存在基于压头刺入轮胎胎冠所需要的能量的测量的法规，尤其是美国法规(astmwk20631)和中国法规(gb9743-2007)。由在轮胎中使用这些增强元件造成的耐穿刺性的降低导致这些轮胎不再符合这些法规。因此，这些轮胎不适合在这些国家销售，并且也不能作为分离的部件和在安装在车辆上的状态下进口。因此，无论是否在这些国家制造，对于所有制造商而言，遵守这些法规是一个重要的商业问题。

通常将这些穿刺试验称为“断裂能试验”。因此，轮胎在法规规定的试验条件下的断裂能称为“断裂能性能”。在本申请的其余部分中，将以这种方式提及该试验和相关的性能。对于相同类型的轮胎(即来自相同的工厂、具有相同的结构、具有相同的胎面的轮胎)，结果相差近10％，因此轮胎在设计时的预期的最低性能为法规规定的值加10％。

如专利us8662128所示，对于这种性能，通过增加工作层增强元件的基本长丝的密度和直径来增强工作层增强元件的断裂强度被认为是有帮助的。然而，这些解决方案与本发明人减轻质量和节约原材料的主要目的相违背。通常根据轮胎的爆破压力设定至少一个胎体层增强元件的尺寸。

技术实现要素：

因此，本发明的主要目的为提高具有较低质量的工作层增强元件的轮胎的耐穿刺性方面的性能，从而满足断裂能试验并改进滚动阻力。

该目的通过一种轮胎实现，所述轮胎的公称宽度至少等于135mm，优选至少等于185mm且最多等于235mm，优选最多等于225mm，所述轮胎包括：

·胎面，

·胎冠增强件，所述胎冠增强件沿径向位于胎面的内部，并且包括至少一个工作增强件，

·所述工作增强件包括至少两个工作层，每个工作层具有线性断裂强度rct，每个工作层包括金属增强元件，

·所述工作层的金属增强元件包括单独的金属丝线或单丝，

·单一胎体层，所述胎体层沿径向位于胎冠增强件的内部，并且将两个胎圈连接在一起，所述胎圈旨在与轮辋接触，所述胎体层包括织物增强元件，并且具有线性断裂强度rcc，

·所述胎体层具有表面断裂能erc，所述表面断裂能erc通过erc＝(rcc*acc)/2定义，rcc为胎体层的线性断裂强度，acc为胎体层的织物增强元件的断裂伸长，

·每个工作层的线性断裂强度rct至少等于300dan/cm且最多等于400dan/cm，

·胎体层的表面断裂能erc至少等于1.75j/cm²。

工作层具有最多等于400dan/cm(优选最多等于360dan/cm)的线性断裂强度的轮胎不调整胎冠则不能满足断裂能法规。考虑到本发明的目的，不能想到通过增强元件的密度和直径提高工作层的线性断裂强度。此外，增加增强元件的密度实际上会降低两个相邻的增强元件之间的橡胶配混物的厚度，而不会降低剪切形变。这会增大工作层的橡胶配混物断裂的风险。

层的线性断裂强度rc由rc＝fr*d定义，其中fr为所考虑的层的增强元件的拉伸断裂力，d为所考虑的层的增强元件在每层的径向最外点附近测量的密度。

为了满足轮胎的其它性能方面，有必要使工作层具有至少等于300dan/cm的线性断裂强度。

根据现有技术的断裂能试验性能的通常设计规则，轮胎的胎冠在压头的头部周围形变，并且主要经受弯曲。根据这些规则，考虑到工作层与胎体层各自的位置(工作层更靠近作用于胎面的压头)，胎体层的弯曲应力高于工作层的弯曲应力。此外，考虑到构成各自的增强元件的材料(胎体层的织物和工作层的金属)，工作层在远大于胎体层的应力水平下断裂。

此外，织物胎体层的断裂伸长为工作层的断裂伸长的十倍左右，因此，认为工作层首先断裂。

因此，根据现有技术，工作层对于断裂能性能而言似乎是重要元件，而胎体层被认为是对性能仅有较小影响的参数。

更深度的分析显示，弯曲不是断裂能性能的主要参数。胎冠的断裂是由于压头挤压的胎面下不同层的张紧。由于轮胎的几何形状，工作层的长度值接近于轮胎的外周长，并且远大于其宽度，因此在压头水平处，胎冠在横向方向上的曲率半径小于周向方向上的曲率半径。这可通过测试和模拟证实。因此，在横向方向定向的胎体比工作层承受更大的应力。

还通过当前的胎面花纹增强这一方面，其中纵向沟槽促进了横向方向上的形变。

对于给定的应力，构成轮胎的复合物会形变到平衡位置。工作层剪切使得增强元件能够有效地承受施加的力。对于充气和荷载(作用于轮胎的基本应力)，工作层增强元件的平衡角度接近20°。在断裂能试验引起的形变下，工作层增强元件的平衡角度不能获得接近25°的角度，而是获得了至少等于30°的角度，并且可以达到45°。考虑到不同层各自的刚度，胎体层将在张力下形变，工作层将通过橡胶的剪切加增强元件的张紧和旋转而形变，直到工作层增强元件与周向方向形成接近平衡角度的角度。

对于工作层具有大于400dan/cm的高线性断裂强度的胎冠，胎体层为满足断裂能性能法规的最小值的次要原件。在试验期间，无论胎体层在工作层之前还是之后断裂，轮胎均可以通过遵从上述10％的安全余量达到这些法规要求的性能水平。

在本发明的范围内，工作层本身不能达到法规要求的水平。本发明的理念为在胎体层的尺寸和工作层的尺寸之间建立工作关系，从而实现该目的。为此需要两个条件。第一个条件为当工作层剪切时胎体层可以减缓伸长，以使其增强元件处于由试验引起的形变的平衡角度。第二个条件为胎体层的表面断裂能足够高，使得能够达到法规阈值加10％。

根据承受压力需要的表面断裂能，通过增加胎体层的表面断裂能获得该工作关系。这涉及增加胎体层的质量(违背总体期望的目的)，但与通过在工作层中使用单丝而减轻的质量相比，该增加较小。

对于根据本发明的工作层增强元件(即线性断裂强度最多等于400dan/cm)，已经提出并通过计算和试验证实了胎体层应具有至少等于1.75j/cm²的表面断裂能erc，优选至少等于2.0j/cm²。

本发明适用于公称宽度至少等于135mm，优选至少等于185mm且最多等于235mm的轮胎。公称宽度表示由本领域技术人员公知的尺寸标识给出的胎冠宽度。这是因为在测试期间轮胎的宽度影响在应用压头的过程中特别施加至胎体层的横向曲率半径，并因此影响施加至胎体层的应力。对于该尺寸范围之外的轮胎，各个增强元件的层需要设定不同的尺寸。

优选的解决方案为胎体层的线性断裂强度rcc至少等于190dan/cm，优选等于200dan/cm，甚至更有利地至少等于220dan/cm。

胎体层的线性断裂强度越大，胎体层增加的能量越多，因此轮胎更容易符合法规要求的性能水平，前提是胎体层增强元件在足够水平的伸长下断裂，使胎体层与工作层相配合，以满足法规要求的性能水平。设计者可以在其它可能的选择标准中，根据材料、胎体层增强元件的直径、成本、供应容易程度，在满足这些特性的几种类型的增强元件之间进行选择。

有利地，胎体层增强元件的断裂伸长acc至少等于15％，甚至更有利地至少等于20％，甚至更有利地至少等于25％。

在其它参数中，使工作层和胎体层有效配合的胎体层增强元件的断裂伸长acc的需要的水平取决于工作层增强元件的强度、胎体层增强元件的强度，并且在较小程度上取决于轮胎全新状态下的轮胎尺寸、胎面花纹和工作层增强元件与轮胎的周向方向形成的角度。根据这些参数的值，轮胎设计者可以根据需要的胎体层的断裂伸长acc选择最合适的材料，以满足法规要求的性能水平。

有利地，胎体层的织物增强元件由聚对苯二甲酸乙二醇酯、人造丝、脂肪族聚酰胺和芳香族聚酰胺的组合、或聚对苯二甲酸乙二醇酯和芳香族聚酰胺的组合制成，在其它标准中，这些材料中的每一种在断裂强度和断裂伸长方面都具有不同的优势。

有利地，胎体层的线性断裂强度rcc至少等于工作层的线性断裂强度rct的0.55倍，优选至少等于0.6倍。这使得胎体层对断裂能性能有巨大贡献。

就增强元件而言，例如根据1984年的钢增强元件的标准iso6892，使用公知程序在张力下进行断裂强度和断裂伸长的测量。

在减轻轮胎质量的目的下，当工作层的所有增强元件均为单独的金属丝线或单丝时，特别在简单性和制造成本方面实现了优化。相比于帘线，单丝能够获得径向厚度更小的工作层。仍然可以设想在工作层中包括除了单丝之外的增强元件的解决方案。由于工作层在引入帘线之后的额外厚度，插入金属帘线将产生额外的材料成本。由于增强元件的这种非标准化导致的制造复杂性，插入除了金属单丝之外的任何其它增强元件都会产生巨大的制造成本。对于目标应用的类型，单丝截面的最小尺寸最多等于0.40mm，优选最多等于0.35mm。此外，最小尺寸大于0.40mm的单丝将造成形变性和耐久性方面的问题。

有利地，每个工作层包括金属增强元件，所述金属增强元件与轮胎的周向方向(xx’)形成至少等于20°且最多等于45°的角度(a1，a2)，优选至少等于23°且最多等于35°。这些角度使得轮胎在胎冠耐久性、行为和滚动阻力方面的性能实现最佳功能。

工作层增强元件可以为直线或非直线的。其可以以正弦曲线形、之字形、波浪形或螺旋形预成型。工作层的金属增强元件由钢(优选碳钢，例如，用于“钢帘线”型帘线的碳钢)制成，尽管当然也可以使用其它钢(例如不锈钢)或其它合金。

当使用碳钢时，其碳含量(钢的重量％)优选在0.8％至1.2％的范围内。本发明特别适用于极高强度“sht”(“superhightensile”)、超高强度“uht”(“ultrahightensile”)或“mt”(“megatensile”)钢帘线型的钢。碳钢增强体的拉伸断裂强度(rm)优选大于3000mpa，更优选大于3500mpa。这些碳钢增强体的总断裂伸长(at)(弹性伸长和塑性伸长的总和)优选大于1.6％。

所使用的钢(无论其特别为碳钢还是不锈钢)本身可以覆盖有金属层，改进了例如钢单丝的可加工性或增强体和/或轮胎本身的磨损性质，例如粘附力、耐腐蚀性或耐老化性性质。根据一个优选的实施方案，所使用的钢覆盖有黄铜(zn-cu合金)层或锌层；应当记住，在制造丝线的过程中，黄铜涂层或锌涂层使丝线更容易拉伸，并且使丝线更好地粘附至橡胶。然而，增强体可以覆盖有除了黄铜或锌之外的金属的薄层，所述金属的薄层具有例如改进这些丝线的耐腐蚀性和/或其对橡胶的粘附力的功能，例如co、ni、al以及两种或多种的cu、zn、al、ni、co、sn化合物的合金的薄层。

单丝可以具有任何横截面形状，已知椭圆形横截面相对于圆形横截面具有优势(即使当尺寸较小时)。对于相同的断裂强度，由正确设置的具有椭圆形横截面的单丝组成的工作层可以具有比增强元件具有圆形横截面的工作层更小的厚度。此外，具有椭圆形横截面的单丝的弯曲惯性大于具有圆形横截面的单丝的弯曲惯性，因此其抗屈曲强度更大，抗屈曲强度是设定单丝尺寸的一项重要标准。在圆形横截面的情况下，最小尺寸对应于横截面的直径。为了保证单丝的疲劳断裂强度和位于长丝之间的橡胶配混物的耐剪切性，每个工作层的金属增强元件的密度至少等于100根单丝/分米且最多等于200根单丝/分米，优选至少等于115根单丝/分米且最多等于170根单丝/分米。密度表示10厘米宽的工作层上单丝的平均数目，该宽度垂直于所考虑的工作层中单丝方向测量。连续的增强元件之间的距离可以是固定的或可变的。对于层的线性断裂强度或表面断裂能的不同计算，为了保证计算的一致性，以合适的单位(例如以增强元件/厘米为单位)表示密度。

在制造过程中可以以层状、条带状或单独地铺设增强元件。

优选的解决方案为胎体层中织物增强元件在胎体层的径向最外点附近测量的密度至少等于40个增强元件/分米和优选至少等于50个增强元件/分米。由于断裂能试验中的性能与工作层径向下方部分中胎体层增强元件的密度相关联，因此胎体层中增强元件的密度在胎体层的该部分中测量，而不是在胎圈处测量(尽管在一些应用中有可能在胎圈处测量)。本发明与胎冠质量、滚动阻力和断裂能试验的性能相关联。因此，同样以与工作层相似的方式在胎冠处测量胎体层增强元件的密度。

优选地，胎体层的织物增强元件由经受扭转的纺制基本长丝制成，在胎体层的织物增强元件的组成纺制基本长丝中的扭转至少等于185t/m且最多等于420t/m。

在本文应记住，通过捻线法制备这些传统上具有双捻(ti，t2)的织物帘线或合股纱线，其中：

·在第一步骤中，最终帘线的每种组分纺制纱线或复丝纤维(或仅为“纱线”)首先在给定方向di(分别在s或z方向中)单独地自身捻合(具有初始捻度ti)从而形成线股，其中，基本长丝自身围绕纤维的轴(或线股的轴)形变至螺旋状；

·然后，在第二步骤中，在被称为混合帘线或复合帘线的帘线的情况下，将多个(通常为两个、三个或四个)相同或不同类型的线股在相反的方向d2(分别在z或s方向，使用公认的术语表示根据s或z的横杆的匝数的方向)捻合在一起(具有最终捻度t2，可以与ti相同或不同)，从而获得帘线或具有多个线股的最终组件。

捻合的目的为调整材料的性质，从而使增强体产生横向内聚力，增加耐疲劳性和改进其与增强基体的粘合。本领域技术人员已知此类织物帘线的结构和制造方法。在大量的文献中对其进行了详细描述，在此仅引用在专利文献ep021485、ep220642、ep225391、ep335588、ep467585、us3419060、us3977172、us4155394、us5558144、wo97/06294或ep848767中的几个示例，或更近的wo2012/104279、wo2012/146612、wo2014/057082中的几个示例。

为了能够增强橡胶制品(例如轮胎)，这些织物帘线的疲劳强度(耐拉伸性、耐弯曲性、耐压缩性)至关重要。通常已知，对于给定的材料，所使用的捻度越大，所述疲劳强度越大，但是，另一方面，拉伸下的断裂强度(当以每单位重量表示时称为韧性)随捻度增加不可避免地降低，从增强和断裂能性能的角度自然是不利的。因此，与轮胎制造商相同，织物帘线的设计者也一直在寻找在给定的材料和给定的捻度下可以改善机械性质(特别是断裂力和韧性)的织物帘线。本文寻求这种平衡从而满足轮胎的所有性能方面(包括断裂能性能)。

有利地，胎冠增强件包括至少一个环箍层，所述环箍层沿径向位于工作增强件的外部，从而保证工作增强件良好的耐久性。环箍层包括增强元件，所述增强元件与周向方向形成最多等于8°的角度。

优选地，至少一个环箍层的增强元件由织物制成，所述织物的类型优选为脂肪族聚酰胺、芳香族聚酰胺、脂肪族聚酰胺和芳香族聚酰胺的组合、聚对苯二甲酸乙二醇酯或人造丝，因为织物材料的较轻质量和较高刚度，其特别适合该用途。环箍层中连续的增强元件之间的距离(或间隔)可以是固定的或可变的。在制造过程中可以以层状、条带状或单独地铺设增强元件。

附图说明

将借助于图1更好地理解本发明的特征和其它优点，所述图1显示了根据本发明的轮胎胎冠的子午线横截面。

具体实施方式

轮胎具有胎面2，所述胎面2旨在通过胎面表面21与地面接触。轮胎还包括胎冠增强件3，所述胎冠增强件3沿径向位于胎面2的内部，并且包括工作增强件4和环箍增强件5。工作增强件包括两个工作层41和42，每个工作层41和42包括相互平行的增强元件411，412，所述增强元件411，412分别与轮胎的周向方向(xx’)形成绝对值至少等于20°且最多等于50°的定向角度a1，a2，并且一层与下一层的符号相反。轮胎同样包括单一胎体层6，所述胎体层6沿径向位于胎冠增强件的内部。

本发明人依据本发明对225/55r16尺寸的轮胎进行第一组试验，所述轮胎的公称宽度为225mm，并且包括两个工作层和一个胎体层。

常规的非本发明设计的对照轮胎ta包括：

·两个工作层，所述工作层包括增强元件，所述增强元件由具有两个直径为0.3mm的丝线的帘线制成，并且密度为95个增强元件/分米，所述工作层的线性断裂强度rct等于420dan/cm，

·胎体层，所述胎体层由包括两个220tex线股的聚对苯二甲酸乙二醇酯制成，并且密度为63个增强元件/分米，所述胎体层的表面断裂能为1.72j/cm²。

该设计能够在断裂能试验中具有足够的、大于680j的性能，而不是法规的588j的容许限度。

减轻质量和改进滚动阻力的需要使本发明人使用包括钢单丝的工作层。

本发明人根据现有技术设计的轮胎ta2的胎体层保持不变。该设计减轻的质量为200g，滚动阻力的改进约为0.15kg/t。该非本发明的轮胎包括：

·两个工作层，所述工作层包括增强元件，所述增强元件由直径为0.32mm的ht(hightensile)钢单丝组成，并且以143个单丝/分米的密度分布，所述工作层的线性断裂强度rct等于350dan/cm。

然而，该轮胎ta2在断裂能试验中表现出不令人满意的性能(610j，即仅比法规值高3％)，这极大地限制了其可销售的市场数量。

本发明包括改变胎体层增强元件以设计轮胎a。根据本发明的轮胎a包括：

·两个工作层(与ta2的工作层相同，由于创新而能够减轻质量并改进滚动阻力)，所述工作层包括增强元件，所述增强元件由直径为0.32mm的ht(hightensile)钢单丝组成，并且以143个单丝/分米的密度分布，所述工作层的线性断裂强度rct等于350dan/cm，

·胎体层，所述胎体层由包括两个344tex线股的聚对苯二甲酸乙二醇酯组成，并且密度为53个增强元件/分米，所述胎体层的表面断裂能为2.03j/cm²。

与初始轮胎t相比，该设计减轻的质量为200g，滚动阻力的改进约为0.15kg/t，并且其断裂能性能为960j(即远大于法规设定的值)。

对于描述的所有轮胎，工作层增强元件的角度a1和a2分别等于+25°和-25°。