涂膠織物及帶有零度加強(qiáng)元件的輪胎的制作方法

專利名稱：涂膠織物及帶有零度加強(qiáng)元件的輪胎的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于具有零度加強(qiáng)元件的輪胎的涂膠織物及加入這種織物的輪胎。
眾所周知，輪胎包括至少三種基本部件，胎體，胎面帶及位于胎面帶與胎體之間的加強(qiáng)皮帶。胎體，通常至少一層，繞一對胎緣填充芯從兩端部翻出。胎緣填充芯、胎體端部一起，并在胎緣填充芯與胎體端部之間加入任何一種橡膠填料，以配合在輪胎兩側(cè)形成胎邊。
當(dāng)使用時，輪胎置于一輪緣上，該輪緣具有兩個沿軸向互相移動的座。輪胎兩側(cè)的兩個胎邊放在兩個輪緣座上。每個輪緣座終止于一端部凸緣，該凸緣具有一大于輪胎胎邊直徑的外部直徑，防止當(dāng)輪胎安裝在輪緣上后胎邊從輪緣滑落。
常規(guī)輪胎的皮帶一般包括至少三個涂膠織物。前兩個織物包括互相交叉并與輪胎赤道面成角度的細(xì)繩。第三個織物是由可熱皺縮材料的細(xì)線制成的外部徑向皮帶，該可熱皺縮材料包括合成橡膠，定向成與輪胎赤道面成0°，通常如尼龍。在一通常的實(shí)施例中，第三層包括埋在0.7mm厚的涂膠織物中的直徑0.39mm的尼龍繩。
為了在輪胎上形成胎面花紋，將未硫化的或“粗制生膠”的輪胎放置在模中，在該模內(nèi)表面上設(shè)有輪胎胎面花紋。在制造工序的胎面成形步驟中，將模推入輪胎中，把胎面花紋印在輪胎上。同時，輪胎膨脹，使交叉繩的層向模的內(nèi)表面擴(kuò)張。這種擴(kuò)張有助于將胎面帶推向模的表面，使其可以從模上接收胎面花紋。當(dāng)輪胎膨脹擴(kuò)張時，交叉的繩被向外推，減小了繩相互之間傾斜的角度。帶有可熱皺縮合成纖維繩的第三皮帶層，在其下面向?qū)邮┘右涣?，在胎面成形階段限制它們向外的運(yùn)動。
第三皮帶層不僅在輪胎制造時起作用，而且在將輪胎安裝在輪緣上時對于輪胎的操作也很重要。第三皮帶層有助于抵消下層向外的擴(kuò)張，該擴(kuò)張是由高速作用在皮帶上的大的離心力產(chǎn)生的。
但是，合成纖維繩至少有一個缺點(diǎn)。它們會在輪胎中暫時變形，該現(xiàn)象稱為“接地點(diǎn)扁平化”。當(dāng)車輛停止時，車的全部重量落在各輪胎上的一個點(diǎn)上。這使各輪胎在輪胎觸地的軌跡或標(biāo)記區(qū)壓扁。由于合成纖維在應(yīng)力下易于蠕動，它們在標(biāo)記區(qū)變形。即使在車輛移動、輪胎旋轉(zhuǎn)后，壓扁的區(qū)域還在標(biāo)記區(qū)保留很長一段時間。這種現(xiàn)象在所有合成材料中是很典型的。該現(xiàn)象依有問題的特殊合成纖維的粘彈性特性而在材料與材料之間有所變化。因此，至少在輪胎接地點(diǎn)扁平化并旋轉(zhuǎn)后的一定的時間段內(nèi)，合成繩的暫時變形將產(chǎn)生噪音效果及不舒服的表現(xiàn)。
為了避免這種現(xiàn)象，已經(jīng)知道將零度金屬繩(定向?yàn)榕c輪胎赤道面成零度角)而不是合成材料繩加入到第三皮帶中。金屬繩有足夠的強(qiáng)度在車輛停止時抵抗變形。根據(jù)這種教導(dǎo)制造的輪胎不會發(fā)生“接地點(diǎn)扁平化”的現(xiàn)象，因?yàn)樗鼈兗尤肓私饘倮K而不是由粘彈性材料制成的繩。
當(dāng)?shù)谌佑山饘倮K制成時，已知使用由一些擰在一起的股繩制成的所謂的“順捻型”繩，在繩到達(dá)破壞點(diǎn)之前提供高的延伸率，且因此，這種繩在現(xiàn)有技術(shù)中稱為“HE”(高延伸率)繩。在這種實(shí)施例中，金屬繩類似于一個彈簧線，這可以從通過研究這些材料的典型應(yīng)力-變形圖而明白。
金屬繩的應(yīng)力-變形圖的第一段由一相對于橫軸線的小的或緩的坡度表示。應(yīng)力-變形圖的該第一段很有用，因?yàn)樗梢杂脕眍A(yù)測在胎面帶成形階段金屬的狀態(tài)特性，在胎面帶成形階段材料在低載荷下呈現(xiàn)高延伸率。接下來，應(yīng)力變形圖的坡度陡的段對在輪胎操作過程中確定金屬的狀態(tài)特性很有用，在輪胎操作過程中，材料在高載荷下僅呈現(xiàn)輕微的延伸率。
適于這種用途的金屬繩的全部直徑在制造大輪胎時使用的零度織物中可以是0.7mm。但是，這種繩尺寸對于汽車輪胎中皮帶纖維所需的尺寸來說太大而不適合。
由形狀記憶材料制造的金屬繩的皮帶結(jié)構(gòu)在本領(lǐng)域也是公知的，例如，美國專利5,242,002和日本專利申請JP4362401。在美國專利5,242,002中，描述了一種輪胎，其皮帶具有相對于輪胎赤道面對稱傾斜的繩。繩是通過將幾股線螺旋纏繞在一起而形成的。繩的至少一股線是由形狀記憶材料制成的。形狀記憶線在與其它線絞在一起之前，在預(yù)定的溫度下當(dāng)它具有特殊的構(gòu)造(如波浪形)時進(jìn)行熱處理，隨后在熱處理溫度下變形成直線構(gòu)造；而后，當(dāng)高于熱處理溫度時恢復(fù)成波浪形構(gòu)造。
當(dāng)每次胎面帶溫度高速上升時，皮帶的溫度超過形狀記憶線的熱處理溫度，線傾向于呈現(xiàn)波浪形狀。但由于形狀記憶線與其它線絞在一起，形狀記憶線不能變形，而是受到張力。由此，在形狀記憶線中建立了一個應(yīng)力，其作用是增加皮帶的剛度，從而避免由于離心力造成的輪胎直徑的增加。
日本專利申請JP4362401公開了一種輪胎，其最外端皮帶具有一最外層，該層包括一形狀記憶膨脹元件，優(yōu)選是由Ni-Ti合金制成的彈簧線元件。該彈簧線元件以零度角纏繞在皮帶的下層上。形狀記憶元件設(shè)計成當(dāng)線在高速使用受熱時沿輪胎圓周方向收縮。通過這種方式，在高速下，輪胎變得更加堅固，輪胎膨脹現(xiàn)象得到了控制。另一方面，在低速下，如在正常運(yùn)行情況下遇到的，形狀記憶元件恢復(fù)并保持其原始形狀。該日本專利申請揭示出，輪胎中形狀記憶膨脹元件不必是彈簧線形狀，而可以是例如皮帶或繩的形狀。
對照已有技術(shù)的現(xiàn)狀，相信能夠提供一種單一的方案來解決當(dāng)相關(guān)的輪胎在高速使用時受到大的離心力的情況下出現(xiàn)的接地點(diǎn)扁平化以及皮帶向外擴(kuò)張這兩個問題。另外，相信所使用材料的尺寸(即產(chǎn)生的皮帶的厚度)如果不減小的話，至少可以保持在現(xiàn)有技術(shù)的水平。
相信如果使用零度加強(qiáng)件，則接地點(diǎn)扁平化和離心擴(kuò)張的問題可以同時得到解決，該零度加強(qiáng)件顯示出(1)在涂膠織物中的正確幾何定向，(2)高的抗疲勞強(qiáng)度。
但是，必須解決的一個問題是如何在涂膠織物中保持加強(qiáng)元件的正確的幾何定向。在現(xiàn)有技術(shù)中，已知加強(qiáng)元件在織物層中是不規(guī)則地分布。相信這種不規(guī)則的分布是由于在制造工序中向輪胎使用高壓而引起的。特別地，相信膨脹壓力在加強(qiáng)元件上施加一力，在輪胎固化之前將其從預(yù)定的位置移走。
但是，制造過程中在織物中保持加強(qiáng)元件的正確的幾何定向只是問題的一部分，因?yàn)樵谳喬ゲ僮鬟^程中繩也易于在織物中移動。在使用中，繩圈會壓入彈性體材料。由于繩直徑是如此的小，相信它們就像刀子一樣，在一段時間后在彈性體上產(chǎn)生切口和裂縫。由此，在一段時間后，繩開始在彈性體內(nèi)移動，在極端情況下，甚至可能從材料中移出，導(dǎo)致加強(qiáng)元件可能在緊挨的下層與金屬加強(qiáng)繩接觸的危險。如果在不同層的繩互相接觸，它們會產(chǎn)生足夠的摩擦力而損害輪胎織物的完整性。
疲勞應(yīng)力是設(shè)計加強(qiáng)輪胎織物時必須考慮的另一個因素。疲勞應(yīng)力可以認(rèn)為是由輪胎旋轉(zhuǎn)時兩種特殊情況造成的。第一，在輪胎未變形部分，繩的徑向最外端部分受到牽引并產(chǎn)生與到其縱向中軸線距離成正比而與未變形輪胎弧度半徑成反比的彎曲變形。第二，在輪胎未變形部至標(biāo)記區(qū)之間的過渡期間，繩的相同部分受到比前者大得多的變形力，因?yàn)樽冃伍_始與新的輪胎弧度半徑成反比，該新的輪胎弧度半徑明顯小于與未變形輪胎輪廓相對應(yīng)的弧度半徑。相似地，繩的最內(nèi)端部分按照相同的關(guān)系變形，即與所述纖維到中軸線的距離成正比而與輪胎分別在下面兩種情況下呈現(xiàn)的弧度半徑成反比，首先在未變形情況下然后在接近標(biāo)記區(qū)的變形情況下。
減小疲勞的一種方式是減小繩的直徑。典型加強(qiáng)元件的尼龍0.39mm直徑似乎是小了，而從加在繩上的疲勞應(yīng)力的觀點(diǎn)來分析繩的話，這個尺寸其實(shí)是非常大的。但是，當(dāng)減小繩的直徑后，如上所述，與繩切斷彈性體材料的可能性相關(guān)的問題發(fā)生的機(jī)會增加了。
當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計對與涂膠織物中加強(qiáng)元件的相互作用相關(guān)的各種因素進(jìn)行估價后，選擇了一種方案，既滿足了在加入的織物中對零度加強(qiáng)元件正確定位的需要，又滿足了高抗疲勞強(qiáng)度織物的需要。所選擇的一個改進(jìn)在于在金屬帶外形中加入由形狀記憶材料制成的零度加強(qiáng)元件。對于這種構(gòu)造，認(rèn)為金屬帶的具體寬度可以確定并用來在彈性體材料中對帶進(jìn)行穩(wěn)定。另外，據(jù)認(rèn)為，這種構(gòu)造將對輪胎中的氣體壓力有不同的反應(yīng)，并對切斷彈性體材料的趨勢進(jìn)行抵抗。還認(rèn)為，如果金屬帶的厚度明顯小于現(xiàn)有技術(shù)中相應(yīng)繩的厚度，當(dāng)輪胎在地面上滾動時的抗疲勞強(qiáng)度將會大大提高。
因此，本發(fā)明的一個方面的特征在于，輪胎的涂膠織物中加入了至少具有一個連續(xù)加強(qiáng)金屬帶的彈性體材料。該帶由定向成與輪胎赤道面成0度角的形狀記憶材料制成。該帶的最小寬度為1mm。涂膠織物的最大厚度為0.4mm。
在本發(fā)明的第一方面，加強(qiáng)元件在涂膠織物中被牢固地固定到位并穩(wěn)定在預(yù)定位置上，因?yàn)榧訌?qiáng)元件是以并排方式設(shè)置的金屬帶。金屬帶的最小寬度為1mm，而加入金屬帶的涂膠織物的最大厚度為0.4mm。金屬帶每一圈都定向成基本垂直于輪胎中的氣體壓力方向。由于這種定向，金屬帶抵抗向涂膠織物的壓力。
優(yōu)選地，織物包括的金屬帶全部是寬1至5mm，厚0.02至0.1mm。在本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例中，各金屬帶的厚度小于其最小寬度的十分之一。本發(fā)明的金屬帶優(yōu)選由形狀記憶材料，如NiTi合金，NiTiX合金，其中X從Fe，Cu，或Nb的組合中選擇，CuZnAl合金，CuAlNi合金，CuAlBe合金，F(xiàn)eNiCoTi合金，F(xiàn)eMnSi合金，F(xiàn)eMnSi基合金，或FeNiCo基合金。加強(qiáng)帶由形狀記憶材料制成，當(dāng)加熱時試圖恢復(fù)預(yù)定的記憶長度。
在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，輪胎包括胎體，胎體上的胎面帶，及位于胎面帶與胎體之間包括至少一層涂膠織物的皮帶。該皮帶加入了至少一個連續(xù)加強(qiáng)金屬帶，該金屬帶由定向成與輪胎赤道面成0°的形狀記憶材料制成。金屬帶最小寬度為1mm，并繞成并排的匝，垂直于輪胎半徑。
在本發(fā)明第二實(shí)施例中，加強(qiáng)皮帶的特征還在于，包括用來將加強(qiáng)帶穩(wěn)定在織物中預(yù)定位置的裝置。加強(qiáng)帶的位置通過將加強(qiáng)元件整理成并排金屬帶來進(jìn)行穩(wěn)定，各金屬帶最小寬度為1mm，涂膠織物的最大厚度為0.4mm。金屬帶的每一圈定向成基本垂直于輪胎內(nèi)氣體壓力方向，從而對加強(qiáng)帶向加入加強(qiáng)帶的彈性體材料的壓力進(jìn)行抵抗。在一優(yōu)選實(shí)施例中，金屬帶均勻分布在輪胎中，相鄰帶之間間隔0.1mm。
在另一個實(shí)施例中，織物中的金屬帶分別在兩個預(yù)定溫度As和Af之間通過在皮帶的最內(nèi)端織物上產(chǎn)生收縮力而傾向于恢復(fù)事先記憶的形狀。As對應(yīng)于金屬帶開始從馬氏體狀態(tài)向奧氏體狀態(tài)進(jìn)行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變時的溫度，Af對應(yīng)于金屬帶完成從馬氏體向奧氏體的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變時的溫度。
應(yīng)理解，上面的一般說明和下面的詳細(xì)說明都只是示例性的和說明性的，對所要求的本發(fā)明沒有約束。
包括在說明書中并構(gòu)成其一部分的附圖，示出了本發(fā)明的幾個實(shí)施例，并與以上給出的總的描述和以下給出的詳細(xì)描述一起，用來闡述本發(fā)明的原理。
附圖中

圖1是本發(fā)明輪胎一部分的局部透視圖，為了示意去掉了某些部分；圖2是一變化曲線圖，示出作為變形記憶材料溫度的函數(shù)的本發(fā)明中加強(qiáng)金屬帶的結(jié)構(gòu)變化，該變形記憶材料構(gòu)成加強(qiáng)金屬帶；圖3是本發(fā)明中加強(qiáng)金屬帶的應(yīng)力-變形曲線圖；圖4是本發(fā)明中最外端皮帶的應(yīng)力-溫度曲線圖，其中金屬帶的帶卷定向?yàn)榕c輪胎的赤道面成零度角；圖5是最外端皮帶一層的剖視圖，示出根據(jù)已有技術(shù)構(gòu)成的零度帶；
圖6是皮帶一層的剖視圖，其中的帶是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的零度金屬帶，可用于輪胎，如圖1中示出的那種；圖7是表示位于未變形位置和未變形區(qū)與加上標(biāo)記區(qū)域之間位置的輪胎的彎曲半徑的示意簡圖；圖8示出根據(jù)本發(fā)明在輪胎一未變形區(qū)形成的零度加強(qiáng)元件之一的一部分的彎曲變形；圖9示出位于根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的輪胎加標(biāo)記區(qū)域的零度加強(qiáng)元件的方向；圖10示出“蠶豆”變形的圖9中加標(biāo)記區(qū)域，該變形是當(dāng)輪胎處于轉(zhuǎn)折或彎曲時可能產(chǎn)生的那種類型的變形；及圖11是承受壓載的零度金屬帶和當(dāng)該帶變形到破壞點(diǎn)時可能的形狀的示意圖。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的徑向輪胎。輪胎1包括胎面帶2，臺肩3和側(cè)壁4。輪胎1端部包括一對輪緣5，胎緣填充芯6，胎邊芯7，和加強(qiáng)緣8。輪胎1還包括徑向胎體9，帶有位于子午面上的加強(qiáng)元件。輪胎1還包括位于胎體9和胎面帶2之間的皮帶結(jié)構(gòu)10。
胎體9由一個或多個邊緣9′向外繞葉輪芯6折疊的線網(wǎng)層構(gòu)成。皮帶10的結(jié)構(gòu)包括一組由三個加入加強(qiáng)元件的涂膠織物11，12，13形成的皮帶。前兩個徑向最內(nèi)端織物11，12，不認(rèn)為是可變形的，包括與輪胎1的赤道面以一角度傾斜的鋼制加強(qiáng)芯14，使各芯14互相交叉成十字形。在一個實(shí)施例中，各芯14一般互相交叉成50°角。芯14可具有2+1×0.28類型的結(jié)構(gòu)，楊氏模量200,000MPa，破壞載荷500N。
徑向最外端織物13包括連續(xù)加強(qiáng)元件或由變形記憶材料制成的帶15。加強(qiáng)元件或帶15基本定向?yàn)榕c輪胎1的赤道面成0°角。
本發(fā)明的一個特征在于，織物13包括將加強(qiáng)元件15穩(wěn)定在預(yù)定位置的裝置，在該預(yù)定位置加強(qiáng)元件15被加入織物13中。加強(qiáng)元件15的位置通過將加強(qiáng)元件15定形成金屬帶并將它們并排放置在織物13中而得到穩(wěn)定，如圖6的局部剖視圖所示。另外，金屬帶15的位置得到穩(wěn)定，是由于各帶15垂直于輪胎1中空氣壓力方向放置。各帶15的位置得到穩(wěn)定，還由于帶15的寬度，由數(shù)值“L”表示，最小為1mm。如上所述，這些特征提高了帶15對加入金屬帶15的彈性體材料內(nèi)的壓力的抵抗力。
作為本發(fā)明一實(shí)施例的一個具體例子，金屬帶15的寬度“L”可以是3mm。在剖面中，這種金屬帶15的厚度“s”可以是0.03mm，加入金屬帶15芯部的涂膠織物的厚度“S”可以是0.3mm。相鄰金屬帶端部之間的距離“d”可以是0.5到3mm之間。
根據(jù)本發(fā)明，金屬帶15由變形記憶材料制成，該材料可以是金屬合金，如NiTi，NiTiX(其中X為Fe，Cu，或Nb)，F(xiàn)eNiCoTi，F(xiàn)eMnSi，CuZnAl，CuAlNi，CuAlBe，一種FeMnSi基合金，或FeNiCo基合金，其特征由各合金在確定的溫度下實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)變化而產(chǎn)生。本發(fā)明設(shè)想的類型的變形記憶材料在由Butterworth-Heinemann，倫敦(Ed.T.W.Duerig)(1990)出版的“變形記憶合金的工程特性”中進(jìn)行了討論和定義。
一般地，如圖2中曲線所示，作為具體溫度的函數(shù)，每種合金在從馬氏體狀態(tài)向奧氏體狀態(tài)變化時具有其自身的曲線，反之亦然。圖2中的曲線示意性地表示了作為溫度函數(shù)的馬氏體階段“M”百分比的遲滯環(huán)路。特別地，圖2中的曲線表示了以箭頭所指方向，從100％馬氏體結(jié)構(gòu)“M”到全部奧氏體結(jié)構(gòu)的行程，及其相反過程。
從馬氏體向奧氏體的轉(zhuǎn)變當(dāng)變形記憶合金溫度到達(dá)As時開始，當(dāng)溫度到達(dá)Af時結(jié)束。在冷卻階段，材料在溫度Af時從奧氏體結(jié)構(gòu)向馬氏體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。馬氏體轉(zhuǎn)變在溫度Ms時開始，當(dāng)溫度到達(dá)Mf時完全成為馬氏體結(jié)構(gòu)。
作為前述結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的結(jié)果，可以預(yù)測某種機(jī)械特性。特別是，通過從溫度As加熱到溫度Ar而獲得的材料結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變在變形記憶材料中產(chǎn)生應(yīng)力，該應(yīng)力使材料恢復(fù)到事先記憶的形狀，如果材料在馬氏體階段變形的話。
在加入織物13的彈性體材料中之前，金屬帶15經(jīng)受熱處理，該熱處理以特殊材料的形狀記憶特性為基礎(chǔ)進(jìn)行選擇。選擇熱處理來獲得形狀記憶合金的四個溫度特性的益處，分別是Ms，Mf，As，Af。選擇熱處理還用來獲得預(yù)定形狀，如長度值“l(fā)0”的益處。
當(dāng)金屬帶15在馬氏體階段冷卻時，帶15進(jìn)入一應(yīng)力狀態(tài)，并進(jìn)行假塑性(假彈性)伸長變形。圖3圖示出該原理。一拉伸應(yīng)力F在室溫下當(dāng)金屬帶15加入彈性體材料之前施加在金屬帶15上。以圖3為基礎(chǔ)，可以預(yù)測金屬帶15可能承受的延伸率。當(dāng)載荷停止時，金屬帶15呈現(xiàn)一永久延伸率，其值由下式確定ε0＝(l-l0)/l0，其中“l(fā)”表示金屬15的完全延伸值。以恒定載荷可獲得的延伸百分比的可能范圍一般在1％到8％之間。然后如下所述，延伸率ε0可以在輪胎1的硫化和操作階段中使用，以通過到達(dá)溫度As和Af產(chǎn)生的拉力恢復(fù)預(yù)定的形狀。
在所考慮的例子中，ε0等于4％，As等于60℃，Af等于80℃。一旦受到初始變形應(yīng)力，就用公知的方法，如通過使用涂橡膠壓延機(jī)的工序，將金屬帶15加入合成涂膠織物13中。隨后的制造橡膠的階段，涉及加強(qiáng)皮帶11，12和胎面帶2的成形及將這些皮帶與胎體9組裝在一起，在本領(lǐng)域都是公知的。
當(dāng)輪胎1的所有部件組裝在一起后，輪胎1被放入一模中(最好是向心型的，未示出)，在該模中胎面帶2受壓并進(jìn)行硫化。在硫化過程中，高壓氣體引入輪胎1中，溫度增加到約140℃。由于在硫化過程中施加到輪胎1上的高壓，兩金屬皮帶11，12擴(kuò)張。這種擴(kuò)張以這種方式減小了皮帶11，12之間的相對交叉角度，即胎面帶2向模內(nèi)表面移動。另一方面，模的扇形頂部徑向向內(nèi)移動，將刻在其內(nèi)表面上的花紋圖案壓印在胎面帶2上。在硫化過程中金屬帶15在皮帶11，12上施加一約束力。
為了搞清楚由形狀記憶合金制成的金屬帶15的作用，圖4中示出了帶的特性，該圖標(biāo)繪出了相對于它們所承受的溫度，在金屬帶15中的相對應(yīng)力。
金屬帶15被加熱到溫度As，開始從馬氏體狀態(tài)向奧氏體狀態(tài)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。當(dāng)?shù)竭_(dá)溫度Af時完成奧氏體轉(zhuǎn)變。當(dāng)在溫度As和Af之間進(jìn)行奧氏體轉(zhuǎn)變時，金屬帶15試圖恢復(fù)到與事先記憶的延伸值“l(fā)0”對應(yīng)的預(yù)定形狀。但金屬帶15只能在它們所承受的約束力允許的程度上恢復(fù)到記憶的形狀。
實(shí)際上，當(dāng)金屬帶15加入輪胎1后，由于它們不能恢復(fù)到與事先記憶的延伸值l0對應(yīng)的預(yù)定形狀，它們產(chǎn)生了擠壓下部金屬皮帶11，12的向內(nèi)收縮應(yīng)力?？墒┘釉谙虏科?1，12上的最大力Fmax例如是54N，且當(dāng)金屬帶15處于溫度Af時施加。因此，在硫化過程中，金屬帶15的環(huán)形卷抵抗下部金屬皮帶11，12的擴(kuò)張。這就產(chǎn)生一種平衡狀態(tài)，使輪胎的胎面帶2被模制。
由于在輪胎正常操作中的加熱，輪胎進(jìn)行了幾個熱循環(huán)，特別是在高速情況下，傾向于提高最內(nèi)端皮帶層11，12溫度的離心力顯現(xiàn)出來。在這種操作情況下，金屬帶15變熱，并像在硫化過程中那樣，產(chǎn)生一個向內(nèi)的壓應(yīng)力。如圖4所示，金屬帶15施加的壓應(yīng)力幫助減小了如上所述的下部皮帶11，12向外膨脹的影響。
在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中，輪胎1可具有下述成份1)胎體9·在天然橡膠中加入繩9，硬度為70至80IRHD(國際橡膠硬度標(biāo)度)·繩9為人造纖維材料·加入的線網(wǎng)層的全部厚度為1.1至1.25mm·繩9的結(jié)構(gòu)為1840×2分特·繩9的密度＝120epd(頭每分米)2)內(nèi)部皮帶11或12·在天然橡膠中加入繩14，硬度為60至85IRHD·繩14結(jié)構(gòu)的類型＝2+1×0.28·各織物的全部厚度為1.1至1.3mm·繩14的破壞載荷為450至500N·繩14的楊氏模量為190至200Gpa
·織物的繩14的密度＝85epd·兩織物11，12的繩14之間交叉角＝50度3)外部皮帶13·各種合金制成的金屬帶15，優(yōu)選NiTi，NiTiX合金(其中X為Fe，Cu，或Nb)，F(xiàn)eNiCoTi，F(xiàn)eMnSi，CuZnAl，CuAlNi，CuAlBe，F(xiàn)eMnSi基合金，或FeNiCo基合金·金屬帶15的厚度“s”為0.02mm至0.1mm·金屬帶15的相鄰端部之間的距離“d”為0.1至3.5mm·加入到天然橡膠中，硬度為65至85IRHD·所包含纖維厚度為0.1至0.4mm·各金屬帶15的變形應(yīng)力Fk在室溫下·(圖3)為50至150Mpa·延伸值ε0(圖3)為2至8％·溫度值A(chǔ)s(圖4)為40至90℃·溫度值A(chǔ)f為60至120℃·在室溫(As+10°)下收縮應(yīng)力值F為50至100Mpa·在溫度Af下最大應(yīng)力值Fmax為400至600Mpa根據(jù)本發(fā)明，其它實(shí)施例包括將織物11，12與第三種涂膠織物組合在一起，該涂膠織物包括由形狀記憶材料的金屬合金制成的金屬帶15。在另一個實(shí)施例中，胎體線網(wǎng)層可用由形狀記憶材料的金屬合金制成的繩制造。在這些最后的實(shí)施例中，繩的形狀記憶材料可以是在第三織物13的金屬帶15中已經(jīng)提到的那些。
本發(fā)明成功地解決了現(xiàn)有技術(shù)中的許多問題。本發(fā)明的部分成功是由于金屬帶15，該金屬帶15迅速而完全地對溫度變化作出反應(yīng)，并對構(gòu)成它們的形狀記憶材料的性質(zhì)進(jìn)行利用。本發(fā)明的部分成功還由于金屬帶15在加入的織物13中的穩(wěn)定，且如下面所述，具有高的抗疲勞強(qiáng)度。
將金屬帶15穩(wěn)定在織物13中的優(yōu)點(diǎn)將由根據(jù)下面的說明進(jìn)行的壓力測試來確定。一個由形狀記憶合金制成的金屬帶測試塊繞直徑為250mm的橡膠輥放置。在測試中，使用了含35％Ni、15％Cu和50％Ti的合金。金屬帶的測試塊厚0.03mm，寬3mm，長600mm。為了模擬在金屬帶15上的壓力，兩個各重1000克的重塊，分別在金屬帶端部放置一塊。在輥上覆一層通常在皮帶上使用的那種天然橡膠。橡膠覆蓋層約2mm厚。
下表，表#1，在第一欄中表示被測試金屬帶15塊的寬度“L”，第二欄中表示相對于施加在金屬帶塊端部上的載荷建立的壓力值Δx。
表#1
<p>測試結(jié)果顯示根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的皮帶壓力事實(shí)上可以忽略。相反，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)成的皮帶在與有金屬帶的測試結(jié)果進(jìn)行比較時就顯示出一個壓力。
為了概括和澄清所獲得的結(jié)果，將參照圖5-10。圖5和圖6對沿輪胎(未示出)圓周布置的加入了加強(qiáng)元件的兩種涂膠織物進(jìn)行了比較。二者均承受按箭頭所指方向從織物內(nèi)部向外部的氣體壓力P。用來向輪胎充氣的氣體壓力的范圍作為輪胎應(yīng)用的尺寸和型號的函數(shù)而變化。但是，一般地，氣體壓力在1.5至3.5或更大巴的范圍內(nèi)。圖5示出橡膠加強(qiáng)織物的一種公知的結(jié)構(gòu)。這里，加入尼龍繩17的織物16外徑為0.39mm。
圖6示出根據(jù)本發(fā)明的橡膠加強(qiáng)織物的結(jié)構(gòu)。這里，金屬帶15由形狀記憶合金制成。而各金屬帶15可以互相分開，還可以將金屬帶15螺旋狀纏繞而形成剖面視圖中所示的匝。圖6中，金屬帶15寬度“L”為1mm，厚度為0.03mm。
圖5和6對氣體壓力影響加強(qiáng)繩和涂膠織物的不同方式進(jìn)行了比較。對于現(xiàn)有技術(shù)中公知的涂膠織物，氣體壓力容易繞織物中的尼龍繩導(dǎo)向，因?yàn)樗鼈兊臋M截面尺寸小。由此，如圖5所示，現(xiàn)有技術(shù)中的繩在高的氣體壓力P出現(xiàn)時傾向于在彈性體材料上產(chǎn)生一剪切力。
相反，當(dāng)皮帶是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造時，由氣體壓力產(chǎn)生的力會出現(xiàn)非常不同的結(jié)果。由于金屬帶15具有比尼龍繩17大得多的橫截面尺寸，由氣體壓力產(chǎn)生的力不會導(dǎo)致金屬帶15傾向于壓向或切入彈性體材料的情況出現(xiàn)。
實(shí)際上，現(xiàn)有技術(shù)中的尼龍繩17傾向于壓向彈性體材料，而在本發(fā)明的實(shí)際情況中，金屬帶15傾向于在彈性體材料中的穩(wěn)定位置上升。在圖5中所示繩用形狀記憶材料制成的金屬合金制造，并具有與尼龍繩17相同或相似的直徑的情況下，相同的條件同樣有效。
對于現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)中的涂膠織物，加強(qiáng)元件顯現(xiàn)出向內(nèi)壓縮的傾向。在任何情況下，這種傾向都使加強(qiáng)繩呈現(xiàn)在設(shè)計幾何結(jié)構(gòu)中不希望有的位置。相反，在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，織物顯現(xiàn)出加強(qiáng)金屬帶15的幾何穩(wěn)定性。因此，根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的織物充分利用了構(gòu)成金屬帶15的形狀記憶材料的功能特性，使織物在高驅(qū)動速度下可以獲得所需的抗離心力強(qiáng)度，同時在硫化過程中對輪胎進(jìn)行控制。
圖7和8示出與現(xiàn)有技術(shù)中的相比較，本發(fā)明中零度加強(qiáng)的高抗疲勞強(qiáng)度的機(jī)械特性。圖7用一圓周線示意性地表示出在地面上滾動的輪胎。特別地，圖7示出圓周結(jié)實(shí)的一部分，用一彎曲半徑R標(biāo)示出輪胎未變形的部分，用虛線標(biāo)示出與輪胎在地面上的印記相對應(yīng)的變形部分。未變形區(qū)域與標(biāo)記區(qū)域之間的通道用彎曲半徑r表示，該彎曲半徑r明顯小于半徑R。
圖8中，在圖5中分別具有0.39mm直徑的尼龍繩17，在它們加入的皮帶16的局部縱剖面中表示出來。尼龍繩17表示出來，是因?yàn)樗鼈儗⒓尤胼喬ノ醋冃挝恢玫膹椥泽w織物中，如圖7所示的V點(diǎn)。在V點(diǎn)，繩受到彎曲，但與沿對應(yīng)于中線η的縱軸線的繩相比，最外端繩被繃緊地拉伸。由此，繩產(chǎn)生一變形，如已知道的，可由下面等式表示ε＝y(tǒng)/R其中y是從繩纖維到中線的距離，以圖中的y軸為基準(zhǔn)進(jìn)行測量。對徑向最外端纖維變形值是最大的，且顯示出繩的半徑值。R是未變形情況下輪胎的彎曲半徑。在未變形區(qū)與標(biāo)記區(qū)之間的通道位置，繩呈現(xiàn)一新的變形，用下式確定ε＝y(tǒng)/r其中分子y的值與未變形例子中相同，但分母值卻明顯小得多，r小于R。在一個例子中，半徑R為250mm而半徑r為25mm。
前述的假設(shè)導(dǎo)致在未變形位置與變形位置位置之間的通道中的繩的各點(diǎn)上產(chǎn)生增加的周期性變形。
另一方面，如果織物中的加強(qiáng)繩根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)進(jìn)行構(gòu)造，如圖6中所示，且這樣構(gòu)造的織物加入如圖7所示的輪胎中，則很明顯，在輪胎未變形與變形區(qū)之間的通道區(qū)的金屬帶中的周期性變形將小得多。本發(fā)明具有這種優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樽冃问怯山饘賻?5的厚度確定的，該厚度小于現(xiàn)有技術(shù)中繩的直徑。用圖5中包含形狀記憶合金材料的繩也可以獲得同樣的結(jié)果。
實(shí)際上，本發(fā)明為金屬帶15構(gòu)想了一種結(jié)構(gòu)，其中金屬帶15的厚度遠(yuǎn)小于金屬帶15的寬度。例如，織物厚度最大為0.4mm，優(yōu)選為0.3mm，則金屬帶15的厚度期望在0.02至0.1mm之間。
實(shí)際上，已經(jīng)認(rèn)識到了根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)構(gòu)造的織物的機(jī)械特性，因?yàn)榧訌?qiáng)元件具有比現(xiàn)有技術(shù)教導(dǎo)的加強(qiáng)繩小得多的周期彎曲變形應(yīng)力。由此，當(dāng)與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的教導(dǎo)制造的織物進(jìn)行比較時，根據(jù)本發(fā)明制造的織物增加了織物的抗疲勞強(qiáng)度。因此，根據(jù)由本發(fā)明的實(shí)踐得到的機(jī)械特性，可以創(chuàng)造一種加入了由形狀記憶合金制造的加強(qiáng)元件的輪胎，來克服根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)造的輪胎中的許多缺陷。另外，與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)造的織物相比，根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的織物的重量明顯減小。例如，一種織物，如圖5中所示那種，其總厚度為0.7mm，遠(yuǎn)大于圖6中所示織物的厚度，其厚度為0.3mm。這表明根據(jù)本發(fā)明制造的織物使用更少的橡膠，并因此比現(xiàn)有技術(shù)中的織物更輕。汽車工業(yè)對輕輪胎結(jié)構(gòu)有長期的需求。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)構(gòu)造的織物還提高了對在標(biāo)記區(qū)皮帶產(chǎn)生的應(yīng)力的抵抗力。實(shí)際上，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，標(biāo)記區(qū)皮帶的性能可以如圖9和10所示，示意性地表示出來。圖9示出當(dāng)沿直線行駛時輪胎的標(biāo)記，而圖10，一種蠶豆形標(biāo)記，示出當(dāng)沿曲線行駛時輪胎的標(biāo)記。
在圖9中，零度加強(qiáng)元件呈直線前進(jìn)。但圖10中位于中線η右側(cè)的零度加強(qiáng)元件承受壓縮應(yīng)力。承受最高載荷的加強(qiáng)元件在標(biāo)記區(qū)破壞，因?yàn)閼?yīng)力水平高到足以產(chǎn)生變形。但是，沒有標(biāo)記的輪胎其余部分，加強(qiáng)元件不破壞，因?yàn)樗鼈冊趦?nèi)層11，12的金屬皮帶之間重疊，而其本身是不變形的。
相反，當(dāng)對根據(jù)本發(fā)明的加強(qiáng)元件進(jìn)行研究時，可以發(fā)現(xiàn)，如圖11所示，一個單元的破壞需要的壓縮應(yīng)力比實(shí)際中經(jīng)常發(fā)生的要高。實(shí)際上，能夠使這種加強(qiáng)元件產(chǎn)生“側(cè)向”變形的足夠高的壓縮應(yīng)力，當(dāng)要使寬度為1mm至5mm的金屬帶破壞時必須足夠大。如圖5所示的直徑為0.39mm的現(xiàn)有技術(shù)中的繩，無論是尼龍還是金屬構(gòu)造的，與根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的厚三到五倍的加強(qiáng)元件相比，在標(biāo)記區(qū)的峰值載荷下更容易被破壞。因此，如圖10所示，即使在經(jīng)受周期壓縮應(yīng)力后，根據(jù)本發(fā)明的金屬帶15在需要時也能夠在操作中發(fā)揮形狀記憶材料的特性。
對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，很容易加上另外的優(yōu)點(diǎn)和修改。因此，本發(fā)明從較寬的方面來說，并不局限于所表示和描述的具體細(xì)節(jié)、代表性的裝置和示意性的例子。因此，在不脫離附屬權(quán)利要求及其等同物限定的總的發(fā)明構(gòu)思的精神和范圍的前提下，可以對這些細(xì)節(jié)進(jìn)行改變。
權(quán)利要求
1.一種用于輪胎皮帶的涂膠織物，包括一彈性體材料；和在彈性體材料中的至少一個加強(qiáng)金屬帶，該加強(qiáng)金屬帶由形狀記憶材料制成，定向成與輪胎赤道面成約0°，并具有一不小于約1mm的寬度。
2.如權(quán)利要求1所述的涂膠織物，其特征在于，涂膠織物的厚度不大于約0.4mm。
3.如權(quán)利要求1所述的涂膠織物，其特征在于，寬度為約1至5mm。
4.如權(quán)利要求1所述的涂膠織物，其特征在于，至少一個加強(qiáng)帶具有一不大于約0.1mm的厚度。
5.如權(quán)利要求4所述的涂膠織物，其特征在于，至少一個金屬帶的厚度為約0.02至0.1mm。
6.如權(quán)利要求1所述的涂膠織物，其特征在于，至少一個加強(qiáng)金屬帶包括多個以并排方式設(shè)置的分開的加強(qiáng)金屬帶，帶之間的距離為約0.1至3.5mm。
7.如權(quán)利要求1所述的涂膠織物，其特征在于，至少一個加強(qiáng)金屬帶是螺旋纏繞的連續(xù)金屬帶，金屬帶相鄰匝之間的距離為約0.1至3.5mm。
8.如權(quán)利要求1所述的涂膠織物，其特征在于，至少一個加強(qiáng)金屬帶的厚度為“s”，匝軸向互相移動的距離為“d”，涂膠織物的至少一層厚度為“S”，“s”、“d”和“S”之間的比例關(guān)系用下式確定s＜＝d＜＝S
9.如權(quán)利要求8所述的涂膠織物，其特征在于，距離d為約0.1至3.5mm。
10.如權(quán)利要求8所述的涂膠織物，其特征在于，厚度“s”為約0.02至0.1mm。
11.如權(quán)利要求1所述的涂膠織物，其特征在于，彈性體材料包括天然橡膠，其硬度為約65至85IRHD。
12.如權(quán)利要求1所述的涂膠織物，其特征在于，形狀記憶材料是從下述各項中挑選出的一個NiTi合金，NiTiX合金，其中X從Fe，Cu，或Nb的組合中挑選，CuZnAl合金，CuAlNi合金，CuAlBe合金，F(xiàn)eNiCoTi合金，F(xiàn)eMnSi合金，F(xiàn)eMnSi基合金，F(xiàn)eNiCo基合金。
13.如權(quán)利要求1所述的涂膠織物，其特征在于，為了獲得預(yù)定的記憶長度，至少一個加強(qiáng)金屬帶接受了熱處理。
14.如權(quán)利要求13所述的涂膠織物，其特征在于，在室溫下，在奧氏體狀態(tài)下，至少一個加強(qiáng)金屬帶在受到來自于不變載荷的拉伸應(yīng)力時，呈現(xiàn)出1-8％的延伸率。
15.如權(quán)利要求1所述的涂膠織物，其特征在于，至少一個加強(qiáng)金屬帶通過開始溫度As和結(jié)束溫度Af之間產(chǎn)生收縮力而恢復(fù)到事先記憶的形狀，其中As至少一個加強(qiáng)金屬帶開始從馬氏體狀態(tài)向奧氏體狀態(tài)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，及Af至少一個加強(qiáng)金屬帶完成了從馬氏體狀態(tài)向奧氏體狀態(tài)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。
16.如權(quán)利要求15所述的涂膠織物，其特征在于，As為約40至90℃。
17.如權(quán)利要求15所述的涂膠織物，其特征在于，Af為約60至120℃。
18.如權(quán)利要求15所述的涂膠織物，其特征在于，至少一個加強(qiáng)金屬帶在溫度(As+10℃)時的收縮應(yīng)力為約50至100MPa。
19.如權(quán)利要求15所述的涂膠織物，其特征在于，至少一個加強(qiáng)元件在溫度Af時的最大應(yīng)力為約400至600MPa。
20.如權(quán)利要求1所述的涂膠織物，其特征在于，至少一個加強(qiáng)金屬帶在室溫下具有約50至150MPa的變形應(yīng)力。
21.一種輪胎，包括一胎體；一在胎體上的胎面帶；一位于胎面帶與胎體之間的皮帶，包括至少一層涂膠織物；在至少一層涂膠織物中的至少一個加強(qiáng)金屬帶，由定向成與輪胎赤道面成0°的形狀記憶材料制成，其寬度不大于1mm，具有在與輪胎半徑基本垂直方向上并排設(shè)置的匝。
22.如權(quán)利要求21所述的輪胎，其特征在于，涂膠織物的厚度不大于0.4mm。
23.如權(quán)利要求21所述的輪胎，其特征在于，寬度為約1至5mm。
24.如權(quán)利要求21所述的輪胎，其特征在于，至少一個加強(qiáng)帶具有一不大于約0.1mm的厚度。
25.如權(quán)利要求24所述的輪胎，其特征在于，至少一個金屬帶的厚度為約0.02至0.1mm。
26.如權(quán)利要求21所述的輪胎，其特征在于，至少一個加強(qiáng)金屬帶包括多個以并排方式設(shè)置的分開的加強(qiáng)金屬帶，帶之間的距離為約0.1至3.5mm。
27.如權(quán)利要求21所述的輪胎，其特征在于，至少一個加強(qiáng)金屬帶是螺旋纏繞的連續(xù)金屬帶，金屬帶相鄰匝之間的距離為約0.1至3.5mm。
28.如權(quán)利要求21所述的輪胎，其特征在于，至少一個加強(qiáng)金屬帶的厚度為“s”，匝軸向互相移動的距離為“d”，涂膠織物的至少一層厚度為“S”，“s”、“d”和“S”之間的比例關(guān)系用下式確定s＜＝d＜＝S
29.如權(quán)利要求28所述的輪胎，其特征在于，距離“d”為約0.1至3.5mm。
30.如權(quán)利要求28所述的輪胎，其特征在于，厚度“s”為約0.02至0.1mm。
31.如權(quán)利要求21所述的輪胎，其特征在于，彈性體材料包括天然橡膠，其硬度為約65至85IRHD。
32.如權(quán)利要求21所述的輪胎，其特征在于，形狀記憶材料是從下述各項中挑選出的一個NiTi合金，NiTiX合金，其中X從Fe，Cu，或Nb的組合中挑選，CuZnAl合金，CuAlNi合金，CuAlBe合金，F(xiàn)eNiCoTi合金，F(xiàn)eMnSi合金，F(xiàn)eMnSi基合金，F(xiàn)eNiCo基合金。
33.如權(quán)利要求21所述的輪胎，其特征在于，為了獲得預(yù)定的記憶長度，至少一個加強(qiáng)金屬帶接受了熱處理。
34.如權(quán)利要求21所述的輪胎，其特征在于，在室溫下，在奧氏體狀態(tài)下，至少一個加強(qiáng)金屬帶在受到來自于不變載荷的拉伸應(yīng)力時，呈現(xiàn)出1-8％的延伸率。
35.如權(quán)利要求21所述的輪胎，其特征在于，至少一個加強(qiáng)金屬帶通過開始溫度As和結(jié)束溫度Af之間產(chǎn)生收縮力而恢復(fù)到事先記憶的形狀，其中As至少一個加強(qiáng)金屬帶開始從馬氏體狀態(tài)向奧氏體狀態(tài)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，及Af至少一個加強(qiáng)金屬帶完成了從馬氏體狀態(tài)向奧氏體狀態(tài)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。
36.如權(quán)利要求21所述的輪胎，其特征在于，As為約40至90℃。
37.如權(quán)利要求21所述的輪胎，其特征在于，Af為約60至120℃。
38.如權(quán)利要求21所述的輪胎，其特征在于，至少一個加強(qiáng)金屬帶在溫度(As+10℃)時的收縮應(yīng)力為約50至100MPa。
39.如權(quán)利要求21所述的輪胎，其特征在于，至少一個加強(qiáng)元件在溫度Af時的最大應(yīng)力為約400至600MPa。
40.如權(quán)利要求21所述的輪胎，其特征在于，至少一個加強(qiáng)金屬帶在室溫下具有約50至150MPa的變形應(yīng)力。
全文摘要
一種用于輪胎皮帶的涂膠織物及加入該涂膠織物的輪胎,該涂膠織物中加入由形狀記憶材料制成的連續(xù)加強(qiáng)元件。該涂膠織物形成了輪胎的零度皮帶層?？椢锏幕咎卣髟谟诩尤肓擞糜趯⒓訌?qiáng)元件穩(wěn)定在織物中預(yù)定位置的裝置。對加強(qiáng)元件的穩(wěn)定是通過將加強(qiáng)元件整理成并排金屬帶的形式來實(shí)現(xiàn)的。各金屬帶的最小寬度為約1mm,加入了金屬帶的涂膠織物的厚度最大值為約0.4mm,優(yōu)選為約0.3mm。在其它方面,涂膠織物通過約束下面的皮帶層而改進(jìn)了硫化工藝,減少了“接地點(diǎn)扁平化”的機(jī)會,并產(chǎn)生了輪胎重量變輕的結(jié)構(gòu)。
文檔編號B60C9/22GK1252362SQ9912320
公開日2000年5月10日 申請日期1999年10月28日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月28日
發(fā)明者圭多·里夫, 格德弗·奧耶拉, 毛里齊奧·布奧齊 申請人:倍耐力輪胎公司