Пневматическая шипованная шина

Изобретение относится к автомобильной промышленности. Пневматическая шина содержит протектор (12) с поверхностью (32) качения и множество шипов (20), закрепленных в протекторе и выступающих относительно поверхности качения. Средняя поверхностная плотность шипов (20) на поверхности качения составляет не менее 6,7 шипов на дм². Максимальное сечение S_max шипов (20) множества шипов составляет не более 35 мм². Технический результат - превосходное сцепление со льдом и уменьшенное воздействие на дорожные покрытия без обледенения или снега. 14 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Настоящее изобретение относится к области пневматических шин, содержащих шипы, которые, в частности, предназначены для езды на льду. Обычно их называют шипованными пневматически шинами.

Изобретение, в частности, предназначено для пассажирских автомобилей и коммерческих транспортных средств.

Пневматические шипованные шины имеют неоспоримые преимущества с точки зрения характеристик в условиях зимней езды, такой как езда на покрытых льдом поверхностях. Контакт со льдом и, в частности, проникновение шипа в лед позволяет компенсировать снижение сцепления, наблюдаемое на уровне элементов рисунка протектора пневматической шины. Действительно, шипы царапают лед и обеспечивают создание дополнительного усилия на льду.

Одна из трудностей при использовании таких шипованных шин обусловлена тем, что шины при использовании на дороге без обледенения или снега ухудшают состояние поверхности дороги и приводят к преждевременному износу дорожного покрытия.

По этой причине ряд стран запретил шипованные шины или ограничил их использование определенными типами транспортных средств и/или определенными зимними периодами.

Однако результатом повышения эффективности сцепления со льдом шипованной шины обычно является более высокая абразивность каждого шипа по сравнению с дорожным покрытием для постоянного количества шипов или же увеличение количества шипов при сохранении постоянной абразивности каждого шипа.

Обычно это приводит к усилению неблагоприятного воздействия шипованной шины на дорожные покрытия без обледенения или снега.

Настоящее изобретение направлено на создание пневматической шипованной шины, имеющей превосходное сцепление со льдом и оказывающей уменьшенное воздействие на дорожные покрытия без обледенения или снега.

Изобретение относится к пневматической шине, содержащей протектор, имеющий поверхность качения, и множество шипов, закрепленных в протекторе и выступающих по отношению к поверхности качения.

Общим признаком является средняя поверхностная плотность шипов на поверхности качения, которая составляет не менее 6,7 шипов на квадратный дециметр (дм²). Согласно другому общему признаку максимальное сечение S_max шипов множества шипов составляет не более 35 квадратных миллиметров (мм²).

Термин «пневматическая шина» подразумевает все типы упругих покрышек, находящиеся или не находящиеся под действием внутреннего давления.

Термин «поверхность качения» пневматической шины подразумевает поверхность протектора, которая вступает в контакт с дорожным покрытием, когда шина катится накачанная до ее рабочего давления, без учета шипов.

«Поверхность качения» рассчитывается по ширине и диаметру протектора свободной шины, то есть не установленной на ободе.

Термин «средняя поверхностная плотность» означает здесь отношение общего количества шипов к поверхности качения пневматической шины, выраженной в дм². Другими словами, шипы распределены в протекторе со средней плотностью 6,7 шипов на 1 дм² поверхности качения.

Термин «максимальным сечением» подразумевает максимальное сечение шипа, взятое перпендикулярно оси протяженности шипа. В случае цилиндрического шипа максимальное сечение определяется диаметром указанного шипа.

Испытания, проведенные заявителем, продемонстрировали, что конкретная поверхностная плотность шипов в сочетании с таким максимальным сечением позволяет повысить эффективность сцепления пневматической шипованной шины на обледенелом дорожном покрытии, при этом с ограничением ее абразивного воздействие на сухое дорожное покрытие.

Увеличение средней поверхностной плотности шипов по сравнению с обычными пневматическими шипованными шинами позволяет распределить нагрузку на большее количество шипов в области контакта протектора с дорожным покрытием. Улучшено сцепление пневматической шины на обледенелом дорожном покрытии. Кроме того, ограничен износ шипов.

При этом определенное заявителем максимальное сечение шипов обеспечивает оптимальный баланс между улучшением сцепления пневматической шины на льду и ограничением абразивности шипов на дорожном покрытии.

В предпочтительном варианте осуществления максимальное сечение S_max каждого шипа составляет не более 3,5 мм². В качестве альтернативы можно предусмотреть, что только часть шипов имеет максимальное сечение каждого шипа не более 3,5 мм².

Согласно опциональному признаку, средняя линейная плотность шипов на поверхности качения составляет не менее 115 шипов на метр. Под «средней линейной плотностью» здесь понимается отношение общего количества шипов к окружности поверхности качения пневматической шины, выраженное в метрах. Другими словами, шипы распределены в протекторе со средней плотностью 115 шипов на 1 метр окружности поверхности качения.

Согласно другому опциональному признаку высота H_S выступания шипов множества шипов составляет не более 1,6 миллиметра (мм) и предпочтительно составляет от 0,8 мм до 1,2 мм. Это дополнительно ограничивает абразивность шипов на дорожном покрытии. Высота H_S выступания шипов множества шипов может составлять не более 20% от общей высоты H_C указанного шипа.

Под «высотой выступания» шипа понимается радиальное расстояние между точкой шипа, наиболее радиально удаленной от центра, и участком поверхности качения, окружающей указанный шип, например, до расстояния в 1 сантиметр от оси шипа. «Радиальное» направление - это направление, соответствующее радиусу пневматической шины. Радиальное направление - это направление перпендикулярно оси вращения пневматической шины. Таким образом, точка шипа, наиболее радиально удаленная от центра, является точкой шипа, наиболее удаленной от оси вращения пневматической шины.

Согласно предпочтительному опциональному признаку статическая ударная сила шипов множества шипов находится в диапазоне от 120 до 170 Ньютонов (Н). В предпочтительном варианте статическая ударная сила каждого из шипов находится в диапазоне от 120 до 170 Н. Однако, в качестве альтернативы, можно предусмотреть, что только часть шипов имеет статическую ударную силу в этом диапазоне.

Под «статической ударной силой» шипа понимается вертикальное усилие, приложенное шипом, когда пневматической шина расплющивается на ровном дорожном покрытии под внутренним давлением накачки, равным 2 бар, и под нагрузкой, соответствующей 70% максимальной грузоподъемности шины. Эта максимальная грузоподъемность обычно характеризуется индексом нагрузки, который указывают, по меньшей мере, на одной боковой стороне пневматической шины.

При такой ударной силе еще достигается хороший компромисс между улучшенным сцеплением пневматической шины на льду и ограниченной абразивностью шипов на дорожном покрытии.

Общая высота шипов множества шипов может составлять от 8 мм до 11 мм, предпочтительно равна 10 мм.

Шипы множества шипов в общем случае содержат корпус, закрепленный в протекторе, и надставку для контакта с дорожным покрытием. Корпус и надставка могут быть выполнены из разных материалов. Предпочтительно надставка выполнена из карбида вольфрама, а корпус - из металлического сплава, предпочтительно стали. В качестве альтернативы, корпус и надставка могут быть выполнены из одного материала. Шипы множества шипов содержат головку, закрепленную в протекторе и соединенную с корпусом, причем максимальное сечение S_max соответствует максимальному сечению головки.

Сечение надставки указанного шипа предпочтительно может составлять от 3 мм² до 3,5 мм². Сечение рассматривается перпендикулярно оси протяженности шипа. Это дополнительно ограничивает абразивность шипов на дорожном покрытии.

Масса шипов множества шипов может составлять от 0,7 г. до 1,2 г.

Предпочтительно поверхностная доля канавок протектора в новом состоянии указанной шины составляет от 30% до 50%.

Под «поверхностной долей канавок» протектора подразумевается отношение между, с одной стороны, разницей между общей площадью поверхности протектора и площадью участков элементов рисунка протектора, контактирующих с дорожным покрытием во время движения, и, с другой стороны, общей площадью поверхности протектора.

В качестве альтернативы или дополнительно, объемная доля канавок протектора в новом состоянии пневматической шины составляет от 25% до 50%. Под «объемной долей канавок» понимается отношение объема углублений протектора, образованных канавками и вырезами, к общему объему протектора.

В одном варианте осуществления изобретения высота рисунка протектора может составлять от 6 мм до 12 мм.

В одном варианте протектор содержит первую часть, ограничивающую поверхность качения, и, по меньшей мере, одну вторую часть, которая расположена радиально внутри по отношению к первой части и в которой закреплена головка каждого шипа; первая часть выполнена из первой резиновой смеси; вторая часть выполнена из второй резиновой смеси, отличной от первой резиновой смеси. Это позволяет получить первую резиновую смесь с хорошими параметрами по устойчивости к износу и сцеплению. Вторая же резиновая смесь может быть выбрана так, чтобы способствовать достижению хорошей механической прочности шипов в протекторе.

Согласно опциональному признаку комплексный модуль динамического сдвига G*(-10°C) первой резиновой смеси составляет от 1 до 2 МПа. Комплексный модуль динамического сдвига второй резиновой смеси может, в свою очередь, изменяться в зависимости от температуры, так что G*(5°C) больше или равен 5 Мпа и G*(20°C) меньше или равен 0,5×G*(5°C).

«Комплексный модуль» G* определяется следующим соотношением:

где G' - это модуль упругости и G'' - это модуль вязкости.

Термины «модуль упругости» и «модуль вязкости» относятся к динамическим характеристика, которые хорошо известны специалистам. Эти характеристики измеряют посредством вискозиметра типа Metravib VA4000 на образцах, отлитых из сырьевых смесей. Используют образцы, подобные описанным в стандарте ASTM D 5992-96 (версия, опубликованная в сентябре 2006 г., первоначально утвержденная в 1996 г. ) на рисунке Х2.1 (круглое исполнение). Диаметр «d» образца составляет 10 мм (следовательно, он имеет круглое сечение 78,5 мм²), толщина "L" каждого из участков резиновой смеси составляет 2 мм, что дает отношение «d/L», равное 5 (в отличие от ISO 2856, приведенного в ASTM, параграф Х2.4, где рекомендована величина d/L, равная 2).

Регистрируется отклик образца вулканизированной резиновой смеси, подвергнутой синусоидальному напряжению при переменном простом сдвиге с частотой 10 Гц. Образец подвергают воздействию синусоидального сдвига при 10 Гц с приложенным сжатием (0,7 МПа), симметрично вокруг его положения равновесия. Размещение образца выполняется перед измерением. Затем образец подвергают воздействию синусоидального сдвига при 10 Гц при 100% -ной пиковой деформации при комнатной температуре.

Измерение осуществляется при линейном изменении температуры на 1,5°С в минуту, от температуры T_min, меньшей чем температура T_g стеклования материала, до температуры T_max, которая может соответствовать плато эластичности материала. Перед началом выметания образец стабилизируют при температуре T_min в течение 20 минут, так чтобы обеспечить однородную температуру внутри образца. В результате получают модуль упругости динамического сдвига G' и модуль вязкости сдвига G'' при выбранных температурах (в данном случае -10°, 5° и 20°С). Температура T_g стеклования первой резиновой смеси может составлять от -50°С до -30°С.

В приведенном выше описании границы диапазонов значений включают в себя, в частности, характеристики «между одним и другим» и «от и до».

Для лучшего понимания изобретения далее приведено подробное раскрытие варианта его осуществления, который описан в качестве неограничивающего примера и проиллюстрирован приложенными чертежами, на которых:

- фиг. 1 представляет собой схематическую аксонометрическую проекцию пневматической шипованной шины согласно варианту осуществления изобретения,

- фиг. 2 представляет собой вид спереди шипа пневматической шины с фиг. 1, и

- фиг. 3 представляет собой частичный схематический вид в разрезе шины с фиг. 1.

На фиг. 1 схематично показана пневматическая шина 10, содержащая протектор 12, имеющий поверхность качения (не имеет цифрового обозначения) для контакта с дорожным покрытием во время движения. Протектор 12 содержит множество поперечных канавок 14 и кольцевых канавок 16, которые ограничивают множество брусков или блоков 18 резины. Каждый блок 18 содержит контактную поверхность, формирующую часть поверхности качения протектора 12.

Шина 10 также содержит множество шипов 20, закрепленных в протекторе 12 шины и расположенных по всей ширине поверхности качения в резиновых блоках 18. Расположение шипов 20 на протекторе 12 с фиг. 1 является исключительно иллюстративным и неограничивающим. Например, на одном резиновом блоке 18 может быть предусмотрено несколько шипов 20. Протектор 12 шины показан с центральным ребром 22 без шипов. В качестве альтернативы ребро 22 может содержать шипы.

Шипы 20 находятся в нескольких положениях по периферии протектора 12, так что часть шипов 20 все время контактирует с дорожным покрытием, по которому катится пневматическая шина 10. Как подробно описано далее, общее количество шипов 20, выступающих относительно поверхности качения пневматической шипованной шины, и максимальное сечение каждого шипа подобраны таким образом, что пневматическая шипованная шина имеет превосходное сцепление со льдом и оказывает меньшее воздействие на дорожное покрытие безо льда или снега

Как показано на фиг. 2, каждый шип 20, по продольной оси Х-Х', содержит головку 24 для закрепления в протекторе 12 шины, надставку 26 для вхождения в контакт с дорожным покрытием (лед, снег или голое покрытие), когда пневматическая шина катится, и корпус 28, соединяющий надставку и головку. В проиллюстрированном примере осуществления шип 20 имеет цилиндрическую форму. В альтернативе шип 20 может иметь любую другую форму, например, многоугольную. В проиллюстрированном примере надставка 26 центрирована по оси Х-Х'. В альтернативе надставка 26 может быть не центрированной относительно этой оси.

Надставка 26 шипа в предпочтительном варианте может быть изготовлена с использованием материала, отличного от остального шипа 20. Это позволяет использовать для этой части материал тверже, чем материал головки 24 и корпуса 28, поскольку надставка 26 подвергается очень высоким механическим нагрузкам. Кроме того, для определенных групп продуктов это позволяет изготовить корпус 28 и головку 24 из формованного или инжектированного материала, на котором фиксируется надставка 21. Корпус 28 может быть изготовлен из металлического материала, например, стали. В альтернативе корпус может быть изготовлен из пластика. Надставку 26 можно выполнить из карбида вольфрама. В альтернативе шип 20 можно изготовить из одного материала.

Максимальное S_max сечение шипа 20 составляет не более, чем 35 мм², причем указанное сечение соответствует наибольшему сечению шипа 20 в любой плоскости, перпендикулярной оси Х-Х' шипа, независимо от геометрической формы этого сечения (круглая, многоугольная и т.д.). В проиллюстрированном примере осуществления максимальное сечение S_max шипа соответствует максимальному сечению головки 24 шипа.

Максимальное сечение надставки 26 шипа составляет от 3 мм² до 3,5 мм² и предпочтительно равно 3,14 мм². Указанное максимальное сечение соответствует наибольшему сечению надставки 26 в любой плоскости, перпендикулярной оси Х-Х', независимо от геометрической формы сечения (круглой, многоугольной и т.д.). Общая высота H_C шипа 20 составляет от 8 мм до 11 мм и предпочтительно равна 10 мм. Общая высота H_C определяется суммарной высотой головки 24, корпуса 28 и надставки 26. Масса шипа может составлять от 0,7 г до 1,2 г и предпочтительно равна 1,15 г.

На фиг. 3 схематично показана часть протектора 12 шины, в которой предусмотрена полость 30, внутри которой установлен шип 20. Полость 30 выходит на поверхность 32 качения протектора 12. Известным образом в своем свободном состоянии, т.е. до вставления шипа 20, полость 30 может иметь цилиндрическую форму с размерами, меньше размеров шипа, так что после вставленный шип 20 полностью охвачен протектором и закреплен в нем за счет сил упругости.

Шип 20 расположен в протекторе 12 так, что его ось Х-Х' по существу параллельна радиальному направлению. Шип 20 выступает наружу относительно поверхности 32 качения протектора 12, когда не контактирует с дорожным покрытием, как показано на фиг. З. Высота H_S выступания шипа 20 составляет не более 1,6 мм. Предпочтительно высота H_S выступания шипа 20 составляет от 0,8 до 1,2 мм и предпочтительно равна 0,9 мм. Высота H_S выступания шипа 20 составляет не более 20% от общей высоты Не указанного шипа. В проиллюстрированном примере верхний конец корпуса 28 и надставка 26 шипа выступают по отношению к поверхности 32 качения. В предпочтительном варианте относительно протектора 12 может выступать только надставка шипа. Высота H_A крепления шипа 20 внутри протектора 12 составляет не более 9,4 мм.

Заявителем было установлено, что при средней поверхностной плотности шипов 20 на поверхности качения пневматической шины 10 не менее 6,7 шипов на дм, в сочетании с максимальным сечением шипов 20 не более 35 мм², достигается существенное усовершенствование с точки зрения компромисса между сцеплением на льду и негативным действием шипов 20 в отношении износа дорожного покрытия и шума внутри транспортного средства.

Увеличение количества шипов 20 на протекторе 12 по сравнению с традиционными пневматическими шипованными шинами позволяет повысить эффективность пневматической шины 10 на обледенелом дорожном покрытии, в то время как ограничение максимального сечения S_max каждого шипа позволяет избежать чрезмерного ухудшения состояния поверхности дорожного покрытия, когда оно не покрыто льдом или снегом. Именно указанная комбинация средней поверхностной плотности шипов 20 и максимального сечения шипов обеспечивает необходимый компромисс между улучшением сцепления пневматической шипованной шины 10 на льду и ограничением абразивности шипов 20 на дорожном покрытии.

Предпочтительная статическая ударная сила каждого шипа 20 находится в диапазоне от 120 Н до 170 Н. Это также способствует достижению необходимого компромисса между улучшением сцепления на льду и ограничением негативного воздействия шипов 20 с точки зрения износа дорожного покрытия и шума внутри транспортного средства.

Предпочтительная средняя линейная плотность шипов 20 на поверхности качения пневматической шины 10 составляет, по меньшей мере, 115 шипов на метр. Для примера, в пневматической шине размером 205/55 R16 средняя поверхностная плотность шипов 20 может быть равна 6,7 шипам на дм, статическая ударная сила каждого шипа 20 может быть равна 152 Н и средняя линейная плотность шипов 20 может быть равна 115 шипам на метр.

В проиллюстрированном примере протектор 12 содержит первую часть 34, ограничивающую поверхность 32 качения, и вторую часть 36, которая расположена радиально внутри по отношению к первой части 201. Первая часть 34 протектора 12 выполнена из первой резиновой смеси, а вторая часть 36 - из второй резиновой смеси, отличной от первой резиновой смеси. Корпус 28 шипа, по меньшей мере, частично находится в контакте с первой частью 34, при этом головка 24 полностью закреплена во второй части 36 протектора 20. Вторая часть 36 полностью охватывает головку 24 шипа.

Выполнение протектора 12 по меньшей мере с первой и второй частями 34, 36 является особо предпочтительным ввиду того, что позволяет получить первую резиновую смесь, обеспечивающую хорошие свойства сопротивления износу и сцепления на льду, и вторую резиновую смесь, обеспечивающую механическое закрепление шипов 20.

В качестве альтернативы или дополнительно вторая резиновая смесь второй части может быть выбрана так, чтобы получить пневматическую шину 10, механические характеристики которой меняются в зависимости от температуры дорожного покрытия, по которому она катится. Если выбрать вторую резиновую смесь такой, что она является жесткой при низкой температуре и более мягкой при высокой температуре, шип 20 будет стремиться к тому, чтобы остаться выступающим из протектора 12 при холодном дорожном покрытии (подо льдом или снегом) и сгибаться, деформируя вторую резиновую смесь, которая его окружает при более теплом дорожном покрытии (безо льда или снега). Данный эффект оптимизируется, когда комплексный модуль динамического сдвига G*(-10°С) первой резиновой смеси составляет от 1 МПа до 2 МПа, и комплексный модуль динамического сдвига второй резиновой смеси меняется в зависимости от температуры, так что G*(5°C) больше или равен 5 МПа, a G*(20°C) меньше или равен 0,5×G*(5°C). Температура T_g стеклования первой резиновой смеси может составлять от -50°С до -30°С.

Изобретение проиллюстрировано на примере пневматической шины, оснащенной шипами определенной геометрической формы. Использование шипов другой геометрической формы не выходит за рамки объема правовой охраны настоящего изобретения.

1. Пневматическая шина, содержащая протектор (12) с поверхностью (32) качения и множество шипов (20), закрепленных в протекторе и выступающих относительно поверхности качения, отличающаяся тем, что средняя поверхностная плотность шипов (20) на поверхности качения составляет не менее 6,7 шипов на дм², и тем, что максимальное сечение S_max шипов (20) множества шипов составляет не более 35 мм².

2. Пневматическая шина по п. 1, причем средняя линейная плотность шипов (20) на поверхности качения составляет не менее 115 шипов на метр.

3. Пневматическая шина по п. 1 или 2, причем высота H_S выступания шипов (20) множества шипов составляет не более 1,6 мм, предпочтительно от 0,8 до 1,2 мм.

4. Пневматическая шина по любому из пп. 1-3, причем высота H_S выступания шипов (20) множества шипов составляет не более 20% от общей высоты H_C указанного шипа.

5. Пневматическая шина по любому из пп. 1-4, причем общая высота H_C шипов (20) множества шипов составляет от 8 до 11 мм, предпочтительно равна 10 мм.

6. Пневматическая шина по любому из пп. 1-5, причем статическая ударная сила шипов множества шипов находится в диапазоне от 120 до 170 Н.

7. Пневматическая шина по любому из пп. 1-6, причем шипы множества шипов содержат корпус (28), закрепленный в протекторе, и надставку (26), предназначенную для вхождения в контакт с дорожным покрытием.

8. Пневматическая шина по п. 7, причем шипы множества шипов дополнительно содержат головку (24), закрепленную в протекторе и соединенную с корпусом, при этом указанное максимальное сечение S_max соответствует максимальному сечению указанной головки.

9. Пневматическая шина по п. 7 или 8, причем максимальное сечение надставки указанного шипа составляет от 3 до 3,5 мм².

10. Пневматическая шина по любому из пп. 1-9, причем поверхностная доля канавок протектора в новом состоянии указанной шины составляет от 30 до 50%.

11. Пневматическая шина по любому из пп. 1-10, причем объемная доля канавок протектора в новом состоянии указанной шины составляет от 25 до 50%.

12. Пневматическая шина по любому из пп. 1-11, причем протектор содержит первую часть (34), ограничивающую поверхность (32) качения, и по меньшей мере одну вторую часть (36), которая расположена радиально внутри по отношению к первой части и в которой закреплена головка (24) каждого шипа, при этом первая часть выполнена из первой резиновой смеси, а вторая часть выполнена из второй резиновой смеси, отличной от первой резиновой смеси.

13. Пневматическая шина по п. 12, причем комплексный модуль динамического сдвига G*(-10°C) первой резиновой смеси составляет от 1 до 2 МПа.

14. Пневматическая шина по п. 12 или 13, причем комплексный модуль динамического сдвига указанной второй резиновой смеси изменяется в зависимости от температуры, так что G*(5°C) больше или равен 5 МПа и G*(20°C) меньше или равен 0,5×G*(5°C).

15. Пневматическая шина по любому из пп. 12-14, причем температура (Tg) стеклования первой резиновой смеси составляет от -50 до -30°С.