ШИНА С УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫМИ БОРТАМИ

ОПИСАНИЕ

Область техники

Настоящее изобретение относится к шинам для пассажирских транспортных средств и, в частности, к бортам этих шин.

Уровень техники

Шины для пассажирских транспортных средств обычно содержат:

два борта, выполненные с возможностью нахождения в контакте с ободом колеса, причем каждый борт содержит, по меньшей мере, одну кольцевую усиливающую структуру и наполнитель борта, причем наполнитель борта расположен радиально снаружи кольцевой усиливающей структуры;

две боковины, продолжающие борта радиально наружу, причем две боковины соединяются в

короне, содержащей усиление короны, увенчанное протектором;

по меньшей мере, одно усиление каркаса, продолжающееся от бортов через боковины до короны, и содержащее множество усиливающих элементов каркаса. Усиление каркаса очень часто закрепляют в двух бортах посредством заворота вокруг кольцевой усиливающей структуры с возможностью образования в каждом борте «входящего участка» и «завернутого участка». Наполнитель борта расположен, по меньшей мере, частично между входящим участком и завернутым участком усиления каркаса.

В патенте США №5526863 раскрыто создание специального борта с целью уменьшения массы борта и улучшения сопротивления качению такой шины. Шина, раскрытая в данном документе, содержит наполнитель борта, содержащий:

первую часть, имеющую клиновидное радиальное сечение, причем первая часть постепенно становится более тонкой радиально по направлению к наружной стороне перед превращением во

вторую часть с радиальным сечением, которое имеет приблизительно постоянную ширину, причем вторая часть расположена радиально снаружи первой части и превращается в

третью часть с радиальным сечением, которое сходит на конус, причем третья часть расположена радиально снаружи второй части.

Наполнитель борта продолжается радиально снаружи радиально самой внутренней точки кольцевой усиливающей структуры борта до радиального расстояния от упомянутой точки, которое больше или равно 30% радиальной высоты Н шины.

Каждый борт также содержит внешнюю ленту, расположенную аксиально снаружи как усиления каркаса, так и наполнителя борта. Данная внешняя лента продолжается радиально наружу от радиально внутреннего конца, расположенного на расстоянии, которое меньше или равно 20% радиальной высоты Н шины от радиально самой внутренней точки кольцевой усиливающей структуры борта, до радиально внешнего конца, причем радиальное расстояние от радиально внешнего конца внешней ленты до радиально внутреннего конца внешней ленты больше или равно 40% радиальной высоты Н шины.

Со времени появления данного патента, рост цен на нефть и пробуждение экологической сознательности потребителей дополнительно увеличили потребность уменьшить сопротивление качению шин, поскольку последнее имеет непосредственное влияние на расход топлива. Таким образом, уменьшение сопротивления качения, полученное при использовании шины в соответствии с патентом США №5526863, уже недостаточно.

Краткое описание изобретения

Одной из целей настоящего изобретения является создание шины для пассажирского транспортного средства, имеющей очень низкое сопротивление качению.

Данная цель достигается посредством создания шины, содержащей:

два борта, выполненные с возможностью нахождения в контакте с ободом колеса, причем каждый борт содержит, по меньшей мере, одну кольцевую усиливающую структуру;

две боковины, продолжающие борта радиально наружу, причем две боковины соединяются в

короне, содержащей усиление короны, увенчанное протектором;

по меньшей мере, одно усиление каркаса, продолжающееся от бортов через боковины до короны, причем усиление каркаса содержит множество усиливающих элементов каркаса и закреплено в двух бортах посредством заворота вокруг кольцевой усиливающей структуры с возможностью образования в каждом борте входящего участка и завернутого участка, причем завернутый участок продолжается радиально наружу, до конца, расположенного на радиальном расстоянии DRR от радиально самой внутренней точки кольцевой усиливающей структуры борта, причем радиальное расстояние DRR больше или равно 15% радиальной высоты Н шины.

Каждый борт содержит наполнитель борта, причем наполнитель борта расположен снаружи кольцевой усиливающей структуры и, по меньшей мере, частично между входящим участком и завернутым участком усиления каркаса. Наполнитель борта проходит радиально снаружи радиально самой внутренней точки кольцевой усиливающей структуры борта до радиального расстояния DRB от упомянутой точки, причем радиальное расстояние DRB больше или равно 20% радиальной высоты Н шины.

Каждый борт также содержит внешнюю ленту, расположенную аксиально снаружи как усиления каркаса, так и наполнителя борта, причем каждая внешняя лента продолжается радиально наружу, от радиально внутреннего конца, расположенного на расстоянии DRI от радиально самой внутренней точки кольцевой усиливающей структуры борта, причем DRI меньше или равно 20% радиальной высоты Н шины, до радиально внешнего конца, расположенного радиально снаружи радиально самой внутренней точки кольцевой усиливающей структуры борта, при этом радиальное расстояние DRL от радиально внешнего конца внешней ленты до радиально внутреннего конца внешней ленты больше или равно 25% (и, предпочтительно, больше или равно 30%) радиальной высоты Н шины.

Узел, образованный посредством наполнителя борта и внешней ленты, имеет, в любом радиальном сечении, толщину E(r), причем данная толщина соответствует длине линии пересечения направления, перпендикулярного входящему участку усиления каркаса, с упомянутым узлом, причем r представляет собой расстояние от линии пересечения упомянутого направления, перпендикулярного входящему участку усиления каркаса, с усилением каркаса до радиально самой внутренней точки кольцевой усиливающей структуры. Толщина E(r) изменяется в зависимости от расстояния r так, что в пределах расстояний r, больших или равных 15% и меньших или равных 50% радиальной высоты Н шины (или в качестве альтернативы в пределах расстояний r, больших или равных 20 мм и меньших или равных 50 мм), изменение толщины dE(r)/dr меньше или равно -0,25 мм/мм (и, предпочтительно, меньше или равно -0,3 мм/мм) на протяжении, по меньшей мере, 5 мм.

В предпочтительном варианте осуществления, аспектное отношение Emax/DRL, где Emax - максимальная ширина внешней ленты, измеренная под прямыми углами относительно входящего участка усиления каркаса, а DRL - радиальная высота внешней ленты, больше или равно 10%.

В одном конкретном варианте осуществления, наполнитель борта содержит:

первую часть, имеющую клиновидное радиально сечение, причем первая часть постепенно становится более тонкой радиально по направлению к наружной стороне перед превращением во

вторую часть с радиальным сечением, которое имеет приблизительно постоянную ширину, причем вторая часть расположена радиально снаружи первой части и превращается в

третью часть с радиальным сечением, которое сходит на конус, причем третья часть расположена радиально снаружи второй части.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - шина в соответствии с известным уровнем техники;

Фиг.2 - вид в перспективе с местным разрезом шины в соответствии с известным уровнем техники;

Фиг.3 - радиальный разрез четвертой части шины в соответствии с известным уровнем техники;

Фиг.4 - иллюстрация определения высоты Н шины;

Фиг.5 - деталь фиг.3;

Фиг.6-8 - радиальные разрезы участка шины в соответствии с изобретением;

Фиг.9 и 10 - иллюстрации определения толщины узла, образованного посредством наполнителя борта и внешней ленты;

Фиг.11 и 12 - изменение толщины узла, образованного посредством наполнителя борта и внешней ленты, в зависимости от расстояния, и ее разброс; и

Фиг.13 - результаты, полученные при испытаниях шин в соответствии с изобретением.

Подробное описание изобретения

При использовании термина «радиальный» важно отметить различие между некоторыми разными применениями данного слова специалистами в данной области техники. Прежде всего, данный термин относится к радиусу шины. Говорят, что точка Р1 находится «радиально внутри» точки Р2, если она расположена ближе, чем точка Р2, к оси вращения шины. И наоборот, говорят, что точка Р3 находится «радиально снаружи» точки Р4, если она расположена дальше, чем точка Р4, от оси вращения шины. Данное значение термина относится также и к рассмотрению радиальных расстояний. «Радиально внутрь» означает в направлении меньших радиусов; «радиально наружу» означает в направлении больших радиусов.

Вместе с тем, говорят, что нить или усиление является «радиальным», если нить или усиливающие элементы усиления образуют с окружным направлением угол, больший или равный 80° и меньший или равный 90°. Необходимо отметить, что в данном документе термин «нить» следует понимать в его самом общем смысле, который включает нити в виде моноволокон, совокупности из множества нитей, шнура, скрученной нити или эквивалентного узла, независимо от материала нити или нанесенного на нее покрытия для усиления ее сцепления с резиной.

Наконец, «радиальное сечение» в данном документе означает сечение, выполненное в плоскости, содержащей ось вращения шины.

«Аксиальное» направление представляет собой направление, параллельное оси вращения шины. Говорят, что точка Р5 находится «аксиально внутри» точки Р6, если она расположена ближе, чем точка Р6, к средней плоскости шины. И наоборот, говорят, что точка Р7 находится «аксиально снаружи» точки Р8, если она расположена дальше, чем точка Р8, от средней плоскости шины. «Средняя плоскость» шины - это такая плоскость, которая перпендикулярна оси вращения шины и равноудалена от кольцевых усиливающих структур каждого борта.

«Окружное» направление представляет собой направление, которое перпендикулярно как радиусу шины, так и аксиальному направлению.

«Хомутное усиление» или «хомутный слой», также известный как «фиксирующий слой», представляет собой слой, содержащий расположенные в окружном направлении усиливающие нити (подобно обручам), которые препятствуют расширению усиления короны, когда шина катится с высокой скоростью.

Для целей настоящего документа выражение «резиновая смесь» означает резиновую композицию, содержащую, по меньшей мере, один эластомер и, по меньшей мере, один наполнитель.

Фиг.1 представляет собой чертеж шины 10 в соответствии с известным уровнем техники. Шина 10 содержит корону, включающую в себя усиление короны (не видимое на фиг.1), увенчанное протектором 40; две боковины 30, продолжающиеся из короны радиально внутрь; и два борта 20, расположенные радиально внутри боковин 30.

На фиг.2 схематично показан вид в перспективе с местным разрезом шины 10 в соответствии с известным уровнем техники, на котором показаны различные элементы шины. Шина 10 содержит усиление 60 каркаса, состоящее из нитей 61, заключенных в резиновую смесь, и два борта 20, каждый содержащий кольцевые усиливающие структуры 70, которые удерживают шину 10 на ободе колеса (не показанном). Усиление 60 каркаса закреплено в каждом из бортов 20. Шина 10 также содержит усиление короны, содержащее два слоя 80 и 90. Каждый слой 80, 90 усилен нитевидными усиливающими элементами 81 и 91, которые являются параллельными в каждом слое и перекрещивающимися от одного слоя к другому, образующими с окружным направлением углы в пределах от 10° до 70°. Шина также содержит хомутное усиление 100, которое расположено радиально снаружи усиления каркаса. Данное хомутное усиление состоит из усиливающих элементов 101, ориентированных в окружном направлении и смотанных в спираль. На хомутном усилении расположен протектор 40, который обеспечивает контакт шины 10 с дорогой. Показанная шина 10 представляет собой «бескамерную» шину: она содержит внутреннюю оболочку 50, выполненную из резиновой композиции, непроницаемую для газов накачки и покрывающую внутреннюю поверхность шины.

На фиг.3 показана схематично, в радиальном сечении, четвертая часть шины 10 в соответствии с известным уровнем техники. Шина 10 содержит два борта 20, выполненные с возможностью нахождения в контакте с ободом колеса (не показанным), причем каждый борт 20 содержит, по меньшей мере, одну кольцевую усиливающую структуру, в данном случае бортовую проволоку 70. Две боковины 30 продолжают борта 20 радиально наружу и соединяются в короне 25, содержащей усиление короны, состоящее из первого слоя усилений 80 и второго слоя усилений 90, с протектором 40, увенчивающим их радиально. Каждый слой усилений содержит нитевидные усиления, заключенные в матрицу из резиновой смеси. Усиления в каждом слое усилений приблизительно параллельны друг другу, причем усиления двух слоев перекрещиваются от одного слоя к другому под углом приблизительно 20°, как известно специалистам в области техники так называемых радиальных шин.

Шина 10 также содержит усиление 60 каркаса, которое продолжается от бортов 20 вдоль боковин 30 до короны 25. Данное усиление 60 каркаса содержит нитевидные усиления, ориентированные приблизительно радиально, то есть они образуют с окружным направлением угол, больший или равный 80° и меньший или равный 90°.

Усиление 60 каркаса содержит множество усиливающих элементов каркаса, закрепленных в двух бортах 20 посредством заворота вокруг бортовой проволоки 70 с возможностью образования, в каждом борту входящего участка 61 и завернутого участка 62. Считается, что граница между входящим участком 61 и завернутым участком 62 расположена на линии пересечении усиления 60 каркаса с плоскостью, перпендикулярной оси вращения шины и содержащей радиально самую внутреннюю точку усиления 60 каркаса в борту. Завернутый участок продолжается радиально наружу до конца 63, который расположен на радиальном расстоянии DRR от радиально самой внутренней точки 71 кольцевой усиливающей структуры борта, причем радиальное расстояние DRR больше или равно 15% радиальной высоты Н шины.

«Радиальная высота» Н шины определяется как радиальное расстояние от радиально самой внутренней точки 71 кольцевой усиливающей структуры 70 борта 20 до радиально самой внешней точки 41 (фиг.4) протектора 40, когда шина 10 установлена на ободе 5 колеса (как показано на фиг.4) и накачана до своего рабочего давления.

Каждый борт содержит наполнитель 110 борта, причем наполнитель борта расположен радиально снаружи бортовой проволоки 70, причем значительная часть его расположена между входящим участком 61 и завернутым участком 62 усиления 60 каркаса.

На фиг.5 показан наполнитель борта шины, показанной на фиг.3. Наполнитель борта содержит первую часть 111, имеющую клиновидное радиальное сечение. Данная первая часть 111 постепенно становится более тонкой радиально по направлению к наружной стороне перед превращением во вторую часть 112, где ее радиальное сечение имеет приблизительно постоянную аксиальную ширину LA, в том смысле, что она изменяется менее чем на 5% вдоль длины второй части 112. Вторая часть расположена радиально снаружи первой части 111 и превращается в третью часть 113 с радиальным сечением, которое сходит на конус, причем данная третья часть расположена радиально снаружи второй части 112.

Наполнитель 110 борта продолжается радиально снаружи радиально самой внутренней точки 71 кольцевой усиливающей структуры борта до радиального расстояния DRB от упомянутой радиально самой внутренней точки, причем радиальное расстояние DRB больше или равно 20% радиальной высоты Н шины. В данном случае наполнитель 110 борта продолжается непрерывно до экватора шины. Применительно к данному документу, «экватор» шины представляет собой радиальную высоту точки максимального аксиального удлинения усиления каркаса. В радиальном сечении шины, экватор выглядит как прямая осевая линия, проходящая через точки, где усиление каркаса имеет максимальную аксиальную ширину, когда шина установлена на ободе колеса и накачана. Принято, когда усиление каркаса достигает данной максимальной аксиальной ширины в нескольких точках, то радиальная высота точки, ближайшей к средней высоте Н/2 шины, представляет собой экватор шины. Экватор, определенный таким образом, не следует путать со средней плоскостью 130 шины, которую иногда также называют «экватором» в документах известного уровня техники. DRB, предпочтительно, выбирают так, чтобы наполнитель борта не продолжался радиально снаружи экватора шины.

Внутренняя поверхность шины 10 покрыта внутренней оболочкой 50.

Известна также практика использования внешней ленты 120, расположенной аксиально снаружи как усиления каркаса, так и наполнителя борта, как в шине, показанной на фиг.6. Каждая внешняя лента продолжается радиально наружу, от радиально внутреннего конца 121, расположенного на радиальном расстоянии DRI от радиально самой внутренней точки 71 кольцевой усиливающей структуры 70 борта, причем DRI меньше или равно 20% радиальной высоты Н шины, до радиально внешнего конца 122, причем радиальное расстояние DRL между радиально внешним концом 122 внешней ленты и радиально внутренним концом 121 внешней ленты больше или равно 25% (и, предпочтительно, больше или равно 30%) радиальной высоты Н шины.

Целью настоящего изобретения является создание шины для пассажирского транспортного средства, имеющей меньшее сопротивление качению по сравнению с шинами известного уровня техники, такими как шина, показанная на фиг.3.

Данная цель достигается посредством шины, содержащей внешнюю ленту 120, которая является «более короткой», то есть более короткой и более широкой, такой как шины, показанные на фиг.7 и 8. Преимущество использования такой внешней ленты заключается в том, что она уменьшает сопротивление качению шины.

Данные варианты осуществления могут быть оценены несколькими разными способами. Один способ заключается в рассмотрении толщины E(r), в любом радиальном сечении, узла, образованного посредством наполнителя борта и внешней ленты.

На фиг.9 и 10 показано, как измеряется толщина E(r), причем фиг.10 представляет собой увеличенный вид участка, заключенного в прямоугольнике, обозначенном ссылочной позицией 200 на фиг.9. Рассмотрим границу раздела между входящим участком 61 усиления 60 каркаса и наполнителем 110 борта. Каждая точка на данной границе раздела находится на расстоянии r от радиально самой внутренней точки 71 кольцевой усиливающей структуры 70. Если имеется несколько радиально самых внутренних точек на кольцевой усиливающей структуре, то любая из данных точек может быть выбрана в качестве контрольной точки. Для заданного расстояния r₀, соответствующая точка 65 на границе раздела определяется посредством проведения окружности 140 радиусом r₀ вокруг радиально самой внутренней точки 71 кольцевой усиливающей структуры 70, как показано на фиг.9. Затем проводят направление 150, перпендикулярное входящему участку 61 усиления 60 каркаса, которое проходит через точку 65 границы раздела. Толщина E(r₀) узла, образованного посредством наполнителя борта и внешней ленты, соответствует длине линии пересечения направления 150 с упомянутым узлом. Толщиной завернутого участка 62 пренебрегают, если направление 150 имеет пересечение с ним.

На фиг.11 показано, как изменяется толщина Е в зависимости от расстояния r для четырех геометрий шин. Геометрия «А» (пунктирная линия; условный знак: ромб) соответствует шине известного уровня техники, такой как шина, показанная на фиг.3. Геометрии «В» (пунктирная линия; условный знак: квадрат), «С» (сплошная линия; условный знак: треугольник) и «D» (сплошная линия; условный знак: кружок) соответствуют шинам, показанным на фиг.6-8 соответственно. Отмечается, что в пределах изменения радиусов от 20 до 50 мм существует участок, в котором изменение толщины является более значительным для вариантов «С» и «D». (В рассматриваемом примере Н равно 112 мм, что означает, что диапазон изменения расстояний r от 20 до 50 мм соответствует величинам, находящимся в пределах от 17,9% радиальной высоты Н до 44,6% радиальной высоты Н).

Данное наблюдение может быть представлено в количественной форме, если мы рассмотрим изменение V (которое представляет собой просто функцию dE(r)/dr) в зависимости от радиуса r, как показано на фиг.12. Для вариантов «С» и «D», толщина E(r) изменяется в зависимости от r так, что в пределах расстояний r от 20 до 50 мм (указанных ссылочной позицией F) изменение толщины dE(r)/dr) меньше или равно -0,25 мм/мм на протяжении, по меньшей мере, 5 мм. Для варианта «С» изменение V достигает наивысшей точки при примерно -0,4 мм/мм; это меньше или равно -0,25 мм/мм на протяжении примерно 12 мм, и меньше или равно -0,3 мм/мм на протяжении примерно 8 мм. Аналогичным образом, для варианта «D» изменение V достигает наивысшей точки при примерно -0,4 мм/мм; это меньше или равно -0,25 мм/мм на протяжении 16 мм, и меньше или равно -0,3 мм/мм на протяжении примерно 12 мм.

Вторым способом оценки предпочтительных вариантов осуществления является рассмотрение аспектного отношения Emax/DRL. Emax - максимальная ширина узла, образованного посредством наполнителя борта и внешней ленты, измеренная под прямыми углами относительно входящего участка усиления каркаса, а DRL - радиальная высота внешней ленты. Сопротивление качению значительно уменьшается, если аспектное отношение Emax/DRL больше или равно 10%.

Величины Emax и DRL указаны для шин, показанных на фиг.7 и 8. Шина, показанная на фиг.7 (другими словами вариант «С»), имеет аспектное отношение Emax/DRL, равное 13%, а шина, показанная на фиг.8 (вариант «D»), имеет аспектное отношение Emax/DRL, равное 15%. Для сравнения, вариант «В» (фиг.6) имеет аспектное отношение, равное 7%.

На фиг.13 показано сопротивление качению RR (в кг/т) четырех вариантов в зависимости от жесткости D шины при движении на повороте, при нагрузке 483 дН. В таблице 1 приведены геометрии протестированных вариантов.

Вариант «В» принимаем в качестве контрольного варианта. Как можно видеть посредством сравнения его с вариантом «А», добавление внешней ленты увеличивает жесткость шины при движении на повороте и сопротивление качению. Изменение геометрии внешней ленты (переход от варианта «В» к варианту «С» или варианту «D») уменьшает сопротивление качению. Выбор варианта «С» или варианта «D» будет определяться требованиями жесткости при движении на повороте: если требуется меньшая жесткость, то выбирается вариант «С». Если же требуется высокая жесткость при движении на повороте, то предпочтителен вариант «D».