一种扁平螺旋轮胎帘布 【技术领域】
本发明涉及一种用来加固弹性物体的金属帘布，特别地，涉及一种用来加固充气轮胎的轮胎帘布，可以使轮胎具有良好的拐弯能力乘坐舒适感。
背景技术
如钢带轮胎中所使用的钢制轮胎帘布可由多根外鞘丝和多根包裹在外鞘丝中的芯丝制成。芯丝越多，强度越大。但当芯丝达到或超过3根时，芯丝需捆成一束并会在芯丝束的中心形成一个空洞。当帘布被结合在橡胶层中时，橡胶不容易渗满空洞。如果此后轮胎被扎破，水就可能渗入空洞并腐蚀轮胎帘布。
在目前的轮胎设计中，为制造出更为轻质的轮胎，橡胶规格需要更薄并且/或者保护带中的帘布间隔需更宽。这些设计已知有助于提高汽车的燃油效率和乘坐舒适感。
此外，客车的轮胎需要帘布提供侧向的机动性，即，良好的拐弯性能，以及为保证乘坐舒适和与路面最大程度的接触地较低弯曲刚性。为了达到预期的侧向刚性，在制造轮胎帘布时通常使用较大直径的细丝。随着这些直径的增加改进了拐弯性能，轮胎带在垂直面上的刚性变得更大，从而导致乘坐不舒适并且与路面的接触面变小。
一般轮胎制造用的是由0.15-0.40mm的镀铜钢丝构成的轮胎帘布。如果要求帘布具有较高的破坏载荷，则钢丝数量需要增加。当帘布由3根或3根以上的钢丝纠结而成，在帘布的中心可能会产生一个空洞。帘布因而在细丝之间没有足够的空隙让橡胶在轮胎加工过程中渗入空洞，使得帘布的黏着力下降。而黏着力的下降可能会导致轮胎的保护带脱落。此外，如果帘布中心有空洞，当保护带部分被路上杂物扎破时，帘布就容易被水所腐蚀。这个问题尤其值得关注因为水会通过毛细作用渗透到空洞的每个角落，从而使保护带中的整个帘布受到腐蚀。结果造成的腐蚀降低了帘布的机械性能和抗疲劳强度从而可能导致轮胎报废。
为了改进帘布内的橡胶渗透，并且消除轮胎帘布中的空洞，人们已经发明了各种轮胎帘布制造方法。
(1)开放式结构是指那些利用在细丝中预形成一个频率与帘布节距相等的大振幅波以制造出一种小拉长型弹簧状帘布。
(2)波状的细丝结构有一个或一个以上的小波细丝，其节距小于帘布节距。这种结构所形成的小开口允许橡胶渗入帘布。
(3)已知的1×2和2+2两种轮胎帘布结构可完全被橡胶渗入。为试图解决上述问题的其它相关信息可从以下美国专利中找到。
Ikehara的美国专利5,718,783公开了一种钢制帘布，包括一单根的螺旋芯丝以及五到八根外鞘丝。螺旋芯丝的节距和振幅将根据芯丝的直径以及外鞘丝的数量被设定在特定范围之内。
Shoyama的美国专利6,244,318公开了一种轮胎帘布，其由一单根芯丝和多根以螺旋方式卷绕在芯丝周围的外鞘丝构成。
Niderost的美国专利6,089,293公开了一种橡胶板层，其中的加固帘布在板层中的不同点有不同的特性。这些不同的特性是通过将帘布螺旋式地缠绕在一起以及帘布在板层的不同部分有不同的螺旋直径来达成。
Aldefer的美国专利3,802,982公开了一种轮胎，其加固是由多个螺旋设置的单丝帘布提供的。
Baillievier等人的美国专利5,285,623公开了一种钢制帘布，包括两股各有至少两根细丝的绳线。绳线相互缠绕，形成了具有相同节距的螺旋面。其中一股绳线的细丝的节距超过300mm，即，这股绳线的细丝没有明显地缠绕在一起。
然而，所有的这些轮胎帘布都有一些局限性。开放式结构的细丝可以很轻易地移动，因为它们的缠绕比较松散。因此，很难保持一个稳定的帘布形状，并且各帘布形状基本上是不一样的。对开放式帘布来说在砑光过程中的张力控制也非常重要并且必须保持较低的张力以达到高质量的橡胶渗透。如果开放式结构用高压砑光机处理，当帘布被拉长封闭时，开口可能会消失，橡胶也无法渗透。砑光薄片橡胶规格的问题在开放式帘布中也很明显。保证橡胶渗透所需要的更大的开口增加了帘布的直径并且需要加大橡胶规格来适应帘布的尺寸。
在高强度应用(需要增加帘布中的细丝数量)中，波形结构在保证橡胶渗透的效果不佳。原因是波形结构在帘布上产生的开口相对较小，从而在加工过程中无法让大量橡胶从开口中流过。
已知的1×2和2+2型帘布在轮胎设计中也出现问题，因为它们需要固定数量的细丝。为提高轮胎保护带的强度，必须在砑光机中利用更大的细丝直径，更高张力的钢，或甚至是增加EPI(每英寸的端头数)。但大细丝直径和高EPI都与轮胎设计轻型化背道而驰。
最近，为了满足帘布中的橡胶渗透以及轮胎保护带的侧向稳定性的要求，有另一个结构被提出。这种结构已在公开号为2000-096464的日本专利申请中被揭示。该结构使用了全部平行的外绕一单根较细的低强度卷绕细丝的细丝。然而，这种结构的实际生产非常困难因为低强度的卷绕细丝无法防止平行的芯丝张开除非卷绕节距非常小。而卷绕机的速度受到机器最大的每分钟转速(RPM)所限制导致生产率的下降。此外，这个结构也很难使这些大数量的细丝保持扁平，因为卷绕细丝的强度不够扁平。因为细丝的数量有限，帘布无法获得更高破坏载荷。另外，该较细的卷绕细丝对帘布破坏强度的提高没多大的作用。
如下所述的本发明将克服现有技术中的这些局限。
【发明内容】
通过把至少两根，最好是三根轮胎帘布的芯丝以螺旋方式设置，同时保持芯丝保持互相平行紧贴，本发明解决了上面讨论的问题。芯丝没有被卷绕或捆扎在一起。也就是说，节距(芯丝完整绕一圈的长度)为有效无穷大。在实践中，这表明节距至少是300mm。。外鞘丝也设置成扁平螺旋状，这样外鞘丝就能卷绕在互相紧贴的芯丝周围了。通过这种方法，外鞘丝就不会对芯丝施加导致芯丝捆在一起的压力了。而是，芯丝可保持扁平，互相紧贴的形态，这样就没有空洞并且橡胶能够渗透进轮胎帘布了。无论外鞘丝还是芯丝都对轮胎帘布的破坏强度有实质性的帮助。这一点与现有技术使用一根低拉伸强度的细丝卷绕在多根平行芯丝外的方法有所不同。
因此本发明中的芯丝的特征为既平行同时又保持互相紧贴的关系。数量在三根或以上的芯丝可以组成平行形态，比如，并非是卷绕在一起，而是外鞘细丝被捆在芯丝的周围。芯丝保持互相紧贴的形态这一点是本发明的一个重要方面。互相紧贴的形态可以解释为想像成帘布在水平面上沿着纵向伸展。如下面所解释的，帘布的扁平螺旋设置意味着帘布的所有横截面都被限制在一个大致为椭圆形的外部边界中，该外部边界的特征为，有一根被认为是水平的长轴，以及一根被认为是垂直的短轴。如果在帘布上纵向的每一个点上，一根与帘布长度方向垂直并且位于一水平面的线可以通过各个芯丝的中心线时，芯丝为一互相紧贴的形态。
本发明可以用不同数量的芯丝和外鞘丝来实施。芯丝的数量为二到六根，外鞘细丝的数量为一到七根是比较好的。
如上面所提到的，可以理解芯丝的扁平形态与外鞘丝的扁平螺旋形态决定了轮胎帘布的任何横截面也是扁平的并且被限制在一个椭圆形的外部边界之中，该椭圆形的外部边界的特征由沿着一根长轴的大直径和沿着一根短轴的小直径来体现。较佳地，小直径的长度不超过大直径的60％较好，以便在垂直方向对水平方向的轮胎帘布的弯曲系数上产生适当的差异。在水平方向上刚度大对拐弯性能来说是比较好的，而在垂直方向上硬度小有助于提高乘坐舒适性。
为了生产具有本发明较佳形态的轮胎帘布，帘布和细丝的尺寸需要满足下列数学关系：
1.5×dc≤(Dh-2×ds)≤m×dc+ds，其中
dc＝芯丝的直径，
Dh＝通过水平方向(长轴)，的外鞘波形的波峰到波峰的高度，即，大直径，
ds＝外鞘丝的直径，
m＝芯丝的数量。
虽然芯丝的直径可能与外鞘细丝的直径不同，在某些实际应用中，直径是相同的或基本上相同是比较好的。
本发明的轮胎帘布，当被使用在橡胶轮胎带中时，具有良好的拐弯性能，有利于平稳驾驶的低刚度，橡胶渗透性好有利于帘布完整性，并可达到较高的生产率。该轮胎帘布的橡胶规格可以更薄和/或保护带中帘布间隔可以更宽，从而生产出更轻质的轮胎，这对提高汽车的燃油效率和乘坐质量有帮助。这些和其它一些本发明的特征，目的和有点将从以下的具体实施例和随附的权利要求结合下边描述的附图得以更好的理解。
【附图说明】
图1为本发明中轮胎帘布的侧视图。
图2为本发明中轮胎帘布的俯视图。
图3为图1和图2中的轮胎帘布线3-3处的剖视图。
图4为图1和图2中的轮胎帘布线4-4处的剖视图。
图5为图1和图2中的轮胎帘布线5-5处的剖视图。
图6为图1和图2中的轮胎帘布线6-6处的剖视图。
图7A，7B，8A，8B描述了本发明的另一实施例。如图7A，7B所示，前面附图所描述的核心细丝被设置成扁平，平行，互相紧贴的形态。外鞘丝以给定的节距卷绕在芯丝上。在图8A，8B所示的实施例中，外鞘细丝又被用一个更小的斜度来排列，所述斜度要小于外鞘细丝缠绕核心细丝的斜度。
具体实施例
本发明的轮胎帘布如图1-6所示。轮胎帘布20包含至少3根芯丝10。芯丝在图3-6中由剖面线来表示。芯丝10的数量最好不超过6根。外鞘丝11(如图3-6中无阴影线的部分所示)数量最好为1-7根。外鞘丝11的细丝直径C可以不同于芯丝10的芯丝直径D，尽管在某些应用中，外鞘丝直径C最好与芯丝直径D相同或基本相同。芯丝10没有卷绕在一起。也就是说，节距(芯丝完整绕一圈的长度)为有效无穷大。在实践中，这表明节距至少是300mm。
本发明的一个显著特点是无论是外鞘丝11还是芯丝10均对增强轮胎帘布20的破坏强度有实质性贡献。这里的“实质性贡献”一词表明本发明的细丝区别于现有技术中仅使多根高拉伸强度的芯丝保持平行的低拉伸强度的卷绕细丝，但是卷绕细丝并没有对轮胎帘布的破坏强度做出实质性贡献，轮胎帘布的破坏强度主要由芯丝决定。因此在本发明中，外鞘丝11与芯丝10一起对轮胎帘布20的破坏强度作出实质性贡献，然而在现有技术中，卷绕细丝并没有对轮胎帘布20的破坏强度有实质性贡献。外鞘丝11的强度也对芯丝10保持扁平，平行，互相紧贴的形态有所贡献。
轮胎帘布20中心没有包含空洞，因为芯丝10呈螺旋状，同时芯丝10互相平行并且保持一种“扁平的”互相紧贴的形态。“扁平的”互相紧贴形态是指各芯丝10是对齐的，这样在沿着轮胎帘布20纵向长度上的每一个点上，可以画出一根基本笔直的横线12穿过每一根芯丝10的中心线，如图3-6所示。
如果芯丝10的数量少于2，轮胎帘布20就无法使轮胎加固的弯曲系数有所改进。而如果芯丝10的数量多于6，螺旋的平行就很难保持。对芯丝10来说，在螺旋形成的同时达到完美的平行是不必要的。如果芯丝基本上对齐成了一个平行螺旋，芯丝10上某些点的“位置偏离”也没什么影响，也不会削弱轮胎帘布20的特性。
外鞘丝11也被设置成一扁平的螺旋形态。外鞘丝11被卷绕在互相紧贴的芯丝10周围，这样外鞘丝的波峰在芯丝的波谷出现，反之亦然。用这种方法，外鞘丝11就不会对芯丝10施加导致芯丝10起皱并且在中心形成空洞张力。
芯丝10的扁平的，互相紧贴的形态和卷绕在芯丝10周围的外鞘丝11的扁平的螺旋形态决定了轮胎帘布20的任意横截面也是平的并且限制在一个椭圆形的外边界21中。椭圆形的外边界21的特征为沿着长轴的大直径A和沿着短轴的小直径B。小直径B的长度最好不超过长直径A的60％，以便使轮胎帘布20在垂直方向(长轴周围)相对于水平方向(短轴周围)的弯曲系数上产生适当的差异。
如果轮胎帘布20垂直和水平横截面之间的弯曲系数上达到这种差异，轮胎帘布20就能利用大直径A配合砑光机薄片的宽度定位在橡胶砑光机薄片中。水平刚度大拐弯性能就好，同时垂直刚度小乘坐更为舒适。因为该轮胎帘布20的小直径B比标准轮胎帘布结构的短，就可获得更薄的橡胶砑光机薄片。此外，轮胎帘布20的大直径A比标准轮胎帘布结构的长。因此，在保持与现有结构相同的帘布间隔时，砑光机薄片的EPI可能会减少。
外鞘丝直径C必须足够大以产生足够的卷绕强度使芯丝10基本上对齐形成一平行的，扁平的并互相紧贴的螺旋。然而，如果外鞘丝11超过7根就会影响帘布的橡胶渗透，原因是两个卷绕丝的间隔变得太小了。用普通的合股机技术来制造轮胎帘布20是非常困难的，因为平行的芯丝10要形成一个圆形芯部，因而在捆绑过程中会产生不希望得到的中心空洞。本发明的轮胎帘布20的外鞘丝11所需长度比先前的轮胎帘布结构长得多，使芯丝10以“扁平的”互相紧贴形态卷绕起来，而没有在芯丝10上施加会导致其捆扎在一起的张力。可以利用铸销使外鞘丝11呈波浪形或者在合股前用假捻机来获得。然而，因为芯丝10也被铸成螺旋波浪型，相对于外鞘丝11所需长度而言，帘布直径是有效地变小了。这种关系可用下列等式来描述：
1.5×dc≤(Dh-2×ds)≤m×dc+ds，其中
dc＝芯丝的直径，
Dh＝大直径(A)，
ds＝外鞘丝直径(C)，以及
m＝芯丝的数量。
如果(Dh-2×ds)大于(m×dc+ds)，用合股机制造就非常困难。如果(Dh-2×ds)小于(1.5×dc)，轮胎帘布的一致性就很差并且无法保证帘布的特性。
利用本发明制造的轮胎帘布20的橡胶渗透性较好，对于作用于弯曲刚度较大的水平面上的拐弯力的阻力也很大，并且轮胎垂直面硬度较低而使轮胎的接触区域大使乘坐舒适。
范例：
该范例所描述的轮胎帘布是用一个合股编织机搓成的。表1把本发明中的轮胎帘布20的预估机械属性数据与现有技术中的构造作了比较。
表1
范例 现有技术 现有技术 发明
构造 1×5×0.35 3+2×0.35 3+2×0.35
类型 开放式 圆式 扁平式
Dh-2×ds(mm) 0.73
平放长度(mm) 18 18 18
帘布直径(mm)
最大 1.24 1.11 1.45
最小 1.20 1.01 0.76
椭圆度(％) 96.8 91 53.1
破坏载荷(kg) 150 155 155
橡胶渗透率(％) 100 60 100
弯曲钢度 115.8 112.3 101.3/192.1
表2A和2B对标准M+N型构造(表2A)和本发明的轮胎帘布20(表2B)的预估机械属性数据作了比较。
表2A-现有技术
构造 3+5 3+1 6+2
细丝直径(mm)
芯丝 0.35 0.35 0.35
外鞘丝 0.35 0.15 0.35
Dh-2×ds(mm) 0.85 1.35 1.23
椭圆度(％) 69 92 79
平放长度(mm) 18 14 18
薄片内一致性(％) 74 60
橡胶渗透性(％) 50 80 60
芯丝一致性 G G NG
平行度 G NG NG
表2B-发明
构造 3+2 4+3
细丝直径(mm)
芯丝 0.35 0.35
外鞘丝 0.35 0.35
Dh-2×ds(mm) 0.72 1.00
椭圆度(％) 53 45
平放长度(mm) 18 18
薄片内一致性(％) 100 100
橡胶渗透性(％) 100 100
芯丝一致性 G G
平行度 G G
最大和最小轮胎帘布直径通过在厚度指示表中转动每个轮胎帘布来测量。椭圆度通过以下方法来计算：最小帘布直径/最大帘布直径×100％。破坏载荷用一个拉力测量器来拉长无覆盖层的帘布直到拉断的方法来测量。橡胶渗透性通过观察在先把轮胎帘布嵌入橡胶然后从芯丝上把外鞘丝去除掉后剩下的裸露金属丝部分来估算。结果以全覆盖的百分比形式记录。
弯曲刚度通过下列方法来测量：
1.嵌入一段长度的帘布(＞10cm)并且在橡胶中加工。
2.用刀片把橡胶从帘布上割掉。把帘布裁成10cm。
3.把样品放在枢轴条上以5cm的间隔平行排列。
4.在样品的中间施加力直到偏斜等于3mm。
5.测量把样品弯曲3mm所需要的力。
表1对现有技术中的轮胎帘布和本发明中的轮胎帘布20作了比较。本发明的轮胎帘布20的弯曲刚度被用两个数字表示。较高的那个数值是当使帘布相对短轴偏斜时的弯曲刚度。较小的那个数值表示相对长轴的弯曲刚度。从显示的数据可以看出，本发明的轮胎帘布具有以下两个特点，即：和路面的接触面大使乘坐舒适，以及相对弯曲刚度的拐弯性能更佳。
为评估砑光机薄片的方向一致性，需拍一张砑光机薄片的x光片，然后当看见最大帘布直径时计算嵌入的帘布数量。所显示的数据的计算过程如下：(被计数的帘布数量/帘布总数量)×100％。数值为100％意味着所有的帘布都以在x光中可见的最大帘布直径侧被定向。
平行度评估了芯丝10跟从同一个螺旋路径的有效程度。“G”(好)表示芯丝10基本上跟从了同样的路径。如果芯丝10没有达到这个标准，该样品就被评估为“NG”(不好)。
本发明的轮胎帘布20显示了出色的橡胶渗透性，显著的弯曲刚度差，以及当嵌入到一个砑光机薄片中时定向性好。
本发明的另一实施例被显示在图7A，7B，8A和8B中，当轮胎帘布细丝平行放置时，接触是线接触并且压力没有高度集中。然而，当细丝交叉时，发生点接触并且压力在那个点集中。这种高压力会导致不希望看到的磨损率，其增加了这些压力集中点上发生断裂的可能性。已知将轮胎帘布制成大节距的螺旋形并组合另一个小节距的螺旋，可以改进轮胎帘布的橡胶和抗疲劳强度。这项技术在美国专利5,319,915中有所示例。然后双螺旋型细丝就仅仅间断地触碰临近的细丝。
这项技术可适用于本发明。如图7A，7B所示，芯丝10(在图7A，7B，8A，8B中以剖面线表示的部分)被构造成一个扁平的，平行的，互相紧贴的形态。外鞘丝11卷绕在芯丝10周围。在图8A，8B所示的实施例中，外鞘丝11本身的节距比外鞘丝11卷绕芯丝10的节距要小。各外鞘丝11都被限制在一个圆形横截面区域30之中。横截面区域30跟从本发明前一个实施例中所述与外鞘丝11有关的路径，而外鞘丝11则跟从一双螺旋路径。这样外鞘丝11与其它细丝之间的点对点接触就很少。这改进了抗疲劳强度并让橡胶更好地渗入轮胎帘布中。
工业应用性：
本发明的轮胎帘布，当被使用在橡胶轮胎带中时，具有良好的拐弯性能，有利于平稳驾驶的低刚度，橡胶渗透性好有利于帘布完整性，并可达到较高的生产率。该轮胎帘布的橡胶规格可以更薄和/或保护带中帘布间隔可以更宽，从而生产出更轻质的轮胎，这对提高汽车的燃油效率和乘坐质量有帮助。
本发明已根据特定的较佳和可替换实施例进行了描述，这些实施例意在仅仅作为范例，并且无法把随附的权利要求中所述的本发明的全部范围限定住。