CH623781A5

CH623781A5 -

Info

Publication number: CH623781A5
Application number: CH1253876A
Authority: CH
Inventors: John Learned Ford
Original assignee: Firestone Tire & Rubber Co
Priority date: 1975-10-08
Filing date: 1976-10-04
Publication date: 1981-06-30
Also published as: NO763378L; US4006767A; JPS6128523B2; SE420696B; ES452210A1; AR212250A1; IT1068237B; DK443276A; GB1565098A; AU1830976A; AU502896B2; PT65665B; NO143455B; JPS5247203A; DE2642096A1; ZA765907B; NO143455C; FR2327109A1; LU75932A1; BE846870A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Luftreifen mit einem gegossenen, ohne verstärkende Gewebelagen ausgebildeten Festigkeitsträger aus viskoelastischem Material, welcher von den Reifenwülsten radial nach auswärts verlaufende Seitenwände, einen Scheitelabschnitt und sich jeweils von in Axialrichtung einander gegenüberliegenden Seiten des Scheitelabschnitts zu den Aussenrändern der entsprechenden Seitenwände erstreckende Schulterabschnitte aufweist sowie mit einer sich in Axialrichtung über den Scheitelabschnitt, die Schulterabschnitte und die radial aussen liegenden Bereiche der Seitenwände erstreckenden und mit diesen Festigkeitsträgerabschnitten verbundenen Gummilaufläche.

Bei bekannten Reifen dieser Art mit Festigkeitsträgern und Laufflächen aus elastomerem Werkstoff mit hohem Elastizitätsmodul wurden grosse Anstrengungen unternommen, um das elastomere Material mit hohem Elastizitätsmodul wirtschaftlich verarbeiten zu können, und zwar entweder durch eine Schleuderguss- oder Umgussverarbeitung oder auch auf dem Wege einer Spritzgussverarbeitung, ohne jedoch irgendwelche Versteifungsmaterialien in den Gussformen zu verwenden. Diese Verfahren sind einfach, wenig kostenaufwendig und gestatten erhebliche Einsparungen an Arbeitsaufwand sowie eine Reduzierung der notwendigen Fertigungsmittel gegenüber früheren arbeitsaufwendigen Herstellungsverfahren, welche mit Festigkeitsträgern arbeiteten, bei denen mehrere Gewebelagen verstärkenden Materials übereinander angeordnet werden mussten.

Bei Reifen, welche vollständig aus einem elastomeren Werkstoff mit hohem Elastizitätsmodul hergestellt wurden, ergaben sich im Betrieb schwerwiegende Probleme wegen zu geringer Lebensdauer, mangelnder Strassenhaftung und wegen des verhältnismässig raschen Verschleisses der Lauffläche. Durch plötzliches scharfes Bremsen oder ein zu forsches Kurvenfahren trat bei diesen Reifen eine sehr grosse Wärmeentwicklung auf, was wiederum einen erhöhten Verschleiss bzw. einen besonders starken Abrieb zur Folge hatte. Diese Probleme Hessen sich zwar durch einen Ersatz des elastomeren Laufflächenmaterials mit hohem Elastizitätsmodul durch eine Lauffläche aus Gummi verringern, jedoch entstanden dadurch wieder andere Schwierigkeiten, wie Haftungsprobleme zwischen der Gummilauffläche und dem Festigkeitsträger aus elastomerem Werkstoff mit hohem Elastizitätsmodul sowie gerade durch den Austausch des Werkstoffes mit hohem Elastizitätsmodul durch einen Werkstoff mit niedrigem Elastizitätsmodul eine zu starke Volumenzunahme beim Aufpumpen des Reifens.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Luftreifen zu schaffen, der einen ohne Gewebeeinlage gegossenen Festigkeitsträger aus einem elastomeren Werkstoff mit einem hohen Elastizitätsmodul und eine Gummilauffläche aus herkömmlichem Laufflächengummi aufweist und dessen geometrische Struktur sich während der Lebensdauer des Reifens nicht wesentlich ändert, dessen Fahreigenschaften ähnlich denjenigen bei Gürtelreifen sind, der ferner eine hohe Lebensdauer bei gleichbleibend befriedigenden Leistungseigenschaften hat und der schliesslich einfach und wirtschaftlich herzustellen ist.

Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe besteht bei einem Luftreifen der eingangs definierten Art darin, dass die Strukturfestigkeit des Scheitelabschnitts an dessen in der Reifenmitte hegenden Umfangslinie grösser ist als die Strukturfestigkeit eines jeden Schulterabschnitts, gemessen an dessen dünnster Stelle, und ebenso grösser ist als die Strukturfestigkeit einer jeden Seitenwand an der Stelle der maximalen Axialbreite des aufgeblasenen Reifens und dass die Strukturfestigkeit eines jeden Schulterabschnitts, gemessen an jeweils deren dünnster Stelle, grösser ist als die Strukturfestigkeit einer jeden Seitenwand an der genannten Stelle maximaler Axialbreite.

Ein nach den vorgenannten Strukturfestigkeitsmerkmalen aufgebauter Luftreifen arbeitet nach dem Prinzip eines Gürtelreifens, d.h. er verhält sich im Einsatz wie ein Reifen, der verhältnismässig biegsame Seitenwände aufweist, die in funktionell entkoppelter Weise mit einem steiferen, im Profilbereich des Reifens unterhalb der Lauffläche, welche mit der Strassen-oberfläche in Kontakt steht, liegenden Gürtelelement verbunden sind.

Ein solcher Reifen besitzt einen Festigkeitsträger mit einer aussergewöhnlichen Querschnittsform, wodurch die kritischen

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Reifenabschnitte miteinander auf die angegebene Weise funktional verknüpft sind.

Bei Reifenkonstruktionen mit einer Gummilauffläche hat es sich gezeigt, dass die aus einem herkömmlichen Laufflä-chenwerkstoff bestehende Gummilauffläche keinen Einfluss auf die vorstehend beschriebenen Strukturfestigkeitsbeziehungen in den kritischen Reifenzonen hat, lediglich der Festigkeitsträger des Reifens ist wegen seines im Vergleich zur Gummilauffläche hohen Elastizitätsmoduls im Vergleich zu dem niedrigen Elastizitätsmodul der Gummilauffläche für die Stabilität des Reifenaufbaus verantwortlich.

Diese Verhältnisse liegen bei Reifen, deren Laufflächenwerkstoff aus einem elastomeren Material mit hohem Elastizitätsmodul besteht, wo die Lauffläche einen entscheidenden Einfluss auf die Strukturgeometrie des Reifens ausübt, da ihr E-Modul praktisch dem des Materials des Festigkeitsträgers entspricht. Ferner ändert sich während einer Betriebslebensdauer eines Reifens der Einfluss der Lauffläche auf die Reifengeometrie, da die Lauffläche zunehmend verschlissen wird. Diese Veränderungen, welche sich nicht durch eine besondere Formgebung kompensieren lassen, sind zumindest teilweise für den verhältnismässig unbefriedigenden wirtschaftlichen Fortschritt bei vollgegossenen Reifen verantwortlich. Bei dem er-findungsgemässen Luftreifen ist die besondere Strukturgeometrie im Scheitelabschnitt und in der Mitte der Seitenwände von entscheidender Bedeutung und auch der Umstand, dass diese Geometrie sich über eine Reifenlebensdauer kaum verändert, da das eigentliche Verschleisselement, nämlich die Gummilauffläche, einen verhältnismässig geringen Einfluss auf die kritische Strukturgeometrie in den genannten Abschnitten des Reifens ausübt. Zwar wird die Strukturgeometrie der Reifenschulter in einem grösseren Mass verändert, jedoch bei weitem nicht so stark wie bei sämtlichen Luftreifen aus einem elastomeren Werkstoff mit einem hohen Elastizitätsmodul. Unter Berücksichtigung der genannten Kriterien ist es ersichtlich,

dass der beschriebene Luftreifen über seine gesamte Lebensdauer zufriedenstellende Beanspruchungseigenschaften beibehält. Damit ist auch sichergestellt, dass der Reifen nicht nur dann, solange er neu ist, sondern auch während seiner gesamten Einsatzdauer ein Fahrverhalten zeigt, wie dies von einem Gürtelreifen bekannt ist. Die Lauffläche hat somit wegen der günstigeren Verschleisswerte eine grössere Lebensdauer.

Die vorgenannte Kennzeichnung des Festigkeitsträgers besteht im Kern aus dem Zusammenwirken von Strukturfestig-keitsVerhältnissen in drei kritischen Abschnitten des Festigkeitsträgers und aus der Lagenkoordination dieser Abschnitte. In diesen Abschnitten kann je Reifengrösse die Werkstoffdicke geändert werden sowie auch die Zusammensetzung der Werkstoffe für den jeweiligen Abschnitt. Um zufriedenstellende Eigenschaften des Reifens erhalten zu können, müssen jedoch diese Änderungen in den genannten Abschnitten stets eine in bestimmten Grenzen liegende Strukturfestigkeit ergeben. Im betrieblichen Einsatz zeigt ein Reifen dann zufriedenstellende Eigenschaften, wenn er sich beim Aufpumpen oder während des Fahrens nicht zu voluminös aufbläht, um seine Führungsstabilität nicht zu beeinträchtigen, wenn er ferner ein ausgeglichenes Fahrverhalten sowie eine gute Kurvenstabilität aufweist und wenn die Lauffläche eine zufriedenstellend hohe Widerstandsfähigkeit gegen Abrieb besitzt. Ausserdem soll der Reifen im Betrieb keine zu grosse Wärmeentwicklung zeigen, da dies zu einer Schwächung und Lebensdauerverkürzung führen könnte.

Unter der Strukturfestigkeit bestimmter Abschnitte des Festigkeitsträgers wird die Eigenschaft des Reifens verstanden, seine volle Haltbarkeit unter allen nur möglichen Belastungsbedingungen, wie sie durch das Gewicht des Fahrzeugs und durch wechselnde Biegebeanspruchungen auftreten können, aufrechtzuerhalten. Die Strukturfestigkeit stellt eine Funktion der physikalischen Eigenschaften und speziell des Elastizitätsmoduls des verwendeten Werkstoffs und der Werkstoffdicke dar. In dem hier beschriebenen Zusammenhang ist die Strukturfestigkeit das Produkt aus dem Wert für die Werkstoffdicke in einem jeweiligen kritischen Abschnitt des Festigkeitsträgers in der dritten Potenz und dem Elastizitätsmodul des in diesem Abschnitt verwendeten Werkstoffes. Die Verhältnisse zwischen den Strukturfestigkeiten in den genannten Abschnitten sind deshalb von grosser Bedeutung, weil sie dazu beitragen, die Strukturgeometrie eines Luftreifens zu schaffen, der ein Reifendeformationsverhalten besitzt, wie es bei Gürtelreifen von Vorteil ist.

Um diese Eigenschaften von Gürtelreifen zu erhalten, müssen die Seitenwände des Luftreifens biegsam, der Scheitelabschnitt des Festigkeitsträgers hingegen muss im Vergleich zu den Seitenwänden möglichst steif sein, damit dieser Scheitelabschnitt eine ähnliche Funktion wie ein undehnbarer Gürtel ausüben kann, welche bei herkömmlichen Radialreifen durch eine Gürtelgewebeeinlage aus nichtdehnbarem Material erfüllt wird. Ferner muss die den Scheitelabschnitt mit der jeweiligen Seitenwand verbindende Reifenschulter biegsam genug ausgebildet sein, um eine funktionelle Entkopplung zwischen dem Scheitelabschnitt und den jeweiligen Seitenwänden zur Erzielung und Aufrechterhaltung des bei Radialreifen vorteilhaften Effekts erhalten zu können. Es soll somit erreicht werden, dass der Scheitelabschnitt ähnlich wie bei einer Panzerkette als ein undehnbarer Ring wirkt, der zwar mit den Seitenwänden verbunden ist, jedoch funktionell entkoppelt arbeiten kann.

Der erste kritische Bereich des Festigkeitsträgers befindet sich im mittleren Seitenwandabschnitt. Die Strukturfestigkeit der jeweiligen Seitenwand an dieser Stelle, welche als maximale Axialbreite des aufgeblasenen Reifens definiert ist, muss derart ausgelegt sein, dass der Reifen während des Aufpumpens oder während des Betriebs nicht zu stark aufgebläht wird. Gleichzeitig darf die genannte Stelle auch nicht eine zu grosse Wanddicke besitzen und auch nicht zu unflexibel sein, damit die Wärmeentwicklung nicht zu stark wird, was eine Ver-schleisszunahme, eine Verringerung der Lebensdauer und ein zu hohes Materialgewicht sowie schliesslich auch eine unnötige Verschwendung des die notwendigen Strukturfestigkeitseigenschaften besitzenden Materials zur Folge haben könnte. Somit darf einerseits eine untere Grenze der Strukturfestigkeit nicht unterschritten werden, um eine übergrosse Aufblähung des Luftreifens während des Betriebs vermeiden zu können und damit auch die sonst auftretenden Unstabilitätsfolgen, und anderseits sollte auch eine obere Grenze der Strukturfestigkeit nicht überschritten werden, damit nicht die verhältnismässig biegsame Eigenschaft der Seitenwand im Vergleich zum Scheitelabschnitt verlorengeht.

Der zweite kritische Bereich des Festigkeitsträgers des Luftreifens liegt bei den Reifenschultern. Deren Schulterabschnitte sollen biegsam genug sein, um eine Entkopplung der Seitenwände vom vergleichsweise undehnbaren Scheitelabschnitt des Festigkeitsträgers zu erreichen, damit sich Betriebseigenschaften wie bei Radialreifen erzielen lassen. Auch sollen diese Schulterabschnitte so flexibel sein, dass die Reifenlauffläche wie ein flaches Band vergleichsweise unabhängig von den Seitenwänden arbeiten kann, um relativ ungedehnt auf der Fahrbahnoberfläche abrollen zu können. Ferner sollen die Schulterabschnitte des Festigkeitsträgers nur eine minimale Festigkeit besitzen, um eine Materialermüdung während des Betriebs vermeiden zu können; diese Festigkeit darf jedoch auch eine obere Grenze nicht überschreiten, welche die beschriebene Entkopplungswirkung nachteilig beeinflussen und zu einer übergrossen, den Reifen schwächenden Wärmeentwicklung führen könnte.

Der dritte kritische Abschnitt des Luftreifens liegt im Scheitelabschnitt des Festigkeitsträgers. Dieser Bereich muss

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eine genügend grosse Strukturfestigkeit besitzen, um die Reifenstabilität zu gewährleisten und dem Reifen im Betrieb eine gewisse Widerstandsfähigkeit gegen eine Ausdehnung und eine Volumenvergrösserung zu verleihen. Die Strukturfestigkeit dieses Abschnitts muss ausreichen, um ihm die Wirkungsweise ähnlich der eines undehnbaren Gurts, wie er bei Radialreifen verwendet wird, zu verleihen. Die untere Grenze der Strukturfestigkeit in diesem Abschnitt des Luftreifens muss ausreichend sein, um die gurtähnlichen Eigenschaften dieses Bereichs des Festigkeitsträgers aufrechtzuerhalten, jedoch sollte die Materialdicke in diesem Abschnitt nicht zu gross sein, weil dadurch wiederum eine übergrosse Wärmeentwicklung und Ermüdungsbrüche, welche den Reifen schwächen, gefördert werden würden.

Weiterhin soll die Materialdicke in jedem dieser kritischen Abschnitte auf einem Minimalwert gehalten werden, um somit Werkstoff einzusparen, die Möglichkeit von Rissbildungen zu senken, ferner um eine so gering wie mögliche Wärmeentwicklung im Reifen zu erhalten und schliesslich um das Gesamtgewicht des Reifens so gering wie möglich zu halten.

Die Strukturfestigkeit der kritischen Reifenbereiche, ihr gegenseitiges Verhältnis und ihre relative Lage zueinander werden einzig und allein am Festigkeitsträger des Luftreifens definiert, während die Gummilauffläche vernachlässigt wird. Diesem Gesichtspunkt kommt entscheidende Bedeutung zu.

Von den vorstehend genannten Werkstoffbeziehungen lässt sich ersehen, dass der jeweilige Schulterabschnitt des Festigkeitsträgers eine geringere Strukturfestigkeit hat als der Scheitelabschnitt dieses Festigkeitsträgers. Aus der Annahme, dass in diesen Bereichen ein Werkstoff mit jeweils demselben hohen Elastizitätsmodul verwendet wird, folgt, dass der jeweilige Schulterabschnitt dünner ist als der Scheitelabschnitt. Diese unterschiedlichen Dickenverhältnisse lassen sich am günstigsten dadurch verbinden, dass vom dickeren Scheitelabschnitt zum jeweiligen dünneren Schulterabschnitt ein allmählicher Übergang in der Form einer geglätteten Kurve bzw. Kontur ausgebildet wird. Ein scharfer, sprungartiger Dickenwechsel, wie dies beim Gegenstand der US-Patentschrift 3 208 500 beschrieben ist, Hesse sich bei dem beschriebenen Festigkeitsträger nicht praktizieren, da an den Übergangsstufen der Wandungsdicken hohe Spannungsspitzen auftreten würden, was an den Übergängen zu Ermüdungsbrüchen führen könnte.

Die Strukturfestigkeit des mittleren Seitenwandabschnittes wird erheblich geringer sein als die Strukturfestigkeit des Scheitelabschnittes und auch merklich geringer als die Strukturfestigkeit des jeweiligen Schulterabschnittes. Auch müssen hier die Übergänge von einem Abschnitt zum anderen durch eine allmähliche Kurvenführung ausgeglichen werden, was eigentlich für sämtliche der genannten Verbindungsbereiche zwischen den Abschnitten des Festigkeitsträgers mit unterschiedlichen Strukturfestigkeiten gilt, um jede Möglichkeit für eine Ausbildung hoher Spannungszonen auszuschliessen.

Die Strukturfestigkeit an jedem beliebigen Abschnitt des Festigkeitsträgers lässt sich durch folgende Gleichung ausdrük-

In dieser Gleichung bedeutet (S) die Strukturfestigkeit, sie ist ein Produkt aus dem Elastizitätsmodul (E) des Werkstoffs und der Dicke (t) des Werkstoffs im gemessenen Abschnitt in der dritten Potenz. Der Elastizitätsmodul des für den Festigkeitsträger verwendeten Werkstoffs sollte zwischen 350 und 1050 kp/cm2, gemessen an der Tangente der Dehnungskurve bei einer Dehnung von 5 %, Hegen. Mit einem Werkstoff dieses Elastizitätsmoduls können Luftreifen jeder Grösse nach den beschriebenen Merkmalen ausgebildet werden.

Die Dicke des Festigkeitsträgers mit den oben genannten Eigenschaften sollte im Scheitelabschnitt zwischen 7,6 und 15,2 Millimeter Hegen, eine Dicke unterhalb dieses Bereichs würde nicht die notwendige Festigkeit des Scheitelabschnitts sicherstellen, während eine Dicke oberhalb dieses Bereichs zu einer Reifenausbildung führen würde, bei der es zu einer übergrossen Wärmeentwicklung und zu Rissen im Scheitelabschnitt kommen könnte. Die Dicke des mittleren Seitenwandabschnittes sollte zwischen 3,3 und 7,6 mm liegen, wobei eine Wandungsdicke unterhalb dieses Bereichs zu einer Ausbildung einer Seitenwand führen würde, welche sich beim Aufblasen des Reifens stark aufbläht, währenddessen eine Wanddicke oberhalb des genannten Bereichs zu einem unannehmbaren Abrollverhalten und einer gleichzeitigen Abschwächung des Radialreifenprinzips führen würde. Die Dicke des Schulterabschnittes soUte zwischen 3,8 und 12,7 mm Hegen. Diese Dicke und die sich daraus ergebende Strukturfestigkeit soll gemäss dem Ergebnis einer Beanspruchungsuntersuchung so klein wie möglich gehalten werden, damit der Reifenzusammenhalt während des Aufpumpens und des Betriebs sichergestellt ist. Eine Dicke unterhalb des angegebenen Bereichs könnte zu Betriebsstörungen und Ermüdungserscheinungen führen, währenddessen eine oberhalb des angegebenen Bereichs liegende Dicke eine übergrosse Wärmeentwicklung nach sich ziehen könnte sowie auch eine Abnahme der Entkopplungseigenschaften in diesem Abschnitt des Festigkeitsträgers.

Bei dem beschriebenen Luftreifen führen alle möglichen Kombinationsvarianten der Strukturfestigkeitsmerkmale, solange sie innerhalb der angegebenen Wertebereiche Hegen, zu den vorteilhaften Wirkungen des Reifens, jedoch bieten diejenigen Reifen, deren Bemessungs- und Strukturfestigkeitswerte aus der Mitte der angegebenen Bereiche gewählt werden, die optimalsten Vorteile. Dabei ist es bevorzugt, höhere Werte aus der angegebenen Spanne des Elastizitätsmoduls mit Dickenwerten aus der niedrigen Skala der Dickenbereiche oder aber niedrige Elastizitätsmodulwerte mit Werten grösserer Dicke jeweils innerhalb der angegebenen Wertegrenzen zu kombinieren. Die vorteilhaften Eigenschaften des beschriebenen Luftreifens nehmen dann ab, wenn jeweils Werte aus den jeweiligen niedrigen Bereichen oder Werte aus den jeweiligen hohen Bereichen miteinander kombiniert werden.

Wie bereits erwähnt, Hegen die kritischen Werte des Luftreifens in den Verhältnissen der Strukturfestigkeit des Scheitelabschnitts, der jeweiligen Schulter und den jeweiligen mittleren Seitenwandbereichen. Die Strukturfestigkeit des Scheitelabschnitts muss mindestens viermal grösser sein als diejenige des mittleren Seitenwandabschnittes. Die Strukturfestigkeit des Schulterabschnittes muss zumindest das l,5fache derjenigen des mittleren Seitenabschnittes betragen, während die Strukturfestigkeit des Schulterabschnittes grösser ist als diejenige des mittleren Seitenwandabschnittes und wesentlich geringer als diejenige des Scheitelabschnittes. Die oberen Grenzen für diese Verhältnisse werden durch die Strukturgeometrie des Reifens angegeben. Diese Geometrie schreibt vor, dass in keinem der Abschnitte eine allzu steife Materialausbildung erhalten werden darf, damit eine Rissbildung oder eine Verringerung des Radialreifeneffekts verhindert wird.

Die Bereiche der Reifenabschnitte, die die angegebenen Verhältnisse festlegen, sind für den beschriebenen Reifen ganz spezifisch. Der mittlere Seitenwandabschnitt ist derjenige Bereich der Seitenwand, der nach dem Aufpumpen des Luftreifens mit Normaldruck nach 24 Stunden in Axialrichtung am weitesten aussen liegt, wobei sämtliche Scheuerleisten und Schutzwulste oder Verzierungen vernachlässigt wurden. Der Scheitelabschnitt des Festigkeitsträgers ist derjenige Bereich des Reifens, der an der kreisförmig umlaufenden Reifenmittellinie Hegt, wenn der Reifen bei Normaldruck aufgeblasen ist. Die Schulterabschnitte des Festigkeitsträgers sind jene Bereiche, die unterhalb der Lauffläche zwischen dem Scheitelabschnitt und den Seitenwänden liegen, sie stellen die dünnsten Bereiche des Festigkeitsträgers zwischen dem Scheitelabschnitt

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und den Seitenwänden dar und sind unterhalb der Gummilauffläche und in Axialrichtung von der äusseren Kante der Gummilauffläche nach innen liegend angeordnet.

Die oben angegebenen speziellen Dickenwerte gelten in erster Linie für Reifengrössen von Personenkraftwagenreifen, während grössere Luftreifen grössere Dickenwerte erforderlich machen könnten. Die Verhältnisse zwischen den Strukturfestigkeiten und die Anordnung der beschriebenen Abschnitte des Festigkeitsträgers gelten jedoch für sämtliche möglichen Reifengrössen und -arten, wie für Personenkraftwagen-, Lastkraftwagen-, Traktor-, Flugzeug- und Geländefahrzeugreifen.

Die Gummilauffläche kann aus einer beliebigen bekannten Laufflächengummimischung, die bei Standardluftreifen Verwendung findet, bestehen. Derartige Laufflächenmaterialien können Lösungen von Polybutadiengummis, Emulsions- oder Lösungscopolymere aus Styrol und Butadien, Naturgummi, Polyisopren, Butyl oder EPDM oder andere Kombinationen dieser Bestandteile aufweisen. Diese Laufflächenmischungen enthalten ebenso weitere Standardzusätze wie Russ, Weichmacher, Antioxydationsmittel, Beschleuniger und Schwefel, wie dies hinreichend bekannt ist.

Neben den oben genannten Laufflächengummimischungen können auch noch weitere übliche Laufflächenverbindungen zum Einsatz kommen, solange der Laufflächenwerkstoff einen niedrigen Elastizitätsmodul, verglichen mit dem des Festigkeitsträgers, besitzt. Es können aber für die Laufflächenausgestaltung auch andere Materialien, wie Polyurethan mit einem geringeren Elastizitätsmodul, Verwendung finden.

Für den Festigkeitsträger kann auch jeder bekannte ela-stomere Werkstoff mit einem hohen Elastizitätsmodul verwendet werden, welcher auch bei vollgegossenen Reifen ohne Gewebeeinlage bekannter Art zum Einsatz kommt. Als Beispiel sei Polyurethan genannt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Luftreifen mit den Merkmalen der Erfindung nach dem Giessen und

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Reifen gemäss Fig. 1 24 Stunden nach seinem Aufpumpen auf einen Normaldruck von 1,68 kp/cm2.

Gemäss Fig. 2 ist auf eine Felge 20 ein Luftreifen 10 aufgezogen. Dieser Reifen 10 besteht nach den Zeichnungen aus zwei Reifenwülsten 11 und einer Karkasse bzw. einem Festigkeitsträger 12, welcher wiederum zwei Seitenwände 13, zwei Schulterabschnitte 14 und einen Scheitelabschnitt 15 aufweist. Ferner ist aussen auf dem Festigkeitsträger 12 eine Gummilauffläche 16 vorgesehen, welche mit dem Festigkeitsträger durch ein als Zwischenschicht 17 zwischen diese beiden Teile eingebrachtes Klebemittel verbunden ist. An der mit «a» bezeichneten Stelle an der mittleren Seitenwand weist der Reifen im aufgepumpten Zustand seine maximale Axialbreite auf, wie sie vorstehend definiert wurde. Am Scheitelabschnitt 15 des Festigkeitsträgers 12 ist mit «c» die Lage der Mittellinie des Reifenumfangs gekennzeichnet und mit «b» sind die dünnsten Stellen an den beiden Schulterabschnitten bezeichnet, welche am Festigkeitsträger zwischen dem Scheitelabschnitt und den Seitenwänden sowie bezüglich den Aussenrändern der Gummilauffläche in Axialrichtung nach innen unterhalb der Gummilauffläche liegen.

Wie aus den Figuren ersichtlich, besitzt der Innenmantel des Festigkeitsträgers an den kritischen Übergangsbereichen zwischen den Abschnitten eine gleichförmige Kontur, um jede mögliche Spannungskonzentration zu verhindern. Nach dem Aufpumpen des Reifens verlagert sich sein Scheitelabschnitt aus der Einbiegung gemäss Fig. 1 radial nach aussen, wie dies in Fig. 2 ersichtlich ist. Für die Gummilauffläche 16 kann eine der herkömmlichen Natur- oder synthetischen Gummi enthaltende Laufflächenmischungen gewählt werden, wie beispielsweise eine Emulsions-Copolymerisation aus Styrol und Butadien, Emulsions-Polybutadien, Naturgummi, Polyisopren, Bu-tylgummi oder EPDM und entsprechende Mischungen dieser Laufflächenwerkstoffe. Insbesondere liefert eine Laufflächen-5 mischung mit einer über 175 kp/cm2 liegenden Zugfestigkeit, einer Shorehärte A von etwa 59, einem Elastizitätsmodul von etwa 66,5 kp/cm2 bei 300% Dehnung, einer Bruchdehnung von etwa 600% und einem Hysteresewert von 40%, gemessen mit einem Kugelrückpralltest bei Raumtemperatur, zufrieden-lo stellende Eigenschaften. Diese spezielle Mischung ist im wesentlichen ein gelöstes Styrol-Butadien-Copolymerisat mit den Standardfüllstoffen und -zusätzen, wie verstärkendem Russ, Schwefel, Beschleuniger usw., was dem Fachmann geläufig ist.

Der im Festigkeitsträger des Reifens verwendete Werkstoff 15 kann jedes bekannte, viskoelastische Material mit hohem Elastizitätsmodul sein, was sich für vollgegossene Reifen ohne Gewebeeinlage als geeignet erwiesen hat. Vorzugsweise ist ein Polyurethangummi, im einzelnen in einer Zusammensetzung, wie sie in der US-Patentschrift 28 424 beschrieben ist, geeig-20 net.

Ein derartiger Polyurethangummi sollte bei 100° C eine Zugfestigkeit von mindestens 126 kp/cm2 haben, eine Kreis-zweieck-Einreissfestigkeit bei dieser Temperatur von mindestens 14 kp/cm2, eine De-Mattia-Abknick-Lebensdauer bei 25 einer Temperatur von 86° C von wenigstens 200 000 Lastspielen, ferner eine Mindestdehnung von 400% und eine Zugfestigkeit ab 196 kp/cm2 jeweils bei Zimmertemperatur sowie schliesslich einen Elastizitätsmodul zwischen 350 und 1050 kp/cm2 besitzen. Dabei sollte das Molekulargewicht der 30 Polyurethanmischung zwischen den elektrostatischen Bindungen 800 bis 5000 und 5100 bis 40 000 zwischen den kovalen-ten Bindungen betragen.

Es sollte ferner sichergestellt sein, dass der viskoelastische Festigkeitsträger-Werkstoff keine zu grosse Materialwande-35 rung vornehmen kann. Unter Materialwanderung soll eine Zunahme der Werkstoffdehnung in Abhängigkeit von der Zeit. bei einer vorgegebenen Belastung verstanden werden, wobei die Materialwanderung in Wechselbeziehung zu einer mit der Zeit auftretenden Materialermüdung, d.h. einer Spannungsab-40 nähme bei konstanter Dehnung, steht. Ein Werkstoff, welcher eine zu starke Spannungsabnahme über eine bestimmte Zeit zulässt, ist als Reifenwerkstoff ungeeignet, da sich nach einer gewissen Betriebsdauer eine unzulässige Vergrösserung des Reifens ergeben würde.

45 Das vorstehend beschriebene Polyurethan-Elastomer zeigt eine Materialwanderung, welche innerhalb der für eine normale Reifenlebensdauer geltenden Toleranzgrenzen liegt. Es sei noch ergänzt, dass gerade bei vollgegossenen Festigkeitsträgern eine unzulässig hohe Materialwanderung zu einem so tatsächlich nicht mehr zulässigen Volumenanwachsen führen würde.

Es wurden erfolgreich Luftreifen mit den Merkmalen der Erfindung hergestellt und geprüft, und es hat sich gezeigt, dass diese Reifen die geforderten Eigenschaften aufweisen. Ein 55 Reifen der Grösse 165—13 hatte in seinem gegossenen Zustand folgende Abmessungen:

Einen Wulstnenndurchmesser von 13" (330 mm), die Höhe im Querschnitt bis zur Schulter betrug 132,1 mm, die 60 entsprechende Höhe in der Reifenhalbierungsebene betrug 128,7 mm und die maximale Axialbreite 171,4 mm. Ferner war die Gummilauffläche in der Reifenhalbierungsebene 9,65 mm dick, der mittlere Seitenwandabschnitt (Stelle «a» in den Figuren) mass 4,06 mm, die Mitte des Scheitelabschnittes 65 des Festigkeitsträgers (Stelle «c» in den Figuren) betrug 12,7 mm, und schliesslich war der Schulterabschnitt an seiner dünnsten Stelle (Stelle «b» in den Figuren) 6,09 mm dick. Im aufgepumpten Zustand auf eine 4"-Felge (101,6 mm) aufge-

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zogen, ergaben sich bei einem Reifendruck von 1,68 kp/cm2 folgende Abmessungen:

Der Nennwulstdurchmesser blieb gleich mit 13" (330 mm), die Höhe im Querschnitt an der Reifenhalbierungsebene betrug 137,1 mm, die maximale Axialbreite im Querschnitt 158,7 mm, die Dicke der Gummilauffläche an der Laufflächenmittellinie betrug 10,1 mm, die mittlere Seiten-wanddicke (Stelle «a» in den Figuren) betrug 4,06 mm, ferner war der Scheitelabschnitt des Festigkeitsträgers (Stelle «c» in den Figuren) 11,9 mm dick, und die Schulter mass an ihrer dünnsten Stelle (Stelle «b» in den Figuren) 5,58 mm.

In der Lauffläche war ein Standardprofil mit einer durchschnittlichen Profiltiefe von 7,92 mm eingegossen.

Die bei diesem Reifen verwendete Laufflächenmischung war aus einer Lösung eines Copolymerisats von Styrol und Butadien, verstärkendem Russ, einem Weichmacher, einem Antioxydationsmittel,. Schwefel und einem Vulkanisationsbeschleuniger zusammengesetzt.

Zum Verkleben des Festigkeitsträgers mit der Gummilauffläche wurde ein Kleber auf Polyurethanbasis verwendet.

Der Festigkeitsträger enthielt ein Polyurethanpolymer mit 6,35% NCO. Dieser Werkstoff hatte einen Elastizitätsmodul von 672 kp/cm2, seine Zugfestigkeit betrug bei 100° C 179 kp/cm2, die Kreiszweieck-Einreissfestigkeit betrug 24,1 kp/cm2, und bei Zimmertemperatur betrug die Zugfestigkeit 343 kp/cm2 sowie die Bruchdehnung 550%.

Die Strukturfestigkeit des auf die vorgenannte Weise ausgebildeten Festigkeitsträgers war am Scheitelabschnitt 25mal grösser als an der mittleren Seitenwand, während die Strukturfestigkeit des Scheitelabschnitts 2,6mal grösser war als an dieser mittleren Seitenwand.

Der vorgenannte Reifen der Grösse 165—13 wurde unter den nachfolgend beschriebenen, allgemein bei der Prüfung von Standardluftreifen angewandten Normalbedingungen getestet. Bei diesen Tests liessen sich Abriebwerte bis zu 7598 km je Millimeter Abrieb der Lauffläche erzielen, was einer angenommenen möglichen Fahrstrecke von über 48 280 km entspricht. Die Abriebwerte, welche bei anderen bekannten vollgegossenen Luftreifen in gleichartigen Versuchen erzielt wurden, lagen im Bereich zwischen 2851 bis 3800 km pro Millimeter Abrieb. Daraus kann geschlossen werden, dass sich zum Teil eine Verbesserung der Laufflächenhaltbarkeit der Reifen um 100% erzielen liess.

Bei einem der oben angeführten Tests wurden die Reifen während der Hälfte der Zeit auf der Autobahn mit 88,5 km/h und während der anderen Hälfte der Testzeit auf einer Versuchsstrecke mit 112,7 km/h gefahren. Nach jeweils 1600 km wurden die vorderen Reifen mit den hinteren ausgetauscht. Die Belastung auf jedem Reifen betrug 60,2 kp/cm2, der Reifendruck 1,68 kp/cm2. Nach 35 420 km musste ein Reifen we-5 gen Laufflächenrissen ausgewechselt werden. Die Abriebwerte und die geschätzte Kilometerzahl für ein gleitungsfreies Abrollen der Bodenaufstandsfläche der Lauffläche auf der Fahrbahn bei einem bis zur Spitze eines Verschleissanzeigers in der am raschesten verschleissenden Profilnut der Lauffläche erfolgten io Abrieb sind in Tabelle I zusammengefasst. Dabei wurde der Reifen Nr. 2 unter denselben Bedingungen wie die anderen Reifen zur Ermittlung seiner Lebensdauer 62 764 km gefahren. Nach dieser Fahrtstrecke liessen sich keine Beschädigungen feststellen. Die Zahlenwerte in Tabelle I geben die Abis riebwerte nach dieser Fahrtstrecke an.

Tabelle I

Reifen

Gefahrene Kilometerzahl

Geschätzte Kilometerzahl für ein gleitungsfreies Abrollen der Bodenaufstandsfläche der Lauffläche auf der Fahrbahn

Abriebwerte in Kilometern je mm Abrieb der Lauffläche

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38 624 62 764

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6146 6969 7598

Ein ähnlicher Versuch bei denselben Reifen ergab vergleichbare Ergebnisse. Bei diesen Versuchen wurden die Rei-30 fen immer nur auf der Autobahn mit einer Geschwindigkeit von 88,5 km/h, einer Belastung der vorderen Reifen von 56,7 kp/cm2 und der hinteren Reifen von 50 kp/cm2 jeweils mit einem Reifendruck von 1,4 kp/cm2 gefahren. Es erfolgte kein Austauschen der Reifen untereinander. Einer der Reifen 35 musste nach 35 406 km wegen Laufflächenrissen und Ver-schleisserscheinungen aus dem Versuch genommen werden. In Tabelle II sind die Ergebnisse dieser Versuche dargestellt, die unter denselben Verhältnissen wie bei Tabelle I ermittelt wurden. Auch diesmal wurden die verbleibenden Reifen weiterge-40 fahren, um ihre Lebensdauer festzustellen. Zwei Reifen wurden bei 61 155 km ohne Beschädigung aus dem Versuch genommen, ein dritter musste schon bei 46 537 km wegen einer Beschädigung als Folge des Fahrens mit zu geringem Luftdruck ausgewechselt werden. In Tabelle II sind auch diese 45 Zahlenwerte angegeben. (R = rechts, L = links, V = vorne, H = hinten).

Tabelle!!

Reifen Lage Gefahrene Geschätzte Kilometerzahl Abriebwerte

Kilometerzahl für ein gleitungsfreies Abrollen in Kilometern der Bodenaufstandsfläche je mm Abrieb der Lauffläche auf der Fahrbahn der Lauffläche

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RH

35 270

46 191

7031

2

LH

35 406

49 365

7474

3

RV

35 406

31 225

4435

4

LV

35 406

55 133

8425

1

RH

46 537

43 978

6652

2

LH

61 155

53 291

8108

4

LV

61 155

52 376

7981

Auf einem Labor-Versuchsrad wurden dieselben Reifen, wie sie bei den vorgenannten Tests verwendet wurden, mit im Handel erhältlichen Stahlgürtelreifen einem Vergleichstest unterzogen, um die dynamischen Kennwerte zu ermitteln. Die bewerteten Kriterien waren im einzelnen: die Seitenführungskraft, der Rollwiderstand und das Rückstellmoment. Wenn die 65 Werte der Tabelle III der nach den Merkmalen der Erfindung aufgebauten Reifen mit den Daten von im Handel erhältlichen Reifen gegenübergestellt werden, ergibt sich eine weitgehende Annäherung der dynamischen Kennwerte. Die Reifen wurden

7

623 781

auf einer Versuchstrommel mit 3,3 m Durchmesser bei einer mit 345 kp belastet wurde und auf 1,68 kp/cm2 aufgepumpt Geschwindigkeit von 32 km/h gemessen, wobei jeder Reifen war.

Tabelle III

Seitenführungskraft Rückstellmoment Rollwiderstand

(kp) (kpm) (kp)

Schräglaufwinkel

1°

2°

3°

4°

1°

2°

3°

4°

0°

Luftreifen nach den

43,6

84

111

136

1,2

1,6

1,7

1,6

4,67

Merkmalen der Erfindung

Handelsüblicher

48,6

89,4

126

154

1,3

1,7

1,9

1,7

5,76

Stahlgürtelreifen

Der Rollwiderstand des Luftreifens nach den Merkmalen der Erfindung ist etwa um 20% grösser als der des Stahlgürtelreifens, die Werte für das Rückstellmoment können mit denjenigen der Stahlgürtelreifen als in etwa übereinstimmend angesehen werden. Lediglich die Werte für die Seitenführungskräfte liegen etwas unterhalb derjenigen Werte bei Stahlgürtelreifen, sie sind jedoch für handelsübliche Reifen annehmbar.

s

1 Blatt Zeichnungen

Claims

623 781

1. Luftreifen mit einem gegossenen, ohne verstärkende Gewebelagen ausgebildeten Festigkeitsträger aus viskoelasti-schem Material, welcher von den Reifenwülsten radial nach auswärts verlaufende Seitenwände, einen Scheitelabschnitt und sich jeweils von in Axialrichtung einander gegenüberliegenden Seiten des Scheitelabschnitts zu den Aussenrändern der entsprechenden Seitenwände erstreckende Schulterabschnitte aufweist sowie mit einer sich in Axialrichtung über den Scheitelabschnitt, die Schulterabschnitte und die radial aussen liegenden Bereiche der Seitenwände erstreckenden und mit diesen Festigkeitsträgerabschnitten verbundenen Gummilauffläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturfestigkeit des Scheitelabschnitts an dessen in der Reifenmitte liegenden Um-fangslinie grösser ist als die Strukturfestigkeit eines jeden Schulterabschnitts, gemessen an dessen dünnster Stelle, und ebenso grösser ist als die Strukturfestigkeit einer jeden Seitenwand an der Stelle der maximalen Axialbreite des aufgeblasenen Reifens und dass die Strukturfestigkeit eines jeden Schulterabschnitts, gemessen an jeweils dessen dünnster Stelle, grösser ist als die Strukturfestigkeit einer jeden Seitenwand an der genannten Stelle maximaler Axialbreite.

2. Luftreifen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturfestigkeit des Scheitelabschnitts des Festigkeitsträgers an seiner mittigen Umfangslinie zumindest ein Vierfaches der Strukturfestigkeit einer jeden Seitenwand an der Stelle maximaler Axialbreite des aufgeblasenen Reifens und die Strukturfestigkeit eines jeden Schulterabschnitts, gemessen an dessen dünnster Stelle, zumindest das l,5fache der Strukturfestigkeit einer jeden Seitenwand an der genannten Stelle maximaler Axialbreite beträgt.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Luftreifen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das viskoelastische Material ein Polyurethan-Polymer ist.

4. Luftreifen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyurethan einen Elastizitätsmodul von etwa 672 kp/cm2 besitzt.

5. Luftreifen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturfestigkeit des Scheitelabschnitts des Festigkeitsträgers an seiner mittigen Umfangslinie etwa ein 25faches der Strukturfestigkeit einer jeden Seitenwand an der Stelle maximaler Axialbreite des aufgeblasenen Reifens und die Strukturfestigkeit eines jeden Schulterabschnitts, gemessen an dessen dünnster Stelle, zumindest das 2,6fache der Strukturfestigkeit einer jeden Seitenwand an der genannten Stelle maximaler Axialbreite beträgt.

6. Luftreifen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyurethan einen Elastizitätsmodul von 350-1050 kp/cm2 besitzt, dass die Dicke des Scheitelabschnitts des Festigkeitsträgers an der mittigen Umfangslinie des Reifens im Bereich zwischen 7,6 und 15,3 mm, die Dicke der Schulterabschnitte an ihrer dünnsten Stelle zwischen 3,8 und 12,7 mm und die Dicke der Seitenwände an der genannten Stelle maximaler Axialbreite zwischen 3,3 und 7,6 mm liegen.