-
Die
Erfindung betrifft einen Fahrzeugluftreifen, insbesondere einen
Nutzfahrzeugreifen, mit einem Laufstreifen, einem mehrlagigen Gürtel, Seitenwänden, einer
Karkasseinlage und schulterseitig mit zumindest einem zwischen der
Karkasseinlage, der jeweiligen Seitenwand und den Gürtellagen
angeordneten Schulterpolster sowie mit zumindest einem zwischen
den Randabschnitten benachbarter Gürtellagen eingefügten Gürtelpolster,
wobei die Gürtelpolster
und die Schulterpolster sowie die Seitenwände jeweils aus einer Kautschukmischung
hergestellt sind.
-
Beim
Gebrauch bzw. Betrieb eines Reifens wird durch die auftretenden
Walk- und Fliehkräfte
und durch die damit verbundenen dynamischen Verformungen in Folge
des Hystereseverlustes der vulkanisierten Gummimischungen im Reifen
thermische Energie entwickelt, die sich nur sehr schlecht abführen lässt. Insbesondere
in der Nähe
der Gürtelkanten
tritt eine deutliche Wärmeentwicklung
mit einer erhöhten
Temperatur auf. Dies führt
zu einer Beeinträchtigung
der Reifenhaltbarkeit und Runderneuerungsfähigkeit des Reifens. Neben
den in Folge des Modulsprunges an den Festigkeitsträgerenden
(Gürtelkanten)
auftretenden hohen Verformungen und den damit einhergehenden mechanischen
Belastungen sind die Gürtelkanten
auch hohen strukturellen Belastungen ausgesetzt. Die Beanspruchungen
und Belastungen können
Gürtelkantenlockerungen
oder Gürtelkantenablösungen zur
Folge haben, die bis zu einer kompletten Gürtelablösung und damit zur Zerstörung des
Reifens führen
können.
-
Eine
Anzahl von Patenten bzw. Patentanmeldungen befasst sich mit der
Reduktion der Wärmeentwicklung
im Reifen. So ist es beispielsweise aus der DE-OS 1755301 bekannt,
die Temperaturentwicklung in Fahrzeugluftreifen und insbesondere
in den Laufflächen
zu verringern, indem der Fahrzeugluftreifen – und insbesondere seine Lauffläche – homogen
in den Kautschuk eingearbeitet Graphit enthält. Ein Laufstreifen, der in
seiner Gesamtheit aus einer Graphit enthaltenden Kautschukmischung
hergestellt ist, ermöglicht
somit durch seine verbesserte Wärmeleitfähigkeit
bei den früher üblichen
Diagonalreifen eine Erniedrigung der Temperatur in den Schultern
des Laufstreifens. Die Zugabe von Graphit in Kautschukmischungen
speziell für
Laufstreifen hat aber zur Folge, dass sich die Eigenschaften der
vulkanisierten Mischungen verändern.
Durch die Einmischung von Graphit in Kautschukmischungen für Laufstreifen
werden beispielsweise der Nassgriff, der Trockengriff und vor allem
der Abrieb negativ beeinflusst. Dies ist unter anderem auf die Gleiteigenschaften der
Graphitpartikel zurückzuführen.
-
In
der EP-A-1 031 441 wird zur effektiven Absenkung der Temperatur
von Gummimischungen in gürtelnahen
Bereichen von Fahrzeugluftreifen vorgeschlagen, am Profilrillengrund
und/oder im Bereich der Reifenschultern eine Gummimischung anzuordnen,
deren Wärmeleitfähigkeit
um mindestens 5 % höher
ist als die Wärmeleitfähigkeit
der sie umgebenden Gummimischungen. Zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit der Mischungen werden
neben Ruß Füllstoffe
wie Aluminium, Magnesium, Kupfer, Zinn, Nickel oder metallenthaltende
Substanzen, wie zum Beispiel Zinkoxid, Aluminiumhydroxid und dergleichen,
als Zuschlagstoffe vorgeschlagen.
-
Es
ist ferner bekannt, Acetylenruß als
Füllstoff
in Kautschukmischungen zu verwenden, um die Wärmeleitfähigkeit der Vulkanisate aus
diesen Mischungen zu erhöhen.
Die bekannten Ideen, die sich mit einer Reduktion der Temperatur
im Reifeninneren befassen, verfolgen das Ziel, die entstehende Wärme nach
außen abzuleiten,
und zwar dadurch, dass wärmeleitfähige Bauteile
derart im Reifen angeordnet werden, dass sie eine Wärmebrücke nach
außen
bilden. In diesem Zusammenhang wird beispielsweise auf die EP-A-1
526 154 verwiesen, wobei hier vorgeschlagen wird, zumindest einen
Teil der Seitenwand und/oder zumindest einen Teil jenes Wulstbereiches,
welcher in Kontakt mit der Felge tritt, aus einer Gummimischung
herzustellen, welche Acetylenruß enthält.
-
Ziel
der Erfindung ist es, die unerwünschten
Temperaturerhöhungen
im Bereich der Festigkeitsträgerenden
von Gürtellagen
wirkungsvoll zu reduzieren, ohne die Abrieb- oder die Rissbeständigkeit
des Reifens im Bereich des Laufstreifens oder der Seitenwand zu
beeinträchtigen.
-
Gelöst wird
die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass die Schulterpolster
und/oder die Gürtelpolster
eine Wärmeleitfähigkeit
aufweisen, die um mindestens 15% höher ist als die Wärmeleitfähigkeit der
Seitenwände.
-
Gemäß der Erfindung
werden daher komplett im Reifeninneren liegende Bauteile, also Bauteile,
die keine Wärmebrücke nach
außen
bilden, mit einer höheren
Wärmeleitfähigkeit
als die Seitenwände
versehen. Diese Maßnahme
ist mit einer Reihe von Vorteilen verbunden. Es ist bekannt, dass
die zur Erhöhung
der Wärmeleitfähigkeit
von Gummimischungen üblicher
Weise verwendeten Materialien, wie beispielsweise Acetylenruß oder Graphit,
die Abriebeigenschaften und die Rissbeständigkeit der Vulkanisate verschlechtern.
Ein verschlechterter Abrieb kann aber für die Seitenwandmischung keineswegs
in Kauf genommen werden, da die Gefahr von nicht tolerierbaren Anscheuerungen
der Seitenwände,
beispielsweise durch Bordsteinkanten, zu befürchten wäre. Völlig überraschend ist bei der Erfindung
jedoch, dass die in den Schulterbereichen an den Gürtelkanten
generierte Wärmeenergie
nicht durch bis nach außen
reichende Bauteile aus wärmeleitfähigen Mischungen
abgeführt
werden muss. Dies kann unter Anderem darauf zurückzuführen sein, dass die Wärmeentwicklung
bzw. das Auftreten von extrem hohen Temperaturen auf kleine lokale
Ausdehnungen beschränkt bleibt.
Die bisherige Vorstellung war, dass diese Wärme nach außen abgeführt werden muss, um den Reifen effektiv
zu kühlen. Überraschenderweise
hat sich nun gezeigt, dass eine innere Verteilung der im „Hot-Spot" auftretenden Wärme ausreichend
ist, um die Gürtelhaltbarkeit
und die Gürtelkantenhaltbarkeit
deutlich zu verbessern.
-
Auf
besonders einfache Weise wird eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit der Schulterpolster
und der Gürtelpolster
dadurch erreicht, dass diese aus Kautschukmischungen hergestellt
sind, welche Acetylenruß enthalten.
-
Gemäß der Erfindung
sind hingegen die Seitenwände
aus einer Kautschukmischung hergestellt, die entweder keinen Anteil
an Acetylenruß oder
maximal 15 Gewichtsteile Acetylenruß, bezogen auf 100 Gewichtsteile
Kautschuk in der Mischung, enthält.
-
Eine
besonders gute Wärmeverteilung
wird dadurch erreicht, dass die Schulterpolster und/oder die Gürtelpolster
zwischen 25 und 60 Gewichtsteile Acetylenruß, bezogen auf 100 Gewichtsteile
Kautschuk in der Mischung, enthalten.
-
Die
Rissfestigkeit der Schulterpolster und/oder Gürtelpolster wird dadurch positiv
beeinflusst, dass eine Kombination aus Acetylenruß und Furnaceruß und/oder Kieselsäure eingesetzt
wird, wobei der Anteil an Acetylenruß 40 bis 60% des gesamten Rußanteiles
bzw. des gesamten Füllstoffanteiles
betragen sollte.
-
In
diesem Zusammenhang sind bestimmte Typen von Furnacerußen besonders
geeignet, insbesondere Ruße
des Typs N 326 und des Typs N 339.
-
Die
Gürtelkanten
sind besonderen Beanspruchungen ausgesetzt und es ist daher von
Vorteil, wenn die Gummierungsmischungen der Gürtellagen keinen Acetylenruß oder höchstens
15 Gewichtsteile Acetylenruß,
bezogen auf 100 Gewichtsteile Kautschuk in der Mischung, enthalten.
-
Insbesondere
wenn die Gürtelpolster
und/oder die Schulterpolster in direkten Kontakt mit den Schnittkanten
der Stahlkorde in den Gürtellagen
gelangen, ist es von Vorteil, wenn die Mischungen für Gürtelpolster und
die Schulterpolster ein Stahlkordhaftsystem enthalten.
-
Die
Rissbeständigkeit
der Schulterpolster und/oder Gürtelpolster
kann dadurch günstig
beeinflusst werden, dass diese aus Kautschukmischungen hergestellt
sind, welche zwischen 55 und 100 Gewichtsteile Naturkautschuk, 0
bis 35 Gewichtsteile Butadienkautschuk und bis zu 10 Gewichtsteile
eines weiteren Kautschuks, jeweils bezogen auf 100 Gewichtsteile
Kautschuk in der Mischung, enthalten.
-
Von
Vorteil ist in diesem Zusammenhang auch die Maßnahme, in den Kautschukmischungen,
aus welchen die Schulterpolster und/oder die Gürtelpolster hergestellt werden,
den Anteil an Schwefel 0,5 bis 2,5mal so hoch zu wählen wie
den Anteil an Beschleuniger.
-
Es
können
auch bauliche Maßnahmen
getroffen werden, um einen direkten Kontakt der Schulterpolster
und/oder Gürtelpolster
zu den Festigkeitsträgern
in den Gürtellagen
zu vermeiden. So können
beispielsweise die Randabschnitte der Gürtellagen jeweils mit einem
Abdeckstreifen umhüllt
werden oder es können die
Randabschnitte der Gürtellagen
jeweils an ihrer Ober- und Unterseite mit einem Streifen bedeckt
werden, welche gemeinsam ebenfalls eine Umhüllung bilden. Auch in diesem
Fall ist es von Vorteil, wenn diese zusätzlichen Bauteile aus Kautschukmischungen
hergestellt sind, die keinen Acetylenruß oder maximal 15 Gewichtsteile
Acetylenruß,
bezogen auf 100 Gewichtsteile Kautschuk in der Mischung, enthalten.
-
Weitere
Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand
der Zeichnungen, die Ausführungsbeispiele
darstellen, näher
beschrieben. Dabei zeigen
-
1 bis 3 Teilquerschnitte
durch einen Reifen im Bereich des Laufstreifens und des Gürtels mit unterschiedlichen
Ausführungsvarianten
der Erfindung.
-
Sämtliche
Zeichnungsfiguren zeigen im Querschnitt einen der oberen Seitenwandbereiche
und den an diesen anschließenden
Laufstreifenbereich eines Nutzfahrzeugreifens. Der Reifen weist
einen Laufstreifen 9, eine Karkasseinlage 2, welche
insbesondere mit Stahlkorden als Festigkeitsträger versehen ist, eine luftdichte Innenschicht 1,
einen aus vier Lagen 3, 4, 5 und 6 bestehenden
Gürtelverband
und Seitenwände 10 auf,
von welchen die eine dargestellt ist. Zwischen den Randabschnitten
der Gürtellagen 3, 4,
der Karkasseinlage 2 und der Seitenwand 10 ist
ein Schulterpolster 11 eingebracht. Zwischen den Randabschnitten
der Gürtellagen 4, 5 ist
ein Gürtelpolster 12 positioniert.
Nicht dargestellte Reifenbauteile, beispielsweise die Wulstbereiche,
können
in bekannter Weise ausgeführt
sein.
-
Bei
der dargestellten Ausführungsform
weist die vierte, radial äußerste Gürtellage 6 die
geringste Breite von allen Lagen auf und ist die sogenannten Schutzlage,
die vergleichsweise weit von den Schulterbereichen des Reifens entfernt
endet. Die erste Gürtellage 3 ist
die sogenannte Sperrlage, die zweite Gürtellage 4 und die
dritte Gürtellage 5 sind
die sogenannten Arbeitslagen. Sämtliche
Gürtellagen 3, 4, 5 und 6 bestehen aus
in eine Gummimischung, der Gürtelgummierung,
eingebetteten Festigkeitsträgern
aus Stahlkord. Die Stahlkorde verlaufen in jeder der Lagen 3, 4, 5 und 6 jeweils
parallel zueinander, schließen
jedoch mit der Umfangsrichtung des Reifens einen Winkel ein. Dieser
Winkel beträgt
für die
Stahlkorde der vierten Gürtellage 6 im
Allgemeinen 5° bis
25°, für die Stahlkorde
der zweiten und der dritten Gürtellagen 4, 5 zwischen
15° und 25°, wobei die
Stahlkorde der Gürtellagen 4, 5 einander
kreuzen, und für
die Stahlkorde der ersten Gürtellage 3 zwischen
45° und
70°. Der
radial äußere Endabschnitt
der Seitenwand 10 überlappt
seitlich den Laufstreifen 9, welcher hier einteilig dargestellt
ist, jedoch auch aus einer Laufstreifencap und einer Laufstreifenbase
bestehen kann. Weitere Gürtelkonstruktionsvarianten
mit 3 bis 5 Gürtellagen
oder 4- oder 5-lagige Varianten mit Gürtellagenwinkeln ausschließlich zwischen
5° und 25° sind für einen
Einsatz möglich.
Auch Gürtelvarianten, bei
denen eine oder zwei Lagen ein Winkel von 0° bis 5° aufweisen, sind einsetzbar.
-
Gemäß der Erfindung
sind die Schulterpolster 11 und/oder die Gürtelpolster 12 aus
einer besonders wärmeleitfähigen Kautschukmischung
hergestellt. Die Wärmeleitfähigkeit
der Schulterpolster 11 und/oder der Gürtelpolster 12 soll
um mindestens 15 % höher
sein als die Wärmeleitfähigkeit
der ebenfalls aus einer Kautschukmischung hergestellten Seitenwände 10.
-
Die
höhere
Wärmeleitfähigkeit
der Schulterpolster 11 und/oder der Gürtelpolster 12 wird
bevorzugt durch den Einsatz von Acetylenruß als Füllstoff in den Kautschukmischungen
erzielt.
-
Acetylenruß wird durch
thermische Zersetzung von Acetylen hergestellt und zeichnet sich
durch eine hohe spezifische Oberfläche, einen überdurchschnittlichen Anteil
an graphitähnlichen
Strukturen und einen sehr niedrigen Gehalt an sauerstoffhaltigen
Gruppen aus. Acetylenruße
weisen in der Regel eine DBP-Zahl (Dibutylphthalat-Zahl) gemäß ASTM-D
2414 zwischen 150 und 260 cm3/100 g und
einen Jodadsorptionszahl gemäß ASTM-D
1510 größer 85 g/kg
auf. Die Teilchendurchmesser der Primärpartikel liegen zwischen 30
und 45 nm.
-
Die
größte Wirksamkeit
bei der Verteilung der Wärme
wird dann erreicht, wenn als Füllstoff
in den Kautschukmischungen für
die Schulterpolster 11 und/oder die Gürtelpolster 12 ausschließlich Acetylenruß eingesetzt
wird. Sehr gute Ergebnisse lassen sich mit Kautschukmischungen für die Schulterpolster 11 und/oder
die Gürtelpolster 12 erzielen,
deren Anteil an Acetylenruß zwischen
25 und 60 Gewichtsteile, bezogen auf 100 Gewichtsteile Kautschuk
in der Mischung, beträgt.
-
Im
Vergleich zu Mischungen mit Furnacerußen, die üblicher Weise eine Jodadsorption
von 64 bis 180 g/kg und eine DBP-Zahl von 70 bis 180 cm3/100
g aufweisen, wird die Rissanfälligkeit
von Kautschukmischungen erhöht,
wenn diese als Füllstoff
Acetylenruß beinhalten.
Je höher
die Wärmeleitfähigkeit
der Bauteile aus solchen Mischungen ist und je höher daher auch das Wärmeverteilungsvermögen dieser
Bauteile ist, umso niedriger ist die Rissfestigkeit der Mischung.
Es gibt jedoch ein Optimum bezüglich
der erreichbaren Wärmeverteilung
und der Rissfestigkeit solcher Bauteile. In Versuchen wurde der
Füllstoffgehalt
an Acetylenruß in
den Schulter- und den Gürtelpolstern 11, 12 variiert
und die Gürtelhaltbarkeit
ermittelt. Diese Versuche haben ergeben, dass ein Optimum an Gürtelhaltbarkeit
dann erreicht wird, wenn ein Füllstoffmix
aus Furnaceruß und/oder
Kieselsäure,
gegebenenfalls gemeinsam mit einem Organosilan, und Acetylenruß eingesetzt
wird. Der Anteil an Acetylenruß im
Verhältnis
zu dem oder den weiteren Füllstoff(en),
Furnaceruß und/oder
Kieselsäure,
liegt für
eine optimale Gürtelhaltbarkeit
bei 40-60%. Besonders günstig
für die
Rissbeständigkeit
ist die Verwendung von Furnacerußen der Typen N 326 und/oder
N 339.
-
Die
durch den Anteil an Acetylenruß in
den Schulterpolstern 11 und/oder den Gürtelpolstern 12 vorliegende
niedrigere Rissfestigkeit kann zum Teil durch den Einsatz von Naturkautschuk
kompensiert werden. Dabei wird Naturkautschuk entweder als einzige
Kautschukkomponente oder in einem Anteil von mindestens 55 Gewichtsteilen
eingesetzt, es kann jedoch auch eine zweite Kautschukkomponente,
insbesondere Butadienkautschuk, eingesetzt werden, da diese Kautschuktype
bei niedrigen Dehnamplituden eine hervorragende Rissfestigkeit und
Weiterreißfestigkeit
aufweist. Der Anteil an Butadienkautschuk sollte dabei nicht mehr
als 35 Gewichtsteile, bezogen auf 100 Gewichtsteile Kautschuk in
der Mischung, betragen. Neben den erwähnten Kautschuken, Naturkautschuk
und Butadienkautschuk, können
in der Mischung weitere Kautschuktypen in kleineren Mengen eingesetzt
werden, beispielsweise Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) oder Isoprenkautschuk
(IR), deren Gesamtanteil 10 Gewichtsteile, bezogen auf
100 Gewichtsteile in der Mischung, nicht überschreiten sollte. Da sowohl
die Gürtelpolster 12 als
auch die Schulterpolster 11 in direkten Kontakt mit Schnittkanten
der Stahlkorde in den Gürtellagen 3, 4, 5, 6 gelangen,
ist es günstig,
die Mischungen für
die Polster 11, 12 mit einem Stahlkordhaftsystem
auszurüsten.
Dabei können
die aus dem Stand der Technik bekannten Stahlkordhaftsysteme verwendet
werden, beispielsweise ein höherer
Anteil an Schwefel, der Zusatz von Cobaltsalzen in Kombination mit
Harzsystemen (beispielsweise Resorcinol, Hexamethylentetramin, Hexamethoxymelamin)
und ein Anteil an Kieselsäure,
wobei zusätzlich
in der Mischung Klebharze, wie Kolophonium oder Koresin, eingesetzt
werden können.
-
In
den Kautschukmischungen für
die Gürtelpolster 12 und/oder
die Schulterpolster 11 wird ferner bevorzugt als Vulkanisationssystem
ein Schwefel-Beschleuniger-System verwendet, bei dem der Schwefelanteil 0,5
bis 2,5 mal so hoch ist wie der Beschleunigeranteil. Als Schwefelspender
können
dabei beispielsweise Thiuramderivate oder Morpholinderivate verwendet
werden.
-
Die
Gummierungsmischungen für
die Gürtellagen 3, 4, 5,
und 6 sollten ferner keinen Acetylenruß enthalten oder einen Anteil
an Acetylenruß von
maximal 15 Gewichtsteilen.
-
Aufgrund
der geringeren Reißfestigkeit
von Gummibauteilen mit Acetylenruß als Füllstoff kann gemäß der Erfindung
durch besondere Maßnahmen
ein unmittelbarer Kontakt der Schulterpolster 11 und Gürtelpolster 12 zu
den Festigkeitsträgern
aus den Gürtellagen 3, 4, 5 vermieden
werden.
-
2 und 3 zeigen
Ausführungsvarianten
von Maßnahmen,
durch welche ein direkter Kontakt der Schulterpolster 11 und
der Gürtelpolster 12 mit
den Gürtellagen 3, 4, 5 vermieden
wird.
-
2 zeigt
eine Ausführungsform,
bei der die Randabschnitte der Gürtellagen 3, 4 und 5 jeweils
mit einem Abdeckstreifen 14, welcher als Wrap bezeichnet
wird, umhüllt
sind. Die Wraps 14 bestehen aus einer Gummimischung, die
keinen oder nur einen sehr kleinen Anteil an Acetylenruß von maximal
15 Gewichtsteilen enthält.
Eine weitere Alternative zeigt 3, hier
sind die Randabschnitte der Gürtellagen 3, 4 und 5 jeweils an
ihrer Ober- und
Unterseite mit einem Streifen 15, 16 aus derartigen
Gummimischungen bedeckt, welche gemeinsam eine Umhüllung ergeben.
-
Tabelle
1 enthält
Mischungsbeispiele für
Mischungen von Schulterpolster 11 und Gürtelpolster 12 mit und
ohne Einsatz Acetylenruß.
Die angegebenen Mengen sind Gewichtsteile (phr), die jeweils auf
100 Gewichtsteile Kautschuk in der Mischung bezogen sind. Die Mischungen
M1 bis M3 sind Schulterpolstermischungen, die Mischungen M4 bis
M6 Gürtelpolstermischungen.
Die Mischung M1 und die Mischung M4 enthalten keinen Anteil an Acetylenruß. Die Mischungen
M2 und M3 sind erfindungsgemäß ausgeführte Mischungen
für Schulterpolster,
die Mischungen M5 und M6 erfindungsgemäß ausgeführte Mischungen für Gürtelpolster.
Die Mischung MSW ist ein Beispiel einer üblichen Seitenwandmischung.
-
Aus
den Mischungen wurden Prüfkörper durch
Vulkanisation bei 160° C
hergestellt. Mit diesen Prüfkörpern wurden
einige für
die Kautschukindustrie typische Materialeigenschaften, deren Werte
in der Tabelle 2 enthalten sind, bestimmt. Für die Tests an den Prüfkörpern wurden
folgende Testverfahren angewandt:
- • Zugfestigkeit
bei Raumtemperatur gemäß DIN 53
504
- • Reißdehnung
bei Raumtemperatur gemäß DIN 53
504
- • Statischer
Modul (Spannungswerte) bei 100%, 200% und 300% Dehnung bei Raumtemperatur
gemäß DIN 53
504
- • Shore-A-Härte bei
Raumtemperatur und 70°C
gemäß DIN 53
505
- • Rückprallelastizität bei Raumtemperatur
und 70°C
gemäß DIN 53
512
- • Bruchenergiedichte
bestimmt im Zugversuch nach DIN 53 504, wobei die Bruchenergiedichte
die bis zum Bruch erforderliche Arbeit, bezogen auf das Volumen
der Probe, ist
- • Wärmeleitfähigkeit
mit dem Gerät
Kerntherm QTM-D3-PD3 der Firma Kyoto Electronics gemäß DIN 52 612
(Ausgangstemperatur Raumtemperatur)
-
-