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Die
Erfindung betrifft einen Fahrzugluftreifen, insbesondere für Nutzfahrzeuge
mit einer durch Festigkeitsträger
verstärkten,
zumindest einlagig ausgeführten
Karkasseinlage, Wulstbereichen mit Wulstkernen, mit Seitenwänden, einem
mehrlagigen Gürtel
und einem Laufstreifen mit Profilrillen, wobei der Laufstreifen
ein mit dem Untergrund in Kontakt tretendes Laufstreifenoberteil
und ein Laufstreifenunterteil aufweist, dessen Gummimischung einen
kleineren tan δ aufweist
als die Gummimischung des Laufstreifenoberteils.
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Die
Laufleistung eines Fahrzeugluftreifens wird im Allgemeinen durch
das Abriebverhalten des Laufstreifenoberteils bestimmt. Das zum
Abrieb zur Verfügung
stehende Volumen des Laufstreifenoberteils gibt die erzielbare Laufleistung
vor. Dieses Volumen lässt
sich nicht beliebig erhöhen,
da ab einer bestimmten Laufstreifendicke bzw. Profiltiefe die Gürtelhaltbarkeit
vermindert wird. Der Laufstreifen erzeugt während des Betriebes (Abrollens)
eines Fahrzeugluftreifens Wärme
und fungiert gleichzeitig als Isolator, welcher verhindert, dass
ein Wärmetransfer
vom Reifeninneren an die Umgebung stattfinden kann. Je größer die
Dicke des Laufstreifens ist, umso höher wird die Temperatur an
den Gürtelkanten.
Zu hohe Temperaturen führen
aber zu Rissbildungen an den Gürtelkanten
und können
letztendlich zum Ausfall des Reifens durch Abtrennung des Gürtels führen.
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Üblicher
Weise sind Fahrzeugluftreifen – sowohl
PKW als auch LKW Reifen – mit
einem zweiteiligen Laufstreifen versehen, welcher aus einem Laufstreifenoberteil
aus einer hinsichtlich Abrieb optimierten Gummimischung und einem
Laufstreifenunterteil aus einer hinsichtlich Hysterese optimierten
Gummimischung besteht. Ein Maß für die Hysterese
einer Mischung ist bekannter Weise der tan δ, welcher bei geringem Wärmeaufbau
niedrig ist. Die Reduzierung von Hysterese-Verlusten im Laufstreifenunterteil wird
vor allem dadurch erreicht, dass der Mischung in geringer Menge
ein Füllmaterial
und/oder Füllmaterial
mit einer niedrigeren Aktivität
als jener von Standardruß zugesetzt
wird. Mit der erzielbaren geringeren Hysterese geht jedoch ein stark verschlechtertes
Abriebverhalten einher. Aus diesem Grund wird die Dicke des Laufstreifenunterteils
meistens sehr gering gewählt,
um einen Kontakt desselben mit der Straße bei fortschreitender Laufleistung
und fortschreitendem Abrieb auf alle Fälle zu unterbinden. Da auch
unregelmäßiger Abrieb
bei der Auslegung eines Laufstreifens berücksichtigt werden muss, wird
die theoretisch mögliche
maximale Dicke des Laufstreifenunterteils nicht vollständig genützt, wodurch
die maximal mögliche
Profiltiefe und somit das maximal für Abrieb zur Verfügung stehende
Volumen des Laufstreifenoberteils nicht erreicht werden kann.
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Es
ist ferner bekannt, dass sich die Wärmeleitfähigkeit einer Gummimischung
dadurch verbessern lässt,
dass der Mischung Acetylenruß zugesetzt
wird oder dass der Standardruß komplett
oder teilweise durch Acetylenruß ersetzt
wird. Derartige Mischungen haben ein etwas schlechteres Abriebverhalten
als eine für Laufstreifenoberteile übliche Mischung
und sind auch teurer als Standardmischungen. Würde man Laufstreifenoberteile
aus Mischungen mit einer höheren
Wärmeleitfähigkeit
fertigen, wäre
es zwar möglich,
die Laufstreifendicke zu erhöhen,
also ein größeres Abriebvolumen
zur Verfügung
zu stellen, aber der Abrieb würde auf
Grund der schlechteren Abriebeigenschaften einer wärmeleitfähigeren
Mischung schneller erfolgen. Ein etwaig erzielbarer Laufleistungsgewinn
stünde
somit in keinem Verhältnis
zu den Mehrkosten.
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Aus
der
EP 1 031 441 A2 ist
ein Fahrzeugluftreifen bekannt, bei dem im Laufstreifen partiell
eine Mischung mit erhöhter
Wärmeleitfähigkeit
eingesetzt wird. Dabei ist vorgesehen, in unmittelbarer Nähe des Profilrillengrundes
und der diesem benachbarten Teile der Rillenflanken eine Gummimischung
höherer
Wärmeleitfähigkeit
vorzusehen, die zumindest den Raum zwischen dem Grund der Profilrille
und der radial äußeren Lage des
Gürtels
im Wesentlichen ausfüllt
und im Neuzustand des Reifens keinen Kontakt mit der Fahrbahn hat. Alternativ
dazu kann eine Gummimischung mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit in den Reifenschulterbereichen
angeordnet werden, wobei diese Gummimischung mindestens teilweise
mit der unterhalb des Laufstreifens befindlichen Gürtelverstärkung in
Verbindung steht, aber mit der Fahrbahn ebenfalls nicht in Kontakt
kommt, da sie sich in axialer Richtung erstreckt.
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Aus
der deutschen Patentschrift 17 55 301 ist ein Fahrzeugluftreifen
mit einer verbesserten Wärmeleitfähigkeit
in der Laufflächenmischung
bekannt, wobei diese Mischung homogen eingearbeiteten Ruß und als weiteren
Füllstoff
5 bis 15 Gewichtsteile Graphit, bezogen auf 100 Gewichtsteile Kautschuk
in der Mischung, enthält.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, bei einem Reifen der eingangs
genannten Art die Laufstreifendicke und somit die Laufleistung erhöhen zu können ohne
die Temperatur an den Gürtelkanten
zu erhöhen
und ohne die Gürtelhaltbarkeit
zu reduzieren. Die getroffenen Maßnahmen sollen dabei eine einfache Herstellung
des Reifens gewährleisten.
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Gelöst wird
die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass zumindest in
den beiden seitlichen, den Reifenschultern benachbarten Bereichen
zwischen dem Laufstreifenoberteil und dem Laufstreifenunterteil ein
Laufstreifenmittelteil aus einer Gummimischung mit einer gegenüber der
Mischung des Laufstreifenoberteils höheren Wärmeleitfähigkeit vorgesehen ist.
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Der
gemäß der Erfindung
zumindest in den seitlichen Bereichen aus drei Teilen bestehende
Laufstreifen gewährleistet
eine optimale Laufleistung durch ein maximales Abriebvolumen in
Verbindung mit geringen Temperaturen an den Gürtelkanten. Die Gesamtdicke
eines erfindungsgemäß ausgeführten Laufstreifens kann
höher sein
als jene herkömmlich
ausgeführter
Laufstreifen ohne eine Temperaturerhöhung an den Gürtelkanten
befürchten
zu müssen.
Sollte das Laufstreifenmittelteil aus der wärmeleitfähigeren Mischung bei hohem
oder ungleichförmigem
Abrieb in Kontakt mit der Straße
kommen, so führt
dies nicht zu einem übermäßig hohen
Abrieb, da die wärmeleitfähige Mischung
ein relativ gutes Abriebverhalten aufweist. Die Kombination aus
einer wärmeleitfähigeren
Mischung im Laufstreifenmittelteil und einer einen kleinen tan δ aufweisenden und
somit hinsichtlich Hysterese reduzierten Mischung im Laufstreifenunterteil
sorgt dafür,
dass die Dicke des Laufstreifenoberteils und damit auch das für den Abrieb
zur Verfügung
stehende Volumen bei einer bestimmten Temperatur an den Gürtelkanten
vergrößert werden
kann.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung erstreckt sich das Laufstreifenmittelteil zumindest
im Wesentlichen über
die gesamte Breite des Laufstreifenunterteils. Diese Ausführung ist
hinsichtlich der Wärmentwicklung
während
des Betriebes des Reifens besonders vorteilhaft, da die wärmeleitfähigere Mischung
auch im Laufstreifenmittelbereich vorhanden ist.
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Das
maximale Abriebvolumen steht insbesondere dann zur Verfügung, wenn
die bis auf die maximal vorgesehene Profiltiefe reichenden Rillen
innerhalb des Laufstreifenmittelteils enden.
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Die
bezüglich
einer Wärmegenerierung
besonders kritischen Bereiche sind die Bereiche der Gürtelkanten.
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sollten daher sämtliche
Laufstreifenteile in axialer Richtung über die Kanten der breitesten
Gürtellage
hinaus verlaufen.
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In
diesem Zusammenhang ist es auch von Vorteil, wenn das Laufstreifenoberteil
schulterseitig die Ränder
des Laufstreifenmittelteils und des Laufstreifenunterteils überdeckt.
Der Unterschied in der Wärmeleitfähigkeit
der Gummimischung des Laufstreifenmittelteils und des Laufstreifenoberteiles
kann in einem sehr breiten Bereich gewählt werden. Von besonderem
Vorteil ist es dabei, wenn die Gummimischung des Laufstreifenmittelteils
eine um 5 % bis 100 % höhere
Wärmeleitfähigkeit
aufweist als die Gummimischung des Laufstreifenoberteils. Auch die
Dicke des Laufstreifenmittelteils aus der Mischung mit der höheren Wärmeleitfähigkeit
hat Auswirkungen auf die Wärmegenerierung.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Dicke des Laufstreifenmittelteils
15 % bis 30 % der Dicke des Laufstreifenoberteils beträgt.
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Ein
besonders bevorzugter Bereich für
die Wärmeleitfähigkeit
der Mischung des Laufstreifenmittelteils liegt von 0,3 bis 0,5 W/mK.
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Auf
besonders einfache Weise lässt
sich die Wärmeleitfähigkeit
der Mischung des Laufstreifenmittelteils in erwünschter Weise erhöhen, wenn
die Mischung für
das Laufstreifenmittelteil als Füllstoff
Acetylenruß in
einem Anteil von 10 % bis 100 des gesamten Rußanteiles enthält.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nun anhand
der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel
darstellt, näher
beschrieben. Dabei zeigen
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1 einen
radialen Teilschnitt durch einen Fahrzeugluftreifen und
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2 ein
Diagramm über
rechnerisch ermittelte Prüfergebnisse.
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Der
in 1 schematisch dargestellte Fahrzeugluftreifen
weist einen für
Nutzfahrzeugreifen typischen Aufbau aus einer luftundurchlässigen Innenschicht 1,
einer mit Festigkeitsträgern
verstärkten
Karkasseinlage 2, einem Gürtel 4 aus einer Anzahl
von Lagen bestehend aus in Gummi eingebetteten, insbesondere metallischen
Festigkeitsträgern,
Wulstbereichen mit Wulstkernen 3, zwei Seitenwänden 5 und
einem Laufstreifen 6 auf. Die Karkasseinlage 2 verläuft über den
Zenitbereich und die Seitenwände 5 bis
in die Wulstbereiche, ist hier von axial innen nach axial außen um Wulstkerne 3 herumgeschlagen
und endet Hochschläge 2a bildend in
den Seitenwänden 5.
Bei einem Nutzfahrzeugreifen besteht der Gürtel 4 meist aus vier
Gürtellagen 4a.
Der radial außerhalb
des Gürtels 4 angeordnete
Laufstreifen 6 weist drei Schichten auf, nämlich ein
an den Gürtel 4 anschließendes Laufstreifenunterteil 6a,
ein Laufstreifenmittelteil 6b und ein Laufstreifenoberteil 6c,
welches die radial äußerste Schicht
bildet. Das Laufstreifenoberteil 6c ist profiliert, wobei
Profilrillen 7 vorgesehen sind, die bis auf die maximal
vorgesehene Profiltiefe reichen und im Laufstreifenmittelteil 6b enden,
sodass ihr Rillengrundbereich im Laufstreifenmittelteil 6b liegt.
Der den Rillengrund einschließende
Bereich der Profilrillen 7 reicht dabei etwa bis zur Mitte
des Laufstreifenmittelsteils 6b, welches aus einer Laufstreifenmischung
hergestellt ist, die eine Wärmeleitfähigkeit
aufweist, die um 5 % bis 100 % größer ist, als die Wärmeleitfähigkeit
des Laufstreifenoberteils 6c. Die Mischung für das Laufstreifenoberteil 6c ist
bevorzugt eine hinsichtlich Abrieb optimierte Mischung. Die bessere
Wärmeleitfähigkeit
der Mischung des Laufstreifenmittelteils 6b lässt sich
beispielsweise durch Beimengen von Acetylenruß oder durch einen zumindest
teilweisen Ersatz des Standardrußes durch Acetylenruß erreichen.
Das Laufstreifenunterteil 6a ist aus einer Mischung gefertigt,
welche hinsichtlich Hysterese-Verluste optimiert ist und daher einen
kleineren tan δ hat,
als die Gummimischung des Laufstreifenoberteils 6c. Der
tan δ der
Gummimischung des Laufstreifenunterteils 6a kann zwischen
0,03 und 0,15 (bei 60 ° C
und 10 Hz) betragen. Eine Verringerung der Hysterese-Verluste erreicht
man beispielsweise mit einer Mischung, welcher Füllstoffe oder Füllmaterialien
mit einer geringen Aktivität
und in relativ kleinen Mengen zugesetzt sind. Die geringe Hysterese
hat ein schlechtes Abriebverhalten zur Folge, was jedoch nicht von Bedeutung
ist, da das Laufstreifenunterteil 6a mit dem Untergrund,
der Straße,
selbst bei fortgeschrittenem Abrieb nicht in Kontakt kommt. Das
Teil 6b des Laufstreifens, welches aus der wärmeleitefähigen Mischung
hergestellt ist, kommt nur bei sehr unregelmäßigen Abrieb oder bei sehr
geringer Profiltiefe, wenn der Reifen schon so gut wie abgefahren
ist, in Kontakt mit der Straße.
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Da
hinsichtlich Wärmegenerierung
vorrangig die Gürtelkanten
kritisch sind, sollten zumindest in den seitlichen Bereichen des
Laufstreifens, die Gürtelkanten überdeckend,
Laufstreifenmittelteile gemäß der Erfindung
vorgesehen werden. Im Zenitbereich des Reifens kann die Mischung
des Laufstreifenoberteils 6c direkt an das Laufstreifenunterteil 6a angrenzen.
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Gemäß der Erfindung
wird somit zumindest in den schulterseitigen Bereichen der radial
innere Abschnitt des sonst üblichen
Laufstreifenoberteils durch je eine Schicht aus einer wärmeleitfähigeren
Mischung ersetzt. Diese Maßnahme
ermöglicht
es, die Dicke des Laufstreifens 6 insgesamt zu erhöhen ohne
eine Temperaturerhöhung
an den Gürtelkanten
zu bewirken.
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Sämtliche
Laufstreifenteile 6a, 6b, 6c, verlaufen über die
Ränder
der Gürtellagen 4a axial
hinaus, das Laufstreifenoberteil 6c deckt in den Schulterbereichen
die Teile 6a und 6b ab und bildet daher auch hier
die äußerste Schicht.
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Tabelle
1 enthält
Beispiele für
Gummimischungen, die in verschiedenen Kombinationen FEM-Berechnungen
von Reifen mit Laufstreifen aus diesen Mischungen zu Grunde gelegt
wurden. Die Anteile der einzelnen Mischungsbestandteile sind in
Gewichtsteilen, bezogen auf 100 Gewichtsteile Kautschuk in der Mischung, angegeben.
Die Polymerkomponente war in sämtlichen
Mischungsbeispielen Naturkautschuk, kann aber auch beliebig aus
den dem Fachmann für
die Herstellung von Laufstreifen für Fahrzeugluftreifen geläufigen Polymeren
und Polymerverschnitten gewählt
werden. Als weitere Mischungsbestandteile sind in den Mischungsbeispielen
die üblichen
Zusatzstoffe, wie Ruß,
Beschleuniger, Schwefel, Verarbeitungshilfsmittel und Alterungsschutzmittel
enthalten. Zwei der Mischungen enthalten als Füllstoff Kieselsäure. Die
Mischung A ist eine für
die radial äußerste Schicht
von Laufstreifen übliche
Rußmischung
mit einem Rußanteil
von 50 Gewichtsteilen, bezogen auf 100 Gewichtsteile Kautschuk in
der Mischung. Als Ruß kommt
einer der Standardruße,
beispielsweise ein Ruß der
Type N121, in Frage. In der Mischung B ist ein Teil des Standardrußes durch
Acetylenruß ersetzt
worden, sodass die Mischung B eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als die Mischung
A. Die Mischung B kommt daher insbesondere für das Laufstreifenmittelteil
in Frage. Die Mischung C enthält
keinen Standardruß sondern
ausschließlich
Acetylenruß.
In der Mischung D ist anstelle von Ruß als Füllstoff Kieselsäure enthalten.
Schließlich
enthält
die Mischung E Standardruß in
einem Anteil von 35 Gewichtsteilen und Kieselsäure in einem Anteil von 12
Gewichtsteilen. Es wird darauf verwiesen, dass weitere, dem Fachmann bekannte
Zusatzstoffe, beispielsweise ein Silankupplungsmittel, nicht gesondert
erwähnt
sind.
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Aus
den Mischungen A bis E wurden vulkanisierte Prüfkörper hergestellt, die zur Bestimmung
einiger Materialeigenschaften Tests unterzogen wurden. Die gemessenen
Werte für
diese Materialeigenschaften, die nach den folgenden Messverfahren
bestimmt wurden, sind ebenfalls in Tabelle 1 enthalten:
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Tan δ:
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Entsprechend
DIN 53513, die in der Tabelle angegebenen Werte wurden bei 60°C und 10
Hz gemessen.
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Wärmeleitfähigkeit:
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Entsprechend
DIN 52612, ein dünner
Heizdraht, der durch das Zentrum einer Probe führt, wird erhitzt; der Wärmefluß wird mittels
eines Thermoelements und einer Referenz bestimmt und daraus die
Wärmeleitfähigkeit
bestimmt.
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Youngs-Modulus:
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Eine
Dehnungs-Spannungs-Kurve der zu untersuchenden Probe wird aufgenommen,
wobei Dehnungen von –15
bis +30 % durchlaufen werden. Die Steigung dieser Kurve ergibt den
Youngs-Modulus.
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Abrieb:
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Grosch-Abrieb;
ein frei rollendes Prüfrad
mit der zu untersuchenden Mischung läuft auf einer rotierenden Schleifscheibe
unter einem eingestellten Schräglaufwinkel
bei vorgegebener Last, Geschwindigkeit und Strecke; bei verschiedenen
Prüfbedingungen
wird die Menge an abgeriebener Mischung als Maß für den Abrieb gemessen.
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Den
FEM-Berechnungen wurden Prüfreifen
1 bis 6 zu Grunde gelegt, deren Laufstreifen, wie aus Tabelle 2
ersichtlich, aufgebaut waren. Simuliert wurde ein Einsatz unter
100 % Last mit Normluftdruck, bei einer Geschwindigkeit von 80 km/h
und einer Außentemperatur
von 25°C.
Angenommen wurden dabei Laufstreifen, deren Laufstreifenoberteile
eine Stärke
von 10 mm, deren Laufstreifenmittelteile eine Stärke von 2,7 mm und deren Laufstreifenunterteile
eine Stärke
von 3 mm aufweisen.
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2 zeigt
in einem Balkendiagramm das Ergebnis der Berechnungen. Die Balkenhöhe ist proportional
zur Dauer der Haltbarkeit der Gürtelkanten,
wobei der Prüfreifen
1 mit dem derzeit üblichen
Laufstreifenaufbau als Referenz (Haltbarkeit 100 %) angenommen wurde.
Der Prüfreifen
6 mit einem einheitlich ausgeführten
Laufstreifen, weist die geringste Laufleistung, rund 80 %, auf.
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Bei
den Prüfreifen
2 bis 5 wurde ein Laufstreifenmittelteil vorgesehen, welches aus
einer Mischung mit höherer
Wärmeleitfähigkeit
besteht. Sämtliche
Prüfreifen
2 bis 5 besitzen daher auch eine höhere Laufleistung als der Referenzreifen,
der Prüfreifen
1. Ein Vergleich der Prüfreifen
2 bis 4 zeigt, dass die Laufleistung mit der Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit der Mischung für den Laufstreifenmittelteil
ansteigt. Hingegen bringt die Verwendung einer hoch-wärmeleitfähigen Mischung
sowohl im Laufstreifenunterteil als auch im Laufstreifenmittelteil
keinen Vorteil, wie es der Prüfreifen
5 zeigt, die erzielbare Laufleistung ist vergleichbar mit jener
des Referenzreifens, des Prüfreifens
1.
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Die
Berechnungen zeigen, dass die optimalste Anordnung jene ist, bei
der ein Laufstreifenunterteil aus einer Mischung mit einem geringen
Wärmeaufbau
und eine Laufstreifenmittelschicht, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit
und auch einen akzeptablen Abrieb besitzt, vorgesehen sind.
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