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Die Erfindung betrifft einen Fahrzugluftreifen, insbesondere für Nutzfahrzeuge, mit einer durch Festigkeitsträger verstärkten, zumindest einlagig ausgeführten Karkasseinlage, Wulstbereichen mit Wulstkernen, Seitenwänden, einem mehrlagigen Gürtel und einem Laufstreifen mit auf die maximale Profiltiefe reichenden 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,
wobei zumindest in den beiden seitlichen, den Reifenschultern benachbarten Bereichen zwischen dem Laufstreifenoberteil und dem Laufstreifenunterteil ein Laufstreifenmittelteil vorgesehen ist.
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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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Ein für Nutzfahrzeuge vorgesehener Fahrzeugluftreifen der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der
JP H11 60 810 A bekannt. Der Laufstreifen dieses Fahrzeugluftreifens setzt sich in radialer Richtung aus einem Laufstreifenoberteil, einem Laufstreifenmittelteil und einem Laufstreifenunterteil zusammen, wobei die Gummimischung des Laufstreifenunterteils einen kleineren tan δ aufweist als die Gummimischung des Laufstreifenoberteils. Ein solcher Reifen soll gute Abriebeigenschaften und eine gute Hitzebeständigkeit aufweisen.
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Ferner ist aus der
JP 2003 237 313 A ein Fahrzeugluftreifen mit einem Laufstreifen mit einem die Profilierung enthaltenden Laufstreifenoberteil und einem Laufstreifenunterteil bekannt. Die Gummimischung des Laufstreifenunterteils weist einen tan δ bei 60° von höchstens 0,05 auf.
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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 dass das Laufstreifenmittelteil aus einer Gummimischung mit einer gegenüber der Gummimischung des Laufstreifenoberteils höheren Wärmeleitfähigkeit besteht.
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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 Profilrillen 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 Gummimischung des Laufstreifenmittelteils liegt bei 0,3 bis 0,5 W / mK.
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Auf besonders einfache Weise lässt sich die Wärmeleitfähigkeit der Gummimischung des Laufstreifenmittelteils in erwünschter Weise erhöhen, wenn die Gummimischung 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
- 1 einen radialen Teilschnitt durch einen Fahrzeugluftreifen und
- 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 SiO2 (Silika). 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:
- Tan δ:
- Entsprechend DIN 53513, die in der Tabelle angegebenen Werte wurden bei 60°C und 10Hz gemessen.
- Wärmeleitfähigkeit:
- 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.
- Youngs-Modulus:
- 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.
- Abrieb:
- 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.
Tabelle 1:
| | Mischung A | Mischung B | Mischung C | Mischung D | Mischung E |
| Bestandteile | | | | | |
| Polymer | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| Ruß | 50 | 35 | | | 35 |
| Acetvlenruß | | 15 | 50 | | |
| Silika | | | | 50 | 12 |
| ZnO | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 |
| Beschleuniger | 1 | 1 | 1 | 2 | 1 |
| Schwefel | 1,5 | 1,5 | 1,5 | 2 | 2,5 |
| Verarbeitungshilfsmittel und Alterungsschutzmittel | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 |
| |
| | Mischung A | Mischung B | Mischung C | Mischung D | Mischung E |
| tan δ | 0,112 | 0,096 | 0,092 | 0,068 | 0,058 |
| Wärmeleitfähigkeit [W / mK] | 0,267 | 0,347 | 0,387 | 0,233 | 0,251 |
| Youngs-Modulus [MPa] | 3,76 | 3,54 | 3,53 | 4,94 | 3,96 |
| Abrieb | 100 (Referenz) | 90 | 80 | 60 | 70 |
Tabelle 2:
| | Prüfreifen 1 | Prüfreifen 2 | Prüfreifen 3 | Prüfreifen 4 | Prüfreifen 5 | Prüfreifen 6 |
| Laufstreifenoberteil | Mischung A | Mischung A | Mischung A | Mischung A | Mischung A | Mischung A |
| Laufstreifenmittelteil | Mischung A | Mischung B | Mischung C | Mischung C | Mischung C | Mischung A |
| Laufstreifenunterteil | Mischung D | Mischung D | Mischung D | Mischung E | Mischung C | Mischung A |
