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Die
Erfindung betrifft einen Fahrzeugluftreifen mit einem Laufstreifen,
dessen bodenberührender Teil aus zumindest einer Gummimischung
besteht.
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Auf
winterglatten Fahrbahnen, insbesondere auf Schnee- und Eisoberflächen,
sind zur Kraftübertragung vom Fahrzeugluftreifen auf den
Untergrund die Größe der Kontaktfläche
des Reifens zum Untergrund und die Ausgestaltung des Laufstreifenprofils
mit Griffkanten bestimmend. Die Größe der Kontaktfläche
wird üblicherweise durch die Weichheit der im Laufstreifen
verwendeten Gummimischung beeinflusst. Für gute Wintereigenschaften
des Reifens, insbesondere gute Eisreibungseigenschaften, sollte
die Anzahl der durch Einschnitte und Klötze zur Verfügung
stehenden Griffkanten möglichst hoch sein. Die Anzahl dieser
Griffkanten lässt sich jedoch nicht beliebig erhöhen,
da auf andere Eigenschaften des Reifens Bedacht genommen werden muss.
Die diesbezüglichen und auch bezüglich der Weichheit
der Gummimischung auftretenden Zielkonflikte bestehen vor Allem
beim Trockenhandling und hinsichtlich der Abriebseigenschaften des
Laufstreifens, sodass es in der Praxis bislang nicht möglich
war, den Reibbeiwert die Einstellung der Weichheit der Laufstreifenmischung
und die Anzahl der Einschnitte und Klötze im Profil des
Laufstreifens für einen alltagstauglichen Reifen beliebig
hoch einzustellen.
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Aus
der
EP-B-1 529 657 ist
es bekannt, Bauteile in Fahrzeugreifen mit einem oder mehreren Aktuatoren
zur Änderung der physikalischen Eigenschaften des Fahrzeugreifens
zu versehen, wobei die Aktuatoren Kohlenstoff-Nanoröhren aufweisen
und in das Material des Fahrzeugreifens integriert sein können.
Grundsätzlich soll dabei ein Fahrzeugreifen geschafften
werden, der flexibel an die jeweilige Fahrsituation anpassbar ist. In
diesem Zusammenhang wird hervorgehoben, dass die in den Aktuatoren
enthaltenen Kohlenstoff-Nanostrukturteilchen eine diamantartige
mechanische Stabilität bei einem Bruchteil der Dichte von
Stahl aufweisen und sie damit für die Anwendung in mechanischen
Bauteilen, insbesondere auch im Hinblick auf Leichtbauanwendungen,
besonders geeignet sind. Des Weiteren haben Kohlenstoff-Nanostrukturteilchen
die besondere Eigenschaft, bei Aufnahme oder Abgabe elektrischer
Ladungen ihre räumlichen Abmessungen zu ändern.
Dieses Verhalten eröffnet die Möglichkeit, die
Nanostrukturteilchen als Bestandteile von mechanischen Aktuatoren
in vorteilhafter Weise anzuwenden. Die Aktuatoren werden mit einer
Steuereinheit verbunden, welche die Aktuatoren anhand von Sensordaten
oder Benutzereingaben ansteuert. Die Steuereinheit kann in den Reifen integriert
sein oder sich außerhalb des Reifens befinden. Die Sensordaten
können von unterschiedlichen Sensoren gewonnen werden und
ebenfalls direkt in das Reifenmaterial integriert werden. Auf Basis
der gemessenen Werte legt die Steuereinrichtung fest, welche Spannung
in welchem Bereich des Fahrzeugreifens an die Aktuatoren angelegt
wird und optimiert auf diese Weise dynamisch das mechanische Verhalten
des Fahrzeugreifens.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, den Reibbeiwert der Gummimischung
des Laufstreifens eines Fahrzeugluftreifens auf Schnee- und Eisoberflächen
zu verbessern, um eine signifikant höhere Kraftübertragung
zwischen dem Fahrzeug bzw. dessen Reifen und winterglatten Fahrbahnen
zu erzielen, als es bisher möglich war. Eine höhere
Kraftübertragung ist mit einer Verkürzung des
Bremsweges, einer Verbesserung in der Seitenführung und
der Beschleunigung und sowie zusätzlichen Sicherheitsreserven
beim Handling verbunden.
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Gelöst
wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch,
dass die Gummimischung Kohlenstoff-Nanoröhren in einem
Anteil von 1 Teil (1 phr) bis zu 30 Teilen (30 phr), bezogen auf
100 Teile Kautschuk in der zugehörigen Ausgangskautschukmischung,
enthält.
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Die
Erfindung nützt eine besondere Eigenschaft der Kohlenstoff-Nanoröhren,
nämlich deren große Wärmeleitfähigkeit.
Diese beträgt in der Größenordnung von
6.000 W/mK, wobei eine übliche Gummimischung für
Laufstreifen eine Wärmeleitfähigkeit in der Größenordnung
von 0,17 W/mK aufweist. Da Kohlenstoffverbindungen in Form von Ruß ein
Bestandteil von Gummimischungen sind, lassen sich Kohlenstoff-Nanoröhren
problemlos in die vorhandenen Mischungskonzepte einbinden. Die Kohlenstoff-Nanoröhren
in der Gummimischung des Laufstreifens leiten die beim Reibprozess
entstehende Wärme gut ab. Damit steht der abgeleitete Anteil
an Reibungswärme nicht mehr der üblichen Wasserfilmbildung
zwischen Reifen und Fahrbahn zur Verfügung. Im Laufstreifengummi
erwärmt sich eine etwas dickere, aber immer noch sehr dünne Gummischicht
an der Reifenoberfläche, die nach dem Verlassen der Kontaktfläche
zum Untergrund einen rund zehnfachen Weg über den Reifenumfang
reibungslos durchläuft. Während dieser entsprechend
langen Zeitphase wird die aus der Kontaktzone übernommene
Reibungswärme aus der Oberfläche über
Konvenktion an die kalte Umgebungsluft in Folge der besseren Wärmeleitfähigkeit
des Gummis schnell abgegeben. Nachdem die Größe
der durch eine Wasserschicht hindurch übertragbaren Reibkraft
vor allem durch die Dicke dieser Schicht bestimmt wird, bewirkt
die nun zwischen Reifen und Fahrbahn entstehende dünnere
Wasserschicht eine bessere Kraftübertragung. Damit einher
gehen eine Verkürzung des Bremsweges, eine bessere Seitenführung,
eine bessere Beschleunigung und zusätzliche Sicherheitsreserven
beim Handling.
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Die
Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
näher beschrieben.
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In
der oder den Gummimischung(en) des bodenberührenden Teils
eines Laufstreifens eines Fahrzeugluftreifens, welcher zum Einsatz
unter winterlichen Fahrbedingungen, insbesondere auch auf Schnee- und
Eisoberflächen, vorgesehen ist, sind Kohlenstoff-Nanoröhren
enthalten. Es ist bekannt, dass Kohlenstoff-Nanoröhren
eine sehr große Wärmeleitfähigkeit in
der Größenordnung von 6.000 W/mK aufweisen, hingegen
weist eine übliche Gummimischung für den Laufstreifen
beispielsweise eine Wärmeleitfähigkeit von 0,17
W/mK auf. Die hohe Wärmeleitfähigkeit macht Kohlenstoff-Nanoröhren
besonders dafür geeignet, in der Gummimischung von Laufstreifen
eine deutliche Verbesserung des Reibbeiwertes auf Schnee oder Eis
zu bewirken. Ein Teil der zwischen dem Laufstreifen und dem Untergrund
wirkenden Reibkräfte wird durch viskose oder quasi – viskose
Reibung übertragen. Die Reibungswärme erzeugt
auf einer Schnee- oder Eisoberfläche eine sehr dünne
flüssige oder" quasi – flüssige" Schicht
mit einer Dicke in der Größenordnung von einigen
Nano- bis Micrometern. Diese dünne Schicht ist der maßgebliche
Grund für die niedrigen Reibbeiwerte von Reifen auf Schnee
und Eis, obwohl Schnee- oder Eisoberflächen rein mechanisch
betrachtet sehr hart sind und hochbelastbar sein können
und daher auch in der Lage sind, bei Verzahnung, etwa durch Schneeketten,
erhebliche Kräfte zu übertragen. Die Größe
der durch eine Wasserschicht hindurch übertragbaren Reibkraft
wird vor Allem durch die Dicke dieser Schicht bestimmt. Da die Wasserschicht
zwischen Laufstreifen und Untergrund (Eis, Schnee) durch Aufschmelzen
entsteht, hängt die Dicke der Wasserschicht maßgeblich
von der zugeführten sowie von der abgeführten
Reibungswärme ab. Erhöht man den abgeführten
Anteil an Wärme wird konsequenter Weise die Wasserschicht
dünner und die durch die Wasserschicht hindurch übertragbare
Reibungskraft größer. Die Größe
des abgeführten Anteils wird maßgeblich durch
die Wärmeleitung in der Gummimischung des Laufstreifens
des Reifens beeinflusst. Bei konventionellen, nach dem Stand der
Technik erstellten Laufstreifen ist im Laufstreifen nur eine geringe
Wärmeleitung möglich.
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Ist
nun ein hoch wärmeleitfähiges Material im Laufstreifen
des Reifens vorhanden, so wird die beim Reibprozess entstehende
Wärme mehr als üblich abgeleitet. Der abgeleitete
Anteil an Reibungswärme steht daher nicht mehr zur Bildung
einer Wasserschicht zur Verfügung. In der Kontaktfläche
des Laufstreifens zum Untergrund bleibt die Temperatur des schmelzenden
Eises nach wie vor in der Größenordnung von 0°C,
es wird jedoch weniger Schmelzwasser erzeugt. Durch den gemäß der
Erfindung besser wärmeleitenden Gummi im Laufstreifen wird
gegenüber üblichen Laufstreifen eine etwas dickere,
jedoch noch immer sehr dünne Gummischicht an der Oberfläche
des Laufstreifens erwärmt, da bei den schnellen Reibvorgängen
beim Abrollen des Reifens einzelne Profilteile bzw. Profilklötze
nur Bruchteile von Sekunden der Reibung zum Untergrund ausgesetzt
sind, bevor sie die Kontaktfläche wieder verlassen und
anschließend den rund zehnfachen Weg über den
Reifenumfang ohne Kontakt und daher reibungslos durchlaufen. Während
dieser vergleichsweise langen, "reibungslosen" Zeitphase wird die
vorher in der Kontaktzone zugeführte Reibungswärme
aus der Oberfläche des Laufstreifen an die kalte Umgebungsluft
in Folge der besseren Wärmeleitfähigkeit des Gummimaterials
des Laufstreifens schneller abgeben. Der Laufstreifen des Reifens
erwärmt sich daher nicht.
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Zum
Einmengen in die Ausgangskautschukmischung für den Laufstreifen
eines Fahrzeugluftreifens kommen Kohlenstoff-Nanoröhren
vom Typ Single-Wall oder vom Typ Multi-Wall in Frage. Der innere
Durchmesser der eingesetzten Kohlenstoff-Nanoröhren sollte
zwischen 2 nm und 10 nm, der äußere Durchmesser zwischen
1 nm und 20 nm betragen. Des Weiteren kommen Kohlenstoff-Nanoröhren
in Frage, deren Faserlänge zwischen 500 nm und 30.000 nm
beträgt.
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Die
Kohlenstoff-Nanoröhren werden in einem Anteil von 1 Teil
bis 30 Teilen, insbesondere 10 bis 20 Teilen, bezogen auf 100 Teile
Kautschuk in der Mischung, beigegeben. Es empfiehlt sich, zur Kompensation der
höheren Härte der Mischung, die durch die Kohlenstoff-Nanoröhren
verursacht wird, einen gewissen Ausgleich mit entsprechenden Weichmachern
vorzunehmen, beispielsweise durch die Verwendung mineralischer Öle
oder geeigneter Flüssigpolymere. Das Verhältnis
von Kohlenstoff-Nanoröhren zu eingesetztem Weichmacher
sollte in der Größenordnung von 1:1 bis 1:2, insbesondere
etwa 1:1,5, betragen.
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In
der nachstehenden Tabelle ist beispielhaft eine geeignete Winterlaufstreifenmischung
angegeben, in die Kohlenstoff-Nanoröhren eingearbeitet
sind.
| Bestandteile | Anteile | Bereiche
für die Anteile |
| Naturkautschuk | 20
phr | 5–80
phr |
| HIGH
CIS Butadienkautschuk | 50
phr | 5–80
phr |
| Styrolbutadienkautschuk | 41
phr | 5–50
phr |
| Ruß | 14
phr | 5–60
phr |
| Kieselsäure | 85
phr | 5–100
phr |
| Kohlenstoff-Nanoröhren | 20
phr | 1–30
phr |
| aromat. Öl | 29
phr | 10–40
phr |
| Alterungsschutzmittel | 2
phr | 1–5
phr |
| Ozonschutzwachs | 2
phr | 1–5
phr |
| Zinkoxid | 3
phr | 1–5
phr |
| Stearinsäure | 2
phr | 1–5
phr |
| Fettsäuren
und ZnO seifen | 5
phr | 1–10
phr |
| Silan | 6
phr | 0,1–15
phr |
| Vulkanisationsbeschleuniger | 3,8
phr | 1–5
phr |
| Schwefel | 2,1
phr | 1–5
phr |
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Die
Erfindung ist auf die beschriebenen Ausführungsformen nicht
eingeschränkt. Der Laufstreifenmischung können
weitere Zuschlagsstoffe, die die Wärmeleitfähigkeit
erhöhen, zugegeben sein. Die Kautschukmischung für
den 10 Laufstreifen kann andere Kautschuktypen enthalten und es
kann auf Kieselsäure verzichtet werden, wobei dann der
Rußanteil entsprechend erhöht wird. Durch den
Zusatz von Kohlenstoff-Nanoröhren erhöht sich
auch die elektrische Leitfähigkeit der Mischung, sodass
vorteilhafterweise Laufstreifenmischungen, die Kohlenstoff-Nanoröhren
enthalten, eine höhere elektrische Leitfähigkeit
aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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