DE2005493B2 - Vorrichtung zum steuern der waermezufuhr zu einer vulkanisierform - Google Patents

Description

Die E.rlindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern der Wärmezufuhr zu einer Vulkanisierform in Abhängigkeit von dem Vulkanisationsgrad des in tier Vulkanisierform befindlichen Erzeugnisses, mit einem in das Erzeugnis einführbaren Temperaturfühler, dem eine mit einem Rechner gekoppelte Additionseinrichtung zur feststellung des über die Zeit im Erzeugnis erreichten Vulkamsationsgrades zugeordnet ist. der der experimentell für das betreffende Erzeugnis ermittelten Summe \on Vulkanisationseinheiten entspricht.

Aus tier I)T-PS 1 1 b4 650 ist eine solche Vorrichtung bekannt, bei der die Temperatur in dem zu vulkanisierenden Körper gemessen und durch einen Multiplikator in einen Energiebetrag umgewandelt wird. Zur Zählung dieses I jiergicbetragcs ist ein auf an einer Probe ermittelte 'Xushäruingswerte einstellbarer Energiezahler vorgesehen, der zur Erzielung möglichst enger uleranzbeivichc durch eine elektronische Rechenanla· üc steuerbar ist. Hat der in dieser Vorrichtung als Additionseinnchtung wirkende Energiezähler einen \oilier festgelegten, einer bestimmten Summe von Vulkanisationscinheiien entsprechenden Wert erreicht, so wird die Wärmezufuhr abgebrochen.

Diese, den Stand der Technik repräsentierende Vorrichtung weist jedoch gravierende Nachteile auf. Zum einen handelt es sich um eine außerordentlich

kompliziert aufgebaute und schwierig einzustellende Anordnung, bei der die teils rechnerisch teils experimentell ermittelten Zusammenhänge zwischen im zu vulkanisierenden Körper gemessener Temperatur, den zu zählenden Energiebeträgen und den im zu vulkanisierenden Körper tatsächlich erreichten Vulkanisationseinheiten durch eine Vielzahl von speziell angefertigten und aufeinander eingestellten Skalen, Regelwiderständen und/oder mechanischen Getriebeanordnungen simuliert werden müssen. Aus diesem komplexen Aufbau ergibt sich neben den hohen Kosten und der im Produktionsprozeß viel zu schwierigen und umständli chen Handhabung der entscheidende Nachteil, daß der tatsächliche, im zu vulkanisierenden Körper ablaufende Vulkanisationsprozeß auf diese Weise nur innerhalb relativ weiter Toleranzgrenzen nachvollzogen werden kann.

Auf diesem Stand der Technik aufbauend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Steuerung der Wärmezufuhr zu einer Vulkanisierform der oben beschriebenen Art zu schaffen, die mit geringem apparativem Aufwand und bei einfachster Handhabbarkeit eine möglichst genaue, schädliche Über- oder Untervulkanisation ausschließende Steuerung des Vulkanisationspro/esses erlaubt.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor. daß der Rechner zur Speicherung experimentell ermittelter Beziehungen zwischen Zeit und Temperatur einerseits und den in dem betreffenden Erzeugnis andererseits sich ergebenden Vulkanisationseinheiten ausgebildet ist. daß der Temperaturfühler unmittelbar mit dem Rechner verbunden ist und daß die Additionseinrichtung im Rechner enthalten und /ur Addition der über die gespeicherte Beziehung errechneten Vulkanisaüonseinhciien ausgebildet ist.

Durch diese erfindungsgemäßc Anordnung wird zunächst einmal der außerhalb des zu verwendenden Rechners liegende, apparative Aufwand auf ein absolutes Minimum beschrankt. Darüber hinaus wird eine wesentliche Genauigkeitssteigerung dadurch erreicht, daß die bereits im Rechner umgerechneten Vulkanisationseinheiten addiert werden, wodurch es zu einer stufenlosen Integration der ermittelten Werte kommt. Auf diese Weise ist zu jedem Zeitpunkt des Vulkanisationspro/esses der momentan erreichte Vulkanisierzustand im Inneren des zu vulkanisierenden Körpers im Rechner verfügbar, so daß es ohne weiteres möglich ist. auf Grund dieser Information die Wärmezufuhr zur Vulkanisationsform in optimaler Weise zu steuern.

Der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt die Ober legung zugrunde, daß der Vulkanisationszustand durch Angabe einer Anzahl von Vulkanisationseinheil en festgelegt weiden kann, wobei eine Vulkanisationsein heil als diejenige Vulkanisation definiert ist. die an der Meßstelle in dem zu vulkanisierenden Körper erreicht wird, wenn dieser für eine Minute auf einer festgesetzten Be/uesiempcnitur gehalten wird.

Das Vulkanisierverfahren ist eine chemische Rcak tion, deren Geschwindigkeit von der Temperatur abhängt. Die Beziehung zwischen der Temperatur und der Reaktionsgeschwindigkeit kann experimentell bestimmt und durch die Arrhenius-Gleichung in folgender Weise ausgedrückt werden:

ex ρ

/; /I IX

R V/, T₁)

Dabei gilt:

g = universelle Gaskonsiante

£ = Aktivierungsenergie. Diese wird aas der Steigung der Kurve bestimmt, in der der Logarithmus der Zeit gegen den reziproken Wert der absoluten Temperatur aufgetragen ist. Eine Typische Zahl ist 20 kcal/mol

_f] ist die Zeu, in der der gewünschte Vulkanisationszustand bei einer konstanten Temperatur Tj erreicht wird.

,₂ ist die Zeit, in der derselbe Vulkanisationszustand bei einer anderen, konstanten Temperatur T₂ erreicht wird.

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Auf diese Weise kann, wenn die Zeil /_t zum Erreichen eines gewünschten Vulkanisationszustandes bei einer festgesetzten Bezugstemperatur bekannt ist. die Zeit lerechnet werden, die nötig ist. um denselben Vulkanisationszustand bei anderen Temperaturen zu :u irreichen.

Bei praktischen Vulkanisationen ist die tatsächliche Kautschuktemperaiur gewöhnlich nicht konstant. Jedoch kann die Vulkanisationszeit bei der Bezugstempe· Rmir 7:. die gleich der wirklichen Vulkan.siationszeit ti :-, fet. wahrend derer sich die Temperatur verändert hat. berechnet werden, wenn man ein Verfahren der numerischen Integration anwendet. Dieses bestem darin, daß die Zeit-Temperatur-Kurve für die wirkliche Vulkanisation in kleine Zeiteinheiten dt aufgeteilt wird. ;o da 13 die Durchschnittstempcratur wahrend des ZeitiniLTvalls dt geschätzt und auf die gleichwertige Vulkanisationszeit bei der Bezugstemperauir 71 übertragen wird. Diese kleinen Differentiale der Vulkanisation werden dann aufsumniiert. um die äquivalente ^ Ciesanm ulkanisalionszeit bei der Bezugstemperatur T. d. h. den Vulkanisationszustand zu ergeben.
Die Vulkanisations/eii bei 71 ist dann

-I«

Vvobei Γ die initiiere Temperatur wahrend jedes Zeitintervall* (//ist.

Anstelle der Arrhenius-Gleicnung können empirische Cileichungen angewendet werden, die für die beobachteten Daten geeignet sind. So /.. B.

« obei ('und ) Konstanten sind.

l-'iir eine ausgewählte Bezugstemperaiur von 162 C wird der Vulkanisations/ustand bei jeder Temperatur T nach einer verstrichenen Vulkanisations/eit von t Minuten als /· C-(Ti-162 C)V Vulkanisationseinheiieti ausgedrückt, wobei C und ) Konstanten sind. Der obige Ausdruck wurde experimentell bestimmt und ^;!i einen Beispiel für Natur- oder Svthetikkautschuk-Arnkcl gilt C - 2,nund Y = 18.

I.ine drille Alternative ist die l'oKnom Gleichung, die die Beziehung zwischen den Ligenschaftsänderungen einersc ts und der Temperatur ιιικΙ der Zeit andererseits atisdrikkt.

Durch die erlindungsgemaße Vorrichtung wird es möglich, den Vulkanisationszustand an dem betrachteten Punkt jederzeit durch Angabe einer Gesamtan/ahl Min Vi.ilkanisationseinheitcn zu berechnen und die Vulkanisation zu beenden, wenn der, einer vorherbestimmten Gesamtanzahl von Vulkanisationseinheiten entsprechende Vulkanisationsgrad erreicht wurde. Die Vulkanisationszeit, die eine definierte Anzahl von Vulkanisationseinheiten ergibt, variiert auch bei gleichen zu vulkanisierenden Gegenständen von Gegens.and zu Gegenstand: da die Vulkanisationstemperatur unvermeidbar variiert, muß auch die Vulkanisationsdauer variieren, damit sichergestellt ist, daß jeder zu vulkanisierende Körper den entsprechenden Anteil an Vulkanisationseinheiten erhält und daß der fertige, gekühlte Gegenstand nicht wesentlich über- cder untervulkanisiert ist.

Günstigerweise beginnt man mit der Bewertung des Verhältnisses von tatsächlicher Vulkanisaüonstemperatur zur vorherbestimmten Vulkanisations-Referenztemperatur nicht, bevor eine vorherbestimmte Mindesttemperatur am Meßpunkt erreich· ist. wobei z. B. eine derartige Mindesttemperauir für Natur- oder Synthetikkautschukmaterialien. wie sie in Luftreifen verwendet werden, bei 99^C C liegt.

Der gesamte Vulkanisationszustand w ird direkt durch Überwachung der örtlichen Temperatur tier Meßstelle als Funktion der Zeit berechnet. Es kann entweder die örtliche Temperatur an dieser Stelle in festgelegten Zeitintervallen aufgenommen und die entsprechenden Vulkanisationsdifferentiale, z. B. mittels eines Digitalrechners aufsumniiert werden, oder es wird die örtliche Temperatur dieser Stelle kontinuierlich als Funktion der Zeit erfaßt und die Änderung des gesamten Vulkamsationszustandes in jedem Augenblick mittels einer Analoganordnung integriert, so daß in jedem Zeitpunkt der akkumulierte VulLinisationszustand verfügbar ist.

Alternativ hier/u kann der gesamte Vulkanisations/ustand indirekt durch Liberwachen der örtlichen Temperatur der Meßstelle als Funktion der Zeit bercichnet werden. Die lokale Temperatur der Meßstelle kann entweder in festgesetzten Zeitinters allen oder kontinuierlich als Funktion ocr Zeit registriert werden. Die Abweichung son einer vorbestimmten idealen Temperatur-Zeii-Veiänderung kann in gleichmäßigen Intel vallen bzw. kontinuierlich bestimmt werden und es kann eine entsprechende Korrektur durch eine zugeordnete Einstellung der Warme/iihih rung vorgenommen werden, so daß der gesamte Vulkanisationszusland bezüglich der idealen Temperatur-Zcit-Veränderung berechnet werden kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erl'indungsgemäßen Anordnung sehen vor. daß der Tempera tu rl ü hler in einem im wesentlichen geradlinig durch die Wand der Vulkanisierform führenden Kanal angeordnet im. daß der Temperaturfühler von einer verstärkenden I lulle umschlossen ist. daß diese Hülle aus rositieiem Stahl besteht und daß der Temperaturfühler selbst aus einem Thermoelement besteht.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise .111 I land der Zeichnung beschrieben.

Gemäß der einzigen Figur soll ein Luftreifen 1 tür ein Kraftfahrzeug i-elormt und vulkanisiert werden Der fertige Luftreifen I hat die Große 5.20- I j und ist mit einer Diagonal-Karkasse 2 versehen, die \ier Verstäikungslagen und einen I.aufstreifen 5 aulweist. I in flacher Reifenrohling wird auf einer zerlegbaren, zylindrischen Reil'enaulhauforrn hergestellt und dann in eine Vulkanisierform 4 übertragen. Die Vulkanisicrform 4 ist dampfbeheizt. Ein gradliniger Kanal 5 ist in der Formwand in einer Lage vorgesehen, die dem unteren .Schulterbereich ties /u formenden Luftreifens I

entspricht, wobei der Kanal 5 das Äußere der Vulkanisierlorm 4 mit dein Formhohlraiim verbindet.

Dur Kanal 5 nimmt einen Temperaturfühler 6 auf, der lest an einem Formsegment 7 in einem derartigen Winkel angebracht ist, daß die beim Formen und Herausnehmen des Luftreifens 1 auftretenden Kräfte auf ein Mindestmaß reduziert sind. Der Temperaturfühler 6 weist ein Thermoelement 8 auf. das mit einer rostfreien Hülle 9 uns Stahl von I mm (Durchmesser mit (nicht gezeigter) Mineralisolierung umhüllt ist. um die Thermoelementdrähtc elektrisch und thermisch von der Hülle 9 zu isolieren, wobei das Thermoelement 8 über den größten Teil seiner Länge mittels einer Hülle 10 aus Stahl von 1.5 mm Durchmesser verstärkt wird, um die notwendige Festigkeit zu geben. Der Temperaturfühler 6 hat eine kleine Lötstelle 11, die an seinem Ende angebracht ist. Die verwendete Mineralisolation ist Magnesiumoxid.

F.in Thermoelement 12 ist in der Zeichnung mit gestrichelten Linien gezeigt, um eine mögliche alternative Lage für das Thermoelement 8 zu veranschaulichen.

Die über die Lötstelle 11 des Thermoelements 8 erzeugte EMK wird der Fingangsseite eines entsprechend programmierten Analogrechners zugeführt, so daß die durch das Thermoelement 8 angezeigte Temperatur als eine kontinuierliche Funktion der Zeit überwacht werden kann. Der Analogrechner ist betriebsbereit mit der Wärmezufuhr verbunden und steuert den Formöffnungsmechanismus.

Im Betrieb wird die Vulkanisierform 4. nachdem ein Reifenrohling innerhalb der Vulkanisierform 4 in die richtige Lage gebracht wurde und nachdem man sie mit einer dampfbeheizten Zwischenlage versehen hat, geschlossen, während der Luftreifen 1 auf die Toroidlorni des fertigen Reifens gebracht wird. Der Formhohlraum ist in dem Bereich, der den Laufstreifen des Luftreifens 1 formt, mit einer formgebenden Matrix versehen, die Vorsprünge enthält, um das erwünschte l.aulflächenmuster in den Laufstreifen zu formen.

Der Temperaturfühler 6 wird nach dem Formen innerhalb des unteren Schulterbereichs des noch \ ulkanisierbaren geformten Luftreifens 1 eingelassen, u ie es in der Zeichnung dargestellt ist.

Der untere .Schullerbereich eines Diagonal-Reifens w ircl als ein geeigneter Bereich für die Temperatur-Zeit-Bestimmung angesehen, da dies der Bereich des Luftreifens 1 ist. der den niedrigsten Vulkanisationszustand zu der Zeit des Entfernens aus der Vulkanisierform 4 hat. Es sollte jedoch beachtet werden, daß dies nicht immer für Radialreifen gilt, für die angenommen wird, daß der Wulstbereich dieses Reifentyps der geeignetere Bereich für die Beobachtung des Luftreifens 1 ist.

Die örtliche Temperatur im Schulterbereich des Luftreifens 1 wird als eine kontinuierliche Funktion der Zeit überwacht, wobei die Änderung des gesamten Vulkanisationszustandes kontinuierlich durch den Analogrechner integriert wird. Wenn eine vorher bestimmte Gesamtänderung im Vulkanisationszustand erreich; ist. betätigt der Analogrechner eine Ventilvorrichu-r-v slit- ;^:=~ n^-pfjyfiinr beendet, ir. dk^ciü Augenfcüek Detätigt der Analogrechner ferner eine Formöffnungsvorrichtung und der fertige Luftreifen 1 wird herausgenommen.

Die Vulkanisierform 4 wird mit einem anderen Reifenrohling beschickt und dann geschlossen, und der Analogrechner übernimmt wieder die Steuerung des Vulkanisationszyklus.

Bei einer Abwandlung der obigen Ausführungsform wird eine Zwillingslorm angewandt.

Zwei Reifenrolilinge werden in dl·· beiden Teile der Vulkanisierform gegeben. Diese wird \erschlossen und die Reifenrohlinge werden geformt, wobei jeder Reifenrohling mit einem Temperaturfühler, wie in der vorhergehenden Ausführungsl'orm beschrieben, \crse hen ist. In diesem Beispiel werden jedoch beide Temperaturfühler mit dem Analogrechner verbunden. wobei der Analogrechner beide Signalserien erhält. aber nur Signale von dem Luftreifen auswählt, der. wenn er aus der Vulkanisierform am Ende des Vulkanisationszyklus herausgenommen wird, den niedrigeren Vulkanisationszustand hat, wobei die Bestimmung des gesamten Vulkanisationszustandes auf diesen Ergebnissen beruht. In allen anderen Beziehungen ist die Methode ähnlich der in der vorhergehenden Ausführungsform beschriebenen.

Verschiedene Vuikanisaiionszyklen werden für verschiedene Reifenkonstruktionen verwendet, je nachdem ob sie z. B. Rayon-, Polyamid-b.b, oder Slahlfäden ir· Gürtel oder in der Karkasse haben.

Wenn /.. B. ein Luftreifen, der eine aus kau tsehukierien Rajon-C'ordfäden geformte Karkasse hat. vulkanisiert wird, wird das Öffnen der Vulkanisierforni eingeleitet, wenn der Vergleich der gemessenen Temperatur mit der Bez.ugstemperatur der Vulkanisation und der verstrichenen Zeit der Vulkanisation anzeigt, daß der Vulkanisationszustand so ist. dall sich nach Druckentlastung innerhalb der Vulkanisierforni keine porösen Stellen in dem Luftreifen entwickeln. Der entsprechende Vulkanisalions/ustand ist natürlich durch eine festgesetzte Anzahl \on in einem Programm vorgegebenen Vulkanisationseinheiten vorher festgelegt, das dem Analogrechner zugeführt wird, bevor der Vulkanisationszyklus eingeleitet wird.

Wenn jedoch eine aus kauischukienen PoUiniiid b.b-Cordlädcn geformte Karkasse vulkanisiert wird, ist es notwendig, den Luftreifen zu kühlen, bevor der Druck innerhalb der Vulkanisierforni zurückgenommen w ird. um eine Formänderung oder ein Schrumpfen des Luftreifens /u verhindern, während das Polyamid b.b. in einem heißen, plastischen Zustand ist. In diesem Fall wird die gemessene Temperatur des betrachteten Punktes wieder mit der Bezugstemperatur der Vulkanisation verglichen, und die verstrichene Zeil der Vulkanisation aufgezeichnet, bis der Analogrechner anzeigt.daß ein einwandfreier Vulkanisationszustand an diesem Punkt erreicht ist. Nach der Vollendung dieser Vulkanisation wird eine Kaltflutung innerhalb der Vulkanisierform begonnen, um den Luftreifen zu kühlen.

Wenn die Temperatur auf den erforderlichen Wert gefallen ist. wird das Öffnen der Vulkanisierform veranlaßt. Wieder wird ein einwandfreier Vulkanisationszustand durch eine festgesetzte Anzahl von Vulkanisationseinheiten in einem Programm vorgegeben, das dem Analogrechner zugeführt wird, und zusätzlich wird die geforderte niedrigere Temperatur in einem Programm vorgesehen, das dem Analogrechner zugeführt wird

für das Vulkanisieren einer kautschukienen Polyamid 6.6-Cord-Karkasse verwendet wird, ist keine Kaltflutung innerhalb der Vulkanisierform notwendig, da der (15 heiße Luftreifen aus der Vulkanisierform genommen, schnell auf eine Felge montiert, aufgeblasen und zum Kühlen im wesentlichen auf LJmgebungstemperatur gehalten wird. Bei einem derartigen Verfahren wird die

Bestimmung eines entsprechenden Vulkanisationszu-■tandes zum Ermöglichen eines sicheren Öffnens der Vulkanisierform in der gleichen Weise ausgeführt, wie ts für eine Rayon-Cord-Karkasse beschrieben wurde.

Wenn eine aus kautschukicrien Stahlfädcn geformte Karkasse vulkanisiert wird, ist es üblich, dem Luftreifen eine verlängerte Kaltflutung innerhalb der Vulkanisierform zu geben, um genau den gesamten Vulkanisationsbetrag zu steuern und damit eine ausreichende Gummi-Stahl-Verbindung sicherzustellen. In diesem Fall wird die Temperatur innerhalb des Luftreifens an einem Punkt gemessen, der durch die Verbindung

betreffende Überlegungen festgelegt ist, die verstrichene Zeit der Vulkanisation wird aufgezeichnet und wie im Fall einer Polyamid-6,6-Karkasse wird eine Kaltflutung eingeleitet, wenn ein einwandfreier Vulkanisationszu-

^c' stand erreicht ist. )cdoch wird bei Stahlfäden die Temperatur hierauf so lange gemessen, bis sie auf den erforderlichen Wert gefallen ist; zu diesem Zeitpunkt wird dann das Öffnen der Vulkanisierform eingeleitet.

Die Temperatur kann innerhalb des Luftreifens an

ίο zwei oder mehreren Stellen gemessen werden. Obgleich auf den Schulterbereich des Luftreifens Bezug genommen wurde, kann der betrachtete Punkt /.. B. am Scheite des Laufstreifens oder in einem Wulstbereich liegen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

't Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Steuern der Wärmezufuhr zu einer Vulkanisierform in Abhängigkeit von dem Vulkanisationsgrad des in der Vulkanisierform befindlichen Erzeugnisses, mit einem in das Erzeugnis einführbaren Temperaturfühler, dem eine mit einem Rechner gekoppelte Additionseinrichtung zur Feststellung des über die Zeit im Erzeugnis erreichten Vulkanisationsgrades zugeordnet ist, der der experimentell für das betreffende Erzeugnis ermittelten Summe von Vulkanisationseinheiten entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner zur Speicherung experimentell ermitteltei Beziehungen zwischen Zeit und Temperatur einerseits und den in dem betreffenden Erzeugnis andererseits sich ergebenden Vulkanisationseinheilen ausgebildet ist. daß der Temperaturfühler (6) unmittelbar mit dem Rechner verbunden ist und daß die Additionseinrichtung im Rechner enthalten und zur Addition der über die gespeicherte Beziehung errechneten Vulkanisationseinhehen ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (6) in einem im wesentlichen geradlinig durch die Wand der Vulkanisierform (4) führenden Kanal (5) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (6) von einer verstärkenden Hülle (9, 10) umschlossen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, dall die Hülle (9, 10) air rostfreiem Stahl besteht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (b) aus einem Thermoelement (8) besteht.