DE2939509C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Luftreifen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solcher Luftreifen muß einem Prüfdruck widerstehen, der ein Vielfaches des Aufblasdruckes im kaltem Zustand beträgt, der als Betriebsdruck bezeichnet wird und in den geltenden Normen und Vorschriften festgelegt ist. Andererseits müssen die gleichen Luftreifen in unbelastetem Zustand bei ihrem Betriebsdruck Raumabmessungen (größte axiale Breite, Außendurchmesser am Äquator und/oder an den Schultern) annehmen, die ebenfalls in den Normen oder Vorschriften festgelegt sind.

Es ist allgemein bekannt, daß bei einem Luftreifen mit radialer Karkasse, jedoch ohne Scheitelbewehrung, die Karkasse unter dem Einfluß des Aufblasdruckes ein Radialquerschnittsprofil annimmt, das als natürliches Gleichgewichtsprofil bezeichnet wird.

Dieses natürliche Gleichgewichtsprofil des Reifenquerschnitts entspricht der Gleichung

Dabei ist ϕ der Winkel, der von der Umlaufachse und einer Geraden gebildet wird, die das Gleichgewichtsprofil des Querschnitts an einer Stelle mit dem von der Umlaufachse des Reifens ausgehenden Radius R tangiert. R _e ist der Radius derjenigen Stelle, wo das Gleichgewichtsprofil des Querschnitts den größten axialen Abstand von der Äquatorialebene und eine Tangente hat, die zu der Äquatorialebene des Reifens parallel verläuft. Diese Äquatorialebene verläuft rechtwinklig zu der Umlaufachse und sie ist gleichzeitig eine Symmetrieebene des Gleichgewichtsprofils. R _s ist der Radius der Stelle des Gleichgewichtsprofils, die von der Umlaufachse den größten Abstand hat. Diese Stelle befindet sich im Schnittpunkt des Gleichgewichtsprofilquerschnittes mit der Spur der Äquatorialebene auf der Querschnitts- oder Radialebene, die das Gleichgewichtsprofil enthält.

Die vorstehende Gleichung zeigt, daß das natürliche Gleichgewichtsprofil des Querschnittes, welches die Karkasse allein für sich annimmt, wenn man von der Dehnbarkeit der Verstärkungselemente absieht, von dem Aufblasdruck unabhängig ist.

Die Scheitelbewehrung erteilt dem mit einer radialen Karkasse versehenen Luftreifen bestimmte Gebrauchseigenschaften. So umgürtelt die Scheitelbewehrung bei Luftreifen der betrachteten Gattung die Karkasse mit dem Ziel, ihr und damit dem Luftreifen bei einem dem Betriebsdruck entsprechenden Aufblasdruck Raumabmessungen (Durchmesser am Äquator und an den Schultern, maximale axiale Breite), welche den Normen oder Vorschriften entsprechen, zu erteilen. Die Umgürtelung wird üblicherweise, wie in der DE-OS 15 05 144 beschrieben, durch eine in Umfangsrichtung undehnbare Scheitelbewehrung bewirkt. Diese Scheitelbewehrung wird zwischen der Karkasse und dem verstärkten Laufstreifen angeordnet. Anstelle einer solchen Scheitelbewehrung kann auch ein Laufstreifen verwendet werden, der mit zusätzlichen Verstärkungseinlagen versehen ist, welche ihn in Umfangsrichtung weitgehend undehnbar machen.

Beim Aufblasen eines solchen Luftreifens gelangt die Scheitelbewehrung bzw. der Laufstreifen unter eine Umfangsspannung, die mit dem Aufblasdruck zunimmt. Diese Umfangsspannung T entspricht in erster Annäherung je Einheit der in axialer Richtung gemessenen Breite der Scheitelbewehrung der Gleichung T = . Bei dieser Gleichung ist D der Durchmesser der Scheitelbewehrung am Äquator und P der Aufblasdruck des Luftreifens.

Nun ist der Prüfdruck ein Mehrfaches des Betriebsdruckes. Die Scheitelbewehrung wird daher einer Prüfumfangsspannung ausgesetzt, die ein Mehrfaches, bei Flugzeugreifen beispielsweise das Vierfache, der Betriebsumfangsspannung beträgt. Setzt man bei der Berechnung der Festigkeit der Scheitelbewehrung gegenüber dem Prüfdruck (wobei es sich um das Produkt der Prüfspannung durch den gewählten Sicherheitskoeffizienten handelt) einen üblichen Sicherheitskoeffizienten ein, so gelangt man zu einer Scheitelbewehrung aus einer sehr hohen Anzahl von Verstärkungselementen und/oder -lagen, und zwar selbst dann, wenn Verstärkungselemente aus Materialien Verwendung finden, welche die höchsten Elastizitätsmodule haben. Nun wirken sich aber zu hohe Werte der radialen Stärke und/oder der Biegefestigkeit einer solchen Scheitelbewehrung ungünstig auf das Verhalten und/oder die Lebensdauer eines solchen Luftreifens aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Luftreifen der eingangs angegebenen Art dahingehend weiterzubilden, daß bei Verwendung einer gewöhnlich dimensionierten Karkasse seine gleichfalls gewöhnlich dimensionierte Scheitelbewehrung ohne Gefährdung dem Prüfdruck standhalten kann.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben.

Unter der Umfangslängung oder -dehnung der Scheitelbewehrung versteht man im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Änderung der abgewickelten Länge der elastischen Scheitelbewehrung, welche sich aus dem Aufblasen des Reifens von einem Druck nahe 10% des Betriebsdruckes auf einen höheren Druck ergibt. Dieses Längenänderung wird längs eines gedachten Äquatorialkreises gemessen, der sich auf der radial inneren Seite der Scheitelbewehrung des auf eine entsprechende Felge montierten, aber nicht belasteten Reifens befindet.

Die Längung der Scheitelbewehrung unter einem Aufblasdruck gleich dem Prüfdruck ist derart, daß die Karkasse sich in ihrem Querschnitt ungefähr auf ihrem natürlichen Gleichgewichtsprofil befindet und daß insbesondere der Äquatorialradius ungefähr dem Äquatorialradius R _s des natürlichen Gleichgewichtsprofils entspricht. Somit nimmt infolge der vorzugsweise begrenzten Dehnbarkeit der Verstärkungselemente der radialen Karkasse diese nahezu vollständig die Beanspruchung auf, die sich aus dem Aufblasen des Luftreifens auf seinen Prüfdruck ergeben. Daraus ergibt sich, daß die Umfangsspannung der Scheitelbewehrung ungefähr auf diejenige beschränkt bleibt, die der Gesamtausdehnung der Karkasse unter der Wirkung des Prüfdruckes entspricht. Daraus ergibt sich der Vorteil, daß die Festigkeit der Scheitelbewehrung und insbesondere deren Gewicht und Herstellungskosten vermindert werden können. Außerdem begünstigt die Dehnbarkeit der Scheitelbewehrung und die Verminderung ihrer Verstärkung die Ausdehnung der Karkasse nach ihrem natürlichen Gleichgewichtsprofil hin. Beim natürlichen Gleichgewichtsprofil entspricht die Spannung eines radialen Verstärkungselementes, beispielsweise eines Drahtes oder eines Kabels, der Karkasse der Gleichung

In dieser Gleichung bezeichnen P den Aufblasdruck, R _s und R _e die vorstehend bestimmten Radien, n die Anzahl der Verstärkungselemente gerechnet längs einer Parallelen, d. h. rechtwinklig zur Radialrichtung und π die Zahl 3,14.

Es ist an sich bereits aus der US-PS 34 04 720 bekannt, bei einem Luftreifen für Flugzeuge eine in Umfangsrichtung elastisch dehnbare Scheitelbewehrung zu verwenden, wobei der Durchmesser des auf der Felge montierten, unbelasteten Reifens am Äquator mit zunehmendem Aufblasdruck zunimmt, bis der Betriebdruck erreicht ist, während seine axiale Breite gleichzeitig abnimmt. Die Dehnbarkeit der Scheitelbewehrung hat aber lediglich die Funktion, eine Verstauung des Luftreifens im unaufgepumpten Zustand bei erheblich vermindertem Reifendurchmesser zu ermöglichen. Die Verstärkungselemente der Scheitelbewehrung bestehen aus vorkomprimierten Fäden, die in diesem Zustand vulkanisiert werden. Nachdem der Reifen aufgepumpt ist und seinen Betriebszustand erreicht hat, ist die Dehnbarkeit der Scheitelbewehrung erschöpft.

Weiterhin ist es aus der US-PS 31 95 602 an sich bereits bekannt, in einer Scheitelbewehrung eines Luftreifens für Straßenfahrzeuge dehnbare Kabel zu verwenden, um das Fahrverhalten und die Verschleißfestigkeit des Luftreifens zu steigern. Das Problem besonders hoher Prüfdrücke ist jedoch in dieser Druckschrift nicht angesprochen.

Schließlich ist auch die Verwendung einer im unvulkanisierten Zustand dehnbaren Scheitelbewehrung in Kombination mit einer radialen Karkasse an sich bereits bekannt. Man verwendet eines solche Scheitelbewehrung beispielsweise in gewissen Konfektionierungsverfahren. Bei diesen Verfahren legt man die Scheitelbewehrung auf die Karkasse auf, wenn sich diese im Zustand eines zylindrischen Rohlings befindet. Dann wird das Ganze zu einer Reifenform bombiert, und zwar entweder vor dem Einsetzen in die Vulkanisationsform oder in dieser. Die Dehnbarkeit der Scheitelbewehrung erhält man durch die Verwendung dehnbarer Verstärkungselemente oder durch die Verwendung von gewellten Scheitelelementen oder -lagen, deren Wellungen unter der Einwirkung der durch das Bombieren zur Reifenform hervorgerufene Längung verschwinden. Die Formbarkeit des nicht vulkanisierten Gummis erleichtert die Dehnbarkeit der Scheitelbewehrung.

Die Dehnbarkeit der Scheitelbewehrung bei dem Luftreifen gemäß der Erfindung bezieht sich aber auf dem Reifen im vulkanisierten Zustand. Sie setzt grundsätzlich die Elastizität der Scheitelbewehrung voraus, nämlich die automatische Rückkehr derselben zu ihrer Umfangslänge beim Betriebsdruck, sobald der Druck von dem Prüfdruck auf den Betriebsdruck gesenkt wird, worauf dann beim Absenken des Druckes auf das 0,1fache des Betriebsdruckes die Umfangslänge den Wert annimmt, den sie ursprünglich bei dem Druck vom 0,1fachen des Betriebsdruckes hatte. Dabei ist allerdings noch die Hysterese der bei der Herstellung der Verstärkungselemente verwendeten Materialien zu berücksichtigen. Die Änderung der Umfangslängung der Scheitelbewehrung ist eine Funktion der vorgeschriebenen räumlichen Abmessungen. Ausgehend von diesen Abmessungen (die übrigens bestimmten Toleranzen unterliegen), die zu gelten haben, wenn der Reifen auf seinen Betriebsdruck aufgeblasen ist, und ausgehend von den Abmessungen, nämlich der Breite und dem Durchmesser der entsprechenden Felge, wird der Querschnittsverlauf der radialen Karkasse, und somit die abgewickelte Länge der Karkasse bestimmt. Diese abgewickelte Länge beeinflußt dann die Änderung der Umfangslängung der Scheitelbewehrung unter der Wirkung des Prüfdruckes.

Die Mittel zur Erzielung dieser Dehnbarkeit sind zahlreich. Nachfolgend seien Beispiele genannt, die jeweils für sich oder in Kombination zur Anwendung kommen können.

Man kann einerseits Verstärkungselemente in verkabelter Form aus elastischen Textilmaterialien verwenden. Diese verkabelten Elemente haben relative Bruchdehnungen zwischen 10 und 40%. So gelangt man unter der Voraussetzung üblicher Verkabelungstorsionen bei verkabeltem Polyamid zu Bruchdehnungen bis zu etwa 40%, während man mit Polyester solche bis zu etwa 20% erreichen kann.

Andererseits können auch metallische Werkstoffe mit hohem Elastizitätsmodul, wie z. B. Stahl, Verwendung finden, aus denen man Verstärkungselemente in Form sogenannter elastischer Kabel nach der französischen Patentschrift 11 88 486 herstellen kann. Solche elastischen Stahlkabel haben eine relative Bruchdehnung von wenigstens 6%.

Man nutzt vorzugsweise die Elastizität der Verstärkungselemente einer oder mehrerer Scheitellagen aus, wenn diese Scheitellagen mit der Umfangsrichtung des Reifens keinen Winkel oder einen Winkel unter 20° bilden.

Man kann aber auch weniger elastische oder übliche Verstärkungselemente in Kombination mit Lagen verwenden, die mit der Umfangsrichtung des Reifens größere Winkel als 20° einschließen. Die Elastizität der vulkanisierten elastomeren Mischungen, welche die Verstärkungselemente der Lagen umhüllen, ermöglicht dann geeignete Längenänderungen der Scheitelbewehrung. Im Bedarfsfalle kann man die Verstärkungselemente mit elastomeren Mischungen umhüllen, deren Elastizitätsmodule im vulkanisierten Zustand kleiner sind als die Elastizitätsmodule der üblichen Mischungen (250 bis 850 daN/cm², gemessen bei 100% Dehnung).

Bei vorteilhaften praktischen Ausführungsformen der Erfindung ist der Luftreifen mit einer Karkasse versehen, deren Verstärkungselemente unter einem dem Prüfdruck gleichen Aufblasdruck wenig dehnbar sind. Dies erleichtert die Bestimmung des Verlaufs des natürlichen Gleichgewichtsprofils der Karkasse. Es ist jedoch auch möglich, den Gleichgewichtsprofilverlauf unter Berücksichtigung der Dehnbarkeit der radialen Verstärkungselemente der Karkasse zu bestimmen.

Verstärkungselemente der Karkasse, welche unter einer dem Betriebsdruck des Reifens entsprechenden Spannung gegenüber einer Null-Spannung eine relative Längung von weniger als 5% aufweisen, können im Rahmen der Erfindung als wenig dehnbare Verstärkungselemente angesehen werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Verstärkungselemente Stahldrahtkabel mit einer relativen Bruchdehnung von weniger als 2,5% sind.

Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Es handelt sich bei diesem Beispiel um einen Flugzeugreifen mit den genormten Abmessungen 30×8,8-15 Zoll oder 762×223-381 mm der Reihe VII (Normen der T. R. A. Tire and Rim Association), welcher auf einer Felge mit den Abmessungen 7×15 Zoll oder 178×381 mm montiert ist.

In der einzigen Figur der Zeichnung ist in verringertem Maßstab die linke Hälfte eines schematischen Radialschnittes 1 eines solchen Reifens dargestellt. Die rechte, nicht dargestellte Hälfte des Reifens ist in bezug auf die Spur ZZ′ der Äquatorialebene auf der Zeichenebene symmetrisch. Die in der Figur auch enthaltene Umlaufachse des Reifens ist mit YY′ bezeichnet.

Der bei dem Betriebsdruck vorgeschriebene äußere Umriß mit der halben axialen Maximalbreite B /2 und den Radien R′ _s an der Schulter bzw. R _s am Äquator ist durch die strichpunktierte Linie 2 angegeben.

Die Figur zeigt in einer radialen Querschnittsebene das Profil der Karkasse einmal bei 10% des Betriebsdruckes (Bezugszahl 30), das andere Mal bei dem Betriebsdruck (Bezugszahl 31) und schließlich bei dem Prüfdruck (Bezugszahl 32). Das Profil 32 entspricht etwa dem natürlichen Gleichgewichtsprofil des Querschnittes der Karkasse.

Der maximale Betriebsdruck eines Reifens mit den angegebenen Abmessungen liegt bei etwa 15,5 bar. Der Prüfdruck beträgt dann bei einem Luftreifen entsprechend einem "ply rating" von 18 etwa 62 bar.

Der Luftreifen 1 ist auf einer Felge 4 montiert, die am Wulstsitz 41 einen Radius R _j von 190,5 mm und eine Breite L von 178 mm hat. Diese Abmessungen ensprechen den üblichen Normen.

Die Karkasse 30, 31, 32 besteht aus drei Lagen von Polyamid-Kabeln 1880×6 (Bruchdehnung etwa 22% bei 80 daN). Nur ein Teil der drei Lagen 311, 312, 313 ist in der Stellung 31 gezeigt, welche die Karkasse bei dem Betriebsdruck einnimmt.

Die Anzahl der Verstärkungselemente einer Lage der Karkasse je Zentimeter beträgt auf der Höhe des Wulstkernes 5 acht.

Die auf der Karkasse aufliegende Scheitelbewehrung 6 wird von fünf Lagen 61, 62, 63, 64, 65 von Polyamidkabeln (Titer 1880×4; 7,5 Kabel je cm) gebildet, die zur Umfangsrichtung des Reifens parallel verlaufen. Die relative Dehnung dieser Kabel bei 10% der Bruchbelastung beträgt etwa 2,8%. Die relative Bruchdehnung ist 21% und der Elastizitätsmodul des die Kabel umhüllende Elastomeren beläuft sich auf etwa 450 daN/cm² bei 100% Dehnung.

Bei 10% des Betriebsdruckes beläuft sich der Äquatorialradius (R _s)₀ der Karkasse 30 auf 337 mm. Bei dem Betriebsdruck ist die Länge des Radius (R _s)₁ gleich 361 mm und bei dem Prüfdruck hat der Radius (R _s)₂ eine Länge von 396 mm. Die Scheitelbewehrung gemäß der Erfindung hat also auf der Höhe der Karkasse 32 unter dem Einfluß des Prüfdruckes eine Längung von 371 mm, d. h. eine relative Längung von × 100% = 17,5%, erfahren.

Die maximale halbe Axialbreite B /2 der Karkasse 30, 31, 32 und damit des Luftreifens hat sich dagegen verringert. Bei 10% des Betriebsdruckes beträgt sie 102 mm, bei dem Betriebsdruck 97 mm und bei dem Prüfdruck 89 mm. Diese bei einer Erhöhung des Aufblasdruckes eintretende Verringerung der axialen Breite ist eine Eigenschaft der Luftreifen gemäß der Erfindung.

Die Spannung eines Verstärkungselementes der Karkasse 32 unter dem Einfluß des Prüfdruckes beträgt etwa 42 daN (relative Längung 13%). Ein solches Element bricht bei einer Spannung von 80 daN. Bei dem Betriebsdruck ist die sich durch den Einfluß der Scheitelbewehrung gemäß der Erfindung ergebende Spannung eines Verstärkungselementes kleiner oder gleich 10,5 daN bei einer relativen Längung von 3,8%.

Im Vergleich hierzu erfordert ein Luftreifen gleicher Abmessungen, aber mit einer herkömmlichen Bewehrung, sieben Scheitellagen, was gegenüber der Scheitelbewehrung des Ausführungsbeispiels der Erfindung einer Vergrößerung um 40% entspricht. Im Fall von Luftreifen großer Abmessungen erreicht diese Vergrößerung sehr große Werte, weil die Umfangsspannung, wie zuvor erläutert, dem äquatorialen Durchmesser des Luftreifens proportional ist.

Claims (5)

1. Luftreifen für Flugzeuge, mit einer an den Wulstkernen verankerten Radialkarkasse aus wenig dehnbaren Verstärkungselementen und einer radial außerhalb der Karkasse angeordneten, in Umfangsrichtung elastisch dehnbaren und aus wenigstens einer Lage von parallelen Verstärkungselementen bestehenden Scheitelbewehrung von solcher Beschaffenheit, daß der auf einer Felge montierte unbelastete Reifen bei einem Aufblasdruck von nur 10% des Betriebsdrucks gegenüber seinem auf den Betriebsdruck aufgeblasenen Zustand am Äquator und an den Schultern einen um wenigstens 5% geringeren Reifendurchmesser und eine größere axiale Breite aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) durch Dehnung der Scheitelbewehrung in Umfangsrichtung ermöglicht ist, daß die Karkasse bei einem dem vierfachen Betriebsdruck entsprechenden Aufblasdruck ihr natürliches Gleichgewichtsprofil annimmt, und
• b) die Verstärkungselemente der Karkasse bei einer dem Betriebsdruck des Reifens entsprechenden Spannung eine Längung von weniger als 5% gegenüber der Länge bei der Spannung Null aufweisen.

2. Luftreifen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungselemente der Karkasse aus Stahldrahtkabeln mit einer relativen Bruchdehnung von weniger als 2,5% bestehen.

3. Luftreifen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungselemente der Scheitelbewehrung in eine elastomere Mischung eingebettet sind, die bei 100% Dehnung einen Elastizitätsmodul unter 250 daN/m² aufweist.

4. Luftreifen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Verstärkungselementen der Scheitelbewehrung mit der Umfangsrichtung gebildeten Winkel eine Größe von 0° bis 20° haben und daß diese Elemente relative Bruchdehnungen zwischen 10 und 40% aufweisen.

5. Luftreifen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Verstärkungselementen der Scheitelbewehrung mit der Umfangsrichtung gebildeten Winkel größer als 20° sind und diese Verstärkungselemente aus Stahlkabeln einer Bruchdehnung von wenigstens 6% bestehen.