DE3204045C2

DE3204045C2 -

Info

Publication number: DE3204045C2
Application number: DE3204045A
Authority: DE
Inventors: Marc Harelbeke Be De Bondt; Urbain Kuurne Be D'haene; Paul Kemmel Be Dambre
Original assignee: Bekaert NV SA
Current assignee: Bekaert NV SA
Priority date: 1981-02-06
Filing date: 1982-02-05
Publication date: 1993-07-29
Also published as: LU83919A1; KR890003893B1; JPH03113085A; US4612792A; ES8308590A1; GB2092629A; ES270930Y; FR2499603A1; AU7996582A; KR830008755A; BR8200640A; GB2092629B; IT8247719A0; AU547432B2; FR2499603B1; BE892055A; JPH064361B2; JPH036276B2; IT1147584B; ES270930U

Description

Die Erfindung betrifft ein Metallseil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solches Metallseil ist allgemein bekannt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Metallseils nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3; dieses Verfahren ist durch die US-PS 22 80 500 bekannt.

Metallseile, die für die Verstärkung von Fahrzeugreifen geeignet sind, umfassen vorzugsweise Drähte, deren Oberfläche so gestaltet ist, daß sie an Gummi haftet. Ein derartiges, an Gummi haftendes Verstärkungsseil ist ein Gebilde aus Stahldrähten, die zu einem Seil gedrillt sind, wobei die Drähte eine Zugfestigkeit von wenigstens 2000 N/mm² und eine Bruchdehnung von wenigstens 1%, vorzugsweise etwa 2%, haben und ihr Durchmesser von 0,05 bis 8,80 mm reicht, vorzugsweise nicht mehr als 0,40 mm (z. B. 0,20 oder 0,25 mm) beträgt, und wobei die Drähte mit einem gummihaftenden Belag überzogen ist, etwa Kupfer, Zink, Messing oder eine Dreistoff-Messinglegierung oder eine Kombination dieser Stoffe, und der Belag eine Dicke von 0,05 bis 0,40 µm, vorzugsweise von zwischen 0,12 und 0,22 µm hat. Der Belag kann auch durch einen dünnen Film eines chemischen Primermaterials ersetzt sein, um ein gutes Eindringen und Bindevermögen des Gummis zu garantieren. Für eine solche Adhäsion und Imprägnierung in einer Grundmasse ist eine glatte Drahtoberfläche zweckmäßig, d. h., die Amplitude der Oberflächenunregelmäßigkeiten (bezogen auf das mittlere Oberflächenniveau) soll mit Sicherheit weniger als 10 µm betragen, vorzugsweise in der Größenordnung von weniger als 1 µm liegen. Dies wird üblicherweise durch Ziehen des Drahtes, mit oder ohne Belag, durch einen Ziehstein erreicht.

Nach der Kaltbearbeitung, im wesentlichen aber nicht ausschließlich durch Ziehen, zeigt ein solcher Draht bedeutende Restspannungen, die zu der Belastungsspannung hinzukommen. Diese Spannungen verleihen dem Seil eine gewisse Steife und eine starke Tendenz zum Aufdrillen, wenn es abgeschnitten wird. Diese Eigenschaften sind alle unerwünscht.

Um diese Restspannungen möglichst auf Null zu bringen, ist es durch die US-PS 22 80 500 bekannt, das Seil durch mehrere, in verschiedenen Ebenen angeordnete Richtrollensätze zu leiten, in denen es abwechselnd in verschiedene Richtungen gebogen wird; dabei wird gleichzeitig eine Zugkraft auf das Seil aufgebracht. Da ein derartiges, wechselweises Biegen des Seiles in Verbindung mit dem Aufbringen einer Zugkraft die Restspannungen an der Außenfläche der Drähte vermindert, wird damit auch die Gefahr der Entstehung von Rissen vermindert. Der Aufbau von Rest-Druckspannungen in den Drahtumfangsflächen ist in der genannten Druckschrift nicht vorgesehen.

Durch das Fachbuch "Schwingfestigkeit" (Verlag für Grundstoff- Industrie, Leipzig, 1973, Seiten 45/46) ist es bekannt, daß die Lebensdauer von Bauteilen durch Druckeigenspannungen, die in der Oberflächenschichten dieser Bauteile erzeugt werden, bei nachfolgender Zugschwell-, Biege- und Torsionsbelastung vergrößert ist. Ein Metallseil ist jedoch kein Bauteil im Sinne dieser Ausführungen, denn es besteht aus einer großen Anzahl von Einzelteilen, bzw. -Drähten. Über die Art der Verteilung der Druckeigenspannungen oder der Rest-Druckspannungen in diesen Einzeldrähten ist der genannten Druckschrift nichts zu entnehmen.

Durch das "Taschenbuch für den Maschinenbau" von Dubbel, Band I, 1970, Seiten 420/421 ist es ferner bekannt, eine Zugkraft und ein Biegemoment gleichzeitig auf ein Werkstück einwirken zu lassen. In bezug auf den Spannungsverlauf im Inneren des Werkstückes kann durch eine geeignete Wahl des Verhältnisses zwischen den Größen der Zugkraft und des Biegemoments erreicht werden, daß im Werkstückquerschnitt nur Zugspannungen auftreten. Die Lehre, daß ein Metallseil Drähte umfaßt, deren im wesentlichen gesamte Umfangszone sich in einem Zustand annähernd gleichmäßig verteilter Rest-Druckspannungen befindet, ist der genannten Druckschrift jedoch nicht zu entnehmen.

Dasselbe gilt auch für die verfahrensmäßige Herbeiführung dieses Zustandes, wie dies oben anhand der US-PS 22 80 500 erläutert worden ist.

Der Grundgedanke, der der Erfindung zugrundeliegt, besteht mithin darin, in einzelnen Drähten eines Metallseiles eine annähernd gleichmäßig verteilte Rest-Druckspannung in im wesentlichen der gesamten Umfangszone zu erzeugen, und zwar dadurch, daß das Seil in mehreren Ebenen hin- und hergebogen und dabei seiner Zugkraft solcher Größe ausgesetzt wird, daß bei einer Biegung auf der Drahtaußenseite zwar eine Zone plastischer Dehnung entsteht, daß auf der Biegungsinnenseite jedoch keine plastische Kompression erfolgt.

Mit Hilfe der Erfindung soll, ein solches glattes Seil geschaffen werden, dessen Dauerfestigkeit gegenüber dem in herkömmlicher Weise geradegerichteten Seil noch weiter verbessert ist. Bekanntlich liefert die Kombination von Oberflächeneindrücken zusammen mit einer Kompression und den metallographischen Veränderungen des Materials bei einer solchen Kompression, wie sie beispielsweise durch Entzundern des Seils hervorgerufen werden, eine gute Oberflächenbeschaffenheit für die Dauerfestigkeit, leider jedoch geschieht dies auf Kosten der Oberflächenglätte. Die bisher verfügbaren Möglichkeiten, die Dauerfestigkeit weiter zu verbessern, sind somit beschränkt auf eine kluge Wahl der Legierung mit einem Minimum an Verunreinigungen und auf eine Planung geeigneter thermischer und mechanischer Bearbeitungen, um optimale Kombinationen von Zugfestigkeit und Streckbarkeit für die notwendige Dauerfestigkeit zu erzielen, sowie auf Wärmebehandlungen, um die von früheren metallographischen Umbildungen herrührenden Mikrospannungen in der kristallographischen Struktur abzubauen. Die Ergebnisse solcher Schritte sind nicht immer vorauszusagen, weil die Ermüdung im Seil ein schwer zu erforschendes Phänomen ist wegen der speziellen Belastung der einzelnen Drähte und der spezifischen Art, in der sich der Widerstand gegen diese Belastung aufbaut. Wenn das Seil einer Zug- oder Biegekraft unterworfen wird, kommen die einzelnen Drähte unter eine Mischung von Zug-, Biege- und Torsionsbelastungen und die Art und Weise, wie das Seil diese Belastungen aufnimmt, ist ein Gemisch von Materialwiderstand und innerer Reibung zwischen benachbarten Drähten, was einen inneren Reibverschleiß des Seils verursacht.

Der Erfindung liegt zum einen die Aufgabe zugrunde, ein Seil mit verbesserter Dauerfestigkeit zu schaffen, und zum anderen, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Seiles anzugeben.

Gemäß der Erfindung umfaßt das zur Verstärkung von Fahrzeugreifen geeignete Seil Drähte, deren im wesentlichen gesamter Umfangsbereich sich in einem Zustand annähernd gleichmäßig verteilter Restdruckspannung in der Längsrichtung befindet.

Der auf ein Verfahren gerichtete Teil der Aufgabe wird - ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3 - durch die in diesem Anspruch gekennzeichneten Schritte gelöst.

Prüft man die glatten Seile, die in herkömmlicher Weise durch einen oder mehrere Richtrollensätze gelaufen sind, um die Makrorestspannungen abzubauen, dann haben sie eine Umfangszone mit einer Restzugspannung (gemessen in Längsrichtung) oder bestenfalls mit einem Gemisch von Zugspannung und geringer Restdruckspannung. Ein Abbau der Restspannungen ist günstig, um ein inertes Seil und eine etwas bessere Dauerfestigkeit zu erhalten. Es ergibt sich jedoch, daß die Dauerfestigkeit noch besser sein kann, wenn nicht nur die peripheren Restzugspannungen entlastet werden, sondern wenn Druckspannungen von merklicher Höhe (gemessen in Längsrichtung) absichtlich am Umfang aufgebracht werden. Dies reicht offensichtlich aus für eine Verbesserung der Dauerfestigkeit und auf das Entzundern kann dann verzichtet werden, das z. B. bei Stahlseilen mit Haftschichten im Bereich von weniger als 1 µm nicht günstig ist.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung sieht die Erfindung ein mit Gummi bindendes Stahlseil zur Verstärkung von Fahrzeugreifen vor, indem der Stahl eine Zugfestigkeit von mehr als 3000 N/mm² hat. Ein solches ist bisher nicht verfügbar, weil eine derartige Steigerung der Zugfestigkeit eine stärkere Härtung des Werkstücks erfordert, was auf Kosten der Dauerfestigkeit geht. Durch die Verbindung einer solch hohen Zugfestigkeit mit der oben erwähnten Eigenschaft einer merklichen Restdruckspannung am Umfang kann man ein Seil erzielen, bei dem ein guter Mittelweg zwischen der erforderlichen Zugfestigkeit und Dauerfestigkeit eingehalten ist. Und bei einer solchen höheren Zugfestigkeit ist für die gleiche Leistungsfähigkeit ein geringeres Seilgewicht in dem Reifen notwendig.

Der erforderliche Zustand der Restspannungen kann gemäß der Erfindung z. B. einfach dadurch erzielt werden, daß man das Seil durch Richtrollensätze leitet, wobei jedoch die Zugbeanspruchung und der Biegewinkel auf eine sehr besondere Weise kombiniert werden, die weiter unten noch erkärt wird, um eine spezifische Spannungsverteilung zu erzeugen. Wenn das Seil dann aus diesen spezifischen Bedingungen entlassen wird, kehrt es zu dem angestrebten Zustand von Restspannungen zurück.

Gemäß der Erfindung besteht das Verfahren der Behandlung des Seils darin, jeden aufeinanderfolgenden Längenabschnitt des Seils einigen elementaren Biege-Entlastungsoperationen zu unterwerfen, wobei wenigstens zwei solche Operationen in ganz unterschiedlichen Ebenen erfolgen und jede elementare Operation das Biegen des Seils unter gleichzeitiger Zugbelastung, wobei der Querschnitt einiger Drähte in Richtung zum Krümmungsmittelpunkt nacheinander eine Zone plastischer Dehnung, eine Zone elastischer Dehnung und eine Zone im wesentlichen elastischer Kompression aufweist, und das Wegnehmen der diese Biegungen erzeugenden Biegekraft umfaßt.

Unterteilt man den Querschnitt jedes Drahts entsprechend dem Zifferblatt einer Uhr in Stunden, so ist der Effekt einer solchen elementaren Biege-Entlastungsoperation in einer Ebene 12-6, daß sie im Umfangsrand zwei Bogenlängen mit Restdruckspannung hinterläßt, nämlich die Bogenlängen um 12 Uhr und um 6 Uhr, während die Bögen um 3 und 9 Uhr unverändert bleiben. Der Vorgang muß daher in einer zweiten Ebene wiederholt werden, die diese unveränderten Bogenlängen beeinflußt, damit man eine einigermaßen gleichmäßige Verteilung einer Restdruckspannung über den gesamten Umfangsrand erzielt. Diese zweite Ebene wird folglich wesentlich unterschiedlich sein zur ersten Ebene und mit dieser vorzugsweise einen Winkel von 90° bilden; es sind auch andere, davon abweichende Winkel möglich, die jedoch eine geringere Gleichmäßigkeit der Restspannungen ergeben, doch sollte der Winkel vorzugsweise nicht kleiner als 30° sein. Verschiedene solche elementare Operationen in unterschiedlichen Ebenen oder in sich allmählich ändernden Ebenen, damit alle Umfangsteile sicher erreicht werden, verbessern die Gleichmäßigkeit der Restspannung, gemessen in Längsrichtung des Drahts, entsprechend.

Unter einem Zustand einer "im wesentlichen gleichmäßig verteilten Restdruckspannung" soll nicht verstanden sein, daß die quantitativ gemessene Restspannung in jedem Bogenelement des Umfangsrands streng gleich sein muß. Es ist lediglich gemeint, daß die Restdruckspannung auf dem Umfangsrand nicht so stark schwankt, daß merkliche Bogenlängen des Randes tatsächlich eine Restzugspannung zeigen, und daß die durchschnittliche beobachtete Restspannung ein ausgeprägtes Druckverhalten zeigt, das im folgenden noch bestimmt wird. Dieser Zustand genügt für eine verbesserte Dauerfestigkeit. Er wird durch das obige Verfahren erreicht. Was die Schwankung der Restdruckspannung in Längsrichtung anlangt, ist mit der "im wesentlichen gleichmäßig verteilten Restdruckspannung" gemeint, daß die mittlere Restspannung, ermittelt auf dem Umfang des Querschnitts, in Längsrichtung nicht um mehr als 50% ihres Spitzenwerts schwankt. Diese Schwankung in Längsrichtung kann sehr niedrig gemacht werden, indem man das Verfahren als einen kontinuierlichen Prozeß durchführt. In einem solchen Prozeß durchlaufen die aufeinanderfolgenden Seilabschnitte eine gekrümmte Führungsbahn für das Seil, die die erforderlichen Biege-Entspannungsoperationen am Seil ausübt. Diese Führungsbahn hat vorzugsweise die Form einiger Leitrollen, die entlang der Bahn ausgerichtet sind, wie noch beschrieben wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Drahtes unter einer Biegekraft und den Spannungszustand während und nach der Belastung;

Fig. 2 eine analoge Ansicht des Drahtes, jedoch unter einer stärkeren Biegekraft;

Fig. 3 eine Ansicht des Drahtes analog Fig. 2, wobei jedoch die Biegekraft mit einer kleinen Zugkraft kombiniert ist;

Fig. 4 eine Ansicht des Drahtes analog Fig. 3, bei der jedoch die Zugkraft stärker ist;

Fig. 5 einen Querschnitt des Drahtes und zwei aufeinander senkrechte Biegeebenen;

Fig. 6 einen Draht im Querschnitt mit seinem Umfang unter Druckspannung;

Fig. 7 einen Querschnitt eines Seils für eine Behandlung gemäß der Erfindung;

Fig. 8 eine Vorrichtung zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 9 ein Detail der Vorrichtung gemäß Fig. 8;

Fig. 10 ein Spannungsdiagramm für einen Draht gemäß Fig. 4;

Fig. 11 ein Verfahren zum Prüfen der Restspannungen an der Drahtoberfläche;

Fig. 12 eine Vorrichtung zur Prüfung der Dauerfestigkeit.

Fig. 1 zeigt einen ursprünglich geraden Draht, der elastisch zu einer bestimmten Krümmung gebogen ist. Fig. 1a ist eine Längsansicht, Fig. 1b eine quergeschnittene Ansicht. Fig. 1c ist ein Diagramm der Spannungen während des Biegens als Funktion des Abstands h von der Neutralebene und Fig. 1d zeigt das Diagramm nach der Biegeentlastung. Ein derartiger elastisch gebogener Draht hat eine obere Hälfte 1, die einer Dehnung unterliegt, und eine untere Hälfte 2, die einer Kompression unterliegt, und beide Hälften sind voneinander durch die Neutralebene 3 getrennt. Die Spannungen sind in Fig. 1c als Funktion des Abstands von der Neutralebene dargestellt. Wenn die Biegekraft weggenommen wird, kehrt der Draht in seine gerade Form zurück. Und angenommen, der Draht war ursprünglich frei von inneren Spannungen, dann kehrt der Draht in seinen Originalzustand frei von inneren Spannungen zurück (Fig. 1d).

Fig. 2 zeigt den gleichen Draht, jedoch stärker gekrümmt, so daß eine plastische Deformation eintritt. Während des Biegens ist der Draht in vier Zonen unterteilt, nämlich Zone 4 einer plastischen Dehnung, Zone 5 einer elastischen Dehnung, Zone 6 einer elastischen Kompression und Zone 7 einer plastischen Kompression, wie in den Fig. 2a und 2b gzeigt. Fig. 2c zeigt wieder ein Diagramm der Spannungen als Funktion des Abstands von der Neutralebene 8. Wenn die Biegekraft weggenommen wird, ist der Draht bestrebt, unter den elastischen Rückführkräften in seinen geraden Zustand zurückzukehren, und es ergibt sich ein Zustand der Restspannungen, wie in Fig. 2d gezeigt: Die obere Randschicht der Zone 4 steht unter einer Restdruckspannung und die untere Randschicht unter einer Restzugspannung. Vereinfacht kann dies folgendermaßen erklärt werden: Die elastischen Rückführkräfte der Zonen 5 und 6 sind bestrebt, den Draht in einen mehr gestreckten Zustand zu bringen, und dadurch wird die Zone 4 komprimiert und die Zone 7 gedehnt (abseits von dem Übergangsbereich zu den Zonen 5 bzw. 6).

Fig. 3 zeigt nun den gleichen Draht zu der gleichen Krümmung wie in Fig. 2 gebogen, aber unter einer Zugkraft, die den Biegespannungen eine geringe Zugspannung p überlagert. Das Resultat ist, daß die Neutralebene 8 tiefer kommt, die Zone 4 breiter und die Zone 7 schmäler wird (Fig. 3a und 3b). Der Spannungszustand während des Biegens und des Zugs ist in Fig. 3c gezeigt und der Zustand der Restspannungen ist in Fig. 3d dargestellt. der "Schwanz" 9-10 der Fig. 2d ist verkürzt und die Restzugspannung an der unteren Randschicht der Zone 7, dargestellt bei 10, ist geringer.

Die überlagerte Zugkraft kann nunmehr erhöht werden, um den Schwanz 9-10 noch mehr zu verkürzen, derart, daß der Punkt 10 auf der anderen Seite der Nullinie 11 zu liegen kommt (Fig. 3d) und daß die Restspannung an der unteren Randschichtzone 7 eine Druckspannung wird. Die überlagerte Zugkraft p kann sogar groß genug gemacht werden, daß die Neutrallinie so weit sinkt, daß die Zone 7 verschwindet und der Schwanz 9-10 auf dem Diagramm der Restspannungen nicht mehr erscheint. Dies ist der Idealzustand, wie er in Fig. 4 gezeigt ist. Der Zustand der Restspannungen ist in Fig. 4d dargestellt: Die obere und die untere Randschicht stehen unter Restdruckspannung. Dies kann vereinfacht folgendermaßen erklärt werden: Die elastische Rückführkraft der Zonen 5 und 6 ist bestrebt, den Draht in einen mehr geraden Zustand zu bringen, und dabei wird die Zone 4 komprimiert (abseits von dem Übergangsbereich zur Zone 5). Weil aber der Draht nicht vollständig in seinen gestreckten Zustand zurückkehrt, wird die elastische Kompression in Zone 6 nicht vollständig aufgehoben.

Dieser Idealzustand zeigt die idealen Bedingungen für das Erzielen von Restdruckspannungen an der Oberseite und der Unterseite: Die Kombination von Zugkraft und Biegekraft ist so, daß der Draht in drei Zonen hintereinander in Richtung zum Krümmungsmittelpunkt hin unterteilt wird: Eine Zone 4 plastischer Dehnung, eine Zone 5 elastischer Dehnung und eine Zone 6 elastischer Kompression. Eine weitere, sehr kleine zusätzliche Zone 7 plastischer Kompression ist nicht mit Bestimmtheit auszuschließen, sofern der Schwanz 9-10 (Fig. 3d) klein genug ist, so daß der Punkt 10 auf die Kompressionsseite, links von der Nullinie 11 in Fig. 3d zu liegen kommt. Daher wird in der hierin verwendeten Terminologie die Zone elastischer Kompression 6 mit dieser möglichen sehr schmalen Zone plastischer Kompression 7 zusammengefaßt und als eine Zone von "im wesentlichen" elastischer Kompression bezeichnet.

Der Biegevorgang in der Ebene AA (Fig. 5) bringt die Oberflächenteile 12 und 13 in einen Zustand von Restdruckspannung. Eine weitere Biegung in der gleichen Ebene, aber in entgegengesetzter Richtung, liefert mehr Symmetrie in dem Restspannungszustand zwischen den Teilen 12 und 13. Eine größere Anzahl von Biegungen in wechselnden Richtungen in der Ebene AA verbessert die Stabilität der Restspannungsverteilung noch weiter. Aber der Zustand einer Restdruckspannung ist nur für die Oberflächenteile 12 und 13 erzeugt worden. Das gleiche kann nunmehr in der Ebene BB wiederholt werden. Diese Behandlung ändert den Restspannungszustand der Oberflächenteile 12 und 13 nicht wesentlich, weil sich diese Teile während der Behandlung in der Zone elastischer Deformation befinden, in der der Restspannungszustand nicht geändert wird. Das Ergebnis ist eine Oberflächenzone 16 (Fig. 6) mit Restdruckspannung und eine Kernzone 17 mit Restzugspannungen, die die Spannungen der Oberflächenzone aufheben, so daß der Draht in Ruhe ist.

Um ein Seil aus Drähten herzustellen, die an ihrer Oberfläche Restdruckspannungen haben, genügt es im allgemeinen nicht, jeden einzelnen Draht durch Biegungen unter einer Zugkraft zu behandeln, um ihn mit solchen Spannungen zu versehen, und dann die Drähte zu einem Seil zu verdrillen, weil der Vorgang des Verdrillens eine plastische Deformation ist mit der Gefahr, die ursprüngliche Restspannungsverteilung zu zerstören, unabhängig vom Grad der plastischen Deformation und ungeachtet dessen, ob das Seil mit oder ohne Torsion der einzelnen Drähte verdrillt wird. Die Behandlung muß an den Drähten vorgenommen werden, wenn diese bereits zu dem Seil verdrillt sind. Dies geschieht einfach dadurch, daß das ganze Seil behandelt wird, durch Biegen unter einer Zugkraft zuerst in der Ebene AA und dann in der Ebene BB, die auf AA senkrecht steht (Fig. 7). Jeder Draht reagiert wie ein einzelner Draht, der unter Zug gebogen wird, und die Tatsache, daß dieser Draht eine leichte Schraubenlinienform hat, ändert daran nichts. Wenn der Draht danach von dem Seil getrennt und, wie noch erklärt wird, auf seine Restoberflächenspannungen geprüft wird, zeigt sich, daß diese Druckspannungen sind.

Die wiederholten Biegungen unter einer Zugkraft können mit Hilfe einer Vorrichtung gemäß Fig. 8 durchgeführt werden. Diese Vorrichtung weist ein Bremsrad 22 auf, ferner einen ersten Rollensatz 23, ähnlich einem Satz von Richtwalzen, einen zweiten Rollensatz 24 und ein Antriebsrad 25. Beide Rollensätze sind in Fig. 9 genauer gezeigt. Das Seil 21, das entweder unmittelbar von einer Verseilmaschine (nicht dargestellt) oder von einer Abwickelrolle herkommt, wird zuerst für ein paar Windungen über das Bremsrad 22 geführt, damit dieses Rad einen ausreichenden Friktionsgriff auf das Seil ausübt. Dann läuft das Seil horizontal durch die beiden Biegerollensätze 23 und 24 und von da mit einigen Windungen über das Antriebsrad 25, so daß dieses Rad ebenfalls einen ausreichenden Griff am Seil bekommt. Von dort läuft das Seil 21 weiter zu seiner Aufwickelrolle (nicht dargestellt).

Die Zugkraft am Seil, während dieses in den Biegerollensätzen 23 und 24 den abwechselnden Biegungen unterworfen wird, ist mit Hilfe einer Schraube 26 einstellbar, die die Tiefe einer Stützplatte 27 bestimmt, die über eine Feder 28 eine Bremse 29 gegen eine Bremstrommel 30 an der Achse des Bremsrads 22 preßt. Das Antriebsrad 25 wird von einem nicht gezeigen Motor gedreht und zieht das Seil 21 vom Bremsrad 22 über die Rollensätze 23 und 24.

Der Rollensatz 23 besteht aus einigen Rollen entlang der Bahn des Seils, abwechselnd auf der Oberseite und der Unterseite der Bahn. Die Rollen an der Oberseite drücken das Seil nach unten und diejenigen an der Unterseite drücken es nach oben, so daß das Seil beim Lauf entlang dieser Bahn einen wellenförmigen Weg beschreibt, ähnlich wie in einem bekannten Richtwalzwerk für Draht. Der Unterschied ist, daß gemäß der Erfindung der Rollensatz in Relation zu der angelegten Druckkraft so justiert wird, daß man Biegungen erhält, die in den Drähten des Seils eine Zone plastischer Dehnung, eine Zone elastischer Dehnung und eine Zone im wesentlichen elastischer Kompression erzeugen, wie dies in bezug auf die Fig. 3 und 4 erläutert wurde, mit dem Ergebnis, daß an den Drahtoberflächen ausgeprägte Restdruckspannungen gebildet werden und nicht, wie im Fall der üblichen Einstellung von Richtwalzen mit Hilfe einiger abwechselnder plastischer Biegungen mit abnehmender Amplitude die Restspannungen lediglich beseitigt werden.

Die Rollen 31 an der Oberseite der Bahn des Seils sind bezüglich ihrer vertikalen Lage mittels einer entsprechenden Schraube 32 einstellbar, um so daß Ausmaß der Biegung zu justieren. Auf diese Weise erfährt das Seil die erforderliche Reihe abwechselnder Biegungen in einer Vertikalebene. Der zweite Rollensatz 24 ist vollständig gleich dem ersten, aber so ausgerichtet, daß er das Seil einer Reihe abwechselnder Biegungen in einer Horizontalebene unterwirft.

Nachstehend wird anhand eines Beispiels erläutert, auf welche Weise die auf das Seil wirkende Zugkraft mit der auf die Bremse 29 wirkenden Schraube 26 in Relation zur Justierung der Wellenlinienform mittels der Schraube 32 so eingestellt wird, daß man die erforderlichen Zonen plastischer Dehnung, elastischer Dehnung und elastischer Kompression erhält.

Als Beispiel dient ein Stahlseil aus vier Drähten mit einem Durchmesser von 0,25 mm, verdrillt mit einer Schlaglänge von 10 mm. Das Seil ist aus 0,70% Kohlenstoffstahl hergestellt, aus dem die Drähte mit einer Zugfestigkeit von etwa 2800 N/mm² und einer Elastizitätsgrenze (0,2% Limit) von etwa 2400 N/mm² herausgearbeitet sind, wobei die elastische Dehnung etwa 1,4% und die Bruchdehnung etwa 2,2% beträgt.

Die Zugkraft an diesem Seil wird auf 130 N eingestellt, das ist etwa 660 N/mm², und das Seil läuft unter diesem Zug durch die beiden Rollensätze 23 und 24. Für dieses Seil werden Sätze aus acht Rollen mit einem Durchmesser von 8 mm verwendet, der Abstand D (Fig. 9) beträgt 12,5 mm. Die Höhe der Rollen 31 wird nun mit Hilfe der Schrauben 32 so eingestellt, daß die Wellenlinie an den Punkten maximaler Krümmung einen Bogen von 8° pro mm Länge erreicht. Dies erzeugt in den Drähten des Seils die erforderlichen Zonen plastischer Dehnung, elastischer Dehnung und elastischer Kompression. Es ist zweckmäßiger, die Wellenlinie zuerst roh nach Sicht einzustellen und dann diese Einstellung durch Beobachtung des erreichten Restspannungszustands feiner zu korrigieren.

Das Seil des obigen Beispiels, bestehend aus gezogenen Drähten mit Restzugspannungen nach dem Ziehen, zeigte eine Dauerfestigkeit von 975 N/mm² (Mittel aus 25 Proben, Streuung 49 N/mm²). Nach einer Behandlung gemäß dem obigen Beispiel mit ausgeprägten Restdruckspannungen nach dem Verdrillen zu dem Seil zeigt dieses Seil eine Dauerfestigkeit von 1083 N/mm² (Mittel aus 25 Proben, Streuung 56 N/mm²), was eine Verbesserung von etwa 10% bedeutet. Die Ermüdung wurde gemessen mit dem Hunter- Ermüdungsprüfer mit rotierendem Strahl, entwickelt von der Hunter Spring Company, Lansdale, Pennsylvania, beschrieben in dem Artikel von F. A. Votter "New wire fatique testing method" (Iron Age, 26. 08. 1948) und in der US-PS 24 35 772. Bei der vorliegenden Erfindung sind Verbesserungen von wenigstens 5% das Ziel.

Es ist klar, daß für andere Seiltypen und Drahtdurchmesser, die Zugkraft am Seil und die Krümmung auf andere Werte eingestellt werden müssen, die hier nicht für jeden Fall angegeben werden können. Berücksichtigt man jedoch die bereits bezüglich des Idealzustands von Fig. 4d gegebenen Lehren, kann man erste Schätzungen zur Erzielung dieses Zustands machen (Fig. 10): Wenn a₁ die Dehnung (in Prozent) an der Elastizitätsgrenze und a₁+a₂ die angestrebte Dehnung in der Zone plastischer Dehnung an der maximalen Höhe h ist, die roh als 60% von a₁ angenommen wird, wogegen b die Kompression (in Prozent) an der Elastizitätsgrenze ist, roh gleich a₁ geschätzt, dann ist die Höhe der Zone plastischer Dehnung der Zone elastischer Dehnung und der Zone elastischer Kompression proportional zu a₂ bzw. a₁ bzw. a₁. Wenn P die Elastizitätsgrenze in N/mm₂ ist, dann kann man aus Fig. 10 abschätzen, daß P₀, die den Biegekräften zu überlagernde Zugkraft, vorzugsweise in der Gegend von

zu wählen ist. Zu dieser Zugkraft gehört dann eine Krümmung, die ebenfalls aus Fig. 10 zu:

Grad pro mm errechnet werden kann, worin d der Durchmesser der einzelnen Drähte des Seils ist.

Diese Werte sind nur eine Anfangsschätzung für eine spätere Einstellung durch Beobachtung der resultierenden Spannungen zum Zweck einer weiteren Optimierung. Bei einer solchen Einstellung zeigen die Lehren über den Idealzustand der Fig. 4d auch noch, daß stärkere Krümmungen kleinere, zu überlagernde Zugkräfte erfordern, und dies ist eine weitere rohe Regel für die genauere Einstellung und Abstimmung von Krümmung und überlagerter Zugkraft.

In Fig. 8 ist zur Erzeugung der überlagerten Zugkraft die Verwendung eines Bremsrades 22 dargstellt. Wenn das Seil unmittelbar von einer Verseilmaschine kommt, ist dieses nicht immer notwendig. Die Verseilmaschine kann selbst den Gegenzug liefern, sei es durch die Bremswirkung des Verseilnippels oder durch die Bremswirkung, die von der Reibung und den plastischen Deformationen herrührt, die auf die einzelnen Drähte auf deren Weg von ihren Abwickelrollen zu dem Verseilnippel ausgeübt werden, oder auch durch die Abwickelrollen, die eine Bremswirkung haben, oder durch Kombinationen dieser Wirkungen. In diesem Fall sind die Rollensätze 23 und 24 unmittelbar hinter dem Nippel der Verseilmaschine angeordnet.

Die Kontrolle, ob eine Restdruckspannung erzielt wird, zum Zweck einer weiteren Justierung, geschieht auf folgende Weise: Proben von 15 cm Länge werden von dem Seil abgenommen, wenn dieses das Antriebsrad 25 verläßt; die zu prüfenden Drähte des Seils erhalten Lagemarkierungen (für Drähte des gleichen Durchmessers werden nur einige Drähte als repräsentativ für die anderen hergenommen); die Lagemarkierungen dienen dazu, kenntlich zu machen, welche Seite des Drahts während der Bearbeitung die obere Seite war, damit man weiß, an welchen Rollen die Korrektur vorgenommen werden muß. Dann werden die zu prüfenden Drähte von dem Seil getrennt, die annähernd gerade sind, aber eine geringe schraubenlinienförmige Welligkeit haben. Dann werden einige Drähte bezüglich der oberen Seite, einige andere bezüglich der unteren Seite und wieder andere Drähte bezüglich der anderen Seiten geprüft.

Der Zustand der Restspannung auf einer Seite des Drahts wird qualitativ, und in einem gewissen Maß auch quantitativ, durch selektives Ätzen nachgewiesen: Es wird nur diejenige halbe Seite weggeätzt, die der Seite entgegengesetzt ist, deren Restspannungszustand geprüft wird: Wenn die letztgenannte Seite unter Kompression steht, biegt sich der Draht zu der Ätzseite hin, entsprechend dem Fortschreiten der Ätzung bis zu einem Maximum. Dies ist in Fig. 11a dargestellt. Der Draht 40 wird mit einem Schutzlack 41 bedeckt mit Ausnahme der oberen Seite 42. Dann wird der Draht in eine heiße Lösung (z. B. 50°C) eines Ätzbades gebracht, beispielsweise einer Lösung von 30% HNO₃ in Wasser. Nach einigen Sekunden beginnt der Draht sich zu biegen, weil das unter Spannung stehende Material weggeätzt wird, und nach einer gewissen Zeitspanne, im allgemeinen 15 bis 60 Sekunden, je nach dem Drahtdurchmesser, der Stärke der ätzenden Säure usw., erreicht die Biegung ein Maximum. Wenn die Restspannung eine Druckspannung ist, biegt sich der Draht 40 zur Ätzseite hin, die im Fall der Fig. 11a die obere Seite ist, wie dies in Fig. 11b dargestellt ist.

Vor Beginn der Seilproduktion wird die Zugkraft am Seil und die Biegung auf die rohen Werte eingestellt, wie abgeschätzt, und dann wird das Seil in obiger Weise auf seine Restspannung untersucht, um nach Bedarf Nachjustierungen vorzunehmen. Während der Produktion werden Proben entnommen, um zu testen, ob die Resultate nicht von den erzielten Resultaten abweichen, und ob die Restspannung auf jeder Seite der Oberfläche der Drähte ein ausgeprägtes Druckverhalten zeigt.

Ein solches ausgeprägtes Druckverhalten kann als vorhanden angenommen werden, wenn beispielsweise bei einem Draht von 0,25 mm Durchmesser der Draht ein Ausmaß der Biegung erreichen kann, das für eine Drahtlänge von 150 mm einen Abstand b (Fig. 11) von mindestens 10 mm ergibt. Dies entspricht einem mittleren Krümmungsradius von etwa 1100 mm oder einem Verhältnis von Durchmesser zu Krümmungsradius von etwa 1 : 4400. Da dieses Verhältnis für die prozentuale Dehnung einer Oberflächenform aufgrund der Wegnahme von Material auf der entgegengesetzten Seite repräsentativ ist, kann man sagen, daß in dieser Größenordnung von Drahtdurchmessern ein ausgeprägtes Druckverhalten angenommen werden kann, wenn dieses Verhältnis über etwa 2×10^-4 ansteigt, und dies kann auch für andere Drahtdurchmesser angenommen werden.

Der Ermüdungstest mit rotierendem Strahl gibt einen Aspekt des Ermüdungsverhaltens an; es war auch noch interessant, ein erfindungsgemäßes Seil mit dem Dreirollen- Test zu untersuchen, der schematisch in Fig. 12 gezeigt ist. Bei diesem Test läuft das Seil über drei Rollen 44, 45 und 46, deren Lager an einem Werkstück 47 befestigt sind, das sich in Richtung des Pfeils 48 hin und her bewegt. Das Seil wird durch ein Gewicht 49 am einen Seilende unter Zug gesetzt und das andere Seilende ist am Rahmen des Testapparats festgemacht. Der Hub des Werkstücks 47 wird so gewählt, daß ein Seilabschnitt gestreckt an einer Seite der Rolle 45 ankommt, dann über die Rolle in gekrümmter Position mit dem Radius der Rolle 45 als Krümmungsradius zur anderen Seite der Rolle 45 läuft, wieder in gestreckter Lage, ohne eine der Rollen 44 und 46 zu erreichen. Für die Rollen 44, 45 und 46 wird ein bestimmter Rollendurchmesser verwendet, von dem eine gegebene Biegespannung σ_b an der von der Neutralebene am weitesten entfernten Drahtoberfläche errechnet werden kann. Dann wird das Seil für verschiedene Werte des Gewichts 49, denen steigende Werte des Zugs entsprechen, getestet. Die verwendeten Zugwerte sind 50 N/mm², 100 N/ mm², 150 N/mm² usw., jeweils in Schritten von 50 N/mm² fortschreitend, um den höchsten Zug σ_a festzustellen, unter dem das Seil nach 500 000 Zyklen noch nicht reißt. Diese Werte von σ_a werden für verschiedene Werte von σ_b gesucht.

Der Test wurde mit einer Konstruktion 3+9×0,22 durchgeführt, was einen Mittelstrang von drei Drähten, umgeben von neun Drähten, bedeutet, wobei alle Drähte einen Durchmesser von 0,22 mm haben. Die Drähte sind aus 0,8% Kohlenstoffstahl und werden auf eine Zugfestigkeit von etwa 3200 N/mm² und eine Elastizitätsgrenze von etwa 2900 N/mm² bearbeitet, wobei die elastische Dehnung etwa 1,5% und die Bruchdehnung etwa 2,2% beträgt. Es wird ein Vergleich angestellt zwischen einem Seil a mit den Eigenschaften gemäß der Erfindung und einem herkömmlichen Seil gleicher Struktur und Drahtqualität. Die Ergebnisse waren wie folgt:

Die Erfindung kann für übliche Stahlseile für Karkassen von Lastwagenreifen folgender Typen angewandt werden:

7×3×0,15
3+9+15×0,22
3+9×0,15	3+9×0,175
7×4×0,175	7×4×0,22
3+9+15×0,175	3+9×0,22

sowie für deren neue Äquivalente:

mit oder ohne Umwicklung mit einem zusätzlichen schraubenlinienförmigen Draht.

Bei Lastwagengürtelreifen kann die Erfindung auf die üblichen Strukturen angewandt werden

3×0,20+6×0,38
3+9+15×0,22
3×0,20+6×0,35	3+9×0,22
7×4×0,22	3×0,15+6×0,27

oder auf die weniger gebräuchlichen Strukturen des Typs

3+9×0,28
12×0,28
3+9×0,22	12×0,22.

Jeder solchen Konstruktion kann eine spezifische Zugkraft von z. B. 2200 N/mm², 2600 N/mm² oder 3000 N/mm² gegeben werden, und jede hat eine Schlaglänge von 8, 12, 16 oder 20 mm und ist z. B. mit Messing oder einer Dreistoff- Messinglegierung überzogen und in Gummi eingebettet mit einem 100% Modul von z. B. 40 oder 50 kg/cm².

Claims

1. Metallseil, geeignet zur Verstärkung von Fahrzeugreifen dadurch gekennzeichnet, daß das Metallseil Drähte umfaßt, deren im wesentlichen gesamte Umfangszone sich in einem Zustand annähernd gleichmäßig verteilter Restdruckspannung in der Längsrichtung befindet.

2. Metallseil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl eine Zugfestigkeit von mehr als 3000 N/mm² hat.

3. Verfahren zur Herstellung eines Metallseils, geeignet zur Verstärkung von Fahrzeugreifen, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 und 2, durch Behandeln eines an sich bekannten Metallseils, wobei jeder aufeinanderfolgene Längenabschnitt eines Seils einigen elementaren Biege-Entlastungsoperationen unterzogen wird, von denen wenigstens 2 in wesentlich verschiedenen Ebenen vorgenommen werden und von denen jede solche elementare Operation zunächst das Biegen des Seils unter gleichzeitig wirkender Zugbeanspruchung und danach das Wegnehmen der die Biegung erzeugenden Biegekraft umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt einiger Drähte während der gleichzeitigen Biege- und Zugbeanspruchung in Richtung zum Krümmungsmittelpunkt hin nacheinander eine Zone plastischer Dehnung, eine Zone elastischer Dehnung und eine Zone im wesentlichen elastischer Kompression aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese einigen elementaren Biege-Entlastungsoperationen eine Reihe von Biege-Entlastungsoperationen in der gleichen Ebene, aber abwechselnd in entgegengesetzten Richtungen, gefolgt von einer Reihe gleicher, abwechselnder Biege-Entlastungsoperationen in einer zweiten, wesentlich verschiedenen Ebene umfassen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderfolgenden Längenabschnitte in kontinuierlicher Weise behandelt werden, wobei die aufeinanderfolgenden Abschnitte durch eine gekrümmte Führungsbahn laufen, die die Biege-Entlastungsoperationen vornimmt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Führungsbahn die Form einiger Leitrollen hat, die entlang der Bahn angeordnet sind.