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Die Erfindung betrifft ein Stahlseil für die
Verstärkung von Gummiartikeln, insbesondere ein Stahlseil für
die Verstärkung der Einlage von Gummireifen und ein
Stahlseil, welches eine hohe Zugfestigkeit sowie eine
hohe Ermüdungsgrenze hat, sowie dessen Verwendung in
Reifen für Passagierfahrzeuge.
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Ein Stahlseil für die Verstärkung von Gummiartikeln
umfaßt gewöhnlich Stahldrähte mit einem Kohlegehalt
zwischen 0,60 und 1,10 Gewichtsprozenten (z.B. 0,70%,
0,83% oder 0,96%). Eine typische Niedrigkosten-
Stahlzusammensetzung ist: ein Minimum-Kohlegehalt
oberhalb 0,65%, ein Mangangehalt zwischen 0,40% und 0,70%,
ein Silikongehalt zwischen 0,15% und 0,30% und ein
Maximum-Schwefelgehalt sowie ein Maximum-Phosphorgehalt
von 0,03%, wobei alle Prozentangaben Gewichtsprozente
sind.
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Von besonderer Bedeutung ist das Kohleäquivalent Ce,
welches durch die folgende Gleichung definiert ist:
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Ce = % C + 0,3 x (% Mn - 0,40)
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wobei % C der Kohlegehalt in Gewichtsprozenten und
% Mn der Mangangehalt in Gewichtsprozenten ist.
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Das Kohleäquivalent bestimmt die Verstärkungswirkung.
Je größer dessen Wert ist, desto größer ist die
theoretisch erreichbare Zugfestigkeit Rm.
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Andere teurere Stahlzusammensetzungen, die
beispielsweise Elemente wie Chrom enthalten, können ebenfalls
verwendet werden.
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Der Durchmesser der einzelnen zur Verstärkung von
Gummiartikeln vorgesehenen Drähte liegt im Bereich von
0,05 mm bis 0,80 mm, vorzugsweise im Bereich von 0,05
mm bis 0,50 mm.
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Der exakte Wert hängt von der besonderen
Stahlseilstruktur, von der speziellen Verwendung und von den
erwünschten mechanischen Eigenschaften ab.
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Die Stahldrähte sind im allgemeinen mit einer
Beschichtung versehen, die die Haftung dieser Stahldrähte am
Gummi verbessert. Eine solche Beschichtung umfaßt
günstigerweise Kupfer, Zink, Messing oder eine Dreifach-
Messinglegierung, oder eine Kombination von zwei oder
mehr unterschiedlichen Schichten derselben. Die Dicke
der Beschichtung reicht von 0,05 bis 0,40 Mikron,
vorzugsweise von 0,12 bis 0,30 Mikron. Die Beschichtung
kann auch in der Form einer chemischen Grundierung
vorliegen, die eine gute Gummidurchdringung und Haftung
gewährleistet.
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Viele einfache Stahlseilkonstruktionen sind bereits
entwickelt worden. Unter diesen ist die n x δ
-Stahlseilkonstruktion sehr bekannt. Sie ist durch n
Stahldrähte mit günstigerweise gleichem Durchmesser δ
aufgebaut, die mit einer Windungssteigung s umeinander
gewunden sind. n ist eine ganze Zahl und kann die Werte
3, 4 oder 5 haben.
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Ein bekannter Nachteil dieser n x δ -Stahlseil-Struktur
liegt darin, daß eine vollständige Gummidurchdringung
unmöglich ist, wenn jeder einzelne Stahldraht die
anderen Stahldrähte auf ihrer ganzen Länge berührt.
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Diesem Nachteil wurde dadurch abgeholfen, daß die
einzelnen Stahldrähte in einer Weise geformt oder
vorgeformt wurden, daß bei der gebildeten n x δ
-Stahlseilstruktur die Stahldrähte sich nicht mehr gegenseitig
entlang ihrer ganzen Länge berühren. Diese spezielle
Struktur ist als n x δ -Offenseil (OC = open cord) oder
Durchdringungsseil (penetration cord) bekannt. Solche
offenen Stahlseilstrukturen sind in BE-A-879656 und in
NL-A-8005088 veröffentlicht worden.
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Ein Parameter, welcher geeignet ist, diese mechanische
Formung oder Vorformung zu bestimmen, ist die
Teillastlängung, abgekürzt PLE (part load elongation). Diese
Teillastlängung ist als Längenzuwachs einer
Standardlänge zwischen einer Zugspannung von 2,5 N und 50 N
definiert und kann in Prozent der ursprünglichen
Standardlänge ausgedrückt werden. Der PLE-Wert sagt das
Verhalten des Stahlseiles voraus, wenn dieses von einem
Spulen-Gatter in einer Kalander-Einrichtung unter einer
bestimmten Ablaufspannung abgewickelt wird. Je größer
der PLE-Wert ist, desto größer ist die verbleibende
Offenheit während dieses Abspulens und desto besser ist
damit die Gummidurchdringung während der anschließenden
Reifenherstellung. Je kleiner der PLE-Wert ist, desto
schneller schließt sich das Seil unter der
Abspulspannung und desto geringer ist die Chance für eine
vollständige Gummidurchdringung während der
Reifenherstellung.
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Die GB-A-2081765 offenbart ein Stahlseil für die
Verstärkung der Einlage von Gummireifen. Das Stahlseil
besteht aus drei Stahldrähten (3 x δ - Konstruktion), die
mit einer vorgegebenen Windungssteigung umeinander
gewunden sind und die einen Durchmesser δ haben. Die
Teillastlängung (PLE) liegt zwischen 0,2 und 1,2% und
der Durchmesser δ liegt zwischen 0,12 und 0,4 mm.
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Bisher sind alle n x δ -Seile der offenen Versionen in
der gleichen Weise behandelt worden, d.h. es wurde kein
Unterschied zwischen diesen bezüglich der Vorformung
gemacht, die bei den unterschiedlichen n x δ -Seilen
vorgesehen werden sollte. Der Erfinder hat jedoch
festgestellt, daß zwischen einem 4 x δ -Offenseil oder
einem 5 x δ -Offenseil und einem 3 x δ -Offenseil ein
Unterschied gemacht werden muß.
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Die meistverwendeten Offenseile sind 4 x δ und 5 x δ -
Seile. Sie basieren auf Drähten mit einem Durchmesser
von 0,22 bis 0,25 mm. Der Erfinder hat festgestellt,
daß ein Nachteil dieser 4 x δ und 5 x δ -Stahlseile ihr
hoher PLE-Wert ist. Eine Reifenuntersuchung hat
erbracht, daß 4 x 0,25 und 5 x 0,25-Offenstahlseile nur
dann eine gute Gummidurchdringung zeigen, wenn der PLE-
Wert größer als 0,50 bis 0,60% ist. Das führt jedoch zu
einem unregelmäßigeren Seil, was einen geringeren
Zugspannungs- und Kompressionsmodul zur Folge hat und als
letzte Folge geringere Steuerungs- und
Kurveneigenschaften des Reifens bewirkt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die
Nachteile der Konstruktionen gemäß dem Stand der
Technik zu vermeiden.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine 3 x δ -Stahlseilkonstruktion zu schaffen, die
verbesserte Zugfestigkeitseigenschaften hat.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es,
ein Stahlseil mit vollständiger und gleichmäßiger
Gummidurchdringung zu schaffen, die unabhängig von der
Abspulspannung ist, welche beim Reifenherstellungsvorgang
verwendet wird.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung
ist ein Stahlseil zum Verstärken der Einlage von
Gummireifen vorgesehen, wobei das Stahlseil aus drei Stahl
drähten besteht, die mit einer vorgegebenen
Windungssteigung umeinander gewunden sind und einen Durchmesser
δ haben, und wobei das Stahlseil eine Teillastlängung
zwischen 0,2 und 0,45%, eine Hoch-Zugfestigkeit Rm
und einen Durchmesser δ im Bereich von 0,27 bis 0,35 mm
hat.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat das
Stahlseil gemäß der Erfindung eine Super-Hoch-Zugfestigkeit
Rm.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel hat
das Stahlseil gemäß der Erfindung eine Windungssteigung
von 14 mm.
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Die Windungssteigung ist der Axialabstand, welcher zur
Durchführung einer 360-Grad-Drehung eines jeden
Stahldrahtes im Stahlseil erforderlich ist.
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Ein Stahlseil hat eine hohe Zugfestigkeit, wenn die
Zugfestigkeit Rm größer als
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2250 - 1130 log d (N/mm²) (1)
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ist, wobei d der Durchmesser der einzelnen Stahldrähte
in mm ist.
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Ein super-hoch-zugfestes Stahlseil hat eine
Zugfestigkeit Rm, die zumindest 6% größer als der Wert gemäß
der Formel (1) ist.
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Weitere detaillierte Werte werden weiter unten
angegeben.
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Ein 3 x δ -Stahlseil für die Verstärkung von
Gummireifen besteht aus drei Drähten mit einem Durchmesser
zwischen 0,27 und 0,35 mm. Diese Werte werden benötigt, um
eine ausreichende Steifigkeit zu gewährleisten. Sie
sind größer als die in 4 x δ und 5 x δ -Offenseilen für
Einlagenverstärkungen verwendeten Durchmesser. Diese
größeren Werte haben zur Folge, daß relativ niedrige
PLE-Werte (zwischen 0,35 und 0,50) optimal für die
Gummidurchdringung bleiben, auch wenn eine Vorspannung von
20 N aufgebracht wird.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung
ist ein Gummiprodukt mit einem Stahlseil gemäß dem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung vorgesehen. Ein
derartiges Gummiprodukt kann ein Gummischlauch, ein
Gummigurt oder ein Gummireifen sein. Allerdings wird
das Stahlseil gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden
Erfindung vorzugsweise bei einem Reifen für
Passagierfahrzeuge verwendet.
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Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die
beigefügten Zeichnungen beschrieben; es zeigen:
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- Figur 1 einen Querschnitt eines erfindungsgemaßen
Stahlseiles;
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- Figur 2 eine Längsansicht eines erfindungsgemäßen
Stahlseiles;
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- Figuren 3, 4 und 5 unterschiedliche Herstellungs
weisen für ein erfindungsgemäßes Stahlseil;
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- Figur 6 die Verwendung eines Stahlseiles gemäß der
Erfindung
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Die Figuren 1 und 2 zeigen ein Stahlseil 10 gemäß der
Erfindung. Die drei einzelnen Stahldrähte 1 berühren
sich entlang ihrer Länge nicht und erlauben
infolgedessen eine vollständige Gummidurchdringung.
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Ein Stahldraht hoher Zugfestigkeit kann auf folgende
Weise hergestellt werden. Ein Drahtrohling wird
ausgehend von einem Durchmesser ds zwischen 5,5 und 6,5 mm
zu einem Stahldraht mit einem Zwischendurchmesser di
kalt gezogen, welcher zwischen 0,80 und 2,50 mm liegt.
Der Stahldraht wird sodann patentiert, d.h. auf eine
Temperatur oberhalb 900ºC erwärmt, gefolgt von einem
Eintauchen in ein Härte-Umwandlungsbad (z.B. ein
Bleischmelzbad) bei einer Temperatur zwischen 450 und 700ºC
und durch ein Abkühlen auf Umgebungstemperatur. Die
Stahldrähte werden messingplatiert und sodann vom
Zwischendurchmesser di zu Stahldrähten naß gezogen,
welche einen Enddurchmesser df haben, der zwischen 0,05
und 0,80 mm liegt.
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Der genaue Wert der Zugfestigkeit Rm hängt u.a. ab
von
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- dem Enddurchmesser
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- der Reduzierung während des Naß-Ziehvorganges,
und von
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- der Stahlzusammensetzung.
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Als Beispiel gibt Tabelle 1 für unterschiedliche
Stahldrähte den Zwischendurchmesser di, den Enddurchmesser
df, die Reduktion gemäß der Gleichung
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ε = 2 ln di/df (2)
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die
prozentuale Oberflächenreduzierung R gemäß der
Gleichung
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R= di² - df² x 100/di² (3)
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und die erreichte hohe Zugfestigkeit Rm an.
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Tabelle 2 gibt die gleichen Daten an, jedoch für eine
superhohe Zugfestigkeit Rm.
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Alle diese Stahldrähte hatten eine Niedrigkosten-
Stahlzusammensetzung mit einem Kohleäquivalent Ce von
0,875% und einem Kohlegehalt in % C zwischen 0,80 und
0,85 Gewichtsprozenten.
TABELLE 1 - HOCHZUGFESTE STAHLDRÄHTE
TABELLE 2 - SUPERHOCHZUGFESTE STAHLDRÄHTE
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Das Stahlseil gemäß der Erfindung kann durch eine
herkömmliche rohrförmige Seilereinrichtung 30 (Figur 3)
oder durch eine herkömmliche Doppeldralleinrichtung 40
(Figur 4) oder 50 (Figur 5) hergestellt werden.
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Es wird auf die Figur 3 Bezug genommen. Zwei
Vorratsspulen 32 sind in stationären Gestellen innerhalb der
Trommel 31 angeordnet, und eine Vorratsspule 33 ist
außerhalb der Trommel 31 angeordnet. Während die
Trommel 31 rotiert, werden die Drähte 1 von den Spulen 32,
33 abgezogen und bilden bei der Kabelziehform 34 das
Seil 10. Das so gebildete Seil 10 wird auf die Spule 35
aufgewickelt. Die Vorformung der Seile wird bei 36
unmittelbar vor der Kabelziehform 34 durchgeführt.
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In der Figur 4 sind drei Vorratsspulen 44 innerhalb des
drehbaren Fliegers 41 einer Doppeldralleinrichtung 40
angeordnet. Die Stahldrähte 1 werden von den Spulen 44
abgezogen und laufen über einen Vorformer 46 und durch
eine Ziehform 47, erhalten eine erste Drallwindung und
laufen über eine erste Rolle 42 zum Flieger 41, sodann
über eine zweite Rolle 43, wonach sie eine zweite
Drallwindung erhalten. Das gebildete Seil 10 wird auf
eine Spule 45 aufgewickelt, die außerhalb der
Doppeldralleinrichtung 40 angeordnet ist.
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Eine Doppeldralleinrichtung kann auch aufandere Weise
eingesetzt werden. Das ist in Figur 5 dargestellt. Drei
Vorratsspulen 54 sind außerhalb der
Doppeldralleinrichtung 50 angeordnet, während die Aufwickeleinheit 55
innerhalb des Fliegers 51 angeordnet ist. Die Stahldrähte
werden von den Spulen 54 abgezogen, laufen über eine
Vorformplatte 56 und durch eine Ziehform 57, laufen
zusammen und erhalten eine erste Drallwindung; sodann
laufen sie über eine Rolle 53 und einen Flieger 51 zu
einer Rolle 52, wonach sie eine zweite Drallwindung
erhalten. Das gebildete Seil 10 wird sodann auf die
Aufwickeleinheit 55 aufgewickelt.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Doppeldralleinrichtungen 40 und 50 erlauben die Rollen 42, 43
bzw. 52, 53, daß sich die Windungen entlang ihres Weges
fortbewegen.
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Die Gummiprodukte gemäß dem zweiten Aspekt der
vorliegenden Erfindung erhält man, indem eine Vielzahl von
Stahlseilen gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung in
eine nichtvulkanisierte Gummimischung eingelegt und das
Ganze dann vulkanisiert wird. Im allgemeinen werden die
Stahlseile zuerst in einer Haftgummimischung
imprägniert. Ein solcher Haftgummi umfaßt günstigerweise 40
bis 70 Teile Kohlenruß auf 100 Teile Gummi, 2 bis 6
Teile Coumaron-Harz, 4 bis 12 Teile Zinkoxid und 1 bis
5 Teile Schwefel, und weiter nicht mehr als insgesamt
10 Teile eines Oxidationshemmers oder Beschleunigers
bzw. anderer Agentien, wobei alle Teile jeweils
Gewichtsanteile sind.
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In dem Fall, in welchem die Stahlseile als Verstärkung
eines Gurtes oder einer Einlageschicht eines Reifens
für den Passagiertransport verwendet werden, werden die
Stahlseile nebeneinander gelegt, so daß sie einen Belag
aus einer oder mehreren übereinanderliegenden Schichten
von Seilen bilden; dieser Belag wird auf jeder Seite
mit einem Belag eines unvulkanisierten Haftgummis
belegt, welcher zwischen und, dank ihrer offenen
Anordnung, in die Seile eindringt. Das ganze Komposit wird
in Streifen geschnitten und das Ergebnis ist ein
Streifen aus Seilstücken, die nebeneinander in einer oder
mehreren übereinanderliegenden Schichten angeordnet und
mit unvulkanisiertem Haftgummi imprägniert sind.
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Figur 6 zeigt eine Darstellung, wie die Stahlseile
gemäß der Erfindung mit einem PLE-Wert von 0,40 in der
Einlage eines Reifens für den Passagiertransport
verwendet werden. Es gibt zwei Gurt- oder
Einlagenschichten. In jeder Schicht sind die Stahlseile 10 parallel
zueinander und liegen in einem bestimmten Winkel zur
Bewegungsrichtung des Reifens. Wie leicht zu erkennen
ist, besitzen die Stahlseile immer noch eine Offenheit,
die groß genug ist, um eine Gummidurchdringung zu
ermöglichen, unabhängig davon, daß in der
Kalandereinrichtung eine Abspulspannung verwendet wird.
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Tabelle 3 gibt einige Werte für "Enden pro dm" und
einige "Packfaktoren", wenn Stahlseile gemäß der
Erfindung in unterschiedlichen Reifentypen für den
Passagiertransport verwendet werden.
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"Enden pro dm" ist die Anzahl der pro dm einer
Schichtlänge verwendeten Stahlseile.
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Der "Packfaktor" ist gleich dem Maximum-Durchmesser des
Seils in mm, multipliziert mit dem Wert "Enden pro dm".
TABELLE 3 - VERWENDUNG DER STAHLSEILE GEMÄSS DER
ERFINDUNG IN REIFEN FÜR DEN PASSAGIERTRANSPORT
Reifen
Enden pro dm
Packfaktor
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Die dargestellten Werte geben i.a. nicht die Grenzen
möglicher Realisierungen an. Sie bedeuten nur, daß es
möglich ist, einen speziellen Passagier-Reifentyp mit
den dargestellten Parametern zu verwirklichen.
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Ein 3 x δ -Offenseil (OC) superhoher Zugfestigkeit
(SHT) zum Verstärken einer Einlageschicht für einen
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Passagierreifen wurde mit anderen existierenden
Stahlseilkonstruktionen verglichen, die ebenfalls für das
Verstärken einer Einlageschicht für Passagierreifen
geeignet sind.
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Die Steifigkeit im Gummi wurde durch den bekannten
Dreipunkt-Biegetest gemessen.
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Die Gummidurchdringung ist der Betrag der Luft, die bei
einer Luftdruckdifferenz von 4 bar durch einen
Gummiblock (224 mm lang, 15 mm hoch und 265 mm breit), in
welchem vier identische Stahlseilkonstruktionen
eingebettet sind, hindurchtritt.
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Eine Vorspannung von 20 N wird ebenfalls aufgebracht,
um den Verarbeitungseinfluß der Abspulspannung zu
prüfen.
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Die Ermüdungsgrenze wurde durch den Hunter-Test
ermittelt.
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Tabelle 4 stellt die Vergleichsergebnisse zusammen.
TABELLE 4 - VERGLEICH MIT ANDEREN SEILEN
ERFINDUNG
STAND DER TECHNIK
Zugfestigkeit (N)
Seildurchmesser (mm)
max. Seildurchmesser (mm)
lineare Dichte (g/m)
Seilsteifigkeit im Gummi (N.mm²)
Gummidurchdringung (l/h) bei 4 bar
- mit 20 N Zugkraft auf das Seil
Ermüdungsgrenze im Gummi (N.mm²)
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Das Stahlseil gemäß der Erfindung hat eine hohe
Zugfestigkeit und eine hohe Steifigkeit im Gummi; es erlaubt
eine vollständige Gummidurchdringung auch unter
Vorspannungsbedingungen und behält einen hohen
Ermüdungswert bei.
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Ein 4 x 0,25-Offenseil mit einem PLE-Wert von 0,50% hat
nur dann eine vollständige Gummidurchdringung, wenn
keine Zugkraft aufgebracht wird. Wie in Tabelle 4
dargestellt ist, führt eine Zugspannung von 20 N zu
unvollständiger Gummidurchdringung. Das ist eine Folge
der Tatsache, daß Seile mit Drähten von einem
Durchmesser zwischen 0,23 und 0,25 mm weniger steifals Seile
von einem Durchmesser zwischen 0,27 und 0,35 mm sind.
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Alle anderen in Tabelle 4 dargestellten Konstruktionen
gemäß dem Stand der Technik ermöglichen eine
vollständige gleichmäßige Gummidurchdringung auch dann, wenn
auf diese eine Zugkraft von 20 N ausgeübt wird, jedoch
haben
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- ein 2 + 2 x 0,25-Seil eine niedrige
Ermüdungsgrenze,
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- ein 2 + 1 x 0,30-Seil ebenfalls eine niedrige
Ermddungsgrenze,
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- ein 2 x 0,30-Seil eine niedrige Zugfestigkeit.
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Um die Windungssteigung s zu optimieren, wurden vier
Stahlseile gemäß der Erfindung mit unterschiedlichen
Werten der Windungssteigung s miteinander verglichen.
Tabelle 5 stellt die Ergebnisse zusammen. Die Werte der
Kompressionsfestigkeit und der Kompressionsmodule sind
Relativwerte, da die Absolutwerte ohne Bedeutung sind.
TABELLE 5 - EINFLUSS DER WINDUNGSSTEIGUNG
Windungssteigung s (mm)
Bruchlast (N)
Bruchspannung Rm (N/mm²)
Längung bei Bruch (%)
Druckfestigkeit
Druckmodul
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Der optimale Wert der Windungssteigung s ist 14 mm, und
zwar wegen seiner höheren Druckfestigkeit und des
höheren Druckmoduls.