DE4117621A1

DE4117621A1 - Luftreifen

Info

Publication number: DE4117621A1
Application number: DE4117621A
Authority: DE
Inventors: Shingo Midorikawa; Shinji Kawakami
Original assignee: Yokohama Rubber Co Ltd
Current assignee: Yokohama Rubber Co Ltd
Priority date: 1990-05-31
Filing date: 1991-05-29
Publication date: 1991-12-05
Also published as: JPH0438206A; JP2652261B2; CA2043262A1; KR910019806A

Description

Die Erfindung betrifft Luftreifen, insbesondere für Kraft fahrzeuge, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zum Fahren bei Schnee oder Eis auf der Fahrbahn werden Kraftfahrzeuge häufig mit Spikes-Reifen oder mit Radketten ausgerüstet. Derartige Einrichtungen gegen Rutschen bewirken einen starken Abrieb der Fahrbahnoberfläche, so daß die Fahrbahn beschädigt wird oder Staub oder Oberflächenteilchen abgerissen werden, die schließlich zu einer Umweltverschmut zung führen.

In jüngster Vergangenheit werden spikeslose Reifen mit ver besserten Brems- und Fahreigenschaften zunehmend eingesetzt und ersetzen die bislang verwendeten Spikes-Reifen oder Ket ten.

Spikeslose Reifen sind z. B. aus den JP-A-62-2 83 001 und 63-90 402 bekannt, wobei für die Lauffläche des Reifens ge schlossenzelliger Zellgummi verwendet wird. Derartige be kannte spikeslose Reifen haben einen ausreichenden Reibkoef fizienten auf eisigen oder schneebedeckten Fahrbahnen; dage gen ist die Stauch- und Drainagewirkung dieser Reifen nicht zufriedenstellend, so daß ihre Abriebeigenschaften und Fahr leistungen auf normal trockenen oder feuchten Fahrbahnen sich verschlechtern.

Es sind zwei Formen von Reibkräften bekannt, die beim Ab rollen auf einer eisigen oder schneebedeckten Fahrbahn auf den Reifen einwirken, nämlich die Pflug- oder Schälreibkraft und die Klebereibkraft. Gummimischungen spielen daher eine wesentliche Rolle zur Erzielung der maximalen Wirkung dieser Reibkräfte. Eine relativ hohe Steifigkeit des Gummiblocks in Umfangsrichtung des Reifens ist erforderlich, um eine er höhte Stauch- oder Schälwirkung zu erzielen. Andererseits sollte die radiale Steifigkeit des Gummiblocks unter rechtem Winkel zur vereisten Fahrbahnoberfläche relativ niedrig lie gen, um eine ausreichende Klebereibkraft zu erzielen. Dieses Problem wurde bislang dadurch angegangen, daß man kurze Fa sern in den Zellgummi der Reifenlauffläche inkorporiert, um dessen Härte zu erhöhen (vgl. JP-A-63-89 547). Da jedoch die kurzen Fasern im Gummi gleichmäßig verteilt sind, erhöht sich die Blocksteifigkeit gleichförmig über das gesamte Rei fenprofil, also nicht mit einer stärkeren Erhöhung in Um fangsrichtung als in Radialrichtung des Reifens. Daher er gibt sich keine wesentliche Klebewirkung oder Reibkraft auf eisbedeckter Fahrbahn für den Reifen.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen spikeslosen Luftreifen anzugeben, der verbesserte Allwetter fahreigenschaften bei trockener, feuchter, eisiger oder schneebedeckter Fahrbahn aufweist.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche ge löst.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine halbe Querschnittsansicht entlang der Meridian linie eines erfindungsgemäßen Luftreifens;

Fig. 2 eine schematische Aufsicht eines Profilausschnitts des Luftreifens; und

Fig. 3 eine Querschnittsansicht entlang der Linie III-III in Fig. 2.

Der erfindungsgemäße spikeslose Luftreifen 100 gemäß Fig. 1 weist in Paar im Abstand angeordnete Wulste 101, ein Paar Seitenwände 102, die sich in Radialrichtung einwärts er strecken und die entsprechenden Wulste miteinander verbin den, eine Lauffläche 103 zwischen den Seitenwänden 102, eine Karkasse 104 zwischen den Wulsten 101 sowie gegebenenfalls eine Gürtelstruktur 105 auf, die die innere Umfangswand des Protektors 103 mit der äußeren Lauffläche 106 umgibt.

Vorteilhafte erfindungsgemäße Maßnahmen werden nachstehend beschrieben.

1) Der Protektor 103 besteht aus Zellgummi mit eingelager ten kurzen Fasern, der ein auf Harnstoff basierendes Ad ditiv enthält, das in weniger als dem Äguivalentverhält nis mit einem Treibmittel gemischt ist

Es hat sich gezeigt, daß eine geschlossenzellige Struktur des Zellgummis stark dazu beiträgt, die Stauch-, Schäl- und Drainagewirkungen des Reifens, insbesondere auf Eis, zu er höhen, das eine pseudoflüssige Phase bei etwa 0°C einnimmt. Ferner hat sich gezeigt, daß diese Wirkungen bei Verwendung eines relativ harten Zellgummis für das Profil verstärkt werden im Gegensatz zur bisherigen Annahme, daß die Reib kraft des Profils auf Eis oder Schnee durch Verwendung von Gummi mit geringerer Härte bei niedrigen Temperaturen ver bessert werden kann. Bekanntlich nimmt die Härte von Zell gummi im Vergleich zu Nicht-Zellgummi ab. Daher muß ein Ma trixgummi mit größerer Härte ausgewählt werden, etwa durch Verwendung einer höheren Rußmenge oder anderer verstärkender Materialien oder durch verringerte Mengen an Öl und anderen Weichmachern. Dies führt jedoch zu erhöhten Schwierigkeiten bei der Verarbeitung des Gummis und zu einer erheblichen Wärmebildung. Ausgehend davon, daß auf Harnstoff basierende Additive einen Beitrag zur Erhöhung der Vernetzungsdichte eines Ausgangsgummis leisten, sind umfangreiche Untersuchun gen durchgeführt worden, um festzustellen, daß dieser Bei trag sogar noch weiter verstärkt werden kann, indem man ein auf Harnstoff basierendes Additiv in Kombination mit einem Treibmittel verwendet; diese starke Erhöhung ergibt sich nicht bei Zugabe von Harnstoff alleine zur Gummimischung. Im Rahmen der Erfindung ist herausgefunden worden, daß auf Harnstoff basierende Additive bei Zumischung von Treibmit teln in bestimmten Mischungsverhältnissen zu einem Zellgummi führen, bei dem die Abnahme der Gummihärte beim Blasen un terdrückt wird und man eine Härte vergleichbar mit Nicht- Zellgummi erhält, und zwar ohne die nachteiligen Wirkungen bei der Gummiverarbeitung und die Wärmebildung. Das auf Harnstoff basierende Additiv dient ferner als Akzeptor für übel riechendes Formaldehyd, das bei der Zersetzung des Treibmittels, wie Nitrosoverbindungen, gebildet wird.

Wie vorstehend erläutert, ist es bei Zellgummi mit gleich förmiger Steifigkeitsverteilung schwierig, sowohl die Schäl wirkung als auch die Klebereibkraft des Profils relativ zur Fahrbahn zu verbessern. Der Elastizitätsmodul des Gummis er höht sich bekanntlich parallel zur Orientierung der kurzen Fasern, die im Gummi im wesentlichen in einer Richtung lie gen, jedoch variiert dieser Elastizitätsmodul nicht wesent lich in einer Richtung senkrecht zur Faserorientierung. Diese Anisotropie des faserverstärkten Gummis kann daher zur Einstellung der Orientierung der kurzen Fasern ausgenutzt werden, so daß diese Fasern in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Gummiblocks gerichtet werden und damit die Steifigkeit in einer Richtung senkrecht zur Blockoberfläche abnimmt und umgekehrt in einer Richtung parallel zur Block oberfläche zunimmt; dadurch erzielt man gleichzeitig eine maximale Schälwirkung und Klebereibkraft.

Erfindungsgemäß wird das auf Harnstoff basierende Additiv vorzugsweise in einer Menge von 30 bis 90 Gew.-% bezogen auf das Treibmittel eingesetzt. Eine Menge des auf Harnstoff ba sierenden Additivs über der des Treibmittels führt zu einer Sättigung des gewünschten Effekts, dieser wäre nicht wirt schaftlich und würde zu einer unerwünschten Reduktion der Zersetzungstemperatur in Abhängigkeit von der Art des einge setzten Treibmittels führen, so daß man voraussichtlich nach dem Mischen und Extrudieren zumindest teilweise unvulkani sierten Gummi erhält.

Der erfindungsgemäße Luftreifen kann in üblicher Weise vul kanisiert werden, wobei der Zellgummi eine Glasübergangstem peratur oder einen Versprödungspunkt von unter -30°C auf weist, so daß der Reifen bei Benutzung in der kalten Jahres zeit nicht brüchig wird.

Als Treibmittel wird erfindungsgemäß und vorzugsweise eine organische Verbindung eingesetzt, wie Benzolsulfonylhy drazid, Dinitrosopentamethylentetramin und Azodicarbonamid, oder eine anorganische Verbindung, wie Natriumbicarbonat, Ammoniumcarbonat und Ammoniumnitrit.

Für das erfindungsgemäße, auf Harnstoff basierende Additiv können Harnstoff als solcher, Koagulationsinhibitoren oder Feuchtigkeitsinhibitoren verwendet werden, wie Säuren und Harnstoffverbindungen, wie die unter dem Handelsnamen Celpaste M₃, K₅ und 101 vertriebenen Produkte der Eiwa Chemicals Industry Ltd.

Andere Additive sind möglich, wie Ruß, Weichmacher, Verede lungsmittel, Alterungshemmer, Wachse, Vulkanisiermittel und Vulkanisierbeschleuniger.

Das Treibmittel wird vorzugsweise in einer Menge von 0,5 bis 20 Gew.-Teilen pro 100 Teilen des Rohgummis zugegeben.

Vorzugsweise werden zweilagige oder dreilagige Protektoren wie Strukturen mit Protektoroberteil und Protektorunterteil, verwendet, um die Allwetterfahreigenschaften zu verbessern.

2) Die mittlere Zellfläche X über eine Querschnittsfläche des Protektors liegt im Bereich von 500 bis 6000 µm².

Der Zellgummi ist geschlossenzellig mit einer mittleren Zellfläche von 500 bis 6000 µm², vorzugsweise im Bereich von 1000 bis 4000 µm². Zellflächen von weniger als 500 µm² füh ren zu unzureichenden Eigenschaften des Reifens auf Eis oder Schnee, während Zellflächen von über 6000 µm² zu einer Ver schlechterung der Abriebfestigkeit und der Fahreigenschaften führen.

3) Der Variationskoeffizient K der Zellfläche X im Protek tor liegt im Bereich von 0,5 bis 0,8.

Eine relativ schmale Verteilungsbreite der Zellstruktur, die Zellform und die maximale Zelldichte sind relativ wesentli che Parameter für die Allwetterreifeneigenschaften.

Der hier verwendete Variationskoeffizient K ergibt sich aus der Formel

K = S/

wobei

= mittlere Zellfläche (µm²) und
S = Standardabweichung.

Der Variationskoeffizient K sollte im Bereich von 0,5 bis 0,8 liegen. Werte unter 0,5 führen zu einer reduzierten Schälwirkung des Reifens, während Werte über 0,8 zu einer reduzierten Drainagewirkung führen.

4) Die Zelldichte liegt im Bereich von 5% bis 40%.

Die Zelldichte kennzeichnet den Wert für die Zellfläche pro Flächeneinheit des Gummis.

Abweichungen nach unten gegenüber 5% und nach oben gegen über 40% führen zu einer reduzierten Schälwirkung bzw. re duzierter Abriebfestigkeit bei normalen Fahrbedingungen.

5) Der Hauptteil der kurzen Fasern ist entlang der Boden kontaktfläche und den Seitenwänden des Protektorblocks 107 orientiert.

Die Fig. 2 und 3 zeigen die Verteilung der kurzen Fasern 108 in einem Zellgummi 109, wobei die Fasern 108 in Umfangs richtung in Richtung E-E entlang der Bodenkontaktfläche 107a und der Seitenwandflächen 107b des Protektorblocks 107 orientiert sind. Die dargestellte Orientierung der Fasern 108 erhält man bei der Vulkanisierung des Reifens in der Form aufgrund der inhärenten Neigung der Fasern 108, dem Fluß des Gummis zu folgen. Es muß jedoch sorgfältig darauf geachtet werden, eine geeignete Faserlänge zu wählen, da zu kurze Fasern dazu neigen, sich in nachteiliger Weise belie big zu bewegen. Daher beträgt die mittlere Länge der erfin dungsgemäß eingesetzten kurzen Fasern 108 vorzugsweise über 100 µm; weiter bevorzugt liegt die mittlere Länge dieser kurzen Fasern im Bereich von 100 bis 5000 µm, wobei 1000 bis 3000 µm besonders bevorzugt sind. Der mittlere Durchmesser der kurzen Fasern 108 beträgt vorzugsweise über 1 µm. Das Länge/Durchmesser-Verhältnis der Fasern liegt vorzugsweise im Bereich von 10 bis 1000. Die kurzen Fasern 108 können aus Wolle, Seide oder anderen Naturfasern oder aus Cellulose, Polyamid oder anderen Kunststoffasern bestehen.

Erfindungsgemäße Beispiele 1 und 2 Vergleichsbeispiele 1 bis 5

Verschiedene Prüfreifen der Größe 185/70R13 85Q mit den Be standteilen gemäß Tabelle I wurden den folgenden Tests an einem 1600 cm³ FF-Kraftfahrzeug unterworfen:

Mittlere Zellfläche , Variationskoeffizient K und Zell dichte

Aus jedem Prüfreifenprotektor wurde ein Probenstück ausge schnitten und unter einem Mikroskop NEXUS6400 des Kashiwagi Research Institute bei 165-facher Vergrößerung betrachtet. Die Prüfergebnisse wurden aus 10 derartigen Probenstücken gemittelt.

Bremseigenschaften auf Eis

Bei einer Fahrgeschwindigkeit von 30 km/h auf einer Eis platte wurde das Kraftfahrzeug abgebremst und der Bremsweg gemessen. Als Bezugswert wurde für einen üblichen Reifen zum Vergleich der Indexwert 100 genommen. Die Bremswirkung ist umso höher, je größer der Indexwert ist.

Fahreigenschaften auf Schnee

Auf einer befestigten Straße wurde Schnee aufgetragen und komprimiert und durch wiederholtes Bremsen mit dem Kraft fahrzeug geglättet. Auf der rutschigen Straße wurden bei 5% (2,9°) Neigung- Klettertests ausgeführt, und die Beschleuni gungszeit wurde vom Start (Geschwindigkeit 0) über eine Fahrstrecke von 30 m gemessen. Ein Vergleichsreifen wurde als Bezug für eine Indexdarstellung der Prüfergebnisse bei jedem Prüfreifen verwendet. Je höher der Indexwert ist, um so besser sind die Fahreigenschaften.

Lenkstabilität (auf trockener Straße

Fünf Testfahrer prüften die Lenkeigenschaften des Prüffahr zeugs, an dem jeweils ein Satz der Prüfreifen montiert wa ren. Ihre Prüfergebnisse wurden gegen den Vergleichsreifen indiziert. Die Lenkstabilität ist umso besser je höher der Indexwert ist.

Abriebfestigkeit (auf trockener Straße)

Nach einer Fahrt des Testfahrzeugs von 20 000 km unter Bela stungs- und Luftdruckbedingungen gemäß JATMA-Standard wurden die Prüfreifen hinsichtlich ihres Abriebs überprüft. Der Ab rieb jedes Prüfreifens wurde gegen den Vergleichsreifen in diziert. Die Abriebfestigkeit ist umso besser, je höher der Indexwert ist.

Dynamischer Young-Modul (MPa)

Aus der Außenfläche und der Innenseite jedes Prüfprotektor blocks wurde in Umfangsrichtung des Reifens ein Probenstück ausgeschnitten. Das Probenstück war 5 mm breit, 2 mm dick und für das Spannfutter 20 mm lang und wurde bei einer Fre quenz von 20 Hz, 10% Anfangsdehnung, ± 2% dynamischer Deh nung und bei einer Temperatur von 0°C getestet. Die Steifig keit des Protektors ist umso höher je größer der Meßwert ist.

In Tabelle I ist der Vergleichsreifen ein üblicher spikeslo ser Reifen ohne Zellgummi und kurzen Fasern. Die Beispiele 1 und 2 beziehen sich auf erfindungsgemäße Reifen mit der an gegebenen Kombination von Zellgummi und kurzen Fasern für den Protektoraufbau und mit ausreichenden Allwetterreifenei genschaften. Der Reifen gemäß Vergleichsbeispiel 1 enthält Zellgummi jedoch keine kurzen Fasern und ist zufriedenstel lend auf Eis und auf Schnee, jedoch nicht zufriedenstellend bei normal trockenen und feuchten Fahrbahnbedingungen. Der Reifen des Vergleichsbeispiels 2 hat sowohl Zellgummi als auch kurze Fasern, jedoch sind diese Fasern zu kurz und im Gummi beliebig verteilt, so daß die Steifigkeit des Profils sowohl in Umfangsrichtung als auch in Radialrichtung des Reifens nahezu gleichförmig ist. Daher sind die Reifeneigen schaften auf Schnee und Eis nicht ausreichend. Das Ver gleichsbeispiel 3 bezieht sich auf einen Reifen sowohl mit Zellgummi als auch mit kurzen Fasern, jedoch ohne auf Harn stoff basierendem Additiv, so daß der dynamische Young-Modul (Steifigkeit) mit verschlechterten Reifeneigenschaften ab nimmt. Die Kombination aus Zellgummi und kurzen Fasern bei dem Protektor des Reifens gemäß Vergleichsbeispiel 4 ist nicht zufriedenstellend hinsichtlich der Eigenschaften auf Schnee und Eis, da die mittlere Zellfläche zu klein ist. Ein ähnlicher Reifen in Vergleichsbeispiel 5 ist bei normal trockener und feuchter Fahrbahn ebenfalls nicht zufrieden stellend, da die Zelldichte zu groß ist.

Tabelle I

Claims

1. Luftreifen mit einem Protektor aus Zellgummi und darin verteilten kurzen Fasern, dadurch gekennzeichnet, daß der Zellgummi ein auf Harnstoff basierendes Additiv ent hält, das mit weniger als dem Äquivalentverhältnis mit einem Treibmittel gemischt ist; daß der Zellgummi eine mittlere Zellfläche auf einer Querschnittsfläche des Protektors im Bereich von 500 bis 6000 µm² aufweist; daß der Variationskoeffizient K der Zellfläche im Bereich von 0,5 bis 0,8 liegt; daß die Zelldichte des Zellgummis im Protektor im Bereich von 5% bis 40% liegt; und daß die kurzen Fasern in Umfangsrichtung des Reifens entlang der Lauffläche und den Seitenwänden bei jedem Profil block orientiert sind.

2. Reifen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Additiv in einer Menge von 30 bis 90 Gew.-Teilen pro 100 Gew.-Teilen des Treibmittels zugegeben wird.

3. Reifen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Additiv ausgewählt ist aus der Gruppe enthaltend Harnstoff, Koagulationsinhibitoren und Säure-/Harnstoff- Verbindungen.

4. Reifen nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeich net, daß der Variationskoeffizient K sich aus der Formel K = S/ergibt, wobei = mittlere Zellfläche (µm) und S = Standardabweichung (µm²).

5. Reifen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die kurzen Fasern eine mittlere Länge von 100 bis 5000 µm, einen mittleren Durchmesser von über 11 µm und ein Länge/Durchmesser-Verhältnis von 10 bis 1000 haben.