DE4142367A1 - Allwetter-luftreifen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Luftreifen für den Einsatz an Kraft­ fahrzeugen und insbesondere einen derartigen Reifen mit ver­ besserter Fahrtüchtigkeit unter Allwetterbedingungen.

Bekannt sind verschiedene Kraftfahrzeugreifen, die so kon­ struiert sind, daß sie die Fahrleistung auf vereister Straße verbessern. Ein typisches Beispiel für diese Reifen ist, wie in der japanischen Patentveröffentlichung 63 34 206 offenbart, mit einem Reifenprofil konstruiert, in dem Kurzfasern aus ei­ nem metallischen Material gleichmäßig verteilt sind. Ein sol­ cher bekannter Reifen wird leicht am Profil zu hart, wodurch sich sein Reibungskoeffizient auf Eis verringert. Ein weite­ rer Nachteil ist, daß der Reifen mit fortschreitender Abnut­ zung beim Lauf auf einer befestigten, in der warmen Jahres­ zeit normalerweise trockenen oder nassen Fahrbahn gewöhnlich die Metallfasern verstreut und damit ein Staubbelastungspro­ blem darstellt.

Als Alternative sind Versuche unternommen worden, ein Reifen­ profil unter Verwendung von Zellgummi mit geschlossener Zell­ struktur herzustellen, wobei gleichfalls Kurzfasern regellos am äußeren Umfang der geschlossenen Zellen verteilt wurden, wie aus der japanischen Patentveröffentlichung 63 89 547 her­ vorgeht. Aufgrund der regellosen Verteilung der Fasern im Gummi ist jedoch keine nennenswerte Verbesserung des Rei­ bungskoeffizienten oder des Haftvermögens des Reifenprofils auf vereister Straße zu erwarten.

Angesichts der vorerwähnten Nachteile im Stand der Technik liegt die Hauptaufgabe der Erfindung in der Bereitstellung eines Luftreifens mit verbesserten Brems- und Fahreigenschaf­ ten auf Eis und Schnee, der eine erhöhte Reifenleistung unter Allwetterbedingungen gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Bereitstellung eines Luftreifens gelöst, mit einem aus einer Gummimischung gebildeten Laufflächenabschnitt und mehreren Profilblöcken, die jeweils eine Bodenkontaktfläche, einen inneren Zentralbe­ reich und zwei den benachbarten Profilblöcken gegen­ überliegende Seitenwandflächen aufweist, wobei im Laufflä­ chenabschnitt eine Vielzahl kurzer Kunstharzfasern auf Poly­ amidbasis mit einem Zahlenmittel des Molekulargewichts von mehr als 5000 verteilt sind. Die Kurzfasern sind zum größten Teil so ausgerichtet, daß sie am inneren Umfang des Laufflä­ chenabschnitts und entlang der Bodenkontaktfläche und der Seitenwandflächen des Profilblocks verlaufen. Die dynamischen Modul-Eigenschaften der Lauffläche genügen den folgenden Be­ ziehungen (I) und (II):

1,03 E₁/E₂ (I)

3 MPa E₂ 20 MPa (II)

wobei E₁ der dynamische Elastizitätsmodul der Bodenkontakt­ fläche des Profilblocks und E₂ der dynamische Elastizitätsmo­ dul des inneren Zentralbereichs des Profilblocks ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispie­ len und der Zeichnungen näher erläutert, woraus viele weitere Merkmale und Vorzüge der Erfindung besser verständlich wer­ den. Dabei zeigt

Fig. 1 einen halbierten Querschnitt durch einen erfindungs­ gemäß konstruierten Luftreifen entlang der Meridianlinie,

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf eine Lauffläche des Reifens und

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III von Fig. 2.

Von den Zeichnungen zeigt Fig. 1 insbesondere einen Luftrei­ fen 100 als Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Reifen 100 besteht aus zwei mit Zwischenraum angeordneten Wülsten 101, 101, zwei Seitenwänden 102, 102, die radial nach innen ver­ laufen und sich an die entsprechenden Wülste 101, 101 an­ schließen, einer zwischen den Seitenwänden 102, 102 liegenden Lauffläche 103, einer sich zwischen den Wülsten 101, 101 er­ streckenden Karkasse 104 und einer Gürtelstruktur 105, die am inneren Umfang der Lauffläche 103 um den Reifen herumläuft. Mit 106 ist ein profilbildender Block bezeichnet. Der Profil­ block 106 besteht aus einer ausgewählten Gummiqualität und besitzt, wie besser aus Fig. 3 ersichtlich, eine Bodenkon­ taktfläche 106a und zwei den benachbarten Blöcken gegenüber­ liegende Seitenwandflächen 106b, 106b.

Kautschuksorten, die erfindungsgemäß zur Profilbildung einge­ setzt werden können, sind Mischungen aus Naturkautschuk (NR) und einer ausgewählten Klasse von verschiedenen Dienkautschu­ ken. Spezielle Beispiele von Dienkautschuken sind Butadien­ kautschuke (BR) und Dienkautschuke, die mehr als 50 Gew.-% BK enthalten, typischerweise etwa Isoprenkautschuk (IM), Styrol- Butadien-Kautschuk (SBR) und Äthylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM). Besonders bevorzugt wird die Verwendung von BR allein als Dienkautschuk. Um verschiedene wichtige Eigenschaften zu erzielen, die für das Fahren auf Eis notwendig sind, darf die Glasübergangstemperatur dieses Dienkautschuks vorzugsweise nicht höher als bei -30°C liegen.

Das Verhältnis von Naturkautschuk zu Dienkautschuk liegt im Bereich von 50 : 50 bis 75 : 25. Kleinere Anteile des Dien­ kautschuks als 25% würden die Reifenleistung auf vereisten und verschneiten Straßen bzw. auf trockenen und nassen Straßen beeinträchtigen, und größere Anteile als 50% würden die mechanische Festigkeit der entstehenden Lauffläche ver­ mindern.

Nach einem wichtigen Gesichtspunkt der Erfindung werden kurze Kunstharzfasern von bestimmter Struktur auf Polyamidbasis in der Laufflächengummimischung verteilt. Diese Fasern sind so auszurichten, daß sie am inneren Umfang des Reifenprofils und entlang der Bodenkontaktfläche sowie der Seitenwände des Profilblocks verlaufen. Ebenfalls wichtig ist, daß die dyna­ mischen Moduln des Reifenprofils den Beziehungen (I) und (II) genügen:

1,03 E₁/E₂ (I)

3 MPa E₂ 20 MPa (II)

Die Erfüllung der oben angegebenen Bedingungen ermöglicht, daß die resultierende Gummimischung hinreichend weich und steif genug ist, so daß ein Profilblock entsteht, der gleich­ zeitig eine maximale Reibung und eine maximale Haftung er­ reicht. Dies trägt in hohem Maße zur Verbesserung der Eistüchtigkeit des Reifens bei.

Bei der Ausführung der Erfindung können Kurzfasern auf Poly­ amidbasis mit einem Zahlenmittel des Molekulargewichts von mehr als 5000, vorzugsweise von mehr als 8000, in einem Lauf­ flächengummi beim Strangpressen (Extrudieren) gut dispergiert und richtig orientiert werden. Bei einem Molekulargewicht von weniger als 5000 wäre es schwieriger, eine ausreichend fase­ rige Beschaffenheit und eine entsprechende Orientierung des Polyamidharzes zu erreichen. Ferner haben die erfindungsge­ mäßen Kurzfasern einen Schmelzpunkt vorzugsweise im Bereich von 150 bis 260°C.

Die bei der Erfindung zu verwendenden Kurzfasern haben eine vorgeschriebene mittlere Länge von 1 bis 10 000 µm, vorzugs­ weise von 100 bis 5000 µm und noch besser von 1000 bis 3000 µm sowie einen mittleren Durchmesser von 0,05 bis 0,8 µm und können ferner mit einem Silanhaftmittel behandelt werden, wo­ bei als typisches Beispiel Gamma-Aminopropyltrimethoxysilan zu nennen ist. Das Längen-Durchmesser-Verhältnis liegt vor­ zugsweise im Bereich von 10 bis 1000. Eine zu kleine oder zu große mittlere Länge bzw. ein zu kleiner oder zu großer mitt­ lerer Durchmesser der Kurzfasern würde zu einer ungenügenden Dispersion oder anderweitig regellosen Orientierung im Lauf­ flächengummi führen, wodurch ein Profilblock mit unzulässigen Steifigkeits- und Hafteigenschaften und letzten Endes mit schlechter Funktionstüchtigkeit des Reifens auf Eis und Schnee und sogar auf trockenen und nassen Straßen entstünde.

Zu den Polyamidharzen, die zur Verwendung in den Kurzfasern geeignet sind, gehören Nylon 6, Nylon 66 und dergleichen.

Die Kurzfasern auf Polyamidbasis werden in einer Menge von 1 bis 15 Gewichtsteilen auf 100 Gewichtsteile des verwendeten Gummis beigemengt. Weniger als 1 Gewichtsteil würde die Fahr­ tüchtigkeit auf Eis nicht wirksam verbessern, während ein An­ teil von mehr als 15 Gewichtsteilen zu einer ungenügenden Ab­ riebfestigkeit führen würde.

Wenn die Modulwerte der Beziehung (I) nicht genügen, d. h. wenn die E₁/E₂-Werte kleiner als 1,03 sind (E₁/E₂ < 1,03), dann werden die Kurzfasern nicht entlang der Bodenkontaktflä­ che und der Seitenwandflächen des Profilblocks ausgerichtet. Wenn die Fasern nicht in dieser Weise orientiert sind, ver­ schlechtert sich die Fahrtüchtigkeit auf Eis. Damit die Kurz­ fasern ausreichend mischungsfähig bzw. mit dem Laufflächen­ gummi verträglich werden, ist E₁/E₂ vorzugsweise kleiner oder gleich 5,0 (E₁/E₂ 5,0). Für E₁/E₂ < 5,0 lassen sich die Fa­ sern schwer einmischen.

Die Verteilung der Kurzfasern 108 auf Polyamidbasis in einem Laufflächengummi 107 ist in Fig. 2 und 3 dargestellt, in denen die Fasern 108 peripher in Richtung E-E und entlang der Bodenkontaktfläche 106a und der Seitenwandflächen 106b des Profilblocks 106 orientiert sind. Diese Faserorientierung ergibt ein weicheres Laufflächengummi bei geringeren Rußan­ teilen und dadurch große Haft- und Reibwirkungen auf verei­ ster Straße und gewährleistet außerdem, daß die hohe Steifig­ keit des Profilblocks erhalten bleibt. Die dargestellte Orientierung der Fasern 108 kann beim Strangpressen des Pro­ fils 103 infolge der Neigung der Fasern, dem Fluß des Gummis zu folgen, erzielt werden. Ein solcher Faserfluß findet auch bei der Vulkanisation eines Reifenrohlings in einer Form statt, in die das Laufflächengummi fließt.

Der erfindungsgemäßen Gummimischung für die Laufflächenbil­ dung können verschiedene andere Zusätze beigemischt werden. Dazu gehören Füllstoffe wie Stearinsäure, Zinkoxid und dergleichen, Antioxidationsmittel, Öle, Wachse, Ruße, Schwe­ fel, Vulkanisationsbeschleuniger und dergleichen.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden die folgenden Ausführungsbeispiele angegeben.

Die Leistungsbewertung wurde an verschiedenen Testreifen der Größe 185/70 R13 85Q durchgeführt, die mit unterschiedlichen Laufflächen aus den in der Tabelle aufgeführten Mischungen konfektioniert wurden. Die Prüfung erfolgte mit einem 1600 ccm-Wagen vom Typ FF unter den unten angegebenen Bedingungen.

1) Bremswirkung auf Eis

Nach Beschleunigung des Wagens auf 30 km/h auf einer Eisflä­ che wurde abgebremst und der Bremsweg wurde gemessen. Für einen Indexvergleich wurde der Bremsweg für einen verwendeten Kontrollreifen als Bezugswert gleich 100 gesetzt. Je größer der Index, desto besser ist die Bremsleistung.

2) Antriebswirkung auf Schnee

Schnee auf einer befestigten Fahrbahn wurde durch wiederhol­ tes Abbremsen des Wagens verdichtet und rutschig gemacht. Auf einer solchen rutschigen Fahrbahn wurde der Wagen eine Stei­ gung von 5% (2,9°) hinaufgefahren. Nach Anfahren aus dem Stand wurde die Beschleunigungszeit über eine Fahrstrecke von 30 m gemessen und in einen Index relativ zum Kontrollreifen (= 100) umgerechnet. Je größer der Index, desto größer ist die Antriebsleistung.

3) Spurhaltung auf trockener Straße

Von einer Gruppe von fünf Fahrern wurde die Spurhaltung nach einem 10-Punkte-System bewertet, die Ergebnisse wurden gemit­ telt und durch Indexvergleich wie oben unter (1) beurteilt. Je größer der Index, desto besser ist die Spurhaltung.

4) Abriebfestigkeit auf trockener Straße

Der Verschleiß wurde an jedem Reifen nach einer Laufstrecke von 20 000 km unter den von der Japan Automobile Tire Manufac­ turers Association (JATMA) vorgeschriebenen Standardbela­ stungs- und Luftdruckbedingungen kontrolliert. Der Abnut­ zungsgrad wurde wie in (1) in einen Index umgerechnet. Je größer der Index, desto besser ist die Abriebfestigkeit.

5) Dynamischer Elastizitätsmodul, MPa

Am Reifenumfang wurden sowohl aus der Bodenkontaktfläche als auch aus dem inneren Zentralteil jedes Profilblocks Probekör­ per ausgeschnitten. Jeder Probekörper von 5 mm Breite, 2 mm Dicke und 20 mm Spannlänge wurde an einem Viskoelastizitäts­ spektrometer (Toyo Seiki Co.) bei einer Frequenz von 20 Hz, einer Anfangsdehnung von 10%, einer dynamischen Dehnung von ±2% und einer Temperatur von 0°C getestet. Je größer der Meßwert, desto höher ist die Steifigkeit des Profilgummis.

6) Verarbeitbarkeit des Laufflächengummis

Jeder Laufflächengummi wurde von fünf Gutachtern auf seine Mischungs-, Auswalz-, Aufroll- und Extrusionseigenschaften geprüft und jeweils mit bis zu 5 Punkten bewertet. Die Ergeb­ nisse wurden gemittelt und mit dem Kontrollgummi verglichen, dem ein Bezugswert von 5 Punkten zugeordnet wurde. Je größer die Punktezahl, desto besser ist die Verarbeitbarkeit.

Wie aus den in der Tabelle aufgeführten Ergebnissen klar her­ vorgeht, stellen die Ausführungsbeispiele 1 und 2 der Erfin­ dung die mit Laufflächen eines bestimmten Aufbaus konfektio­ nierten erfindungsgemäßen Reifen dar. Diese erfindungsgemäßen Reifen zeigen unter Allwetterbedingungen eine befriedigende Fahrtüchtigkeit.

Der Kontrollreifen ist ein herkömmlicher spikeloser Reifen mit einer Lauffläche ohne Kurzfasern.

Der Reifen von Vergleichsbeispiel 1 hat eine Lauffläche mit eingelagerten Kohlekurzfasern in regelloser Verteilung. Für das Fahren auf Eis und Schnee ist er nicht akzeptabel, da der Profilblock an der Bodenkontaktfläche und am inneren zentra­ len Teil den gleichen Elastizitätsmodul hat.

Die Lauffläche des Reifens von Vergleichsbeispiel 2 enthält Aramid-Kurzfasern in regelmäßiger Orientierung mit zu großer mittlerer Länge, zeigt aber eine schlechtere Fahrtüchtigkeit und eine schlechtere Laufflächenverarbeitbarkeit als der Kontrollreifen.

Der Reifen von Vergleichsbeispiel 3 ist mit einer Lauffläche konstruiert, in dem Aramid-Kurzfasern von größerer mittlerer Länge in einem Zellgummi ausgerichtet sind. Dieser Ver­ gleichsreifen besitzt eine vergleichbare Fahrtüchtigkeit, je­ doch eine schlechtere Verarbeitbarkeit als der Kontrollrei­ fen.

Der Reifen von Vergleichsbeispiel 4 ist direkt vergleichbar mit dem Reifen des Ausführungsbeispiels 1 der Erfindung, außer daß die Lauffläche weich, aber ohne Kurzfasern herge­ stellt wird. Dieser Vergleichsreifen zeigt zwar eine akzep­ table Fahrtüchtigkeit auf Eis und Schnee, erweist sich aber in bezug auf seine Fahrtüchtigkeit auf trockenen und nassen Straßen als unbefriedigend.

Tabelle

Claims (8)

1. Luftreifen, mit einer Lauffläche (103), die aus einer Gum­ mimischung gebildet wird und mehrere Profilblöcke (106) auf­ weist, wobei jeder Profilblock eine Bodenkontaktfläche (106a), einen inneren zentralen Bereich und zwei den benach­ barten Profilblöcken gegenüberliegende Seitenwandflächen (106b) umfaßt, sowie aus einer Vielzahl kurzer Kunstharzfa­ sern (108) auf Polyamidbasis mit einem Zahlenmittel des Mole­ kulargewichts von mehr als 5000, die in der Lauffläche ver­ teilt sind, wobei die Kurzfasern zum größten Teil so orien­ tiert sind, daß sie am inneren Umfang der Lauffläche und ent­ lang der Bodenkontaktfläche sowie der Seitenwandflächen des Profilblocks (106) verlaufen, und wobei die dynamischen Ela­ stizitätsmoduln des Profils den folgenden Beziehungen (I) und (II) genügen 1,03 E₁/E₂ (I)3 MPa E₂ 20 MPa (II)wobei E₁ der dynamische Elastizitätsmodul der Bodenkontakt­ fläche des Profilblocks und E₂ der dynamische Elastizitätsmo­ dul des inneren Zentralbereichs des Profilblocks ist.

2. Reifen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunstharz auf Polyamidbasis Nylon 6 oder Nylon 66 ist.

3. Reifen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Kurzfasern eine mittlere Länge von 1 bis 10 000 µm und einen mittleren Durchmesser von 0,05 bis 0,8 µm hat.

4. Reifen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß alle Kurzfasern mit einem Silanhaftmittel be­ handelt werden.

5. Reifen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Silanhaftmittel γ-Aminopropyltrimethoxysilan ist.

6. Reifen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gummimischung als Ausgangskautschuk eine Mischung aus Naturkautschuk und einem Dienkautschuk enthält.

7. Reifen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kurzfasern in einer Menge von 1 bis 15 Ge­ wichtsteilen auf 100 Gewichtsteile des Ausgangskautschuks eingesetzt werden.

8. Reifen nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Dienkautschuk Butadienkautschuk oder eine Kombination aus Butadienkautschuk mit Isoprenkautschuk, Styrol-Butadien-Kau­ tschuk oder Äthylen-Propylen-Dien-Kautschuk ist.