DE4401140A1 - Fahrzeugreifen für Nutzfahrzeuge mit Radialkarkasse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Fahrzeugreifen für Nutzfahrzeuge mit einer Radialkarkasse, einem Laufstreifen und einem ringförmigen, heterogenen, anisotropen Verbundgürtel zwischen Karkasse und Laufstreifen, insbesondere für Nutzfahrzeugreifen mit einem Höhen-Breiten-Verhältnis von 0,86.

Bei den herkömmlichen Konstruktionen von Fahrzeugreifen mit Radialkarkasse besteht der Verbundgürtel aus mehreren Lagen in Elastmatrix eingebetteten Festigkeitsträgern, insbesondere Stahl­ kord. Der Aufbau des Verbundgürtels, d. h. die Anzahl der einzel­ nen Gürtel lagen, deren geometrische Anordnung und die Winkelbe­ reiche der in ihnen eingebetteten Festigkeitsträger, wurde bisher in verschiedenen Varianten beschrieben.

Es hat sich gezeigt, daß bei der Anwendung der bekannten Gürtel­ konstruktionen immer wieder Frühausfälle der Fahrzeugreifen durch Separationen im Gürtelbereich auftreten. Insbesondere entstehen diese Separationen in der Matrix des Verbundes und an den Grenz­ flächen zu den Festigkeitsträgern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fahrzeugreifen für Nutzfahrzeuge mit einer Radialkarkasse und einem ringförmigen Verbundgürtel zu schaffen, bei dem Separationen im Gürtelbereich beim bestimmungsgemäßen Gebrauch weitestgehend vermieden werden und der ein verbessertes energetisches Verhalten aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Fahrzeugreifen der eingangs genannten Gattung mit den Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen Fahrzeugreifen werden vor allem durch Synergieeffekte aus dem Zusammenwirken aller drei Schichten des Reifengürtels Vorteile erzielt. Insbesondere werden bessere Festigkeitsauslastungen der verwendeten Festigkeitsträger erreicht, wodurch der Materialeinsatz reduziert und die Masse des fertigen Reifen gesenkt werden kann. Die Erfindung erlaubt auch größere Verformungen des Fahrzeugreifens, ohne daß es zu Frühaus­ fällen durch Separationen im Gürtelbereich kommt. Damit können höhere Auslastungsbedingungen bezüglich Geschwindigkeit und Reifentragfähigkeit zugelassen werden.

Die erfindungsgemäße Lösung für diesen neuen Fahrzeugreifen weist weiterhin ein verbessertes energetisches Verhalten auf, was zu einer Reduzierung der irreversiblen Energieverluste und damit zu einer den Kraftstoffverbrauch senkenden Verringerung des Rollwi­ derstandes führt.

Durch diese Verbesserung des energetischen Verhaltens vermindert sich auch die Reifenbetriebstemperatur und damit die thermische Belastung der Reifenaufbauelemente. Im Bereich der Lauffläche bewirkt das geringere Temperaturniveau einen verringerten Abrieb und ermöglicht eine Verlängerung der Laufstrecke. Gleichermaßen wird die Runderneuerungsfähigkeit des Reifens verbessert.

Wenn aus Gründen der Reifenkonstruktion eine mehrlagige erste Gürtelschicht notwendig ist, sind zweckmäßigerweise in unmittel­ bar benachbarten Lagen Festigkeitsträger aus unterschiedlichem, aber innerhalb einer Lage aus dem gleichen Material angeordnet. Dadurch ist es möglich, die ansonsten zwischen diesen Lagen der ersten Schicht auftretende Scherspannungen zu minimieren.

Ist es bei einer derartigen Konstruktion mit mehreren Lagen in der ersten Gürtelschicht erforderlich Festigkeitsträger aus Stahlkord zu verwenden, sollte zur Vermeidung von lokalen Korro­ sionseffekten im Fall von Reifendurchschlägen, in der radial inneren Lage der Festigkeitsträger aus Stahlkord und in der radial äußeren Lage ein Festigkeitsträger aus korrosions­ unempfindlichem Material angeordnet sein.

Zweckmäßigerweise wird als Festigkeitsträger in der radial äuße­ ren Lage der ersten Gürtelschicht Aramidkord eingesetzt.

Zur Erhöhung der Seitenstabilität des erfindungsgemäßen Fahrzeug­ reifens wirkt es sich vorteilhaft aus, wenn die erste Gürtel­ schicht in ein breiteres Mittelteil und zwei axial angrenzende Randteile unterteilt ist. Dieser Effekt kann noch verstärkt werden, wenn die axial angrenzenden Randteile gegenüber dem Mittelteil radial nach innen versetzt sind.

Eine Verbesserung des Schutzes der Gürtelkante des Fahrzeugrei­ fens wird erreicht, wenn die Randteile der ersten Gürtelschicht axial über den Gürtelpunkt hinaus bis in den Bereich der Reifen­ schulter reichen.

Zur weiteren Verbesserung des energetischen Verhaltens hat es sich gezeigt, daß die Festigkeitsträger wenigstens in einer Lage der ersten Gürtelschicht zweckmäßigerweise aus einem Material mit Thermoschrumpfeigeneigenschaften bestehen.

Als günstig für den Spannungsabbau zwischen den tragenden Gürtel­ schichten erwies sich, für die Zwischenschicht einen homogenen isotropen Werkstoff zu verwenden. Ist eine Erhöhung der Steifig­ keit der Zwischenschicht angezeigt, ist es vorteilhaft, diese oder bei mehrlagigem Aufbau eine ihrer Lagen durch eingebettete Festigkeitsträger zu armieren.

Im Nachfolgenden soll die Erfindung in zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden:

In den zugehörigen Zeichnungen sind diese schematisch darge­ stellt, und zwar ist in

Fig. 1 ein Teilquerschnitt durch ein allgemeines Ausführungsbeispiel und in

Fig. 2 ein Teilquerschnitt durch eine besonders vorteilhafte Ausführungsform gezeigt.

Der erfindungsgemäße Fahrzeugreifen für Nutzfahrzeuge besteht in der in Fig. 1 dargestellten Form aus einer Radialkarkasse 4, einem Laufstreifen 5 und einem zwischen diesen angeordneten, aus den Gürtelschichten 1 und 2 sowie der Zwischenschicht 3 bestehen­ den Verbundgürtel. Die Zwischenschicht 3 ist zwischen der radial außen liegenden Gürtelschicht 1 und der radial innen liegenden Gürtelschicht 2 angeordnet.

Die einlagige Gürtelschicht 1 weist in Elastmatrix eingebettete Festigkeitsträger aus Aramidkord mit einer Strukturdehnung von etwa 1% auf, die parallel zur Meridianebene des Reifens, d. h. in 0°-Anordnung ausgerichtet sind. Diese Gürtelschicht 1 des Ver­ bundgürtels, die sich über 60% der maximalen Breite des Reifens auf der Regelfelge erstreckt, nimmt im wesentlichen Umfangs- und Radialkräfte des Reifens auf.

Die einlagige Gürtelschicht 2 weist in Elastmatrix eingebettete Festigkeitsträger aus Stahlkord mit einer Strukturdehnung von ca. 0,2% auf, die in einem Winkel von 45° zur Meridianebene des Reifens ausgerichtet sind. Diese Gürtelschicht 2 des Verbund­ gürtels, die sich über 70% der maximalen Breite des Reifens auf der Regelfelge erstreckt, ist biegeschlaff und übernimmt im Verbund mit der Gürtelschicht 1 und der Karkasse 4 die Seiten­ kräfte des Reifens auf.

Die zwischen den Gürtelschichten 1 und 2 vorgesehene Zwischen­ schicht 3 besteht aus einem Kautschukvulkanisat. Sie baut die zwischen den Gürtelschichten 1 und 2 auftretenden interlaminaren Spannungen gut ab. Die Breite dieser Zwischenschicht 3 ist mit 70% der maximalen Breite des Reifens auf der Regelfelge gewählt. Für die Wirkung der Erfindung ist es unerheblich, ob die Gürtel­ schicht 1 aus einer Lage mit Stoßüberlappung, aus einem Einzel­ faden weitestgehend in Umfangsrichtung gewickelt oder aus einem spiralförmig gewickelten Strip gebildet ist. Die Gürtelschicht 1 wird eine in axialer Richtung und symmetrisch zur Reifenmeri­ dianebene verlaufende, dem Reifentyp und den gewollten Reifen­ eigenschaften angepaßte gekrümmte Kontur haben. Die Umfangs- und Radialkräfte des Reifens im Laufflächenbereich werden somit weit­ gehend von dieser Gürtelschicht 1 aufgenommen.

Durch das Aufpumpen des Reifens werden die Korde der Gürtel­ schicht 1 bis in den unteren Teil des Hookeschen Bereiches des Spannungs-Dehnungs-Diagramms gedehnt. Bei der äußeren Belastung des Reifens bleiben diese Korde auf dem gesamten Reifenumfang im Hookeschen Bereich, d. h., sie ändern sich in ihrer Länge nur unbedeutend. Für die weitere Beschreibung soll darum von einer im wesentlichen konstant bleibenden Länge dieser Korde bei allen Reifenbelastungen ausgegangen werden.

Die Materialauslastung im Verbundgürtel des erfindungsgemäßen Reifen wird wesentlich verbessert, weil die Festigkeitsträger der Gürtelschicht 1 in der Hauptdeformationsrichtung bei Geradeaus­ lauf des Reifens angeordnet sind. Sie bestimmen damit die Verfor­ mungen wesentlich und ermöglichen somit Scherungen im Reifen herabzusetzen.

Durch die äußere Belastung des Reifens wird dieser in der Kontaktzone mit der Fahrbahn zwangsweise abgeplattet. Die im unbelasteten Zustand des Reifens doppelt gekrümmte Laufstreifen­ oberfläche, nämlich in Axial- und Umfangsrichtung, wird in der Kontaktzone bis nahezu zu einer Ebene verformt. Diese Krümmungs­ verformung in der Kontaktzone und die nahezu konstant bleibende Länge der Korde der Gürtelschicht 1 beeinflußt entscheidend die Kontur (axialer Verlauf) dieser Schicht, die wiederum die quali­ tativen Eigenschaften des Reifens bestimmt.

Bezüglich der Konturänderung der Gürtelschicht 1 bei Reifenbean­ spruchung kann davon ausgegangen werden, daß die in einer Rad­ ebene des unbeanspruchten Reifens liegenden Korde so verformt werden, daß sie im wesentlichen nur gekrümmt werden können. So wird es bei einer Belastung des Reifens ein Bereich der Reifen­ abplattung sowie je eine Zone des Ein- bzw. des Auslaufs vor bzw. nach dem Bereich der Reifenabplattung geben. Die in dieser Zone frei werdende Länge der Gürtelschicht 1 kann sich, bedingt durch den Reifeninnendruck, nahezu gleichmäßig über den restlichen freien Umfang des Reifens verteilen, ohne großen Widerstand zu finden, da die Gürtelschicht 1 aus parallelen Ringen mit unter­ schiedlichen Durchmessern bestehend gedacht werden kann. Entspre­ chend ihrer Abplattung im Aufstandsbereich können diese Ringe sich auch unterschiedlich in ihrem freien Teil aufweiten und auch dem nicht abgeplatteten Teil des Reifens abhängig von der Bela­ stung des Reifens eine geänderte Kontur verleihen.

Die weiteren zwei Schichten des Verbundgürtels, d. h. die Gürtel­ schicht 2 und die Zwischenschicht 3, sollen diesen Krümmungsver­ formungen möglichst wenig Widerstand entgegensetzen. Sie werden in ihrer zu übernehmenden Funktion, d. h. in Bezug auf die Auf­ nahme von Seitenkräften, und hinsichtlich eines geringen Biege­ widerstandes in Umfangsrichtung und in axialer Richtung opti­ miert.

Das in Fig. 2 dargestellte vorteilhafte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fahrzeugreifen für Nutzfahrzeuge weist mehr­ lagige Gürtelschichten auf, mit denen es besser gelingt, die Reifeneigenschaften an die konkreten Anforderungen anzupassen.

Zwischen der Karkasse 4 und dem Laufstreifen 5 ist in diesem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 der Verbundgürtel gebildet aus:

• 1. einer Gürtelschicht 1, die ein Mittelteil mit den Lagen 1a und 1b, sowie zwei symmetrisch axial angrenzende Randteile 1c aufweist,
• 2. einer zweilagigen Gürtelschicht 2 und
• 3. einer einlagigen Zwischenschicht 3.

Die Lagen 1a und 1b der Gürtelschicht 1 sind in gleicher Weise, aber mit unterschiedlichen Festigkeitsträgermaterialien aufge­ baut. Die näher zur Lauffläche liegende Lage 1a enthält hochfe­ sten Stahlkord. Dieser hat einen größeren Elastizitätsmodul als der Polyamidkord der darunter liegenden Lage 1b, welcher einen möglichst hohen Thermoschrumpf aufweist und damit bei Betriebs­ temperatur die Wirkung der Gürtelschicht 1 bei der Aufnahme von Umfangskräften noch verstärkt. Dieser aus den Lagen 1a und 1b be­ stehend Mittelteil der Gürtelschicht 1 erstreckt sich über 60% der maximalen Breite des Reifens auf der Regelfelge. Diesem schließen sich radial versetzt axial angrenzende Randteile 1c der Gürtelschicht 1 an, die in ihrem Aufbau der Lage 1a, gleichen. Sie reichen über den Gürtelpunkt hinaus bis in den Bereich der Reifenschulter.

Dadurch erstreckt sich die Gürtelschicht 1, bestehend aus den das Mittelteil bildenden Lagen 1a und 1b und den Randteilen 1c, über 85% der maximalen Breite des Reifens auf der Regelfelge.

Die Karkaßkrümmung wird im mittleren Laufflächenbereich um den Zenit des Reifens wesentlich durch die Laufflächenkrümmung be­ stimmt. Ab dem Gürtelpunkt werden sich aber die radialen Korde wie eine freie, mit Innendruck beaufschlagte Membran des Reifens krümmen wollen. Abhängig vom Höhen-Breiten-Verhältnis, der Rei­ fenbreite und der Wulstgestalt kann dieser Gürtelpunkt am Rande der Gürtelschicht 1 oder auch radial unterhalb dieser Schicht liegen.

Die Randteile 1c der Gürtelschicht 1 wirken dann so, daß die Karkasse 4 im aufgepumpten Zustand des Reifens ab dem Gürtelpunkt in Richtung Seitenwand radial eingeengt wird. Die so bewirkte Umfangsspannung im Bereich der Randteile 1c der Gürtelschicht 1 führen im Verbund mit ihrem doppelt gekrümmten Verlauf zu der erforderlichen Seitensteifigkeit des Fahrzeugreifens. Die Gürtel­ schicht 2 besteht aus zwei Lagen mit unter einem Winkel von 45° zur Umfangsrichtung gekreuzt verlaufenden Stahlkorden einer Strukturdehnung von ca. 0,2%. Diese beiden Lagen liegen aufein­ ander zwischen der Karkasse 4 und der Gürtelschicht 1.

Sie sind in gleicher Weise zweiachsig gekrümmt wie die Gürtel­ schicht 1.

Für sich allein ist die Gürtelschicht 2 in allen Richtungen bie­ geschlaff. Erst im Zusammenwirken mit der Gürtelschicht 1 und der Karkasse 4 erhält die Gürtelschicht 2 ihre Quersteifigkeit. D.h. sie setzt den auf den Reifen wirkenden Seitenkräfte einen großen Widerstand entgegen, vermindert das seitliche Knicken der Lauf­ fläche im Bereich der Aufstandszone des Reifens und trägt somit dazu bei, daß die Seitenkräfte über den Verbundgürtel auf einen größeren Bereich der Seitenwand übertragen werden.

Durch die zwischen den Gürtelschichten 1 und 2 angeordnete aus­ reichend dick dimensionierte Zwischenschicht 3 wird durch inter­ laminaren Spannungsabbau verhindert, daß die Korde durch Zwangs­ verformungen des Reifens bei seiner Belastung in den Stauch­ bereich gedrückt werden.

Die Erfindung ist nicht an die beschriebenen Ausführungsformen gebunden. Es ist zum Beispiel auch möglich, eine Lage der Zwischenschicht 3 zwischen Karkasse und den übrigen Gürtel­ schichten anzuordnen. Dann wird bei der Reifenabplattung die Gür­ telschicht 2 durch die Gürtelschicht 1 in Umfangsrichtung gedehnt und durch die Karkaßlage in axialer Richtung gestaucht. Das ent­ spricht der bevorzugten Bewegung der beiden gekreuzten Lagen (Kreuzgitter) der Gürtelschicht 2 unter der Voraussetzung, daß die Korde der beiden Lagen der Gürtelschicht 2 möglichst wenig durch Dehnen oder Stauchen beansprucht werden. Durch die Wahl des Kreuzungswinkels dieser beiden Lagen und der Dicke der elasti­ schen Zwischenschicht 3 kann ein Optimum eingestellt werden, so daß eine dem Reifen und seiner Abplattung in der Aufstandsfläche angepaßte Verformung der Gürtelschicht 2 entsteht und Scherspan­ nungen zwischen den Lagen und die Beanspruchung der Korde der Gürtelschicht 2 gering gehalten werden. Dieses Optimum kann aus der Kenntnis der Kontur und Konturveränderung des Reifens, die gemessen werden können, rechnerisch und experimentell gefunden werden.

Claims (10)

1. Fahrzeugreifen für Nutzfahrzeuge mit einer Radialkarkasse (4), einem Laufstreifen (5) und einem ringförmigen, heterogenen, anisotropen zwischen Karkasse (4) und Laufstreifen (5) ange­ ordneten Verbundgürtel, insbesondere für Fahrzeugreifen mit einem Höhen-Breiten-Verhältnis von 0,86, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundgürtel aufgebaut ist aus:

• a) einer ersten, wenigstens einlagigen Gürtelschicht (1), mit einem Elastizitätsmodul E₁ in Meridianrichtung, die in Elast­ matrix eingebettete Festigkeitsträger mit einer maximalen Struk­ turdehnung von 6% enthält, welche mit einer maximalen Abweichung von 100 zur Meridianebene des Reifens angeordnet sind und diese Gürtelschicht (1) sich über 40 bis 90% der maximalen Breite des Reifens auf der Regelfelge erstreckt,
• b) einer zweiten, zur Oberfläche des Laufstreifens (5) an­ nähernd parallel verlaufende wenigstens einlagige Gürtel­ schicht (2), mit einem Elastizitätsmodul E₂ in Meridianrichtung, die radial über oder unter der ersten Gürtelschicht (1) ange­ ordnet ist, bestehend aus einer oder mehreren unidirektionalen Lagen, die in Elastmatrix eingebettete Festigkeitsträger mit hoher Zugfestigkeit enthält, welche in einem Winkel von 30 bis 85° zur Meridianebene des Reifens angeordnet sind und sich über von 40 bis 80% der maximalen Breite des Reifens auf der Regel­ felge erstreckt, und die Bedingung E₁ < 2E₂ erfüllt sowie
• c) einer wenigstens einlagigen Zwischenschicht (3) aus Elastmaterial, die zumindest zwischen der ersten (1) und der zweiten Gürtelschicht (2) angeordnet ist und sich über 40 bis 85% der maximalen Breite des Reifens auf der Regelfelge er­ streckt, aber nicht schmaler als eine der beiden vorgenannten Schichten (1, 2) ist.

2. Fahrzeugreifen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gürtelschicht (1) mehreren unidirektionalen Lagen (1a, 1b) aufweist, deren Festigkeitsträger aus unterschiedlichem, aber innerhalb einer Lage aus gleichem Material bestehen.

3. Fahrzeugreifen nach Ansprüche 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Festigkeitsträger der ersten Gürtelschicht (1) in der radial inneren Lage aus Stahlkord und in der radial äußeren Lage aus korrosionsunempfindlichem Material bestehen.

4. Fahrzeugreifen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gürtelschicht (1) in ein breiteres Mittelteil (1a, 1b) und zwei axial angrenzende Randteile (1c) unterteilt ist.

5. Fahrzeugreifen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die axial angrenzenden Randteile (1c) der ersten Gürtelschicht (1) axial über den Gürtelpunkt hinaus bis in den Bereich der Reifenschulter reichen.

6. Fahrzeugreifen nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Randteile (1c) gegenüber dem Mittel­ teil (1a, 1b) radial nach innen versetzt angeordnet sind.

7. Fahrzeugreifen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Festigkeitsträger in wenigstens einer Lage der ersten Gürtelschicht (1) aus Material mit Thermo­ schrumpfeigenschaften bestehen.

8. Fahrzeugreifen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Karkasse (4) und den übrigen Teilen des Verbundgürtels (1, 2, 3) eine weitere Lage der Zwischenschicht (3) angeordnet ist.

9. Fahrzeugreifen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (3) aus einem homogenen isotropen Werkstoff besteht.

10. Fahrzeugreifen nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (3) oder zumindest eine ihrer Lagen mit Festigkeitsträgern armiert ist.