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Die
Erfindung betrifft einen Luftreifen oder ein nicht-pneumatisches elastisches
Rad aus verstärktem Elastomer.
Die Erfindung zielt insbesondere darauf ab, die Seile, insbesondere
die Seile aus Stahl oder Aramid, die für die Verstärkung von Luftreifen verwendet
werden, durch ein neues Verstärkungselement
zu ersetzen.
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Ein
hervorragendes Element, das breite Anwendung für die Verstärkung der Luftreifen findet,
ist das Stahlseil. Es ist bekannt, dass die Verseiltechnik dem Verstärkungselement
ermöglicht,
relativ kleine Krümmungsradien
einzunehmen und dabei gleichzeitig beträchtliche Belastungen auszuhalten.
Eine große
Zahl von Elementardrähten
mit kleinem Querschnitt wird so zusammengefügt, dass trotz eines ausreichend
großen
kumulierten Querschnitts, mit dem das gewünschte Festigkeitspotential
erzielt wird, jeder einzelne Querschnitt ausreichend klein bleibt,
um kleine Krümmungsradien
zu gestatten, ohne dass es zu permanenten plastischen Verformungen
kommt.
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Die
Anwendung zusammengefügter
Einheiten aus Elementen mit kleinem Querschnitt ermöglicht es im
Fall von Stahl auch, die Biegesteifigkeit zu begrenzen. Die Biegesteifigkeit
ist das Produkt aus dem Young-Modul und dem Trägheitsmoment des Querschnitts.
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Es
werden viele andere Materialien verwendet, insbesondere Textilmaterialien.
Es kann Reyon, Nylon, oder, um ein moderneres Material zu erwähnen, Aramid angegeben
werden. Bei der Mehrzahl der Verwendungen kann jedoch nicht vermieden
werden, dass mehrere Drähte
mit geringem Querschnitt zusammengefügt werden müssen, um die erforderliche
Leistungsfähigkeit
hinsichtlich der Kraftübertragung
und der Fähigkeit zur
Verformung zu erzielen. Leider begrenzt das Zurückgreifen auf zusammengefügte Einheiten,
die im Textilfall meistens durch Verzwirnen erhalten werden, die
Eigenschaften des Dehnmoduls und verleiht der Einheit keine oder
nur eine geringe Biegesteifigkeit. Im Gegenteil ermöglicht es
die mikroskopische Größe der Elementarfilamente,
die die Textilgarne bilden, relativ kleine Krümmungsradien zu erzielen. Auch
wenn in dem Gürtel
eines Radialreifens die Textilzwirne einen Gewinn beim Gewicht liefern,
der für
bestimmte Aspekte der Festigkeit beim Rollen vorteilhaft ist, und
Probleme hinsichtlich der Korrosion beseitigen, ermöglicht es
ihre geringe Biegesteifigkeit und in bestimmten Fällen ihr
geringes Dehnmodul nicht, die exzellente Lenkstabilität und Abnutzungsfestigkeit
des Stahlgürtels
zu garantieren.
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Anstelle
von Verstärkungselementen
aus Stahl ist bereits vorgeschlagen worden, beispielsweise in der Patentanmeldung
EP 0 475 745 , ein textiles
langgezogenes Verbundelement zu verwenden, das im Wesentlichen die
folgenden Charakteristika hat: das langgezogene Element muss eine
elliptische oder rechteckige Form haben; es enthält Fasern, die unter Aramidfasern,
Glasfasern, PVA-Fasern, Kohlenstofffasern ausgewählt werden; das Anfangsdehnmodul
des verwendeten Imprägnierharzes
darf 1,5 GPa nicht übersteigen. Das
vorgeschlagene Kriterium für
die Auswahl dieser Fasern ist eine hohe Zähigkeit (spezifische Bruchkraft) von
mehr als 15 g/Denier (oder 136 g/tex). Aramid, PVA und teilweise
Kohlenstoff weisen jedoch im Gegensatz zu Glas eine allgemein bekannte
intrinsische Schwäche
der Festigkeit bei Kompression auf. Dieser Nachteil zeigt sich insbesondere
bei der Anwendung dieser Fasern für die Verstärkung von Luftreifen und rührt von
deren allgemein bekanntem Verhalten bei Kompression her. Ohne Zweifel
ist für
den Versuch, diesen Nachteil zu beseitigen, vorgeschlagen worden,
diese Fasern mit einem Harz von geringer Steifigkeit zu kombinieren,
was dieses Element bei einer gegebenen, dem langgezogenen Verbundelement
auferlegten Krümmung
weniger belastet. Diese Wahl bringt jedoch einige Probleme mit sich,
weil über
die gesamte Lebensdauer des Reifens eine ausreichende Festigkeit
der Verstärkungselemente
des Gürtels
bei Kompression nicht ausreichend gewährleistet werden kann, die
beim Biegen, insbesondere an den Rändern der Triangulationslagen
im Gürtel, stark
beansprucht werden.
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Für die Verbesserung
der Biegesteifigkeit kann man auf polymere Textilprodukte mit hohem Young-Modul
in Form von Monofilamenten zurückgreifen,
beispielsweise auf Monofilamente aus Aramid mit einem Durchmesser
in der Größenordnung
von einem Zehntel Millimeter oder von einigen Zehntel Millimetern, die
nach dem Beispiel der der Stahldrähte verseilt werden. Zur Veranschaulichung
wird das Patent WO 92/12018 zitiert. Die sehr niedrige innere kritische
Kompressionsschwelle dieses Produkttyps, die als die maximalen Verformung
bei Kompression vor dem Zusammenbruch definiert ist, macht die Einheit
sehr anfällig
gegenüber
den bei Kompression auftretenden Belastungen. Hieraus kann eine
schnelle und irreversible Zerstörung
bei Komprimieren der Einheiten resultieren. Hieraus resultiert die
große
Schwierigkeit, etwas anderes als Stahl für die Triangulationslagen in
dem Gürtel
von Luftreifen zu verwenden, denn die Drift eines Luftreifens ruft
eine Biegung auf der Kante des Gürtels
hervor, der unter dem Laufstreifen liegt, wodurch bei Kompression bestimmte
Teile der Verstärkungselemente
belastet werden.
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Eine
andere Art der Verwendung der Textilfasern mit hohem Modul und hoher
Zähigkeit
(Aramidfasern, Fasern aus aromatischem Polyester – beispielsweise
Vectran -, Polybenzobisoxazol) besteht darin, ein langgezogenes
unidirektionelles Verbundmaterial herzustellen, das ohne Verseilung
oder ein äquivalentes
Verfahren verwendet wird. Je nach dem Volumengehalt des Verstärkungselements
ist es möglich,
ein Young-Modul zu erhalten, das größer ist als das Young-Modul
eines Textilzwirns. Das Biegemodul liegt sehr nahe beim Dehnmodul,
und es gibt eine echte Biegesteifigkeit, die in Abhängigkeit
von der Wahl der Größe und der
Form des Querschnitts veränderbar
ist. Derartige Produkte haben jedoch eine intrinsische Schwäche bei
einer Kompression, nämlich
eine geringe Bruchspannung bei Kompression, die mit der Verwendung
von Textilfasern zusammenhängt,
die selbst eine geringe, ja sogar sehr geringe kritische Verformungsgrenze
bei Kompression haben. Man weiß aber,
dass der Einsatz für
die Verstärkung
des Gürtels
von Radialreifen eine ausreichende Fähigkeit des Verstärkungselements
erfordert, der Kompression standzuhalten.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, einen Luftreifen mit einem geringeren
Gewicht vorzuschlagen, der hervorragende Lenkeigenschaften und eine
hervorragende Haltbarkeit aufweist, in dem langgezogene Verbundelemente
verwendet werden. Mit der Erfindung wird vor allem vorgeschlagen,
die Stahlseile des Gürtels
durch langgezogene Verbundelemente mit monofilamentärem Aussehen,
d.h. durch nicht verseilte Verbundelemente, zu ersetzen.
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Die
Erfindung betrifft demnach einen Reifen aus Elastomer, der Verstärkungselemente
enthält,
in dem mindestens ein Verstärkungselement
ein langgezogenes Verbundelement mit monofilamentärem Aussehen ist,
das in etwa symmetrische technische Fasern enthält, wobei die Fasern in großen Längen vorliegen,
wobei die Fasern in ein warmgehärtetes
Harz eingebettet sind, das ein Anfangsdehnmodul aufweist, das mindestens 2,3
GPa beträgt,
wobei in dem Verbundelement alle Fasern parallel zueinander sind,
wobei das langgezogene Verbundelement eine elastische Verformung
bei Kompression von mindestens 2 % aufweist und beim Biegen eine
Bruchspannung bei Kompression aufweist, die größer als die Bruchspannung bei
Dehnung ist.
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Es
hat sich gezeigt, dass Glasfasern besonders gut geeignet sind. Bestimmte
Kohlenstofffasern mit niedrigem Young-Modul können ebenfalls geeignet sein.
Man kann auch eine Hybrideinheit verwenden, die Glasfasern enthält. Das
warmgehärtete
Harz hat vorzugsweise eine Glasübergangstemperatur
Tg oberhalb von 130 °C. Das Anfangsdehnmodul des
warmgehärteten
Harzes beträgt
vorteilhaft mindestens 3 GPa. Das langgezogene Verbundelement hat
vorzugsweise eine elastische Verformung bei Kompression von mindestens
3 %.
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Mit
dem Ausdruck "Reifen" werden gleichermaßen die
Luftreifen, die dafür
konzipiert sind, unter einem bestimmten nominalen Fülldruck
zu funktionieren, wie die von Luftreifen verschiedenen, d.h. nicht-pneumatischen elastischen
Räder (die
allgemein auch "non
pneumatic tires" heißen) bezeichnet.
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Die
Erfindung ermöglicht
es beispielsweise, in den beiden übereinander liegenden Lagen,
die üblicherweise
im Gürtel
vorhanden sind, die Stahlseile durch die langgezogenen Verbundelemente
zu ersetzen.
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Die
beigefügte 1 veranschaulicht
einen Luftreifen, der so verstärkt
ist, wie dies durch die vorliegende Erfindung vorgeschlagen wird.
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Nebenbei
wird darauf hingewiesen, dass das langgezogene Verbundelement, nachdem
es beispielsweise durch Pultrusion hergestellt worden ist, mit einer
Klebstoffschicht überzogen
werden kann, beispielsweise mit einer Schicht aus einem Kleber aus
einem Resorcin-Formaldehyd-Latex
(RFL), um eine gute Haftung auf einem mit Schwefel vulkanisierbaren
Elastomer zu ermöglichen,
was an sich wohlbekannt ist.
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Die
beigefügte
Figur veranschaulicht eine besonders interessante, jedoch nicht
einschränkende
Anwendung bei einem Luftreifen 10 für einen Personenwagen, der
einen Laufstreifen 13, zwei Seitenwände 12, eine Radialkarkasse 14,
die auf beiden Seiten in einem Wulst 11 verankert ist,
umfasst. Ein langgezogenes Verbundelement vom monofilamentären Typ,
das die angegebenen Eigenschaften aufweist, verstärkt den
Teil des Luftreifens, der unter dem Laufstreifen 13 liegt.
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In
dieser besonderen Anwendung ist das langgezogene Verbundelement
in parallelen Stücken 15 angeordnet,
die von der einen Schulter bis zu der anderen Schulter reichen,
wobei die Stücke
in mindestens zwei radial übereinander
liegenden Lagen arrangiert sind, wobei die Stücke unter einem Winkel angeordnet
sind, der von der einen zu der anderen Lage das Vorzeichen wechselt.
In dieser Anwendung bei Lagen, die eine Triangulation mit der Radialkarkasse
bilden, liegt der Absolutwert dieses Winkels typischerweise im Bereich von
60 bis 10 °.
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Um
ohne Schäden
kleine Krümmungsradien
aushalten zu können,
die beispielsweise für
die Triangulationsarbeitslagen des Gürtels eines Luftreifens charakteristisch
sind, ist es erforderlich, eine gute Kombination zwischen den Eigenschaften
des Harzes, des Verstärkungselements
und der Größe des Querschnitts
des langgezogenen Verbundes zu finden. Ein gewisses Ausmaß der Fähigkeit
der Faser zur Verformung bei Dehnung reicht nicht aus, um dem Verbund
beim Biegen eine Leistungsfähigkeit
auf dem Niveau der Bruchdehnung beim Dehnen zu gewährleisten.
Die besten Ergebnisse beim Biegen des Verbunds, ausgedrückt als
relative Verformungen, werden mit Fasern erzielt, die ausgeglichene
mechanische Eigenschaften beim Ziehen und bei Kompression aufweisen.
Glasfasern gehören
zu dieser Kategorie.
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Es
wurde eine technische Faser ausgewählt, die als in etwa symmetrisch
bezeichnet wird, d.h. die beim Ziehen und beim Komprimieren ziemlich
gut ausgeglichen ist, was ihr bei der Beanspruchung durch alternierendes
Biegen ein ziemlich symmetrisches Verhalten sowie eine gute Haltbarkeit
verleiht. Bei einer beim Ziehen und beim Komprimieren schlecht ausgeglichenen
Faser, beispielsweise einer Aramidfaser, zeigt sich sofort bei der
Kompression des Verbunds die Schwäche der Textilfaser bei Kompression.
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Außerdem muss
das Harz so ausgewählt
werden, dass es unter allen Umständen
eine ausreichende Kohäsion
zwischen den Textilfasern liefert. Es ist zweckmäßig, dass das Harz in jedem
Moment eine ausreichende Kohäsion
zwischen den Fasern gewährleistet,
um einen schnellen Zusammenbruch bei Kompression in Folge eines
mikroskopischen Knickens der Fasern in dem Harz zu verhindern.
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Das
verwendete langgezogene Verbundelement ist vorzugsweise so, dass
das Anfangsmodul der Dehnung mindestens 30 GPa beträgt und dass
die Bruchspannung bei Kompression mindestens 0,7 GPa beträgt.
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Die
Vinylesterharze oder die Epoxidharze erfüllen die oben ausgedrückten Empfehlungen
gut. Die Bruchdehnung des Harzes wird vorzugsweise auch in Abhängigkeit
vom Verformungspotential der Fasern ausgewählt. Da die Glasfaser "E" oder "R" eine
Bruchdehnung bei Dehnung und nachfolgender Kompression hat, ist
es möglich,
langgezogene Verbundelemente mit monofilamentärem Aussehen mit einem großen Querschnitt
in der Größenordnung
eines Millimeters zu verwenden, wenn die Form zylindrisch ist, und
gleichzeitig einen minimalen Krümmungsradius
zu gewährleisten,
der perfekt mit den Verformungen des Gürtels kompatibel ist. Dies
liefert eine ausreichende Biegesteifigkeit, um bei Beanspruchungen
unter starker Drift zerstörerische
lokale Knicke zu verhindern. Die Glasfaser "E" bietet
einen guten Kompromiss zwischen den Gestehungskosten und den mechanischen
Eigenschaften. Dies schließt
die Verwendung der Glasfaser "R" bei anspruchsvolleren
Anwendungen nicht aus. Der Gehalt an Fasern liegt vorteilhaft im
Bereich von 30 bis 80 % der Gesamtmasse des langgezogenen Verbundelements.
Die Fasern sind vorzugsweise Glasfasern, und der Gehalt an Fasern
liegt vorzugsweise im Bereich von 50 bis 80 % der Gesamtmasse des
langgezogenen Verbundelements. Die Dichte ist vorzugsweise kleiner
als 2,2, und sie liegt vorteilhaft im Bereich von 1,4 bis 2,05.
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Ein
derartiges langgezogenes Verbundelement kann vorteilhaft kontinuierlich
durch Pultrusion erzeugt werden. Hierbei handelt es sich um eine
Technik, die dafür
bekannt ist, dass sie den Einsatz von langen Fasern erlaubt. Es
handelt sich darum, die Fasern von unbegrenzter Länge abzuwickeln
und in ein Harzbad einzutauchen, um dessen Imprägnierung zu gewährleisten.
Anschließend
werden sie durch eine beheizte Düse
gezogen, dann durch einen erhitzten Behälter, wo die Polymerisation
erfolgt. Man kann auf diese Weise in großer Länge und kontinuierlich Produkte
mit beliebigem Querschnitt ziehen, der durch die Form der Düse vorgegeben
wird, die in dieser Abhandlung als "langgezogene Verbundelemente mit monofilamentärem Aussehen" oder einfacher als "langgezogene Verbundelemente" bezeichnet werden.
Das Wort "monofilamentär" wird im Gegensatz
zum technologischen Konzept der "Verseilung" oder "Verzwirnung" verwendet. So umfasst
das langgezogene Verbundelement, im Querschnitt betrachtet, zahlreiche
Elementarfilamente auf, die in ein Harz eingebettet sind, das dem
Produkt im polymerisierten Zustand das Aussehen eines einzigen Stranges
verleiht.
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Für die Herstellung
startet man mit einem Garn (oder Roving), das im Allgemeinen eine
große
Zahl (etwa mehrere Zehn) Elementarfilamente mit einem Durchmesser
von einigen Mikrometern umfasst, wobei diese Filamente alle nebeneinander
und demnach, bis auf einige Überlappungen,
in etwa parallel zueinander liegen. Auch wenn es praktisch unmöglich ist,
eine absolut perfekt parallele Anordnung der Filamente zu gewährleisten,
soll mit dem Ausdruck "in
etwa parallel zueinander" angegeben
werden, dass es sich nicht um ein Seil oder ein Geflecht handelt
und dass die Filamente parallel angeordnet sind, mit einer geometrischen
Präzision
nahe bei dieser Anordnung.
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Eine
weitere bekannte Möglichkeit,
die insbesondere an die diskontinuierliche Herstellung von Stücken aus
dem langgezogenen Verbundelement angepasst ist, besteht darin, die
Fasern wie erwünscht
in einer Form anzuordnen, ein Vakuum zu erzeugen und anschließend die
Fasern mit dem Harz zu imprägnieren.
Das Vakuum ermöglicht
eine sehr effiziente Imprägnierung
der Fasern. In dem Patent
US
3,730,678 wird diese Imprägniertechnik veranschaulicht.
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Wenn
man berücksichtigt,
dass die Biegesteifigkeit durch die Gleichung R = E·I definiert
ist, worin E das Young-Modul und I das Trägheitsmoment des Querschnitts
ist, ermöglicht,
beim Vergleich eines erfindungsgemäßen langgezogenen Verbundelements
mit einem Verstärkungselement
vom Stahlseiltyp, das massive Aussehen (im Gegensatz zu einem seilhaltigen
Verstärkungselement)
ein großes
Trägheitsmoment
des Querschnitts zu liefern, das eine Kompensation für ein Young-Modul
des langgezogenen Verbundelements auf der Basis von Glasfasern liefert,
das intrinsisch kleiner ist als bei einem Stahlseil. Auf Grund der
großen
elastischen Verformungen des langgezogenen Verbundelements beim
Ziehen und beim Komprimieren ist das massive Aussehen indessen nicht
nachteilig für
die relativ mäßig ausfallenden
Krümmungsradien,
die vor allem in der Verstärkung
von Luftreifen erreicht werden.
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Es
wurde ein langgezogenes Verbundelement mit einem Stahlseil bei seiner
Anwendung zur Verstärkung
im Bereich unter dem Laufstreifen eines Luftreifens verglichen.
Die Referenz für
diesen Vergleich ist ein Stahlseil 6.23NF. Seine Steifigkeit "R" beträgt R ≅ 160 Newton·mm2.
In diesem Beispiel ist das nicht umwickelte Seil aus 6 Drähten mit
einem Durchmesser von 0,230 mm zusammengesetzt. Das Trägheitsmoment
der Einheit ist, als Näherungswert,
sechsmal so groß wie
das Trägheitsmoment
jedes Elementardrahtes (siehe "Platt, M.M.,
Klein, W.G. und Hamburger, W.J., Textile Research Journal 29, 627
(1959)"). Die Steifigkeit
eines langgezogenen Verbundelements mit einem Durchmesser von 0,9
mm, das einen Massegehalt an Fasern von 76 % (oder Masse an Filamenten)
und ein Young-Modul von 40000 MPA aufweist, beträgt R ≅ 1170 Newton·mm2.
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Für die Überprüfung der
guten Haltbarkeit des langgezogenen Verbundelements bei Kompression
in seiner Anwendung als Verstärkungselement
in dem Luftreifen wurde ein langgezogenes Verbundelement mit kreisförmigem Querschnitt,
das einen Riemen für
den unten angegebenen Riementest bildet, einer wellenförmigen Biegung
unterzogen, die ihren Maximalwert bei einer Verformung von 1,3 %
erreicht. Nach 107 Zyklen mit einer auferlegten
Verformung von 1,3 % hat die Zugkraft, zu der das langgezogene Verbundelement
imstande ist, weniger als 4 % abgenommen. Bei Berücksichtigung
der Tatsache, dass eine Verformung von 1,3 % größer als die plastische Verformung
eines herkömmlichen
Stahlseiles ist, ist verständlich,
dass ein derartiges langgezogenes Verbundelement leicht ein Stahlseil
in einem Gürtel
unter dem Laufstreifen eines Luftreifens zu ersetzen vermag ohne
dass die Gefahr besteht, dass es durch die wiederholten Beanspruchungen
bei Kompressionen, denen dieser Typ von Verstärkungselement ausgesetzt wird,
beschädigt
wird.
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Für die Veranschaulichung
der Erfindung wurden zwei Luftreifen mit den Abmessungen 185/65
R14 86V hergestellt. In dem ersten Luftreifen (Luftreifen A), der
ein erfindungsgemäßer Luftreifen
ist, wird für
die Stücke 15 (siehe
die Figur) ein langgezogenes Verbundelement vom monofilamentären Typ
in den Lagen unter dem Laufstreifen 13 verwendet. Im zweiten
Luftreifen (Luftreifen B), der nicht erfindungsgemäß ist, wird
ein Stahlseil anstelle des langgezogenen Verbundelements vom monofilamentären Typ
verwendet.
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Im
Folgenden werden hinsichtlich der Beispiele, die die Erfindung veranschaulichen,
der gemessenen Eigenschaften und der verwendeten Testmethoden einige
genauere Angaben gemacht.
- A – Titer
der Garne: der Titer der verwendeten Garne, angegeben in tex, ist
der Titer, der vom Hersteller mitgeteilt wird.
- B – längenbezogene
Masse: die längenbezogene
Masse der langgezogenen Verbundelemente, angegeben in g/m, wird
ermittelt, indem Proben von 10 m Länge gewogen werden; Das Ergebnis
ist der Mittelwert, der auf der Basis von drei Wägungen berechnet wird.
- C – Dichte:
die Dichte der langgezogenen Verbundelemente und des vernetzten
Harzes wird mit Hilfe einer Spezialwaage der Firma Mettler Toledo
vom Typ PG503 DeltaRange gemessen; die Proben von einigen Zentimetern
werden nacheinander in der Luft und eingetaucht in Methanol gewogen;
die Software des Apparats bestimmt anschließend die Dichte; die Dichte
ist der Mittelwert aus drei Messungen; die Dichte der Glasfasern
ist die Dichte, die vom Hersteller angegeben wird.
- D – Massegehalt
an Fasern: der Massegehalt an Fasern, angegeben in Prozent, wird
berechnet, indem die Masse von 1m Fasern, die mit Hilfe des Titers
erhalten wird, durch die längenbezogene
Masse des langgezogenen Verbundelements dividiert wird.
- E – Glasübergangstemperatur
(Tg): die Glasübergangstemperatur wird durch
Differentialthermoanalyse gemessen; der gesuchte Wert wird definitionsgemäß in der
Mitte des Übergangs
ausgewählt;
der verwendete Apparat ist ein Kalorimeter der Firma Mettler.
- F – Durchmesser:
der Durchmesser des langgezogenen Verbundelements wird durch die
Berechnung ausgehend von seiner längenbezogenen Masse und seiner
Dichte gemäß der Formel D = 2(Ml/πp)0,5 bestimmt, worin D den Durchmesser
des langgezogenen Verbundelements in mm, Ml die
längenbezogene Masse
in g/m und p die Dichte in g/cm3 bedeutet.
- Die Form des Querschnitts des langgezogenen Verbundelements
wird mit Hilfe eines Stereomikroskops der Firma Leica, Typ M420, überprüft.
- G – Mechanische
Eigenschaften: Die mechanischen Eigenschaften der langgezogenen
Verbundelemente werden mit Hilfe einer Zugmaschine der Firma Instron,
Typ 4466, gemessen; die gemessenen Elemente werden einer Zugbeanspruchung
ab einer Anfangslänge
von 400 mm unterzogen; alle Ergebnisse werden durch eine Mittelung über 10 Messungen
erhalten.
- • Das Anfangsdehnmodul wird
gemäß dem Berechnungscode
19.3 der Software SERIE IX ermittelt, die mit der Zugmaschine geliefert
wird. Diese Berechnung wird nach dem Prinzip der ASTM-Norm D 638 durchgeführt.
- • Für den qualitativen
Vergleich werden die Eigenschaften bei Kompression wird an dem langgezogenen Verbundelement
durch die als Riementest bezeichnete Methode gemessen (D. Sinclair,
J. App. Phys. 21, 380 (1950)). In der vorliegenden Anwendung dieses
Tests wird ein Riemen erzeugt, der nach und nach bis zum Bruchpunkt
gebracht wird. Die Art des Bruchs, die auf Grund der großen Größe des Querschnitts
einfach beobachtbar ist, ermöglicht
es unmittelbar, sich darüber
Klarheit zu verschaffen, ob das erfindungsgemäße langgezogene Verbundelement
das unter Biegung bis zum Bruch beansprucht wird, auf der Seite reißt, auf
der sich das Material in Dehnung befindet, was durch einfache Beobachtung
nachgewiesen wird. Da in diesem Fall die Abmessungen des Riemens
groß sind,
ist es möglich,
zu jedem Zeitpunkt den Radius des Kreises abzulesen, der in den
Riemen eingeschrieben wird. Der Radius des Kreises, der unmittelbar vor
dem Bruchpunkt eingeschrieben ist, entspricht dem kritischen Krümmungsradius.
Er wird als Rm bezeichnet. Die folgende
Formel ermöglicht
es anschließend,
durch Berechnung die kritische elastische Verformung zu ermitteln: ecr = r/(Rm+r)worin
r dem Radius des langgezogenen Verbundelements entspricht.
- Die Bruchspannung bei Kompression wird durch Berechnung mit
Hilfe der folgenden Formel erhalten: σc =
ecr Mi worin
Mi das Anfangsdehnmodul ist.
- Da im Fall des erfindungsgemäßen langgezogenen
Verbundmaterials der Bruch des Riemens im gedehnten Teil auftritt,
wird gefolgert, dass beim Biegen die Bruchspannung bei Kompression
größer ist
als die Bruchspannung bei Dehnung.
- Ebenfalls durchgeführt
wurde der Bruch beim Biegen eines rechtwinkligen Stabes gemäß dem Verfahren, das
als Dreipunktbiegeversuch bezeichnet wird. Dieses Verfahren entspricht
der ASTM-Norm D 790. Dieses Verfahren ermöglicht es ferner, visuell zu überprüfen, ob
es sich um einen bei Dehnung erfolgenden Bruch handelt.
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H – Messung
der Seitenführungskraft
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Die
Messung der Seitenführungskraft
wird direkt am Fahrzeug mit Hilfe einer dynamometrischen Nabe der
Firma IGEL (Ingenieurgesellschaft für Leichtbau mbH) aus Deutschland
durchgeführt.
Dieses Gerät
ist mit Sensoren ausgestattet, die die Messung der Kräfte in den
Richtungen der drei Hauptachsen ermöglichen.
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Die
Verstärkungselementlagen
der geprüften
Luftreifen sind folgendermaßen
aufgebaut: Luftreifen
A
| Verbundelement: | kreisförmiger Querschnitt |
| von | |
| | 0,88
mm |
| Verlegeabstand: | 1,8
mm |
| Winkel
zwischen den | Lagen:
23 ° |
| Festigkeit
der Lage: | 444
daN/cm |
Luftreifen
B
| Stahlseil: | 6
verseilte Drähte |
| von | |
| | 0,230
mm |
| Verlegeabstand: | 1,4
mm |
| Winkel
zwischen den Lagen: | 25 ° |
| Festigkeit
der Lage: | 444
daN/cm |
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Die
Luftreifen haben das folgende Gewicht:
Luftreifen A, erfindungsgemäß: 7,65
kg
Luftreifen B, Vergleich, mit Stahldrähten: 8,16 kg
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Nach
dem Rollen in einem Fahrzeug, bei dem im Übrigen alle anderen Bedingungen
gleich sind, entwickelt jeder Luftreifen die gleiche Seitenführungskraft
von 119 daN bei 1 ° Schräglaufwinkel,
was veranschaulicht, dass das erfindungsgemäße langgezogene Verbundelement
vom monofilamentären
Typ an die veranschaulichte Anwendung angepasst ist.
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Die
Erfindung erstreckt sich auf ein langgezogenes Verbundelement mit
einer sehr großen
Länge,
bezogen auf den Querschnitt, das in etwa symmetrische technische
Fasern enthält,
wobei die Fasern in großen Längen vorliegen,
wobei die Fasern in ein warmgehärtetes
Harz eingebettet sind, das ein Anfangsdehnmodul aufweist, das mindestens
2,3 GPa beträgt,
wobei in dem Verbundelement die Fasern alle in etwa parallel zueinander
sind, wobei der Gehalt an Fasern im Bereich von 30 bis 80 % der
Gesamtmasse des langgezogenen Verbundelements liegt, wobei die Dichte
des langgezogenen Verbundelements kleiner als 2,2 ist, wobei das langgezogene
Verbundelement beim Biegen eine Bruchspannung bei Kompression aufweist,
die größer als die
Bruchspannung bei Dehnung ist, wobei das langgezogene Verbundelement
eine elastische Verformung bei Kompression von mindestens 2 % aufweist.
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Wie
dies bereits in Verbindung mit der Beschreibung des erfindungsgemäßen Reifens
gesagt wurde, hat es sich herausgestellt, dass Glasfasern besonders
gut geeignet sind. Das warmgehärtete
Harz hat vorzugsweise eine Glasübergangstemperatur
Tg oberhalb von 130 °C. Das Anfangsdehnmodul des
warmgehärteten
Harzes beträgt
vorteilhaft mindestens 3 GPa. Die in etwa symmetrischen technischen
Fasern sind vorzugsweise Glasfasern, und der Gehalt an Fasern liegt
vorzugsweise im Bereich von 50 bis 80 % der Gesamtmasse des langgezogenen
Verbundelements.
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Es
wird ein nicht erfindungsgemäßer Referenzstab,
der einen massebezogenen Gehalt an Glasfasern von 60 % aufweist,
mit einem Harz mit niedrigem Modul hergestellt, das die folgenden
Eigenschaften aufweist.
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Beim
Biegen zeigt der Referenzstab einen Bruch auf der durch die Kompression
beanspruchten Seite.
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Ein
erfindungsgemäßer Stab,
der einen massebezogenen Gehalt an Glasfasern von 70 % aufweist, wurde
mit einem Harz hergestellt, das die folgenden Eigenschaften aufweist:
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Dieser
erfindungsgemäße Stab
zeigt beim Biegen einen Bruch auf der durch die Dehnung beanspruchten
Seite.
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Vorteilhaft
entsprechen die Dichte, der Minimalwert der Bruchspannung bei Kompression
und der Minimalwert des Anfangsdehnmoduls den bereits angegebenen
Werten. Der Querschnitt des langgezogenen Verbundelements ist beispielsweise
kreisförmig,
wobei ein typischer Durchmesser bei einer Anwendung für die Verstärkung von
Luftreifen größer als
0,4 mm ist, oder er ist länglich.
Ein besonderer Aspekt des langgezogenen Verbundelements betrifft
seine elastische Verformung bei Dehnung, die in etwa so groß wie seine
elastische Verformung bei Kompression ist.
