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Die
Erfindung betrifft einen Luftreifen, der große Last tragende Fahrzeuge
ausstatten soll, wie Lastkraftwagen, Baufahrzeuge und/oder Flugzeuge, und
der eine Karkassenbewehrung und radial darüber eine Scheitelbewehrung
und einen Laufstreifen aufweist.
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Solche
Luftreifen sind wiederholten Beanspruchungen und Deformationen ausgesetzt,
die zu Spannungen in dem Luftreifen führen, welche von den verschiedenen
Verstärkungen
aufgenommen werden, insbesondere den Funktionslagen der Scheitelbewehrung.
Diese Funktionslagen weisen gewöhnlich
in einer Lage parallel zueinander ausgerichtete Verstärkungen
auf, die in einem solchen Winkel verlegt sind, dass sie sich mit
den Verstärkungen der
angrenzenden Funktionslage kreuzen.
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Die
Aufgabe der Funktionslagen besteht insbesondere darin, dem Luftreifen
Steifigkeit zu geben. An den Enden dieser Lagen sind bekanntlich
aufgrund der freien Enden der Verstärkungselemente anfällige Bereiche
vorhanden.
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Um
den Kontakt der Drahtenden verschiedener Lagen zu verhindern, kann
bekanntlich eine Lage aus einer Kautschukmischung angebracht werden, mit
der die freien Enden der Verstärkungselemente einer
Lage von denen der angrenzenden Lage beabstandet und entkoppelt
werden können.
In gleicher Weise ist es üblich,
eine Lage aus einer Kautschukmischung zwischen der Karkassenlage
und dem Ende der Funktionslage anzubringen, die in radialer Richtung
direkt über
dieser liegt, um die freien Enden der Verstärkungselemente der Funktionslage
von denen der Karkassenlage zu beabstanden. Diese Kautschuklagen
können
bei einer gegebenen Beanspruchung insbesondere Brüche in den
Mischungen oder Schichtentrennung verhindern.
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Es
kommt jedoch vor, dass sich bei der Verwendung des Luftreifens und
also in Folge von wiederholten Deformationen Brüche in der Mischung zwischen
den Verstärkungselementen
einer Funktionslage zu bilden beginnen.
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Da
ein solcher Luftreifen hauptsächlich
aus Kautschukmischungen besteht und diese wiederholten Beanspruchungen
und Deformationen ausgesetzt sind, wird im Übrigen Wärme entwickelt, was in großem Maße stattfinden
und zu einer Verminderung der Lebensdauer des Luftreifens führen kann.
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Dieses
Phänomen,
das zu einer Temperaturerhöhung
und der Gefahr der Schädigung
des Luftreifens führt,
ist bekannt und lässt
sich einfach erklären;
Beanspruchungen, die an den Kautschukmischungen auftreten, führen zu
einem Erwärmen,
das durch die Hysterese der in den Kautschukmischungen enthaltenen
Elastomeren auftritt. Die gebildete Wärme im Inneren der Kautschukbereiche
kann aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit
der Polymere nicht ausreichend schnell abgeleitet werden.
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In
einem Luftreifen vom Radialreifentyp sind die Entwicklung von Wärme und
die erreichten Betriebstemperaturen in den Zonen benachbart zu den Enden
der Verstärkungslagen,
die hauptsächlich
einerseits die Karkassenbewehrung und andererseits die Scheitelbewehrung
bilden, am größten. Solche Temperaturen
wirken sich in Kombination mit hohen Beanspruchungsniveaus negativ
auf die Ermüdung der
Kautschukmischungen in diesen Zonen aus.
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Eine
Verminderung dieser Temperaturen kann durch die geeignete Wahl der
betroffenen Mischungen erreicht werden: Es ist bekannt, dass die Zusammensetzung
dieser Mischungen so gewählt werden
kann, dass möglichst
kleine Hystereseverluste auftreten; es ist jedoch auch bekannt,
dass dies auf Kosten anderer, genauso wichtiger Eigenschaften geht,
wie einer wenig erhöhten
Betriebstemperatur.
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In
dem Patent
US 4,362,200 wird
die Verwendung von Kautschukmischungen beschrieben, die aufgrund
des Zusatzes von Graphit wärmeleitfähig sind.
Eine solche Wahl für
die Mischung kann die Erzeugung von Wärme nicht verhindern, jedoch
ist ein schnelleres Abkühlen
der Kautschukmischungen möglich.
Diese Art der Modifizierung eines Kautschuks, die einerseits sehr
teuer ist, ist jedoch wie oben andererseits für andere, ebenfalls gewünschte Eigenschaften
ungünstig.
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Es
ist im Übrigen
insbesondere aus der Druckschrift FR 1 437 569 bekannt, Lagen, die
Verstärkungselemente
enthalten, in die Schultern von Luftreifen in den Bereichen einzubringen,
die die Ränder
der Scheitelbewehrung umgeben. Das Einbringen solcher Lagen erfolgt,
um von der Scheitelbewehrung, die relativ steif ist, zur Karkasse,
die wesentlich weicher ist, im Hinblick auf die Steifigkeit einen
allmählichen Übergang
zu gewährleisten.
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Eine
erste Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Gefahr der Schädigung der
Luftreifen durch die Bildung von Rissen zwischen den Enden der Verstärkungselemente
der Funktionslagen und ihre Ausbreitung zu vermindern.
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In
der Druckschrift FR-A-2 066 777 wird ein Luftreifen nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 beschrieben.
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Der
erfindungsgemäße Luftreifen
hat alle Merkmale des Anspruchs 1.
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Die
axiale Richtung ist als Richtung der Drehachse definiert.
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Der
Rand einer Lage ist als eine begrenzte Zone der Lage definiert,
die in axialer Richtung von einem Ende der Lage begrenzt wird.
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Als
radiale Orientierung der Verstärkungselemente
der zusätzlichen
Lage ist eine Orientierung der Elemente zu verstehen, die so ist,
dass sie mit der Umfangsrichtung des Luftreifens einen Winkel im Bereich
von 60 bis 90° bilden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, bei der das Auftreten von Rissen zwischen den Enden
der Verstärkungselemente
der Funktionslagen am besten verhindert wird, liegt der Winkel im
Bereich von 80 bis 90°.
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Eine
vorteilhafte Realisierung der Erfindung sieht vor, dass die Verstärkungselemente
der zusätzlichen
Schulterlage im Vergleich mit dem Kontaktdurchmesser D der Metallelemente
der Scheitelfunktionslagen des Luftreifens so genannte Elemente
mit kleinem Durchmesser sind, wenn der Durchmesser unter dem 0,5-fachen des Durchmessers
D liegt.
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Vorteilhaft
liegt der Kompaktdurchmesser der Verstärkungselemente der zusätzlichen
Lage unter 1 mm, vorzugsweise unter 0,6 mm und noch bevorzugter
unter 0, 4 mm.
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Der
Kompaktdurchmesser ist der Durchmesser, der an einem Verstärkungselement
gemessen wird, wenn die Drähte,
die es aufbauen, miteinander in Kontakt sind.
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Solche
Durchmesser der Verstärkungselemente
der zusätzlichen
Lage ermöglichen
es, dass die Lage vorhanden sein kann, ohne dass diese Verstärkungselemente
und besonders ihre Enden eine neue Gefahrenquelle im Hinblick auf
die Beschädigung
des Luftreifens in seinem Inneren sind. Solche Durchmesser können insbesondere
die Biegesteifigkeit der Verstärkungselemente
begrenzen, besonders, wenn es sich um metallische Verstärkungselemente
handelt. Es ist auch möglich,
die Steifigkeitsgradienten zu limitieren, insbesondere an dem axial äußeren Rand
der zusätzlichen
Lage, und somit die Gefahr der Ablösung der zusätzlichen
Lage zu vermindern.
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Vorzugsweise
wird der axial äußere Rand der
zusätzlichen
Lage mit einer Lage aus einer kohäsiven Kautschukmischung kombiniert,
die radial innen und/oder radial außen an der zusätzlichen
Lage liegt. Eine solche Kautschukmischungslage hat eine Schutzfunktion
und kann insbesondere die Steifigkeitsgradienten limitieren.
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Nach
einer vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung liegt der axial äußere Rand
der zusätzlichen
Lage von der Basis des Wulstes in einem Abstand H1 kleiner
H0 + 0,8 H0 entfernt,
wobei H0 der radiale Abstand ist, der die
Basis des Wulstes von der Linie mit der größten axialen Breite des Luftreifens trennt.
Nach dieser Ausführungsform
der Erfindung kann die zusätzliche
Lage, die sich zumindest zu dem radial oberen Bereich der Flankenzone
erstreckt, scheinbar weitere mechanische Eigenschaften des Luftreifens
verbessern.
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Es
hat sich nämlich
herausgestellt, dass eine solche gemäß dieser Variante der Erfindung
realisierte Lage die Schlagfestigkeit des Luftreifens gegenüber Schlägen an der
Schulter ganz deutlich verbessert.
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Nach
einer vorteilhaften Ausführungsform und
insbesondere bei einer zusätzlichen
Lage, deren axial äußerer Rand
sich zumindest in dem radial oberen Teil der Flankenzone befindet,
und wenn die Verstärkungselemente
der zusätzlichen
Lage metallisch sind, zeigt sich, dass der erfindungsgemäße Luftreifen
ein weiteres, oben angegebenes Bedürfnis befriedigt. Ein derart
realisierter Luftreifen kann nämlich die
Gefahr der Beschädigung
aufgrund von Wärmeentwicklung vermindern,
die aufgrund der Hysterese der Elastomere auftritt, ohne dass im Übrigen die
anderen gewünschten
Eigenschaften der Gummimischungen oder noch direkter die Luftreifen
beeinträchtigt
werden.
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Diese
Verstärkungselemente
bestehen dann vorzugsweise aus Stahl, da Stahl als sehr guter Wärmeleiter
bekannt ist und somit ein bei der Herstellung von Luftreifen häufig verwendetes
und somit kostengünstiges
Material verwendet werden kann.
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In
dem erfindungsgemäßen Luftreifen
kann durch die Gegenwart der zusätzlichen,
an den Schultern angebrachten Lagen die während der Fahrt gebildete Wärmemenge
schnell zur äußeren Oberfläche des
Luftreifens geleitet werden. Die Position der zusätzlichen
Lagen ermöglicht
es nämlich,
die Wärme
in Richtung der Flankenzonen abzuführen, wo der Kautschuk dünner ist,
wodurch die Wärmemenge schneller
abgeleitet werden kann, und zwar sogar dann, wenn die Art des Kautschuks
für eine
gute Wärmeleitung
nicht günstig
ist; durch die geringe Dicke kann die Wärme nämlich schneller abgeleitet werden,
da der zu durchlaufende Weg vom Inneren der Kautschukmasse zur äußeren Oberfläche kürzer ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Luftreifen
können daher
die Betriebstemperaturen gesenkt werden, die zu einer Verminderung
der Lebensdauer des Luftreifens führen können.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung liegt der axial innere Rand der zusätzlichen Lage radial außen angrenzend
an den Rand der Funktionsscheitellage, die am weitesten außen liegt.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
der Erfindung ist die zusätzliche
Lage vorteilhaft in Kontakt mit einer Kautschukmischung, wodurch
die freien Enden der Verstärkungselemente
der verschiedenen Funktionslagen entkoppelt werden können.
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Der
axial äußere Rand
der zusätzlichen Schulterlage
grenzt ferner vorteilhaft axial an ein Kautschukprofilteil aus einer
Kautschukmischung an, bei dem bekanntlich eine Seite die Verbindung
zwischen der Karkassenbewehrung und den Rändern der Scheitelbewehrungslagen
sicherstellt, die radial am weitesten innen liegen, wobei die andere
Seite in Richtung Flanke verläuft.
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Gemäß dieser
Realisierung kann die zusätzliche
Lage einerseits die Bildung und Ausbreitung von Rissen in den Bereichen
der Enden der Verstärkungselemente
begrenzen und andererseits für
einen Schutz im Hinblick auf die Gefahren sorgen, die mit den Schlägen an den
Flankenzonen zusammenhängen.
Durch die zusätzliche
Lage kann ferner die in der Schulterzone gebildete Wärme abgeleitet
werden.
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In
gleicher Weise und mit ähnlichen
Ergebnissen insbesondere im Hinblick auf den Schutz der Schulter
und die Wärmeableitung
kann die zusätzliche
Lage gemäß einer
anderen Ausführungsform
so ausgebildet sein, dass ihr axial innerer Rand radial innen an
den Rand der Scheitelfunktionslage angrenzt, die radial am weitesten
innen liegt.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung, insbesondere, wenn die radial äußere Funktionsscheitellage
axial schmaler ist als die radial obere Schutzlage und daher der
Entkopplungsgummi den Rand der Schutzlage von der radial inneren
Funktionslage trennt, befindet sich der axial innere Rand der zusätzlichen
Lage radial außen angrenzend
an den Rand der Schutzlage.
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Der
erfindungsgemäße Luftreifen
kann ferner mindestens eine Lage mit Metallelementen, die vorteilhaft
einen geringen Durchmesser aufweisen, in jedem Wulst besitzen, wobei
die Lage Verstärkungselemente
besitzt, die mit der Umfangsrichtung einen Winkel von 60 bis 90° bilden und
dazu vorgesehen sind, die in dem Wulst gebildete Wärmemenge
abzuführen.
Der radial innere Rand dieser Lage kann axial an den Hauptteil der
oder einer Karkassenbewehrungslage oder an den hochgeschlagenen
Teil der oder einer Karkassenlage oder an den radial äußeren Rand
der oder einer Wulstverstärkung
angrenzen, die gewöhnlich
aus metallischen Verstärkungselementen
gebildet wird, die in Bezug auf die Umfangsrichtung in einem geringen
Winkel geneigt sind. Der radial äußere Rand
der Wulstlage kann sich in einem Abstand H2 von
der Basis des Wulstes von mindestens 0,5 H0 befinden,
wobei H0 der radiale Abstand ist, der die
Wulstbasis von der Linie mit der größten axialen Breite des Luftreifens
beabstandet.
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Diese
Ausführungsform
der Erfindung, die eine Ableitung der gebildeten Wärmemenge
auf der Höhe
der Wülste
des Luftreifens ermöglicht,
soll so verstanden werden, dass es sich um eine von der Gegenwart
der zusätzlichen
Lagen in den Schultern, die oben dargelegt wurde, unabhängige Ausführungsform
der Erfindung handelt. Die Kombination aller dieser Lagen ist jedoch
besonders vorteilhaft, da sie eine bessere Ableitung der Wärme ermöglicht,
die hauptsächlich
sowohl in den Bereichen in der Nachbarschaft der Enden der Verstärkungslagen
der Karkassenbewehrung einerseits und der Scheitelbewehrung andererseits
als auch den Wulstbereichen gebildet wird.
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Wenn
sich ein Luftreifen sehr erwärmt,
können
die Schulterlage und die Wulstlage, die aus Elementen mit geringem
Durchmesser aufgebaut sind, eine einzige Lage bilden, die vom Rand
einer Scheitelbewehrungslage bis zum Wulst geht.
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Weitere
vorteilhafte Merkmale und Details der Erfindung gehen aus der Beschreibung
von erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
hervor, die in Bezug auf die 1 bis 3 angegeben
werden, die zeigen:
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1 einen
Meridianschnitt eines Schemas eines erfindungsgemäßen Luftreifens,
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2 ein
Schema für
die Stapelung der unterschiedlichen Lagen mit einer zusätzlichen
Lage gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung, die 1 entspricht,
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3 ein
Schema einer Stapelung von verschiedenen Lagen einschließlich einer
zusätzlichen Lage
nach einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung.
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Die
Figuren sind zum besseren Verständnis nicht
maßstabsgetreu.
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Die 1 zeigt
einen Luftreifen P der Dimension 315/80 R 22.5, der eine radiale
Karkassenbewehrung aufweist, die aus nur einer Lage 1 von
nicht dehnbaren Metallseilen gebildet wird, d. h. Seilen, die unter
einer Zugkraft von 10 % der Reißkraft
eine Dehnung von höchstens
0,2 % aufweisen; in dem gezeigten Fall handelt es sich um Metallseile
27 × 23
(27 Drähte
23/100 mm). Die Karkassenbewehrung ist in jedem Wulst unter Bildung
eines Hochschlags 10 an einem Wulstkern 2 verankert.
Radial darüber
befindet sich eine Scheitelbewehrung 3, über der
wiederum ein Laufstreifen 4 liegt.
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Die
Scheitelbewehrung weist radial von innen nach außen auf:
- – zwei Scheitelhalblagen 30,
die als Triangulationslagen bezeichnet werden und aus Metallseilen 9 × 28 (9
Drähte
28/100) gebildet werden, die in einem Winkel α0 angeordnet
sind, der in dem beschriebenen Fall 65° entspricht,
- – radial über den
Lagen 30 eine erste Funktionsscheitellage 31,
die aus Metallseilen 11 × 35
(11 Drähte
35/100) aufgebaut wird, die mit der Umfangsrichtung einen Winkel α1 von
26° bilden
und deren Kompaktdurchmesser D 1,16 mm beträgt, wobei die Seile der Triangulationslagen 30 und der
ersten Funktionslage 31 die gleiche Richtung haben,
- – dann
eine zweite Scheitelfunktionslage 32, die aus Metallseilen
aufgebaut wird, die identisch mit denen der ersten Lage 31 sind
und mit der Umfangsrichtung einen Winkel α2 bilden,
der zu dem Winkel α1 entgegengesetzt ist und im gezeigten Fall
18° beträgt,
- – eine
letzte axial kontinuierliche Lage 33, die aus Metallseilen
gebildet wird, die in Bezug auf die Umfangsrichtung in einem Winkel α3,
der die gleiche Richtung wie der Winkel α2 hat,
orientiert sind, und gemäß einem
Absolutwert des Winkels α2, wobei diese letzte Lage eine so genannte
Schutzlage ist, wobei die als elastisch bezeichneten Metallseile
E18 × 23
Seile sind, deren relative Reißdehnung
mindestens 4 % beträgt;
die Enden der Funktionsscheitellagen 31 und 32 sind
durch einen Entkopplungsgummi 6 entkoppelt. Dieser Entkopplungsgummi 6 kann
wie oben erläutert
die Enden der Verstärkungselemente
der Lage 31 und der Elemente der Lage 32 trennen.
- – auf
jeder Seite der Äquatorialebene
XX' ist eine zusätzliche
Lage 5 aus Metallseilen 3 × 18 (3 Drähte 18/100) vorhanden, deren
Kompaktdurchmesser klein und im beschriebenen Fall 0,35 mm ist.
Diese Seile sind in der Lage zueinander parallel und bilden mit
der Umfangsrichtung einen Winkel α4, der im Vergleich mit den Winkeln α3 und α2, die
von den Seilen der Lagen 32 bzw. 33 gebildet werden,
deutlich größer ist,
da er 90° beträgt.
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Gemäß dem in
den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel
der Erfindung liegt der axial innere Rand 51 der zusätzlichen
Schulterlage 5 radial außen angrenzend an den Rand
der zweiten Funktionslage 32, die radial am weitesten außen liegt;
er kann gegebenenfalls zwischen die Funktionslage 32 und
den Rand der so genannten Schutzlage 32 eingefügt werden.
Der radial innere Rand 52 der Schulterlage 5 ist
in axialer Richtung an dem Profilteil 9 oder der Scheitelbasis
angeordnet, das die Verbindung zwischen der Karkassenlage 1 und
den Rändern
der Scheitellagen 30 und 31 gewährleistet.
In dem beschriebenen Fall befindet sich das radial innere Ende 52 der
Lage 5 in einem Abstand H1 von
der Wulstbasis von H0 + 0,5 H0,
das Ende 52 ist also in die Flankenzone 7 geführt.
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Die 1 zeigt
auch eine Lage 8, die radiale Verstärkungselemente von geringem
Durchmesser aufweist und im Wulstbereich angeordnet ist. Durch diese
Lage 8 kann die Wärme
abgeleitet werden, die im Wulstbereich aufgrund von Beanspruchungen
entsteht, denen die Kautschukbestandteile in diesem Bereich bei
der Fahrt ausgesetzt sind.
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Die 3 erläutert ein
zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei dem der Luftreifen ähnliche Eigenschaften aufweist
wie der in der 1 gezeigte Luftreifen, mit dem
Unterschied, dass die radial äußere Funktionslage 32' schmaler ist
als die Schutzlage 33'.
Der in der Schulter gelegene Entkopplungsgummi ist dann zwischen
die Schutzlage 33' und
die Funktionslage 31' geschoben.
In dieser Figur liegt der axial innere Rand 51' der zusätzlichen Schulterlage 5' radial außen angrenzend
an den Rand der Schutzlage 33'.
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Der
Luftreifen, wie er in den Fällen
der 1 und 2 beschrieben wurde, wurde mit
einem so genannten Vergleichsreifen verglichen, der den gleichen
Aufbau hat, jedoch ohne die zusätzlichen Schulterlagen.
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Es
wurden zwei Arten von zerstörenden Fahrversuchen
durchgeführt:
- – Der
erste Test besteht in einem Fahrtest auf einer Walze, bei dem der
Reifen in Drift versetzt wurde.
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Die
in diesem Versuch erhaltenen Ergebnisse zeigten, dass mit dem erfindungsgemäßen Luftreifen
mehr Kilometer gefahren werden können,
bevor ein Bruch des Luftreifens festzustellen ist. Der erfindungsgemäße Luftreifen
konnte 12.500 km gefahren werden, wohingegen der herkömmliche
Luftreifen nach 6.800 km vollständig
zerstört
war.
- – Der
zweite Versuch ähnelt
dem vorhergehenden, wobei der Reifen jedoch keiner Drift ausgesetzt
ist, sondern geradlinig läuft.
Wie in dem vorhergehenden Test konnte der erfindungsgemäße Luftreifen
eine größere Kilometerzahl
laufen; 41.000 km im Gegensatz zu 29.000 km für den Vergleichsreifen.
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Es
wurde ein weiterer Versuch durchgeführt, um den Beitrag zu zeigen,
den die zusätzliche
Lage gemäß der Erfindung
zum Schutz der Schultern leistet. Dieser Versuch besteht in einem
Aufprall an einem Gehweg, wobei der Luftreifen ziemlich heftig über eine
Kante gefahren wird. In gleicher Weise wie bei den vorhergehenden
Versuchen werden die erfindungsgemäßen Luftreifen mit ähnlichen
Vergleichsreifen verglichen, mit dem Unterschied, dass sie keine
zusätzlichen
Schulterlagen aufweisen.
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Es
zeigte sich, dass bei fünf
Versuchen die Vergleichsreifen alle mit einem sehr ausgeprägten Bruch
der Struktur zerstört
wurden.
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Bei
den erfindungsgemäßen Reifen
wurden zwei leicht beschädigt,
wobei sie nur beginnende Risse aufwiesen.