DE68904153T2

DE68904153T2 - Fadenverbundmaterial mit konzentrischen fadenlagen.

Info

Publication number: DE68904153T2
Application number: DE8989116602T
Authority: DE
Inventors: Christophe Penant
Original assignee: Compagnie Generale des Etablissements Michelin SCA
Current assignee: Compagnie Generale des Etablissements Michelin SCA
Priority date: 1988-09-28
Filing date: 1989-09-08
Publication date: 1993-04-29
Anticipated expiration: 2009-09-09
Also published as: JPH02112491A; OA09096A; KR900004989A; BR8904932A; FR2636978B1; AU618132B2; EP0362570A1; CA1326980C; DE68904153D1; US5074345A; ES2037360T3; EP0362570B1; AU4177289A; ATE84081T1; JP2986484B2; FR2636978A1

Description

Die Erfindung betrifft Fadenverbundmaterialien, insbesondere aus metallischen Fäden, die zur Verstärkung von Kunststoffmaterialien und/oder Kautschuken verwendbar sind.
Derartige als Verstärkungsmaterialien dienende Fadenverbundmaterialien werden zur Herstellung von Gegenständen wie beispielsweise Verstärkungslagen, Treibriemen bzw. Förderbändern, Schläuchen oder Mänteln von Luftreifen verwendet, vgl. beispielsweise US-A-3 601 970.
Die Erfindung betrifft insbesondere solche Fadenverbundmaterialien, die mindestens zwei konzentrische Lagen von Fäden aufweisen, wobei jede Lage eine Einheit von Fäden darstellt, die spiralig im gleichen Sinn mit gleicher Steigung und mit dem gleichen Wickelradius, der dem Radius der Lage entspricht, gewickelt sind. Zwei solche Lagen werden als aneinanderliegend bezeichnet, wenn sich die Fäden einer Lage mit den Fäden der anderen Lage in Kontakt befinden.
Die Erfahrung hat gezeigt, daß, wenn solche Fadenverbundmaterialien mit Lagenaufbau bei der praktischen Verwendung damit verstärkter Gegenstände zahlreichen und starken Zugbeanspruchungen und zahlreichen und starken Krümmungsänderungen unterworfen werden, Ermüdungs- und Abnutzungserscheinungen im Inneren der Verbundmaterialien auftreten, insbesondere infolge des Kontakts zwischen aneinanderliegenden Lagen.
Diese innere Ermüdung äußert sich durch Fadenbruch.
Die innere Abnutzung entsteht ihrerseits in den Bereichen, in denen die Fäden miteinander in Kontakt stehen, im Gefolge des Kontaktdrucks und der Relativbewegungen zwischen den Fäden. Sie kann durch das Maß der Verringerung der Bruchkraft von Fäden quantifiziert werden, die aus homologen Fadenverbundmaterialien entnommen wurden, die einerseits aus neuen verstärkten Gegenständen und andererseits aus einer vorgegebenen Abnützung unterworfenen Gegenständen stammen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fadenverbundmaterial mit Lagenaufbau anzugeben, bei dem die Steigung und der Wickelsinn aneinanderliegender Lagen durch neue Relationen definiert sind, die bei Verwendung für die gleiche Verstärkung und bei gleicher Anwendung des verstärkten Gegenstands eine beträchtliche Verringerung der inneren Ermüdung und der inneren Abnützung des Fadenverbundmaterials zu erzielen erlauben.
Die Erfindung betrifft dementsprechend ein Fadenverbundmaterial zur Verstärkung von Gegenständen aus Kunststoff und/oder aus Kautschuk, das mindestens zwei Lagen von Fäden aufweist, das durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist:
a) Es weist mindestens zwei konzentrische und aneinanderliegende und um eine gemeinsame Achse herum angeordnete Lagen von Fäden auf, wobei
jede Lage mindestens zwei Fäden aufweist und die achsnähere Lage mit "i" und die achsfernere Lage mit "j" bezeichnet sind,
in jeder dieser beiden Lagen in einer Querschnittsebene senkrecht zur Achse des Fadenverbundmaterials die Achsen der zugehörigen Fäden praktisch auf einem Kreis liegen, wobei die Radien dieser Kreise für die Lage "i" mit Ri und für die Lage "j" mit Rj bezeichnet sind,
und
in jeder dieser beiden Lagen die Fäden im gleichen Sinn und mit gleicher Steigung gewickelt sind, wobei die Steigung für die Lage "i" mit Pi und die Steigung für die Lage "j" mit Pj bezeichnet sind,
b) die Lagen "i" und "j" im gleichen Sinn gewickelt sind
und
c) Ri, Rj, Pi und Pj der Beziehung
Pi > Pi > Pi [1 - 2 (Ri - Ri )/Rj]
genügen, wobei Ri, Rj, Pi und Pj in der gleichen Längeneinheit ausgedrückt sind.
Vorzugsweise ist praktisch die Beziehung Pj = Pi (Ri/Rj) erfüllt.
Die Erfindung betrifft ferner komplexe Fadenverbundmaterialien, die mindestens zwei Fadenverbundmaterialien aufweisen, von denen mindestens eines der obigen Definition entspricht.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus mit Fadenverbundmaterialien oder komplexen Fadenverbundmaterialien gemäß der Erfindung verstärkte Gegenstände, insbesondere Verstärkungslagen, Riemen bzw. Förderbänder, Schläuche oder Mäntel von Luftreifen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand des nachstehenden, nicht einschränkenden Beispiels und der sich darauf beziehenden schematischen Figur, die einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Fadenverbundmaterial darstellt, näher erläutert.
Das in dieser Figur dargestellte Fadenverbundmaterial 100 stellt eine Litze dar, die aus 19 Fäden besteht. Einer dieser Fäden, der mit A bezeichnet ist, dient als Seele, wobei die in der Figur mit 0 bezeichnete Achse dieses Fadens die Achse des Fadenverbundmaterials 100 darstellt und die Figur einen zu dieser als geradlinig angenommenen Achse 0 senkrechten Schnitt zeigt. Die übrigen Fäden sind in zwei aneinanderliegenden, konzentrischen Lagen angeordnet, wobei die Lage 1, die sechs Fäden 10 aufweist, am nächsten an der Achse 0 angeordnet ist und an der Seele A anliegt und die Lage 2, die aus zwölf Fäden 20 besteht, außerhalb der Lage 1 vorgesehen ist und an der Lage 1 anliegt. Die Fäden 10 der Lage 1 sind mit ihren Achsen 01 praktisch auf einem Kreis C1 angeordnet, der in der Figur gestrichelt dargestellt ist, wobei der Radius dieses Kreises C1 mit R1 bezeichnet ist. Die Fäden 20 der Lage 2 sind mit ihren Achsen 02 praktisch auf einem Kreis C2 mit dem Radius R2 angeordnet. Die Kreise C1, C2 besitzen den gleichen Mittelpunkt 0. Aus Gründen der Übersichtlichkeit der Zeichnung sind lediglich ein Faden 10, eine Achse 01, ein Faden 20 und eine Achse 02 in der Zeichnung mit Bezugsangaben versehen. In jeder der Lagen 1 oder 2 sind die Fäden 10 bzw. 20 im gleichen Sinn und mit gleicher Steigung gewickelt, wobei die Steigung für die Lage 1 mit P1 und die Steigung für die Lage 2 mit P2 bezeichnet sind.
Aufgrund der bekannten Definition stellt die Steigung diejenige parallel zur Achse des Fadenverbundmaterials gemessene Länge dar, an deren Ende eine vollständige Windung eines Fadens mit dieser Steigung um die Achse 0 des Fadenverbundmaterials vorliegt. Wenn die Achse 0 durch zwei zu ihr senkrechte Ebenen geschnitten wird, die durch eine der Steigung eines Fadens 10 oder 20 einer der beiden Lagen 1 bzw. 2 entsprechende Länge voneinander beabstandet sind, hat die Achse dieses Fadens 10 oder 20 in diesen beiden Ebenen die gleiche Position auf den beiden Kreisen C1 oder C2, die der Lage 1 bzw. 2 des betrachteten Fadens zugeordnet sind.
Die Lagen 1 und 2 liegen aneinander, da sich die Fäden 10 der Lage 1 im Kontakt mit den Fäden 20 der Lage 2 befinden. Die Lagen 1 und 2 weisen den gleichen Wickelsinn auf, was bedeutet, daß sämtliche Fäden 10, 20 der Einheit aus den Lagen 1 und 2 entweder im Sinn S oder im Sinn Z um die Achse 0 gewickelt sind.
Erfindungsgemäß liegt die Beziehung
P&sub1; > P&sub2; > P&sub1; [1 - 2 (R&sub2; - R&sub1;) / R&sub2;]
vor, was insbesondere bedeutet, daß die äußere Lage 2 mit einer kleineren Steigung gewickelt ist als die innere Lage 1.
Im vorliegenden Beispiel sind entsprechend "i" gleich 1 und "j" gleich 2.
Die Fäden A, 10, 20 können gleiche oder voneinander verschiedene Durchmesser aufweisen. Innerhalb jeder Lage 1, 2 besitzen die Fäden 10 bzw. 20 dieser Lage untereinander praktisch den gleichen Durchmesser.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Litze 100 folgende Eigenschaften auf:
- Durchmesser des als Seele dienenden Fadens A: 0,195 mm;
Durchmesser der sechs Fäden 10 der Lage 1: 0,175 mm;
Wickelradius R1 dieser Lage 1: 0,185 mm;
Steigung P1 dieser Lage 1: 14,8 mm;
- Durchmesser der zwölf Fäden 20 der Lage 2: 0,175 mm;
Wickelradius R2 dieser Lage 2: 0,36 mm;
Steigung P2 dieser Lage 2: 7,6 mm.
Die Fäden 10 der Lage 1 und die Fäden 20 der Lage 2 sind im Sinn Z um die Achse 0 gewickelt. Die Fäden A, 10, 20 bestehen sämtlich aus Stahl, der mit einer Messingschicht überzogen ist.
Dieses Fadenverbundmaterial entspricht genau der Erfindung, da die beiden konzentrischen Lagen 1 und 2 im gleichen Sinn gewickelt sind und P2 (7,6 mm) zwischen P1 (14,8 mm) und dem Wert des Ausdrucks P1 [1-2 (R2-R1)/R2], der gleich 0,4 mm ist, liegt.
Auf der anderen Seite ist praktisch die Beziehung P2 = P1 (R1/R2) gegeben.
Zum anderen wird ein bekanntes Fadenverbundmaterial hergestellt, das die gleichen Fäden wie das Fadenverbundmaterial 100 aufweist, jedoch mit folgenden Merkmalen:
- Es weist eine aus einem einzigen Faden mit einem Durchmesser von 0,195 mm bestehende Seele auf;
- es weist eine erste Lage aus sechs Fäden mit einem Durchmesser von 0,175 mm auf, die an der Seele anliegt und eine Steigung von 10 mm aufweist;
- es weist eine zweite Lage aus zwölf Fäden auf, die um die erste Lage herum angeordnet ist und an ihr anliegt, wobei die Steigung der Wicklung dieser zweiten Lage 10 mm beträgt.
Die Fäden der ersten Lage und der zweiten Lage sind im Sinn Z gewickelt.
Dieses herkömmliche Fadenverbundmaterial entspricht nicht der Erfindung, da die beiden aneinanderliegenden konzentrischen Lagen die gleiche Steigung von 10 mm aufweisen.
Das Fadenverbundmaterial 100 und das herkömmliche Fadenverbundmaterial werden jeweils in der gleichen Weise als Verstärkungsmaterial in einen Gegenstand aus Kautschuk eingebracht, der dann vulkanisiert wird. Dieser Gegenstand ist ein Endlosriemen; wenn dieser so angeordnet wird, daß er einen Rotationszylinder darstellt, bildet das Fadenverbundmaterial eine spiralige Wicklung, welche dieselbe Achse wie dieser Zylinder aufweist.
Es werden entsprechend zwei mit Ausnahme der zur Verstärkung dienenden Fadenverbundmaterialien identische Gegenstände erhalten.
Diese beiden Gegenstände werden den gleichen Beanspruchungen wie folgt unterzogen: Jeder Riemen wird derart um zwei Rollen laufend angetrieben, daß jeder elementare Bereich dieses Fadenverbundmaterials einer Zugspannung von 188 N und zyklischen Krümmungsänderungen unterliegt, aufgrund deren er von einem unendlich großen Krümmungsradius zu einem Krümmungsradius von 40 mm wechselt, und zwar während 18 Millionen Zyklen. Am Ende dieser Beanspruchungen werden die Fadenverbundmaterialien dieser Gegenstände durch Schälen herausgelöst, worauf die Bruchkraft der Fäden der zweiten Lage der Fadenverbundmaterialien nach der Beanspruchung gemessen wird.
Auf der anderen Seite werden zwei mit den vorstehend genannten Riemen identische Riemen hergestellt, von denen der eine mit einem Fadenverbundmaterial 100 und der andere mit einem herkömmlichen Fadenverbundmaterial wie oben beschrieben verstärkt ist, worauf diese Riemen in der gleichen Weise wie oben abgeschält werden, jedoch dieses Mal ohne vorherige Beanspruchung, wonach die Bruchkraft der Fäden der zweiten Lage dieser Fadenverbundmaterialien gemessen wird, wobei die Meßergebnisse als Vergleichswerte dienen und die Bruchkraft für das Fadenverbundmaterial 100 und für das herkömmliche Fadenverbundmaterial praktisch gleich ist, nämlich etwa 130 daN beträgt.
Die beiden Lagen dieser beiden Fadenverbundmaterialien liegen aneinander. Die zweite, äußere Lage ist nur mit der ersten Lage in Kontakt. Die Überprüfung der Bruchkraft der Fäden dieser äußeren Lage zeigt entsprechend den erfindungsgemäßen Effekt in ungestörter Weise.
Es wird festgestellt, daß die Verringerung der Bruchkraft aufgrund von Beanspruchungen wie folgt ist:
- 4,25 % im Mittel für die herkömmlichen Fadenverbundmaterialien;
- 1,4 % im Mittel für die erfindungsgemäßen Fadenverbundmaterialien.
Die Erfindung erlaubt entsprechend in unerwarteter Weise, die Bruchkraft der Fäden der Fadenverbundmaterialien in hohem Maße zu verringern. Diese bei den Fadenverbundmaterialien festgestellte Verringerung entspricht der Verringerung des Querschnitts der Fäden im Gefolge ihrer Abnützung.
Die Abnützung der Fäden ist andererseits für die starke Belastung durch die Kontaktkräfte und eine Erhöhung der Zugbeanspruchung im Inneren des Metalls, aus dem sie aufgebaut sind, repräsentativ. Die Erfindung erlaubt entsprechend eine sehr erhebliche Verringerung der Ermüdung der Fadenverbundmaterialien.
Die erfindungsgemäßen Fadenverbundmaterialien können als solche zur Verstärkung von Gegenständen herangezogen werden, beispielsweise in Form von Seilen, die aus einer einzigen Litze 100 bestehen, oder können mit anderen Fadenverbundmaterialien kombiniert werden, beispielsweise mit weiteren erfindungsgemäßen Fadenverbundmaterialien, insbesondere zur Herstellung von Seilen, die mehrere Litzen 100 aufweisen, die miteinander verdrillt sind.
Die erfindungsgemäßen Fadenverbundmaterialien werden vorzugsweise zur Herstellung von Karkassenlagen für Mäntel von Luftreifen für Schwerlastfahrzeuge, Industriefahrzeuge oder Baufahrzeuge verwendet.
Die erfindungsgemäßen Fadenverbundmaterialien können nach bekannten Verfahren und mit bekannten Vorrichtungen hergestellt werden, die entsprechend aus Gründen der Vereinfachung hier nicht erläutert werden.
Die oben beschriebenen Fadenverbundmaterialien waren mit Metallfäden hergestellt; die Verwendung von anorganischen oder organischen Materialien oder andersartigen Materialien kann jedoch auch in Betracht gezogen werden.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. So kann die Erfindung beispielsweise auch auf Fälle angewandt werden, in denen mindestens ein Teil der Fäden des Fadenverbundmaterials nicht aus Metall besteht, beispielsweise auf Fälle, bei denen die Seele aus einem Kunststoffmaterial und die übrigen Fäden aus Metall bestehen. Die Seele kann andererseits aus mehreren Fäden aufgebaut sein und beispielsweise aus einer Lage bestehen, die mit einer benachbarten Lage die oben angegebenen Beziehungen erfüllt. Die Erfindung ist ferner auch auf Fälle anwendbar, in denen die Fadenverbundmaterialien mehr als zwei Lagen aufweisen, wobei die Anzahl der Lagen beispielsweise gleich oder größer als 4 sein kann, wobei mindestens zwei dieser Lagen die angegebenen Beziehungen erfüllen. Die Anzahl der Fäden und die Steigung können andererseits auch von den oben beschriebenen Werten abweichen.

Claims

1. Fadenverbundmaterial zur Verstärkung von Gegenständen aus Kunststoff und/oder aus Kautschuk, das mindestens zwei Lagen von Fäden aufweist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Es weist mindestens zwei konzentrische und aneinanderliegende und um eine gemeinsame Achse herum angeordnete Lagen von Fäden auf, wobei

jede Lage mindestens zwei Fäden aufweist und die achsnähere Lage mit "i" und die achsfernere Lage mit "j" bezeichnet sind,

in jeder dieser beiden Lagen in einer Querschnittsebene senkrecht zum dieser Achse die Achsen der zugehörigen Fäden praktisch auf einem Kreis liegen, wobei die Radien dieser Kreise für die Lage "i" mit Ri und für die Lage "j" mit Rj bezeichnet sind,

und

in jeder dieser beiden Lagen die Fäden im gleichen Sinn und mit gleicher Steigung gewickelt sind, wobei die Steigung für die Lage "i" mit Pi und die Steigung für die Lage "j" mit Pj bezeichnet sind,

b) die Lagen "i" und "j" im gleichen Sinn gewickelt sind

und

c) Ri, Rj, Pi und Pj der Beziehung

Pi > Pj > Pi x [1 - 2 (Rj-Ri) / Rj]

genügen, wobei Ri, Rj, Pi und Pj in der gleichen Längeneinheit ausgedrückt sind.

2. Fadenverbundmaterial nach Anspruch 1, das so ausgebildet ist, daß praktisch die Beziehung Pj = Pi x(Ri/Rj) erfüllt ist.

3. Fadenverbundmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden einer beliebigen Lage den gleichen Durchmesser aufweisen.

4. Fadenverbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden aus Metall bestehen.

5. Komplexes Fadenverbundmaterial, das mindestens zwei Fadenverbundmaterialien aufweist, von denen mindestens eines ein Fadenverbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ist.

6. Gegenstand aus Kunststoff und/oder Kautschuk, der mit mindestens einem Fadenverbundmaterial oder mindestens einem komplexen Fadenverbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5 verstärkt ist.

7. Gegenstand nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es der Mantel eines Luftreifens ist.

8. Mantel eines Luftreifens nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß er für Schwerlastfahrzeuge, Industriefahrzeuge oder Baufahrzeuge vorgesehen ist und mindestens eine Lage der Karkasse unter Verwendung des Fadenverbundmaterials hergestellt ist.