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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Stahlseil zum
Verstärken von Gummi, das für die Verwendung als
Verstärkungsmaterial für die Karkasse eines Stahlgürtelreifens für
einen Lastwagen oder Bus geeignet ist.
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Ein herkömmliches Stahlseil, das als Verstärkungsmaterial
in einem Gummiverbundmaterial, wie beispielsweise einen
Stahlgürtelreifen, verwendet wird, wird hergestellt durch
Verzwirnen von Filamenten (oder Einzeldrähten) aus
hochgekohltem Stahl, dessen Oberfläche bronzeplattiert ist
(Plattierung mit einer Legierung aus Kupfer und Zink), um ihre
Adhäsion an Gummi zu erhöhen, hergestellt.
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Solche Stahlseile umfassen ein Seil, das zur Verstärkung
vom Karkasse eines Stahlgürtelreifens für einen Lastwagen
oder einen Bus verwendet wird. Da eine Karkassencorde einer
statischen Zugbeanspruchung infolge des Innendruckes des
Reifens und wiederholten Zugbeanspruchungen infolge der
Fluktuation der Last aufgrund des Rollens des Reifens
ausgesetzt ist, ist es sowohl erforderlich, eine höhere
Festigkeit zu haben, um dem Innendruck standzuhalten, als
auch eine höhere Dauerbiegefestigkeit zu haben, um den
wiederholten Beanspruchungen standzuhalten, als dies bei
anderen Stahlseilen der Fall ist. Zu diesem Zweck hat ein Seil
für eine Karkasse gemäß dem Stand der Technik
beispielsweise einen (3+9+15x0,175+w)-Aufbau, wie in der Figur 5
gezeigt, oder einen (3+9x0,22+w)-Aufbau, wie in der Figur 6
gezeigt ist. Das zuletztgenannte w bezeichnet ein
Stahlfilament 3, das um das Seil gewickelt ist.
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Ein Problem bei solchen mehrschicht-verseilten Seilen ist,
daß der Gummi während der Vulkanisation nicht so leicht in
das Seil eindringen kann, weil, wie in der Figur
dargestellt, die Zwischenräume, die zwischen den benachbarten
Einzeldrähten 1 gebildet sind, sehr klein sind. Dies wird
Abnutzung infolge von Abrieb an den im Reifen benachbarten
Seilen verursachen, wenn sie wiederholter Belastung
ausgesetzt sind. Dadurch wird die Dauerfestigkeit der Seile
gesenkt und kann ein Eindringen von Feuchtigkeit durch Risse
oder Öffnungen im Reifen erlauben, wodurch das Rosten der
Seile verursacht wird.
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Auf der anderen Seite sind durch die geprüften JP-PA 62-
18678 und 57-9963 Stahlseile bekannt, die zwischen den
benachbarten Einzeldrähten größere Zwischenräume haben. Ein
anderes bekanntes, in der Figur 7 gezeigtes Seil hat einen
(7x4x0,175)-Aufbau und wird derzeit bei einigen Reifenarten
als Seil für das Skelett verwendet. Diese Seile haben einen
solchen Aufbau, daß sie das Eindringen von Gummi während
dem Vulkanisieren leichter erlauben und sind somit frei von
den vorstehend erwähnten Problemen, die die mehrschicht-
verseilten Seile haben. Aber trotz dieser Vorteile werden
sie wegen ihrer hohen Herstellkosten nicht in breitem
Umfang verwendet.
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Es sind auch andere Seile bekannt, die ein leichtes
Eindringen von Gummi erlauben, wie beispielsweise ein offenes
Seil, welches durch Verzwirnen von stark vorgeformten
Einzeldrähten hergestellt ist, und ein sogenanntes
Hoch-Dehnungs-Seil, bei dem das Zwirnverhältnis hoch ist, um die
Dehnung bei Bruch zu verbessern. Aber diese Seile sind
bezüglich anderer Eigenschaften als der Gummidurchdringung,
die für ein Karkassenseil gefordert werden, nicht
zufriedenstellend.
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Für ein Skelettseil wird gefordert, daß 1. die
Gummidurchdringung, 2. die Festigkeit und 3. die Zähigkeit alle in
optimalen Bereichen liegen. Die Gummidurchdringung wird
bestimmt durch a) den Seilaufbau, b) der Vorverformungsgrad
der Einzeldrähte und c) das Zwirnverhältnis.
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Die Seilfestigkeit wird bestimmt durch den
Dehnungskoeffizienten (kgf/0,1% Dehnung) der durch die Zugkraft (kg) pro
0,1%-Dehnung ausgedrückt ist. Der Dehnungskoeffizient (E')
ist auf den Young'schen Elastizitätsmodul (E) und die
Querschnittsfläche (S) des Seils wie folgt bezogen:
(kgf/0.1% Dehnung
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Die Zähigkeit des Seils ist bestimmt durch die
Zugfestigkeit Ts und den Durchmesser jedes Einzeldrahtes, das
Zwirnverhältnis und den Seilaufbau.
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Wie aus der vorstehenden Beschreibung zu ersehen ist, sind
die Faktoren, welche die Eigenschaften 1) bis 3) des Seiles
bestimmen, aufeinander bezogen. Somit ist es sehr
schwierig, solche Faktoren einzusetzen, daß alle Eigenschaften
innerhalb ihres jeweils optimalen Bereiches liegen.
Beispielsweise werden bei einem offenen Seil oder einem Hoch-
Dehnungs-Seil, wenn die vorstehend genannten Faktoren so
gesteuert sind, daß die Gummidurchdringung ausreichend hoch
ist, die anderen Anforderungen für eine Karkassencorde, wie
beispielsweise die Festigkeit und die Zähigkeit nicht
erfüllt.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Seil für
die Verwendung als Karkassencorde für einen Reifen zu
schaffen, bei dem die vorstehend beschriebenen Nachteile
vermieden sind, welches billig ist, welches die Vorteile
eines Hoch-Dehnungs-Seiles beibehält und das die vorstehend
genannten drei Anforderungen innerhalb des optimalen
Bereiches erfüllt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Stahlseil zur
Verstärkung von Gummi geschaffen, bestehend aus einer Vielzahl
von miteinander verzwirnten Strängen, wobei jeder Strang
aus zwei bis vier miteinander verzwirnten Einzeldrähten
besteht, und wobei die Stränge und die Einzeldrähte in der
gleichen Richtung derart verzwirnt sind, daß das durch die
nachstehende Formel definierte Produkt k des
Zwirnungsverhältnisses des Seiles und des Stranges 1,025 bis 1,05
beträgt, und wobei das Seil einen Dehnugskoeffizienten E'[=
Young'scher Elastizitätsmodul x Querschnittsfläche des
Seiles (kgf/0,1% Dehnung)] von 6,0 bis 11,0 nach Umhüllung mit
Gummi durch Vulkanisierung, hat.
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Wobei bedeuten: P1 die Zwirnungslänge des Stranges (mm)
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P2 die Zwirnungslänge des Seils (mm)
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D1 der Durchmesser des Kreises, der die
Mittelpunkte der Stränge miteinander
verbindet (mm)
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D2 der Durchmesser des Kreises, der die
Mittelpunkte der Einzeldrähte verbindet
(mm)
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Durch Begrenzen der Anzahl der Einzeldrähte, die jeden
Strang bilden und mit den vorstehend genannten Werten für
das Zwirnungsverhältnis wird eine hohe Gummidurchdringung,
welche für ein Karkassenseil gefordert ist, erhalten.
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Durch Begrenzen des Zwirnungsverhältnisses und des
Dehnungskoeffizienten gemäß der vorstehend genannten Werte,
kann die Festigkeit und Zähigkeit des Seiles wie für ein
Karkassenseil erforderlich, kontrolliert werden.
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Weiterhin ist die Ergiebigkeit des Seiles gemäß der
vorliegenden Erfindung hoch und dessen Herstellkosten aus den
nachfolgend beschriebenen Gründen niedrig.
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Ein Hoch-Dehnungs-Seil hat eine ausgezeichnete
Gummidurchdringung. Dies ist deshalb der Fall, weil die Schlaglänge
sowohl des Seils als auch der Stränge so klein ist (d.h.
das Zwirnungsverhältnis ist hoch), daß die Räume, welche
zwischen den umschriebenen Kreisen jedes Stranges und der
Einzeldrähte, die den Strang bilden, groß sind. Der Gummi
kann das Seil durch diese Räume durchdringen. Ein anderes
Merkmal eines Hoch-Dehnungs-Seils ist, daß die
Zwirnrichtung der Stränge die gleiche wie die der Einzeldrähte,
welche jeweils einen Strang bilden, ist, und somit die
Produktivität hoch ist. Somit hat das Seil gemäß der vorliegenden
Erfindung denselben Aufbau und die gleiche Verzwirnungsart
wie ein Hoch-Dehnungs-Seil. Um weiterhin die Eigenschaften
des Seils, wie Festigkeit und Zähigkeit soweit zu
verbessern, daß Werte erreicht werden, die für ein Karkassenseil
akzeptabel sind, ist es notwendig, daß das
Zwirnungsverhältnis ausreichend klein ist (beispielsweise ist die
Schlaglänge ausreichend groß).
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Hieraus resultiert, daß die vorstehend genannten
Zwischenräume bezüglich ihrer Querschnittsfläche abnehmen. Da diese
Zwischenräume bezüglich ihrer Querschnittsfläche abnehmen,
wenn die Anzahl der Einzeldrähte, welche jeweils einen
Strang bilden, steigt, wenn davon ausgegangen wird, daß der
Durchmesser der Stränge unverändert bleibt, dann sollte die
Anzahl der Einzeldrähte, welche jeweils einen Strang
bilden, nicht höher als fünf sein. Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist die Anzahl der Einzeldrähte, welche jeweils
einen Strang bilden, auf zwei bis vier begrenzt, um einen
Umbruch für die Verringerung der Zwischenräume,
resultierend aus der Verringerung des Zwirnungsverhältnisses, zu
bilden.
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Obwohl durch Verringern des Zwirnugsverhältnisses andere
Eigenschaften als die Gummidurchdringung besser werden,
wird die Gummidurchdringung nachteilig beeinträchtigt, wenn
das Zwirnungsverhältnis extrem verringert wird. Ein Seil,
dessen Stränge aus 2-4 Einzeldrähten gebildet sind, wurde
einem Test unterzogen, um das geringstmögliche
Zwirnungsverhältnis zu bestimmen. Die Ergebnisse sind in der Figur 3
dargestellt, die angibt, daß die Gummidurchdringung scharf
abfällt, wenn das Zwirnungsverhältnis weniger als 0,025
ist. Somit sollte das Zwirnungsverhältnis größer als 1,025
sein.
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Die obere Grenze des Zwirnungsverhältnisses wurde auf die
im folgenden beschriebene Art bestimmt.
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Ausgehend davon, daß der Durchmesser der Einzeldrähte und
der Seilaufbau unverändert sind, ist der Young'sche
Elastizitätmodul umso kleiner und damit die Steigung der Last-
Dehnungs-Kurve in ihrem geraden Teil wie in der Figur 4
dargestellt, umso weniger steil, je höher das
Zwirnungsverhältnis (anders ausgedrückt: je kleiner die Schlaglänge
ist) ist. Die Last bei Bruch wird ebenfalls entsprechend
sinken.
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Auf der anderen Seite muß ein Karkassenseil, welches
normalerweise während der Verwendung infolge des Innendruckes
des Reifens unter einer gleichförmigen Spannung gehalten
wird, der Spannung widerstehen, ohne daß es sich dehnt. Um
den Karkasse zu verstärken, sollte der Dehnungskoeffizient
E' des Seiles innerhalb eines gewissen Bereiches liegen,
d.h. 6,0 bis 11,0 kg/0,1% Dehnung (die Last in kg, die
notwendig ist, um ein Seil, welches von Gummi umschlossen ist,
um 0,1% zu dehnen).
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Obwohl die Erhöhung des Zwirnungsverhältnisses die Steigung
der Last-Dehnungs-Kurve in ihrem geraden Bereich weniger
steil werden läßt, um den Dehnungskoeffizienten zu erhöhen,
sollte besser der Durchmesser der Einzelseile, welche das
Seil bilden, erhöht werden (dies erhöht die Schlaglänge,
wenn das Zwirnungsverhältnis unverändert bleibt) oder die
Anzahl der Einzeldrähte erhöht werden.
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Aber je größer der Durchmesser der Einzeldrähte, welche das
Seil bilden, ist, umso größer wird die Biegebelastung,
welche auf jeden Einzeldraht wirkt. Die Biegebelastung wirkt
auf die Einzeldrähte wiederholt, da der Reifen rollt. Das
heißt, daß je größer der Durchmesser der Einzeldrähte ist,
umso kürzer ist die Dauerhaltbarkeit des Seils. Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, daß
der Durchmesser der Einzeldrähte nicht größer als 0,25 mm
betragen sollte. Auf der anderen Seite wird die Erhöhung
der Anzahl der Einzeldrähte zu einer Erhöhung des
Durchmessers des Seils sowie des Kreises, der die Mittelpunkte der
Stränge verbindet und damit einer Erhöhung des
Zwirnungsverhältnisses, führen.
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Ein Karkassenseil sollte vorzugsweise einen Durchmesser von
1,0 - 1,5 mm haben. Die Anzahl der Einzeldrähte sollte auf
maximal 15 begrenzt sein. Seile mit dem Zwirnungsaufbau
gemäß der vorliegenden Erfindung wurden unter Verwendung von
Einzeldrähten hergestellt, die einen Durchmesser aufwiesen,
der nicht mehr als 0,25 mm betrug, wobei die Durchmesser
und die Anzahl der Einzeldrähte und die
Zwirnungsverhältnisse
geändert wurden. Der young'sche Elastizitätsmodul E
wurde für die jeweiligen Seile gemessen. Die Messung ergab,
daß wenn k > 1,05 ist, dann ist E < 8000, wenn 15
Einzeldrähte mit einem Durchmesser von 0,25 mm verwendet wurden.
Aus der Gleichung: Dehnungskoeffizient E'= Young'scher
Elastizitätsmodul E x Querschnittsfläche des Seiles, folgt,
daß wenn E=8000, dann ist E'8000 x 736 = 5,9 < 6,0. Anders
ausgedrückt, wenn k > 1,05, dann ist der
Dehnungskoeffizient weniger als 6 kgf. Aus diesem Grund sollte der Wert für
k nicht größer als 1,05 sein.
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Um ein derartiges Seil kann ein Stahl-Filament wendelförmig
gewickelt sein. Dies wird das Seil fest zusammenhalten und
damit die Formbarkeit des Seiles stark verbessern. Ein
derartiges Seil kann vorteilhafterweise als eine
Karkassencorde verwendet werden, da es infolge seiner
ausgezeichneten Formbarkeit fest um einen Wulstdraht gewickelt werden
kann, wenn der Reifen hergestellt wird.
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Andere Merkmale und Kennzeichen der vorliegenden Erfindung
sind aus der folgenden Beschreibung anhand der begleitenden
Figuren zu ersehen, in denen zeigt:
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Figur 1 und 2 Schnitte durch Stahlseile gemäß der
vorliegenden Erfindung;
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Figur 3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen
der Gummidurchdringung und dem Zwirnungsverhältnis;
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Figur 4 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der
Beziehung von Last zu Dehnung;
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Figuren 5 und 6 Schnitte durch Seile gemäß dem Stand der
Technik zur Verwendung in einem Karkasse eines Reifens; und
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Figur 7 ein Schnitt durch ein Seil gemäß dem Stand der
Technik, das für die Verstärkung eines Skeletts eines
Reifens verwendet werden kann.
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Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Figur 1, ist ein
Stahlseil hergestellt, in dem zuerst drei Einzeldrähte 1
aus bronzeplattiertem Hartstahl verzwirnt werden, um einen
Strang 2 zu bilden und dann in dem fünf derartige Stränge 2
in der gleichen Richtung wie die Verzwirnrichtung der
Einzeldrähte verzwirnt werden. Das Produkt k aus
Zwirnungsverhältnis des Seils und des Stranges sollte 1,025 bis 1,05
betragen. Der Dehnungskoeffizient E' nach dem Abdecken mit
Gummi mittels Vulkanisierung betrug 6,0 bis 11,0.
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Ein in der Figur 2 gezeigtes Stahlseil 20 wurde durch
wendelförmiges Umwickeln des Stahlseils gemäß Figur 1 mit
einem (5 x 3)-Aufbau, mit einem Stahl-Filament 3, dessen
Oberfläche auf die gleiche Art und Weise wie die
Einzeldrähte 1 behandelt worden sind, hergestellt.
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Als nächstes werden die Ergebnisse eines Bewertungstestes
im Folgenden gezeigt. Die in der Tabelle 1 gezeigten Seile
Nr. 1 bis Nr. 10 wurden hergestellt, wobei die Nummern 1
bis 7 Seile gemäß der vorliegenden Erfindung und die
Nummern 8 bis 10 Seile gemäß dem Stand der Technik betreffen.
Sie wurden bezüglich Zähigkeit, Young'schem
Elastizitätsmodul, Dehnungskoeffizient und Gummidurchdringung getestet.
Die Meßergebnisse sind ebenfalls in der Tabelle 1
dargestellt. Um die Gummidurchdringung zu messen, wurden die
Seile in Gummi eingebettet und nach einer Vulkanisierung
für 30 Minuten bei 150ºC unter einem Druck von 20 kgs/cm²
herausgenommen. Es wurde die Länge des Gummis, welcher an
dem Seil zwischen den benachbarten Strängen anhaftet,
gemessen. Die Gummidurchdringung wurde unter Verwendung der
folgenden Gleichung errechnet:
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Gummidurchdringung =
Länge des anhaftenden Gummis x 100% / Probenlänge
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Diese Tabelle zeigt, daß das Seil gemäß der vorliegenden
Erfindung dem Seil gemäß dem Stand der Technik bezüglich
der Gummidurchdringung gleichwertig oder überlegen ist.
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Das Seil liegt auch innerhalb der aktzeptablen Bereiche für
die anderen Eigenschaften, um als ein Seil für die
Verstärkung von Reifenkarkassen verwendet zu werden.
Tabelle 1
Proben-Nr.
Seile gemäß der vorliegenden Erfindung
bekannte Seile
Zwirnungs-Aufbau
Durchmesser d. Einzeldrahts (mm)
Schlaglänge (mm)
Zwirnungsverhältnis (k)
Seildurchmesser (mm)
Zähigkeit d. Seils (kgf)
Young'scher E-Modul (kgf/mm²)
Dehnungskoeffiz. E' (kgf/0.1% Dehnung)
Gummidurchdringung
*1 Die Ziffer in Klammern für den Seilendurchmesser ist der Durchmesser des Seils
ohne einen Umwicklungsdraht
*2 Zähigkeit, Young'scher E-Modul und Dehnungskoeffizient wurden gemessen, nachdem
die Seile mit Gummi beschichtet worden waren.