DE69631179T2

DE69631179T2 - Luftreifen, der in Umfangsrichtung angeordnete Seile für die Verankerung der Karkasse umfasst

Info

Publication number: DE69631179T2
Application number: DE69631179T
Authority: DE
Inventors: Pedro Costa Pereira
Original assignee: Sedepro SA
Current assignee: Manufacture Francaise des Pneumatiques Michelin SAS
Priority date: 1995-06-29
Filing date: 1996-06-13
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2016-06-14
Also published as: CN1096367C; DE69617327D1; CN1143021A; DE69631179D1; EP0751015B1; US20020179217A1; JP2010269600A; BR9602899A; EP1123820A3; US6808569B2; JP2006176122A; KR970000624A; US6425429B1; JP3988089B2; PL315023A1; KR100399508B1; US5702548A; US6093267A; RU2139199C1; EP0751015A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Luftreifen. Sie betrifft genauer die Gestaltung der Wülste dieser Luftreifen.
Die Bedeutung, die die Wülste von Luftreifen haben, ist bekannt: Sie gewährleisten die feste Verbindung des Luftreifens mit der Felge, auf der er montiert ist. Für diesen Zweck reichen die Seile in der Karkasse bis zum unteren Teil des Wulstes, wo sie fest verankert sind, damit die Karkasse die Zugbeanspruchung (Zugspannungskräfte) im Betrieb aushält.
Erst vor kurzem wurde in der Patentanmeldung EP 0 582 196 ein neuer Wulsttyp vorgeschlagen. Bei diesem Wulst wird die Karkasse nicht mehr wie sonst üblich um den Wulstkern geschlungen. Stattdessen sind die Verstärkungselemente der Karkasse am Ort der Verankerung in einer oder mehreren Reihen (Linien) angeordnet. Wenn man sich die Anordnung all dieser Elemente im Raum vorstellt, beschreiben diese näherungsweise innerhalb jeder Reihe einen partiellen Kegelstumpf mit einer Achse, die mit der Rotationsachse des Luftreifens zusammenfällt. Die Verstärkungselemente der Karkasse sind seitlich durch mindestens einen Stapel von in Umfangsrichtung angeordneten Verstärkungselementen eingefaßt, der beispielsweise durch eine spiralförmige Wicklung erzeugt wird. Außerdem gewährleistet ein geeignetes, der Verbindung dienendes Kautschukgemisch die Kraftübertragung zwischen diesen senkrecht zueinander orientierten Verstärkungselementen.
Versuche der Anmelderin haben gezeigt, dass eine derartige Wulststruktur die Beanspruchungen, die im Betrieb vorkommen, einwandfrei aushält, selbst wenn diese Beanspruchungen sehr kräftig sind, wobei dies gleichermaßen auf Luftreifen für Personenkraftwagen als auch für andere Anwendungen zutrifft. Abgesehen von den Beanspruchungen, die bei der eigentlichen Verwendung von Luftreifen auftreten, muß der Reifen außerdem imstande sein, eine unbegrenzte Zahl von Demontagen und erneuten Montagen zum Zwecke der weiteren Verwendung auszuhalten.
Man weiß, dass ein Luftreifen umso weniger dazu neigt, sich von der Felge zu lösen, je fester der Wulst auf der Felge sitzt. Zur Erinnerung hängt die Festigkeit des Sitzes mit dem Anpressdruck des Gummis zusammen, der im radial untersten Teil des Wulstes vorhanden ist, der einen Druck auf die radial äußere Oberfläche des Wulstsitzes der entsprechenden Felge ausübt. Eine bestimmte Festigkeit des Sitzes ist erforderlich, damit die Bremskraft und die Antriebskraft zwischen der Felge und dem Luftreifen übertragen werden können. Der feste Sitz hängt nicht nur von den Eigenschaften des Luftreifens (Geometrie des Wulstes, Steifigkeit der Materialien, die darin verwendet werden), sondern auch von der Geometrie der Felge ab.
Man weiß aber auch, dass die Schwierigkeiten bei der Montage oder der Demontage von Reifen umso größer werden, je fester der Sitze des Reifens auf der Felge ist. Das Abmontieren erfordert insbesondere das Ausüben einer ziemlich großen Kraft (in Abhängigkeit von der Festigkeit des Sitzes auf der Felge) auf den Wulst im Bereich des Felgenhorns oder knapp oberhalb davon. Diese Kraft ist parallel zur Rotationsachse orientiert und wird immer lokal mit einem Stößel oder einen Hebel ausgeübt. Diese Werkzeuge sorgen für eine Verformung des Wulstes des Luftreifens. Die Verformung kann beträchtliche Ausmaße annehmen. Es handelt sich hierbei um die erste Phase der Demontage, deren Ziel darin besteht, den Wulst zu lösen, d. h. der Wulst soll den Wulstsitz verlassen, indem er vom Felgenrand entfernt wird. Während dieser ersten Phase wird der Wulst des Luftreifens Dehnungskräften ausgesetzt, die zwar lokal begrenzt, aber von beträchtlicher Größe sind.
Anschließend werden im allgemeinen Hebel verwendet, um den Wulst dazu zu bringen, den Felgenrand zu überwinden. Im Fall von einteiligen Felgen (dem mit Abstand am häufigsten vorkommenden Fall bei Luftreifen für Personenkraftwagen und Kleinlastwagen), ist die Form der Felge so konzipiert, dass die Montage und die Demontage auf Grund einer ovalen Gestaltung des Wulstes möglich ist, ohne Vergrößerung des Umfangs des Wulstes. Dies bedingt insbesondere das Muster des zentralen Montagehohlraums und der Ränder, die seitlich die Felge einfassen und die Montageposition des Wulstes festlegen. Im Laufe dieser zweiten Phase wird der Wulst in seiner Gesamtheit einer Verformung unterzogen, die deutlich weniger nachteilig sind als die Beanspruchungen, zu denen es in der ersten Phase kommt.
Die Reifenkonstrukteure bemühen sich, einen guten Kompromiß zwischen der Sicherheit (geringe Empfindlichkeit gegenüber einem Ablösen von der Felge), die erzielt wird, indem insbesondere auf die Festigkeit des Sitzes eingewirkt wird, und der Leichtigkeit, mit der ein Reifen montiert und abmontiert werden kann, zu erzielen. Die Berücksichtigung dieser Erfordernisse (Beanspruchungen im Betrieb und Beanspruchungen bei der Montage/Demontage), die mehr oder weniger gegensätzlich sind, und der Wunsch, die Herstellung zu vereinfachen und das Materialgewicht zu begrenzen, stellen Aufgaben der vorliegenden Erfindung dar.
Genauer besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, die Fähigkeit der Wulststruktur, die in dem bereits oben angegebenen Patent EP 0 582 196 beschrieben wird, die Demontage besser zu überstehen, selbst wenn sie unter wenig sorgfältigen Bedingungen durchgeführt werden, insbesondere mit falsch eingestelltem Werkzeug. In diesem Fall wird im Laufe der ersten Phase der Demontage die Spitze des Wulstes, die durch einen Hump festgehalten wird, einer Rotation unterzogen, die im wesentlichen auf dieser Spitze zentriert ist (siehe 3), weil dieser Wulsttyp bei der Rotation in einer radialen Ebene ziemlich biegsam ist. Wenn diese Rotation bis zu einem Kippen des Wulstes führt, wie dies in 3 gezeigt wird, wird ein Teil der Windungen des in Umfangsrichtung angeordneten Seiles 2 einer sehr starken Dehnung unterzogen. Diese Dehnung kann für die untersten Windungen 40 des axial äußeren Stapels 4 bis zu etwa 3% betragen. In Extremfällen, wenn diese Dehnung mit einer lokalen Verformung zusammenkommt, die durch den Druck des Demontage-Werkzeuges verursacht wird, kann die Demontage den Bruch des Seiles in einer oder mehreren Windungen verursachen.
Die Erfindung zielt insbesondere darauf ab, eine sehr große Zahl von Demontagen mit der Möglichkeit der erneuten Verwendung des Luftreifens durchführen zu können, ohne die Leistungsfähigkeit des Luftreifens im Betrieb zu verlieren.
Erfindungsgemäß umfaßt der Luftreifen Seitenwände, die durch Reifenwülste begrenzt werden, die für die Montage auf einer Felge konzipiert sind, wobei der Luftreifen eine Karkassbewehrung aufweist, die durch die Seitenwände hindurchgeht und bis zu den Wülsten reicht, wobei mindestens einer der Wülste umfaßt:

– Verstärkungselemente der Karkasse, die sich vom radial unteren Teil des Wulstes zur Seitenwand hin erstrecken,
– mindestens einen Stapel von in Umfangsrichtung angeordneten Seilen, die die Verstärkungselemente der Karkasse seitlich einfassen, wobei die in Umfangsrichtung angeordneten Seile eine funktionelle Dehnung A_f = A_e + A_p von mehr als 4% aufweisen können,
– eine der Verbindung dienende Kautschukmischung, die zwischen den in Umfangsrichtung angeordneten Seilen und den Verstärkungselementen der Karkasse enthalten ist.

4 zeigt ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm. Man erkennt darin zunächst eine spezifische Dehnung A_s, die spezifisch ist für den Seileffekt. Diese Dehnung zeugt von einem Zusammenziehen der Drähte des Seiles, bevor die Drähte durch Zug beansprucht werden. Im Diagramm erkennt man weiterhin eine plastische Dehnung A_p, und schließlich eine elastische Dehnung A_e.
Für die Beschreibung der Erfindung wird hier der Begriff der funktionellen Dehnung eingeführt: A_f = A_e + A_p. Die funktionelle Dehnung umfaßt nicht die spezifische Dehnung A_s des "Seileffektes".
Die Zugfestigkeit (maximale Zugspannung) wird durch die folgende Formel
bestimmt, in der bedeuten: F_m die maximale Kraft, ρ die Dichte des betreffenden Materials (7,8 g/cm³ für den verwendeten Stahl), und M/L die längenbezogene Masse des verwendeten Seils.
Die Zugfestigkeit R_m ist vorzugsweise größer als 2000 MPa und vorteilhaft sogar größer als 2200 MPa, was es ermöglicht, einen möglichst leichten Wulst zu konstruieren, wobei ein geringes Gewicht an sich ein Faktor für die Leistungsfähigkeit ist und dazu beiträgt, die Gestehungskosten des Luftreifen zu begrenzen.
Die Erfindung kann durch Lesen der folgenden Beschreibung vollkommen verstanden werden, die mit Hilfe der beigefügten Figuren und in nicht einschränkender Weise ein konkretes Ausführungsbeispiel eines Wulstes eines Luftreifens veranschaulicht.
Die 1 und 2 sind Radialschnitte von zwei Varianten eines Wulstes eines erfindungsgemäßen Luftreifens.
3 veranschaulicht die Rotation des Wulstes bei der Demontage eines Luftreifens.
4 veranschaulicht die verschiedenen Dehnungen, die ein Seil charakterisieren.
5 veranschaulicht die Kennkurven von Verstärkungselementen, die in den Wülsten der Luftreifen verwendet werden.
Die 6 und 7 veranschaulichen erfindungsgemäße Ausführungsformen.
8 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform, die bei der Demontage eines Luftreifens durch Beanspruchung zur Rotation gebracht wird.
In den 1 und 2 sieht man einen Wulst, in dem man Verstärkungselemente 1 der Karkasse und in Umfangsrichtung angeordnete Seile 2 erkennt.
In der vorliegenden Darstellung ist der Ausdruck "Draht" für Monofilamente reserviert, die durch Spinnen oder Drahtziehen oder Walzen oder einen entsprechenden Arbeitsgang entstehen. Ein Seil ist eine Anordnung aus mehreren dünnen Drähten. Im Fall von Stahldrähten handelt es sich um Drähte mit einem Durchmesser, der bei etwa 0,05 bis 0,8 mm liegt. In der vorliegenden Darstellung werden die verschiedenen Verfahren zur Herstellung einer derartigen Anordnung nicht angesprochen, die zahlreich und dem Fachmann wohlbekannt sind. Der Ausdruck "Seil" bezieht sich unterschiedslos auf alle Typen von Anordnungen von Drähten (z. B. Litzen, Zwirne oder eigentliche Seile).
Wenn von einem "Verstärkungselement" gesprochen wird, sind darunter in Form eines Oberbegriffs sowohl Seile als auch Monofilamente zu ver stehen, welches Aussehen das jeweilige Element auch immer hat, vorausgesetzt es sieht fadenförmig aus, und unabhängig davon, aus welchem Material das Element besteht. Beispielsweise fallen Nylonseile und Aramidseile unter diesen Oberbegriff.
Die Verstärkungselemente 1 bestehen unterschiedslos aus Seilen, die metallisch oder nicht-metallisch sind, oder aus Monofilamenten. Die Verankerung der Verstärkungselemente 1 der Karkasse wird durch in Umfangsrichtung angeordnete Seile 2 gewährleistet, mit einer dazwischen eingebrachten Zusammensetzung aus einem Verbindungskautschuk 3. Bei dieser Zusammensetzung handelt es sich vorzugsweise um das "MS"-Gemisch, dessen Formulierung weiter unten angegeben wird, unter Punkt 6 nach der ersten Tabelle. Das in Umfangsrichtung angeordnete Seil 2 wird in mehreren Umdrehungen angeordnet, wodurch eine oder mehrere Spiralen erhalten werden. Der Leser kann weitere Einzelheiten zu diesem Wulsttyp in der bereits zuvor angegebenen Patentanmeldung EP 0 582 196 finden. Die Seile 2 selbst bestehen aus der Anordnung mehrerer Drähte 21, die in den Vergrößerungen in den 1 und 2 innerhalb der Kreise, die rechts vom Wulst abgebildet sind, deutlich erkennbar sind.
Beispielhaft kann man ein nicht umschnürtes (2 + 7)0,28-Seil verwenden. Dieses Seil besteht aus einer Seele, die aus 2 verzwirnten Drähten zusammengesetzt ist und von einer Schicht aus 7 Drähten umgeben ist, die ebenfalls, aber in der entgegengesetzten Richtung, verzwirnt sind. Die genaue Art und Weise, wie die Seile aufgebaut sind, hat jedoch keine besondere Auswirkung auf die Anwendung und Ausführung der Erfindung. Umgekehrt haben die Versuche der Anmelderin aber zu der Erkenntnis geführt, dass es nicht ohne Belang ist, welches Stahlseil verwendet ist.
5 zeigt ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm für ein herkömmliches Seil (Kurve C), ein erfindungsgemäßes Seil (Kurve I) und einen Wulstkerndraht herkömmlichen Typs (Kurve T). Für eine allgemeine Veranschaulichung kann das Patent US 5010938 angegeben werden, in dem ein Schema für eine Wicklung der Art veranschaulicht wird, die üblicherweise verwendet wird, um einen Wulstkern zu bilden. Der Wulstkern wird durch Wicklung mehrer aneinander stoßender Spiralen aus einem Wulstdraht erzeugt. Als "Wulstdraht" wird ein Stahldraht mit einem relativ großen Durchmesser in der Größenordnung von 0,8 mm oder darüber bezeichnet. Dieser Wulstdraht ist häufig ein Draht mit einer großen Dehnung und weist eine Zugfestigkeit Rm auf, deren Wert etwa 2000 MPa (Megapascal – siehe Kurve T in 5) beträgt. Die funktionelle Dehnung, die hier der Gesamtdehnung A_t entspricht, ist groß und beträgt etwa 6%.
Die Kurve C veranschaulicht die Kennkurve eines Stahlseils nach der Vulkanisation im Reifen, das herkömmlicherweise in Scheitellagen verwendet wird. Man kann eine funktionelle Dehnung A_f von etwa 2% sowie eine geringe spezifische Dehnung A_s des "Seileffekts" erkennen, demnach die Architektur des Seiles. Zum Bruch kommt es bei einer hohen Zugfestigkeit, die bis zu 3000 MPa betragen kann.
Die Erfindung zielt darauf ab, eine große Beständigkeit beim mehrfach aufeinander folgenden Demontieren zu erreichen und gleichzeitig den Vorteil der Wulststruktur zu behalten, die in dem bereits angegebenen Patent EP 0 582 196 beschrieben wird. Außerdem beabsichtigt die Erfindung, diese Beständigkeit bei Demontagen zu erhalten bei gleichzeitiger Verwendung von Materialien mit einer hohen Zugfestigkeit, wodurch die Menge an zu verwendendem Material begrenzt wird und der Reifen entsprechend leichter wird. Auf Grund der Verwendung von Seilen besteht ein weiterer erfindungsgemäßer Vorteil aus der einfacheren Herstellung des Reifens, denn die Seile können (weil sie geschmeidiger sind) einfacher verwendet werden als Drähte mit einem größeren Durchmesser, wie Wulstkerndrähte.
Im erfindungsgemäßen Luftreifen wird ein spezielles Seil 2 verwendet, um die Stapel 4 der Verstärkungselemente zu erzeugen. Dieses Seil verfügt gleichzeitig über eine ziemlich hohe Zugfestigkeit, die mindestens so groß ist wie die Zugfestigkeit herkömmlicher Wulstkerne, und über eine große Dehnung, die deutlich größer ist als die Dehnung, die die herkömmlichen Seile aufweisen.
Im folgenden wird beschrieben, wie ein derartiges Seil durch eine spezielle Wärmebehandlung erhalten werden kann.
Der Einfluß der Wärmebehandlung auf die Änderung der funktionellen Dehnung A_f hängt von der chemischen Zusammensetzung und dem Verstreckungsgrad des Stahldrahts, der Dauer und der Temperatur der Wärmebehandlung ab. Um eine sehr deutliche Zunahme der funktionellen Dehnung A_f zu erzielen, ist es bevorzugt, dass der Verstreckungsgrad (Umformungsgrad) ε des verwendeten Drahtes unterhalb eines Wertes im Bereich von 3,5 bis 4 bleibt, wobei der genaue Grenzwert von der chemischen Zusammensetzung des Stahldrahtes abhängt. Der Verstreckungsgrad oder Umformgrad ε wird durch die folgende Gleichung definiert: ε = ln (S₀/S_f), worin So die Querschnittsfläche des Drahtes vor dem Verstrecken und S_f die Querschnittsfläche des Drahtes nach dem Verstrecken bedeutet.
Es ist bekannt, dass die Verstärkungen aus Stahl für Luftreifen eine hohe Reißfestigkeit aufweisen und dass sie gut am Gummi haften. Die Festigkeit wird im Laufe der Erzeugung des Stahldrahtes durch ein dem Fachmann bekanntes Verfahren erzielt, z. B. durch Drahtziehen. Dieses Verfahren, das zu einem dünnen Draht führt, erfordert ein Ziehmittel. Für die Verwendung bei Luftreifen besteht dieser Ziehmittel im allgemeinen aus einem herkömmlichen Haftung vermittelnden Überzug, der in den meisten Fällen aus Messing besteht, mit dem der Stahldraht überzogen ist, um die Adhäsion des Kautschuks auf dem Stahldraht zu verbessern. Nach einer Variante kann der Haftung vermittelnde Überzug aus einer Legierung auf Cu-, Zn- und Ni-Basis oder jedem beliebigen Überzug bestehen, der die Adhäsion auf dem Stahl verbessert und gleichzeitig beim Drahtziehen als Ziehmittel fungiert. Anschließend können mehrere Drähte unter Ausbildung eines Seiles zusammengefügt werden. Man erhält so eine Verstärkung, die aus einem Stahldraht besteht, der verstreckt ist und einen Überzug aus einer Haftung vermittelnden Beschichtung aufweist. Diese Verstärkungen sind durch eine geringe Duktilität der Seilanordnung und/oder der sie bildenden Drähte gekennzeichnet (siehe Kurve C in 5).
Eine Wärmebehandlung, die nach dem Verstrecken durchgeführt wird, um die Duktilität zu verbessern, ist an sich bekannt. Die Beschichtung (z. B. mit Messing) wird im allgemeinen nach der Wärmebehandlung durchgeführt, damit es zu keiner Beschädigung des Überzugs kommt.
In dem Patent FR 2152078 wird beispielsweise ein Weg zur Verbesserung der Duktilität durch Veränderung der Struktur beschrieben. Darin wird beschrieben, wie man ein Material erhalten kann, dass eine durch Anlassen erhaltene martensitische Struktur aufweist. In diesem Patent FR 2152078 wird ein Temperaturniveau von etwa 800°C überschritten. Der Messingüberzug darf erst nach dieser Art der Wärmebehandlung aufgebracht werden, weil ansonsten der Messingüberzug bei den erreichten Temperaturen zerstört würde, und diese Verstärkung wäre unbrauchbar für Luftreifen, weil sie nicht auf dem Kautschuk haften würde. Im folgenden beschreibt dieses Patent eine Anlaßbehandlung, die auf eine Struktur angewendet wird, die gehärtet und im wesentlichen martensitisch ist. Außerdem muss dann ein Reinigungsschritt folgen, weil das Anlassen im Bleibad durchgeführt wird, was sehr problematisch wäre, wenn versucht werden sollte, dieses Verfahren auf Anordnungen wie Seile und nicht auf Monofilamente (Einzeldrähte) anzuwenden, denn die Reinigung ist ein Verfahrensschritt, der bei verdrillten Seilen sehr schwierig durchzuführen ist. Schließlich kann der herkömmliche Messingüberzug nicht vor dem Anlassen aufgebracht werden, weil das Material nicht ausreichend duktil ist. Wenn er nach dem Anlassen auf das Seil aufgebracht wird, ist es sehr schwierig, die Homogenität des Messingüberzugs zu gewährleisten. Man sieht demnach, dass dieses Patent keine zufriedenstellende Lösung für die Bewahrung des Haftvermögens des Seiles auf dem Kautschuk angibt.
Im Rahmen einer anderen Erfindung der gleichen Anmelderin werden verschiedene Herstellungsverfahren angegeben, die sich als besonders vorteilhaft erwiesen haben. Diese Verfahren, die an sich von Interesse sind, finden außerdem bevorzugte Anwendung bei Seilen, deren Stahldraht einen Kohlenstoffgehalt von 0,7 bis 0,9% aufweist
Man führt eine Wärmebehandlung unter Anwendung des Joule-Effektes (der im folgenden mit JE abgekürzt wird) bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis 500°C während eines Zeitraums von 5 Sekunden oder darunter durch. Die angegebenen Zeiten sind die Heizzeiten; sie umfassen nicht die Abkühlzeiten. Man kann außerdem die Wärmebehandlung durch statische Konvektion angeben (die im folgenden mit CV abgekürzt wird), wobei die Konvektion vorzugsweise unter einer Schutzgasatmosphäre und bei einer Temperatur unterhalb von 420°C durchgeführt wird, und in diesem Fall wird die darauf folgende Abkühlung ebenfalls unter einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt. Man kann auch die Wärmebehandlung durch Induktion (die im folgenden mit IN abgekürzt wird) angeben, wobei die Temperatur im Bereich von 400 bis 550°C liegt und die Heizdauer bei 1 Sekunde oder darunter liegt.
Man kann außerdem die Wärmebehandlung durch JE oder IN unter einer Schutzgasatmosphäre durchführen, um die Beschädigung des Überzugs so gut wie möglich zu begrenzen (z. B. die Oxidation des Messings). In diesem Fall ist es bevorzugt, das Seil während der Abkühlung unter der Schutzgasatmosphäre zu halten. Als Variante zur oder Ergänzung der Verwendung einer Schutzgasatmosphäre kann man für all diese Wärmebehandlungen eine Beizbehandlung vorsehen, nach der wie all-gemein bekannt mit Wasser gespült und getrocknet wird.
Man kann auch ein Erholungsglühen durchführen, das bei niedriger Temperatur durchgeführt wird. Hierunter wird eine Temperatur verstanden, die auf jeden Fall unter der Temperatur Ac₁ bleibt (Temperatur, bei der eine Umwandlung der Kristallstruktur des Stahls stattfindet) und vorzugsweise bei 550°C oder darunter, im allgemeinen aber oberhalb von 250°C liegt. Hierbei handelt es sich auch um eine Behandlung, die unmittelbar mit einem Seil durchgeführt wird, das Drähte enthält, die einzeln mit einem Haftung vermittelnden Überzug überzogen sind.
Die Temperaturgrenze hängt in der Praxis von der Dauer und der Art und Weise des Erhitzens ab. Es scheint, dass die dem Seil zugeführte Energie bei allen Wärmebehandlungen im wesentlichen gleich sein muß. Die angegebenen Temperaturen sind Temperaturen, die auf der Oberfläche des Seils erreicht werden. Sie können beispielsweise mit einer Infrarot-Kamera (Thermovision) oder mit einem Kontaktmeßfühler gemessen werden, sofern dies möglich ist. Sie werden während der Wärmebehandlung oder unmittelbar danach ermittelt, wenn es in der Praxis schwierig ist, anders vorzugehen. Dies trifft hier auf den Fall der Werte zu, die für die IN-Wärmebehandlung angegeben werden.
Die Wärmebehandlung hebt die funktionelle Dehnbarkeit A_f des Seiles auf einen Wert, der größer als etwa 4% ist, wobei die Reißfestigkeit gleichzeitig bei einem Wert verbleibt, der für Luftreifen ausreichend ist (Zugfestigkeit R_m, die nach der Wärmebehandlung mindestens etwa 2000 MPa beträgt), und wobei die Fähigkeit, auf dem Kautschuk zu haften, ausreichend gut bleibt. Die Kurve I in 5 beschreibt eine typische Kennkurve eines derartigen Seiles. Es wurde klar verdeutlicht, dass es sich um eine Erhöhung der funktionellen Dehnbarkeit handelt, denn die angegebenen Werte umfassen nicht die spezifische Dehnung A_s des "Seileffektes". Die Erhöhung der funktionellen Dehnbarkeit hängt aber bei gleichem Material nicht von der Seilkonstruktion, sondern im wesentlichen von der Wärmebehandlung ab.
Der verwendete Draht besteht allgemeiner aus hartgezogenem (verstrecktem) Stahl mit einem hohen Kohlenstoffgehalt (im Bereich von 0,4 bis 1,0 % C), und er enthält gegebenenfalls die herkömmlichen Bestandteile, wie Mangan und Silicium, um bestimmte Eigenschaften zu verbessern, die speziell erforderlich sind, was dem Fachmann bekannt ist, und er enthält außerdem geringe Mengen an Verunreinigungen. Die Umformung bis zum Erhalt des Enddurchmessers kann mit Hilfe eines beliebigen Verfahrens erfolgen, z. B. durch Drahtziehen. Die Drähte werden so zusammengefügt, dass ein Seil erhalten wird, durch ein geeignetes Zusammenfügeverfahren (das eigentlich als Zwirnen, Verseilen bezeichnet wird).
Das behandelte Seil besteht aus verstreckten und beschichteten Einzeldrähten. Die Wärmebehandlung des Seiles (d. h. nach dem Zusammenfügen) ermöglicht die gleichzeitige Behandlung aller Drähte in einem einzigen Verfahrensschritt.
In den folgenden Beispielen werden die angewendeten Verfahren und die erhaltenen Ergebnisse beschrieben. Man verwendet in allen Fällen Stahldrähte, die im wesentlich aus perlitischem Stahl bestehen, die verstreckt und mit Messing beschichtet sind, die ein nicht umschnürtes Seil bilden. Das Seil weist die folgende genaue chemische Zusammensetzung auf, die bezogen auf das Gewicht des Stahls angegeben wird: Gehalt an Kohlenstoff: 0,81%, Mangan: 0,54%, Silicium: 0,25%, Phosphor: 0,01%, Schwefel: 0,01%, Chrom: 0,11%, Nickel: 0,03%, Kupfer: 0,01%, Aluminium: 0,005%, Stickstoff: 0,003%.
Beispiel 1: Behandlung eines (2 + 7)0,28-Seiles unter Anwendung des Joule-Effekt (JE)
Das Prinzip besteht darin, das Seil kontinuierlich unter einer Schutzgasatmosphäre (beispielsweise ein Gemisch aus Stickstoff und Wasserstoff) unter Einwirkung des Joule-Effekts zu erhitzen, während es vorbeigezogen wird. Die Behandlungstemperatur beträgt 450°C. Nach dem Erhitzen wird das Seil unter der Schutzgasatmosphäre (N₂, H₂) abgekühlt und dann auf Spulen gewickelt. Es weist die folgenden Eigenschaften auf:
In diesem und den folgenden Beispielen bedeuten in den Tabellen:

1. WBNT: "Wärmebehandlung bei niedriger Temperatur";
2. die Adhäsionswerte (Adh.) stellen eine Abschätzung der Qualität der Verbindung zwischen dem Seil und einer Kautschukzusammensetzung dar, die einen Block bildet, in den das Seil eingebettet ist, wobei das Ganze vulkanisiert ist, wobei ein Teil des Seiles aus dem Block herausragt, um so einen Testprobekörper zu bilden; die angegebenen Werte entsprechen der gemessenen Kraft, die erforderlich ist, um das Seil aus dem Kautschuk herauszuziehen;
3. alle Änderungen (Δ) werden in Prozent angegeben; um eine Klassifizierung der verschiedenen Lösungen durch vergleichendes Lesen zu ermöglichen;
4. Die innere Fähigkeit des Seiles, auf Kautschuk zu haften, wird experimentell am Probekörper kontrolliert, indem die Kraft ermittelt wird, ab er sich das Seil von der Matrix trennt;
5. Die Spalten, die das Wort "Test" enthalten, betreffen ein Gemisch, das als Test bezeichnet wird, das 100% NR (Naturkautschuk) enthält, mit der Zugabe von verstärkenden Füllstoffen, um eine geeignete Shore Härte A zu erzielen, die größer als 70 ist, einem großen Schwefelgehalt, der im Bereich von 5 bis 8% liegt, und einem hohen Cobaltgehalt, der im Bereich von 0,3 bis 0,4% liegt (die Prozentangaben beziehen sich auf das Gesamtgewicht des Elastomers); das Haftvermögen dieses Gemischs auf dem Seil reagiert sehr empfindlich auf Änderungen der chemischen Zusammensetzung des Überzugs aus Messing auf dem Seil;
6. Die Spalten, die die Abkürzung "MS" enthalten, betreffen das bevorzugte Gemisch, das weiter unten unter Bezugnahme auf das Patent EP 0 582 196 beschrieben wird. Dieses Gemisch umfaßt ein synthetisches SBR-Elastomer, das allein oder im Verschnitt mit Polybutadien (PB) verwendet wird, wobei der SBR eine Glasübergangstemperatur (Tg) aufweist, die im Bereich von –70 bis –30°C liegt, und das PB eine Tg aufweist, die im Bereich von –40 bis –10°C liegt, wobei das oder die synthetischen Elastomere in einem Gesamtanteil von mindestens 40% des Gesamtgewichts des Elastomers verwendet werden, wobei der Rest aus Naturkautschuk besteht. Die verschiedenen Glasübergangstemperaturen Tg werden durch Thermodifferentialanalyse ge messen. Es wird vorzugsweise ein Gemisch verwendet, das 50% SBR (durch Lösungspolymerisation erhalten), der eine Tg von –48°C aufweist, und 50% NR enthält, wobei verstärkende Füllstoffe und ein Harz zugegeben werden, um die geeignete Shore A Härte von mehr als 70 zu erzielen. Um ein gutes Kleben des Gemischs auf dem mit Messing beschichteten Draht zu erhalten wird Schwefel in einem großen Mengenanteil von 5 bis 8% des Gesamtgewichts der Elastomere verwendet, und man verwendet Cobalt in einer Menge von etwa 0,2% des Gesamtgewichts der Elastomere.

Beispiel 2: Konvektionsbehandlung (CV) eines (2 + 7)0,28-Seiles, nach der eine Beizbehandlung durchgeführt wird (DECA).
Das Seil wird in einem Ofen mit statischer Konvektion (Ofen für das Erholungsglühen) unter einer kontrollierten Schutzgasatmosphäre, beispielsweise aus Stickstoff, der mit 6% Wasserstoff versetzt ist, behandelt. Es wird im Laufe von 3 h 30 min auf 350°C erhitzt. Anschließend wird das Seil 30 min bei dieser Temperatur gehalten. Dann wird es im Laufe von 3 h auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Die Rollen werden anschließend abgewickelt, um das Seil durch ein niedrig konzentriertes Phosphorsäure- oder Schwefelsäurebad (etwa 4%) ziehen zu können. Die Verweilzeit in diesem Beizbad beträgt etwa 2 Sekunden. Die Badtemperatur entspricht der Umgebungstemperatur. Man erhält die folgenden Meßwerte:
Beispiel 3: Induktionsbehandlung (IN) eines (2 + 7)0,28-Seiles.
Das vorbeilaufende Seil wird induktiv unter einer Schutzgasatmosphäre (dissoziiertes NH₃ oder N₂, H₂) erhitzt. Das Erholungsglühen erfolgt durch elektromagnetische Induktion, indem man Ströme durch das Seil fließen läßt, die auf einer Länge von etwa 40 cm induziert werden, wobei die Behandlungsgeschwindigkeit variabel sein kann (z. B. 80 m/min), wobei der gesamte Vorgang so gesteuert wird, dass eine homogene Wärmebehandlung des Seiles erhalten wird. Die auf der Oberfläche des Seiles und am Auslaß des Induktionsgeräts gemessene Temperatur beträgt etwa 450°C. Man erhält die folgenden Meßwerte:
Beispiel 4: Behandlung eines (3 + 8)0,35-Seiles unter Anwendung des Joule-Effekt (JE) unter einer Schutzgasatmosphäre.
Die Analyse dieser Beispiele ermöglicht die Feststellung, dass der absolute Wert der Adhäsion des Kautschuks auf dem Seil auch von der Rezeptur des verwendeten Kautschukgemischs abhängt. Man kann so in Abhängigkeit von der Formulierung des Gemischs, das für den Verbindungskautschuk 3 verwendet wird, eine mehr oder weniger große Ände rung der die Haftung vermittelnden Beschichtung durch die Wärmebehandlung akzeptieren.
Wenn man das oben erwähnte MS-Gemisch verwendet, kann man eine größere Verschlechterung (von etwa 70% im Vergleich zum "Test"-Gemisch) akzeptieren, denn die mit diesem Gemisch erhaltenen Adhäsionseigenschaften reagieren weniger empfindlich auf eine Änderung der chemischen Beschaffenheit der Beschichtung während der Wärmebehandlung bei niedriger Temperatur. Vorzugsweise werden aber nur die Lösungen in Betracht gezogen, die im Vergleich zum Testgemisch eine Verschlechterung von weniger als 50% zeigen. In allen obigen Beispielen und insbesondere im Beispiel 3 kann festgestellt werden, dass das MS-Gemisch die beste Fähigkeit bietet, die Verschlechterung in den ungünstigsten Fällen auf ein niedriges Maß zu beschränken. Es können jedoch andere Arten von Gemischen formuliert werden, und diese letzte Bemerkung ist nicht einschränkend. Andere Bedingungen für die Durchführung der Wärmebehandlungen können angewendet werden; es ist möglich, dass man in bestimmten Fällen zu einer geringeren Verschlechterung der Adhäsion kommt, was die Verwendung des "Test"-Gemischs für die Schicht 3 möglich machen würde, oder auch die Verwendung eines anderen Gemischs, das gegebenenfalls weniger vorteilhaft hinsichtlich der Adhäsion ist als das MS-Gemisch.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Seiles für Luftreifen ist bereits bekannt, bei dem ausgehend von einem Seil, das aus einem verstreckten Stahldraht hergestellt wird, der mit einem Haftung vermittelnden Überzug versehen ist, der die Adhäsion zwischen dem Stahl und dem Kautschuk verbessert, dieses Seil einem Erholungsglühen bei einer Temperatur von 250°C bis A_c1 über einen vorgegebenen Zeitraum unterzogen wird, um die funktionelle Dehnung A_f auf einen Wert von mehr als 4% zu heben, bei dem solche Mittel eingesetzt werden, dass die beobachtete Verschlechterung höchstens 70% beträgt, indem die Fähigkeit eines derartigen Seiles, auf einem als "Test" bezeichneten Kautschukgemisch zu haften, vor und nach der Herstellung kontrolliert wird.
Bei diesen Mitteln kann es sich um ein Beizen des Stahlseils nach der WBNT handeln, oder die Wahl einer ausreichend schützenden Atmosphäre während der WBNT und der sich anschließenden Abkühlung, oder jedes sonstige Mittel mit einer entsprechenden Wirkung.
Auf Grund dieses Verfahrens wird eine gute Adhäsion zwischen dem Kautschuk und dem Metall bewahrt. Außerdem überschreitet das Seil 2 im Fall der starken Beanspruchungen bei der Demontage die Elastizitätsgrenze, bleibt jedoch immer unterhalb der Bruchgrenze. Das Seil behält demnach einen Bereich mit elastischem Verhalten selbst dort, wo es durch eine lokal begrenzte Kraft über seine anfängliche Elastizitätsgrenze beansprucht wird. Selbst wenn eine beträchtliche restliche Dehnung (von etwa 2 bis 3%) in der durch die Demontage beanspruchten Zone verbleibt, hat diese Dehnung, bezogen auf den Gesamtumfang einer Windung des Seiles 2, nur einem Wert im Promille-Bereich, was den guten Sitz des Reifens auf der Felge nach der erneuten Montage in keiner Weise beeinträchtigt.
Der Verwendungswert des so hergestellten Reifens wird durch einige Demontage- und Montage-Zyklen, denen er im Laufe seines Betriebs ausgesetzt ist, in keiner Weise verschlechtert, und dies um so mehr, als selbst dann, wenn es bei jeder Demontage zu einer Dehnung kommt, die die Elastizitätsgrenze überschreitet, diese Dehnung nicht nur ein kleine Länge des Seiles betrifft, wie gezeigt wurde, sondern außerdem eine derartige Dehnung nur in einem kleinen Teil der übereinander liegenden Windungen stattfindet, vorzugsweise in einem Stapel, der axial auf der Außenseite des Wulstes liegt.
Oben wurde die Verwendung eines speziellen Seiles, mit großer Dehnung, als in Umfangsrichtung angeordnete Verstärkung beschrieben, die für die Verankerung der Verstärkungselemente der Karkasse sorgen. Im folgenden wird vorgeschlagen, geometrische Konstruktionsvorschriften für den Aufbau des Wulstes zu befolgen. Diese Vorschriften können in Kombination mit dem oben definierten Seiltyp, aber auch unabhängig von diesem Seiltyp berücksichtigt werden. Die Aufbauvorschriften können demnach unabhängig davon, welches das verwendete, in Umfangsrichtung angeordnete Verstärkungselement ist, angewendet werden, selbst wenn das Seil 2 durch Textilseile oder durch Verstärkungen in Form von Monofilamenten ersetzt wird, unabhängig davon, welche Beschaffenheit und Geometrie diese Elemente haben. Dabei ist festzustellen, dass das in Umfangsrichtung angeordnete Verstärkungselement vorzugsweise eine ziemlich große Dehnbarkeit besitzen soll. Wenn ein Wulstkerndraht (metallisches Monofilament) eingesetzt wird, handelt es sich um einen Draht mit einer großen Dehnbarkeit (siehe z. B. die Kurve T in 5).
Wenn z. B. die Dimensionierung des Wulstes und/oder die Auswahl der Materialien den Wulst relativ wenig kompakt machen, ist es vorteilhaft, den unteren Rand der axial am weitesten außen angeordneten Stapels 5 nach oben zu verschieben, wie dies in den 6 und 7 veranschaulicht wird. Wenn es mindestens zwei Stapel von in Umfangsrichtung angeordneten Verstärkungselementen 2 gibt, die seitlich die Verstärkungselemente der Karkasse einfassen, gibt es eine radiale Verschiebung zwischen dem radial untersten Teil dieses Stapels 5 und den benachbarten Stapeln 4. Dies trägt auch zur Begrenzung der Belastungen der Seile bei der Demontage des Reifens bei. Der radial unterste Teil jedes Stapels ist vorzugsweise radial nach oben verschoben, bezogen auf den radial untersten Teil des Stapels, der auf der axial inneren Seite benachbart ist.
Im gleichen Sinne ist die unterste Windung jedes Stapels 41, 42, 43 (siehe 8) in einer solchen radialen Höhe angeordnet, dass bei einem Kippen des Wulstes die Windung nicht dazu gezwungen wird, im Durchmesser um einen Wert zuzunehmen, der größer ist als ein Wert, der die Dehnung des Seiles auf ein Niveau begrenzt, das es ohne Beschädigung auszuhalten vermag. Anders ausgedrückt bleibt die Überbeanspruchung der am stärksten beanspruchten Windungen gering. Es wird darauf hingewiesen, dass die Zunahme des Umfangs der betreffenden Windungen nicht proportional ist zu dem, was in 8 wie eine Zunahme des Durchmessers erscheint. Tatsächlich wurde weiter oben erklärt, dass die Verformung nicht in homogener Weise den gesamten Umfang der betreffenden Windung betrifft. Die Beanspruchung, die zum Umkippen des Wulstes führt, ist eine lokale Beanspruchung. Es wird auch festgestellt, dass sich in dem Moment, in dem sich der Wulst auf seine Spitze stützt (zentrale Abbildung in den 8 und 3), die Spitze verformt, insbesondere unter der Einwirkung von Scherbeanspruchungen, die in diesem Moment auf eine relativ geringe Dicke einwirken, wodurch die Ausdehnung begrenzt wird, der die verschiedenen Windungen unterzogen werden.
Nach einem anderen Aspekt kann man die Geometrie des Wulstes genauer berücksichtigen, sogar die verschiedenen Härten der Materialien, auf die man treffen kann. In den 6 und 7 wurden die Gesamtabstände e₁ und e₂ graphisch dargestellt, wobei e₁ der Abstand in radialer Richtung ist, der zwischen der untersten Windung und der Oberfläche des Wulstes vorhanden ist, die mit dem Wulstsitz der Felge (oder gegebenenfalls seiner Verlängerung) in Kontakt kommt, und e₂ der Abstand in axialer Richtung ist, der zwischen der untersten Windung und der Oberfläche des Wulstes auf der Seite des inneren Hohlraums des Luftreifens vorhanden ist, d. h. der Abstand von der untersten Windung bis zur axial inneren Seite des Reifens. Damit die betreffende Windung keiner schädlichen Überbeanspruchung durch Spannungseinwirkung ausgesetzt wird, empfiehlt es sich in erster Annäherung (d. h. unter der Annahme, dass die Härte der verschiedenen Materialien entlang der markierten Abschnitte e₁ und e₂ in den 6 und 7 konstant ist), dass e₂ kleiner als oder gleich e₁ ist. Bei genauerer Berücksichtigung der genauen Beschaffenheit der verschiedenen Bestandteile und in der Erwägung, dass e_1j Dicke jedes Produkts ist, das radial die radial unterste Windung eines beliebigen Stapels von der radial unteren Fläche des Wulstes trennt, und dass e_2i die Dicke jedes Produktes ist, das radial die radial unterste Windung eines beliebigen Stapels von der axial inneren Fläche des Wulstes trennt, und dass G_1j und G_2i die jeweiligen Young-Moduln der betreffenden Produkte sind, kann die zu erfüllende Bedingung für die Reifenkonstruktion wie folgt ausgedrückt werden:
Es wird demnach eine Konstruktion vorgeschlagen, durch die für jede Windung der Stapel 4 oder 5 die Spannung beim Kippen des Wulstes abnimmt, was zu einer Absenkung der Festigkeit des Sitzes des Wulstes auf der Felge führt und eine leichtere Demontage ermöglicht. Die vorgeschlagenen Regeln sind experimentell. Das angestrebte Ergebnis besteht darin, dass der Wulst, während er gekippt wird, keiner schädlichen Dehnung ausgesetzt wird. Sobald der Wulst den Wulstsitz verlassen hat, wird er gelockert, sogar auf der axial inneren Seite des Rades, dort, wo der Wulstsitz häufig durch eine ziemlich breite, im allgemeinen zylindrische Zone verlängert ist (Felgenhohlraum, der axial nach außen verschoben ist. Das Wesentliche besteht demnach darin, dass beim Kippen keine Windung dazu gezwungen ist, in eine Position zu gehen, die radial oberhalb ihrer Bezugsposition in einem Wulst liegt, der nicht durch eine Rotation beansprucht ist (siehe 8).

Claims

Luftreifen, der Seitenwände umfasst, die durch Reifenwülste begrenzt sind, die für die Montage auf eine Felge konzipiert sind, wobei der Luftreifen eine Karkassbewehrung (1) aufweist, die durch die Seitenwände hindurchgeht und bis zu den Wülsten reicht, wobei mindestens einer der Wülste umfasst: – Verstärkungselemente der Karkasse, die sich vom radial unteren Teil des Wulstes zur Seitenwand hin erstrecken, wobei bei keinem der Wülste die Karkasse um den Wulstkern geschlungen ist, wobei die Verstärkungselemente der Karkasse in einer oder mehreren Reihen angeordnet sind, wobei diese innerhalb jeder Reihe näherungsweise einen partiellen Kegelstumpf beschreiben, dessen Achse mit der Rotationsachse des Luftreifens zusammenfällt, – mindestens zwei Stapel von in Umfangsrichtung angeordneten Verstärkungselementen (2), die die Verstärkungselemente der Karkasse seitlich einfassen, dadurch gekennzeichnet, dass der radial unterste Teil des axial am weitesten außen angeordneten Stapels (5) radial nach oben verschoben ist, bezogen auf den radial untersten Teil des benachbarten Stapels (4).
Luftreifen, der Seitenwände umfasst, die durch Reifenwülste begrenzt sind, die für die Montage auf eine Felge konzipiert sind, wobei der Luftreifen eine Karkassbewehrung (1) aufweist, die durch die Seitenwände hindurchgeht und bis zu den Wülsten reicht, wobei mindestens einer der Wülste umfasst: – Verstärkungselemente der Karkasse, die sich vom radial unteren Teil des Wulstes zur Seitenwand hin erstrecken, – mindestens zwei Stapel von in Umfangsrichtung angeordneten Verstärkungselementen (2), die die Verstärkungselemente der Karkasse seitlich einfassen, – Materialien, für die e_1j die Dicke jedes Produkts ist, das radial die radial unterste Windung eines beliebigen Stapels von der radial unteren Fläche des Wulstes trennt, und für die e_2i die Dicke jedes Produkts ist, das radial die radial unterste Windung eines beliebigen Stapels von der axial inneren Fläche des Wulstes trennt, und für die G_1j und G_2i die jeweiligen Young-Moduln der betreffenden Produkte sind, dadurch gekennzeichnet, dass diese Materialien die folgende Regel erfüllen: