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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Luftreifen, und
speziell auf einen Luftreifen mit verbesserter Gürtelbauweise für
allgemeine Verwendung, insbesondere für Personenkraftwagen.
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Bei Gürtel bauwei sen herkömmlicher Reifen dieser Art werden mindestens
zwei Gürtelschichten, sogenannte "überkreuzende Streifen", als
Verstärkungselemente verwendet, deren Cordfäden sich unter einem spitzen
Winkel von 15-25º bezüglich der Äquatorebene des Reifens überkreuzen.
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Eine solche Bauweise ist vorgesehen, um eine toroide Konfiguration
der radialen Karkasse aufrechtzuerhalten, und um einen Faßreifen-Effekt
sicherzustellen, damit eine relativ ebene Laufflächen-Oberfläche erhalten
wird, und eine ausreichende Schersteifigkeit sicherzustellen, damit der
Reifen den bei Kurvenfahrt auftretenden Querkräften in geeigneter Weise
widersteht.
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Bei einer solchen Gürtelbauweise treten jedoch große Zugkräfte längs
des Umfangs des Reifens auf, wodurch sich der Durchmesser des Gürtels
infolge des Reifen-Innendrucks, der auf den Reifen wirkenden Last und,
insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten, der Zentrifugalkräfte vergrößert.
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Wenn sich bei der obigen Gürtelbauweise die Cordfäden von
benachbarten Schichten unter einem spitzen Winkel von 15-25º bezüglich der
Äquatorebene überkreuzen, treten infolge der Vergrößerung der
Gürteldurchmesser große Scherdehnungen zwischen den Schichten an den
Gürtelrändern in den radialen Abschnitten auf. In einem extremen Fall
können die Scherdehnungen einen Ausfall des Reifens zur Folge haben.
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Um solche Nachteile zu vermeiden, wurde vorgeschlagen, zusätzliche
Verstärkungsschichten anzuordnen, deren Cordfäden aus organischer Faser
oder Stahl parallel zueinander längs des Umfangs angeordnet sind, um die
Gürtelränder der überkreuzenden Schichten zu bedecken, mit dem Ziel , die
Vergrößerung des Gürteldurchmessers infolge der Spannung zu vermindern.
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Solche zusätzlichen Verstärkungsschichten werden als Gürtelauflagen
bezeichnet.
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Im Fall von zusätzlichen Verstärkungsschichten, wie beispielsweise
Gürtelauflagen, werden Textil-Cordfäden hauptsächlich für kleine
Personenkraftwagen-Luftreifen verwendet, so daß die Lenkbarkeit und die
Haltbarkeit bis zu einem gewissen Grade gewährleistet sind. Infolge der
zusätzlichen Verstärkungsschichten sind jedoch die Herstellungskosten
zwangsläufig erhöht, und die sich ergebende Haltbarkeit ist nicht unbedingt
ausreichend.
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Es wird auf die Beschreibungen in LU-A-39277 und GB-A-815055
hingewiesen.
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Die Erfindung zielt darauf ab, einen verbesserten Luftreifen für
Personenkraftwagen vorzuschlagen, der eine verbesserte Gürtelbauweise
umfaßt, um die Anforderungen bezüglich der gewünschten Gürtel-
Leistungsfähigkeit in vorteilhafter Weise zu erfüllen, ohne daß er
zusätzliche Verstärkungsschichten erfordert.
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Die Erfindung beruht auf der Entdeckung, daß das obige Ziel durch
zwei Arten von Verstärkungen erreicht werden kann, von denen jede für sich
ein Leistungsmerkmal aufweist, das für die Gürtelbauweise eines Luftreifens
für Personenkraftwagen erforderlich ist, nämlich die Umfangssteifigkeit,
um eine toroide Form der Karkasse aufrechtzuerhalten. bzw. die
Schersteifigkeit, die Querkräften widersteht. Eine solche Entdeckung ist
völlig verschieden von dem herkömmlichen Konzept, das zusätzliche
Verstärkungsschichten erfordert.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Luftreifen für
Personenkraftwagen vorgeschlagen, mit einer toroiden Karkasse, die durch
mindestens zwei Wulstkerne verankert ist, und einem Gürtel aus Schichten,
die eine gewisse Anzahl von aus Cordfäden oder Filamenten bestehenden
Verstärkungselementen aufweisen, die die Krone der toroiden Karkasse
umgeben, wobei diese Schichten mit einem Material beschichtet sind, das ein
hohes Molekulargewicht hat, und das einen Elastizitätsmodul hat, der
niedriger als der Elastizitätsmodul der Verstärkungselemente ist, wobei
dieser Gürtel eine laminierte Bauweise hat, mit mindestens einer wellen-
oder zickzackförmigen, ersten Schicht, und einer einzelnen, zweiten
Schicht, wobei die erste Schicht im allgemeinen wellen- oder
zickzackförmige, metallische Verstärkungselemente hat, die nebeneinander
angeordnet sind und im allgemeinen parallel zu der Äquatorebene des Reifens
angeordnet sind und in derselben Ebene gelegen sind, und die zweite Schicht
aus einem einzelnen Streifen mit Verstärkungselementen besteht, die unter
einem Winkel von 15 bis 75º bezüglich der Äquatorebene parallel zueinander
angeordnet sind.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die erste
Schicht eine Laminierung aus mindestens zwei Schichten. Bei einer anderen
Ausführungsform sind die erste und die zweite Schicht so laminiert, daß die
erste Schicht radial innerhalb oder außerhalb der zweiten Schicht
angeordnet ist. Bei einer weiteren Ausführungsform sind die
Verstärkungselemente der zweiten Schicht unter einem Winkel von 35-60º
bezüglich der Äquatorebene geneigt. Die Verstärkungselemente der ersten
Schicht bestehen vorzugsweise aus Stahldrähten.
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Die Erfindung wird nachstehend mittels eines Beispiels weiter
beschrieben, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, die
Folgendes darstellen:
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Die Figuren 1a, 1b und 1c sind ein Schnitt, ein Grundriß bzw. eine
Abwicklung, die eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reifens
veranschaulichen.
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Die Figuren 2a-2d sind schematische Ansichten, die Varianten der
Gürtelbauweise von erfindungsgemäßen Reifen veranschaulichen.
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Die Figur 3a ist ein Diagramm zur Erklärung des Zusammenhangs
zwischen der Kurvenfestigkeit und dem Cordfadenwinkel.
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Die Figur 3b ist eine Ansicht zur Erklärung der in einem Reifen
auftretenden Scherkräfte.
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Die Figuren 1a, 1b und 1c veranschaulichen eine Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Reifens. Der Reifen 1 umfaßt eine erste Schicht 2, eine
zweite Schicht 3, eine toroide Karkasse 4, und Wulstkerne 5.
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Die erste Schicht 2 und die zweite Schicht 3 weisen eine laminierte
Bauweise auf, wie dies in den Figuren 1a und 1c gezeigt ist, und sie dienen
als Gürtel B, der der toroiden Karkasse 4 hilft, die Krone des Reifens zu
verstärken.
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Bei dieser Ausführung bezeichnet die Kennziffer 6
Verstärkungselemente aus Cordfäden oder Filamenten, wobei diese
Verstärkungselemente in der aus einer Schicht bestehenden ersten Schicht
2 wellenförmig (oder zickzackförmig) nebeneinander angeordnet sind und
parallel zu der Äquatorebene des Reifens 1 verlaufen. Die Kennziffer 7
bezeichnet aus Cordfäden oder Filamenten bestehende Verstärkungselemente,
die unter einem Winkel von 15-75a bezüglich der Äquatorebene des Reitens
1 parallel zueinander angeordnet sind. Der Laufflächengummi ist in der
Figur 1b mit der Kennziffer 8 bezeichnet.
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Es wurde festgestellt, daß eine andere Ausführungsform der
laminierten Bauweise des Gürtels B ebenfalls die angestrebten Effekte der
Erfindung hervorrufen kann.
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Die aus den wellenförmigen (oder zickzackförmigen)
Verstärkungselementen bestehende erste Schicht 2 dient als
erfindungsgemäßes starres Umfangsmittel.
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Bei der erfindungsgemäßen Reifenbauweise sind insbesondere keine
Cordfadenenden an den Streifenrändern in den radialen Abschnitten des
Reitens 1 vorhanden wie bei den herkömmlichen Reifen, die unter einem
kleinen spitzen Winkel überkreuzende Gürtel schichten haben. Selbst wenn der
Gürtel B Umfangs-Zugkräften unterworfen wird, treten daher dort keine
Scherdehnungen auf, und werden keine Ablösungen hervorgerufen.
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Da die Verstärkungselemente wellenförmig (zickzackförmig) sind.
behindern sie außerdem kaum die Vergrößerung des Durchmessers des Gürtels
bei der Herstellung des Reifens. Daher sind herkömmliche Reifenbildungs-
und Reifenvulkanisier-Techniken bei dem erfindungsgemäßen Reifen ohne
Schwierigkeiten anwendbar.
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Andererseits dient die zweite Schicht 3 als axiales, starres
Schermittel, um Scherkräften in der axialen Richtung des Reifens zu
widerstehen. Daher ist es nicht erforderlich, daß die zweite Schicht 3 eine
große Umfangssteifigkeit hat.
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Die hier erklärte Schersteifigkeit ist die Steifigkeit gegenüber
Scherkräften F, wie dies in der Figur 3b gezeigt ist. Bei einem Experiment
im Zusammenhang mit der Schersteifigkeit wurde bei Reifen der Größe 175/70
SR 13 die Kurvenfestigkeit in Abhängigkeit von dem Cordfaden-Neigungswinkel
der zweiten Schichten bestimmt. Die Ergebnisse sind in der Figur 3a
wiedergegeben. Wie aus den Ergebnissen ersichtlich ist, erhöht die
Hinzufügung der zweiten Schichten die Schersteifigkeit, wobei bei einem
Cordfaden-Neigungswinkel von 35-60º eine hohe Kurvenfestigkeit erhalten
wird.
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Falls die Cordfäden der zweiten Schicht unter einem Winkel von 15-20º
bezüglich der Umfangsrichtung des Reitens angeordnet sind, dient die zweite
Schicht zur Erhöhung der Umfangssteifigkeit längs des Umfangs des Reifens.
Mit anderen Worten, die Kurvenfestigkeit ist eine sogenannte "Gough-
Steifigkeit" in der folgenden Beziehung:
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1/CP = A/G + B/EI
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wobei CP die Kurvenfestigkeit, G die Schersteifigkeit in den
Gürtelschichten, und EI die Biegesteifigkeit ist, und A und B Konstanten
sind.
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Aus dieser Beziehung ist ersichtlich, daß selbst wenn nur die
Schersteifigkeit erhöht wird, die Kurvenfestigkeit je nach den
Materialeigenschaften oft nicht groß wird. In diesem Fall ist es besser,
den Wert von E groß zu machen, oder die Umfangssteifigkeit der zweiten
Schicht zu erhöhen. In einem solchen Fall ist es außerdem besser, bei den
Wellenformen große Amplituden vorzusehen, um die Umfangssteifigkeit zu
verringern, wodurch die Schersteifigkeit erhöht wird.
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In dem Fall von kleinen Radialreifen für Personenkraftwagen ist es
im Hinblick auf die Herstellungskosten und den Rollwiderstand besser, eine
zweite Schicht 3 aus einem einzelnen Streifen für übliche Reifenanwendungen
zu verwenden, wie dies in den Figuren 1 und 2a und 2b gezeigt ist. Die
zweite Schicht 3 hat selbst im Fall einer einzelnen Schicht eine
ausreichende Schersteifigkeit.
Beispiel
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Reifen der Größe 175/70 SR 13 wurden versuchsweise hergestellt und
bezüglich der Kurvenfestigkeit und der Haltbarkeit getestet. Die
Kurvenfestigkeit wurde bei einem Innendruck von 1,9 kg/cm² und normaler
Last getestet. Bei dem Haltbarkeitstest wurde der Reifen mit einer Last,
die der doppelten normalen Last entsprach, gegen eine Trommel einer
Trommeltestmaschine gepreßt und die Trommel angetrieben, wobei der Reifen
mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 80 km/h auf der Trommel rotierte oder
rollte. Um die Haltbarkeit des Reifens zu bestimmen, wurde der Test so
lange fortgeführt, bis bei dem Reifen ein Fehler auftrat. Die Ergebnisse
sind zum Vergleich in der folgenden Tabelle wiedergegeben.
Tabelle
Kurvenfestigkeit
Haltbarkeit
Kosten
Ausführungsform
Vergleichsbeispiel
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Die getesteten Reifen wiesen die nachfolgenden Gürtel-Bauweisen auf.
Die Bauweise der anderen Verstärkungen war bei allen Reifen gleich.
Ausführungsform 1
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Die Reifen der Ausführungsform 1 entsprechen den Figuren 1a-1c. Die
erste Schicht 2 und die zweite Schicht 3 bestehen aus je einer einzelnen
Schicht, und sind miteinander laminiert. Die wellenförmigen
Verstärkungselemente 6 bestehen aus Stahldrähten (je 1 x 1, Durchmesser 0,5
mm, Wellenlänge 15,0 mm, und Wellenamplitude 1,0 mm). Andererseits bestehen
die Verstärkungselemente 7 der zweiten Schicht 3 aus Stahl-Cordfäden (je
1 x 2, Durchmesser 0,3 mm), die unter einem Neigungswinkel von 30º
bezüglich der Äquatorebene angeordnet sind.
Ausführungsform 2
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Die Reifen der Ausführungsform 2 entsprechen der Figur 2c. Eine erste
Schicht 2 besteht aus zwei Schichten. Die wellenförmigen
Verstärkungselemente 6 bestehen aus Stahlfilamenten (je 1 x 1, Durchmesser
0,3 mm, Wellenlänge 15,0 mm, und Wellenamplitude 1,0 mm). Die Cordfäden der
Verstärkungselemente 7 der zweiten Verstärkungsschicht 3 sind unter 45º
geneigt. Die Bauweise der anderen Verstärkungselemente ist wie bei der
Ausführungsform 1.
Ausführungsform 3
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Die Reifen der Ausführungsform 3 entsprechen der Figur 2d. Die erste
Schicht 2 besteht aus zwei Schichten. Die wellenförmigen
Verstärkungselemente 6 bestehen aus Stahlfilamenten (jeweils 1 x 1,
Durchmesser 0,3 mm, Wellenlänge 15,0 mm, und Wellenamplitude 1,5 mm). Die
Cordfäden der Verstärkungselemente 7 der zweiten Schicht 3 sind unter 15º
geneigt. Die Bauweise der anderen Verstärkungselemente ist wie bei der
Ausführungsform 1.
Vergleichsbeispiel 1
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Es sind zwei überkreuzende Schichten vorgesehen, deren Stahlcordfäden
(je 1 x 3, Durchmesser 0,2 mm) sich unter einem Neigungswinkel von 20º
bezüglich der Äquatorebene überkreuzen.
Vergleichsbeispiel 2
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Es sind zwei überkreuzende Schichten vorgesehen, deren Stahlcordfäden
(jeweils 1 x 2, Durchmesser 0,2 mm) sich unter einem Neigungswinkel von 25º
bezüglich der Äquatorebene überkreuzen. Zusätzlich dazu ist eine
Gürtelauflage vorgesehen, deren Stahlcordfäden (je 1 x 1, Durchmesser 0,5
mm) unter einem Winkel von 0º bezüglich der Äquatorebene angeordnet sind.
Vergleichsbeispiel 3
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Die Reifen des Vergleichsbeispiels 3 haben eine ähnliche Bauweise wie
die Reifen des Vergleichsbeispiels 2, weisen aber keine Gürtelauflage auf.
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Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, weist der
erfindungsgemäße Reifen eine ausreichende Haltbarkeit und Lenkbarkeit auf,
und zwar ohne die Verwendung von zusätzlichen Verstärkungen, die
wesentliche Elemente für die Erfüllung der Anforderungen bezüglich der
Gürtel von Luftreifen für Personenkraftwagen waren.