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Die Erfindung betrifft radiale Luftreifen für
Personenkraftwagen und insbesondere einen solchen Reifen, der nicht
nur eine hohe Dauerfestigkeitsleistung, sondern auch eine
beträchtliche Gewichtseinsparung hat.
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Im Hinblick auf die Erdölknappheit sowie Probleme der
Umweltverschmutzung entstand in letzter Zeit ein starker
Bedarf an kraftstoffsparenden Kraftfahrzeugen. In
Übereinstimmung mit diesem Trend wurde der Entwicklung leichtgewichtiger
Automobilreifen große Aufmerksamkeit gewidmet. Bei radialen
Luftreifen für Personenkraftwagen wird das Ziel einer
Gewichtsverringerung oder Gewichtseinsparung erwartungsgemäß
durch drei Möglichkeiten erreicht: (1) Verringerung der
Anzahl von Stahlbändern bzw. -cordseilen, die als Verstärkungen
einer Gürtelschicht einzusetzen sind, (2) Minimieren des
Durchmessers der jeweiligen Stahlfäden, die für das Stahlband
zu verwenden sind, oder (3) Verringern der Gummimenge, die
zur Ausbildung eines Laufflächenabschnitts zum Einsatz kommen
soll, die im Hinblick auf das Volumenverhältnis im
Gesamtreifen relativ groß gestaltet wird.
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Die Möglichkeiten (1) und (2) erfordern, daß die
Gürtelschicht eine Zugfestigkeit mit einem weitaus höheren Wert als
gewöhnlich hat. In diesem Fall wird notwendigerweise ein
sogenannter ultrafester Stahlfaden mit reichem
Kohlenstoffgehalt zur Herstellung eines Stahlbands mit ausreichender
Verstärkung für die Gürtelschicht genutzt. Obwohl hierbei eine
gute Strukturfestigkeit vorliegt, tendieren höhere
Kohlenstoffgehalte dazu, dem resultierenden Stahlfaden eine
unerwünscht niedrige Zähigkeit und einen geringeren Widerstand
gegen Dauerbiegeermüdung unter Feuchtbedingungen zu
verleihen. Dies führt zu Fadenbruch und damit zu verschlechterter
Dauerfestigkeit des fertigen Reifens.
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Zur Realisierung der Möglichkeit (3) muß der
Laufflächenabschnitt so gestaltet sein, daß er eine geringere Dicke
zwischen Rillenboden und Bandoberfläche hat. Der hier
verwendete Begriff "Dicke" bezieht sich auf den Abstand oder die
Stärke von Gummi zwischen einem Bodenende jeder von mehreren
in Umfangsrichtung des Laufflächenabschnitts ausgebildeten
Hauptrillen und einer Außenfläche einer von Bandanordnungen,
die näher zum Rillenboden positioniert ist. Bei
herkömmliche Radialreifen liegt diese Dicke gewöhnlich im
Bereich von 3,0 bis 4,5 mm, so daß ihr Gewicht recht schwer
ist. Im allgemeinen ist ein solcher Reifen im Bereich der
Rillenbodenenden anfällig gegenüber stark örtlichen
Beanspruchungen während der Fahrt, wobei diese Beanspruchungen für
gebrochene Stahlbänder und eine beeinträchtigte
Dauerfestigkeit des Reifens verantwortlich sind. Diese negative Tendenz
tritt auffälliger auf, wenn die Dicke zwischen Rillenboden
und Bandoberfläche auf weniger als 3,0 mm eingestellt ist.
Eine wesentlich schlechtere Dauerfestigkeit zeigt sich
besonders dann, wenn der vorgenannte Stahlfaden mit ultrahoher
Strukturfestigkeit zum Einsatz kommt.
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Nunmehr wurde festgestellt, daß sich überaus dauerfeste
leichtgewichtige Reifen einer radialen Luftreifenart unter
Verwendung von Stahlbandanordnungen gewinnen lassen, die als
Gürtelschicht aus Stahlfäden mit jeweils hohem
Kohlenstoffgehalt sowie spezifischen Silicium- und Nickelgehalten
ausgebildet sind und eine spezifische Zugfestigkeitsgröße
vorsehen. Das derart verfügbare Stahlband zeigt ultrahohe
Strukturfestigkeit und ausreichende Zähigkeit sowie großen
Widerstand gegen Dauerbiegeermüdung und Korrosion, auch wenn es
Feuchtigkeit ausgesetzt ist. Dadurch kann eine kleinere
Anzahl von Stahlbändern und eine begrenzte Dicke zwischen
Rillenboden und Bandoberfläche zum Einsatz kommen, was zu
geringerem Gewicht des resultierenden Reifens bei
Aufrechterhaltung einer verbesserten Dauerfestigkeit beiträgt.
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Die EP-A-0342492 beschreibt ein Stahlband als
Verstärkungsmaterial für Gummierzeugnisse, insbesondere
Fahrzeugreifen. Der Stahl enthält 0,75 bis 0,95 Gew.-% C, 0,45 bis
1,20 Gew.-% Si, 0,30 bis 0,90 Gew.-% Mn, 0,05 bis 1,0 Gew.-%
Ni und als Rest Eisen sowie wahlweise 0,1 bis 0,5 Gew.-% Cu
und/oder 0,05 bis 1,0 Gew.-% V.
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Die US-A-4773459 beschreibt einen Niederquerschnitts-
Luftreifen mit einem Höhen-/Breiten-Verhältnis von höchstens
0,65. Ein Reifenrohling wird mit einem Heizbalg in einer Form
unter Druck gesetzt, und Laufflichengummi wird zwangsweise
fließend in Vertiefungen geführt, um ein Reifenblockmuster
auszubilden. Der zwischen dem Querrillenboden und der
Gürtelschicht vorliegende Gleitunterbaugummi ist in der Mitte der
Querrillen dünn. Die Querrillen sind mit erhhtem Boden oder
gewellt in ihrer Längsrichtung ausgebildet, um einen
gleichmaßig dicken Gleitunterbau zu erhalten.
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Die Erfindung sieht einen neuen radialen Luftreifen für
Personenkraftwagen vor, der trotz seiner beträchtlichen
Gewichtsverringerung eine hohe Dauerfestigkeit hat.
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Der erfindungsgemäße radiale Luftreifen ist in den
Ansprüchen festgelegt.
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Diese und weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung
gehen aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit
den beigefügten Zeichnungen deutlicher hervor.
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Insbesondere sieht die Erfindung einen radialen
Luftreifen für Personenkraftwagen vor, der aufweist: (a) einen
Laufflächenabschnitt, der auf einer Außenumfangsfläche von ihm
ein Laufflächenmuster hat, das aufweist: mehrere Hauptrillen,
die in Abstandsbeziehung angeordnet sind und in
Umfangsrichtung des Reifens verlaufen, und mehrere Nebenrillen, die in
Abstandsbeziehung angeordnet sind und in Axialrichtung des
Reifens verlaufen, und (b) mindestens eine Gürtelschicht, die
aus einer Anordnung von Stahlbändern bzw. -cordseilen
ausgebildet und in dem Laufflächenabschnitt in Umfangsrichtung
angeordnet ist, wobei sich jedes der Stahlbänder durch
Verdrillen von ein bis fünf Stahlfäden ergibt und eine Zugfestigkeit
von 330 bis 360 kg/mm² hat, jeder der Stahlfäden einen
Durchmesser von 0,20 bis 0,38 mm sowie einen Kohlenstoffgehalt von
0,80 bis 1,00 Gew.-%, einen Siliciumgehalt von 0,50 bis 1,00
Gew.-% und einen Nickelgehalt von 0,10 bis 0,50 Gew.-% hat,
wobei der Abstand von Gummi von einem Bodenende jeder der
Hauptrillen zu einer Außenfläche der Anordnung von
Stahlbändem von 1,5 bis 3,0 mm gemäß Bestimmung am Querschnitt des
Reifens festgelegt ist.
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Fig. 1 ist eine teilweise weggeschnittene
Perspektivansicht des erfindungsgemäßen radialen Luftreifens.
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Fig. 2 zeigt einen teilweise vergrßerten Querschnitt
dieses Reifens zur Erläuterung der Positionsbeziehung
zwischen einer Hauptrille, die in einem Laufflächenabschnitt
ausgebildet ist, und einer darin eingebetteten
doppelschichtigen Gürtelschicht.
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Die Zeichnungen und speziell Fig. 1 zeigen einen
radialen Luftreifen 10, der erfindungsgemäß aufgebaut ist. Der
Reifen 10 weist einen Laufflächenabschnitt 11 und eine
Karkassenlage 12 auf, die so orientiert ist, daß sie sich von
innen nach außen um zwei gegenüberliegende Wulstkerne 13
dreht, von denen einer in Fig. 1 sichtbar ist. Zwischen der
Lauffläche 11 und der Karkasse 12 ist z. B. eine
doppelschichtige auf Stahlband bzw. -cord basierende Gürtelschicht
14 mit einem Innengürtel 14a und einem Außengürtel 14b
verlegt, wobei diese beiden Gürtel durchgängig über den Umfang
des Reifens 10 angeordnet sind. An einer gedachten Linie E-E'
des Reifens 10 in Umfangsrichtung gemäß Fig. 1 sind die
Gürtel 14a, 14b im wesentlichen in einem Winkel von 90º
gegenüber der Orientierung der Karkasse 12 positioniert. Eine
Anordnung aus Stahlbändern 14c im Innengürtel 14a wird in
Schnittbeziehung zu einer Anordnung aus Stahlbändern 14d im
Außengürtel 14b in einem Winkel von 5 bis 40º gegenüber der
Linie E-E' gehalten. Auf ihrer Begrenzungsfläche hat die
Lauffläche 11 ein Laufflächenmuster mit mehreren Hauptrillen
15, die in Abstandsbeziehung angeordnet sind und in
Umfangsrichtung des Reifens 10 verlaufen, und mehreren Nebenrillen
16, die in Abstandsbeziehung angeordnet sind und in
Axialrichtung des Reifens 10 verlaufen.
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Gemäß einem wichtigen Aspekt der Erfindung sollten die
Stahlbänder 14c, 14d jeweils aus einer ausgewählten Klasse
von Stahlfäden mit festgelegten physikalischen Kennwerten
hergestellt sein, wobei jeder derartige Faden so strukturiert
ist, daß er einen Kohlenstoffgehalt (C-Gehalt) von 0,80 bis
1,00 %, einen Siliciumgehalt (Si-Gehalt) von 0,50 bis 1,00 %
und einen Nickelgehalt (Ni-Gehalt) von 0,10 bis 0,50 % hat,
wobei hier jeweils Gewichtsprozentsätze angegeben sind. Somit
haben die Stahlbänder 14c, 14d eine ultrahohe Festigkeit mit
einer Zugfestigkeit von 330 bis 360 kg/mm², sind zudem
zufriedenstellend zäh und im wesentlichen frei von
Dauerbiegeermüdung und Korrosion, auch nach Feuchteeinwirkung.
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Ferner ist wichtig, daß die Stärke oder Dicke von Gummi
zwischen einem Bodenende der jeweiligen Hauptrillen 15 und
einer Außenfläche einer Anordnung von Stahlbändern 14d im
Außengürtel 14b, das näher zum Rillenboden positioniert ist,
auf 1,5 bis 3,0 mm gemäß der Bestimmung am Querschnitt des
Reifens 10 eingestellt werden sollte. Die vorgenannte
Gummistärke ist gemäß Fig. 2 mit t als die Dicke vom Rillenboden
zur Bandoberfläche bezeichnet. Die Hauptrille 15 kann in
einer Tiefe d von etwa 8,0 bis 9,0 mm profiliert werden, was in
der Praxis verbreitet ist. Der vorgenannte Dickenbereich von
1,5 bis 3,0 mm ist wesentlich kleiner als üblicherweise z. B.
3,0 bis 4,5 mm. Dies bedeutet, daß ein Laufflächenabschnitt
mit Gummi in beträchtlich verringerter Menge ausgebildet
werden kann, was eine bedeutende Gewichtseinsparung bei
Aufrechterhaltung einer verbesserten Dauerfestigkeit des Reifens
mit Unterstützung durch die Verwendung der vorstehend
festgelegten Stahlbänder gewährleistet. Unter 1,5 mm wäre die Dicke
jedoch zu gering, um den Außengürtel 14b vor Versagen zu
schützen.
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Die Stahlfäden zur Verwendung in den Stahlbändern 14c,
14d können durch jedes geeignete bekannte Drahtziehverfahren
bearbeitet sein. Beispielsweise kann ein Ausgangsmaterial aus
Stahl, das so ausgewählt wurde, daß es die Anforderungen an
den C-, Si- und Ni-Gehalt erfüllt, warmgewalzt und bei Bedarf
anschließend abgekühlt werden, wonach ein erstes Drahtziehen,
eine Patentierbehandlung, ein zweites Drahtziehen, eine
weitere Patentierbehandlung und ein Messingplattieren folgen.
Abschließend kann ein Naßdrahtziehen erfolgen, um die
gewünschten Stahlfäden zu erhalten. Der vorstehend festgelegte
C-Gehalt im Stahlfaden sollte strikt eingehalten werden, um
eine gute Ziehbarkeit des Drahtes aus dem entsprechenden
Stahlausgangsmaterial und eine ultrahohe Strukturfestigkeit
des endgültigen Stahlfadens zu erreichen. In seinem
festgelegten Gehalt dient Si zur Verfestigung von Ferrit und zur
Verbesserung der Zugfestigkeit von Stahldraht und führt zu
ausreichender Zähigkeit und minimalem Bruch. Wie bei Si ist
der festgelegte Ni-Gehalt wesentlich und verbessert zudem
wirksam die Korrosionsbeständigkeit.
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Die verwendeten Stahlfäden sollten auf einen Durchmesser
von 0,20 bis 0,38 mm gezogen werden, und ein bis fünf Fäden
können zu einem Stahlband mit 330 bis 360 kg/mm²
Zugfestigkeit verdrillt werden. Eine solche Festigkeit über 330 kg/mm²
ist zur Verringerung der Anzahl von Stahlbändern notwendig,
die zum Ausbilden des Gürtels mit dem gewünschten
Verstärkungsvermögen verwendet werden, um so einen leichtgewichtigen
Reifen vorzusehen. Unter 360 kg/mm² liegt eine ausreichende
Beständigkeit gegen Dauerbiegeermüdung und auch
Korrosionsversagen vor, was leicht infolge von Oberflächenkratzern
entsteht, zu denen es beim Drahtziehen kommen kann.
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Das erfindungsgemäß geeignete Stahlband läßt sich leicht
durch Verwendung eines einzelnen Stahlfadens mit der zuvor
festgelegten Beschaffenheit oder solche Fäden vorsehen, die
zu einer Struktur von 1x2, 1x3, 1x4, 2x2, 1x5 o. ä. verdrillt
sind. Das Verdrillen und die zugehörigen Parameter gelten
nicht als besondere Einschränkung, lassen sich aber einfach
auf herkömmliche Weise einhalten.
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Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Reifens kann ein
gegebenes Stahlband in einer vorbestimmten Feinheitsnummer in
einen Umpreßgummi für allgemeine Verwendung eingebettet
werden. Der resultierende Gürtel wird auf einer Trommel mit
einer Lauffläche, einer Karkasse und anderen
Reifenbestandteilen laminiert, um so einen Reifenrohling herzustellen, der
anschließend in einer Form vulkanisiert wird, die in der
Reifenindustrie anerkannt ist. Verschiedene andere Details der
Reifenproduktion sind allgemeines Wissen des Fachmanns und
bedürfen keiner weiteren Erläuterung.
BEISPIELE
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Nachstehend wird die Erfindung weiter anhand der
nachfolgenden Beispiele beschrieben, die nur zur
Veranschaulichung angeführt sind.
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Hergestellt wurden erfindungsgemäße Reifen 1 bis 4 und
Vergleichsreifen 1 bis 7, alle in einer Größe von 175/70R13
mit einer aus einem Polyester-Fasercord mit 1500 D/2
ausgebildeten Karkassenlage und mit aus Stahlfäden mit jeweils
0,30 mm Durchmesser ausgebildeten Stahlbändern, die mit einer
Feinheit von 45 Fäden/5 cm in einer Verdrillstruktur von 1x2
(0,30) vorlagen. Zum leichteren Vergleich wurden die
Parameter, zu denen der C-, Si- und Ni-Gehalt im Stahlfaden, die
Dauerhaltbarkeit dieses Fadens, die Zugfestigkeit des
Stahlbands und die Dicke zwischen Rillenboden und Bandoberfläche
gehören, gemäß der Tabelle variiert.
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Alle Reifen wurden auf Fadenbruchfestigkeit und
Reifendauerfestigkeit bei schneller Fahrt jeweils nach
Feuchteeinwirkung sowie Reifengewichtseinsparung geprüft, wobei die
Ergebnisse in der gleichen Tabelle aufgeführt sind.
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Im folgenden sind die Prüfbedingungen angegeben, gefolgt
von einer Bewertung der Qualität der Prüfreifen.
Bruchfestigkeit des Stahlfadens nach Befeuchtung
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Nach Aufpumpen auf einen Luftdruck von 1,7 kg/cm² wurde
der Prüfreifen mit einer Felge 13x5-J montiert und 30 Tage in
relativer Luftfeuchtigkeit von 98 % bei 70 ºC stehen
gelassen. Der befeuchtete Reifens wurde über eine Strecke von
300 km auf einer Trommel mit 1707,6 mm Durchmesser mit einem
Schräglaufwinkel von ± 5º und einer Last von 350 ± 220 kg
gefahren, während die Winkel- und Lastfaktoren mit einer kurzen
Frequenz von 0,067 Hz variiert wurden. Danach wurde der
Reifen aufgeschnitten, um eine Kontrolle auf gebrochene
Stahlfäden durchzuführen.
Reifendauerfestigkeit bei schneller Fahrt nach Befeuchtung
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Nach Aufpumpen auf einen Luftdruck von 2,1 kg/cm² wurde
der Prüfreifen einer Feuchtatmosphäre wie im vorgenannten
Prüfverfahren ausgesetzt, gefolgt von einer Fahrt auf einer
ähnlichen Trommel mit einer Last von 420 kg, einer
Anfangsgeschwindigkeit von 121 km/h und einer Geschwindigkeitserhöhung
von 8 km/h nach jeweils 30 Minuten. Die Dauerfestigkeit wurde
anhand der erforderlichen Fahrstrecke bestimmt, die der
Reifen durchfahren mußte, bis an ihm merkliches Versagen
auftrat. Ein Vergleich wurde unter Zugrundelegung des
Ergebnisses am Vergleichsreifen 1 als Bezugsindex von 100 angestellt.
Je höher die Zahl lag, um so dauerfester war der Reifen.
Reifengewichtseinsparung
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Das Gewicht des Vergleichsreifens 1 wurde als
Bezugsindex von 0 zugrunde gelegt. Je kleiner die Zahl war, um so
leichter war der Reifen.
Dauerhaltbarkeit des Stahlfadens
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Der Prüfstahlfaden wurde zwischen zwei Exzenterwellen
befestigt und danach in einer 15 %igen wäßrigen Lösung aus
Natriumchlorid mit einer Biegungsbeanspruchung von 100 kg/mm²
gedreht. Die Messung erfolgte anhand der Zeit, die dieser
Faden bis zum Bruch bentigte. Als Bezugsindex von 100 wurde
das Ergebnis des im Vergleichsreifen 1 verwendeten
Stahlfadens zugrunde gelegt. Je größer die Zahl war, um so besser
war die Dauerhaltbarkeit.
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Wie aus den Tabellenergebnissen hervorgeht, waren die
erfindungsgemäßen Reifen 1 bis 4 bei allen geprüften
Qualitätsmerkmalen zufriedenstellend.
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Der Vergleichsreifen 1 zeigte eine ungenügende
Zugfestigkeit und Dauerhaltbarkeit des verwendeten Stahlfadens.
Grund dafür war der außerhalb des Bereichs der Erfindung
liegende Si- und Ni-Gehalt dieses Fadens. Eine auf 3,5 mm
erhöhte Dicke zwischen Rillenboden und Bandoberfläche verhinderte
den Bruch des Stahlfadens, führte aber nicht zu verbesserter
Dauerfestigkeit und Gewichtseinsparung.
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Der Vergleichsreifen 2 wurde ähnlich wie der
Vergleichsreifen 1 mit der Ausnahme hergestellt, daß die Dicke auf
3,00 mm im Bereich der Erfindung verringert wurde. Der
resultierende Reifen erwies sich als annehmbar dauerfest und
leicht, zeigte aber gleichzeitig gebrochene Stahlfäden und
schließlich eine verschlechterte Dauerfestigkeit.
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Der Vergleichsreifen 3 war wie der Vergleichsreifen 1
aufgebaut, hatte aber eine kleinere Dicke von 2,5 mm. Trotz
der weiter verbesserten Dauerfestigkeitsgüte und
Gewichtsverringerung trat im Vergleichsreifen 3 wie im Vergleichsreifen
2 unerwünschter Stahlfadenbruch auf.
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Der Vergleichsreifen 4 ähnelte dem erfindungsgemäßen
Reifen 1 mit Ausnahme der Verwendung einer zu kleinen Dicke
von 1,00 mm. Der Vergleichsreifen 4 zeigte schädlichen Bruch
des Stahlbands, was zu schlechterer Dauerfestigkeit als beim
Vergleichsreifen 1 führte.
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Die Vergleichsreifen 5, 6 und 7 wurden unter Abwandlung
des erfindungsgemäßen Reifens 1 in ihren jeweiligen
Zugfestigkeitswerten auf 365 kg/mm² außerhalb des Bereichs der
Erfindung hergestellt. Jeder dieser Vergleichsreifen zeigte
einen Rückgang in der Dauerhaltbarkeit, was zu Bruch am
Stahlband auch dann führte, wenn die Dicke im Bereich der
Erfindung lag.
Kennwerte des Stahlbands
Reifen
Zugfestigkeit (kg/mm²)
Dauerhaltbarkeit
Fadenbruch nach Befeuchtung
Dauerfestigkeit bei schneller Fahrt nach Befeuchtung
Dicke (mm)
Gewichtseinsparung
kein Bruch
Bruch
CT: Vergleichsreifen IT: erfindungsgemäßer Reifen