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Dokumentenidentifikation DE102006010051A1 06.09.2007
Titel Verbundmaterial und Fahrzeugluftreifen mit einem Verbundmaterial
Anmelder Continental Aktiengesellschaft, 30165 Hannover, DE
Erfinder Fidan, Mehmet Sadettin, 30827 Garbsen, DE
DE-Anmeldedatum 04.03.2006
DE-Aktenzeichen 102006010051
Offenlegungstag 06.09.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.09.2007
IPC-Hauptklasse B60C 9/12(2006.01)A, F, I, 20060304, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B32B 27/08(2006.01)A, L, I, 20060304, B, H, DE   B60C 9/18(2006.01)A, L, I, 20060304, B, H, DE   B32B 27/12(2006.01)A, L, I, 20060304, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verbundmaterial geeignet als Verstärkungselement im Gürtel und in den Wulstbereichen eines Fahrzeugluftreifens.
Das Verbundmaterial weist einen mehrschichtigen Aufbau mit zumindest einer Schicht (14, 14') aus in eine Gummi- oder Kunststoffmatrix (12) eingebetteten, nichtmetallischen, einen Elastizitätsmodul von mindestens 50 GPa aufweisenden Festigkeitsträgern auf, welche übereistimmend orientiert sind und weiteren, diese Schicht (14, 14') beidseitig bedeckende Schichten (10, 10') aus einer Polymerfolie.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verbundmaterial geeignet als Verstärkungselement im Gürtel und in den Wulstbereichen eines Fahrzeugluftreifens. Die Erfindung betrifft ferner einen Fahrzeugluftreifen.

Gürtellagen in Fahrzeugluftreifen sind üblicherweise mit Stahlkorden verstärkt. Dabei setzt sich jede Gürtellage aus in eine Gummimischung, der Gürtelaufpressmischung, eingebetteten, untereinander parallel verlaufenden Stahlkorden zusammen. Die Gürtellagen sind meist zueinander derart angeordnet, dass die Stahlkorde in der einen Lage die Stahlkorde in der anderen Lage kreuzen und jeweils unter einem bestimmten Winkel, bei PKW-Reifen in der Größenordnung von etwa 25°, zur Umfangsrichtung des Reifens verlaufen. LKW-Reifen weisen üblicherweise vier Gürtellagen auf, PKW-Reifen zwei Gürtellagen und eine die radial äußerste Gürtellage abdeckende Bandage, deren Festigkeitsträger beispielsweise aus Nylon bestehen und in Umfangsrichtung des Reifens orientiert sind. Diese 0°-Lage wird bevorzugt als Spulbandage aufgebracht, bei der ein Streifen aus in Gummi eingebetteten Nylonfäden spiralförmig um den aufgebrachten Gürtel gewickelt wird.

Die Wulstkerne in den Wulstbereichen von Fahrzeugluftreifen bestehen aus einer Vielzahl von Stahlseilen, die zu einem Bündel zusammengefasst sind, wobei die Wulstkerne als Ringe vorgefertigt sind.

Die Stahlverstärkungen in Fahrzeugluftreifen tragen zu einem erheblichen Anteil am Gesamtgewicht des Reifens bei. Das Gewicht der Reifen erhöht auch entsprechend das Gewicht der Fahrzeuge, wobei der Treibstoffverbrauch mit dem Gewicht korreliert.

Insbesondere bei LKW-Reifen, die höheren Belastungen im Betrieb ausgesetzt sind, spielt auch die Gürtelhaltbarkeit, vorzugsweise im Bereich der Gürtelkanten, eine Rolle. Es ist ferner schon vorgeschlagen worden, Korde aus hochmoduligen Materialien. als Festigkeitsträger in den Gürtellagen von Reifen zu verwenden, wobei jedoch die geringe Biegesteifigkeit von Korden aus solchen Materialien, wie beispielsweise Korde aus Carbon oder Aramidfasern, nachteilig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für Stahlverstärkungen in Fahrzeugluftreifen Alternativen aufzufinden, mit welchen sich das Gewicht der Reifen merklich reduzieren lässt und die jedoch die erwünschte Zugfestigkeit und Biegesteifigkeit aufweisen.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass das Verbundmaterial einen mehrschichtigen Aufbau aufweist mit zumindest einer Schicht aus in eine Gummi- oder Kunststoffmatrix eingebetteten, nichtmetallischen, einen Elastizitätsmodul von mindestens 50 GPa aufweisenden Festigkeitsträgern, welche übereinstimmend orientiert sind und weiteren, diese Schicht beidseitig bedeckenden Schichten aus einer Polymerfolie.

Die Verwendung von hochmoduligen, – einen hohen Elastizitätsmodul aufweisenden – nicht metallischen Festigkeitsträgern in zumindest einer zwischen Polymerfolien angeordneten Schicht verleiht dem erfindungsgemäßen Verbundmaterial eine hohe Bruchfestigkeit. Die Polymerfolien geben dem Verbundmaterial die erwünschte Biegesteifigkeit, insbesondere quer zur Erstreckung der Festigkeitsträger. Die nichtmetallischen Materialien weisen ein wesentlich geringeres Gewicht als Stahl auf und können daher, in Abhängigkeit vom Ausmaß ihrer Verwendung im Reifen, das Gewicht desselben deutlich verringern.

In einem erfindungsgemäßen Verbundmaterial können als Festigkeitsträger Fäden, Garne oder Korde enthalten sein. Diese bestehen insbesondere aus Carbon, Aramid, Glas oder Vectran, da diese Materialien den erforderlichen hohen Elastizitätsmodul aufweisen.

Die weiteren Schichten, insbesondere auch die Deckschichten, bestehen aus Polymerfolien, vorzugsweise aus Polyamid oder Polyester, insbesondere aus Polyethylenterephthalat oder Polyethylennaphthalat. Diese Materialien weisen die erwünschte hohe Biegesteifigkeit bei hoher Bruchfestigkeit auf.

Die Polymerfolien werden in einer Dicke von 0,05 mm bis 1 mm, insbesondere von 0,2 mm bis 0,5 mm als Deck- oder Zwischenschichten in Verbundmaterial verwendet, die Schichtdicke(n) der mit eingebetteten Festigkeitsträgern versehenen Schicht bzw. Schichten beträgt zwischen 0,3 mm und 3 mm, insbesondere zwischen 0,5 mm und 1,5 mm. Die in die beidseitig mit einer Polymerfolie bedeckte Schicht eingebetteten Garne oder Korde werden bevorzugt einlagig und unter einem gegenseitigen Abstand eingebettet. Bei einer Ausführungsform mit Fäden werden diese bevorzugt als Fadenschicht eingebettet oder es sind die Fäden homogen verteilt in der Gummi- oder Kunststoffmatrix enthalten.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Verbundmaterial in einer Gürtellage des Fahrzeugluftreifens verwendet, wobei in diesem Fall der Aufbau vorzugsweise eine einzige Schicht aus in eine Gummi- oder Kunststoffmatrix eingebetteten Fäden, Garnen oder Korden und zwei diese Schicht bedeckenden Polymerfolien aufweist. Die Festigkeit und die Biegesteifigkeit eines derartigen Verbundes lassen sich optimal auf die Anforderungen von Gürtellagen abstimmen.

In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil; wenn das Verbundmaterial, welches in einer Gürtellage verwendet wird, in Form von Streifen oder Streifenabschnitten in einer Breite von 2 mm bis 20 mm verwendet wird, wobei die Fäden, Garne oder Korde in Streifenlängsrichtung verlaufen.

Die Erfindung betrifft ferner einen Fahrzeugluftreifen, welcher einen Gürtel aufweist, der ein erfindungsgemäßes Verbundmaterial enthält. Bei einer bevorzugten Ausführung werden zwei Gürtellagen aus erfindungsgemäßem Verbundmaterial erstellt. Dabei besteht jede dieser Gürtellagen aus unter einem Winkel von 10° bis 70°, vorzugsweise 15° bis 30°, zur Umfangsrichtung des Reifens verlaufenden parallelen Streifenabschnitten, wobei die Streifenabschnitte der einen Gürtellage zu den Streifenabschnitten der zweiten Gürtellage gekreuzt angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich kann der Fahrzeugluftreifen zumindest eine Gürtellage enthalten, welche aus einem oder mehreren in Umfangsrichtung des Reifens umlaufenden, gegebenenfalls spiralig gewickelten Streifen besteht.

Erfindungsgemäß ausgeführte Verbundmaterialien können auch im Wulstbereich bzw. als Wulstkern einen Fahrzeugluftreifens Verwendung finden. In diesem Fall wird bevorzugt ein Verbundmaterial eingesetzt, welches mehrere Schichten, vorzugsweise drei bis sechs, aus in eine Gummi- oder Kunststoffmatrix eingebetteten Fäden, Garnen oder Korden sowie Polymerfolien zwischen diesen Schichten und als Deckschichten aufweist. Die größere Anzahl an Schichten verleiht dem Verbundmaterial die für Wulstkerne erforderliche Biegesteifigkeit.

Es gibt eine Anzahl von Möglichkeiten, Wulstkerne in Fahrzeugluftreifen aus diesem Verbundmaterial auszuführen. So können beispielsweise die Wulstkerne derart aus dem Verbundmaterial hergestellt sein, dass die ringsförmig umlaufenden Schichten quer zur Ringebene orientiert sind. Alternativ dazu ist eine Orientierung der ringförmig umlaufenden Schichten parallel zur Ringebene oder unter einem Winkel von vorzugsweise 5° bis 50° zu einer Ebene senkrecht zur Ringebene möglich.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nun anhand der Zeichnung, die schematisch Ausführungsbeispiele darstellt, näher beschrieben. Dabei zeigen

1 einen Querschnitt durch die eine Hälfte eines Fahrzeugluftreifens,

2 bis 4 Querschnitte durch Ausführungsvarianten von Verbundmaterialien für Gürtelverstärkungen von Fahrzeugluftreifen,

5 und 6 Ausführungsvarianten von Gürtellagen mit Streifen aus Verbundmaterialien und

7 bis 9 Querschnitte durch Ausführungsvarianten von Wulstkernen aus Verbundmaterialien.

1 zeigt einen Querschnitt durch einen Radialreifen für Personenkraftwagen, welcher einen profilierten Laufstreifen 1, einen aus zwei Lagen 2a, 2b bestehenden Gürtel 2, eine Radialkarkasse 3, eine luftdicht ausgeführte Innenschicht 4, zwei Seitenwände 6 sowie Wulstbereiche mit Wulstkernen 7 und Kernprofilen 8 aufweist. Die Gürtellagen 2a, 2b und/oder die Wulstkerne 7 bestehen aus erfindungsgemäß aufgebauten, mehrschichtigen Verbundmaterialien.

2 bis 4 zeigen Querschnitte durch verschiedene Varianten von streifenförmigen Verbundmaterialien, wie sie beispielsweise als Gürtellagen des Fahrzeugluftreifens Verwendung finden können. Die in 2 bis 4 im Querschnitt gezeigten Streifen 9 weisen jeweils drei Schichten auf. Die mittlere Schicht 14 besteht aus einer Gummi- oder Kunststoffmatrix 12, in welche als Festigkeitsträger Fäden 15, Garne 16 oder Korde 17 aus einem hochmoduligen Material eingebettet sind. Die Schicht 14 ist beidseitig mit einer Schicht 10 aus einer Polymerfolie bedeckt, welche anhaftet, beispielsweise indem die Innenseiten der Schichten 10 und die Außenseiten der Schicht 14 mit einem Haftvermittler behandelt wurden. Bei der in 2 gezeigten Variante sind die hochmoduligen Fäden 15 mit Kautschuk oder Kunststoff ummantelt oder in Kautschuk oder Kunststoff eingebettet als Fadenlage in die Gummi- oder Kunststoffmatrix eingebracht. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der in die Gummi- bzw. Kunststoffmatrix 12 eine Lage von voneinander beabstandeten parallel zueinander und in Längsrichtung des Streifens 9 verlaufenden Garnen 16, welche aus einer großen Anzahl von hochmoduligen Fäden, insbesondere 200 bis 400 Fäden, bestehen, eingebettet ist. Bei der in 4 gezeigten Ausführungsvariante ist eine Lage von Korden 17, welche aus zwei Garnen bestehen, die jeweils aus einer größeren Anzahl von hochmoduligen Fasern bestehen und miteinander verdrillt sind, vorgesehen. Die Korde 17 verlaufen in einem gegenseitigen Abstand voneinander, parallel zueinander sowie in Längsrichtung des Streifens 9. Der gegenseitige Abstand der Garne 16 und der Korde 17 kann zwischen 10% und 100% des Garn- bzw. Korddurchmessers betragen.

Als Material für die Fäden 15, die auch das Ausgangsmaterial für die Garne 16 und die Korde 17 sind, kommen Fadenmaterialien, wie Carbon, Aramid, Glas und Vectran (ein Polyacrylat) mit einem hohen Elastizitätsmodul von mindestens 50 GPa, nachfolgend als „hochmodulig" bezeichnet, in Frage. Carbon weist einen Modul zwischen 500 GPa und 750 GPa, Aramid und Glas einen Modul zwischen 100 GPa und 200 GPa und Vectran einen Modul zwischen 55 GPa und 75 GPa auf. Die Bruchdehnung dieser Materialien beträgt bei Carbon 2 GPa bis 4 GPa, bei Aramid 3 GPa bis 3,5 GPa, bei Glas 2,2 GPa bis 3 GPa und bei Vectran 2,5 GPa bis 3 GPa. Die aus diesen Materialien hergestellten Fäden 15 sowie die aus den Fäden hergestellten Garne 16 und Korde 17 weisen jedoch eine relativ geringe Biegesteifigkeit auf. Die für bestimmte Anwendungsfülle erforderliche bzw. günstige Biegesteifigkeit der Verbundmaterialien wird durch die beiden Schichten 10 aus einer Polymerfolie, insbesondere aus Polyamid oder Polyester, vorzugsweise Polyethylenterephthalat oder Polyethylennaphthalat, erreicht. Polyester weist einen Modul zwischen 0,3 GPa und 1,0 GPa und eine Bruchfestigkeit von 0,15 GPa bis 0,35 GPa auf.

Bei einer Verwendung der Streifen 9 zum Bilden von Gürtellagen in Fahrzeugluftreifen werden diese in einer Breite von 2 mm bis 20 mm, insbesondere in einer Breite zwischen 5 mm und 10 mm, hergestellt. Die Dicke d der Schichten 10 beträgt in der Größenordnung zwischen 0,05 mm und 1 mm, insbesondere zwischen 0,2 mm und 0,5 mm. Die Dicke b der mittleren Schicht 14 beträgt in der Größenordnung von 0,3 mm bis 3 mm, insbesondere von 0,5 mm bis 1,5 mm. Die Garne 16 und die Korde 17 werden mit Durchmessern von 0,2 mm bis 2 mm hergestellt.

5 zeigt eine Ausführungsform eines aus Abschnitten 18 der Streifen 9 hergestellten zweilagigen Gürtels. Jede Gürtellage 2a, 2b besteht aus parallel zueinander verlaufenden, geringfügig voneinander beabstandeten Streifenabschnitten 18, die analog zu herkömmlichen Gürtellagen in Gummi eingebettet sind und welche gegenüber der Umfangsrichtung des Reifens, die durch den Doppelpfeil P versinnbildlich ist, unter einem spitzen Winkel &agr; von 10° bis 70°, insbesondere 15° bis 30°, verlaufen. Die Streifenabschnitte 18 in der einen Gürtellage 2a sind gegensinnig zu den Streifenabschnitte 18, welche auch Stoß an Stoß verlaufen können, in der anderen Gürtellage 2b geneigt. 6 zeigt eine Ausführungsform einer Gürtellage 2a, bei der die Streifen 9 in Umfangsrichtung verlaufen. Dabei kann die Gürtellage 2a aus einer Anzahl von ringförmig verlaufenden Streifen 9 bestehen oder durch ein mehrmaliges spiraliges Wickeln eines längeren Streifens gebildet sein. Der Gürtel kann eine Anzahl solcher Lagen aufweisen oder aus einer Anzahl solcher Lagen bestehen.

7 bis 9 zeigen unterschiedliche Varianten von Verbundmaterialien, die Wulstkerne 20 bilden. Dargestellt sind im Querschnitt viereckige Wulstkerne 20, die in 7 und 8 rechteckförmig und in 9 parallelogrammförmig sind. Beliebige andere Querschnittsformen sind möglich. 7 bis 9 zeigen Verbundmaterialien bestehend aus vier Schichten 14' aus in eine Gummi- oder Kunststoffmatrix 12 eingebetteten Festigkeitsträgern, die hier durchgehende Fäden 15' sind, die mit einer Orientierung in Richtung Kernumfang gleichmäßig verteilt eingebettet sind. Die Schichten 14' können ferner analog zu 2 bis 4 mit Fäden, Garnen oder Korden versehen sein. Die Schichten 14' sind voneinander jeweils durch eine Schicht 10' getrennt, Schichten 10' bilden auch die äußersten Schichten. Die Schichten 10' bestehen aus Polymerfolien, wie oben beschrieben. Die Schichtdicken b und d entsprechen ebenfalls den bereits beschriebenen, d beträgt daher 0,05 mm bis 1 mm, insbesondere 0,2 mm bis 0,5 mm, b beträgt 0,3 mm bis 3 mm, insbesondere 0,5 mm bis 1,3 mm. Bei der in 7 gezeigten Ausführungsform verlaufen die Schichten 14', 10' im fertigen, ringförmigen Kern quer zur Ringebene, in 8 parallel zur Ringebene und in 9 unter einem Winkel &bgr; von 5° bis 50° zu einer auf die Ringebene senkrechten Ebene.

Die fertigen Wulstkerne 20 weisen bevorzugt eine viereckige Querschnittsfläche auf, deren Durchmesser bzw. Kanten eine Erstreckung von 5 mm bis 25 mm, insbesondere von 8 mm bis 15 mm, aufweisen. Die Anzahl der Schichten mit eingebetteten Festigkeitsträgern kann variieren, insbesondere zwischen drei und sechs.

Erfindungsgemäße Verbundmaterialien können in Fahrzeugluftreifen beliebiger Bauart und Type eingesetzt werden.


Anspruch[de]
Verbundmaterial geeignet als Verstärkungselement im Gürtel und in den Wulstbereichen eines Fahrzeugluftreifens, gekennzeichnet durch, einen mehrschichtigen Aufbau mit zumindest einer Schicht (14, 14') aus in eine Gummi- oder Kunststoffmatrix (12) eingebetteten, nichtmetallischen, einen Elastizitätsmodul von mindestens 50 GPa aufweisenden Festigkeitsträgern, welche übereinstimmend orientiert sind, und weiteren, diese Schicht (14, 14') beidseitig bedeckende Schichten (10, 10') aus einer Polymerfolie. Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Festigkeitsträger Fäden (15), Garne (16) und Korde (17) sind, welche insbesondere aus Carbon, Aramid, Glas oder Vectran bestehen. Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Schichten (10, 10') Polymerfolien, vorzugsweise aus Polyamid oder Polyester, insbesondere aus Polyethylenterephthalat oder Polyethylennaphthalat, sind. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke (d) der Polymerfolien (10, 10') zwischen 0,05 mm und 1 mm, insbesondere zwischen 0,2 mm und 0,5 mm, beträgt. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke (b) der mit eingebetteten Festigkeitsträgern versehenen Schicht(en) (14, 14') zwischen 0,3 mm und 3 mm, insbesondere zwischen 0,5 mm und 1,5 mm, beträgt. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Garne (16) oder Korde (17) einlagig und gegenseitig beabstandet in die Schicht (14, 14') eingebettet sind. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fäden (15) eine Fadenschicht bilden oder homogen verteilt in der Gummi- oder Kunststoffmatrix (12) eingebettet sind. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7, zur Verwendung in einer Gürtellage eines Fahrzugluftreifens, gekennzeichnet durch eine Schicht (14) aus in eine Gummi- oder Kunststoffmatrix (12) eingebetteten Fäden (15), Garnen (16) oder Korden (17) sowie zwei diese Schicht (14) bedeckenden Polymerfolien (10). Verbundmaterial nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es in Form von Streifen (9) oder Streifenabschnitten (18) in einer Breite von 2 mm bis 20 mm vorliegt, wobei die Fäden (15), Garne (16) oder Korde (17) in Streifenlängsrichtung verlaufen. Fahrzeugluftreifen mit einem mehrlagigen Gürtel, welcher ein Verbundmaterial gemäß Anspruch 8 oder 9 enthält. Fahrzeugluftreifen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass er zwei Gürtellagen (2a, 2b) aus unter einem Winkel (&agr;) von 10° bis 70°, vorzugsweise 15° bis 30°, zur Umfangsrichtung des Reifens verlaufenden parallelen Streifenabschnitten (18) enthält, wobei die Streifenabschnitte (18) der einen Gürtellage (2a) zu den Streifenabschnitten (18) der zweiten Gürtellage (2b) gekreuzt angeordnet sind. Fahrzeugluftreifen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Gürtellage (2a) aus einem oder mehreren in Umfangsrichtung des Reifens umlaufenden, gegebenenfalls spiralig gewickelten Streifen (9) besteht. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7, zur Verwendung als Wulstkern (20) eines Fahrzeugluftreifens, gekennzeichnet durch mehrere Schichten (14'), vorzugsweise drei bis sechs, aus in eine Gummi- oder Kunststoffmatrix (12) eingebetteten Fäden (15'), Garnen (16) oder Korden (17) sowie Polymerfolien (10') zwischen diesen Schichten (14') und als Deckschichten. Fahrzeugluftreifen mit Wulstkernen, welche aus einem Verbundmaterial gemäß Anspruch 13 bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Wulstkernen (20) ringartigen umlaufenden Schichten (14, 14') quer zur Ringebene orientiert sind. Fahrzeugluftreifen mit Wulstkernen, welche aus einem Verbundmaterial gemäß Anspruch 13 bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Wulstkernen (20) ringförmig umlaufenden Schichten (14, 14') parallel zur Ringebene orientiert sind. Fahrzeugluftreifen mit Wulstkernen, welche aus einem Verbundmaterial gemäß Anspruch 13 bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Wulstkernen (20) ringförmig umlaufenden Schichten unter einem Winkel (&bgr;) von 5° bis 50° zu einer Ebene senkrecht zur Ringebene orientiert sind. Fahrzeugluftreifen mit Wulstkernen, welche aus einem Verbundmaterial gemäß Anspruch 13 bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem rechteckigen Querschnitt die Seitenkanten eine Länge von 5 mm bis 25 mm aufweisen






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