DE69433632T2

DE69433632T2 - LKW-Luftreifen

Info

Publication number: DE69433632T2
Application number: DE1994633632
Authority: DE
Inventors: Yujiro Umezawa
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 1993-11-29
Filing date: 1994-11-28
Publication date: 2005-01-13
Anticipated expiration: 2014-11-29
Also published as: US5520233A; EP0655352A1; DE69415944D1; EP0655352B1; EP0860303B1; DE69433632D1; EP0860303A2; US5647928A; DE69415944T2; JPH07242102A; EP0860303A3; ES2215250T3; ES2127898T3

Description

In der letzten Zeit ist dringend gefordert worden, den Kraftstoffverbrauch der Autos unter dem Gesichtspunkt der Ressourceneinsparung und der Energieeinsparung zu senken, und es ist bekannt, daß eine Verringerung des Reifengewichts wesentlich zu der Senkung des Kraftstoffverbrauchs beiträgt. Was die Verringerung des Reifengewichts betrifft, so kann das Gewicht jedes Elements, aus dem der Reifen besteht, verringert werden, wobei die Gewichtsverringerung des Gürtels besonders wirksam ist, weil das Verhältnis des Gewichts eines Gürtels, der gummigetränkte Stahlcordfäden enthält, zu dem Gesamtgewicht des Reifens groß ist.
Ein Gürtel, der diese Art von Reifen verstärkt, besteht aus 3–4 Gürtelschichten, und hat gewöhnlich eine erste Gürtelschicht, die Cordfäden enthält, die unter einem großen Cordfadenwinkel bezüglich der Äquatorebene des Reifens geneigt sind, und mindestens zwei Gürtelschichten, von denen jede in der radialen Richtung des Reifens außerhalb der ersten Gürtelschicht angeordnet ist, und Cordfäden enthält, die unter einem kleinen Cordfadenwinkel bezüglich der Äquatorebene geneigt sind, wobei die Cordfäden der zweiten Gürtelschicht und der dritten Gürtelschicht sich überkreuzen. Für den Cordfaden, aus dem die einzelnen Gürtelschichten bestehen, wird eine 3+6-Struktur, eine 1×12-Struktur, eine 3+9+15+1-Struktur und dergleichen gewählt.
Eine wirksame Maßnahme, um das Gewicht des Gürtels zu verringern, besteht darin, die Fadendichte der Cordfäden in der Gürtelschicht zu verringern, oder die Zugfestigkeit des Stahlmaterials zu erhöhen, um die Menge Stahl zu verringern, während die Gesamt-Reißlast der Gürtelschicht aufrechterhalten wird.
Bei diesen Maßnahmen nimmt jedoch das Volumenverhältnis der Cordfäden in dem Gummi der Gürtelschicht ab, wodurch die Zugsteifigkeit des Gürtel verringert wird. Dies hat zur Folge, daß der äußere Durchmesser des Reifens beim Aufblasen unter einem inneren Druck oder infolge des Kriechphänomens während der Verwendung des Reifens wesentlich erhöht wird, wodurch das Auftreten von Ablösungsausfall an dem Gürtelrand hervorgerufen wird, oder eine ungleichmäßige Abnutzung gefördert wird. Weiterhin bewirkt eine Verringerung der Zugsteifigkeit des Gürtels eine Abnahme des Kurvenfahrvermögens und eine Verschlechterung der Abnutzungsfestigkeit.
Außerdem wird auf die Beschreibung von FR-A-2512747 hingewiesen.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Gürtelstruktur eines LKW-Luftreifens zu verwirklichen, die keine Verringerung der Gürtelsteifigkeit in der Umfangsrichtung hervorruft, wenn das Gesamtgewicht des Gürtels durch Verringerung des Gewichts der Cordfäden in dem Gürtel verringert wird.
Gemäß der Erfindung wird ein LKW-Luftreifen verwirklicht, aufweisend eine radiale Karkasse, die sich zwischen zwei Wulstbereichen toroidförmig erstreckt und aus mindestens einer Karkassenlage besteht, die Cordfäden enthält, und einen Gürtel, der in einer radialen Richtung des Reifens außerhalb der Karkasse angeordnet ist und aus mindestens drei Gürtelschichten besteht, einschließlich einer ersten radialen innersten Gürtelschicht, die Cordfäden enthält, die unter einem großen Cordfadenwinkel bezüglich einer Äquatorebene des Reifens geneigt sind, und einer zweiten Gürtelschicht, die Cordfäden enthält, die unter einem kleinen Cordfadenwinkel bezüglich einer Äquatorebene des Reifens geneigt sind und einer dritten Gürtelschicht, die Cordfäden enthält, die in einer zu der Neigungsrichtung der Cordfäden bei der zweiten Gürtelschicht entgegengesetzten Richtung unter einem kleinen Cordfadenwinkel bezüglich der Äquatorebene geneigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Cordfäden der ersten radialen innersten Gürtelschicht aus Stahlcordfäden bestehen, die eine 1×N-Struktur haben, wobei N eine ganze Zahl von 2–5 ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein LKW-Luftreifen verwirklicht, aufweisend eine radiale Karkasse, die sich zwischen zwei Wulstbereichen toroidförmig erstreckt und aus mindestens einer Karkassenlage besteht, die Cordfäden enthält, und einen Gürtel, der in einer radialen Richtung des Reifens außerhalb der Karkasse angeordnet ist und aus mindestens drei Gürtelschichten besteht, wobei eine erste radiale innerste Gürtelschicht Cordfäden enthält, die unter einem großen Cordfadenwinkel bezüglich einer Äquatorebene des Reifens geneigt sind, und eine zweite Gürtelschicht Cordfäden enthält, die unter einem kleinen Cordfadenwinkel bezüglich der Äquatorebene geneigt sind, und eine dritte Gürtelschicht Cordfäden enthält, die in einer zu der Neigungsrichtung der Cordfäden bei der zweiten Gürtelschicht entgegengesetzten Richtung unter einem kleinen Cordfadenwinkel bezüglich der Äquatorebene geneigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Cordfäden der ersten radialen innersten Gürtelschicht aus Stahlcordfäden bestehen, die eine 1×N-Struktur haben, wobei N eine ganze Zahl von 2–5 ist, und sowohl die zweite, als auch die dritte Gürtelschicht aus Stahlcordfäden besteht, die durch Verdrillen von 6 Mantel-Stahlfilamenten bei einem Verdrillwinkel von nicht mehr als 6° um ein einzelnes Kernfilament erhalten werden, wobei jedes Mantel-Stahlfilament einen Filamentdurchmesser von nicht mehr als 0,30 mm hat.
Außerdem grenzen die bezüglich der Äquatorebene geneigten, großen und kleinen Cordfadenwinkel in der Praxis an 40° an.
Die Erfindung wird nun weiter beschrieben unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die Folgendes darstellen:
Die 1 ist eine schematische Schnittansicht der linken Hälfte einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LKW-Luftreifens.
Die 2a und 2b sind schematische Ansichten, die einen Verdrillwinkel eines Cordfadens mit einer 1+6-Struktur veranschaulichen.
Die 3a–3d sind schematische Schnittansichten verschiedener Ausführungsformen des bei der Erfindung verwendeten Stahlcordfadens.
Die 4a–4c sind schematische Schnittansichten verschiedener Ausführungsformen eines herkömmlichen Stahlcordfadens.
Bei der Erfindung besteht der Gürtel aus der ersten Gürtelschicht, die Cordfäden enthält, die unter einem großen Cordfadenwinkel bezüglich der Äquatorebene des Reifens geneigt sind, und mindestens zwei Gürtelschichten, von denen jede Cordfäden enthält, die unter einem kleinen Cordfadenwinkel bezüglich der Äquatorebene geneigt sind, wobei die Cordfäden der zweiten und dritten Gürtelschicht sich überkreuzen, wie oben erwähnt wurde. Um bei jeder Gürtelschicht zu untersuchen, welche Eigenschaften erforderlich sind, um die Steifigkeit des Gürtels in der Umfangsrichtung zu erhöhen, werden verschiedene Experimente gemacht, wobei die Ergebnisse erhalten werden, die unten im einzelnen wiedergegeben sind.
Außerdem hat ein bei diesen Experimenten verwendeter Testreifen im wesentlichen die gleiche Struktur wie ein herkömmlicher LKW-Luftreifen. Wie in der 1 gezeigt ist, weist der Reifen auf: eine radiale Karkasse 1, einen Gürtel, der in der radialen Richtung außerhalb der Karkasse 1 angeordnet ist, und aus einer ersten Gürtelschicht 2, einer zweiten Gürtelschicht 3, einer dritten Gürtelschicht 4 und einer vierten Gürtelschicht 5 besteht, und einen Laufflächengummi 6, der auf dem Gürtel angeordnet ist. Die zweite Gürtelschicht 3 und die dritte Gürtelschicht 4 sind schräge Gürtelschichten, von denen jede Cordfäden enthält, die unter dem gleichen Cordfadenwinkel bezüglich der Äquatorebene des Reifens geneigt sind, wobei die Cordfäden dieser Schichten sich überkreuzen. Die erste Gürtelschicht 2, die unter den schrägen Gürtelschichten gelegen ist, enthält Cordfäden, die einen Cordfadenwinkel haben, der größer als der Cordfadenwinkel der Cordfäden in den schrägen Gürtelschichten ist. Außerdem kann, wenn erforderlich, die vierte Gürtelschicht 5 aufgebracht werden.
Zunächst wird, auf die herkömmliche Weise, die Zugsteifigkeit des Gürtels untersucht, wenn das Gewicht des Gürtels durch Verwendung von stark gespannten Stahlcordfäden in dem Gürtel verringert wird, wobei die Gesamt-Reißlast des Gürtels aufrechterhalten wird. Das heißt, es wird ein Testreifen mit der Reifengröße 11R22.5 hergestellt, wobei Cordfäden, wie sie in der Tabelle 1 angegeben sind, bei jeder Schicht von der zweiten Gürtelschicht 3 bis zu der vierten Schicht 5 aufgebracht werden, wie in der 1 gezeigt ist, und dann wird das Expansionsverhältnis des äußeren Durchmessers des Reifens (ein Verhältnis, das erhalten wird, wenn die Werte in einem mittleren Bereich und einem Schulterbereich der Lauffläche gemittelt werden) gemessen, wenn ein auf den Testreifen gegebener Druck von 1,0 kp/cm² bis 7,0 kp/cm² variiert wird, woraus die Zugsteifigkeit des Gürtels als der Reziprokwert des gemessenen Wertes bestimmt wird. Die erhaltenen Ergebnisse sind ebenfalls in der Tabelle 1 wiedergegeben. Außerdem besteht die erste Gürtelschicht 2 aus Stahlcordfäden mit der Struktur 3×0,175 mm + 6×0,30 mm bei einer Fadendichte von 24 Cordfäden/50 mm. Der Cordfadenwinkel beträgt 50° nach oben rechts bei der ersten Gürtelschicht 2, 20° nach oben rechts bei der zweiten Gürtelschicht 3, 20° nach oben links bei der dritten Gürtelschicht 4, bzw. 20° nach oben links bei der vierten Gürtelschicht 5, und die Gummidicke ist zwischen den Cordfäden der benachbarten Gürtelschichten gleich groß.
TABELLE 1
Wie aus der Tabelle 1 ersichtlich ist, kann bei dem Testreifen B, bei dem die stark gespannten Stahlcordfäden verwendet werden, nicht nur das Gewicht des Stahlcordfadens, sondern auch das Laufflächengewicht als gesamtes Gewicht von Stahlcordfäden und Beschichtungsgummi im Vergleich zu dem Testreifen A (herkömmliches Beispiel) um ungefähr 10% verringert werden. Die Zugsteifigkeit des Gürtels ist jedoch um ungefähr 6,0% vermindert.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat nun verschiedene Untersuchungen über eine Maßnahme zur Verbesserung der Zugsteifigkeit des Gürtels durchgeführt, wobei die Verringerung des Gürtelgewichts infolge Verwendung stark gespannter Stahlcordfäden aufrechterhalten wird, und dabei herausgefunden, daß die Zugsteifigkeit des Gürtels als Ganzes verbessert werden kann, wenn die Eigenschaften der in der radialen Richtung auf der inneren Seite des Reifens gelegenen, ersten Gürtelschicht geändert werden.
Das heißt, wenn der Gürtel in der Umfangsrichtung gedehnt wird (z.B. beim Aufblasen durch einen inneren Druck), wird bei den Cordfäden in der zweiten und dritten Gürtelschicht 3, 4, die einen kleinen Cordfadenwinkel haben, der Cordfadenwinkel verkleinert, wodurch die zweite und die dritte Gürtelschicht 3, 4 in der Breitenrichtung zusammengezogen werden, aber die erste Gürtelschicht 2, die einen großen Cordfadenwinkel hat, unterdrückt eine solche Zusammenziehung oder entwickelt einen sogenannten "Absteifungseffekt", der bei der Erhöhung der Zugsteifigkeit des Gürtels als Ganzes eine Rolle spielt.
In diesem Fall wird die Kompressionskraft in einer axialen Richtung des Cordfadens auf die erste Gürtelschicht aufgebracht, so daß, wenn beabsichtigt ist, die Kompressionssteifigkeit der ersten Gürtelschicht in der axialen Richtung des Cordfadens zu erhöhen, der Absteifungseffekt erhöht werden kann, um die Zugsteifigkeit des Gürtels als Ganzes weiter zu verbessern.
In diesem Zusammenhang werden verschiedene Reifen hergestellt, wobei verschiedene, in der Tabelle 2 wiedergegebene Stahlcordfäden bei der ersten Gürtelschicht unter den gleichen Bedingungen wie bei dem Testreifen B, der bei dem obenerwähnten Experiment verwendet wurde, aufgebracht werden, und dann wird die Zugsteifigkeit des Gürtels bei den Reifen gemessen, wobei die in der Tabelle 2 wiedergegebenen Ergebnisse erhalten werden. Außerdem werden die gleichen Stahlcordfäden (1+6×0,28 mm, Fadendichte: 32,8 Cordfäden/50 mm, Verdrillwinkel: 8,3°) auf die zweite bis vierte Gürtelschicht aufgebracht, wobei die Cordfadenwinkel bei den Gürtelschichten die gleichen wie bei dem obenerwähnten Experiment sind. Auch die Gummidicke zwischen den Cordfäden benachbarter Gürtelschichten ist konstant und beträgt 0,65 mm.
Wie aus der Tabelle 2 ersichtlich ist, wird dann, wenn ein einfach verdrillter Stahlcordfaden mit einer 1×N-Struktur bei der ersten Gürtelschicht aufgebracht wird, die Größenzunahme des Reifens unterdrückt, verglichen mit dem Fall, in dem die herkömmlichen zweischicht- bis dreischicht-verdrillten Stahlcordfäden verwendet werden, und daher wird die Zugsteifigkeit des Gürtels verbessert. Außerdem wird die Größenzunahme des Reifens, bei dem der einfach verdrillte Stahlcordfaden verwendet wird, kleiner als bei dem Testreifen A in der Tabelle 1. Daher ist es möglich, die Zugsteifigkeit des Gürtels durch Aufbringen des einfach verdrillten Stahlcordfadens bei der ersten Gürtelschicht zu verbessern, ohne die Gewichtsverringerung des Gürtels und folglich des Reifens zu beeinträchtigen.
Natürlich wird eine höhere Kompressionssteifigkeit der ersten Gürtelschicht erhalten, wenn die Fadendichte der Cordfäden zunimmt oder das Gewicht der Stahlcordfäden groß wird, so daß zur Beurteilung des Beitrags des Stahlcordfadens der ersten Gürtelschicht zu der Gürtelsteifigkeit der Grad der Größenzunahme des Reifens pro Einheitsgewicht des Stahlcordfadens (E/S in der Tabelle 2) angegeben wird. Gemäß dieser Angabe liefert der einfach verdrillte Stahlcordfaden einen recht großen Beitrag, verglichen mit dem schichtverdrillten Stahlcordfaden.
Andererseits wird zur Klärung des Effektes der Verringerung des Reifengewichts der Grad der Größenzunahme des Reifens pro Einheitsgewicht der Lauffläche (E/T in der Tabelle 2) angegeben. Diese Angabe zeigt auch, daß der einfach verdrillte Stahlcordfaden im Vergleich zu dem schichtverdrillten Stahlcordfaden einen recht großen Beitrag liefert.
Wie aus den obigen experimentellen Ergebnissen ersichtlich ist, kann eine Gürtelstruktur, gemäß der Erfindung, bei der eine Verschlechterung der Zugsteifigkeit bei dem Gürtel infolge der Verringerung des Reifengewichts verhindert wird, dadurch verwirklicht werden, daß die einfach verdrillten Stahlcordfäden mit einer 1×N-Struktur bei der unter den schrägen Gürtelschichten angeordneten, ersten Gürtelschicht aufgebracht werden. Außerdem ist die Anzahl der Stahlfilamente in dem einfach verdrillten Stahlcordfaden auf maximal 5 begrenzt, weil dann, wenn die Anzahl der Stahlfilamente 6 oder mehr ist, das Verhältnis zu dem Gummi oder dem Zwischenraum bei dem Querschnitt des Stahlcordfadens groß wird, wodurch die Gewichtsverringerung ungenügend wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wurden verschiedene Untersuchungen durchgeführt über den Stahlcordfaden, der bei der zweiten und dritten Gürtelschicht 3, 4, die schräge Gürtelschichten sind, und bei der vierten Gürtelschicht 5 verwendet wird, um zu klären, welche Eigenschaften zu der Verbesserung der Gürtelsteifigkeit in der Umfangsrichtung des Gürtels beitragen.
Wie oben erwähnt wurde, kann das Gewicht des Gürtels wirksam verringert werden, wenn das Gewicht des Stahlcordfadens verringert wird. Um den Stahlcordfaden mit einer 1+6-Struktur zu bilden, werden hier 6 Mantel-Stahlfilamente um ein einzelnes Kern-Stahlfilament verdrillt, und dieser Stahlcordfaden ist vorteilhaft für die Gewichtsverringerung, weil die Anzahl der Stahlfilamente geringer ist, und die Abnahme der Cordfaden-Reißlast klein ist im Vergleich zu Stahlcordfäden mit einer 3+6-, 3+9+1-, 3+9+15+1- und 1×12-Struktur, die im allgemeinen als Cordfaden bei dem Gürtel verwendet werden. Weiterhin ist der Stahlcordfaden mit einer 1+6-Struktur vorteilhaft hinsichtlich der Kosten, weil der verdrillte Cordfaden in einem Schritt hergestellt werden kann.
Falls der Stahlcordfaden mit einer 1+6-Struktur verwendet wird, kann das Gürtelgewicht verringert werden, während die Gesamt-Reißlast des Gürtels infolge starken Spannens des Cordfadens aufrechterhalten wird, aber es wird eine Verschlechterung der Gürtelsteifigkeit in der Umfangsrichtung hervorgerufen, wie oben erwähnt wurde.
Um einer Verschlechterung der Zugsteifigkeit bei dem Gürtel entgegenzuwirken, ist es grundsätzlich wirksam, den Zug-Elastizitätsmodul des Cordfadens zu erhöhen. Bei dem herkömmlichen Stahlcordfaden, der bei dem Gürtel verwendet wird, sind die Stahlfilamente unter einem Verdrillwinkel von ungefähr 8–10° bezüglich der Achse des Cordfadens verdrillt. Wenn der Verdrillwinkel klein gemacht wird, nimmt der Elastizitätsmodul des Cordfadens zu, wodurch die Steifigkeit des Gürtels in der Umfangsrichtung erhöht wird.
Wenn der Verdrillwinkel bei dem Stahlcordfaden klein wird, wird jedoch die durch spiralförmiges Verdrillen der Stahlfilamente erreichte Flexibilität des Cordfadens beeinträchtigt, wodurch die Widerstandsfähigkeit gegen Cordfadenbruch verschlechtert wird, wenn der Cordfaden wiederholt einer Biegeverformung unterworfen wird, was eine Verkürzung der Reifenlebensdauer zur Folge hat. Insbesondere, wenn der Schulterbereich des Reifens dauernd der Einwirkung von Vorsprüngen unterworfen wird, die auf einer Straßenoberfläche vorhanden sind, die in einem solchen Zustand ist, daß der Wassergehalt in dem Beschichtungsgummi des Gürtels bis auf ungefähr 1 Gewichtsprozent bei Langzeitverwendung des Reifens ansteigt, erfolgt eine übermäßige Einwirkung auf die Stahlfilamente des Cordfadens unter einer Korrosionsumgebung, so daß in der in der radialen Richtung des Reifens außen gelegenen Gürtelschicht unter den zwei schrägen Gürtelschichten leicht ein Bruch der Mantel-Stahlfilamente des Stahlcordfadens hervorgerufen wird, was einen Cordfadenbruch zur Folge hat.
Wenn der Stahlcordfaden mit einer 1+6-Struktur bei den schrägen Gürtelschichten aufgebracht wird, ist es daher notwendig, den Filamentdurchmesser und den Verdrillwinkel des Mantel-Stahlfilaments bei dem Stahlcordfaden in geeigneter Weise unter Kontrolle zu halten, wie aus dem folgenden Experiment ersichtlich ist.
Bei diesem Experiment werden verschiedene Reifen mit der Reifengröße 11R22.5 hergestellt, wobei die in der Tabelle 3 wiedergegebenen Stahlcordfäden bei der zweiten bis vierten Gürtelschicht 3–5 aufgebracht werden, und der herkömmliche Stahlcordfaden mit der Struktur 3×1,75 mm + 6×0,30 mm bei der ersten Gürtelschicht 2 aufgebracht wird, und dann wird auf die gleiche Weise wie bei den obenerwähnten Experimenten das Expansionsverhältnis der äußeren Durchmessers des Reifens gemessen, wobei der auf den Reifen gegebene innere Druck von 1,0 kp/cm² bis auf 7,0 kp/cm² geändert wird, woraus die Zugsteifigkeit des Gürtels als der Reziprokwert des gemessenen Wertes bestimmt wird.
Weiterhin wird der Reifen, der nach dem Einfüllen von 300 cc Wasser in den Reifen einem inneren Druck von 7,0 kp/cm² unterworfen wird, auf einer Trommel bei einer Geschwindigkeit von 60 km/h und unter einer Last von 2500 kg über eine Strecke von 10.000 km laufen gelassen, und dann wird der innere Druck auf 5 kp/cm² verringert, und der Reifen auf einer mit Vorsprüngen (Krümmungsradius an der Spitze: 15 mm) im Abstand von 100 mm in der Umfangsrichtung des Reifens versehenen Trommel bei einer Geschwindigkeit von 60 km/h und unter einer Last von 2500 kg über eine Strecke von 10.000 km laufen gelassen, wobei die Vorsprünge auf den Schulterbereich des Reifens einwirken (der in 50 mm Abstand von der Mitte der Lauffläche bezüglich der Breitenrichtung gelegen ist). Danach wird der Reifen zerschnitten, um die Anzahl der Filamentbruchpositionen bei dem Cordfaden des Gürtels über den ganzen Umfang zu bestimmen, was ein Maß für die Beurteilung der Widerstandsfähigkeit gegen Cordfadenbruch ist.
Diese Beurteilungs- und Meßergebnisse sind ebenfalls in der Tabelle 3 wiedergegeben. Die verschiedenen Gewichte und das Expansionsverhältnis des äußeren Durchmessers des Reifens in der Tabelle 3 sind durch einen Indexwert auf der Basis eines Indexwertes 100 für den Reifen A ausgedrückt. Außerdem ist der Cordfadenwinkel 52° nach oben rechts bei der ersten Gürtelschicht 2, 20° nach oben rechts bei der zweiten Gürtelschicht 3, 20° nach oben links bei der dritten Gürtelschicht 4, bzw. 20° nach oben links bei der vierten Gürtelschicht 5, und die Gummidicke zwischen den Cordfäden der benachbarten Gürtelschichten ist gleich groß.
Wie aus der Tabelle 3 ersichtlich ist, ist die Zugfestigkeit des Stahlfilaments bei dem Stahlcordfaden des Reifens B um 10% erhöht im Vergleich zu dem Reifen A, so daß die Menge der verwendeten Stahlcordfäden verringert ist, während die Gesamt-Reißlast des Gürtels aufrechterhalten wird. Daher kann bei dem Reifen B eine Gewichtsverringerung von ungefähr 10% erreicht werden im Vergleich zu dem Reifen A, aber die Zugsteifigkeit des Gürtels ist um ungefähr 6,0% verringert. Außerdem ist der Effekt der Reifengewichtsverringerung nützlich, um den Grad der Größenzunahme des Reifens pro Einheitsgewicht der Lauffläche (E/T in der Tabelle 3) als ungefähren Wert zu wählen.
Der Erfinder hat nun verschiedene Untersuchungen zur Verbesserung der Zugsteifigkeit des Gürtels durch starkes Spannen des Stahlcordfadens durchgeführt, wobei die Gewichtsverringerung des Gürtels durch starkes Spannen des Stahlcordfadens aufrechterhalten wird, und herausgefunden, daß die Zugsteifigkeit des Gürtels als Ganzes verbessert werden kann, wenn der Verdrillwinkel des Stahlfilaments bei dem Stahlcordfaden geändert wird. Da der Verdrillwinkel bei dem Cordfaden, der bei den Reifen A und B verwendet wird, gewöhnlich 8,7° ist, wird versucht, die Zugsteifigkeit durch Änderung des Verdrillwinkels zu verbessern.
Der Verdrillwinkel bei dem Stahlcordfaden entspricht der Neigung des Mantel-Stahlfilaments bezüglich der Achse des Cordfadens, wie durch den Winkel α in der 2a wiedergegeben ist. Insbesondere, wenn der Spiralenradius des Mantel-Stahlfilaments des Cordfadens r ist, wie in der 2b gezeigt ist, und die Verdrillsteigung des Mantel-Stahlfilaments Ps ist, kann der Verdrillwinkel α durch die folgende Gleichung wiedergegeben werden: α = tan-1(2πr/Ps)
Bei den Reifen C und D ist der Verdrillwinkel klein gemacht durch Vergrößerung der Verdrillsteigung des Mantel-Stahlfilaments bei dem Cordfaden des Reifens B, wodurch der Zugelastizitätsmodul des Cordfadens erhöht wird, so daß die Zugsteifigkeit des Gürtels verbessert wird, die wesentlich größer als bei dem Reifen A vor der Gewichtsverringerung ist. Dieser Effekt wird bei einem kleinen Verdrillwinkel von nicht mehr als 6° erhalten. Außerdem ist die untere Grenze des Verdrillwinkels vorzugsweise 3°, um eine Entflechtung des Cordfadens während der Cordfadenherstellung zu vermeiden.
Bei dem Trommeltest ergibt sich jedoch noch ein Problem hinsichtlich der Ermüdungsfestigkeit des eigentlichen Cordfadens, weil die Cordfadenbruchhäufigkeit größer als bei den Reifen A und B ist. Der Cordfadenbruch bei den Reifen C und D, bei denen Cordfäden mit einem kleineren Verdrillwinkel verwendet werden, wird insbesondere bei der dritten Gürtelschicht unter den innerhalb der neutralen Achse der Biegeverformung gelegenen Gürtelschichten (bei Betrachtung von außen in der radialen Richtung des Reifens) bei Einwirkung des Vorsprungs hervorgerufen, und weiterhin bei den Mantel-Stahlfilamenten des innerhalb der neutralen Achse der Biegeverformung des Cordfadens gelegenen Cordfadens (bei Betrachtung von außen in der radialen Richtung des Reifens) hervorgerufen. Außerdem wird eine örtlich plastische Biegeverformung in charakteristischer Weise in der Umgebung des gebrochenen Bereichs des Cordfadens hervorgerufen.
Auf der Basis des obigen Befunds wird angenommen, daß dann, wenn die Einwirkung des Vorsprungs auf den Reifen erfolgt, die Kraft in der Kompressionsrichtung des Cordfadens auf den Gürtel aufgebracht wird, und weiterhin, wenn eine Biegeverformung bei dem Gürtel hervorgerufen wird, die Bewegung des Mantel-Stahlfilaments von der Innenseite nach der Außenseite der Biegung längs der Spiralform bei dem Stahlcordfaden mit dem kleinen Verdrillwinkel beschränkt ist, wodurch bei der Biegeverformung des Cordfadens eine Knickung bei den innerhalb der neutralen Achse der Biegung gelegenen Stahlfilamenten hervorgerufen wird, und folglich örtlich eine große Biegeverformung hervorgerufen wird, was häufig einen Bruch der Stahlfilamente zur Folge hat.
Die gleiche Beurteilung wie oben wird bei den Reifen E-N durchgeführt, bei denen Stahlcordfäden verwendet werden, die die gleiche Zugfestigkeit wie die Cordfäden der Reifen C und D haben, wobei der Verdrillwinkel und der Filamentdurchmesser des Mantel-Stahlfilaments auf verschiedene Weise geändert wird. Außerdem wird die Fadendichte der Stahlcordfäden bei der Gürtelschicht so geändert, daß sich die gleiche Gesamt-Reißlast des Gürtels bei allen Reifen E-N ergibt, und auch die Beschichtungsgummidicke bei der zweiten bis vierten Gürtelschicht ist bei allen Reifen gleich groß.
Wie aus der Tabelle 3 ersichtlich ist, wird selbst bei den Cordfäden, die einen Verdrillwinkel von 3–6° haben, die Anzahl der Cordfadenbruchpositionen verringert, wenn der Durchmesser des Mantel-Stahlfilaments verringert wird. Insbesondere, wenn der Filamentdurchmesser nicht größer als 0,30 mm ist, ergibt sich kein Cordfadenbruch, so daß die Widerstandsfähigkeit gegen Cordfadenbruch in vorteilhafter Weise erhalten werden kann, verglichen mit dem Reifen A als Standard.
Das heißt, die Dehnung aufgrund der örtlichen Biegung bei dem innerhalb der neutralen Achse der Biegung des Cordfadens gelegenen Mantel-Stahlfilaments bei Einwirkung durch den Vorsprung kann vermindert werden, wenn der Filamentdurchmesser verringert wird, selbst wenn der Verdrillwinkel des Cordfadens klein ist, wodurch die Widerstandsfähigkeit gegen Cordfadenbruch wesentlich verbessert wird. Mit anderen Worten, bei dem mit den Stahlcordfäden verstärkten Gürtel, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wird eine hohe Steifigkeit pro Laufflächeneinheitsgewicht erhalten, ohne die Widerstandsfähigkeit gegen Cordfadenbruch zu beeinträchtigen.
Wie aus den obigen experimentellen Ergebnissen ersichtlich ist, wird die Verbesserung der Steifigkeit in der Umfangsrichtung des Gürtels erreicht, wenn die erste Gürtelschicht und, bevorzugterweise, auch die schrägen Gürtelschichten die obenerwähnte Struktur haben. Natürlich wird die Steifigkeit in der Umfangsrichtung des Gürtels weiter erhöht, wenn sowohl die erste Gürtelschicht, als auch die schrägen Gürtelschichten die obenerwähnten Strukturen haben.
Das heißt, es werden Reifen mit der gleichen Reifengröße wie oben hergestellt, wobei unter den gleichen Bedingungen wie bei den obenerwähnten Experimenten Stahlcordfäden mit einer 1×N-Struktur (N: 2–5) bei der ersten Gürtelschicht aufgebracht werden, und Stahlcordfäden, die durch Verdrillen von 6 Mantel-Stahlfilamenten mit einem Filamentdurchmesser von nicht mehr als 0,30 mm um ein einzelnes Stahlfilament bei einem Verdrillwinkel von nicht mehr als 6° erhalten werden, bei der zweiten bis vierten Gürtelschicht aufgebracht werden, und danach wird das Expansionsverhältnis des äußeren Durchmessers des Reifens gemessen, aus dem die Zugsteifigkeit des Gürtels als der Reziprokwert des gemessenen Wertes bestimmt wird. Weiterhin wird die Anzahl der Filamentbruchpositionen des Cordfadens über den vollen Umfang des Gürtels bestimmt, wozu der Reifen nach einem Lauf unter den gleichen Bedingungen wie bei dem Experiment der Tabelle 3 zerschnitten wird, um die Widerstandsfähigkeit gegen Cordfadenbruch zu beurteilen.
Wenn alle Gürtelschichten des Gürtels wie oben angegeben gebildet werden, wird die Zugsteifigkeit des Gürtels auf den 1,08-1,12-fachen Wert des Falles erhöht, in dem nur die erste Gürtelschicht gebildet wird.
Wenn andererseits der Verdrillwinkel bei dem Stahlcordfaden mit der 1+6-Struktur, der jede der zweiten bis vierten Gürtelschicht bildet, nicht größer als 6° ist, ergibt sich ein Problem hinsichtlich der Widerstandsfähigkeit gegen Cordfadenbruch, aber dieses Problem wird gelöst, wenn der Durchmesser des Mantel-Stahlfilaments auf nicht mehr als 0,30 mm beschränkt wird, wie oben erwähnt wurde. Bei einem Reifen, der einen Gürtel aufweist, der durch Bildung aller Gürtelschichten gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erhalten wurde, wird daher erwartet, daß die Widerstandsfähigkeit gegen Cordfadenbruch bis auf im wesentlichen das gleiche Niveau erhöht wird wie in dem Fall, in dem nur die zweite bis vierte Gürtelschicht gemäß der Erfindung gebildet wird. Tatsächlich wird die Anzahl der gebrochenen Cordfäden um 40% oder mehr verringert, verglichen mit dem Fall, in dem nur die zweite bis vierte Gürtelschicht gemäß der Erfindung gebildet wird, so daß eine beträchtliche und unerwartete Widerstandsfähigkeit gegen Cordfadenbruch erhalten wird, verglichen mit dem Fall, in dem nur die zweite bis vierte Gürtelschicht gemäß der Erfindung gebildet wird. Das heißt, die Widerstandsfähigkeit gegen Cordfadenbruch bei der zweiten bis vierten Gürtelschicht wird stärker verbessert, wenn der Stahlcordfaden mit einer 1×N-Struktur bei der ersten Gürtelschicht aufgebracht wird.
Außerdem wird geglaubt, daß die Erhöhung der Widerstandsfähigkeit gegen Cordfadenbruch durch die Bildung der ersten Gürtelschicht gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung den folgenden Grund hat.
Der bei dem Konfektionierschritt des grünen Reifens auf der Karkassenlage befestigte Gürtel wird bei dem darauf folgenden Vulkanisationsschritt expandiert. In diesem Fall wird eine Kompressionskraft auf die erste Gürtelschicht, die einen großen Cordfadenwinkel bezüglich der Äquatorebene hat, aufgebracht, wie in dem Fall, in dem das Reifenprodukt durch einem inneren Druck aufgeblasen wird. Dies hat zur Folge, daß die Form des Stahlcordfadens bei der ersten Gürtelschicht von dem ursprünglichen Zustand bei dem grünen Reifen in eine Form umgeändert wird, bei der sich der Spiralendurchmesser des Mantel-Stahlfilaments vergrößert, so daß sich der verdrillte Zustand öffnet. Eine solche Formänderung ist bei dem einfach verdrillten Cordfaden mit einer 1×N-Struktur deutlich sichtbar, verglichen mit einem zweischicht-verdrillten Cordfaden mit einer 3+6- oder 3+9-Struktur. Wenn der verdrillte Zustand geöffnet wird, nimmt außerdem das anfängliche Dehnungsgebiet beim Dehnen des Cordfadens zu.
Wenn eine Einwirkung von Vorsprüngen auf der Straßenoberfläche auf den Reifen erfolgt, wird andererseits die erste Gürtelschicht durch eine Zugkraft verformt, die entgegengesetzt zu der Zugkraft beim Aufblasen durch einem inneren Druck ist. Außerdem ist die Biegeverformung des auf den Vorsprüngen angeordneten Gürtels konstant. Wenn die anfängliche Dehnung des Cordfadens bei der ersten Gürtelschicht groß ist, wie oben erwähnt wurde, wird daher die neutrale Biegeachse bei der Biegeverformung des Gürtels nach der Außenseite in der radialen Richtung des Reifens verschoben, wodurch die Kompressionseinwirkung auf die über der ersten Gürtelschicht gelegenen, schrägen Gürtelschichten verringert wird, und folglich die örtliche Biegedehnung des Mantel-Stahlfilaments, die den Filamentbruch hervorruft, verringert wird.
Die folgenden Beispiele werden zur Veranschaulichung der Erfindung wiedergegeben und sollen keine Begrenzung der Erfindung darstellen.
BEISPIEL 1
Bei der in der 1 wiedergegebenen Reifengürtelstruktur werden Stahlcordfäden, mit der Struktur 1+6×0,28 mm, aus Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,82 Gewichtsprozent (Verdrillwinkel: 8,3°) bei einer Fadendichte von 32,8 Cordfäden/50 mm bei der zweiten Gürtelschicht 3 (Cordfadenwinkel: 20° nach oben rechts), der dritten Gürtelschicht 4 (Cordfadenwinkel: 20° nach oben links), und der vierten Gürtelschicht 5 (Cordfadenwinkel 20° nach oben links) verwendet, während Stahlcordfäden (C: 0,82 Gewichtsprozent) mit einer Verdrillstruktur, wie sie in den 3a–3d und 4a–4c wiedergegeben ist, bei der ersten Gürtelschicht 2 (Cordfadenwinkel: 65° nach oben rechts) aufgebracht werden, wodurch verschiedene Reifen für Lastwagen und Busse mit der Reifengröße 11R22.5 hergestellt werden.
Bei den so erhaltenen Reifen werden die Zugsteifigkeit des Gürtels als Reziprokwert des Expansionsverhältnisses des äußeren Durchmessers des Reifens (Mittelwert der Werte in dem mittleren Bereich und dem Schulterbereich der Lauffläche), wenn der innere Druck von 1,0 kp/cm² bis 7,0 kp/cm² geändert wird, die Menge der verwendeten Stahlcordfäden, aus denen der Gürtel jedes Reifens besteht (Gewicht des Stahlcordfadens), und das Laufflächengewicht bei jedem Reifen vor der Herstellung des Reifens gemessen, wobei die Ergebnisse erhalten werden, die in der Tabelle 4 zusammen mit der Spezifikation für jeden der verwendeten Stahlcordfäden wiedergegeben sind.
Wie aus der Tabelle 4 ersichtlich ist, wird bei solchen erfindungsgemäßen Reifen, zusammen mit einer Verringerung des Reifengewichts, eine Verbesserung der Zugsteifigkeit des Gürtels erhalten.
BEISPIEL 2
Verschiedene Reifen für Lastwagen und Busse, mit einer Gürtelstruktur gemäß der 1, und der Reifengröße 11R22.5 werden unter Verwendung von Stahlcordfäden mit der Struktur 3×0,175 nun + 6×0,30 mm bei einer Fadendichte von 24,0 Cordfäden/50 mm bei der ersten Gürtelschicht 2, und von Stahlcordfäden aus Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt (C: 0,82 Gewichtsprozent) und mit einer Struktur gemäß der 2 für die zweite Gürtelschicht 3 (Cordfadenwinkel: 20° nach oben rechts), die dritte Gürtelschicht 4 (Cordfadenwinkel: 20° nach oben links), und die vierte Gürtelschicht 5 (Cordfadenwinkel: 20° nach oben links) gemäß der in der Tabelle 5 wiedergegebenen Spezifikation hergestellt.
Solche Reifen befinden sich außerhalb des Rahmens der beanspruchten Erfindung, da die Cordfäden der ersten Gürtelschicht 2 nicht die in Anspruch 1 definierten Struktur besitzen.
Bei den so erhaltenen Reifen wird die gleiche Beurteilung der Widerstandsfähigkeit gegen Cordfadenbruch, wie in der Tabelle 3 angegeben, durchgeführt, und auch die Zugsteifigkeit des Gürtels als Reziprokwert des Expansionsverhältnisses des äußeren Durchmessers des Reifens (Mittelwert der Werte in dem mittleren Bereich und dem Schulterbereich der Lauffläche), wenn der innere Druck von 1,0 kp/cm² bis 7,0 kp/cm² geändert wird, und das Laufflächengewicht bei jedem Reifen vor der Herstellung des Reifens werden gemessen, wobei die in der Tabelle 5 wiedergegebenen Ergebnisse erhalten werden.
Wie aus der Tabelle 5 ersichtlich ist, wird bei den erfindungsgemäßen Reifen zusammen mit einer Verringerung des Reifengewichts eine Verbesserung der Zugsteifigkeit des Gürtels erhalten, und auch das Auftreten von Cordfadenbruch kann verhindert werden.
BEISPIEL 3
Verschiedene Reifen für Lastwagen und Busse, mit einer Gürtelstruktur gemäß der 1, und der Reifengröße 11R22.5 werden durch Aufbringen von Stahlcordfäden aus Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt (C: 0,82 Gewichtsprozent) und mit verschiedenen Strukturen bei der ersten Gürtelschicht 2 (Cordfadenwinkel: 52° nach oben rechts), der zweiten Gürtelschicht 3 (Cordfadenwinkel: 20° nach oben rechts), der dritten Gürtelschicht 4 (Cordfadenwinkel: 20° nach oben links), und der vierten Gürtelschicht 5 (Cordfadenwinkel: 20° nach oben links) gemäß der in der Tabelle 6 wiedergegebenen Spezifikation hergestellt.
Bei den so erhaltenen Reifen werden die Zugsteifigkeit des Gürtels als Reziprokwert des Expansionsverhältnisses des äußeren Durchmessers des Reifens (Mittelwert der Werte in dem mittleren Bereich und dem Schulterbereich der Lauffläche), wenn der innere Druck von 1,0 kp/cm² bis 7,0 kp/cm² geändert wird, die Menge der verwendeten Stahlcordfäden, aus denen der Gürtel jedes Reifens besteht (Gewicht des Stahlcordfadens), und das Laufflächengewicht bei jedem Reifen vor der Herstellung des Reifens gemessen.
Weiterhin wird der Reifen, der nach dem Einfüllen von 300 cc Wasser in den Reifen einem inneren Druck von 7,0 kp/cm² unterworfen wird, auf einer Trommel bei einer Geschwindigkeit von 60 km/h und unter einer Last von 2500 kg über eine Strecke von 30.000 km laufen gelassen, und dann wird der innere Druck auf 5 kp/cm² verringert, und der Reifen auf einer mit Vorsprüngen (Krümmungsradius an der Spitze: 15 mm) im Abstand von 100 mm in der Umfangsrichtung des Reifens versehenen Trommel bei einer Geschwindigkeit von 60 km/h und unter einer Last von 2500 kg über eine Strecke von 10.000 km laufen gelassen, wobei die Vorsprünge auf den Schulterbereich des Reifens einwirken (die in 50 mm Abstand von der Mitte der Lauffläche bezüglich der Breitenrichtung gelegen sind). Danach wird der Reifen zerschnitten, um die Anzahl der Filamentbruchpositionen bei dem Cordfaden des Gürtels über den ganzen Umfang zu bestimmen. Außerdem wird die Beurteilung der Widerstandsfähigkeit gegen Cordfadenbruch unter härteren Bedingungen ausgeführt, verglichen mit der Beurteilung der Widerstandsfähigkeit gegen Cordfadenbruch, wie sie gemäß der Tabelle 3 ausgeführt wurde.
Die Beurteilungsergebnisse sind ebenfalls in der Tabelle 6 wiedergegeben, aus der klar ersichtlich ist, daß bei den Reifen gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zusammen mit einer Verringerung des Reifengewichts eine weitere Verbesserung der Zugsteifigkeit des Gürtels erreicht wird, und auch das Auftreten von Cordfadenbruch verhindert wird.
Gemäß der Erfindung kann bei Reifen, die ein verringertes Gürtelgewicht haben, die Zugsteifigkeit des Gürtels verbessert werden, so daß die Verringerung des Reifengewichts verwirklicht werden kann, ohne andere Leistungsmerkmale des Reifens zu opfern.

Claims

Superluftreifen, aufweisend eine radiale Karkasse (1), die sich toroidförmig zwischen zwei Wulstbereichen erstreckt, und aus mindestens einer Karkassenlage besteht, die Cordfäden enthält, und einen Gürtel, der in der radialen Richtung des Reifens außerhalb der Karkasse angeordnet ist, und aus mindestens drei Gürtelschichten (2, 3, 4) besteht, wobei die erste, radial innerste Gürtelschicht (2) Cordfäden enthält, die unter einem großen Cordfadenwinkel bezüglich der Äquatorebene des Reifens geneigt sind, und die zweite Gürtelschicht (3) Cordfäden enthält, die unter einem kleinen Cordfadenwinkel bezüglich der Äquatorebene geneigt sind, und die dritte Gürtelschicht (4) Cordfäden enthält, die unter einem kleinen Cordfadenwinkel in der zu der Neigungsrichtung der Cordfäden in der zweiten Gürtelschicht (3) entgegengesetzten Richtung bezüglich der Äquatorebene geneigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Cordfäden der ersten, radial innersten Gürtelschicht (2) aus Stahlcordfäden bestehen, die eine 1×N-Struktur haben, wobei N eine ganze Zahl von 2–5 ist.
Luftreifen wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite und dritte Schicht (3, 4) aus Stahlcordfäden bestehen, die durch Verdrillen von 6 Mantelstahlfilamenten, von denen jedes einen Filamentdurchmesser von nicht mehr als 0,30 mm hat, um ein einziges Kernfilament bei einem Verdrillwinkel von nicht mehr als 6° erhalten werden.