Continental Aktiengesellschaft 205-135-PWO.1 /Fo

11.09.2006

Beschreibung

FAHRZEUGLUFTREIFEN MIT WäRMELEITENDER WULSTKONSTRUKTION

Die Erfindung betrifft einen Fahrzeugluftreifen mit einer luftundurchlässigen Innenschicht, Seitenwänden, einer Festigkeitsträger enthaltenden gummierten Karkasseinlage, welche in den Wulstbereichen um zugfeste Wulstkerne verläuft, wobei in jedem Wulstbereich radial außerhalb des Kernes zumindest ein Kernprofil angeordnet ist, welches in Kontakt mit dem Wulstkern ist, gegebenenfalls zumindest ein weiteres Kernprofil vorgesehen ist und axial außerhalb des Karkasshochschlages zumindest ein Wulstprofil angeordnet ist, welches mit einer Festigkeitsträger aufweisenden Wulstverstärkerlage in Kontakt ist, wobei der Kontaktbereich des Reifens zu einer Felge von einem Homprofil gebildet ist, und wobei das bzw. die Kernprofil(e), das bzw. die Wulstprofil(e) und das Homprofil aus Kautschukmischungen hergestellt sind.

Beim Gebrauch bzw. Betrieb eines Fahrzeugluftreifen wird die durch die Walk- und Fliehkräfte und durch die damit verbundenen dynamischen Verformungen sowie die damit zusammenhängenden Hystereseverluste der vulkanisierten Gummimischungen des Reifens thermische Energie entwickelt, die sich nur sehr schlecht abführen lässt. Dabei treten lokal stark erhöhte Temperaturen im Reifen auf, vor allem in der Nähe der Gürtelkanten und in den Wulstbereichen. Infolge des Modulsprunges an den Festigkeitsträgerenden, den auftretenden hohen Verformungen und den damit einhergehenden mechanischen Belastungen ist vor Allem im Bereich der Ausläufe von Festigkeitsträgern eine hohe strukturelle Belastung zu beobachten. Neben der mechanischen Belastung entsteht in diesen Bereichen zusätzlich die erwähnte hohe thermische Beanspruchung. Die mechanischen und thermischen Belastungen sind oft die Ursachen von Ablösungen von Reifenbauteilen und Rissbildungen an den Enden von Festigkeitsträgern, wodurch die Haltbarkeit der Reifen beeinträchtigt wird.

Das Reduzieren zu hoher Temperaturen im Reifeninneren ist Gegenstand einer Anzahl von Patentanmeldungen. So ist es beispielsweise bekannt, Acetylenruß als Füllstoff in Kautschukmischungen zu verwenden, um die Wärmeleitfähigkeit der Vulkanisate aus

diesen Mischungen zu erhöhen. Die bekannten Ideen, die sich mit einer Reduktion der Temperatur im Reifeninneren befassen, verfolgen das Ziel, die entstehende Wärme nach außen abzuleiten, und zwar dadurch, dass wärmeleitfähige Mischungen derart im Reifen angeordnet werden, dass sie eine Wärmebrücke nach außen bilden. In diesem Zusammenhang wird beispielsweise auf die EP 1 526 154 A1 verwiesen, wobei hier vorgeschlagen wird, zumindest einen Teil der Seitenwand und/oder zumindest einen Teil jenes Wulstbereiches, welcher in Kontakt mit der Felge tritt, aus einer Gummimischung herzustellen, welche Acetylenruß enthält.

Aus der EP 1 031 441 A2 ist es bekannt, einen Fahrzeugluftreifen, insbesondere für Nutzfahrzeuge, mit einem Laufstreifen zu versehen, bei dem in unmittelbarer Nähe des Profilrillengrundes und der benachbarten Teile der Rillenflanken eine Gummimischung angeordnet ist, die im Neuzustand des Fahrzeugluftreifens keinen Kontakt mit der Fahrbahn hat und deren Wärmeleitfähigkeit um mindestens 5 % höher ist als die Wärmeleitfähigkeit der sie umgebenden Gummimischung des Laufstreifens. Dadurch soll der Wärmefluss zwischen der Reifenaußenfläche und der Gürtelverstärkung mittels einer wärmeleitfähigen Brücke aus einer Gummimischung erhöht werden.

Ziel der Erfindung ist es, durch geeignete Maßnahmen unerwünschte Temperaturerhöhungen im Bereich der Festigkeitsträgerenden von Festigkeitsträgerlagen im Wulstbereich zu verhindern, ohne dadurch das Abrieb- oder Rissverhalten des Reifens im Kontaktbereich mit der Felge und im Bereich der Seitenwand zu verschlechtern.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass das mit dem Wulstkern in Kontakt stehende Kernprofil eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die um 20 % höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Homprofils, und/oder dass das bzw. die weitere(n) Kemprofil(e) und/oder das Wulstprofil eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die um mindestens 20% höher ist als die Wärmeleitfähigkeit der Seitenwand.

Bei der Erfindung ist völlig überraschend, dass die im Wulstbereich generierte Wärmeenergie nicht durch einen bis nach außen durchgehenden Verlauf einer wärmeleitfähigen Komponente abgeführt werden muss. Die Wärmeentwicklung findet nur in kleinen lokalen Bereichen statt. Die bisherige Vorstellung war, dass die Wärme nach außen abgeführt werden muss, um den Reifen effektiv zu kühlen. überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass eine innere Verteilung der auftretenden Wärme auf

mechanisch weniger beanspruchte Bauteile durchaus ausreicht, um die Wuslthaltbarkeit deutlich zu verbessern.

Gemäß der Erfindung weist daher zumindest ein komplett innerhalb des Wulstes befindliches Bauteil, welches in Kontakt mit einer Festigkeitsträger enthaltenden Lage ist, eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf als das Hornprofil und/oder die Seitenwand. Dass bei der Erfindung ein „inneres" Reifenbauteil mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit ausgerüstet ist, ist besonders vorteilhaft. Es ist bekannt, dass die zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit von Gummimischungen üblicher Weise verwendeten Materialien bzw. Füllstoffe die Abriebeigenschaften und die Rissbeständigkeit verschlechtern. Ein verschlechterter Abrieb kann weder für die Seitenwandmischung noch für die Hornprofilmischung in Kauf genommen werden, er würde im Fall der Seitenwandmischung zu nicht tolerierbaren Anscheuerungen der Seitenwand, beispielsweise durch Bordsteinkanten, führen. Eine verringerte Abriebbeständigkeit der Hornprofilmischung ist ebenfalls nicht akzeptabel, da verstärkte Anscheuerungen durch das Felgenhorn auftreten würden. Somit weist die Erfindung nicht jene Nachteile auf, welche die aus der EP 1 526 154 A1 bekannte Lösung zwangsweise aufweist.

Ein weiterer Vorteil der Maßnahme, nur innere Bauteile in den Wulstbereichen mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit zu versehen, besteht in der erhöhten Sicherheit gegenüber dem Einfluss von Bremstrommelwärme. Beim Betätigen von Fahrzeugbremsanlagen entsteht in den Bremstrommeln ein großes Maß an Wärmeenergie, welches auch auf die Felge übertragen wird und deren Temperatur erhöht. über das Hornprofil gelangt diese Wärme in das Innere des Reifens und es werden Ausfälle durch Rissbildungen oder Auskochungen der Gummimischungen gefördert. Würde nun, mit dem Ziel, die durch Hystereseverluste generierte innere Wärme abzuführen, das Hornprofil oder die Seitenwand mit einer erhöhten Wärmeleitfähigkeit ausgerüstet, hätte dies zur Folge, dass in dem Fall einer äußeren Temperaturbelastung durch Bremstrommelwärme die Wärmeenergie beschleunigt ins Reifeninnere geleitet würde. Dies ist in jedem Fall nachteilig und daher zu vermeiden.

Auf besonders einfache und wirkungsvolle Weise lässt sich eine höhere Wärmeleitfähigkeit dadurch erzielen, dass das bzw. die Kemprofil(e) und/oder das bzw. die Wulstprofil(e) aus Kautschukmischungen hergestellt sind, welche Acetylenruß enthalten.

Aus den oben erwähnten Gründen sollten bei einem erfindungsgemäß ausgeführten Reifen das Hornprofil und/oder die Seitenwand aus Kautschukmischungen hergestellt sein, die entweder keinen Anteil an Acetylenruß oder maximal 15 Gewichtsteile Acetylenruß, bezogen auf 100 Gewichtsteile Kautschuk in der Mischung, enthalten.

Von besonderer Wirksamkeit ist dabei, in dem mit dem Wulstkern in Kontakt stehenden Kernprofil einen Anteil an Acetylenruß vorzusehen, welcher 35 bis 100 Gewichtsteile, bezogen auf 100 Gewichtsteile Kautschuk in der Mischung, beträgt. Das bzw. die Wulstprofil(e) sowie das zumindest eine weitere Kernprofil sollten zwischen 22 und 60 Gewichtsteile Acetylenruß, bezogen auf 100 Gewichtsteile Kautschuk in der Mischung, enthalten.

Die Rissbeständigkeit und das Abriebverhalten jener Bauteile, die Acetylenruß in ihrer Ausgangsmischung enthalten, lässt sich durch eine Kombination mit Furnaceruß verbessern, wobei der Anteil an Acetylenruß zwischen 40 und 60 % des gesamten Rußanteiles, mindestens 22 Gewichtsteile, bezogen auf 100 Gewichtsteile Kautschuk in der Mischung, betragen sollte. Als besonders wirksam haben sich dabei Fumaceruße des Typs N 326 und des Typs N 339 herausgestellt.

Die Gummierungsmischungen für die in Kontakt mit dem oder einem der Kernprofil(e) oder mit dem bzw. einem der Wulstprofil(e) stehenden Festigkeitsträgerlagen, insbesondere die Karkasseinlage und/oder die zumindest eine Wulstverstärkerlage, sollten höchstens 15 Gewichtsteile Acetylenruß, bezogen auf 100 Gewichtsteile Kautschuk in der Mischung, enthalten. Eine gewisse Abrieb- und Rissbeständigkeit dieser Gummierungsmischungen sollte in jedem Fall aufrecht erhalten bleiben.

Es ist günstig, einen direkten Kontakt der Festigkeitsträger enthaltenden Lagen, mit erfindungsgemäß ausgeführten Kernprofilen oder Wulstprofilen zu vermeiden. Es ist daher vom Vorteil, wenn die Ränder dieser Lagen, insbesondere der Karkasseinlage und/oder der Wulstverstärkerlage mit Abdeckstreifen umhüllt sind, die keinen Acetylenruß oder maximal 15 Gewichtsteile Acetylenruß, bezogen auf 100 Gewichtsteile Kautschuk in ihrer Gummierungsmischung, enthalten. Die niedrigere Rissbeständigkeit der Acetylenruß enthaltenden Bauteile - Kernprofil(e) und/oder Wulstprofil(e) - lässt sich durch bestimmte Kautschuktypen zumindest zum Teil kompensieren. Die Kautschukmischungen für diese

Bauteile sollten daher zwischen 55 bis 100 Gewichtsteile Naturkautschuk, bis zu 35 Gewichtsteile Butadienkautschuk und gegebenenfalls bis zu 10 Gewichtsteile eines weiteren Kautschuks, jeweils bezogen auf 100 Gewichtsteile Kautschuk in der Mischung, enthalten.

Eine gute Reißfestigkeit wird ferner dadurch unterstützt, dass die Kautschukmischungen für das bzw. die Kernprofil(e) und/oder das bzw. die Wulstprofil(e) einen Anteil an Schwefel enthalten, der zwischen 0,5 bis 2,5 mal so hoch ist wie der Anteil an Beschleuniger.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der

Zeichnungen, die einige Ausführungsbeispiele darstellen, näher beschrieben. Dabei zeigen

Fig. 1 bis Fig. 3 jeweils einen Querschnitt durch einen Wulstbereich eines Fahrzeugluftreifens mit je einer Ausführungsform der Erfindung.

In den Zeichnungsfiguren sind auch Reifenbauteile dargestellt, die in Bereiche außerhalb der dargestellten Wulstbereiche hinein verlaufen. Zu diesen Bauteilen gehören eine Innenschicht 3, eine Seitenwand 2 und eine Karkasseinlage 4, welche aus gummierten Festigkeitsträgern aus Textil- oder Stahlkord besteht. Die Karkasseinlage 4 umläuft von radial innen nach radial außen einen Wulstkern 6 aus zugfesten Stahlseilen und endet, den sogenannten Karkasshochschlag 4a bildend, zwischen einem Kernprofil 9 und einem Wulstprofil 10. Der Wulstkern 6 ist in mit einem entlang der Karkasseinlage 4 verlaufenden Wulstschutzstreifen 7 aus einer gummierten Gewebelage und einem Kernprofil 8 in Kontakt. Entlang der Außenseite der Karkasseinlage 4 verläuft im Wulstbereich eine Wulstverstärkerlage 5 aus gummierten Festigkeitsträgern aus einem textilen Material, welche axial außerhalb des Kernes 6 zwischen dem Wulstprofil 10 und einem weiteren, im Querschnitt streifenförmigen Wulstprofil 11 verläuft und bei der dargestellten Ausführungsform radial außerhalb des Karkasshochschlages 4a endet. Die beiden Kernprofile 8, 9 und die beiden Wulstprofile 10, 11 bestehen aus Gummimischungen.

Die Innenschicht 3 verläuft zwischen der Wulstverstärkerlage 5 und einem Gummiprofil 12, welches radial innerhalb des Kernes 6 zwischen der Wulstverstärkerlage 5 und einem

Hornprofil 1 verläuft. Das Homprofil 1 bildet jenen Teil des Wulstes, welcher die Wulstzehe aufweist und in Kontakt mit der nicht dargestellten Felge kommt, auf welcher der Fahrzeugreifen montiert wird. Axial außerhalb des Kernes 6 endet das Hornprofil 1 zwischen dem Wulstprofil 11 und dem radial inneren Ende der Seitenwand 2.

Diese Anordnung der Reifenbauteile ist beispielhaft, nicht Gegenstand der Erfindung und kann auch abweichend ausgeführt sein.

Gemäß der Erfindung weist die Gummimischung für das Kernprofil 8 eine um 20 % höhere Wärmeleitfähigkeit auf als die Gummimischung für das Hornprofil 1. Die

Wärmeleitfähigkeit der Gummimischungen für das Kernprofil 9 und/oder das Wulstprofil 10 und/oder das Wulstprofil 11 ist um mindestens 20 % höher als jene der Gummimischung für die Seitenwand 2.

Es gibt eine Anzahl technischer Möglichkeiten, die Wärmeleitfähigkeit einer

Kautschukmischung zu erhöhen, wie beispielsweise der Zusatz von Metall Partikeln oder deren Oxiden bzw. Nitriden. Besonders effektiv ist der Einsatz von Acetylenruß.

Acetylenruß wird durch thermische Zersetzung von Acetylen hergestellt und zeichnet sich durch eine hohe spezifische Oberfläche, einen überdurchschnittlichen Anteil an graphitähnlichen Strukturen und einen sehr niedrigen Gehalt an sauerstoffhaltigen Gruppen aus. Acetylenruße weisen in der Regel eine DBP-Zahl (Dibutylphthalat-Zahl) gemäß ASTM-D 2414 zwischen 150 und 260 cm ³ /100g und eine Jodadsorptionszahl gemäß ASTM-D 1510 größer 85 g/kg auf. Die Teilchendurchmesser der Primärpartikel liegen zwischen 30 und 45 nm.

Die größte Wirksamkeit bei der Verteilung der Wärme wird mit solchen Kautschukmischungen für die Kernprofile 8, 9 und/oder die Wulstprofile 10, 11 erreicht, die als Füllstoff ausschließlich Acetylenruß beinhalten. Sehr gute Ergebnisse lassen sich mit einer Kautschukmischung für das Kernprofil 8 erzielen, deren der Anteil an Acetylenruß zwischen 35 und 100 Gewichtsteile, bezogen auf 100 Gewichtsteile Kautschuk in der Mischung, beträgt. Die Kautschukmischungen für das Kernprofil 9 und die Wulstprofile 10 und 11 enthalten gemäß der Erfindung zwischen 22 und 60 Gewichtsteile Acetylenruß, bezogen auf 100 Gewichtsteile Kautschuk in der jeweiligen Mischung.

In Versuchen hat sich herausgestellt, dass eine Optimum an Wulsthaltbarkeit dann erreicht wird, wenn ein Füllstoffmix aus zumindest einem üblichen Furnaceruß und Acetylenruß verwendet wird. Das Verhältnis Acetylenruß zu Furnaceruß wird derart gewählt, dass 40 bis 60 % des Rußanteiles Acetylenruß bei mindestens 22 Gewichtsteilen Acetylenruß, und dementsprechend 40 bis 60 % des Rußanteiles Furnaceruß ist. Die Furnaceruße, die in einer derartigen Rußkombination eingesetzt werden, sollten insbesondere einer Rissbildung und einem Risswachstum entgegen wirken und bei einer dynamischen Beanspruchung des Reifens zu einem nicht zu starken Hystereseverlust des jeweiligen Bauteils führen. Im Rahmen der Erfindung eignen sich vor allem

Furnaceruße mit einer Jodadsorption von 65 bis 180 g/kg und einer DBP-Absorption von 70 bis 180 cm ³ /100g. Besonders geeignet sind beispielsweise Ruße der Typen N 326 und N 339. Neben dem erwähnten Rußmix können weitere Füllstoffe, beispielsweise Kieselsäure, gegebenenfalls in Kombination mit Organosilanen, eingesetzt werden.

Die durch den Anteil an Acetylenruß in der Mischung bedingte niedrigere

Rissbeständigkeit der Bauteile kann zum Teil durch den Einsatz von Naturkautschuk in einem Anteil von 55 bis 100 Gewichtsteilen kompensiert werden. Neben Naturkautschuk kann als zweite Kautschukkomponente Butadienkautschuk eingesetzt werden, da diese Kautschuktype bei niedrigen Dehnamplituden eine hervorragende Rissfestigkeit und

Weiterreißfestigkeit aufweist. Der maximale Anteil an Butadienkautschuk kann bis zu 35 Gewichtsteile, bezogen auf 100 Gewichtsteile Kautschuk in der Mischung, betragen. Neben den erwähnten Kautschuken, Naturkautschuk und Butadienkautschuk, können in den Mischung weitere Kautschuktypen in kleineren Mengen eingesetzt werden, beispielsweise Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) und Isoprenkautschuk (IR), deren Gesamtanteil 10 Gewichtsteile, bezogen auf 100 Gewichtsteile Kautschuk in der Mischung, nicht überschreiten sollte.

Um eine gute Rissbeständigkeit und Weiterreißfestigkeit zu unterstützen, ist es von Vorteil, als Vulkanisationssystem ein Schwefel-Beschleuniger-System zu verwenden, bei dem der Schwefelanteil zwischen 0,5 und 2,5 mal so hoch ist wie der Anteil an Beschleuniger. Als Schwefelspender können dabei beispielsweise Thiuramderiate oder Morpholinderivate verwendet werden.

Wegen der geringeren Reißfestigkeit von Mischungen mit Acetylenruß als Füllstoff sollten die Bauteile aus diesen Mischungen nicht unmittelbar in Kontakt zu Festigkeitsträgern treten. Daher sollten die Gummierungsmischungen der betreffenden, Festigkeitsträger enthaltenen Bauteile keinen Acetylenruß enthalten oder höchstens 15 Gewichtsteile Acetylenruß, bezogen auf 100 Gewichtsteile Kautschuk in der jeweiligen Mischung. Die hier angesprochenen Gummierungsmischungen sind vor allem jene für die Wulstverstärkerlage 5 und die Karkasseinlage 4.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsvariante eines Wulstbereiches unterscheidet sich von jener gemäß Fig. 1 lediglich darin, dass ein einziges Kernprofil 8', welches den Platz der beiden Kernprofilen 8, 9 der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsvariante, einnimmt, vorgesehen ist. Bezüglich seiner Mischungszusammensetzung stimmt das Kernprofil 8 ¹ vorzugsweise mit dem Kernprofil 8 überein.

Fig. 3 zeigt eine ebenfalls im Wesentlichen Fig. 1 entsprechende Ausführungsform, bei welcher der Endabschnitt des Hochschlages 4a der Karkasseinlage 4 und das Ende der Wulstverstärkerlage 5 durch einen im Wesentlichem U-förmigen Abdeckstreifen 12 bzw. 13 aus einem gummierten Gewebe abgedeckt sind. Die Streifen 12 bzw. 13 beinhalten entweder keinen Anteil an Acetylenruß oder maximal 15 Gewichtsteile, bezogen auf 100 Gewichtsteile Kautschuk in der jeweiligen Gummierungsmischung.

Tabelle 1 enthält Mischungsbeispiele für die Kernprofile 8, 8 ^' und 9 sowie die Wulstprofile 10 und 11. Die angegebenen Mengen sind Gewichtsteile, die jeweils auf 100 Gewichtsteile Kautschuk in der Mischung bezogen sind. Die mit „Basis" bezeichneten Mischungen enthalten keinen Acetylenruß, die Mischungen M1 , M2, M3, M4 sind gemäß der Erfindung ausgeführt. Die Mischungen für die Seitenwand und das Homprofil entsprechen herkömmlichen Mischungen. Aus den Mischungen wurden Prüfkörper durch Vulkanisation bei 160 ⁰ C hergestellt. Mit diesen Prüfkörpern wurden einige für die Kautschukindustrie typische Materialeigenschaften, deren Werte in der Tabelle 2 enthalten sind, bestimmt. Für die Tests an den Prüfkörpern wurden folgende Testverfahren angewandt:

• Zugfestigkeit bei Raumtemperatur gemäß DIN 53 504

• Reißdehnung bei Raumtemperatur gemäß DIN 53 504

• Statischer Modul (Spannungswerte) bei 100%, 200% und 300 % Dehnung bei Raumtemperatur gemäß DIN 53 504

Shore-A-Härte bei Raumtemperatur und bei 70 ⁰ C gemäß DIN 53 505 Rückpraüelastizität bei Raumtemperatur gernäß DIN 53 512 Bruchenergiedichte bestimmt im Zugversuch nach DIN 53 504, wobei die Bruchenergiedichte die bis zum Bruch erforderliche Arbeit, bezogen auf das Volumen der Probe, ist

Wärmeleitfähigkeit mit dem Gerät Kerntherm QTM-D3-PD3 der Firma Kyoto Electronics gemäß DIN 52 612 Graves-Weiterreißversuch gemäß DIN 53 313

Tabelle 1

Tabelle 2