FAHRZEUGLUFTREIFEN MIT CAP/BASE LAUFFLäCHE

Beschreibung

FAHRZEUGLUFTREIFEN

Die Erfindung betrifft einen Fahrzeugluftreifen, insbesondere einen Nutzfahrzeugreifen, mit einem Laufstreifen, welcher eine Laufstreifencap und eine Laufstreifenbase aufweist, welche jeweils aus einer Kautschukmischung hergestellt sind, und mit zumindest einem mehrlagigen Gürtelverband mit zumindest einem die Gürtelkanten abdeckenden und diese von der Laufstreifenbase trennenden Undertread-Streifen hergestellt aus einer Kautschukmischung.

Beim Gebrauch bzw. Betrieb eines Reifens wird durch die auftretenden Walk- und Fliehkräfte und durch die damit verbundenen dynamischen Verformungen aufgrund des Hystereseverlustes der vulkanisierten Gummimischungen im Reifen thermische Energie entwickelt, die nur sehr schlecht abgeführt wird. Insbesondere in der Nähe der Gürtelkanten tritt eine deutliche Wärmeentwicklung verbunden mit einer erhöhten Temperatur auf. Dies führt zu einer Beeinträchtigung der Reifenhaltbarkeit und der Runderneuerungsfähigkeit des Reifens. Infolge des Modulsprunges an den

Festigkeitsträgerenden (Gürtelkanten), den auftretenden hohen Verformungen und den damit einhergehenden mechanischen Belastungen sind die Gürtelkanten auch hohen strukturellen Belastungen ausgesetzt. Die Beanspruchungen und Belastungen können Gürtelkantenlockerungen und Gürtelkantenablösungen zur Folge haben, die nicht nur die Runderneuerungsfähigkeit beeinträchtigen, sondern auch zu einer kompletten Gürtelablösung bis zur Zerstörung des Reifens führen können.

Bei Reifen, die besonderen Temperaturbelastungen ausgesetzt sind, ist es Stand der Technik, den Laufstreifen in eine Cap und eine Base zu teilen. Die Kautschukmischung für die Laufstreifenbase hat dabei die Aufgabe, den Wärmeaufbau zu reduzieren.

üblicherweise werden daher in der Kautschukmischung für die Laufstreifenbase Ruße eingesetzt, die eine geringere Aktivität (eine geringere BET-Oberfläche und eine geringere CTAB-Oberfläche) aufweisen als jene Ruße, die in der Mischung für die Laufstreifencap eingesetzt werden. üblicherweise ist ferner der gesamte Füllstoffgehalt in

der Basemischung niedriger als jener in der Capmischung. Daher ist häufig auch die Härte der Laufstreifenbase geringer als die Härte der Laufstreifencap.

Aus der DE-OS 1755301 ist es bekannt, die Temperaturentwicklung im Fahrzeugluftreifen und insbesondere in der Lauffläche zu verringen, indem der Fahrzeugluftreifen - und insbesondere die Reifenlauffläche - homogen in den Kautschuk eingearbeitet Graphit enthält. Ein Laufstreifen, der in seiner Gesamtheit aus einer Graphit enthaltenden Kautschukmischung hergestellt ist, ermöglicht somit durch seine verbesserte Wärmeleitfähigkeit bei früher üblichen Diagonalreifen eine Erniedrigung der Temperatur in den Schultern des Laufstreifens. Die Zugabe von Graphit zu Kautschukmischungen speziell für Laufstreifen hat aber zur Folge, dass sich die Eigenschaften der vulkanisierten Mischungen verändern. Durch die Einmischung von Graphit in Kautschukmischungen für Laufstreifen werden beispielsweise der Nassgriff, der Trockengriff und vor allem der Abrieb negativ beeinflusst. Dies ist unter anderem auf die Gleiteigenschaften der Graphitpartikel zurückzuführen.

In der EP-A-1 031 441 wird zur effektiven Absenkung der Temperatur von Gummimischungen im gürtelnahen Bereich von Fahrzeugluftreifen vorgeschlagen, am Profilrillengrund und/oder im Bereich der Reifenschultern eine Gummimischung anzuordnen, deren Wärmeleitfähigkeit um mindestens 5% höher ist als die

Wärmeleitfähigkeit der sie umgebenden Gummimischungen. Zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit der Mischungen werden neben Ruß Füllstoffe wie Aluminium, Magnesium, Kupfer, Zinn, Nickel oder metallenthaltende Substanzen wie zum Beispiel Zinkoxid, Aluminiumhydroxid und dergleichen als Zuschlagstoffe vorgeschlagen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine besonders wirksame Maßnahme zur

Reduktion der auftretenden Temperatur- und Wärmeentwicklung im Bereich der Gürtelkanten aufzufinden, ohne die mechanischen Eigenschaften in diesen Bereichen, insbesondere die Risseigenschaften, zu reduzieren und ohne den Abrieb des Laufstreifens zu verschlechtem.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass die Laufstreifenbase eine um mindestens 20 % höhere Wärmeleitfähigkeit als die Laufstreifencap und eine um mindestens 10 % höhere Wärmeleitfähigkeit als der bzw. die Undertread-Streifen aufweist.

Bei der Erfindung ist daher völlig überraschend, dass die an den Gürtelkanten generierte Wärmeenergie nicht durch einen bis nach außen durchgehenden Verlauf einer wärmeleitfähigen Komponente abgeführt werden muss. Die Wärmeentwicklung im Bereich der Gürtelkanten und damit das Auftreten von sehr hohen Temperaturen finden nur in relativ kleinen, lokalen Bereichen statt. Die bisherige Vorstellung war, dass diese Wärme nach außen abgeführt werden muss, um den Reifen effektiv kühlen zu können. überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass eine innere Verteilung der auftretenden Wärme auf mechanisch weniger beanspruchte Bauteile durchaus ausreicht, um die Gürtelkantenhaltbarkeit deutlich zu verbessern. überraschend ist ferner, dass nicht unbedingt jedes Reifenbauteil, das unmittelbar an die Gürtelkanten angrenzt, eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit aufweisen muss. Es reicht für eine deutliche Verbesserung der Haltbarkeit des Reifens aus, wenn die Laufstreifenbase gegenüber der Laufstreifencap und dem Undertread-Streifen die erwähnte erhöhte Wärmeleitfähigkeit besitzt. Damit ist gleichzeitig eine gute Reißfestigkeit an den Gürtelkanten gewährleistet.

Auf eine besonders einfache und wirksame Weise lässt sich die höhere Wärmeleitfähigkeit der Laufstreifenbase durch den Einsatz von Acetylenruß in der Ausgangsmischung erzielen. Dabei enthält die Laufstreifenbase mindestens 25 Gewichtsteile, insbesondere zwischen 42 und 60 Gewichtsteilen Acetylenruß, bezogen auf 100 Gewichtsteile Kautschuk in der Ausgangsmischung.

Für die Rissbeständigkeit der Laufstreifenbase ist es günstig, wenn ihre Shore-A Härte um höchstens zwei Punkte niedriger ist als jene der Laufstreifencap. Diese Maßnahme verhindert unerwünschte Spannungskonzentrationen und vermeidet vor allem Ermüdungsrissbildungen in der Laufstreifenbase.

Die Rissbeständigkeit der Laufstreifenbase lässt sich ferner durch die Verwendung bestimmter Kautschuktypen günstig beeinflussen. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Laufstreifenbase aus einer Kautschukmischung hergestellt ist, welche 55 bis 100

Gewichtsteile Naturkautschuk, bis zu 35 Gewichtsteile Butadienkautschuk und bis zu 10 Gewichtsteile zumindest eines weiteren Kautschuks, jeweils bezogen auf 100 Gewichtsteile Kautschuk in der Mischung, enthält.

Eine weitere in diesem Zusammenhang vorteilhafte Maßnahme besteht darin, dass die Laufstreifenbase aus einer Kautschukmischung hergestellt wird, deren Schwefelanteil zwischen dem 0,5 bis 2,5-fachen des Beschleunigeranteiles beträgt.

Der bzw. die Undertread-Streifen werden bevorzugt aus einer Kautschukmischung hergestellt, welche ein Stahlkordhaftsystem enthält. Diese Maßnahme begünstigt eine gute Haftung des bzw. der Undertread-Streifen zu den Stahlkordschnittkanten der Gürtellagen.

In Folge ihrer etwas schlechteren Abriebeigenschaften sollte die Laufstreifenbase im Reifen derart angeordnet sein, dass sie komplett im Inneren des Reifens liegt und nicht bis in die seitlichen Außenbereiche des Reifens reicht.

Die Abriebbeständigkeit der Laufstreifenbase kann dadurch erhöht werden, dass neben Acetylenruß zwischen 5 und 20 Gewichtsteile eines Rußes des Typs N 326 und/oder eines Rußes des Typs N 339 verwendet wird.

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

Fig. 1 und Fig. 2 Teilquerschnitte durch einen Reifen im Bereich des Laufstreifens und des Gürtels mit zwei unterschiedlichen Ausführungsvarianten der Erfindung.

Die Zeichnungsfiguren zeigen im Querschnitt einen der oberen Seitenwandbereiche und den an diesen anschließenden Laufstreifenbereich eines Nutzfahrzeugreifens. Die dargestellten üblichen Bauteile des Reifens sind Standardkonstruktionen, beispielsweise die Karkasseinlage 2, welche insbesondere mit Stahlkorden als Festigkeitsträgern versehen ist, die luftdichte Innenschicht 1 , der aus vier Lagen 3, 4, 5 und 6 bestehende Gürtelverband und die Seitenwand 10. Zwischen dem Gürtelverband, der Karkasseinlage 2 und der Seitenwand 10 ist ein Schulterpolster 11 eingebracht. Der Laufstreifen besteht aus einer Laufstreifencap 9 und einer Laufstreifenbase 8, die Ränder der Gürtellagen 4, 5 und 6 sind mit einem Undertread-Streifen 7 (Fig.1 ) bzw. T (Fig. 2) bedeckt. Nicht dargestellte Reifenbauteile, beispielsweise die Wulstbereiche, können in bekannter Weise ausgeführt sein.

Bei der dargestellten Ausführungsform weist die vierte, radial äußerste Gürtellage 6 die geringste Breite von allen Lagen auf und ist die sogenannte Schutzlage, die vergleichsweise weit von den Schulterbereichen des Reifens entfernt bereits endet. Die erste Gürtellage 3 ist die sogenannte Sperrlage, die zweite Gürtellage 4 und dritte Gürtellage 5 sind die sogenannten Arbeitslagen. Sämtliche Gürtellagen 3, 4, 5 und 6 bestehen aus in eine Gummimischung, der Gürtelgummierung, eingebetteten Festigkeitsträgern, insbesondere aus Stahlkord. Die Stahlkorde verlaufen in jeder der Lagen 3, 4, 5, und 6 jeweils parallel zueinander, schließen jedoch mit Umfangsrichtung des Reifens einen Winkel ein. Dieser Winkel beträgt für die Stahlkorde der vierten Gürtellage 6 im Allgemeinen 5° bis 25°, für die Stahlkorde der zweiten und der dritten

Gürtellage 4, 5 zwischen 15° und 25°, wobei die Stahlkorde der Gürtellagen 4, 5 einander kreuzen, und für die Stahlkorde der ersten Gürtellage 3 zwischen 45° und 70°. Zwischen den seitlichen Randabschnitten der zweiten und der dritten Gürtellage 4, 5 ist ein Gürtelpolster 12 aus einer Gummimischung eingebracht. Das obere Ende der Seitenwand 10 überlappt seitlich die Laufstreifencap 9. Der üblicherweise als Undertread bezeichnete Abdeckstreifen 7, 7', welcher die Randabschnitte der Gürtellagen 5, 6, den Gürtelpolster 12 und die Kante der Gürtellage 4 abdeckt, besteht aus einer Gummimischung und verhindert einen direkten Kontakt der Gürtelkanten der Gürtellagen 4, 5 und 6 mit der Laufstreifenbase 8. Weitere Gürtelkonstruktionsvarianten mit 3 bis 5 Gürtellagen oder 4- oder 5-lagige Varianten mit Gürtellagenwinkeln ausschließlich zwischen 5° und 25° sind für einen Einsatz möglich. Auch Gürtelvarianten, bei denen eine oder zwei Lagen ein Winkel von 0° bis 5° aufweisen, sind einsetzbar.

Die Laufstreifenbase 8 erstreckt sich radial innerhalb der Cap 9 seitlich bis zu den Seitenwänden 10 und weist eine im Wesentlichen konstante Stärke auf, die mindestens 1 mm, maximal bis zu 8 mm beträgt. Die Laufstreifenbase 8 wird aus einer besonders wärmeleitfähigen Kautschukmischung hergestellt, ihre Wärmeleitfähigkeit ist um mindestens 20 % höher ist als die Wärmeleitfähigkeit der Laufstreifencap 9. Gegenüber der Kautschukmischung, die für den Undertread-Streifen 7, T verwendet wird, weist die Laufstreifenbase 8 eine um mindesten 10 % höhere Wärmeleitfähigkeit auf.

Die Wärmeleitfähigkeit der Laufstreifenbase 8 wird durch den Einsatz von Acetylenruß als Füllstoff erzielt. Der Anteil an Acetylenruß in der Mischung für die Base 8 beträgt mindestens 25 Gewichtsteile, bezogen auf 100 Gewichtsteile Kautschuk in der Mischung.

Dabei kann neben Acetylenruß zumindest ein weiterer Rußtyp eingesetzt werden. Der gesamte Anteil an Ruß sollte mindestens 40 Gewichtsteile, bezogen auf 100 Gewichtsteile Kautschuk in der Mischung, betragen. Um die maximale Wärmeleitfähigkeit der Laufstreifenbase 8 zu erreichen, kann ausschließlich Acetylenruß eingesetzt werden. Der optimale Anteil an Acetylenruß in der Mischung beträgt zwischen 42 und 60 Gewichtsteilen.

Acetylenruß wird durch thermische Zersetzung von Acetylen hergestellt und zeichnet sich durch 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 /100 g und eine Jodadsorptionszahl gemäß ASTM-D 1510 größer 85 g/kg auf. Die Teilchendurchmesser der Primärpartikel liegen zwischen 30 und 45 nm.

Die der Laufstreifenbase-Mischung gegebenenfalls zugesetzten weiteren Ruße sind vorzugsweise abriebbeständige Ruße, deren Anteil 5 bis 20 Gewichtsteile beträgt. Hochabriebbeständige Ruße sind Furnace - Ruße, die sich durch eine hohe Struktur bei geringer Teilchengröße auszeichnen. Diese Ruße weisen eine Jodadsorptionszahl von 75 bis 105 g/kg und eine die DBP- Zahl von 60 bis 160 cm ³ /100 g auf. In Frage kommen insbesondere Ruße des Typs N 326 oder des Typs N 339.

Da Acetylenruß die Risseigenschaften der Laufstreifenbase 8 verringert, sollte die Shore A Härte der Laufstreifenbase 8 um höchstens 2 Punkte niedriger sein als jene der Laufstreifencap 9. Diese Maßnahme verhindert unerwünschte Spannungskonzentrationen in der Lauftstreifenbase 8 beim Betrieb des Reifens und vermeidet

Ermüdungsrissbildungen in der Laufstreifenbase 8. Die Härte der Laufstreifenbase 8 sollte zwischen Shore-A 55 und Shore-A 70 betragen.

Die niedrigere Rissbeständigkeit der Laufstreifenbase 8 kann ferner durch den Einsatz von Naturkautschuk etwas kompensiert werden. Neben Naturkautschuk kann als zweite Kautschukkomponente in der Mischung für die Laufstreifenbase 8 Butadienkautschuk eingesetzt werden, da dieser Kautschuktyp bei niedrigen Dehnamplituden eine hervorragende Rissfestigkeit und Weiterreissfestigkeit aufweist. Der Anteil an Butadienkautschuk sollte dabei 35 Gewichtsteile nicht übersteigen. Neben Naturkautschuk und Butadienkautschuk können grundsätzlich weitere Kautschuktypen in

eher kleinen Mengen zugesetzt werden, beispielsweise Styrol-Butadien-Copolymer (SBR ₁ E-SBR, S-SBR), synthetisches Polyisopren (IR) und Polybutadien (BR), wobei der Gesamtanteil an weiteren Kautschuktypen 10 Gewichtsteile nicht überschreiten sollte.

In der Kautschukmischung für die Laufstreifenbase 8 wird als Vulkanisationssystem ein Schwefel-Beschleuniger-System verwendet, bei dem der Schwefelanteil 0,5 bis 2,5 mal so hoch ist wie der Beschleunigeranteil. Als Schwefelspender können dabei beispielsweise Thiuramderivate oder Morpholinderivate verwendet werden. Infolge der geringen Reißfestigkeit der Laufstreifenbase 8 sollte ein unmittelbarer Kontakt der Laufstreifenbase 8 zu den Schnittkanten der Korde in den Gürtellagen 3 bis 6 vermieden werden. Der Undertread-Streifen 7, T verhindert einen direkten Kontakt und wird bevorzugt aus einer Kautschukmischung gefertigt, die eine hohe Reißfestigkeit sicher stellt. Die Kautschukmischung für den Undertread- Streifen 7, T sollte entweder keinen Acetylenruß enthalten oder nur einen kleinen Anteil an Acetylenruß von maximal 15 Gewichtsteilen. Der Undertread-Streifen 7, T weist eine im Wesentlichen konstante

Stärke von 0,1 bis 3 mm auf. Dabei kann, wie es Fig. 1 zeigt, vorgesehen werden, dass jeweils ein Streifen 7 im Wesentlichen lediglich die Randbereiche der Gürtellagen 4, 5, und 6 abdeckt, es kann jedoch vorgesehen sein, dass der Streifen 7' über die gesamte Breite des Gürtels bzw. Laufstreifens verläuft, wie es in Fig. 2 gezeigt ist.

Eine gute Haftung der Undertread- Streifen 7, T zu den Stahlkordsschnittkanten in den

Gürtellagen 4, 5, und 6 wird durch den Einsatz eines Stahlkordhaftsystems in der Kautschukmischung für die Undertread-Streifen 7, T sicher gestellt. Die erwünschte Stahlkordhaftung kann dabei durch einen hohen Schwefelanteil, durch den Zusatz von Kobaltsalzen in Kombination mit Harzsystemen (beispielsweise Resorcinol,

Hexamethylentetramin, Hexamethoxymelamin), durch einen Anteil an Kieselsäure (Silika), und durch den Einsatz haftvermittelnder Substanzen, wie Kolophonium oder Koresin, erzielt werden. Der in Folge des Stahlkordhaftsystems höhere Wärmeaufbau in der Mischung des Streifens 7, T wird in jedem Fall durch die hohe Wärmeleitfähigkeit der Laufstreifenbase 8 mehr als kompensiert.

Infolge der geringen Rissfestigkeit und der etwas schlechteren Abriebeigenschaften der Laufstreifenbase 8 erstreckt sich diese, wie in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt ist, nicht bis in die seitlichen Außenbereiche des Reifens.

Tabelle 1 enthält ein Mischungsbeispiel (M1 ) für eine typische Laufstreifencap-Mischung und zwei Mischungsbeispiele (M2 und M3) einer erfindungsgemäß ausgeführten Laufstreifenbase-Mischung. Die angegebenen Mengen sind Gewichtsteile (phr), die auf 100 Gewichtsteile Kautschuk in der Mischung bezogen sind. Aus den Mischungen wurden Prüfkörper durch Vulkanisation bei 160 ⁰ C hergestellt. Mit diesen Prüfkörpern werden 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° Celsius gemäß DIN 53 505

• Rückprallelastizität bei Raumtemperatur und bei 70° Celsius gemäß 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 (Ausgangstemperatur: Raumtemperatur) • Graves-Weiterreißversuch gemäß DIN 53 515

Tabelle 1

Tabelle 2