DE10050595A1 - Aktoren zur Neutralisation profilbedingter Reifenschwingungen - Google Patents

Abstract

Durch die Profilteilung werden beim Abrollvorgang periodische Wechselkräfte im Reifen freigesetzt. Diese induzieren Schwingungen in der Reifenkarkasse und sind die Ursache des profilbedingten Lärms und Rollwiderstandes. Ziel ist es, diese Schwingungen a priori durch gesteuerte Interferenz auszulöschen. Im allgemeinen Fall sind nach der Antischalltechnik, bzw. nach ANC (= active vibration control) dazu Sensoren, Regler und Aktoren notwendig. Mit der Beschränkung auf die profilbedingten und damit determinierten Reifenverformungen veeinfacht sich die Antischallauslöschung auf eine Steuerung, bei der die Aktoren durch den Abrollvorgang selbst synchronisiert und angetrieben werden, so daß kein Sensor- und Reglerteil notwendig ist. Vorgeschlagen werden passive, reaktiv wirkende Aktoren. Zum Betrieb der Aktoren wird einmal die Fliehkraftdifferenz zwischen freiem und aufliegenden Reifen oder die Verformung im Ein- und Auslauf benützt. Wenn es darum geht, die zwischen Positiv- und Negativprofil unterschiedlichen Zentrifugalkräfte auszugleichen werden nach Fig. 1a an die Innenseite der Reifenkarkasse 11 im Bereich der Negativprofile 12 Aktoren 13 angebracht. Diese bestehen aus Gummi oder auch Metall und sind so verteilt, daß sie den Massendefekt der Negativprofile kompensieren. Effektiver sind Aktoren die aufgrund ihrer Biegesteifigkeit wirken. Mit diesen lassen sich die Störkräfte im Bereich der Aufstandsfläche ausschalten.

Description

Gegenstand der Erfindung sind am Reifen angebrachte Aktoren, mit denen ein Kräfte- und Momentenfeld an der Reifenkarkasse erzeugt wird, das nach der Lehre der Antischalltechnik die durch die Profildiskontinuität induzierten Reifenschwingungen kollokal am Entstehungs­ ort auslöscht. Ziel ist es, die Lärmabstrahlung des Reifens herabzusetzen, den Rollwiderstand zu verkleinern und die Laufleistung zu erhöhen.

Die dominanten Lärmursachen beim Pkw sind Motor und Reifen. Durch die Fortschritte in der Motorentechnik überwiegt jetzt - vor allem bei Schnellfahrt - der durch die Straßentextur und die Profilsegmentierung induzierte Reifenlärm. Auch wenn der von Straßenunebenheiten herrührende Lärmanteil größer ist, so ist es doch eine Herausforderung, den profilbedingten Reifenlärm zu minimieren.

Es ist bekannt, daß ein Reifen mit nur umlaufenden Profilrillen das akustische Optimum dar­ stellt, dazu konträr verlangen die höherrangigen Merkmale wie Fahrsicherheit, Traktion und Aquaplaning eine Querstrukturierung der Profilstollen. Mit den modernen Profilkonstruktio­ nen konnten zwar beachtliche Lärmsenkungen erreicht werden, solange aber querorientierte Reifenstollen vorhanden sind, solange muß ein profilbedingter Reifenlärm in Kauf genommen werden. Aus EP 0 590 375 A1 ist bekannt, die Dichte und Tiefe von Einschnitten entlang der Laufrichtung zu variieren, damit ein Aufweichung im Klotzbereich erreicht wird, um so Ab­ rieb und Lärmabstrahlung zu verbessern. Aus DP 34 23 705 ist bekannt, die Steifigkeitsdis­ kontinuitäten von Reifenprofilen zu kompensieren. Die bereits 1984 angesetzten Versuch mußten jedoch ergebnislos abgebrochen werden. Wie auch eine Nachrechnung zeigt, sind die Biegesteifigkeiten im Bereich von Positiv- und Negativprofil nur marginal verschieden. Wenn mit Einschnitten die Profilklötze in einzelne Lamellen unterteilt werden, verschwindet der Steifigkeitsunterschied ganz, so daß dieser Effekt nicht zur Lärmentstehung beiträgt und des­ wegen derartige Gegenmaßnahmen sogar kontraproduktiv sein können. - Ein sekundäres Mit­ tel um die Lästigkeit des Reifenlärms herabzusetzen, ist die allgemein praktizierte statistische Profilsegmentierung. Gegenüber der äquidistanten Teilung bleibt zwar die emittierte Schallei­ stung gleich, die Tonhaltigkeit, die das subjektive Lärmempfinden bis zu 3 dB(A) erhöht, wird dadurch ausgeschaltet. Weitere sekundäre Maßnahmen beziehen sich auf die Schall­ dämpfung im Reifentorus. Um die Tons-Resonanzen auszuschalten, sind in DP 29 46 273 (1979) und in EP 0 663 306 B1 (1995) praxisgerechte Schallabsorber vorgeschlagen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die durch Profildiskontinuitäten induzierten Reifenverformun­ gen und deren Köperschallabstrahlung a priori zu vermeiden. Dieses Ziel soll unabhängig von Fahrgeschwindigkeit, Beladung und Reifendruck und unabhängig von den straßenseitigen und atmosphärischen Gegebenheiten erreicht werden. Es ist mit Aufgabe, auch eine Anpassung an die Reifenabnützung und zusätzliche Nutzungen, z. B. Notlaufeigenschaft, Reifenschutz und Warnfunktion bei unzulässigen Betriebszuständen zu gewährleisten.

Ursache der profilbedingten Karkassenschwingungen und deren sekundäre Körperschallab­ strahlung (engl. Airborne noise) sind die unterschiedlichen Eigenschaften der Positiv- und Negativprofile. Es konnten drei relevanten Erregermechanismen aufgefunden werden. Zur Konstruktion der Gegenmaßnahmen wird deren Einfluß wie folgt abgeschätzt: (1). In Fahrt wirkt auf den freien Reifen eine Zentrifugalbeschleunigung b = u²/R = u² κ (u = Umfangsge­ schwindigkeit, R, (κ) = Radius, (Krümmung) des Reifens). Die Masse eines Positivprofils mit Höhe H, Breite B und Länge A und dem spezifischen Gewicht p äußert sich in dieser Phase durch eine Zentrifugalkraft K₁ = ρ HAB b. In der planen Aufstandsfläche mit der Krümmung κ = 0 ist die Beschleunigung b = 0, so daß hier kein zentrifugaler Kraftunterschied zwischen Positiv- und Negativprofil besteht. (2). Im Aufstandbereich überträgt nur das Positivprofil einen Aufstandsdruck p₀, so dass am Positivprofil eine zentripetale Kraft K₂ = - AB p₀ wirkt, während das Negativprofil unbelastet ist. Im Einlauf fällt die Zentrifugalkraft von K₁ auf Null und die Zentripetalkraft von Null auf -K₂. Im Auslauf sind die Verhältnisse umgekehrt. Das Negativprofil als Referenz ist in beiden Fällen kräftefrei. Schwingungsdynamisch ist dieser im Einlaufsbereich stattfindende Kraftwechsel von K₁ auf -K₂ näherungsweise durch eine Kraftamplitude K = (K₁ + K₂)/2 festgelegt. Bei einer Impedanz Z des Reifens induziert K eine Schnelleamplitude v = K/Z; diese breitet sich mit der (Biege)Wellengeschwindigkeit c über die Reifenoberfläche aus verursacht einen Rollwiderstand und strahlt sekundär Luftschall ab. Die Körperschalleistung N dieser Welle ist N = K²/2 c m'. (m' = Längenbezogenes Rei­ fengewicht in kg/m). Für Konstruktion und Auslegung relevant ist das Kräfteverhältnis K₁/K₂ = -ρ H v²/p₀ R. Bei dem Kraftwechsel von -K₂ auf K₁ im Auslauf sind die Verhältnisse invers analog. Im unteren Geschwindigkeitsbereichs und bei LKWs überwiegt die Zentripetalkraft K₂. - (3): Bei Traktion und Bremsung wirkt wieder nur auf die Positivprofile in der Aufstands­ fläche eine tangentiale Schubspannung τ. Bei einer Stollenfläche AB und einer Stollenhöhe H wirkt ein Moment M₃ = HABτ auf die Karkasse. Ein wechselndes Moment (genauer: den rot- Operator auf das Momentenfeld angewandt) ergibt wieder wechselnde Normalkräfte K₃ auf die Karkasse, vergleichbar den Kräften K₂. - Bei der Ableitung der Kräfte K₁, K₂ und K₃ wur­ de von der Karkasse als Referenz ausgegangen. Da die Negativprofile den kleineren Anteil ausmachen, ist es zweckmäßiger, das Vollprofil als Referenz zu wählen und das Negativprofil durch eine Defektmasse und Defektfläche zu beschreiben.

Hauptmerkmal der Erfindung sind am Reifen kraft- und momentschlüssig angebrachte Akto­ ren, die durch den Abrollvorgang aktiviert, im Reifen eine Antischwingung generieren, die nach der Vorschrift der Antischalltechnik nach Spektrum, Amplitude, Phase und Quellort antiphas eingestellt ist, dass die profilbedingten Reifenverformungen und -schwingungen di­ rekt am Entstehungsort durch destruktive Interferenz ausgelöscht werden. Gegenüber der elektronisch geregelten Schwingungsauslöschung (englisch: AVC = acitive vibration control) werden hier nur passive, auf Massen- und/oder Federwirkung beruhende Aktoren verwendet. Die Masse-Aktoren werden mit der Fliehkraftdifferenz zwischen freiem und aufliegendem Reifen betrieben. Die auf Federung basierenden Aktoren beziehen ihre Wirkung aus den Ver­ formungen an den Seiten der Aufstandsfläche, insbesondere im Ein- und Auslauf und schließlich aus dem Einfederungsweg selbst. Mit der Beschränkung auf die Auslöschung der profilbedingten und damit determinierten Karkassenschwingungen entfallen die bei AVC notwendigen Sensoren da die Aktoren vom Abrollvorgang selbst synchronisiert werden. Von der Physik her sind der Nachbildungstreue der Antischwingung keine Grenzen gesetzt, so daß die Antischallmethode grundsätzlich in der Lage ist, den Profileinfluß auszuschalten und den profilierten Reifen auf dasselbe Schwingungs- und Schallniveau zu bringen wie bei dem pro­ fillosen Reifen. Vorzugsweise werden reaktiv wirkende Aktoren verwendet, die nur über ihre Blindleistung wirken und so bis auf ihre Eigenverluste keine Zusatzenergie benötigen.

Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal werden die Fliehkräfte K₁ durch Masse-Aktoren (Fig. 1 bis 7) mit den Kräften F₁ und die Druckkräfte K₂ und K₃ im Aufstandsbereich durch Feder-Aktoren (Fig. 8 bis 21) durch die Kräfte F₂ und F₃ antiphas nachgebildet. Die erste Kräftegruppe K₁, F₁ wächst konform mit dem Quadrat der Fahrgeschwindigkeit, während die zweite Gruppe, K₂, F₂ und K₃, F₃, drehzahlunabhängig ist. Da die Masse-Aktoren einfacher und leichter zu handhaben sind und mit zunehmender Geschwindigkeit wirksamer werden, so können sich diese im oberen Geschwindigkeitsbereich gegenseitig substituieren. Eine Mas­ senauflage gerade im Bereich des Negativprofils dämmt durch seine Reaktanz sekundär die zwischen Negativ- und Positivprofil wirkenden Erregerkräfte.

Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal werden nach der Theorie von Darboux balkenartige Feder-Aktoren verwendet. Bekanntlich kann mit einem Darboux-Balken zwischen den Bewe­ gungen und Kräften in den 3 Translations- und den 3 Rotationsfreiheitsgraden jede geforderte Weg/Kraft-Relation hergestellt werden. Dies sind die 36 Komponenten der 6-mal-6- Darboux-Matrix. Diese Vorstellung kann auch beibehalten werden, wenn der Feder-Aktor nicht mehr den Idealisierungen (Balkenbreite klein gegen Länge) des Darboux-Balken ent­ spricht; auch wegen der Randbedingungen zum Reifen hin ist sowieso eine iterative Näherung notwendig.

Erfindungsgemäß wird bei den Masse-Aktoren zusätzlich deren Eigensteifigkeit und bei den Feder-Aktoren zusätzlich deren Eigenmasse genutzt.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird mit derselben Lösungstechnik auch der sog. Airpumping-Lärm ausgelöscht. Dieser entsteht durch die Luftverdrängung im Einlauf und die Luftansaugung im Auslauf. Dieser Lärmmechanismus ist zwar nicht kausal von der Karkassenschwingung abhängig, beide haben mit der Profilsegmentierung dieselbe Ursache und sind damit kohärent. Die Schwingung der Reifenkarkasse wird dazu nur teilweise ausge­ löscht, und die Reststrahlung nach den Regeln der Antischalltechnik so eingestellt, daß diese mit dem Air-Pumping-Lärm destruktiv interferiert.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die Unterschiede der Karkassenschwin­ gung im Ein- und Auslaufbereich und bei Änderung der Drehrichtung des Reifens durch nichtlineare und asymmetrische Aktor-Effekte nachgebildet. Am einfachsten sind Masse- und Feder-Aktoren mit einem Totgang. Verwendet werden ebenfalls Euler-Knickstäbe, ein- und zweidimensionale Biegeelemente aus Memory-Legierungen und Beulflächen, mit letzteren sind auch - vergleichbar einer Tellerfeder - negative Federkonstanten realisierbar. Nicht zu­ letzt können auch Fluidik-Aktoren zur Einstellung einer gezielten Beziehung zwischen Rei­ fenverformung und Reifenkraft eingesetzt werden.

Im weiteren sind folgende Zusatznutzen mit vorgesehen: In Fig. 6 sind nachstellbare Aktoren für eine Anpassung an die Reifenabnützung. Im weiteren lassen sich die Aktoren so modifi­ zieren, daß diese für Notlauf (Fig. 16) und/oder Seitenschutz (Fig. 17) geeignet sind und eine Warnungfunktion (Fig. 2) bei unzulässigen Betriebszuständen übernehmen.

Schließlich werden durch die erfindungsgemäße Lösung wieder Profilformen möglich, die vorher im Kompromiss mit Lärmforderungen aufgegeben werden mußten. Im besonderen kann damit auch wieder eine äquidistante Stollenverteilung eingeführt werden, da die jetzt praktizierte ungleiche Teilung einen unterschiedlichen Gummiabrieb und dadurch eine sekun­ däre Körperschallerzeugung und -abstrahlung verursacht.

Der Erfindungsgegenstand ist anhand von Ausführungsbeispielen näher spezifiziert. In den Fig. 1 bis 7 handelt es sich um Reifen bei denen die Aktoren nach dem Masse- und ab Fig. 8 um solche die primär nach dem Federprinzip arbeiten. Für eine rationelle Beschreibung der Ausführungsbeispiele wird folgende Bezeichnung vereinbart: (X = Nummer der Figur). X0, X1: Reifen, Karkasse, X2 = Reifenkomponente, X3 = Aktor, X4, X5 = Aktorkom­ ponenten, X6 = Sonstiges, X7 = Straße. Mit den Buchstaben E und A werden der Ein- und Auslauf und mit S die beiden Seitenlinien der Aufstandsfläche des Reifens gekennzeichnet. Ebenfalls der Einfachheit halber ist in allen Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 21 von äqui­ distanter Profilteilung ausgegangen. Damit haben auch die Aktoren dieselben Abstände unter­ einander und sind gleich, so daß die Beschreibung einer einzigen Aktorteilung ausreicht. Bei unterschiedlicher Stollenteilung sind die Aktoren nach sinngemäß denselben erfindungsge­ mäßen Vorschriften wie bei Äquidistanz anzuordnen und auszulegen. Bei n verschiedenen Stollenteilungen ist der Justieraufwand an sich n mal größer; am Ende der Beispielsbeschrei­ bung ist ein Verfahren zur Reduzierung dieses Aufwandes angegeben. - Schließlich sei ver­ einbart, daß unter dem Begriff "Reifenschwingung" nicht nur die Wanderwellen, sondern auch die profilfesten akustischen Nahfelder und die evaneszenten Moden mit enthalten sind. Damit können alle profilbedingten Reifenverformungen nach den Regeln der Antischall- bzw. der Antischwingungstechnik (engl. ANC und AVC) behandelt werden.

In den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 bis 7 sind die Reifen X1 mit Aktoren X3 versehen, die primär aufgrund ihrer Masse bzw. ihrer Massenmomente bzw. ihrer Massen­ trägheitsmomente wirken. Bei einer Fahrgeschwindigkeit u [m/s] unterliegt der Reifen bei einer Umdrehung einer unterschiedlichen Fliekrafibeschleunigung b(x,y) = κ(x,y) u² [m/s²]. (b, κ sind Vektorgrößen und werden durch Fettdruck gekennzeichnet, ebenso Matrizen.) Die Koordinaten x, y liegen in der Reifenoberfläche, x verlaufe in Umfangsrichtung und y senk­ recht dazu. Der Mittelpunkt der Aufstandsfläche sei der Koordinatenursprung x, y = 0, Ein- und Auslauf befinden sich bei x = +/- L/2. (L = Länge der Aufstandsfläche). Die Reifen­ krümmung κ[1/m] hängt vom Reifenort x, y [m] ab: Die Extremwerte der Krümmung sind κ = 0 in der Aufstandsfläche mit |x| < L/2 und κ = 1/R bei einem ungestörten Reifenradius R [m] außerhalb der Aufstandsfläche |x| < L/2. Die Krümmungsänderung tritt im Bereich von Ein- und Auslauf - E und A - auf, verursacht eine Änderung der Beschleunigung b und damit an einem Massenelement dm des Aktors X3 eine radiale Kraft dF₁ (x, y) = b dm [N]. Aus Schwingungsmessungen an einem konkreten Reifen kann nun die lokale Erregerkraft dK (x, y) [N] bestimmt werden. Mit der Antischall-Bedingung dF₁ = -dK ergibt sich destruktive Inter­ ferenz und eine Karkassenschwingung wird a priori nicht angeregt. Im wesentlichen geht es darum die Defektmasse infolge des Negativprofils durch die Masse des Aktors X3 wieder auszugleichen. Durch Formgebung des Aktors X3, insbesondere durch einen Gradienten in der Massenverteilung läßt sich auch ein Biegemoment erzeugen, mit dem sich ebenfalls eine von Reifenmomenten induzierte Karkassenschwingung antiphas nachbilden und damit auslö­ schen läßt. Abweichend von der nur die Körperschallabstahlung berücksichtigende Bedin­ gung dF = -dK ist es möglich den durch die diskontinuierliche Luftverdrängung der Reifen­ profile erzeugten Airpumping-Lärm ebenfalls auszulöschen. Dazu wird in der Reifenkarkasse eine Restschwingung belassen, deren Köperschallemission den Airpumping-Lärm gerade auslöscht.

In Fig. 1a ist ein Reifen 11 im Querschnitt dargestellt, der auf der Straße 17 abrollt. Die Fig. 1b zeigt einen Ausschnitt der Reifeninnenseite im Bereich der Aufstandsfläche. Die Ränder der Aufstandsfläche sind durch E (Einlauf), A (= Auslauf) und S (= Seitenlinie) gekennzeich­ net. Auf der Reifeninnenseite sind die Aktoren 13 angebracht, die in diesem Fall aus Gummi bestehen. Für eine erste Auslegung genügt es, diesen dieselbe kollokale Anordnung, dieselbe Form, dieselbe Defektmasse und dieselbe elastische Steifigkeit zu geben wie den Negativpro­ filen 12 des Reifens 11. Die weitere Feinabstimmung erfolgt nach den Regeln der Antischall­ technik, dazu wird auch auf Fig. 4 und auf den Schlußabsatz verwiesen. Es ist vorteilhaft die Aktoren 13 aus Metall, z. B. Stahl, Messing, Blei oder faserverstärkten Kunststoffen zu ferti­ gen. Das größere spezifische Gewicht, ergibt kleineres Bauvolumen, so daß der Massen­ schwerpunkt des Aktors 13 näher am komplementären Negativprofil liegt und so eine per­ fektere Massenkompensation gewährleistet. Außerdem können mit einer Überschußmasse auch Druckkräfte substituiert werden. Über die Eigensteifigkeit kann der Aktors 13 gleichzei­ tig als Kraft- und/oder Momentengeber wirken. Mit dieser Technik kann die Defektmasse und -fläche auch von umlaufenden Profilrillen ausgeglichen werden. Auf ideal glatter Straße ist diese nicht direkt akustisch wirksam. Bei Straßenfehlern jedoch hebt sich die stationäre Um­ lagerung der Kräfte K₁ und K₂ auf und die Instationarität bewirkt eine zusätzliche Lärmemis­ sion. Mit einer Aufhebung der Kräfteamplitude K entfällt die dadurch bedingte Verformung, so daß auch der Rollwiderstand verbessert wird. Die Fig. 2 beschreibt Aktoren 23 bestehend aus Gummi mit metallischen Gewichtseinlagen 24. Eine solche Kombination bietet eine grö­ ßere konstruktive Variationsbreite und kann auch als Resonator ausgelegt werden. Die interne Schwingbewegung generiert eine virtuelle, seismische Masse und spart so Aktormasse ein. Außerdem kann der zeitliche Kraftverlauf verschoben und so die Antischallbedingung leichter erfüllt werden. Nicht zuletzt kann mit der Resonanzfrequenz des Aktors 23 auch ein Warnton bei Überschreitung einer Höchstgeschwindigkeit erzeugt werden. In Fig. 3 sind die Aktoren 33 gegenüber der Radialrichtung schräg angeordnet. Damit gibt der Aktor 33 an den Reifen 31 nicht nur eine Kraft sondern auch ein Moment ab. Wie in der allgemeinen Beschreibung bereits dargelegt, können sich Kraft und Moment gegenseitig substituieren, so daß hier ein zusätzlicher Konstruktionsfreiheitsgrad besteht. Im besonderen ermöglicht die Schräganord­ nung auch die nichtlinearen Effekte bei Ein- und Austritt und bei Umkehrung der Laufrich­ tung nachgebildet werden. In Fig. 5 ist ein Aktor 53 mit möglichst hohem spezifischen Ge­ wicht direkt in der Base-Schicht 52 eines Reifens 51 einvulkanisiert. Im weiteren ist es vor­ teilhaft, auch die Eigensteifigkeit des Aktors 53 zur Erzeugung von antiphasen Interferenz­ kräften und/oder -momenten zu nutzen. Die Aktoren 43 in Fig. 4 sind so gestaltet, daß diese leicht eingestellt, bzw. nachgestellt werden können. Dazu erhalten diese Vertiefungen 44 in die eine Korrekturmasse eingebracht und/oder Bruchstellen an denen Masse entnommen wer­ den kann. Für die Feinabstimmung bietet sich dazu folgendes Verfahren an: Es werden an sich beliebige Korrekturmassen ergänzt und die dadurch verursachten Änderungen gemessen. Als Meßgröße bietet sich dazu das sehr genau messbare Schallfeld im Torusraum des Reifens 41 an. Damit können gezielt die Einflußfaktoren bezüglich Frequenz, Fahrgeschwindigkeit, Luftdruck und Radlast bestimmt werden. Mit diesen Einflußfaktoren kann dann die für eine gewünschte Vorgabe notwendige Verteilung und Menge der Korrekturmassen errechnet wer­ den. In Fig. 6 ist eine Lösung zur Anpassung der Aktoren 63 an die Abnutzung der Positiv­ profile 62 eines Reifens 61 dargestellt. Dazu erhalten die Aktoren 63 einen Schichtüberzug 64, der z. B. bei halber Lebensdauer abgezogen wird. Eine kontinuierliche und selbsttätige An­ passung an den Reifenverschleiß erhält man wenn die Aktoren 63 durch Ausgasung, Subli­ mation und Wöhler-Ermüdung Masse und Steifigkeit verlieren. Praktikabel sind auch Auswa­ schen oder Ablösen von Aktormasse. In Fig. 7 schließlich bestehen die mit der Reifenkarkas­ se 71 kraft- und momentschlüssig verbundenen Aktoren 73 aus elastischen Schlauchverbin­ dungen 74 und sind mit einer Flüssigkeit 75 z. B. einer Wasser/Glyzerin-Mischung gefüllt. Zusätzlich sind darin aus der Fluidiksteuerung bekannte Logikelemente 76, hier der einfache­ ren Darstellung wegen eine Drosselstelle, eingebaut. Angetrieben durch die Fliehkraftdiffe­ renz im Ein- und Auslauf können damit die Massenbewegung der Flüssigkeit 75 und die Ak­ torkräfte gezielt gesteuert werden. Mit dieser Technik kann Aktormasse eingespart und auch die unterschiedlichen, nichtlinearen Verhältnisse bei Ein- und Auslauf nachgebildet werden.

In den Fig. 8 bis 20 bestehen die am Reifen X1 angebrachten Aktoren X3 aus Feder- und/oder Feder/Masseelementen. Unter Federelementen sollen hier der Bestimmtheit wegen zunächst klassische Darboux-Balken verstanden werden. Bekanntlich ist seine Weg (s)/Kraft (F)- Charakteristik durch eine 6-mal-6-Matrix N gegeben nach F = N s. Darin sind in s die 3 trans­ latorischen und die 3 rotatorischen lokalen Reifenverformungen enthalten und in F die loka­ len Kräfte und Momente. Die einzelnen Matrix-Elemente N_mn (m, n = 1, 2 . . . 6) gewährleisten eine gezielte, durch die Antischall-Bedingung gegebene s/F-Beziehung. Durch die lokale Biegsteifigkeit, Windung und Krümmung eines Darboux-Balkens kann jeder geforderter N_mn-Wert separat eingestellt werden. Diese Vorschriften sind auch dann Lehren zum techni­ schen Handeln, wenn die geometrischen Idealisierungen des Darboux-Balkens nicht mehr zutreffen und wenn mit einem Ensemble von Balkenelementen die primären linienbezogenen Darboux-Kräfte in flächige Kräfte überführt werden. Was Auslegung, Energieverbrauch, Einjustierung, Nichtlinearität und Betriebsanpassung anbelangt, gelten sinngemäß dieselben Anleitungen wie bei den auf Masseneffekt beruhenden Aktoren nach Fig. 1 bis 7.

Fig. 8a ist ein Schnitt durch die Reifenkarkasse im Aufstandsbereich. Fig. 8b ist die Sicht auf die Reifeninnenseite. Der Schnitt verläuft senkrecht zu den Positivprofilen 81 und Negativ­ profilen 82. Ebenfalls senkrecht zum Profilverlauf sind Aktoren 83 kraftschlüssig an der Rei­ fenkarkasse angebracht. Hierbei handelt es sich um Biegestreifen z. B. aus Stahlblech deren Mitten 84 über dem Positivprofil 81 und deren Enden 85 über den Negativprofilen 82 positio­ niert sind. Mit 83 ist die unverformte Lage des Aktors 83 im freien Reifenteil gekennzeichnet. In der planen Aufstandsfläche ändert sich die Krümmung des Reifens und des Aktors 83. Aufgrund seiner Biegesteifigkeit B seines eingestellten Ruhezustandes (= der Krümmung bei der Aktor kräftefrei ist) überträgt der verformte Aktor 83 an das Positivprofil 81 eine Druck- und an das Negativprofil 82 eine Zugkraft. Dadurch werden die Belastungsunterschiede im Aufstandsbereich ausgeglichen. Zusätzlich zur elastischen Lagerung an der Reifenkarkasse können die Aktoren 83 weitere, feste Lagerpunkte 86 aufweisen. Dies erlaubt eine Kraftver­ stärkung durch Hebelwirkung und eine vergrößerte konstruktive Gestaltung. So lassen sich durch Lagerspalte auch Totgänge mit einer nichtlinearen Kraft/Weg-Charakteristik realisie­ ren. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 haben die Aktoren 83 einen konstanten Dicken- und Breitenverlauf. Zur Erhöhung der Biegesteifigkeit ist es auch vorteilhaft, Aktoren 83 mit Pro­ filen mit großem Flächenträgheitsmoment oder in Schichtbauweise mit außen liegenden Deckmaterialien mit hohem Elastizitätsmodul und einer Abstandshalterung in der Mitte zu verwenden. Die Ausführungsbeispiele in Fig. 9 und 10 sind analog zu Fig. 8. In Fig. 9 nimmt die Dicke und in Fig. 10 die Breite der Aktoren 93 und 103 von der Mitte zum Rand hin ab. Die ergibt einmal eine bessere Materialausnützung und zum anderen kann durch die Quer­ schnittsform der Kraft- und Momentenverlauf eingestellt werden. In Fig. 11 ist ein vollflächig auf der Reifeninnenseite angebrachter Aktor 113, z. B. ein Stahlblech angebracht. Anstelle der Segmentierung wie in den Beispielen nach Fig. 8-10 sind hier in den Aktor 113 wieder sy­ chronisiert mit Positiv- uad Negativprofil 111 und 112 innere Materialspannungen mit Maxi­ ma- und Minimalstellen 114 und 115 eingebracht. (In der Zeichnung sind die unterschiedli­ chen, internen Spannungsverhältnisse mit + + + und - - - gekennzeichnet.) Ein solcher Span­ nungsverlauf läßt sich durch Vorverformung, Perforation und/oder durch Oberflächenbe­ handlung realisieren. Bei der Oberflächenbehandlung werden die Deckschichten gegenüber der Kernschicht gestreckt oder verkürzt. Eine solche Technik ermöglicht auch Aktoren 113, die an den Maxima- und Minimastellen 114 und 115 auch negativen Federkonstanten haben (vergl. DE 198 02 359 A1). Ein weiteres konstruktives Mittel sind Aktoren 113 aus Memory- Legierungen. Schließlich ist es möglich, den Drahtgürteln in der Reifenkarkasse selbst Ak­ toreigenschaften zu geben. Mit den analogen Maßnahmen wie bei dem Aktor 113 lassen auch in der Drähten inneren Materialspannungen erzeugen. Mit einer periodischen Änderung der Schichtdicke zwischen den beiden Drahtgürteln kann deren integrale Biegesteifigkeit modu­ liert werden. Beim Abrollvorgang werden dadurch Kräfte für die Interferenzauslöschung der profilbedingten Reifenschwingungen frei. In den Beispielen nach den Fig. 12 und 13 befinden sich die Aktoren 123 und 133 direkt in den Base-Schichten 120 und 130. Bei den Aktoren 123 handelt es sich um senkrecht zu den Negativprofilen 122 einvulkanisierten Fadenstücke 124 mit hoher Zugsteifigkeit und die der Base-Schicht 120 dadurch eine hohe Biegesteifigkeit verleihen. Analog zur Auslegung von Fig. 8 befinden sich die Fadenenden 125 über den Ne­ gativprofilen 122, so daß sich auch hier in der planen Aufstandsfläche ein Druckausgleich zwischen Positiv- und Negativprofilen 121, 122 ergibt. In Fig. 13 bestehen die Aktoren 133 aus biegesteifen Trägerstücken im Bereich der Negativprofile 131, die - nach einem anderen Wirkungsprinzip - aufgrund ihrer Eigensteifigkeit einen Druckausgleich herstellen. In Fig. 14 wirken drucksteife in das Positivprofil 141 einvulkanisierte Metalldrähte als Aktoren 143.

Durch deren Schräganordnung übertragen diese Kräfte vom Positiv- 141 auf das Negativprofil 142 und stellen so wieder einen Druckausgleich her. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 15a (Längsschnitt) und 15b (Querschnitt durch Reifen) wirken Zug- und/oder Druckelemente 153 zwischen der Reifenkarkasse 151 und einem biegesteifen, ansonsten freien Ring 154. Die Antischallauslegung entspricht sinngemäß der nach Fig. 8. Durch die Steifigkeit und Spuran­ passung des Rings 154 und durch Querschnitt der Zug- und/oder Druckelemente 153 können Kräfte und Drehmomente zur Antischallauslöschung der Karkassenschwingungen eingestellt werden. Dieselbe Kraft- und Momentensituation besteht im Auslegungsbeispiel nach Fig. 16. Auch hier wirken Zug- und/oder Druckelemente 163 zwischen der Reifenkarkasse 161 und einem an der Felge 166 über eine Scheibe 166 befestigten Ring 165. Zweckmäßigerweise sind Ring 165 und Scheibe 164 so versteift, daß diese im Pannenfall einen Notlauf gewährleisten. Dazu ist der Ring 165 mit einer Gummischicht 162 versehen. In Fig. 17 sind in die Seiten­ wand 172 eines Reifens 171 synchron der Stollenteilung Aktoren 173 einvulkanisiert. Diese können sowohl nach dem Massen- als auch dem Steifigkeitsprinzip wirken. Durch die Ver­ formung der Seitenwand 172 im Aufstandsbereich werden ebenfalls Kräfte und Momente freigesetzt um damit den von der Seitenwand abgestrahlten Lärm auszulöschen. Zweckmäßi­ gerweise werden die Aktoren 173 zusätzlich als Reifenschutz ausgebildet. In den Fig. 18 bis 21 wird nach der Darboux-Theorie die Umsetzung von Kräften in Momente in andere Frei­ heitsgrade und umgekehrt, angewendet. Dazu sind die Aktoren 213 als gebogene Biegeele­ mente ausgelegt und kraft- und momentschlüssig an der Reifenkarkasse 211 befestigt. Diese Anordnung eignet sich im besonderen bei ebenfalls gebogener Profilstruktur. Die Aktoren 183 dagegen werden nicht in den Hauptachsen ihrer Biegesteifigkeit belastet, sondern quer dazu. Dadurch werden in der Biegematrix auch die Nichtdiagonalglieder aktiviert was die geforderte Umwandlung von Kräften und Momenten in andere Freiheitsgrade ermöglicht. In Fig. 19 sind mehrere asymmetrisch angeordnete, in eine Gummischicht 195 einvulkanisierte Biegestreifen 194 als Aktoren 193 gezeigt. In Fig. 20 hat der Aktor 203 Dachform. Bei einer Biegung tritt in der Mitte 204 eine Belastung und an den Rändern 205 Entlastung auf. Damit läßt sich z. B. die unterschiedliche Belastung von Positiv- und Negativprofil im Aufstandsbe­ reich ausgleichen. Bei Änderung des momentenfreien Grundzustandes der Aktoren 203 kann gleichzeitig die entgegengesetzte Lastsituation bei Zentrifugalkräften neutralisiert werden.

Vereinbarungsgemäß war in allen Ausführungsbeispielen von äquidistanter Profilteilung aus­ gegangen. Für diesen Fall sind auch die Aktoren gleichermaßen äquidistant und gleich groß. Dieser Umstand erleichtert die antiphase Einstellung, da auch die Feinjustierung für alle Ak­ toren gleich ist. Bei ungleicher Stollenteilung ist jeder Aktor einzeln einzustellen und nach­ zujustieren. Für die Voreinstellung bietet sich folgendes Verfahren an: Wenn insgesamt n nicht-äquidistante Stollen vorgesehen sind, so werden 3 Vormuster mit z. B. n + 1, n und n - 1 äquidistanten und gleichen Stollen gebaut und mit gleichartigen Aktoren versehen und einju­ stiert. Dadurch erhält man einen Zusammenhang zwischen Stollenteilung und Aktorgröße. Im allgemeinen Fall ist trotzdem eine Feinjustierung jedes einzelnen Aktors notwendig. Dazu bietet sich der Schallpegel im Reifentorus als Medium an, da dieser einfach, ungestört und mit großer Präzision zu messen ist.

Claims (27)

1. Verfahren und Vorrichtung zur Neutralisation von profilbedingten Reifenschwingungen gemäß der Antischalltechnik, dadurch gekennzeichnet, daß bei äquidistanter Profilteilung passive und reaktiv oder resonant wirkende Aktoren (X3) in der gleichen Teilung und glei­ cher Ausführung, kraft- und momentschlüssig am Reifen (X1) angebracht sind, die über ih­ re Eigenmasse und/oder Eigensteifigkeit Kräfte und/oder Momente auf den Reifen (X1) übertragen, die kollokal und entgegengesetzt gleich sind den profilbedingten Erregerkräf­ ten und/oder -momenten im Ein- und Auslaufbereich.

2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei ungleicher Profilteilung die Aktoren (X3) nach Anordnung und Größe ebenfalls ungleich und so aus­ gelegt sind, daß deren Kräfte und/oder Momente den profilbedingten Erregerkräften und/oder -momenten im Ein- und Auslauf kollokal und entgegengesetzt gleich sind.

3. Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgrund ihrer Eigenmasse wirkenden Aktoren (13, 23, 33 . . . 73) vorzugsweise zur Aus­ löschung der durch den Massenunterschied von Positiv- und Negativprofilen hervorgeru­ fenen Karkassenschwingungen verwendet werden.

4. Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgrund ihrer Eigensteifigkeit wirkenden Aktoren (83, 93 . . . 213) vorzugsweise zur Auslöschung der durch die unterschiedliche Belastung von Positiv- und Negativprofilen im Aufstandsbereich hervorgerufenen Karkassenschwingungen verwendet werden.

5. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren Ansprüchen aus 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktoren (13, 23, 33 . . . 213) gleichzeitig sowohl aufgrund ihrer Eigenmasse als auch aufgrund ihrer Eigensteifigkeit wirken.

6. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren Ansprüchen aus 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Karkassenschwingung nur teilweise ausgelöscht und die Rest­ strahlung so eingestellt wird, daß diese destruktiv mit dem Air-Pumping-Lärm interferiert.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren Ansprüchen aus 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktoren (13, 23) und (33) aus Gummi, aus Metall, aus Metall/Gummi-Resonatoren bestehen.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren Ansprüchen aus 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktoren (33) schiefwinklig angebracht ist, um nichtlineare Kräfte und Momente zur Berücksichtigung der nichtlinearen Einflüsse beim Ein- und Auslauf des Reifens zu gene­ rieren.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren Ansprüchen aus 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktoren (43) flexibel bezüglich ihrer Positionierung, ihrer Größe und Zusammen­ setzung ausgebildet sind, um eine Feinjustierung der Aktorkräfte zu ermöglichen.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren Ansprüchen aus 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktoren (53) aus einem Metall mit hohem spezifischen Gewicht, z. B. Stahl, Blei bestehen und in die Base-Schicht (51) einvulkanisiert sind.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren Ansprüchen aus 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktoren (63) zum Ausgleich des Reifenabriebes Überzüge besitzen, die abgezogen, ausgewaschen oder abgelöst werden oder aus einem Material bestehen, das durch Subli­ mation, Diffusion oder Wöhler-Ermüdung Masse und Eigensteifigkeit verliert.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren Ansprüchen aus 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktoren (83) aus Biegestreifen bestehen, flächig an die Karkasse (81) angekoppelt sind, deren Enden (85) über dem Negativprofil (82) und deren Mitten (84) über dem Positiv­ profil liegen und/oder daß punktuelle Stützstellen (86) verwendet werden.

13. Vorrichtung nach einem oder mehreren Ansprüchen aus 1 bis 5 und 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Aktoren (93) aus Biegeelementen bestehen, die eine zu den Enden hin ab­ fallende Biegesteifigkeit aufweisen.

14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Akto­ ren (103) Biegestreifen sind, deren Breite zu den Enden hin abnimmt.

15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Akto­ ren (113) aus einem an die Reifeninnenseite angekoppeltem umlaufendem Biegeblech be­ stehen, in das durch Perforation, Vorspannung und/oder Oberflächenbehandlung eine pe­ riodische Inhomogenität eingeprägt ist, deren Reaktionskraft bei der Verformung im Ein- und Auslauf kollokal und entgegengesetzt gleich ist der von der Profilteilung verursachten Erregerkraft.

16. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, 11 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß in die Drahtgürtel der Reifenkarkasse durch Vorspannung und/oder Oberflächenbehandlung der Drähte oder durch Modulation der Schichtdicke zwischen den Drahtgürteln eine periodi­ sche Inhomogenität eingeprägt wird, deren Reaktionskraft bei der Reifenverformung beim Abrollvorgang kollokal und entgegengesetzt gleich ist der von der Profilteilung verur­ sachten Erregerkraft.

17. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Akto­ ren (123) aus Faserstücken bestehen, die in die Base-Schicht einvulkanisiert sind, quer zu den Profillinien verlaufen und deren Enden (125) über den Negativprofilen liegen.

18. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in die Base- Schicht (131) über den Negativprofilen (132) biegesteife Aktoren (133) zum Lastausgleich an­ gebracht sind.

19. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktoren (143) aus drucksteifen Metall- oder FVK-Drähten bestehen, die in das Positivprofil einvulkani­ siert sind und durch ihre Schräglage einen Lastausgleich zwischen Positiv- und Negativ­ profil (141) und (142) bewirken.

20. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktoren (153) Zug/Druck-Elemente sind, die z. B. aus Gummi bestehen und zwischen dem Reifen (151) und einem biegesteifen Ring (154) im Reifeninnern angebracht sind.

21. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktoren (163) elastische Elemente sind, die Zug, Druck und auch Momente zwischen Reifen (161) und ei­ nem biegesteifen Ring (164) übertragen, wobei der Ring (164) für zusätzliche Notlaufeigen­ schaft an der Felge montiert ist.

22. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktoren (213) gebogene Biegeelemente sind, die an die Reifenkarkasse (211) angekoppelt sind und die entsprechend der 6×6-Darboux-Matrix Reifenverformungen in Aktorkräfte zur Neutra­ lisation der profilbedingten Störkräfte umwandeln.

23. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktoren (183) zweiachsige Biegelemente sind, die quer zu ihren Symmetrieachsen (∼ Hauptachsen) be­ lastet werden und dank der Nichtdiagonalglieder Kräfte und Momente ineinander und in andere Freiheitsgrade übertragen.

24. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5 und 23, dadurch gekennzeichnet, daß in eine Gummischicht (195) einvulkanisierte und quer zu ihren Symmetrieachsen belastete Bie­ gestreifen (194) als Aktoren (193) wirken.

25. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5 und 23, dadurch gekennzeichnet, daß dachför­ mige Biegestreifen als Aktoren (203) wirken.

26. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktoren (73) aus biegesteifen Schlauchverbindungen (74) bestehen, mit einer Flüssigkeit (75) gefüllt sind und Fluidik-Schaltelemente (76) enthalten, so daß die Bewegung der Masse gezielt gesteu­ ert und eine Hydraulikverstärkung erreicht wird.

27. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Aktoren mit Tot­ gang, Euler-Knickung, Beulung und/oder Memory-Legierungen nichtlineare Aktorkräfte erzeugen.