DE10123008A1 - Luftdruckloser Fahrzeugreifen - Google Patents

Abstract

Offenbart ist ein luftdruckloser Fahrzeugreifen, bestehend aus einer koaxial um eine Fahrzeugfelge angeordneten, zu einem Ring geschlossenen Schraubenfeder und aus einem koaxial um die Schraubenfeder angeordneten Laufstreifen aus einem Elastomer, wobei die Schraubenfeder ein Verbindungselement zwischen Fahrzeugfelge und Laufstreifen bildet. Erfindungsgemäß zeichnet sich der luftdrucklose Fahrzeugreifen dadurch aus, dass die Schraubenfeder aus einem Faserverbundwerkstoff besteht, wobei die Fasern in einer Polymermatrix eingebettet sind und einen Faserorientierungswinkel zum Schraubengang zwischen 0 DEG und 45 DEG , vorzugsweise 0 DEG , aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft einen luftdrucklosen Fahrzeugreifen, bestehend aus einer koaxial um eine Fahrzeugfelge angeordneten, zu einem Ring geschlossenen Schraubenfeder und aus einem koaxial um die Schraubenfeder angeordneten Laufstreifen aus einem Elastomer, wobei die Schraubenfeder ein Verbindungselement zwischen Fahrzeugfelge und Laufstreifen bildet.

Fahrzeugreifen für Kraftfahrzeuge, insbesondere Personenkraftwagen und Lastkraftwagen, sowie Reifen für Fahrräder weisen üblicherweise eine formschlüssig mit einer Felge verbundenen Reifen aus Laufstreifen, Seitenwänden und an ihren Ende angeformten Wülsten auf, welche den Sitz auf der Felge gewährleisten. Die Reifen schließen einen Hohlraum ein, der mit einem gasförmigen Medium, insbesondere atmosphärische Luft, befüllt ist, wobei der Luftdruck stets über dem atmosphärischen Druck liegt. Derartige Luftreifen haben praktisch alle anderen Systeme, die ohne Luftdruck auszukommen versuchen, seit wenigstens den 20ger Jahren des 20. Jahrhunderts verdrängt, jedenfalls im Bereich der angetriebenen Fahrzeuge. Vollgummireifen spielen nur noch eine Rolle für Gabelstapler und andere Fahrzeuge niedriger Geschwindigkeit und hoher Achslast. Die Luftreifen bieten eine Reihe von Vorteilen, die von bislang bekannten luftdrucklosen Reifen nicht erzielt werden können. Nur beispielhaft sei hier der hohe Federungskomfort der Luftdruckreifen erwähnt.

Gleichwohl hat es eine Reihe von Bemühungen gegeben, luftdrucklose Fahrzeugreifen zu schaffen, mit denen erreicht werden sollte, dass der gravierende Nachteil eines Luftreifens, nämlich der Gefahr des Druckverlustes damit einhergehend dem Verlust der Fahrsicherheit, auszuschalten.

Luftdrucklose Fahrzeugreifen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 sind beispielsweise aus der US 574,015 und der US 1,856,983 bekannt. Bei diesen ist eine Schraubenfeder aus Federstahl koaxial um die Felge angeordnet, wobei ein an sich herkömmlicher Reifen (also mit Seitenwänden und Felgenwülsten) koaxial um die Schraubenfeder angeordnet ist. Anders formuliert, es ist durch diese Dokumente bereits bekannt, eine zu einem Ring geschlossene Schraubenfeder so um eine Felge anzuordnen, dass sie sowohl in Kontakt mit der Felge als auch mit der Innenseele des Fahrzeugreifens gelangt. Diese Federn sollen also den Luftdruck ersetzen und gleichzeitig die Einfederung und eine kontrollierte Deformation des Reifens im Latsch ermöglichen.

Andere Lösungen, bei denen zwischen Felge und Innenseele des Reifens Federn angeordnet sind, sind ferner aus der US 5,800,643, der US 1,501,757, der US 1,033,513 sowie der US 1,710,215 bekannt. Von der US 5,800,643 abgesehen stellen die genannte Dokumente einen Stand der Technik dar, der zwischen 1896 und 1930 entwickelt wurde. Gemeinsam ist diesen Ideen, das sie niemals in einem erheblichen Umfang realisiert wurden, da diese Lösungen zwar den Vorteil aufweisen, dass die Gefahr eines Luftdruckverlustes von vornherein ausgeschaltet und daher hier keine Rolle spielen kann, sie jedoch mit einer Reihe von Nachteilen behaftet sind, denen der Fachmann auf dem Reifengebiet äußerst kritisch gegenübersteht.

Hier ist insbesondere das hohe spezifische Gewicht und die Korrosionsanfälligkeit der Stahlfedern zu nennen. Der Fachmann will aber Gewichtserhöhungen, insbesondere bei beweglichen Massen, tunlichst vermeiden. Außerdem ist ein Zusatzkörper jeglicher Art, welcher in einem Reifen angeordnet ist, auch immer mit höheren Kosten verbunden, die der Fachmann vermeiden muss, um ein wettbewerbsfähiges Produkt zu schaffen. Daher hat sich der Fachmann mit den erwähnten Dokumenten zwar im Zuge eines Studiums historischer Entwicklungslinien des Reifensbaus beschäftigt, hat aber eine Weiterentwicklung derartiger Lösungen nicht ernsthaft in Betracht gezogen, da er diese für eine technische Sackgasse hielt.

Auf der anderen Seite besteht heutzutage ein sehr hohes Bedürfnis nach einem sicheren Reifen, worunter ein Reifen verstanden wird, der - beispielsweise durch einen plötzlichen Luftdruckverlust - die Fahrsicherheit auch bei sehr hohen Geschwindigkeiten und nach Möglichkeit über eine längere Strecke ermöglicht. Eine Reihe von tödlichen Unfällen in den USA waren bei bestimmten Reifen auf sich ablösende Laufstreifen zurückzuführen, deren Ursache wiederum eine Überhitzung des Reifens durch einen zu geringen Luftdruck war.

Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, einen Fahrzeugreifen zu schaffen, der leicht und preiswert ist und welcher vor allem ein sicheres Fahren in allen erdenklichen Fahrsituationen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit einem luftdrucklosen Fahrzeugreifen der eingangs geschilderten Art gelöst, welcher die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentsanspruchs 1 aufweist.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Schraubenfeder aus einem Faserverbundwerkstoff besteht, wobei die Fasern in einer Polymermatrix eingebettet sind und einen Faserorientierungswinkel zum Schraubengang zwischen 0° und 45°, vorzugsweise 0°, aufweisen.

Die Aufgabe der Schaffung eines gleichermaßen sicheren, wie leichten und preiswert herzustellenden Reifens wird auf überraschende Art und Weise also dadurch gelöst, dass der Erfinder hier eine Idee wieder aufgreift, die der Fachmann längst zur Seite gelegt hatte. Denn unter Sicherheitsaspekten hat ein luftdruckloser Fahrzeugreifen den unschätzbaren Vorteil, dass weder die Einhaltung eines bestimmten Luftdrucks noch ein Luftdruckverlust überhaupt sich hier negativ auf die Fahrsicherheit auswirken können. Denn wo kein Luftdruck vorhanden ist, kann auch keine Luft entweichen und kann eine Luftdruckveränderung keine Rolle spielen. Auf erfinderische Weise hat der Erfinder das Kernproblem bislang bekannter druckluftloser Reifen ausgeräumt, nämlich das hohe Gewicht und die hohen Kosten der zu einem Ring geschlossenen Schraubenfedern. Der Erfinder hat erkannt, dass die Verwendung einer Schraubenfeder aus einem Faserverbundwerkstoff nicht nur eine preiswerte Lösung ist, sondern vor allem dazu führt, dass das Gewicht der Schraubenfeder, die gegenüber einer herkömmlichen Lösung ein an und für sich unerwünschtes Zusatzelement darstellt, drastisch reduziert werden kann.

Dies umso mehr, als dass der Erfinder eine Lösung gemäß Patentanspruch 1 bevorzugt, bei welchem auf die Seitenwände und die daran angeformten Wülste zur Verbindung mit der Felge verzichtet werden. Denn bei der Lösung gemäß Patentanspruch 1 sind Seitenwände und Wülste, die normaleweise zusammen mit der Innenseele und der Felge den luftgefüllten Hohlraum umschließen, nicht mehr nötig. Daher kann vorgesehen sein, dass die Schraubenfeder den Laufstreifen direkt trägt. Hierbei kann der Laufstreifen ganz konventionell aufgebaut sein, d. h. mit einer Gürteleinlage aus Stahlcorden, aus Aramidfaser-Corden, Kohlenstoffaser-Corden und anderen Cordmaterialien.

Hierbei kann der Reifen insgesamt als Fahrradreifen, PKW-Reifen, LKW-Reifen oder als Reifen für andere Fahrzeuge, beispielsweise auch für Rollstühle, Roller und andere nicht angetriebene Fahrzeuge verwendet werden, sowie auch für mit Rollen und Rädarn versehene Sportgeräte, wie Inline Skater.

Bei praktischen Versuchen und im Vergleich mit herkömmlichen Stahlfedern haben sich besondere Vorteile einer Schraubenfeder aus einem Faserverbundwerkstoff bestätigt. Hierbei sind als Vorteile einer Schraubenfeder aus Faserverbundwerkstoff insbesondere zu nennen: hohe elastische Energieaufnahme, hohe spezifische Festigkeit, leichte Bauweise, gutes Ermüdungsverhalten, gutes "fail-safe"-Verhalten, keine Korrosion, Materialdämpfung (die von den Einzelkomponenten und von den Faserwinkel abhängig ist und eingestellt werden kann) und einfachste Fertigung.

Über die Einstellung des Faserorientierungswinkels in Bezug auf den Schraubengang läßt sich nicht nur die Materialdämpfung, sondern auch die Federungseigenschaft verändern.

Wenn die Schraubenfeder aus Faserverbundwerkstoff nicht direkt mit dem Laufstreifen und Gürtel zusammen vulkanisiert wird, kann die Schraubenfeder auf andere Weise zu einem Ring geschlossen und/oder an die Fahrzeugfelge angebunden werden. Denkbar ist, dass die freien Enden der Schraubenfeder in eine als Steckverbindung dienende Hülse gesteckt und auf diese Weise zusammengebunden werden, oder dass Klemmen/Schrauben verwendet werden, um die Schraubenfeder mit der Felge zu verbinden. Auch die Verwendung von Bandagen, Schrumpffasern oder ein Stoffschluss ist denkbar.

Ferner kann eine spezielle Felge verwendet werden, die ebenfalls aus einem Faserverbundwerkstoff besteht. Dies kann insbesondere von Vorteil sein, wenn das erfindungsgemäße Fahrzeugrad als Fahrradreifen eingesetzt werden soll, wo leichte Werkstoffe eine große Rolle spielen. Aber auch bei anderen angetriebenen Fahrzeugen spielt die ungefederte Masse eine große Rolle, so dass der Einsatz einer speziellen Felge auch für beispielsweise PKW-Räder sinnvoll sein kann.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Schraubenfeder in den Laufstreifen wenigsten oberflächlich eingebettet und durch Vulkanisation mit dem Laufstreifen verbunden ist. Insbesondere dann, wenn der Reifen ausschließlich aus dem Laufstreifen besteht, kann diese Ausgestaltung vorteilhaft sein, da hierdurch auf einfache Weise eine Verbindung der Schraubenfeder mit dem Laufstreifen erzielt wird. Gleichzeitig sichert der Laufstreifen den Zusammenhalt der zu einem Ring geschlossenen Schraubenfeder, insbesondere durch die Corde im Laufstreifen.

In einer alternativen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass an den Laufstreifen Seitenwände angeformt sind, deren freie Enden in Berührungskontakt mit der Fahrzeugfelge stehen. In diesem Fall ist also die Schraubenfeder gänzlich umschlossen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Reifen können die Seitenwände aber sehr viel dünner ausgestaltet sein, da diese weder eine tragende/federnde Funktion ausüben, noch einem Innendruck standhalten müssen. Die Maßnahme, hier Seitenwände vorzusehen, so dass die Schraubenfeder hermetisch umschlossen ist, dient dann vor allem dazu, zu verhindern, dass sich Fremdkörper in den Wendelungen der Schraubenfeder festsetzen können.

In weiteren praktischen Ausgestaltungen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Schraubenfeder im Querschnitt die Form eines Rechtecks, eines Kreises, eines Trapezes oder eine Ovals ausweist. Dadurch, dass verschiedene Querschnittskonfigurationen vorgesehen sein können, kann dem Umstand Rechnung getragen werden, dass beispielsweise ein PKW-Reifen einen geringeren Querkrümmungsradius der Lauffläche aufweist als beispielsweise ein Fahrrad oder Motorradreifen. Ist also die Schraubenfeder im Querschnitt rechteckig oder trapezförmig, kann mit einer derartigen Schraubenfeder ein PKW-Reifen geschaffen werden, während für einen Fahrradreifen eher ein runder Querschnitt in Frage kommt.

In weiteren praktischen Ausgestaltungen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Federstrang der Schraubenfeder im Querschnitt rechteckig, rund, oval oder trapezförmig ist. Durch diese unterschiedlichen Querschnitte des Federstrangs lassen sich unterschiedliche Federungs-/Dämpfungseigenschaften einstellen.

In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Fasern der Schraubenfeder aus Kohlenstoff-, Glas-, Synthetik- oder Naturfasern bestehen, wobei gemäß weiteren Ausgestaltungen der Erfindung die Synthetikfasern aus PBO (Polybenzoles) bestehen, wobei weiter vorgesehen sein kann, dass die Polymermatrix, in welcher die Fasern der Schraubenfeder angeordnet sind, durch Duroplaste, Thermoplaste oder Elastomere gebildet sind. Bei der Verwendung von Duroplast als Polymermatrix kommt beispielsweise Epoxidharz, bei der Verwendung von Thermoplast beispielsweise Polyamid oder bei der Verwendung eines Elastomers PUR (Polyurethan), Silikon oder Kautschuk infrage.

In weiteren praktischen Ausgestaltungen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Anteil der Fasern an der Schraubenfeder zwischen 45 und 75 Volumen% beträgt, ferner, dass die Breite des Federstranges 5-20% und/oder dass die Dicke des Federstranges 5-­ 10% des mittleren Durchmesseres der Schraubenfeder beträgt.

Weitere Vorteile und Ausgestaltung der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung, der Bezugszeichenliste, welche Bestandteil der Beschreibung ist, und den Patentansprüchen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fahrzeugreifens in Teilansicht von der Seite und

Fig. 2 den Fahrzeugreifen aus Fig. 1 im Radialschnitt.

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fahrzeugreifen 1, bestehend aus einer koaxial um eine Fahrzeugfelge 2 angeordneten Schraubenfeder 3. Bei der Fahrzeugfelge 2 des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiels handelt es sich um eine Fahrradfelge 4 mit Speichen 5 und nur angedeutetend Felgenhörnern 6, welche ein Felgenbett 7 begrenzen.

Die Schraubenfeder 3 füllt das Felgenbett 7 vollständig aus. Die Schraubenfeder 7 ist so um die Fahrradfelge 4 gelegt, dass die Schraubenfeder 3 einen geschlossenen Ring bildet.

Wie insbesondere in Fig. 2 zu erkennen ist, weist die Schraubenfeder 3 im Radial- oder Querschnitt eine kreisrunde Form auf; sie kann jedoch auch eine andere Form aufweisen, beispielsweise die eines Trapezes, eines Rechtecks oder eines Ovals. Der Federstrang 8 selbst weist im gezeigten Ausführungsbeispiel einen rechteckigen Querschnitt auf. Die Dicke und Breite des Federstrangs, Art und Anzahl der Fasern und der Faserverlaufswinkel sind dabei auf die auszunehmende Radlast und die Einfederungslänge ausgerichtet und abgestimmt.

Koaxial um die Schraubenfeder 3 ist ein Laufstreifen 9 aus einem vulkanisierten Kautschuk angeordnet. Eine Oberfläche 10 des Laufstreifens 9 bildet die Lauffläche des Fahrzeugreifens 1. Eine Unterseite 11 steht im Berührungskontakt mit der Schraubenfeder 3, wobei die Schraubenfeder 11 im gezeigten Ausführungsbeispiel in den Laufstreifen eingebettet und mit diesem zusammen vulkanisiert ist. Dadurch, dass die Schraubenfeder 3 durch die Vulkanisation im Laufstreifen 9 verankert ist, erübrigen sich weitere Maßnahmen, um die freien, nicht dargestellten Enden der Schraubenfeder 3 miteinander zu verbinden.

Da die Schraubenfeder 3 eine bestimmte Elastizität aufweist, ist es auch möglich, den aus Schraubenfeder 3 und Laufstreifen 9 bestehenden Reifen 1 über ein Felgenhorn 6 zu heben, um den Fahrzeugreifen 1 auf der Fahrzeugfelge 2 zu befestigen.

Es ist aber auch möglich, die Schraubenfeder erst auf der Felge zu einem geschlossenen Ring durch geeignete Maßnahmen zu verbinden. So kann es vorgesehen sein, dass eine in den Figuren nicht dargestellte Hülse auf ein freies Ende der Schraubenfeder 3 aufgeschoben ist, in welche ein anderes freies Ende der Schraubenfeder 3 eingesteckt werden kann. In diesem Fall kann dann die Lauffläche 9 über die Schraubenfeder geschoben werden und beispielsweise durch Schrumpfung mit der Schraubenfeder verbunden werden.

Bezugszeichenliste

1

Fahrzeugreifen

2

Fahrzeugfelge

3

Schraubenfeder

4

Fahrradfelge

5

Speiche

6

Felgenhorn

7

Felgenbett

8

Federstrang

9

Laufstreifen

10

Oberfläche

11

Unterseite

Claims (11)

1. Luftdruckloser Fahrzeugreifen (1), bestehend aus einer koaxial um eine Fahrzeugfelge (2) angeordneten, zu einem Ring geschlossenen Schraubenfeder (3) und aus einem koaxial um die Schraubenfeder (3) angeordneten Laufstreifen (9) aus einem Elastomer, wobei die Schraubenfeder (3) ein Verbindungselement zwischen Fahrzeugfelge (2) und Laufstreifen (9) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubenfeder (3) aus einem Faserverbundwerkstoff besteht, wobei die Fasern in einer Polymermatrix eingebettet sind und einen Faserorientierungswinkel zum Schraubengang zwischen 0° und 45°, vorzugsweise 0°, aufweisen.

2. Fahrzeugreifen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubenfeder (3) in den Laufstreifen (9) wenigstens oberflächig eingebettet und durch Vulkanisation mit dem Laufstreifen (9) verbunden ist.

3. Fahrzeugreifen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den Laufstreifen (9) Seitenwände eingeformt sind, deren freien Enden in Berührungskontakt mit der Fahrzeugfelge (2) stehen.

4. Fahrzeugreifen nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubenfeder (3) im Querschnitt die Form eines Rechtecks, eines Kreises, eines Trapezes oder eines Ovals aufweist.

5. Fahrzeugreifen nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Federstrang (8) der Schraubenfeder (3) im Querschnitt rechteckig, rund, oval oder trapezförmig ist.

6. Fahrzeugreifen nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern der Schraubenfeder (3) aus Kohlenstoff-, Glas-, Synthetik- oder Naturfasern bestehen.

7. Fahrzeugreifen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Synthetikfasern aus PBO (Polybenzoles) bestehen.

8. Fahrzeugreifen nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymermatrix, in welcher die Fasern der Schraubenfeder (3) angeordnet sind, durch Duroplaste, Thermoplaste oder Elastomere gebildet sind.

9. Fahrzeugreifen nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Fasern an der Schraubenfeder (3) zwischen 45 und 75 Volumen% beträgt.

10. Fahrzeugreifen nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Federstranges (8) 5-20% des mittleren Durchmesseres der Schraubenfeder (3) beträgt.

11. Fahrzeugreifen nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Federstranges 5-10% des mittleren Durchmesseres der Schraubenfeder (3) beträgt.