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Die
Erfindung betrifft einen Fahrzeugluftreifen mit einem profilierten
Laufstreifen, einem mehrlagigen Gürtel, einer Innenschicht,
einer Radialkarkasse, Wulstbereichen mit Wulstkernen und Kernprofilen,
Seitenwänden und mit zumindest je einem im Bereich jeder
Seitenwand angeordneten im Querschnitt etwa mondsichelförmigen
Einsatz.
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Fahrzeugluftreifen
mit Einsätzen im Bereich der Seitenwände sollen
im Pannenfall bei Druckluftverlust eine gewisse Selbsttragefähigkeit
des Fahrzeugreifens sicherstellen. Die bekannten Einsätze bestehen
aus einem oder mehreren Gummiprofilen, welche bezüglich
ihrer Querschnittsform und bezüglich der Eigenschaften
ihrer elastomeren Mischungen derart ausgeführt werden,
dass sie in der Lage sind, den Reifen bei einem plötzlichen
oder schleichenden Druckverlust im Pannenfall über eine
gewisse Zeit und über eine gewisse Laufstrecke selbsttragend
zu erhalten. Ein derartiger selbsttragender Reifen ist beispielsweise
aus der
DE 2 331 530
A1 bekannt. Eine Ausführung mit mehrteiligen Verstärkungsprofilen
ist beispielsweise aus der
DE
29 43 654 A2 bekannt. Ferner ist es bereits aus der
EP 12 42 256 B1 bekannt,
den Einsatz aus einer Schichtfolge von Gummiteilen unterschiedlicher
Härte aufzubauen. Ein wesentlicher Nachteil der bekannten
Ausführungen ist, dass sie zur Sicherstellung der Selbsttragefähigkeit
relativ steif ausgeführt sein müssen, wodurch die
Reifenseitenwände im Normalbetrieb des Reifens ebenfalls
versteift sind und somit das erwünschte Einfederungsverhalten
und den Komfort des Reifens negativ beeinträchtigen. Zudem
ist das Gewicht des Reifens durch den zusätzlichen Materialeinsatz
für die Verstärkungsprofile unerwünscht
erhöht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, tragfähige Einsätze
in den Reifenseitenwänden eines Fahrzeugluftreifens mit
Notlaufeigenschaften zu schaffen, deren Einfluss auf das Einfederungsverhalten
und den Komfort des Reifens wesentlich geringer als bei bisher bekannten
Ausführungen ist, während die Tragfähigkeit
aber mindestens genauso gut wie bei herkömmlichen Lösungen
sein soll. Zudem soll das Reifengewicht verringert werden.
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Gelöst
wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass
sich der Einsatz über seine radiale Erstreckung aus einer
Anzahl von ringartig die Seitenwand umlaufenden Gummipolstern zusammensetzt, welche
jeweils eine Umhüllung aus einer Vielzahl an Verstärkungsfäden
aufweisen und dass die Gummiposter Hohlkörper, vorzugsweise
Hohlkugeln oder Hohlellipsoide, aufweisen, welche vollständig
vom elastomeren Material des Gummipolsters umschlossen und fest
mit diesem verbunden sind.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Aufgabe mit
einem Verbund miteinander verbundener und an ihrer Oberfläche
verstärkter, insbesondere gewebeverstärkter Gummipolster
lösen lässt, wobei die Gummimatrix des Gummipolsters
Hohlkörper aufweist. Jedes aus einem geeigneten Kautschukmaterial
bestehende Gummipolster ist von einer Vielzahl an Verstärkungsfäden
umschlossen, so dass eine Art gummigefüllter Verstärkungsfäden-Schlauch
geschaffen ist. Der Einsatz besteht – anschaulich gesagt – aus
mehreren, radial übereinander angeordneten und miteinander
verbundenen gummigefüllten, hohlkörperaufweisenden
Schläuchen, welche über den Umfang der Seitenwand
umlaufend geschlossen angeordnet sind.
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Die
schlauchartige Umhüllung bildet somit eine Art Gerüst,
welches im Pannenfall das innerhalb dieses Gerüstes befindliche
inkompressibele Gummimaterial daran hindert, bei erhöhtem
Druck auszuweichen. Gummi ist gut geeignet, hydrostatische Druckkräfte
zu übernehmen. Das in den Schläuchen befindliche
Gummimaterial wird nur gering verzerrt und unterliegt daher nur
sehr geringen Schubspannungen. Aus diesem Grund können
die Hohlkörper in der Gummimatrix des schlauchförmig
umgebenen Gummipolsters haltbar angeordnet werden, weil eine Trennung
von Gummi/Hohlkugel aufgrund der nur geringen Schubspannungen nicht
zu erwarten ist. Als Material der Gummipolster können nun
relativ weiche Gummimischungen eingesetzt werden, welche auch in
wirtschaftlicher Hinsicht einen Vorteil bieten. Der weichere Gummi
bietet im Normalbetrieb des Fahrzeugluftreifens gegenüber
Fahrzeugreifen mit herkömmlichen Einsätzen höheren
Komfort, da die Einfederung im Normalbetrieb verbessert ist. Durch
die Anordnung von Hohlkörpern in der Gummimatrix wird das
Gewicht des Reifens durch Einsparung an Gummimaterial durch die
Hohlkörper als Verdrängungskörper verringert.
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Da
jedes Gummipolster jeweils vorzugsweise mit radial verlaufenden
Verstärkungsfäden umhüllt ist, führt
dies dazu, dass die Verstärkungsfäden im Notlauf
vornehmlich auf Zug beansprucht werden und in den Gummipolstern
ein erhöhter Anteil von hydrostatischem Druck entsteht.
Die dann auf Zug beanspruchten Verstärkungsfäden übernehmen
somit im Notlauf eine mittragende Funktion und einen Teil der entstehenden
Kräfte, die sonst ungehindert auf einen herkömmlich
ausgebildeten Einsatz einwirken würden. Die schlauchartige
Umhüllung kann ein (gummiertes) Gewebe sein, welches vorzugsweise radial
verlaufende Festigkeitsträger aufweist.
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Es
ist auch möglich, den Verbund von Gummipolstern und Verstärkungsfäden
fachwerkartig auszuführen, d. h., es ist möglich,
dass die Gummipolster entweder nur lose miteinander verbunden sind
oder dass die aneinander liegenden Gummipolster miteinander vernäht
sind. Ferner ist es denkbar, einen Verbund aus miteinander vernähten
Gummipolstern noch mit weiteren schräg zur Radialrichtung
verlaufenden Fäden miteinander zu versteifen und/oder das
Gebilde zusätzlich noch mit einer Umhüllung aus
einem flächigen textilen Gebilde zu umgeben, so dass eine
größtmögliche Steifigkeit in Fachwerkbauweise
entsteht.
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Idealerweise
bestehen die Verstärkungsfäden (Festigkeitsträger)
aus herkömmlichem Karkassmaterial, durch welches der Einsatz
in schlauchartige Gummikammern unterteilt ist. Diese Gummikammern
sollen in Relation zu ihren Volumina eine optimal geringe Oberfläche
aufweisen. Die Gummikammern können eine ringförmige
oder auch eine elliptische Querschnittsform aufweisen. Über
die Querschnittsform ist die erwünschte Steifigkeit der
Struktur einstellbar. Da Gummi inkompressibel ist, führt eine
Verformung dieser Kammern zu einer größeren, d.
h. längeren Oberfläche bei konstantem Volumen. Als
Folge kommt es zu einem Anwachsen der Zugkräfte in den
Festigkeitsträgern des Schlauchmaterials und zu einem Anstieg
des hydrostatischen Druckes im Gummi bei nur gering auftretenden
Schubspannungen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die äußere
Umhüllung der Gummipolster oder die Umhüllung
des Einsatzes aus Karkassmaterial, demnach aus einem gummierten Gewebe,
dessen Eigenschaften im Reifen vorteilhafterweise bereits bekannt
sind.
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Eine
feste Verbindung des Fadens bzw. der Fäden der flächigen
Gebilde mit der Umhüllung kann beispielsweise durch Vernähen
sichergestellt werden.
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Um
die im Normalbetrieb geringe Biegesteifigkeit und die im Pannenfall
erwünschte höhere Biegesteifigkeit zu gewährleisten,
ist es von Vorteil, wenn die Anzahl der Gummipolster im Einsatz
mindestens vier beträgt.
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Die
Erfindung lässt sich dadurch weiterbilden, dass der radial
obere und untere Abschluss des Einsatzes durch ein Gummiprofil gebildet
ist, welches frei von Verstärkungsfäden ist. Dies
kann vorteilhaft sein, um eine sichere flächige Anbindung
des Einsatzes an eine vorhandene luftdichte Innenschicht bzw. an
eine Karkassenschicht in der Seitenwand des Reifens zu gewährleisten.
Die als radial oberen und unteren Abschluss dienenden Gummiprofile
weisen keine Hohlkörper auf.
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Die
Hohlkörper, welche in der Gummimatrix angeordnet sind,
bestehen vorteilhafterweise aus Metall, vorzugsweise vermessingtem
Stahl, Kunststoff, Kautschuk, Keramik und/oder Glas.
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In
einer bestimmten Ausführungsform weisen die Hohlkörper
einen Durchmesser zwischen 2 mm bis 10 mm, bevorzugt von 3 mm auf.
Die Hohlkörper sind vorteilhafterweise gleichmäßig
innerhalb des Gummipolsters homogen statistisch verteilt angeordnet.
Jeder Hohlkörper ist fest und vollständig vom Gummimaterial
umschlossen und die Hohlkörper berühren einander
gegenseitig nicht.
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In
einer anderen Ausführungsform weisen die Hohlkörper
verschiedene Durchmesser auf, bevorzugt einen Durchmesser von 2
mm und einen weiteren Durchmesser von 4 mm. Die Hohlköper
größeren und geringeren Durchmessers sind homogen statistisch
in der Gummimatrix verteilt und erlauben eine dichtere Hohlkörperpackung,
wodurch die Seitenwand im Notlauf steifer zu gestalten ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform weisen die Hohlkörper
einen geringfügig kleineren Durchmesser als den Durchmesser
des Schlauches auf, so dass die Hohlkörper berührungsfrei
in Umfangsrichtung nebeneinander durch Gummimaterial voneinander
getrennt innerhalb des Schlauch-Gummipolsters angeordnet sind.
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Zur
besseren Gummianbindung kann die Oberfläche der Hohlkörper
mit Haftvermittler oder einer Beschichtung versehen sein. Die Hohlkörper
sind besonders wirkungsvoll als Verdrängungskörper
einsetzbar, so dass an Gummimaterial und somit an Gewicht des Reifens
eingespart ist. Die Notlaufeigenschaften sind dennoch erhalten.
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Vorteilhaft
ist es, wenn die Wandstärke eines Hohlkörpers
zwischen 0,01 mm und 0,5 mm, vorzugsweise 0,03 mm beträgt.
Der Hohlkörper als Verdrängungskörper
ist von geringem Gewicht, aber im Reifenbetrieb dennoch stabil.
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Die
Stabilität des Hohlkörpers ist weiterhin auch
bei geringer Wandstärke ohne wesentliche Gewichtszunahme
erhöhbar, wenn dieser schaumgefüllt oder gasgefüllt
ist.
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Vorteilhaft
ist es, wenn der Hohlkörper aus Metallschaum besteht. Ein
derartiger Hohlkörper ist ein poröser Körper,
der Poren aufweist. Durch diese Porigkeit ist die Oberfläche
des Schaumkörpers erhöht, wodurch eine gute Gummianbindung
an den Körper erhalten ist. Zudem kann das Gummi in die Poren
eindringen, wodurch die Anbindung zusätzlich verbessert
ist. Als Metallschaum kann beispielsweise ein Stahlschaum oder ein
Aluminiumschaum Verwendung finden.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung, welche schematische
Ausführungsbeispiele darstellen, werden nun anhand der
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen die:
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1 einen
Querschnitt eines erfindungsgemäßen Fahrzeugluftreifens
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2a eine
perspektivische Ansicht eines Fahrzeugrades mit dem erfindungsgemäßen
Fahrzeugluftreifen im Radialschnitt im Normalzustand und
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2b das
Fahrzeugrad aus der 2a im Notlauf
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3 einen
Querschnitt durch einen anderen erfindungsgemäßen
Fahrzeugluftreifen.
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Der
in 1 gezeigte Fahrzeugluftreifen ist ein Reifen für
Personenkraftwagen in Radialbauart. Der Reifen weist einen profilierten
Laufstreifen 1, einen insbesondere zweilagig ausgeführten
Gürtel 2, eine luftdichte Innenschicht 3,
Kernpakete aus Wulstkernen 5 und Kernprofilen 6,
Seitenwände 7 und eine insbesondere einlagige
Radialkarkasse 4 auf.
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Im
Bereich der Seitenwände 7 befindet sich an den
Innenseiten des Reifens je ein den Reifen ringförmig umlaufender
Einsatz 8. Der Einsatz 8 ist im Querschnitt etwa
mondsichelförmig ausgeführt und erstreckt sich
hierbei über mindestens 50% der Querschnittshöhe
des Reifens zwischen dem Wulstbereich und dem Gürtel 2.
Dabei kann sich der Einsatz 8, zwischen dem Wulstbereich
seitlich des Kernens 5 beginnend, über die Schultern
und innerhalb des jeweiligen Randabschnittes des Gürtels 2 reichend,
erstrecken. Grundsätzlich kann die Anordnung des Einsatzes 8 analog
zur Anordnung herkömmlicher, aus einem Gummimaterial bestehenden Einsätzen
erfolgen.
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Die
Einsätze 8 können bei der Herstellung des
Rohreifens an der Innenseite des Reifens positioniert und gemeinsam
mit dem Rohreifen vulkanisiert werden. Möglich ist auch
eine nachträgliche Anordnung der Einsätze 8 durch
ankleben oder anvulkanisieren. Grundsätzlich ist es auch
möglich, erfindungsgemäß ausgeführte
Einsätze 8 im Reifenkörper unterzubringen,
beispielsweise zwischen der Innenschicht 3 und der Karkasse 4 anzuordnen.
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Der
Aufbau eines erfindungsgemäß ausgeführten
Einsatzes 8 wird nun in Verbindung mit 2a und 2b näher
erläutert. Der Einsatz 8 besteht aus oberen bzw.
unteren Gummipolstern 9 und 10 und dazwischen
angeordneten mittleren Gummipolstern 11 und 12.
Jedes der Gummipolster 9 bis 12 ist ein Einzelbauteil,
das separat hergestellt und anschließend mit dem jeweils
benachbarten Gummipolster verbunden wurde. Jedes der Gummipolster 9 bis 12 weist
ein äußeres Gerüst 13 auf, welches
aus Verstärkungsfaden, nämlich aus textilen Karkassenfäden,
besteht. Die Fäden sind wenigstens radial um jedes einzelne
Gummipolster 9 bis 12 herumgeführt, es
ist jedoch auch denkbar und liegt durchaus im Rahmen der Erfindung,
dass zwecks Herstellung eines besseren Haltes zumindest während
der Herstellung auch noch quer zu den einzelnen Fäden verlaufende
Kettfäden vorgesehen sind. Dies kann insbesondere dann
von Vorteil sein, wenn beim Herstellungsprozess das Gummimaterial
in einen aus den textilen Fäden gebildeten Gewebeschlauch
extrudiert wird. In den Gummipolstern 9 bis 12 sind
Hohlkörper 17 in Form von Hohlkugeln gleichen
Durchmessers eingebracht. Die Hohlkugeln 17 sind in der Gummimatrix 18 der
Gummiposter 9 bis 12 statistisch homogen verteilt,
wobei jede Hohlkugel 17 vollständig von Gummimaterial
umschlossen ist, so das benachbarte Hohlkugeln 17 einander
nicht berühren. Die Hohlkörper 17 sind
luftgefüllt und dienen als Verdrängungskörper
innerhalb der Gummipolster des Einsatzes 8 zur Verdrängung
von Gummimaterial. Hierdurch ist das Gewicht des Reifens verringert. Jede
Hohlkugel weist einen Durchmesser von 3 mm auf und ist aus vermessingtem
Stahl hergestellt.
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Wie
an der Grenze zwischen dem Gummipolster 10 und dem Gummipolster 12 angedeutet, können
die aneinander grenzenden Gummipolster durch textile Fäden 13 miteinander
vernäht sein. Es ist jedoch auch denkbar, wie das am Beispiel
der Gummipolster 9 und 11 dargestellt ist, diese
beim Herstellungsprozess des Einsatzes 8 einfach aneinander
zu legen. Das Gummimaterial besitzt im noch nicht vulkanisierten
Zustand eine ausreichende Haftung, so dass zwei aneinander grenzende
Polster bis zum Abschluss der Vulkanisation aneinander haften bleiben
und während der Vulkanisation miteinander untrennbar verbunden
werden.
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Bei
einem plötzlichen oder einem langsamen Druckverlust im
Inneren des Reifens wird durch die wesentliche Walkarbeit beim Abrollen
der Reifen und damit auch das Gummimaterial in den Einsätzen 8 innerhalb
kurzer Zeit sehr warm. Gleichzeitig nimmt das Biegemoment und die
wirkende Druckkraft auf den Einsatz 8 zu, da in diesem
Zustand der Fahrzeugreifen in der Regel drucklos ist bzw. Druckluft
verliert. Durch den einwirkenden Druck kommt es zu einer Formveränderung
der Gummipolster, welche sich ausbeulen. Die Ausbeulung bewirkt
bei konstant bleibenden Volumina der Gummipolster 9 bis 12 aber
ein Anwachsen der Fäden bzw. sozusagen ein Versuch der
Fäden, anzuwachsen. In diesem Zustand werden die Fäden
auf Zug belastet, was zu einer Erhöhung des hydrostatischen
Drucks in den Gummipolstern führt. Gleichzeitig wird die
Verformung der Gummipolster vermindert, wodurch weniger Schubkräfte
in den Gummipolstern entstehen. Da insbesondere Karkassfäden
sehr gut in der Lage sind, auf Zug belastet zu werden, können
im Pannenfall die entstehenden Zugkräfte von den Fäden
aufgenommen bzw. abgefangen werden. Das Gummi der Gummipolster wird
im Hinblick auf Scherkräfte und Walkarbeit weniger belastet,
als dies bei herkömmlichen Einsätzen der Fall
ist, welche nicht in gewebeverstärkte Polster unterteilt
sind. Die in den Gummipolstern 9 bis 12 angeordneten
Hohlkugeln 17 sind einem hydrostatischen Spannungszustand
ausgesetzt, so dass nur sehr geringe Schubspannungen an der Oberfläche
der Hohlkugeln 17 auftreten. Die Hohlkugeln sind im Fahrbetrieb
haltbar mit der Gummimatrix 18 verbunden.
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Diese
Zustande sind in den 2a und 2b dargestellt.
Gleiche Bauteile der 2a, 2b mit
der 1 sind mit gleichen Bezugsziffern benannt. In 2a ist
ein erfindungsgemäßer Reifen dargestellt und zwar
in einem Zustand, welcher der Normalbelastung im Normalbetrieb entspricht.
Bei dieser Ausführung sind vier gewebeummantelte Gummipolster 9 bis 12 an
der Seitenwand angeordnet, zusätzlich sind aber auch noch
Endprofile 15, 16 angeordnet, welche keine Gewebeverstärkung
aufweisen. Die Endprofile bilden die Anbindung des Einsatzes 8 an
den Laufstreifen bzw. an den Wulstbereich des Fahrzeugluftreifens.
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In 2b ist
der Reifen aus 2a in einem Zustand dargestellt,
welcher dem Pannenlauffall entspricht, d. h., der Innendruck des
Fahrzeugluftreifens beträgt 0 bar. Zu erkennen ist hier
die Verformung, insbesondere der Gummipolster 9 bis 12.
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Die 3 zeigt
einen weiteren Fahrzeugluftreifen, der in seiner Konstruktion dem
der 1 sehr ähnlich ist. Gleiche Bauteile
beider Fig. sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Der in der 3 dargestellte
Reifen unterscheidet sich von dem Reifen der 1 durch
Anordnung und Größe der in den Gummipolstern 9 bis 12 angeordneten
Hohlkörper 17. In dem Ausführungsbeispiel
der 3 ist der Durchmesser der Hohlkugeln 17 eines
jeden durch den Gewebeschlauch 13 umschlossenen Gummipolsters 9 bis 12 derart
gewählt, dass der Durchmesser der Kugeln innerhalb eines
Gummiposters 9, 10, 11, 12 nur
geringfügig kleiner ist als der Durchmesser des dieses
Gummipolster 9, 10, 11, 12 umschließenden
Gewebeschlauches 13. Daher sind die Hohlkugeln 17 innerhalb
des Gummiposters 9 bis 12 nicht radial übereinander
angeordnet, sondern nur in Umfangsrichtung der Reifenseitenwand
nebeneinander angeordnet. Jede Hohlkugel 17 ist aber vollständig von
der Gummimatrix 18 umschlossen. Die Hohlkugeln 17 eines
Gummiposters 9 bis 12 sind in bestimmten regelmäßigen
Abständen in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet.
Da die Gummipolstergröße über die radiale
Erstreckung des Einsatzes variieren kann, können die Kugeln
verschiedener Gummipolster 9 bis 12 verschiedene
Größen aufweisen. Die innerhalb eines einzigen
Gummipolsters 9, 10, 11, 12 angeordneten
Hohlkugeln 17 haben aber immer die gleiche Größe.
Durch diese in der 3 gezeigte Ausführungsform
wird ein besonders großes Volumen an Gummimaterial durch
den Einsatz der Hohlkugeln 17 verdrängt, so dass
das Gewicht des Reifens besonders stark gegenüber herkömmlichen
Notlaufreifen reduziert ist.
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- 1
- Laufstreifen
- 2
- Gürtel
- 3
- Innenschicht
- 4
- Karkasse
- 5
- Wulstkern
- 6
- Wulstkernprofil
- 7
- Seitenwand
- 8
- Einsatz
- 9
- Gummipolster
- 10
- Gummipolster
- 11
- Gummipolster
- 12
- Gummipolster
- 13
- Umhüllung
- 14
- Faden
- 15
- Gummiprofil
- 16
- Gummiprofil
- 17
- Hohlkörper
- 18
- Gummimatrix
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 2331530
A1 [0002]
- - DE 2943654 A2 [0002]
- - EP 1242256 B1 [0002]