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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet luftbereifter Fahrzeuge und insbesondere ein Fahrzeugrad, das bei starker Reifendruckverlust oder einer Reifenpanne notlauffähig ist.
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Luftbereifte Fahrzeugräder mit Notlaufeigenschaften ermöglichen die Weiterfahrt eines Fahrzeugs bei Verlust von Reifendruck oder im Fall einer Reifenpanne. Bei der Gestaltung derartiger Räder kommt es darauf an, brauchbare Fahreigenschaften des defekten Reifens zumindest vorübergehend aufrechtzuerhalten, damit das Fahrzeug nicht im Gefahrenbereich liegen bleibt, sondern mit akzeptabler Geschwindigkeit und ausreichender Fahrkontrolle weitergefahren werden kann, um so etwa eine Werkstatt aufsuchen zu können.
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Zur Realisierung von Notlaufeigenschaften in einem Autoreifen ist beispielsweise vorgeschlagen worden, den Reifen mit speziell verstärkten Seitenwänden auszustatten, die den Reifen im Falle eines Luftdruckverlusts stützen und selbst bei völligem Druckverlust noch verhindern, dass das Fahrzeug auf der Felge fährt (sogenannte Run-Flat-Reifen). Ein anderes Notlaufkonzept sieht einen Stützring aus Kunststoff vor, der auf einer speziellen Felge montiert ist und den Reifen derart stabilisiert, dass ein sicherer Sitz des Reifens gewährleistet ist (sogenanntes PAX SYSTEM® von Michelin). Typischerweise können bei derartigen Lösungen noch Strecken von bis zu 200 km mit einer Geschwindigkeit von maximal 80 km/h zurückgelegt werden. Der effektiven Einsatzdauer derartiger Reifen im Notlauf sind damit aber enge Grenzen gesetzt. Insbesondere zeigt sich auch, dass diese Lösungen bei stark unebenem Fahrbahnuntergrund, etwa bei einer Fahrt in offenem Gelände, nicht praktikabel sind.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Lösung anzugeben, mit der eine robuste und dauerhafte Notlaufleistung eines luftbereiften Fahrzeugrads zu erreichen ist.
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Ausgehend von einem Fahrzeugrad mit einer Felge, die ein Felgenbett und sich beiderseits des Felgenbetts radial nach außen erstreckende Vorsprünge aufweist, und einem Reifen, der auf der Felge montiert ist und eine Innenfläche aufweist, die zusammen mit der Felge einen ringförmigen Hohlraum begrenzt, ist diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine in dem Hohlraum angeordnete, ringförmige Schraubenfeder, deren Federwindungen sich radial innen auf dem Felgenbett abstützen und die Vorsprünge radial überragen.
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Mit der Formulierung ”auf dem Felgenbett abstützen” ist hier gemeint, dass sich die Federwindungen sowohl unmittelbar als auch mittelbar auf dem Felgenbett abstützen können. Bei einer mittelbaren Abstützung ist zwischen den Federwindungen und dem Felgenbett wenigstens ein weiteres Element vorhanden, so dass die Schraubenfeder nicht direkt mit dem Felgenbett in Kontakt ist.
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Die Schraubenfeder hat eine zumindest annähernd torusförmige Gestalt, die sich durch den zwischen der Innenfläche des Reifens und der Felge gebildeten, ringförmigen Hohlraum erstreckt. Die Federwindungen der Schraubenfeder verlaufen dabei im Wesentlichen helixförmig und quer zur Umfangsrichtung der Felge. Die sich beiderseits des Felgenbetts radial nach außen erstreckenden Vorsprünge der Felge verhindern, dass die Schraubenfeder in axialer Richtung von der Felge herunterrutscht und stützen die Federwindungen vorzugsweise axial ab, so dass die Schraubenfeder in ihrer axialen Position auf der Felge fixiert ist.
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Sofern es sich bei den Vorsprüngen um die radial äußersten Abschnitte der Felge handelt, ist – indem die Federwindungen die Vorsprünge radial überragen – sichergestellt, dass die Felge im Falle eines Druckverlusts im Reifen vom Fahrbahnuntergrund ferngehalten wird und somit keinen Schaden nehmen kann. Die einzelnen Federwindungen sind zumindest in begrenztem Maße unabhängig von anderen Abschnitten der Schraubenfeder verformbar und können vorhandene Unebenheiten im Fahrbahnuntergrund ausgleichen bzw. abfedern. Einzelne oder mehrere benachbarte Federwindungen deformieren sich dabei unter Belastung und nehmen nach Entlastung ihre ursprüngliche Gestalt wieder an. Insgesamt wird durch eine derartige Anordnung die für die Weiterfahrt eines Fahrzeugs notwendige Stabilität bereitgestellt und zugleich verhindert, dass der Reifen von der Felge abrutscht. Bei entsprechender Robustheit der Schraubenfeder ist auch der Einsatzdauer einer solchen Notlaufanordnung grundsätzlich keine Grenze gesetzt.
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Vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Anordnung auch deshalb, da sie mit herkömmlichen, handelsüblichen Felgen auskommt. Die Schraubenfeder kann im Allgemeinen einfach auf die Felge aufgebracht oder von dieser entfernt werden, indem sie in radial etwas aufgeweitetem Zustand über die Vorsprünge auf das Felgenbett aufgeschoben bzw. von ihm heruntergezogen wird. Insbesondere ist es möglich, die Schraubenfeder in einem einzigen Arbeitsschritt zusammen mit dem Reifen auf die Felge aufzuziehen oder von dieser abzuziehen. Es versteht sich, dass damit auch die Möglichkeit gegeben ist, eine Schraubenfeder mehrfach zu verwenden, da sie von einem abgenutzten oder beschädigten Rad abgezogen und auf ein neues Rad montiert werden kann.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung können die Vorsprünge durch sich radial nach außen erstreckende Felgenhörner der Felge gebildet sein. Es ist aber auch vorstellbar, die Vorsprünge als radiale Erhöhungen jeweils im Bereich zwischen einem Felgenhorn und dem Felgenbett zu bilden. Vorzugsweise überragen die Federwindungen dann auch die Felgenhörner, denn die Federwindungen sollten die radial äußersten Abschnitte der Felge stets überragen, um die Felge im Notlaufmodus vom Fahrbahnuntergrund fernzuhalten.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Schraubenfeder so dimensioniert, dass der Reifen im Falle eines Druckverlusts im Wesentlichen seine Form behält. Dies kann erreicht werden, indem die Gestalt der Schraubenfeder zumindest im Bereich der Innenfläche des Reifens an die Querschnittsgestalt des ringförmigen Hohlraums angepasst ist. Dabei können die Außenseiten der Federwindungen zumindest abschnittsweise an der Innenfläche des Reifens anliegen. Anliegende Außenseiten der Federwindungen können auch in den Reifen vulkanisiert sein, so dass die Außenseiten der Federwindungen zumindest teilweise von Reifenmaterial umgriffen sind. Auf diese Weise ist auch die Position der Schraubenfeder relativ zum Reifen fixiert. Ferner können die Außenseiten der Federwindungen zumindest abschnittsweise mit Abstand zur Innenfläche des Reifens angeordnet sein. Vorzugsweise erstrecken sich dann die Außenseiten der Federwindungen mit geringem, annähernd gleichbleibendem Abstand entlang der Innenfläche des Reifens. In Bereichen, in denen die Außenseiten der Federwindungen an der Innenfläche des Reifens anliegen, ist die Formstabilität des Reifens im Falle eines Notlaufs im Wesentlichen gewahrt. In Bereichen hingegen, in denen die Außenseiten der Federwindungen von der Innenfläche des Reifens beabstandet sind, kann sich der Reifen zwar im Falle eines Notlaufs leicht verformen, es werden jedoch im Normalbetrieb bei vorschriftsmäßigem Reifendruck Beschädigungen am Reifen durch zwischen der Schraubenfeder und dem Reifen wirkende Reibkräfte vermieden. Es versteht sich, dass bei entsprechender, an die Querschnittsgestalt des ringförmigen Hohlraums angepasster Dimensionierung der Schraubenfeder sogar auf eine Befüllung des Hohlraums mit Druckluft verzichtet werden kann. Ebenso versteht es sich, dass bei einem an die Querschnittsgestalt des ringförmigen Hohlraums angepassten Verlauf der Federwindungen nicht mehr von einer rein torusartigen Gestalt der Schraubenfeder, sondern nur noch von einer torusähnlichen Gestalt gesprochen werden kann.
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Gemäß einer Weiterbildung können die Federwindungen im Bereich einer Lauffläche des Reifens von der Innenfläche des Reifens weiter entfernt sein als von der übrigen Innenfläche des Reifens. In dieser Ausführungsform ist ein gewisser Spielraum zwischen der Innenfläche des Reifens und den Außenseiten der Federwindungen vorhanden, der bei korrektem Reifendruck selbst bei hoher auf das Fahrzeugrad wirkender Last verhindert, dass die Federwindungen die Innenfläche des Reifens im Bereich der Lauffläche des Reifens kontaktieren und dort möglicherweise Beschädigungen verursachen.
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Einer möglichen Beschädigung des Reifens durch die Schraubenfeder kann auch dadurch vorgebeugt werden, dass zwischen der Schraubenfeder und dem Reifen eine vorzugsweise aus Kunststoff bestehende, ringförmige Schale angeordnet ist, die die Außenseiten der Federwindungen zumindest abschnittsweise von der Innenfläche des Reifens abschirmt. Der Querschnitt der Schale kann dabei an die Querschnittsgestalt des ringförmigen Hohlraums oder an die Gestalt der Schraubenfeder angepasst sein. Vorzugsweise erstreckt sich die Schale wenigstens im Bereich der Lauffläche des Reifens, es versteht sich aber, dass die Schale die Schraubenfeder auch vollständig umschließen kann, etwa in Form eines Schlauches.
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In vorteilhaften Ausführungsformen übt die Schraubenfeder eine radial nach innen gerichtete Kraft auf das Felgenbett aus. Die Schraubenfeder ist dabei so dimensioniert, dass die Innenumfangsseite des durch die Schraubenfeder gebildeten ”Torus” im unmontierten Zustand einen geringeren Umfang als das Felgenbett aufweist. Die Schraubenfeder sitzt dann in montiertem Zustand mit Spannung auf der Felge und stützt sich auf dem Felgenbett ab, so dass die Schraubenfeder auch bei Belastung oder Erschütterung während der Fahrt ihre Position auf der Felge weitestgehend beibehält.
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Um die Position der Schraubenfeder auf der Felge noch wirksamer zu fixieren, kann auf dem Felgenbett ein gezahntes Profil ausgebildet sein, an dessen Zahnflanken sich wenigstens ein Teil der Federwindungen der Schraubenfeder abstützt. Durch eine solche Ausgestaltung wird die Position der Schraubenfeder in Umfangsrichtung der Felge fixiert. Das gezahnte Profil kann an dem Felgenbett selbst ausgebildet sein, etwa durch auf dem Felgenbett vorhandene, sich quer zur Umfangsrichtung der Felge erstreckende, zahnartig angeordnete Vorsprünge. Bei einer handelsüblichen Felge kann das gezahnte Profil auch durch einen auf dem Felgenbett angeordneten Zahnriemen gebildet sein. Ein solcher Zahnriemen kann aus Kunststoff, insbesondere aus Elastomermaterial, bestehen und auf das Felgenbett gespannt sein. Ein derartiger Zahnriemen stellt eine Fixierung der Schraubenfeder in Umfangsrichtung der Felge sicher und gewährleistet zudem aufgrund einer gewissen Dämpfungswirkung eine bessere Laufruhe. Darüber hinaus wird verhindert, dass die Schraubenfeder direkt auf die Felge aufsetzt und diese beschädigt. Es versteht sich, dass zusätzlich zu den – oder anstelle der – an der Felge vorgesehenen, sich radial nach außen erstreckenden Vorsprünge auch ähnliche Vorsprünge an den Seiten des Zahnriemens gebildet sein können, die gleichermaßen die Federwindungen in axialer Richtung abstützen, und zwar vorzugsweise so, dass sie die Schraubenfeder in ihrer axialen Position auf der Felge fixieren.
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Die Schraubenfeder kann aus Kunststoff oder aus Metall, vorzugsweise aus Federstahl, hergestellt sein. Eine Schraubenfeder aus Kunststoff verursacht bei Kontakt weniger Schädigungen an der Felge oder dem Reifen als eine Schraubenfeder aus Metall, allerdings bietet eine metallene Schraubenfeder Stabilitätsvorteile. Beide Vorteile können miteinander vereint werden, indem die Schraubenfeder als eine kunststoffbeschichtete Metallfeder ausgeführt ist. In allen Varianten kann zudem vorgesehen sein, dass die Federwindungen der Schraubenfeder aus Stabilitätsgründen massiv ausbildet sind. Zum Zwecke einer Gewichtsreduktion ist aber auch denkbar, die Federwindungen mit einem rohrförmigen Querschnitt auszuführen.
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Bei entsprechender Materialwahl und Dimensionierung der Schraubenfeder kann eine so hohe Stabilität und Robustheit erzielt werden, dass ein erfindungsgemäßes Fahrzeugrad auch für einen Notlauf unter Extrembelastungen einsatzfähig ist, beispielsweise bei Militärfahrzeugen, etwa Schützenpanzern, die häufig unwägbares Gelände passieren müssen. Selbst bei einer durch Beschuss erfolgten Zerstörung eines Reifens könnte ein solches Fahrzeug seine Fahrt dann noch fortsetzen.
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Mögliche Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Fahrzeugrads werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten, schematischen Zeichnungen näher erläutert, in denen:
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1 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Fahrzeugrads;
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2 eine seitliche Schnittansicht des Fahrzeugrads aus 1; und
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3 eine perspektivische Ansicht einer torusförmigen Schraubenfeder zeigt.
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In der folgenden Beschreibung werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche oder gleichwirkende Elemente zu bezeichnen.
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1 zeigt in einer Querschnittsansicht ein luftbereiftes Fahrzeugrad 10 mit einer Felge 12 und einem auf der Felge 12 montierten Reifen 14, der als handelsüblicher Diagonal- oder Radialreifen ausgeführt sein kann. Die Felge 12 weist ein Felgenbett 16 sowie sich beiderseits des Felgenbetts 16 radial nach außen erstreckende Felgenhörner 18 und 20 auf, die zugleich die radial äußersten Abschnitte der Felge 12 bilden. Der Reifen 14 hat eine Lauffläche 22 mit einem zur Herstellung einer kraft- bzw. formschlüssigen Verbindung zwischen dem Fahrbahnuntergrund und dem Reifen 14 geeigneten Profil. Beiderseits der Lauffläche 22 erstrecken sich radial einwärts Seitenwände 24 und 26, die jeweils in einem Reifenwulst 28 bzw. 30 enden. Die Reifenwulste 28 und 30 liegen an den Innenseiten der jeweiligen Felgenhörner 18 bzw. 20 an und dichten einen durch die Innenfläche 32 des Reifens 14 und die Felge 12 begrenzten, ringförmigen Hohlraum 34 ab. Eine Zu- oder Abführung von Druckluft in oder aus dem Hohlraum 34 kann in üblicher Weise mittels eines an der Felge 12 angebrachten Ventils 36 vorgenommen werden. Es versteht sich, dass in dem Hohlraum 34 auch ein Schlauch zur Abdichtung vorhanden sein könnte, der sich bei Druckluftbefüllung an die Innenfläche 32 des Reifens 14 anlegt. Im Inneren des – üblicherweise aus Gummi – bestehenden Reifenmaterials ist eine Karkasse 38 angeordnet, die einen stabilen Gewebeunterbau für den Reifen 14 bildet. Im Bereich der Reifenwulste 28 und 30 sind in die Karkasse 38 zusätzlich Wulstkerne 40 und 42 eingearbeitet, die eine Dehnung des Reifens im Bereich der Reifenwulste 28 und 30 verhindern sollen. In ähnlicher Weise ist im Bereich der Lauffläche 22 im Inneren des Reifenmaterials ein Stahlgürtel 44 eingebracht, der bei Belastung des Reifens 14 Verformungen der Lauffläche 22 entgegenwirkt.
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In dem Hohlraum 34 ist eine ringförmige Schraubenfeder 46 angeordnet, deren – in Zeichnungstiefe der 1 gesehen – helixförmig verlaufende Federwindungen 48 die Felgenhörner 18 und 20 radial überragen und sich annähernd quer zur Umfangsrichtung der Felge 12 erstrecken. In der Schnittdarstellung der 1 liegt aufgrund des helixförmigen Verlaufs der Federwindungen 48 nur ein Teil der Schraubenfeder 46 in der dargestellten Schnittebene. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist lediglich eine Federwindung gezeigt. Auf dem Felgenbett 16 ist ein Zahnriemen 50 mit einem aus Zähnen 51 gebildeten, gezahnten Profil angeordnet. Die Zähne 51, von denen in 1 nur einer dargestellt ist, erstrecken sich hier mit ihren Köpfen 52 quer zur Umfangsrichtung der Felge 12. Die Federwindungen 48 der Schraubenfeder 46 stützen sich im gezeigten Beispiel auf dem Zahnriemen 50 und daher mittelbar auf dem Felgenbett 16 ab. Vorzugsweise besteht der Zahnriemen 50 aus Elastomermaterial und ist in gespanntem Zustand auf das Felgenbett 16 aufgebracht, so dass ein Verrutschen des Zahnriemens 50 in Umfangsrichtung der Felge 12 aufgrund einer zwischen dem Zahnriemen 50 und dem Felgenbett 16 bestehenden kraftschlüssigen Verbindung im Wesentlichen unterbunden ist. Demgemäß ist auch die Position der Schraubenfeder 46 in Umfangsrichtung der Felge 12 im Wesentlichen fixiert. Unterstützt wird diese Fixierung noch durch eine von der Schraubenfeder 46 ausgeübte, radial nach innen gerichtete Kraft, die die Federwindungen 48 zwischen die Zähne des gezahnten Profils des Zahnriemens 50 hineindrückt. Um auch die axiale Position der Schraubenfeder 46 auf der Felge 12 zu fixieren, stützen sich die Federwindungen 48 zudem an zwischen dem Felgenbett 16 und den Felgenhörnern 18 bzw. 20 liegenden Felgenschultern 53 und 54 ab.
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Die Gestalt der Schraubenfeder 46 ist der Querschnittsgestalt des ringförmigen Hohlraums 34 angepasst. Im Bereich der Reifenwulste 28 und 30 sowie an den Seitenwänden 24 und 26 erstrecken sich die Außenseiten der Federwindungen 48 mit geringem, annähernd gleichbleibendem Abstand entlang der Innenfläche 32 des Reifens 14. Im Bereich der Lauffläche 22 des Reifens 14 sind die Außenseiten der Federwindungen 48 weiter von der Innenfläche 32 des Reifens 14 entfernt, um genügend Spielraum für eine Verformung der Lauffläche 22 des Reifens 14 bei vorübergehend starker Belastung des Reifens 14 bereitzustellen. In diesem Bereich ist auch eine z. B. aus Kunststoff bestehende, ringförmige Schale 55 angeordnet, die die Außenseiten der Federwindungen 48 von der Innenfläche 32 des Reifens 14 abschirmt. Es versteht sich, dass die Außenseiten der Federwindungen 48 mindestens abschnittsweise auch an der Innenfläche 32 des Reifens 14 anliegen könnten, etwa im Bereich der Reifenwulste 28 bzw. 30 oder der Seitenwände 24 bzw. 26.
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Um den Eingriff der Federwindungen 48 in das gezahnte Profil des Zahnriemens 50 besser zu veranschaulichen, zeigt 2 schematisch das in 1 dargestellte Fahrzeugrad 10 in einer seitlichen Schnittansicht. Wie hier zu sehen ist, greifen die Federwindungen 48 der Schraubenfeder 46 in das durch den Zahnriemen 50 gebildete gezahnte Profil ein und stützen sich an den Zahnflanken des gezahnten Profils ab. Die Schraubenfeder 46 ist hier lediglich durch gestrichelte Linien angedeutet.
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Durch die in den 1 und 2 gezeigte Anordnung der Schraubenfeder 46 in dem ringförmigen Hohlraum 34 wird im Falle eines Druckverlusts oder einer Reifenpanne sichergestellt, dass die Form des Reifens 14 auch im Notlauf im Wesentlichen beibehalten wird und somit eine Weiterfahrt mit akzeptablen Fahreigenschaften möglich ist. Die Schraubenfeder sorgt einerseits für die notwendige Fahrstabilität und andererseits dafür, dass der Reifen 14 nicht von der Felge 12 abrutschen kann. Die einzelnen Federwindungen 48 sind bis zu einem gewissen Grade verformbar und daher geeignet, auch etwaige Unebenheiten im Fahrbahnuntergrund auszugleichen bzw. abzufedern. Bei entsprechend robust gewählter Dimensionierung und Materialeigenschaften der Schraubenfeder 46 ist daher ohne weiteres eine dauerhafte Fahrt im Notlauf selbst auf schwierigem Untergrund möglich.
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Zur besseren Veranschaulichung der in den 1 und 2 dargestellten Schraubenfeder 46 zeigt die 3 eine perspektivische Darstellung einer Schraubenfeder 56. Die hier gezeigte Schraubenfeder 56 unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Schraubenfeder 46 dadurch, dass ihre Gestalt nicht der Querschnittsgestalt eines zwischen Felge und Reifen gebildeten, ringförmigen Hohlraums angepasst ist, sondern vielmehr einen idealen Torus bildet. Bei der Schraubenfeder 46 kann dagegen lediglich von einer torusähnlichen Gestalt gesprochen werden. Die Federwindungen 58 weisen bei der Schraubenfeder 56 einen in sich geschlossenen Verlauf auf. Um die Schraubenfeder 56 bei der Montage auf eine Felge über beiderseits des Felgenbetts vorgesehene Vorsprünge bzw. Felgenhörner schieben zu können, muss die Schraubenfeder 56 – gegebenenfalls mit geeigneten Hilfsmitteln – radial aufgeweitet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform könnte die torusartige Gestalt auch durch eine offene Schraubenfeder mit zwei Enden erreicht werden, indem die Federwindungen eines Endabschnitts der Schraubenfeder und die Federwindungen des anderen Endabschnitts der Schraubenfeder ineinandergeschoben werden, so dass die Außenumfangsseiten der Federwindungen des einen Endabschnitts und die Innenumfangsseiten der Federwindungen des anderen Endabschnitts formschlüssig ineinandergreifen. Auf diese Weise kann die Schraubenfeder auch in ihrem Durchmesser verändert und an unterschiedliche Radgrößen angepasst werden.
