DE102014018639B4

DE102014018639B4 - Fahrzeugrad, insbesondere Kraftfahrzeugrad

Info

Publication number: DE102014018639B4
Application number: DE102014018639.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Klinger
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-12-13
Filing date: 2014-12-13
Publication date: 2021-06-10
Anticipated expiration: 2034-12-14
Also published as: DE102014018639A1

Abstract

Fahrzeugrad mit einem eine Lauffläche (3) aufweisenden Reifen (1), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein an der Lauffläche (3) angreifendes Vorspannelement (11) vorgesehen ist, das die Lauffläche (3) nach innen zieht und dass die Lauffläche (3), bezogen auf einen unbelasteten Nicht-Aufstandsbereich des Reifens (1), so mittels des wenigstens einen Vorspannelementes (11) vorgespannt ist, dass der Reifen (1) im vorgespannten Zustand (I) einen Reifen-Außenradius (R1) aufweist, der kleiner ist als der Reifen-Außenradius (R0) im nicht-vorgespannten Zustand (II) und/oder dass der Reifen im vorgespannten Zustand (I) eine steifere Verformungskennlinie (18a) aufweist als im nicht-vorgespannten Zustand (II).

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugrad, insbesondere ein Kraftfahrzeugrad, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, einen Reifen für ein Fahrzeugrad nach dem Oberbegriff des Anspruchs 13 sowie ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 14.
Der Aufbau von Fahrzeugrädern ist allgemein bekannt. Grundsätzlich bestehen Fahrzeugräder aus zwei Teilen, dem Reifen und der Felge, wobei letztere zusammen mit der Radschüssel oder Radscheibe das Scheibenrad ausbildet, über das das Fahrzeugrad mit dem Fahrzeug verbunden wird. Konkret dient die Felge dabei dazu, den Reifen aufzunehmen, während die Radschüssel oder Radscheibe die feste Verbindung des Scheibenrades mit dem Achsflansch herstellt. Der Reifen selbst besteht im Wesentlichen aus drei Grundelementen, der Karkasse, den beiden Reifenwülsten und der Lauffläche mit den Reifenflanken. Innerhalb des Reifens, eingeschlossen zwischen Karkasse und Felge, beim Reifen mit Schlauch noch einmal umschlossen von einem Schlauch, befindet sich das unter Druck stehende Gas- bzw. Luftvolumen, der eigentliche Träger des Fahrzeugs. Die Karkasse bildet den Unterbau des Reifens und dient als Festigkeitsträger, der Kräfte aufnehmen kann. Die Karkasse selbst besteht aus parallel angeordneten Karkassfäden oder -seilen, die in einem Gummi eingebettet sind und von Reifenwulst zu Reifenwulst verlaufen. Dieser Reifenwulst hat wiederum die Aufgabe, den Reifen auf der Felge zu zentrieren und festzuhalten. Er besteht zum Beispiel aus einem oder mehreren nicht dehnbaren Stahldrähten. Die Karkasslagen sind um die Stahldrähte herumgeschlungen und dadurch fest verankert. Darüber hinaus ist der Reifenwulst in Gummi eingebettet, der bei schlauchlosen Reifen den luftdichten Sitz auf der Felgenschulter gewährleistet. 1 zeigt einen derartigen herkömmlichen Aufbau eines Reifens 1 im Querschnitt mit einer sich zwischen zwei in Reifenquerrichtung x voneinander beabstandeten Reifenflanken 2 erstreckenden Lauffläche 3. Die Reifenflanken 2 enden endseitig jeweils in einem, mit einem Wulstkern 4 versehenen Reifenwulst 5. Dem Wulstkern 4 sind ferner noch Kernreiter 7 zugeordnet. Wie aus der 1 ersichtlich ist, ist die hier zum Beispiel durch einen Textilkord aus synthetischen Fasern oder einen Stahlkord aus Stahlfäden gebildete Karkasse 6 in den Gummi des Reifens 1 eingebettet und verläuft zwischen den beiden Reifenwülsten 5, wobei die Karkasse 6 zudem um den Wulstkern 4 herumgeschlungen ist und sich in den Reifenflanken 2 wieder um eine bestimmte Wegstrecke nach oben in Richtung Lauffläche 3 erstreckt.
Die Lauffläche 3 stellt den eigentlichen Kontakt des Reifens bzw. des Rades zur Fahrbahn her. Die Lauffläche hat dabei im Wesentlichen zwei Aufgaben zu erfüllen, nämlich zum einen soll sie den Reifenunterbau vor direkten mechanischen Einwirkungen, vor Verletzungen und Witterungseinflüssen schützen, während sie zweitens den Kraftschluss mit der Fahrbahn bewirken soll, das heißt die Motor- und Bremskraft auf die Straße übertragen soll. Um durch verschiedenste Fahrbahnbedingungen einen möglichst optimalen Fahrbahnkontakt zu erzielen, ist die Lauffläche 3 wie in der 1 dargestellt, mit einem definierten Reifenprofil 8 versehen. Konkret geht die Lauffläche 3 über jeweils einen Schulterbereich 9 in die Reifenflanken 2 über. Im vorliegenden Fall wird diese Reifenschulter 9 allerdings als Bestandteil der Reifenflanken 2 angesehen.
Grundsätzlich unterscheidet man dabei zwischen zwei verschiedenen Reifentypen, nämlich den Diagonalreifen und den zwischenzeitlich fast ausschließlich verwendeten Radialreifen. Während beim Diagonalreifen die Karkasse aus einer Anzahl sich diagonal kreuzender Gewebelagen besteht, die in mehreren Schichten übereinanderliegen, verlaufen beim Radialreifen die Fäden der Karkasse in einem Winkel von 90° zur Reifenumfangslinie, also radial von einem zum anderen Reifenwulst. Das hat zunächst zur Folge, dass die Karkasse, die auch beim Radialreifen aus mehreren Lagen besteht, keine Kräfte aufnehmen kann, die quer zur Laufrichtung, also axial auftreten. Um dem wiederum zu begegnen, erhält die Karkasse zusätzlich zwischen Unterbau und der Lauffläche zwei oder mehrere schmale, sich kreuzende Gewebeladen, deren Fäden jeweils in einem spitzen Winkel von zum Beispiel 10° zur Reifenumfangslinie verlaufen. Das Lagenpaket 10 umschließt den Reifen bzw. die Karkasse wie ein Gürtel. Durch diesen Aufbau wird eine sehr konsequente Trennung zwischen den verschiedenen Aufgaben des Gürtels und der Karkasse erzielt. Während nämlich die Lagenkonstruktion der eigentlichen Karkasse optimale Tragfähigkeit und Federung und damit Komfort bewirkt, sorgt der spitze Fadenwinkel des Gürtels für einen Stabilisierungseffekt und damit für ausgezeichnete Fahrereigenschaften mit einer großen Aufstandsfläche des Reifens. Ein Beispiel für einen derartigen, auch Gürtelreifen bezeichneten Reifen ist in der DE 195 42 284 A1 gezeigt.
Nachteilig in Verbindung mit einer derartigen großen Aufstandsfläche ist jedoch, dass eine derartige große Aufstandsfläche einen sehr hohen Rollwiderstand des Reifens bewirkt. Ein derartiger hoher Rollwiderstand führt jedoch wiederum in unerwünschter Weise zu einem relativ hohen Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs.
Zur Reduzierung des Rollwiderstands kann zum Beispiel der Luftdruck im Reifen erhöht werden, was aber zu einer Erhöhung der Reifensteifigkeit führt, was sich wiederum negativ auf den Komfort ausübt. Zudem ist es aus der DE 10 2006 023 106 A1 bekannt, in den Freiraum zwischen Lauffläche und Felge eine Vielzahl von Federelementen aus einem Faserkunststoffverbund anzuordnen, und zwar anstelle eines tragenden Luftpolsters zwischen Felge und Lauffläche. Bei einem derartigen Aufbau ergeben sich die Federeigenschaften und damit die Komforteigenschaften des Reifens durch die Federeigenschaften der Federelemente und nicht mehr durch ein Druckluftpolster, welches gemäß der DE 10 2006 023 106 A1 entbehrlich ist. Mit einem solchen Aufbau soll auch ein relativ geringer Rollwiderstand zur Verfügung gestellt werden. Auch ein derartiger Reifen weist eine wesentlich erhöhte Reifensteifigkeit auf, was sich negativ auf den Fahrkomfort auswirkt.
Aus der DE 601 31 469 T2 ist ein luftloser Reifen mit einem verstärkten ringförmigen Band, einer Mehrzahl von Streifenspeichen und einem innenliegenden Anbringungsband bekannt. Bei Lastaufbringung auf den Reifen wird die Last über die Streifenspeichen auf das ringförmige Band übertragen, wobei sich das ringförmige Band im Kontaktbereich mit der Bodenoberfläche verformt und sich die Streifenspeichen unter Druck verbiegen.
Die WO 2015/007253 A1 zeigt einen Reifen mit Dämpfungselementen, die zwischen Felge und Lauffläche angeordnet sind. Die Dämpfungselemente sind einstellbar, um die Federung zu verändern.
Die DE 291719 A beschreibt eine Metall-Luftbereifung mit einer Vielzahl von harmonikaartigen Metallklammern, die mit einem Deckel versehen sind, um das Eindringen von Gegenständen zu verhindern.
Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fahrzeugrad, insbesondere ein Kraftfahrzeugkrad, zu Verfügung zu stellen, mittels dem der Rollwiderstand des Reifens auf einfache und funktionssichere Weise ohne Beeinträchtigung des Fahrkomforts reduziert werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß Anspruch 1 wird ein Fahrzeugrad, insbesondere ein Kraftfahrzeugrad, mit einem eine Lauffläche aufweisenden Reifen vorgeschlagen. Erfindungsgemäß ist wenigstens ein an der Lauffläche angreifendes Vorspannelement vorgesehen, das die Lauffläche nach innen zieht, insbesondere entgegen einer nach außen in Richtung Lauffläche wirkenden Kraft um eine definierte Wegstrecke nach innen, bevorzugt in Richtung Radmitte, zieht. Mit der erfindungsgemäßen Lösung lässt sich die Reifen-Aufstandsfläche auf einfache und funktionssichere Weise reduzieren und dadurch ein gegenüber herkömmlichen Reifen erheblich reduzierter Rollwiderstand erzielen.
Erfindungsgemäß wird die Lauffläche, bezogen auf einen unbelasteten Reifenbereich, so mittels des wenigstens einen Vorspannelementes vorgespannt, dass der Reifen im vorgespannten Zustand einen Reifen-Außenradius bzw. Reifen-Außendurchmesser aufweist, der kleiner als der Reifen-Außenradius bzw. der Reifen-Außendurchmesser im nicht-vorgespannten Zustand ist. Der unbelastete Reifenbereich ist dabei insbesondere bzw. wenigstens der unbelastete Nicht-Aufstandsbereich des Reifens. Mit der erfindungsgemäßen Lösung weist der Reifen somit, bezogen auf einen unbelasteten Reifenbereich, im vorgespannten Zustand eine steifere Verformungskennlinie auf als im nicht-vorgespannten Zustand. Das heißt mit anderen Worten, dass sich durch die vorspannungsbedingte Reduzierung des Außenradius bzw. des Außendurchmessers eine insgesamt homogenere Verformung des Reifens mit einer verringerten Einfederungsmöglichkeit desselben ergibt, was sich letztendlich in der Reduzierung der Aufstandsfläche und damit einem verbesserten Rollwiderstand wiederspiegelt, und zwar ohne dass es zu Fahrkomforteinbußen kommt.
Die erfindungsgemäße Lösung kann grundsätzlich auch bei sogenannten luftlosen Reifen, die ohne Gasfüllung auskommen, verwendet werden, bei denen die Lauffläche mittels elastisch verformbaren Lamellen abgestützt und/oder gehalten ist, wobei bevorzugt vorgesehen ist, dass das wenigstens eine Vorspannelement die Lauffläche entgegen einer die Lauffläche nach außen vorspannenden Lamellenkraft nach innen zieht. Bei derartigen luftlosen Reifen, handelt es sich zum Beispiel um Rad-Reifen-Kombinationen, die ohne separate Felge auskommen und bei denen flexible Speichen zum Einsatz kommen, die die Lauffläche mit einer bereits integrierten Felge verbinden. Die Lauffläche und der Wulst sind hierbei zum Beispiel durch mehrere Lamellen miteinander verbunden, wobei ein fester Radkern/Radnabe vorhanden ist, der direkt, das heißt ohne Felge am Fahrzeug montiert werden kann. Des Weiteren gibt es aber auch luftlose Reifen, bei denen die Lauffläche ausschließlich durch die Lamellen gehalten wird, so dass diese auf eine konventionelle Felge aufgezogen werden können. Bei derartigen luftlosen Reifen zieht somit das wenigstens eine Vorspannelement die Lauffläche entgegen der nach außen wirkende Kraft der Lamellen nach innen.
Besonders bevorzugt findet die erfindungsgemäße Lösung jedoch in Verbindung mit Luftreifen bzw. Gasvolumen-Reifen Verwendung, bei denen das Fahrzeugrad eine Felge aufweist, an der der Reifen gehaltert ist, wobei zwischen dem Reifen und der Felge ein unter Druck stehendes Gasvolumen, insbesondere ein Luftvolumen, eingeschlossen ist, und wobei das wenigstens eine an der Lauffläche angreifende Vorspannelement die Lauffläche entgegen der durch das Gasvolumen auf die Lauffläche wirkenden Kraft um eine definierte Wegstrecke nach innen in Richtung Felge zieht. Insbesondere mit dieser konkreten erfindungsgemäßen Lösung lässt sich die Reifen-Aufstandsfläche auf einfache und funktionssichere Weise reduzieren und dadurch ein gegenüber herkömmlichen Reifen erheblich reduzierter Rollwiderstand erzielen.
Gemäß einer besonders bevorzugten konkreten Ausführungsform ist das wenigstens eine Vorspannelement ab einer definierten Reifenbelastung, insbesondere ab einer definierten, in einem Aufstandsbereich des Reifens auf der Außenseite her auf den Reifen und damit auf die Lauffläche einwirkenden Reifenbelastung überbrückt und kann das wenigstens eine Vorspannelement somit keine Vorspannkraft mehr auf die Lauffläche ausüben, so dass der Reifen im kraftbeaufschlagten Bereich, der insbesondere durch den Aufstandsbereich des Reifens gebildet ist, eine weichere Verformungskennlinie aufweist als in dem vorgespannten und nicht-kraftbeaufschlagten Bereich, der insbesondere durch den Nicht-Aufstandsbereich des Reifens ausgebildet wird.
Besonders bevorzugt ist hierbei vorgesehen, dass der Wert der Reifenbelastung im kraftbeaufschlagten Bereich (der insbesondere durch den Aufstandsbereich des Reifens gebildet ist), ab der das wenigstens eine Vorspannelement überbrückt ist und keine Vorspannkraft mehr auf die Lauffläche ausübt, kleiner oder gleich dem Wert der Reifenbelastung bei leerem Fahrzeug mitsamt Fahrer ist. Das heißt, dass bis zu einem Kraftniveau unterhalb einer definierten Reifenbelastung, insbesondere kleiner oder gleich dem Wert der Reifenbelastung bei leerem Fahrzeug mitsamt Fahrer, eine sehr steife Verformungskennlinie erhalten wird, die anschließend in eine deutlich weichere Verformungskennlinie übergeht, die derjenigen eines herkömmlichen Reifens ohne Vorspannelement entspricht. Das heißt, dass der Fahrkomfort beim Überfahren von Kanten und Schlägen auf den Reifen durch die so vorgegebene Verformungskennlinie nicht beeinträchtigt wird, da bei einer derartigen Kraftbeaufschlagung die Wirkung des Vorspannelementes auf Null zurückgeht und somit der Reifen in seiner angestammten Funktion diese Kraftbelastung über eine dann weiche Verformungskennlinie in der gewünschten Weise aufnehmen und abfedern kann.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung ergibt sich somit insgesamt eine wesentlich homogenere Druckbeaufschlagung und damit auch eine wesentlich homogenere Verformung, so dass die Reduzierung des Rollwiderstands ohne jegliche Komforteinbußen einhergeht.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung kann das wenigstens eine Vorspannelement, bezogen auf die Reifenquerrichtung, dergestalt asymmetrisch bezüglich der Reifenmitte an der Lauffläche angreifen, dass auf die Lauffläche zu beiden Seiten der Reifenmitte eine unterschiedliche Vorspannkraft wirkt. Dadurch lässt sich ein unterschiedliches Verhalten des Reifens innen und außen einstellen, was gegebenenfalls für bestimmte Anwendungsfälle von Vorteil sein kann.
Gemäß einer besonders bevorzugten konkreten Ausgestaltung weist der Reifen, bezogen auf die Reifenquerrichtung, sich zu beiden Seiten der Lauffläche anschließende Reifenflanken auf, wobei das wenigstens eine Vorspannelement mit einem ersten Vorspannelement-Anbindungsbereich im Bereich der Lauffläche des Reifens und mit einem zweiten, von dem ersten Vorspannelement-Anbindungsbereich beabstandeten Vorspannelement-Anbindungsbereich im Bereich einer Felge und/oder im Bereich einer Radnabe und/oder im Bereich einer oder beider Reifenflanken dergestalt angebunden ist, dass das wenigstens eine Vorspannelement zumindest im unbelasteten Reifenbereich, insbesondere in einem unbelasteten Nicht-Aufstandsbereich des Reifens, eine Zugkraft auf die Lauffläche ausübt und diese nach innen zieht, zum Beispiel in Richtung Radmitte bzw. je nach Ausführungsform in Richtung Felge (Luftreifen oder bestimmte Ausführungsformen von luftlosen Reifen, siehe oben) oder in Richtung Radkern/Radnabe (luftloser Reifen) zieht.
Insbesondere eine Anbindung im Bereich der Reifenflanken bei Luftreifen ist gegenüber einer Anbindung an der Felge vorteilhaft, da sich diese bereits bei der Reifenherstellung einfach und funktionssicher verwirklichen lässt, so dass ein so hergestellter Reifen dann nur auf die Felge aufgesetzt werden muss.
Grundsätzlich wäre jedoch auch die Möglichkeit gegeben, den zweiten Vorspannelement-Anbindungsbereich, wie bereits zuvor ausgeführt, im Bereich der Felge vorzusehen.
Desweiteren gibt es verschiedenste Möglichkeiten, das wenigstens eine Vorspannelement auszubilden, zum Beispiel durch Federelemente oder durch zum Beispiel entsprechende Gestaltung der Reifenflanken. Besonders vorteilhaft und funktionssicher in der Herstellung ist jedoch das wenigstens eine Vorspannelement durch ein biegeschlaffes Vorspannelement gebildet.
Gemäß einer hierzu konkreten Ausgestaltung kann das wenigstens eine biegeschlaffe Vorspannelement mehrteilig ausgebildet sein und einen bei der Reifenherstellung in der Bereich der Lauffläche einvulkanisierten und den ersten Vorspannelement-Anbindungsbereich ausbildenden ersten Teil, einen bei der Reifenherstellung im Bereich der Reifenflanken einvulkanisierten und den zweiten Vorspannelement-Anbindungsbereich ausbildenden zweiten Teil sowie einen mit dem ersten und zweiten Teil verbindbaren biegeschlaffen dritten Teil aufweisen, wobei das erste und zweite Teil jeweils von der Reifeninnenseite abstehen. Das erste und zweite Teil kann dabei zum Beispiel in der Art einer Schlaufe oder Öse ausgebildet sein, die im Bereich der Karkasse, des Wulstkerns und/oder des Gürtels angebunden bzw. festgelegt sein können. Bei einer derartigen Ausführungsform kann somit das erste und zweite Teil bereits im Rahmen der Reifenherstellung einvulkanisiert werden kann und dann vor dem Aufsetzen des Reifens auf die Felge die Verbindung mit den biegeschlaffen Vorspannelement dergestalt erfolgen, dass die gewünschte Vorspannung auf die Lauffläche wirkt. Anschließend kann dann der Reifen wie üblich auf die Felge aufgezogen werden.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung kann im Bereich der Lauffläche eine Mehrzahl von in Reifenquerrichtung und/oder in Reifenumfangsrichtung voneinander beabstandeten, insbesondere gleichmäßig beabstandeten, biegeschlaffen Vorspannelementen angebunden sein, die weiter jeweils im Bereich einer Felge und/oder im Bereich einer Radnabe und/oder im Bereich einer der Reifenflanken angebunden sind. Es versteht sich, dass die biegeschlaffen Vorspannelemente im eine Zugkraft ausübenden Zustand gestreckt und im überbrückten Zustand ungestreckt durchhängen. Die Mehrzahl von biegeschlaffen Vorspannelementen kann dabei zum Beispiel durch separate, miteinander nicht verbundene Einzeldrähte oder aber auch durch zu einem Netz verbundene Einzeldrähte oder aber auch durch einen einzigen von Anbindungsbereich zu Anbindungsbereich geführten Einzahldraht gebildet sein. Die biegeschlaffen Vorspannelemente können durch Stahldrähte oder Kunststoffdrähte, zum Beispiel Nylondrähte, gebildet sein, die gegebenenfalls auch netzartig miteinander verbunden sein.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten konkreten Ausführungsform ist im Bereich der Lauffläche ein sich in Reifenquerrichtung über eine definierte Länge erstreckender Gürtel angeordnet, wobei die Reifenflanken endseitig jeweils in einem, vorzugsweise mit einem Wulstkern versehenen, Reifenwulst enden. Der Reifen weist eine sich von Reifenwulst zu Reifenwulst erstreckende Karkasse auf, so dass das wenigstens eine Vorspannelement mit dem ersten Vorspannelement-Anbindungsbereich am Gürtel und/oder am laufflächenseitigen Karkassenbereich und mit dem weiten Vorspannelement-Anbindungsbereich am Reifenwulst, insbesondere am Wulstkern, und/oder in einem reifenflankenseitigen Karkassenbereich angebunden ist. Für den Fall, dass der Reifen keinen Gürtel aufweisen sollte, wäre dann die Anbindung bzw.
Ausbildung des ersten Vorspannelement-Anbindungsbereiches nur am laufflächenseitigen Karkassenbereich möglich. Insgesamt ergibt sich mit einem derartigen Aufbau eine besonders stabile und funktionssichere Festlegung bzw. Anbindungsmöglichkeit der jeweiligen Vorspannelemente. Zudem sei an dieser Stelle erwähnt, dass der erfindungsgemäße Reifen ansonsten einen herkömmlichen Aufbau aufweist und die Karkasse und der Wulstkern sowie gegebenenfalls der Gürtel in einem die Reifenflanken und die Lauffläche ausbildenden Reifengummi eingebettet sind.
Desweiteren wird mit den Merkmalen des Anspruchs 13 lediglich der Reifen beansprucht, bei dem wenigstens ein an der Lauffläche angreifendes Vorspannelement vorgesehen ist, das die Lauffläche nach innen zieht. Die sich hierdurch ergebenden Vorteile wurden bereits zuvor in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Fahrzeugrad ausführlich erörtert, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die zuvor gemachten Ausführungen verwiesen wird. In Verbindung mit einem derartigen Reifen können zudem selbstverständlich wiederum sämtliche zuvor bereits ausführlich gewürdigten optionalen und auf den Reifen bezogenen Ausgestaltungen vor Vorteil sein.
Desweiteren wird ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Fahrzeugrad beansprucht. Auch hier ergeben sich hier die Vorteile wieder analog zu den zuvor gemachten Ausführungen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:

1 schematisch einen Querschnitt durch einen Teilbereich eines herkömmlichen Fahrzeugrades mit einem auf einer Felge aufgezogenen Reifen,
2 einen schematischen Querschnitt durch eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reifens mit im Bereich der Lauffläche und im Bereich der Reifenflanken einvulkanisierten, hier lediglich beispielhaft schlaufenartig dargestellten Anbindungsstellen für biegeschlaffe Zugdrähte,
3 den Reifen gemäß 2 im auf die Felge aufgezogenen Zustand im unbelasteten Zustand und mit durch die Zugdrähte nach innen gezogener Lauffläche und damit einem reduzierten Außendurchmesser,
4 den Aufbau gemäß 3 im kraftbelasteten Zustand bei überbrückten biegeschlaffen Zugdrähten,
5 die sich mit der erfindungsgemäßen Lösung beispielhaft ergebende Verformungskennlinie des Reifens im Vergleich zu einem herkömmlichen Reifen,
6 die sich durch die erfindungsgemäße Lösung ergebende homogenere Druckverteilung im Reifen,
7a und 7b die sich durch die erfindungsgemäße Lösung ergebende geringere Aufstandsfläche im Vergleich zu einem herkömmlichen Reifen.

In der 1 ist schematisch ein Querschnitt durch einen herkömmlichen Reifenaufbau gezeigt, wie er auch bei der nachfolgend beispielhaft geschilderten erfindungsgemäßen Ausführungsform, sofern nicht anders beschrieben, Verwendung findet bzw. finden kann. In den Reifen-Darstellungen der 2 bis 4 sind somit lediglich aus Übersichtlichkeitsgründen bestimmte Merkmale, wie zum Beispiel der Wulstkern und/oder der Kernreiter und/oder die Karkasse, weggelassen oder nur teilweise dargestellt.
In der 2 ist ein erfindungsgemäßer Reifen 1 gezeigt, bei dem das biegeschlaffe Vorspannelement hier lediglich beispielhaft mehrteilig ausgebildet ist und als Hauptelement einen Zugdraht 11 aufweist (3), der mit in den Reifen 1 einvulkanisierten weiteren Teilen (nachfolgend noch näher beschriebene Anbindungselemente 12, 13) verbunden werden kann. Konkret sind hierzu, wie in der 2 dargestellt, im Bereich der Lauffläche 3 mehrere im Bereich der Lauffläche 3, vorzugsweise im Wesentlichen gleichmäßig voneinander beabstandete, schlaufenartige erste Anbindungselemente 12 einvulkanisiert und sind an den Reifenflanken 2 im Bereich der Reifenwülste 5 weiter zweite Anbindungselemente 13 einvulkanisiert, die jeweils, wie aus der 2 ersichtlich, von der Reifeninnenseite 14 abstehen. Diese schlaufenartigen ersten und zweiten Anbindungselemente 12, 13 sind hier lediglich äußerst schematisch und beispielhaft dargestellt, um das erfindungsgemäße Grundprinzip zu erläutern. Es versteht sich, dass sowohl in Reifenquerrichtung x als auch in Reifenumfangsrichtung unterschiedliche Anordnungen und Beabstandungen möglich sind. Ausgehend von dem herkömmlichen Reifen-Außenradius R0 in der 2 werden dann die hier beispielhaft durch Zugdrähte 11 gebildeten biegeschlaffen Vorspannelemente einerseits mit einem entsprechend zugeordneten ersten Anbindungselement 12 und andererseits mit einem entsprechend zugeordneten zweiten Anbindungselement 13 verbunden. Die Zugdrähte 11 sind hierbei so ausgelegt, dass sie, wie in der 3 schematisch gezeigt, die Lauffläche 3, bezogen auf einen unbelasteten Reifenbereich, der insbesondere ein unbelasteter Nicht-Aufstandsbereich des Reifens ist, entgegen die durch das Luft- bzw. Gasvolumen 15 auf die Lauffläche 3 wirkende Kraft so nach innen in Richtung Felge 16 ziehen, dass der Reifen 1 im vorgespannten Zustand I (siehe 3) einen Reifen-Außenradius R1 aufweist, der kleiner ist als der Reifen-Außenradius R0 im nicht-vorgespannten Zustand II (siehe 2).
Wie aus der 3 ersichtlich ist, sind die hier beispielhaft durch die Zugdrähte 11 gebildeten biegeschlaffen Vorspannelemente dabei auf Zug beansprucht, um die Lauffläche 3 gegen die Kraft des Luft- bzw. Gasvolumens nach innen in Richtung Felge 16 ziehen zu können und die gegenüber dem nicht-vorgespannten Zustand II (siehe 2) gewünschte Durchmesserreduzierung bewirken zu können.
Desweiteren sei an dieser Stelle erwähnt, dass, wie in der 3 dargestellt, zum Beispiel auch mehrere Zugdrähte 11 an einem einzelnen zweiten Anbindungselement 13, wie dargestellt, angebunden sein können. Es versteht sich, dass jedoch auch eine separate bzw. beabstandete Anbindung an den Reifenflanken 2 möglich ist.
In der 4 ist nunmehr der Fall dargestellt, dass die Zugdrähte 11 ab einer definierten Reifenbelastung F₁ überbrückt sind und durchhängen und damit keine Vorspannkraft mehr auf die Reifenfläche F ausüben können, was zum Beispiel bei einer definierten, in einem Aufstandsbereich des Reifens 1 auf der Fahrbahn von der Außenseite herauf den Reifen 1 und damit auf die Lauffläche 3 einwirkenden Kraftbeaufschlagung der Fall ist.
Der Wert der Reifenbelastung F₁ im kraftbeaufschlagten Bereich (der, wie soeben ausgeführt, insbesondere durch den Aufstandsbereich des Reifens 1 auf der Fahrbahn gebildet ist), ab dem die Zugdrähte überbrückt sind und keine Vorspannkraft mehr auf die Lauffläche 3 ausüben können, ist beispielsweise kleiner dem Wert der Reifenbelastung bei leerem Fahrzeug mitsamt Fahrer.
Dies soll anhand der 5 näher erläutert werden, bei der für einen herkömmlichen Reifen (einfache Linie) und für einen erfindungsgemäßen Reifen (doppelte Linie) der Radius R über der Kraftbeaufschlagung F aufgetragen ist. Die Verformungskennlinie 17 für den herkömmlichen Reifen nimmt dabei mit zunehmender Kraftbeaufschlagung, ausgehend von einem Außenradius R0 im Wesentlichen linear ab. Dagegen weist die Verformungskennlinie 18 des erfindungsgemäßen Reifens 1, bedingt durch die erfindungsgemäße Vorspannung und ausgehend von einem gegenüber dem Außenradius R0 eines herkömmlichen Reifens reduzierteren Reifen-Außenradius R1, anfänglich einen wesentlich steiferen Verformungskennlinienabschnitt 18a auf als der herkömmliche Reifen. Erst bei einer Kraftbeaufschlagung F1, bei der die hier beispielhaft durch Zugdrähte gebildeten Vorspannelemente überbrückt sind, geht die Verformungskennlinie 18 des erfindungsgemäßen Reifens 1 dann mit ihrem zweiten Abschnitt 18b in die weichere Verformungskennlinie 17 des herkömmlichen Reifens über und stellt dadurch ein Verformungsverhalten zur Verfügung, das demjenigen des herkömmlichen Reifens entspricht.
Wie aus der 5 weiter ersichtlich ist, liegt der Wert der Kraftbeaufschlagung bzw. Reifenbelastung F1, ab der das hier beispielhaft durch die Zugdrähte 11 gebildete wenigstens eine Vorspannelement überbrückt ist und keine Vorspannkraft auf die Laufläche 3 ausüben kann, knapp unterhalb dem Wert der Reifenbelastung bei leerem Fahrzeug mitsamt Fahrer. Dies hat zur Folge, dass, wie aus der Zusammenschau der 7a und 7b mit der 5 ersichtlich, der Einfederweg Δs bezogen auf den Außenradius R1 (Δs/R1) wesentlich kleiner ist als der Einfederweg Δs₀ bezogen auf den Außenradius R0 (As₀/R0), jeweils bezogen auf den Außenradius des Reifens bei einer Reifenbelastung bei leerem Fahrzeug mitsamt Fahrer (R_L+F). Dies führt zu einem wesentlichen verbesserten Rollwiderstand, weil, wie in der, 7a dargestellt, neben dem Einfederweg auch die Aufstandsfläche reduziert wird (Unterschied zwischen Δφ1 und Δφ0) Die dementsprechend reduzierte Aufstandsfläche ergibt sich insbesondere aus der 7b, in der die auf den Winkel Δφ0 bezogene schraffiert dargestellte Fläche Ao wesentlich größer ist als die durch den Winkel Δφ1 repräsentierte Fläche A₁.
Wie dies weiter aus der 6 ersichtlich ist, ergibt sich somit für den erfindungsgemäßen Reifen (rechtes Bild der 6) eine wesentlich homogenere Druckbeaufschlagung des Reifens und damit auch die gewünschte homogenere Verformung als dies bei einem Reifen des Standes der Technik (linkes Bild der 6) der Fall ist.
Die hier für einen Luftreifen bzw. Gasvolumen-Reifen beispielhaft dargestellte mögliche erfindungsgemäße Ausgestaltung gilt analog auch für luftlose Reifen.

Claims

Fahrzeugrad mit einem eine Lauffläche (3) aufweisenden Reifen (1), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein an der Lauffläche (3) angreifendes Vorspannelement (11) vorgesehen ist, das die Lauffläche (3) nach innen zieht und dass die Lauffläche (3), bezogen auf einen unbelasteten Nicht-Aufstandsbereich des Reifens (1), so mittels des wenigstens einen Vorspannelementes (11) vorgespannt ist, dass der Reifen (1) im vorgespannten Zustand (I) einen Reifen-Außenradius (R1) aufweist, der kleiner ist als der Reifen-Außenradius (R0) im nicht-vorgespannten Zustand (II) und/oder dass der Reifen im vorgespannten Zustand (I) eine steifere Verformungskennlinie (18a) aufweist als im nicht-vorgespannten Zustand (II).
Fahrzeugrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeugrad ein luftloser Reifen ohne Gasfüllung ist, bei dem die Lauffläche mittels elastisch verformbaren Lamellen abgestützt und/oder gehalten ist, wobei vorgesehen ist, dass das wenigstens eine Vorspannelement die Lauffläche entgegen einer die Lauffläche nach außen vorspannenden Lamellenkraft nach innen zieht.
Fahrzeugrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeugrad eine Felge (16) aufweist, an der der Reifen (1) gehaltert ist, wobei zwischen dem Reifen (1) und der Felge (16) ein unter Druck stehendes Gasvolumen (15) eingeschlossen ist, und wobei das wenigstens eine an der Lauffläche (3) angreifende Vorspannelement (11) die Lauffläche (3) entgegen der durch das Gasvolumen (15) auf die Lauffläche (3) wirkenden Kraft um eine definierte Wegstrecke nach innen in Richtung Felge (16) zieht.
Fahrzeugrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Vorspannelement (11) ab einer definierten Reifenbelastung überbrückt ist und keine Vorspannkraft mehr auf die Lauffläche (3) ausübt, so dass der Reifen (1) im kraftbeaufschlagten Bereich eine weichere Verformungskennlinie (18b) aufweist als in dem vorgespannten und nicht-kraftbeaufschlagten Bereich.
Fahrzeugrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der Reifenbelastung im kraftbeaufschlagten Bereich, ab der das wenigstens eine Vorspannelement (11) überbrückt ist und keine Vorspannkraft mehr auf die Lauffläche (3) ausübt, kleiner oder gleich dem Wert der Reifenbelastung bei leerem Fahrzeug mitsamt Fahrer ist.
Fahrzeugrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Vorspannelement (11), bezogen auf die Reifenquerrichtung, dergestalt asymmetrisch bezüglich der Reifenmitte an der Lauffläche angreift, dass auf die Lauffläche (3) zu beiden Seiten der Reifenmitte eine unterschiedliche Vorspannkraft wirkt.
Fahrzeugrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reifen (1), bezogen auf die Reifenquerrichtung, sich zu beiden Seiten der Lauffläche (3) anschließende Reifenflanken (2) aufweist, und dass das wenigstens eine Vorspannelement (11) mit einem ersten Vorspannelement-Anbindungsbereich (12) im Bereich der Lauffläche (3) des Reifens (1) und mit einem zweiten, von dem ersten Vorspannelement-Anbindungsbereich (12) beabstandeten Vorspannelement-Anbindungsbereich (13) im Bereich einer Felge (16) und/oder im Bereich einer Radnabe und/oder im Bereich einer oder beider Reifenflanken (2) dergestalt angebunden ist, dass das wenigstens eine Vorspannelement (11) zumindest im unbelasteten Reifenbereich eine Zugkraft auf die Lauffläche (3) ausübt und diese nach innen zieht.
Fahrzeugrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Vorspannelement durch ein biegeschlaffes Vorspannelement (11) gebildet ist.
Fahrzeugrad nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine biegeschlaffe Vorspannelement mehrteilig ausgebildet ist und einen bei der Reifenherstellung in den Bereich der Lauffläche (3) einvulkanisierten und den ersten Vorspannelement-Anbindungsbereich (12) ausbildenden ersten Teil, einen bei der Reifenherstellung im Bereich der Reifenflanken (2) einvulkanisierten und den zweiten Vorspannelement-Anbindungsbereich (13) ausbildenden zweiten Teil sowie einen mit dem ersten und zweiten Teil verbindbaren biegeschlaffen dritten Teil (11) aufweist, wobei das erste und zweite Teil jeweils von der Reifeninnenseite (14) abstehen.
Fahrzeugrad nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Lauffläche (3) eine Mehrzahl von in Reifenquerrichtung und/oder in Reifenumfangsrichtung voneinander beabstandeten biegeschlaffen Vorspannelementen (11) angebunden ist, die weiter jeweils im Bereich einer Felge (16) und/oder im Bereich einer Radnabe und/oder im Bereich einer der Reifenflanken (2) angebunden sind.
Fahrzeugrad nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von biegeschlaffen Vorspannelementen (11) durch separate, miteinander nicht verbundene Einzeldrähte oder durch zu einem Netz verbundene Einzeldrähte oder durch einen einzigen von Anbindungsbereich zu Anbindungsbereich geführten Einzeldraht gebildet ist.
Fahrzeugrad nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Lauffläche (3) ein sich in Reifenquerrichtung (x) über eine definierte Länge erstreckender Gürtel (10) angeordnet ist, dass die Reifenflanken (2) endseitig jeweils in einem Reifenwulst (5) enden, dass der Reifen (1) eine sich von Reifenwulst (5) zu Reifenwulst (5) erstreckende Karkasse (6) aufweist, wobei vorgesehen ist, dass das wenigstens eine Vorspannelement (11) mit dem ersten Vorspannelement-Anbindungsbereich (12) am Gürtel (10) und/oder am laufflächenseitigen Karkassenbereich und mit dem zweiten Vorspannelement-Anbindungsbereich (13) am Reifenwulst (15) und/oder in einem reifenflankenseitigen Karkassenbereich angebunden ist.
Reifen für ein Fahrzeugrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Lauffläche (3), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein an der Lauffläche (3) angreifendes Vorspannelement (11) vorgesehen ist, das die Lauffläche (3) nach innen zieht und dass die Lauffläche (3), bezogen auf einen unbelasteten Nicht-Aufstandsbereich des Reifens (1), so mittels des wenigstens einen Vorspannelementes (11) vorgespannt ist, dass der Reifen (1) im vorgespannten Zustand (I) einen Reifen-Außenradius (R1) aufweist, der kleiner ist als der Reifen-Außenradius (R0) im nicht-vorgespannten Zustand (II) und/oder dass der Reifen im vorgespannten Zustand (I) eine steifere Verformungskennlinie (18a) aufweist als im nicht-vorgespannten Zustand (II).
Kraftfahrzeug mit einem Fahrzeugrad nach einem der Ansprüche 1 bis 12.