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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegenden Lehren umfassen im Allgemeinen eine Radbaugruppe mit einem Reifen.
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HINTERGRUND
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Reifen spielen bei der Kraftstoffwirtschaftlichkeit von Fahrzeugen eine wichtige Rolle. Der Reifen verbraucht Energie, wenn er entlang einer Straßenoberfläche rollt, wobei er sich unter den verschiedenen Kräften, die zwischen der Straßenoberfläche und dem Fahrzeug erzeugt werden, verformt. Die wiederholten Zyklen von Verformung und Rückstellung brauchen Energie, was als Hystereseverluste bezeichnet wird. Die Energie wird schließlich von dem Kraftstoff geliefert. Aufgrund der Hystereseverluste innerhalb der Struktur des Reifens wird innerhalb der Reifenstruktur ein bestimmter Betrag an Energie verbraucht und dann als Wärmeenergie an die Umgebung abgegeben. Reifen werden im Allgemeinen effizienter, wobei sie weniger Energie an die Umgebung abgeben, wenn die Temperatur des Reifens zunimmt. Es gibt vielerlei Wärmeenergie-Abgabestrecken von dem Reifen an die Umgebung, und einige dieser Strecken befördern mehr Energie als andere.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine Reifen- und Radbaugruppe umfasst ein Rad, das eine Felge aufweist. Das Rad weist eine erste Wärmeleitfähigkeit auf. Ein Reifen ist an dem Rad angebracht, um einen ringförmigen Reifenhohlraum zu definieren, der von dem Reifen und der Felge umschlossen ist. Ein Isolierelement befindet sich auf der Felge innerhalb des Reifenhohlraums. Das Isolierelement weist eine zweite Wärmeleitfähigkeit auf, die niedriger als die erste Wärmeleitfähigkeit ist, und ist ausgestaltet, um Wärme aus dem Hohlraum zu absorbieren, wenn eine Temperatur des Hohlraums oberhalb einer ersten vorbestimmten Temperatur liegt. Das Isolierelement ist auch ausgestaltet, um die absorbierte Wärme zurück in den Hohlraum freizugeben, wenn die Temperatur des Hohlraums unterhalb einer zweiten vorbestimmten Temperatur liegt, die niedriger als die erste vorbestimmte Temperatur ist. Das Isolierelement kann eine Faserdecke sein. In einer anderen Ausführungsform ist das Isolierelement ein Balg, der mit einer Flüssigkeit oder einem Gel gefüllt ist. Die Reifen- und Radbaugruppe hilft beim Beibehalten der Wärme der warmen Luft, die während der Fahrt erzeugt wird.
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Das Isolierelement kann ein passives Wärmesenkenmaterial sein, das Wärmeenergie speichert, die während des Fahrzeugbetriebs erzeugt wird, um sie in den Fahrzeughohlraum zurückzuführen, während das Fahrzeug parkt, oder zu Beginn des Fahrzeugbetriebes, wobei die Temperatur des Reifens für einen verbesserten Wirkungsgrad während des „kalten” Fahrzeugbetriebes erhöht wird, während der Reifen sich auf seine normale (vollständig aufgewärmte) Betriebstemperatur stabilisiert. Das Isolierelement verringert in Energieverlust von der Reifen- und Radbaugruppe in der Form von Wärme und sollte die Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Reifens für Fahrzyklen kurzer Dauer erhöhen, bei welchem der Reifen in der Regel nicht genug Zeit hat, die vollständig aufgewärmte Betriebstemperatur zu erreichen.
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Die obigen Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der besten Arten zum Ausführen der vorliegenden Lehren, wenn diese in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genommen wird, leicht deutlich werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Seitenansichtsdarstellung eines Fahrzeugs, das eine erste Ausführungsform einer Rad- und Reifenbaugruppe gemäß einem Aspekt der vorliegenden Lehren aufweist.
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2 ist eine schematische Querschnittsdarstellung der Rad- und Reifenbaugruppe von 1, genommen entlang der Linien 2-2 in 1.
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3 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer Rad- und Reifenbaugruppe für das Fahrzeug von 1 gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Lehren.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen sich ähnliche Bezugszeichen überall in den unterschiedlichen Ansichten auf ähnliche Komponenten beziehen, zeigt 1 ein Fahrzeug 10, das vier Reifen- und Radbaugruppen 12 aufweist (in 1 sind zwei gezeigt). Jede Reifen- und Radbaugruppe 12 ist drehbar, um das Fahrzeug 10 zu bewegen, wenn das Fahrzeug 10 durch ein Antriebssystem 14 mit Leistung beaufschlagt wird. Das Antriebssystem 14 ist funktional mit den Radbaugruppen 12 entweder durch eine Antriebsverbindung mit den Vorderrad-Baugruppen 12, den Hinterrad-Baugruppen 12 oder beiden verbunden. Das Antriebssystem 14 kann eine Kraftmaschine, ein Getriebe und einen Endantrieb in jeder bekannten Kombination umfassen.
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Jede Reifen- und Radbaugruppe 12 umfasst ein Rad 16 und einen Reifen 18, der an dem Rad 16 montiert ist. Der Reifen 18 ist zumindest zum Teil aus einer Kautschukmischung hergestellt. Die gesamte Struktur des Reifens 18 ändert beständig die Form, wenn der Reifen 18 rotiert, während das Fahrzeug 10 sich mit Bezug auf die Straße 20 bewegt, wobei Hystereseverluste bewirkt werden. Aufgrund der viskoelastischen Natur des Reifens 16 nehmen Hystereseverluste des Reifens 16 ab, wenn eine Temperatur des Reifens 16 eine vorbestimmte Reifentemperatur erreicht. Wenn zum Beispiel ein Laufflächenabschnitt 17 des Reifens 16 eine Grenzfläche mit der Straße 20 bildet, in 1 gezeigt, muss er sich gemäß der Straßenoberfläche biegen und verformen. Die Energie, die zum Biegen und Verformen auf diese Weise verbraucht wird, ist im Allgemeinen bei niedrigeren Reifentemperaturen, wie etwa bei kaltem Wetter, am größten, wenn das Fahrzeug über einen Zeitraum nicht verwendet worden ist, oder wenn das Fahrzeug zeitweilig über einen längeren Stopp im Verkehr angehalten worden ist. Niedrigere Reifentemperaturen werden auch während Zeiträumen erfahren, wenn das Fahrzeug 10 langsamer gefahren wird. Das heißt, die Reifentemperatur ist zumindest teilweise von der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängig.
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Unter Bezugnahme auf 2 weist das Rad 16 eine Mittelscheibe 22 mit einem Führungsloch 24 und Radmutteröffnungen 26 zum Montieren des Rades an eine Fahrzeugachse auf. Das Rad 16 umfasst eine ringförmige Felge 28, die einstückig mit der Scheibe 22 gebildet sein kann. Die Felge 28 weist Sitze 29, 30 auf, die ausgestaltet sind, um Reifenwülste 32, 34 des Reifens 18 aufzunehmen. Wenn der Reifen 18 über einen Ventilschaft (nicht gezeigt) aufgepumpt ist, ist durch die Felge 28 und den Reifen 18 ein unter Druck stehender, ringförmiger Reifenhohlraum 38 definiert. Der Reifenhohlraum 36 ist durch die Felge 28 und den Reifen 18 umschlossen.
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Das Rad 16, das die Felge 28 umfasst, besteht aus einem Metallmaterial, wie etwa Stahl. Das Rad 16 weist eine erste Wärmeleitfähigkeit auf, die größer als eine Wärmeleitfähigkeit des Reifens 18 ist. Wenn zum Beispiel das Rad 16 aus einer Aluminiumlegierung besteht, kann es eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 215 Watt/Meter/Kelvin (W/m/K) aufweisen. Wenn das Rad 16 aus Stahl besteht, kann es eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 33 W/m/K aufweisen. Dementsprechend erfolgt bei bekannten Reifen- und Radbaugruppen der Großteil des Wärmeverlustes aus dem Reifenhohlraum durch die Felge des Rades, was zu längeren Zeiträumen, bevor die Temperatur des Reifenhohlraums eine vorbestimmte Betriebstemperatur erreicht, und zu größeren Hystereseverlusten führt. Die vorliegende Reifen- und Radbaugruppe 12 löst dieses Problem, indem ein Isolierelement 40 bereitgestellt wird, das eine gesamte Außenringfläche 42 der Felge 28 zwischen den Reifenwülsten 29, 30, die ansonsten zu dem Reifenhohlraum 36 freiliegen würde, berührt und bedeckt. Das heißt, das Isolierelement 40 bedeckt eine ringförmige Oberfläche 44 der Felge 28 zwischen den Reifenwülsten 29, 30 an einem Umfang 45 des Rades 16, so dass der gesamte Hohlraum 36 von dem Reifen 18 und dem Isolierelement 40 umgeben ist. Mit anderen Worten, kein Abschnitt des Rades 16 liegt zu dem Reifenhohlraum 36 hin frei.
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Das Isolierelement 40 weist eine zweite Wärmeleitfähigkeit auf, der niedriger als die erste Wärmeleitfähigkeit des Rades 16 ist. Mit anderen Worten, das Isolierelement 40 ist ein relativ besserer Wärmeisolator als das Rad 16. Zum Beispiel kann das Isolierelement 40 ein Schaummaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,03 W/m/K sein. Das Material des Isolierelements 40 ist derart gewählt, dass die erste Wärmeleitfähigkeit beträchtlich Wärmeverlust aus dem Hohlraum 36 abschirmen wird, zumindest bis die in den Hohlraum 36 enthaltene Luft eine erste vorbestimmte Temperatur erreicht, die einer gewünschten vorbestimmten Betriebstemperatur des Reifens 18 und Betriebswirkungsgrad des Reifens 18 entspricht. In einem Beispiel beträgt die erste vorbestimmte Betriebstemperatur etwa 30 Grad Celsius (°C) oberhalb der Umgebungstemperatur in der umliegenden Umgebung des Reifens. Wenn die Umgebungstemperatur 20°C beträgt, dann beträgt die erste vorbestimmte Betriebstemperatur 50°C. Die Wärmeabsorptionsrate durch das Isolierelement 40 lässt zu, dass der Hohlraum 36 die erste vorbestimmte Betriebstemperatur viel schneller erreicht, als wenn die Oberfläche 44 der Felge 28 mit dem Hohlraum 36 in Kontakt stehen würde. Das Isolierelement 40 absorbiert Wärme aus dem Hohlraum 36, wenn eine Temperatur des Hohlraums 36 oberhalb der ersten vorbestimmten Temperatur liegt. Das heißt, die Wärmeabsorptionsrate durch das Isolierelement 40 lässt zu, dass die Temperatur des Hohlraums 36 zumindest bis zu der vorbestimmten Betriebstemperatur ansteigt. Das Isolierelement 40 wirkt somit als eine passive Wärmesenke, die Energie speichert, die während des Fahrzeugbetriebs erzeugt wird, um in den Hohlraum 36 zurückgeführt zu werden, wenn das Fahrzeug 10 parkt oder neu gestartet wird, wobei die Temperatur des Reifens 18 für einen verbesserten Wirkungsgrad während eines „kalten” Fahrzeugbetriebs erhöht wird. Ein Verringern der Wärmedurchgangsrate durch das Rad 16 kann zulassen, dass der Reifen 18 ein vorteilhafteres Temperaturniveau von einem Energiewirkungsgradpunkt schneller erreicht, wobei der Energieverbrauch des Reifens 18 verringert wird und dadurch die Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Fahrzeugs 10 erhöht wird. Mit anderen Worten, das Isolierelement 40 verringert Wärmeverlust von der Reifen- und Radbaugruppe 12 in der Form von Wärme und erhöht die Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Reifens 18 für Fahrzyklen kurzer Dauer, in denen der Reifen 18 in der Regel nicht genug Zeit hat, um die erste vorbestimmte Betriebstemperatur zu erreichen.
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Zumindest etwas von der Wärme, die von dem Isolierelement 40 absorbiert wird, wird an die umliegende Umgebung 47 (d. h. außerhalb des Fahrzeugs 10, wie in 1 angegeben) durch Wärmedurchgang durch die Felge 28 freigegeben, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen dem Isolierelement 40 und der umliegenden Umgebung einen leitenden Wärmedurchgang von dem Isolierelement 40 durch den Reifen 18 und/oder das Rad 16 zu der umliegenden Umgebung 47 fördern würde.
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Darüber hinaus ist das Material des Isolierelements 40 derart gewählt, dass, wenn die Temperatur des Hohlraums 36 anschließend aufgrund einer Verlangsamung des Fahrzeugs oder eines temporären Stopps des Fahrzeugs, wie etwa im Verkehr, oder für eine relativ kurze Zeitdauer, in welcher das Fahrzeug 10 vollständig abgestellt ist, unterhalb eine zweite vorbestimmte Temperatur fällt, eine Temperaturdifferenz zwischen dem Isolierelement 40 und dem Hohlraum 36 derart ist, dass zumindest etwas von der absorbierten Wärme von dem Isolierelement 40 in den Hohlraum 36 freigegeben wird. Die zweite vorbestimmte Temperatur ist niedriger als die erste vorbestimmte Temperatur. In einem Beispiel ist die zweite vorbestimmte Temperatur um 10°C niedriger als die erste vorbestimmte Temperatur. Wenn die Umgebungstemperatur 20°C beträgt, beträgt somit dann die zweite vorbestimmte Temperatur 40°C. In anderen Beispielen könnte die zweite vorbestimmte Temperatur jede Temperatur im Bereich von 5°C bist 20°C niedriger als die erste vorbestimmte Temperatur sein. Die Freigabe von Wärme an den Hohlraum 36 hilft dabei, die Reifentemperatur schneller auf zumindest die vorbestimmte Reifentemperatur zu erhöhen, als wenn die Radfelge 18 nicht mit dem Isolierelement 40 bedeckt wäre.
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In der Ausführungsform von 2 ist das Isolierelement 40 eine Decke, die aus Fasermaterial hergestellt ist, wie etwa, anhand eines nichteinschränkenden Beispiels, ein nicht asbesthaltiges Wärme absorbierendes Material, ein teilweise keramisches Material, oder ein Glasfasermaterial. Die Farbe des Isolierelements 40 kann derart gewählt sein, dass die Wärmeabsorptionsrate und das Emissionsvermögen des Isolierelements 40 beeinflusst werden, um die gewünschte Wärmeabschirmung und Wärmefreigabe von dem Isolierelement zu erreichen. Zum Beispiel kann das Isolierelement 40 eine weiße oder reflektierende Farbe aufweisen, um einen größeren Teil einer Strahlungswärme zurück in den Hohlraum 36 zu reflektieren und auch die absorbierte Wärme an den Hohlraum 36 langsamer abzustrahlen. Alternativ kann das Isolierelement 40 eine dunkle Farbe, wie etwa schwarz, haben, um die absorbierte Wärme an den Hohlraum 36 schneller abzustrahlen. In jedem Fall ist der leitende Wärmedurchgang des Isolierelements 40 derselbe. Etwas Wärmedurchgang wird auch von dem Isolierelement zu dem Rad 18 auftreten, aber weil das Isolierelement 40 eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als das Rad 18 aufweist, ist die Rate des Durchgangs verlangsamt.
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3 zeigt eine andere Ausführungsform einer Reifen- und Radbaugruppe 112, die an dem Fahrzeug 10 anstelle der Reifen- und Radbaugruppe 12 verwendet werden kann. Die Reifen- und Radbaugruppe 112 weist viele der gleichen Komponenten und Merkmale wie die Reifen- und Radbaugruppe 12 auf, wie es durch ähnliche Bezugszeichen bezeichnet wird. Die Reifen- und Radbaugruppe 112 weist ein Isolierelement 140 anstelle des Isolierelements 40 auf. Das Isolierelement 140 ist ein Balg 150 ähnlich wie ein Innenschlauch. Der Balg 150 kann ein Kautschuk oder anderes Polymermaterial sein. Der Balg 50 ist mit einer Substanz 152 gefüllt, die eine Wärmekapazität aufweist, die größer als die Wärmekapazität der Luft in dem Reifenhohlraum 36 ist. Die Substanz 152 kann eine Flüssigkeit oder ein Gel sein. Wie das Isolierelement 40 wird das Isolierelement 140 Wärmeverlust aus dem Reifenhohlraum 36 abschirmen, indem die Oberfläche 44 der Radfelge 28 vollständig bedeckt ist. Das Isolierelement 140 weist eine Wärmeleitfähigkeit auf, die zulässt, dass der Hohlraum 36 sich auf zumindest eine vorbestimmte gewünschte Betriebstemperatur, die einer gewünschten Temperatur des Reifens 18 zugeordnet ist, erwärmt. Wenn der Hohlraum 36 auf eine zweite vorbestimmte Temperatur fällt, die niedriger als die erste vorbestimmte Temperatur ist, entweder aufgrund einer Verlangsamung des Fahrzeugs 10 oder eines temporären Anhaltens des Fahrzeugs 10, wird die darauf folgende Temperaturdifferenz bewirken, dass die absorbierte Wärme mit einer Rate freigegeben wird, die die Temperatur des Hohlraums 36 wieder auf die vorbestimmte Betriebstemperatur erwärmen wird. Das heißt, die Rate einer Wärmeabsorption durch das Isolierelement 140 lässt zu, dass die Temperatur des Hohlraums 36 zumindest auf die vorbestimmte Betriebstemperatur ansteigt. Das Isolierelement 140 wirkt somit als eine passive Wärmesenke, die Energie speichert, die während des Fahrzeugbetriebs erzeugt wird, um in den Hohlraum 36 zurückgeführt zu werden, wenn das Fahrzeug 10 parkt oder neu gestartet wird, wobei die Temperatur des Reifens 18 für einen verbesserten Wirkungsgrad während eines „kalten” Fahrzeugbetriebs erhöht wird.
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In einer Ausführungsform besteht der Balg 150 aus einem rohrförmigen Polymermaterial, das eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die niedriger als die des Rades 16 ist. Die Flüssigkeits- oder Gelsubstanz 152 weist eine relativ hohe Wärmekapazität auf, die größer als die Wärmekapazität von Luft ist. Das heißt, die Substanz 152 weist eine zweite Wärmekapazität auf, die größer als eine erste Wärmekapazität von Luft ist. Wenn die Substanz 152 eine Flüssigkeit ist, kann sie ein Material auf Silikonbasis sein, oder irgend ein anderes Material, das entweder eine Flüssigkeit bleibt oder sich zumindest teilweise verfestigt, wenn es Wärme absorbiert. Wenn die Substanz 152 Wärme frei gibt, kehrt sie in flüssige Form zurück. Wenn die Substanz 152 ein Gel ist, kann sie ein ähnliches Material wie die Flüssigkeit sein, in Gelform, und kann ein Phasenwechselmittel umfassen, das zulässt, dass die Substanz 152 die Wärmeabsorption oder Ableitung der Decke 150 verbessert. Bekannte Phasenwechselmittel bewirken, dass das Material von einem Gel zu einer Flüssigkeit oder von einem Gel zu einem Festkörper über einen vorbestimmten Temperaturbereich wechselt. Beim Wechsel der Phase von einem Gel zu einer Flüssigkeit oder von einem Festkörper zu einer Flüssigkeit absorbieren und speichern derartige Materialien latente Wärme, und beim Wechsel der Phase von einer Flüssigkeit zu einem Gel oder einem Festkörper geben derartige Materialien Wärme frei. Trotzt des Phasenwechsels hält das Material mit dem Phasenwechselmittel eine relativ konstante Temperatur aufrecht.
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Obgleich die besten Arten zum Ausführen der vielen Aspekte der vorliegenden Lehren ausführlich beschrieben worden sind, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Lehren betrifft, verschiedene alternative Aspekte zur praktischen Ausführung der vorliegenden Lehren, die im Umfang der beigefügten Ansprüche liegen, erkennen.
