-
Die
Erfindung betrifft einen Reifen, insbesondere einen Luftreifen,
für ein
Fahrzeug, insbesondere für
ein mehrspuriges Kraftfahrzeug, mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruchs 1.
-
Aus
der
DE 199 45 264
A1 ist ein Luftreifen der eingangs genannten Art bekannt,
der einen entlang des Reifenumfangs ausgebildeten Kontaktbereich
aufweist. Dieser Kontaktbereich kommt beim Abrollen des Reifens
mit einer Fahrbahn in Kontakt und dient dabei zur Übertragung
von parallel zur Fahrbahn wirkenden Scherkräften zwischen Fahrbahn und
Reifen.
-
Beim
Beschleunigen, Bremsen, sowie bei Querbeschleunigungen, z.B. bei
Kurvenfahrten, treten zwischen Fahrzeug und Fahrbahn Scherkräfte auf,
die über
die Reifen an die Fahrbahn übertragen werden.
Die Übertragung
der Scherkräfte
erfolgt dabei in Abhängigkeit
des zwischen Fahrbahn und Kontaktbereich wirksamen Reibungsbeiwertes.
Eine weitere entscheidende Bedeutung für die übertragbaren Scherkräfte hat
die durch den Aufbau des Reifens sowie durch die Radführung bestimmte
Kontaktkinematik zwischen Kontaktbereich des Reifens und Fahrbahn.
Diese Kontaktkinematik erzwingt insbesondere bei einer Kurvenfahrt
zumindest in Bereichen der momentan mit der Fahrbahn in Kontakt
stehenden Kontaktzone des Kontaktbereichs Relativbewegungen zwischen
Fahrbahn und Reifen, wodurch es zu einer zusätzlichen Scherbelastung des
Kontaktbereichs kommt. Zur Übertragung
der Scherkräfte
wird der Kontaktbereich des Reifens bzw. werden die den Kontaktbereich
bildenden einzelnen Stollen in Richtung der Scherkräfte reversibel
deformiert, wodurch sich eine Scherdehnung des Kontaktbereichs bzw. der
einzelnen Stollen ergibt. Die Größe der Scherdehnung
hängt dabei
von den übertragenen
Scherkräften
ab. Diese Scherkräfte
sind jedoch über
die Kontaktzone zwischen Fahrbahn und Kontaktbereich unterschiedlich
verteilt, was auf die Kontaktkinematik und die Bodendruckverteilung
entlang der Kontaktzone zurückzuführen ist.
-
Üblicherweise
steigt die Scherdehnung entlang der Kontaktzone ausgehend von einem
Einlauf bis zu einem Auslauf an, wobei gleichzeitig die übertragenen
Scherkräften
zunehmen. Sobald die übertragenen
Scherkräfte
die Haftreibungsgrenze zwischen Kontaktbereich und Fahrbahn erreichen,
sinken die übertragbaren
Scherkräften
auf den Wert der Gleitreibung. Bei herkömmlichen Reifen nehmen die Scherdeformationen
und somit die übertragbaren Scherkräfte linear
oder leicht progressiv über
der Kontaktzonenlänge
zu. Das physikalisch mögliche Haftreibungspotential
wird hinsichtlich der wichtigen Seitenführungskräfte hierbei nicht vollständig ausgenutzt.
-
Beim
bekannten Reifen kann das Haftreibungspotential dadurch besser ausgenutzt
werden, dass der Kontaktbereich des Reifens so ausgebildet bzw.
so aufgebaut wird, dass der Aufbau von Scherdeformation entlang
der Kontaktzonenlänge
degressiv erfolgt. Durch diese Maßnahme werden die näher am Einlauf
liegenden Abschnitte der Kontaktzone stärker an der Scherkraftübertragung
beteiligt, so dass sich insgesamt eine größere Bodenhaftung für den Reifen
ergibt.
-
Um
die Übertragbarkeit
von Seitenkräften über den
Reifen zu verbessern, ist es bekannt, den Reifen beim Durchfahren
einer Kurve zu stürzen,
um durch eine geeignete Formgebung des Kontaktbereichs – ähnlich wie
bei einem Motorradreifen –,
deutlich höhere
Seitenkräfte
abstützen
zu können.
Mit dem Stürzen
des Reifens geht jedoch eine Torsion der Kontaktzone einher, die
zusätzliche
Stollenlängsauslenkungen
bewirkt, die zwar ein Kraftschlußpotential von der Kon taktzone
beanspruchen, jedoch keinen Beitrag zur Seitenkraftübertragung leisten.
-
Aus
der
DE 4117621 A1 ist
ein Reifen bekannt, der zur Erzielung einer maximalen Schälwirkung
und Klebereibkraft parallel zur Blockoberfläche in Abrollrichtung des Reifens
ausgerichtete Fasern aufweist.
-
In
der
DE 1480975 A ist
ein Reifen offenbart, der beim Abrollen mit einer Fahrbahn in Kontakt kommt
und zur Übertragung
von parallel zur Fahrbahn wirkenden Scherkräften zwischen Fahrbahn und
Reifen dient, wobei der Reifen mehrere Profilstollen aufweist, deren
in Abrollrichtung gemessene Länge
kleiner ist als deren quer zur Abrollrichtung gemessene Breite.
-
Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich mit dem Problem, für
einen Reifen der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform
anzugeben, die insbesondere höhere
Seitenkräfte übertragen
kann.
-
Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch
den Gegenstand des unabhängigen
Anspruchs gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
-
Die
vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, beim
Kontaktbereich die quer zur Abrollrichtung wirksame Quersteifigkeit
stärker
auszuprägen
als die parallel zur Abrollrichtung wirksame Längssteifigkeit. Diese Maßnahme beruht auf
der Erkenntnis, dass bei einer Kurvenfahrt der äußere Bereich der Kontaktfläche relativ
großen
Längsscherungen
ausgesetzt ist, so dass dieser äußere Bereich
der Kontaktfläche
nur relativ gering zur Abstützung
von Sturzseitenkräften
nutzbar ist. Dadurch können
die Auswirkungen der Scherungen zu Gunsten der nutzbringenden Querkraftübertragung
manipuliert werden. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene gezielte Reduktion
der Längssteifigkeit und/oder
durch die gezielte Erhöhung
der Quersteifigkeit können
die insgesamt übertragbaren
Seitenkräfte
erhöht
werden. Darüber
hinaus kann auch die Sturzseitenkrafterhöhung verstärkt werden.
-
Grundsätzlich ist
eine derartige Ausgestaltung des Kontaktbereichs durch die Verwendung
eines entsprechenden, hinsichtlich der Scher-Steifigkeit anisotropen
Materials realisierbar. Die Schaffung eines derartigen anisotropen
Reifenmaterials ist jedoch sehr schwierig, da ein Profil-Material
oder -Gummi sehr hohen Anforderungen bezüglich Haftung, Verschleiß und chemischer
Beständigkeit
ausgesetzt ist, so dass es schwierig sein könnte, größere Spreizungen der Schersteifigkeit
in die Kontaktbereichs-Mischung zu integrieren.
-
Entsprechend
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann der Kontaktbereich
aus einem faserverstärkten
Material bestehen, wobei die Fasern so orientiert sind, dass die
Längssteifigkeit des
Kontaktbereichs kleiner ist als seine Quersteifigkeit. Durch das
Einbringen gezielt ausgerichteter Fasern kann selektiv die Schersteifigkeit
des Kontaktbereichs in der Querrichtung erhöht werden, ohne dass dabei
die Längs-
und Vertikalsteifigkeit wesentlich beeinflußt werden. Erfindungsgemäß sind in
den Profilstollen Fasern eingearbeitet, die im Wesentlichen alle
in einer senkrecht zur Fahrbahn orienierten Projektion quer zur
Abrollrichtung verlaufen.
-
In
einer bevorzugten Ausführunsform
verlaufen alle Faern gegenüber
der Fahrbahn geneigt. Bevorzugt wird dabei eine Neigung zwischen
30° und 60°, insbesondere
von 45°.
-
Entsprechend
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform können die
Profilstollen quer zur Abrollrichtung verlaufende Querzonen aufweisen,
die im Neuzustand des Reifens radial außen vom Stollenmaterial eingefaßt sind
und die bei einem bis zu einer vorbestimmten Profiltiefe abgefahrenen
Reifen radial außen
freiliegen, wobei deren Längssteifigkeit kleiner
ist als die der Profilstollen. Durch diese Bauweise können abriebbedingte
Versteifungen der Profilstollen kompensiert werden. Zum Beispiel
können die
durch den Abrieb freigesetzten Querzonen den jeweiligen Profilstollen
teilen und schon dadurch die Längssteifigkeit
der geteilten Profilstollen reduzieren. Außerdem können die Querzonen auch so
gestaltet sein, dass sich ihre reduzierende Wirkung für die Längssteifigkeit
der Stollen mit zunehmendem Abrieb verstärkt. Derartige Querzonen können beispielsweise
durch Hohlräume
gebildet sein.
-
Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus
den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
-
Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert,
wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktional gleiche
oder ähnliche
Bauteile beziehen.
-
Es
zeigen, jeweils schematisch,
-
1 einen
Querschnitt durch einen Luftreifen,
-
2 ein
Diagramm zur Erläuterung
des Zusammenhangs zwischen Profilscherkraft (Ordinate) und Profilscherdehnung
(Abszisse) entlang der Kontaktzonenlänge,
-
3 eine
Ansicht senkrecht zur Fahrbahn auf die Kontaktzone,
-
4 einen
Längsschnitt
durch einzelne Profilstollen entsprechend den Schnittlinien IV in 3,
-
5 einen
Querschnitt durch einzelnen Profilstollen entsprechend den Schnittlinien
V in 3.
-
Entsprechend 1 besitzt
ein Luftreifen 1 eine Lauffläche 2, die radial
innen einen Innenbereich 3 und radial außen einen
Außenbereich 4 aufweist, der
im folgenden auch als Kontaktbereich 4 bezeichnet wird.
Der Innenbereich 3 wird üblicherweise als Reifengürtel bezeichnet
und dient zur Kraftübertragung
zwischen dem Reifen 1 und einer nicht dargestellten Felge.
Der Kontaktbereich 4 ist üblicherweise durch das Profil
bzw. durch Stollen 5 des Reifens 1 gebildet und
dient zur Übertragung
von Scherkräften zwischen
dem Innenbereich 3 bzw. dem Reifen 1 und einer
Fahrbahn 6, mit der der Kontaktbereich 4 beim Abrollen
des Reifens 3 entlang einer Kontaktzone oder -fläche 11 (vgl.
insbesondere 3) in Kontakt kommt.
-
Im
Diagramm gemäß 2 ist
auf der Ordinate die Scherkraft Fγ und
auf der Abszisse die Scherdehnung γ entlang der Kontaktzone 11 zwischen
Kontaktbereich 4 und Fahrbahn 6 aufgetragen. Die
Kontaktzone 11 weist bei 7 einen Einlauf auf,
bei dem der Kontakt zwischen Fahrbahn 6 und Kontaktbereich 4 beim
Abrollen des Reifens 1 beginnt. Das Ende des Kontaktes
zwischen Kontaktbereich 4 und Fahrbahn 6 beim
Abrollen des Reifens 1 ist bei 8 dargestellt und
wird mit Auslauf bezeichnet. In 2 ist mit
unterbrochener Linie der Verlauf der Haftreibungsgrenze γHaft entlang
der Kontaktzone 11 aufgetragen. Die Haftreibungsgrenze γHaft entspricht dem
maximalen Wert der zwischen Kontaktbereich 4 und Fahrbahn 6 übertragbaren
Scherkraft. Aufgrund der Bodendruckverteilung entlang der Kontaktzone 11 ergibt
sich ein im wesentlichen symmetrischer „kuppelförmiger" Verlauf für die Haftreibungsgrenze γHaft.
Mit punktierter Linie ist in 2 außerdem die Gleitreibungsgrenze γGleit eingetragen,
die einen ähnlichen
Verlauf aufweist, wie die Haftreibungsgrenze γHaft,
wobei die bei Gleitreibung übertragenen
Scherkräften
Fγ deutlich
unterhalb der Haftreibungsgrenze γHaft liegen.
-
Beginnend
am Einlauf 7 und endend am Auslauf 8 baut sich
entlang der Bodenkontaktzone 11 eine zunehmende Verformung
des Kontaktbereichs 4 bzw. der Profilstollen 5 auf.
Dieses Verhalten ergibt sich aus der Bodendruckverteilung sowie
aus der Kontaktkinematik, insbesondere bei Schräglaufbeanspruchung und/oder
Schlupfbeanspruchung des Reifens 1. Eine zunehmende Scherdehnung
bedeutet jedoch gleichzeitig eine zunehmende Übertragung von Scherkräften zwischen
Fahrbahn 6 und Kontaktbereich 4.
-
Bei
einem herkömmlichen
Reifen ergibt sich ein mit strichpunktierter Linie dargestellter
Verlauf 9, der einen linearen Zusammenhang zwischen zunehmender
Verformung und dabei übertragenen
Scherkräften
entlang der Kontaktzone 11 beschreibt. Ausgehend vom Einlauf 7 nehmen
daher die übertragbaren
Scherkräfte
entlang der Bodenkontaktzone 11 linear zu, was mit einer
ebenfalls linear zunehmenden Scherdeformation des Kontaktbereichs 4 einhergeht. Sobald
die zwischen Kontaktbereich 4 und Fahrbahn 6 übertragenen
Scherkräfte
die Haftreibungsgrenze γHaft bei 10 erreichen, gleitet der
betreffende Abschnitt des Kontaktbereichs 4 an der Fahrbahn 6 ab.
Die zwischen Kontaktbereich 4 und Fahrbahn 6 dann noch übertragbaren
Scherkräfte
entsprechen der Gleitreibungskraft; dementsprechend folgt der Zusammenhang
zwischen Scherdehnung γ und übertragbaren
Scherkräften
Fγ dann
der Gleitreibungsgrenze γGleit. Die mit 12 bezeichnete, schraffierte
Fläche
ergibt somit die entlang der Bodenkontaktzone 11 insgesamt
vom Reifen 1 übertragene
Seitenkraft.
-
Es
hat sich gezeigt, dass sich der in 2 wiedergegeben
Verlauf 9 bei einer Kurvenfahrt innerhalb der Kontaktzone 11 außerdem quer
zur Abrollrichtung des Reifens 1 verändert. Äußere Bereiche der Kontaktfläche 11 sind
dann größeren Längsdehnungen
ausgesetzt als innere Bereiche.
-
In 3 ist
der die Kontaktzone 11 beinhaltende Bereich des mit der
Fahrbahn 6 in Kontakt stehenden Reifens 1 wiedergegeben.
Die Blickrichtung steht dabei senkrecht zur Fahrbahn 6.
Eine Abrollrichtung des Reifens 1 sowie eine dazu parallele Längsrichtung
des Kontaktbereichs 4 bzw. der Stollen 5 sind
in 3 durch einen Pfeil 13 symbolisiert. In
entsprechender Weise ist auch eine Querrichtung des Kontaktbereichs 4 bzw.
der Profilstollen 5 durch einen Pfeil 14 symbolisiert,
wobei diese Querrichtung 14 quer bzw. senkrecht zur Abrollrichtung 13 verläuft.
-
Der
Kontaktbereich 4 ist so aufgebaut bzw. ausgebildet, dass
seine parallel zur Abrollrichtung 13 wirksame Längssteifigkeit
kleiner ist als seine quer zur Abrollrichtung 13 wirksame
Quersteifigkeit. Erreicht wird dies bei der hier gezeigten Ausführungsform
dadurch, dass der Kontaktbereich 4 eine Vielzahl von Profilstollen 5 aufweist,
die so geformt und angeordnet sind, dass sich die gewünschte Dimensionierung
der Quersteifigkeit relativ zur Längssteifigkeit des Kontaktbereichs 4 ergibt.
Entsprechend 3 sind die einzelnen Stollen 5 hierzu
so dimensioniert, dass eine in Abrollrichtung 13 gemessene Stollenlänge 15 deutlich
kleiner ist als eine quer zur Abrollrichtung 13 gemessene
Stollenbreite 16. Bei der hier gezeigten Ausführungsform
sind die einzelnen Profilstollen 5 etwa sechs mal so breit
wie lang. Durch die geometrische Gestalt der Stollen 5 ergibt sich
somit zwangsläufig
für jeden
einzelnen Stollen 5 eine Steifigkeitsverteilung, bei der
die Steifigkeit des Stollens 5 in Querrichtung 14 größer ist
als in Längsrichtung 13.
Da die Summe der Stollen 5 den Kontaktbereich 4 bilden,
besitzt dieser somit eine Quersteifigkeit die größer ist als seine Längssteifigkeit. Diese
Bauweise hat zur Folge, dass bei einer Kurvenfahrt innerhalb der
Kontaktzone 11 der Anteil an Profilfläche, der sich an der Seitenkraftübertragung beteiligt,
vergrößert werden
kann. Insgesamt kann dadurch die Seitenkraftübertragung des Reifens 1 verbessert
werden. Insbesondere kann auch die Wirkung einer Sturzseitenkrafterhöhung verbessert
werden. Beispielsweise kann dadurch auf der Basis von Sturzeffekten
der Fahreindruck eines breiteren Reifens 1 nachgebildet
werden.
-
Entsprechend 4 können bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
in den einzelnen Stollen 5 Querzonen 17 eingearbeitet
bzw. ausgebildet sein. Die Materialauswahl dieser Querzonen 17 erfolgt
dabei so, dass zumindest die Längssteifigkeit
dieser Querzonen 17 kleiner ist als die Längssteifigkeit
der Profilstollen 5. Zweckmäßig können diese Querzonen 17 durch
Hohlräume
gebildet sein. Gemäß 4 sind
die Querzonen 17 so positioniert, dass sie bei einem neuen
Reifen 1 radial außen
vom Stollenmaterial eingefaßt
sind, das heißt,
es besteht ein Abstand 18 zwischen einer Stollenaußenseite 19 und
der Querzone 17. Durch die Integration dieser biegeweichen
Querzonen 17 kann die Längssteifigkeit
des jeweiligen Profilstollens 5 reduziert werden.
-
Die
Längssteifigkeit
eines Profilstollens 5 hängt unter anderem von der senkrecht
zur Fahrbahn 6 gemessenen Stollenhöhe ab. Je größer die
Stollenhöhe,
desto weicher ist der Stollen 5. Mit abnehmender Profiltiefe
steigt daher die Längssteifigkeit
des Stollens 5 an. Die Integration der Querzonen 17 hat nun
zur Folge, dass bei Erreichen einer vorbestimmten Profiltiefe 20 die
Querzonen radial außen
freigelegt werden. Hierdurch wird der jeweilige Stollen 5 in seiner
Längsrichtung
geteilt, mit der Folge, dass seine Längssteifigkeit abnimmt. Zweckmäßig ist
die Formgebung und/oder Materialauswahl der Querzonen 17 so
gewählt,
dass die Längssteifigkeit
des jeweiligen Profilstollens 5 nicht sprungartig, sondern stetig
abnimmt. Ebenso ist es möglich,
die Steifigkeitserhöhung
durch Profilabnahme durch eine entsprechende Formgebung und/oder
Materialauswahl der Querzonen 17 im wesentlichen zu kompensieren, so
dass die Längssteifigkeit
der Profilstollen 5 beim Abrieb im wesentlichen konstant
bleibt.
-
Zusätzlich oder
alternativ zu den bereits vorgeschlagenen geometrischen Maßnahmen
kann die Steifigkeit des Kontaktbereichs 4 bzw. der den
Kontaktbereich 4 bildenden Stollen 5 dadurch hinsichtlich einer
Richtung beeinflußt
werden, dass in das Material des Kontaktbereichs 4 bzw.
der Stollen 5 unidirektionale Fasern 21 eingearbeitet
sind. Die Orientierung dieser Fasern 21 erfolgt dabei so,
dass die Längssteifigkeit
des Kontaktbereichs 4 bzw. der Stollen 5 kleiner
ist als die zugehörige
Quersteifigkeit. Beispielsweise wird dies dadurch erreicht, dass
die Fasern 21 in einer senkrecht zur Fahrbahn 6 orientierten
Projektion im wesentlichen quer zur Abrollrichtung 13 verlaufen,
das heißt
die Fasern 21 besitzen eine Richtungskomponente, die parallel
zur Querrichtung 14 verläuft. Des weiteren sind die
Fasern 21 gegenüber
der Fahrbahn 6 geneigt. In 5 ist exemplarisch
ein Neigungswinkel α eingetragen,
der etwa 45° beträgt. Grundsätzlich eignen
sich auch andere Winkel für
die Neigung der Fasern 21 gegenüber der Fahrbahn 6,
beispielsweise kann der Winkel α aus
einem Bereich zwischen 30° und
60° gewählt sein.
Zur Erzielung der gewünschten
Steifigkeitsanisotropie des Kontaktbereichs 4 bzw. der
Stollen 5 verlaufen die Fasern 21 im wesentlichen
parallel zueinander. Grundsätzlich
ist es auch möglich,
dass die Fasern 21 sich kreuzen und sich dabei in einer
Ebene erstrecken, die senkrecht zur Abrollrichtung 13 liegt. Des
weiteren kann die Orientierung der Fasern 21 von Stollen 5 zu
Stollen 5 abwechseln.
-
Die
Fasern 21 können
als Glasfasern, Kohlefasern oder Kunststofffasern ausgebildet sein.