DE112011100908T5

DE112011100908T5 - Luftreifen

Info

Publication number: DE112011100908T5
Application number: DE112011100908T
Authority: DE
Inventors: Yuji Kodama; Susumu Imamiya
Original assignee: Yokohama Rubber Co Ltd
Current assignee: Yokohama Rubber Co Ltd
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2011-06-21
Publication date: 2013-01-10
Anticipated expiration: 2031-06-22
Also published as: CN102821979A; CN102821979B; US8978720B2; JP2012006452A; WO2011162266A1; JP4941580B2; DE112011100908B4; US20130008574A1

Abstract

Es wird ein Luftreifen 1 beschrieben, welcher aufwine Kautschukschicht 11, die ein Laufflächenabschnitt wird und die entlang einer Umfangsrichtung der ringförmigen Struktur 10 auf einer Außenseite 10so der ringförmigen Struktur 10 bereitgestellt ist, und einen Karkassenabschnitt 12, der mit Kautschuk bedeckte Fasern aufweist und der auf beiden Seiten 2S in einer Richtung parallel zu einer Mittelachse (Y-Achse) einer zylindrischen Struktur 2, die die ringförmige Struktur 10 und die Kautschukschicht 11 aufweist, bereitgestellt ist. In einer Meridianquerschnittsansicht der Struktur 2 weisen eine Außenseite 11so der Kautschukschicht 11 und die Außenseite 10so der ringförmigen Struktur 10 die gleiche Form auf.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Luftreifen.
Hintergrund
Das Verringern des Rollwiderstands eines Luftreifens ist nützlich im Hinblick auf das Verbessern des Kraftstoffverbrauchs eines Fahrzeugs. Es bestehen Methoden zum Verringern des Rollwiderstands eines Reifens, wie z. B. die Verwendung eines silicahaltigen Kautschuks für die Lauffläche.
Dokumente des Stands der Technik
Nichtpatentdokumente

Nichtpatentdokument 1: Recent Technical Trends in Tires, Akimasa DOI, Journal of the Society of Rubber Industry, Japan, Sept. 1998, Bd. 71, S. 588–594

Zusammenfassung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösendes Problem
Während die Methode zum Verringern des Rollwiderstands von Luftreifen, die im Nichtpatentdokument 1 beschrieben ist, eine Verbesserung des Materials darstellt, ist es ebenfalls möglich, den Rollwiderstand durch Modifizieren der Struktur des Luftreifens zu verringern. Unter Berücksichtigung des Vorgenannten besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung darin, eine Struktur bereitzustellen, durch die der Rollwiderstand eines Luftreifens verringert wird.
Mittel zum Lösen des Problems
Ein Mittel zum Lösen des vorstehend beschriebenen Problems ist ein Luftreifen, aufweisend: eine zylindrische ringförmige Struktur, eine Kautschukschicht, die ein Laufflächenabschnitt wird und die entlang einer Umfangsrichtung der ringförmigen Struktur auf einer Außenseite der ringförmigen Struktur bereitgestellt ist, und einen Karkassenabschnitt, der mit Kautschuk bedeckte Fasern aufweist und der auf beiden Seiten in einer Richtung parallel zu einer Mittelachse einer zylindrischen Struktur, die die ringförmige Struktur und die Kautschukschicht aufweist, bereitgestellt ist. In einem Meridianquerschnitt der Struktur weisen eine Außenseite der Kautschukschicht und die Außenseite der ringförmigen Struktur die gleiche Form auf.
Bei dem vorstehend beschriebenen Mittel verlaufen die Außenseite der Kautschukschicht und die Außenseite der ringförmigen Struktur vorzugsweise parallel zur Mittelachse.
Bei dem vorstehend beschriebenen Mittel ist die ringförmige Struktur in einer radialen Richtung der Struktur vorzugsweise weiter innen angeordnet als der Karkassenabschnitt.
Bei dem vorstehend beschriebenen Mittel ist die ringförmige Struktur vorzugsweise ein Metall.
Bei dem vorstehend beschriebenen Mittel beträgt eine Abmessung in der Richtung parallel zur Mittelachse der ringförmigen Struktur vorzugsweise nicht weniger als 50% und nicht mehr als 120% einer Abmessung in der Richtung parallel zur Mittelachse der Kautschukschicht.
Bei dem vorstehend beschriebenen Mittel beträgt ein Abstand zwischen der Außenseite der ringförmigen Struktur und der Außenseite der Kautschukschicht vorzugsweise nicht weniger als 3 mm und nicht mehr als 20 mm.
Wirkung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung kann eine Struktur bereitstellen, durch die der Rollwiderstand eines Luftreifens verringert wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Reifens gemäß der Ausführungsform.
2-1 ist eine Explosionsansicht des Reifens gemäß der Ausführungsform.
2-2 ist eine Explosionsansicht des Reifens gemäß der Ausführungsform.
2-3 ist eine Explosionsansicht des Reifens gemäß der Ausführungsform.
3 ist eine Meridianquerschnittsansicht des Reifens gemäß der Ausführungsform.
4 ist eine vergrößerte Ansicht eines im Reifen gemäß der Ausführungsform enthaltenen Karkassenabschnitts.
5 ist eine Meridianquerschnittsansicht einer ringförmigen Struktur und einer Kautschukschicht.
6 ist eine Zeichnung, die Formen der Kautschukschicht und der ringförmigen Struktur in einem Meridianquerschnitt darstellt.
7-1 ist eine Meridianquerschnittsansicht, die einen Reifen gemäß einem Modifikationsbeispiel der Ausführungsform darstellt.
7-2 ist eine Meridianquerschnittsansicht, die einen Reifen gemäß einem Modifikationsbeispiel der Ausführungsform darstellt.
7-3 ist eine Meridianquerschnittsansicht, die einen Reifen gemäß einem Modifikationsbeispiel der Ausführungsform darstellt.
8 ist ein Diagramm, das die Bewertungsergebnisse zeigt.
9-1 ist eine Draufsicht, die eine Form eines Bodenkontaktstücks eines Bewertungsgegenstands in den Bewertungen darstellt.
9-2 ist eine Draufsicht, die eine Form eines Bodenkontaktstücks eines Bewertungsgegenstands in den Bewertungen darstellt.
9-3 ist eine Draufsicht, die eine Form eines Bodenkontaktstücks eines Bewertungsgegenstands in den Bewertungen darstellt.
Detaillierte Beschreibung
Im Folgenden wird eine Form der vorliegenden Erfindung (Ausführungsform) detailliert beschrieben, wobei auf die Zeichnungen Bezug genommen wird. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die in der Ausführungsform aufgeführte Beschreibung eingeschränkt. Außerdem schließen die nachfolgend beschriebenen Bestandteile diejenigen Bestandteile mit ein, die von einem Fachmann leicht abgeleitet werden können, sowie Bestandteile, die im Wesentlichen identisch mit den hier beschriebenen sind. Des Weiteren können die nachstehend beschriebenen Bestandteile nach Bedarf miteinander kombiniert werden.
Wird die exzentrische Verformung bis zu ihrem Grenzwert erhöht, um den Rollwiderstand eines Luftreifens (nachfolgend je nach Bedarf als ”Reifen” bezeichnet) zu verringern, nimmt der Bodenkontaktbereich zwischen dem Reifen und einer Straßenoberfläche ab und der Bodenkontaktdruck wird erhöht. Demzufolge nimmt der viskoelastische Energieverlust, der durch Verformungen eines Laufflächenabschnitts verursacht wird, zu, was wiederum einen erhöhten Rollwiderstand nach sich zieht. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung richteten ihre Aufmerksamkeit auf diesen Punkt und versuchten, den Rollwiderstand zu verringern und die Lenkstabilität zu erhöhen, indem der Bodenkontaktbereich zwischen dem Reifen und der Straßenoberfläche sichergestellt wird und exzentrische Verformung beibehalten wird. Exzentrische Verformung ist eine eindimensionale Verformungsart, bei der ein Laufflächenring (Zenitbereich) des Reifens vertikal verlagert wird, während die runde Form des Reifens beibehalten wird. Zum Sicherstellen des Bodenkontaktbereichs zwischen dem Reifen und der Straßenoberfläche sowie zum Beibehalten einer exzentrischen Verformung wird bei dem Reifen gemäß dieser Ausführung zum Beispiel eine Struktur verwendet, die eine zylindrische ringförmige Struktur aufweist, welche aus einer dünnen Metallplatte hergestellt wird. Entlang einer Umfangsrichtung wird an einer Außenseite der ringförmigen Struktur eine Kautschukschicht bereitgestellt. Diese Kautschukschicht bildet den Laufflächenabschnitt des Reifens.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Reifens gemäß der Ausführungsform. 2-1 bis 2-3 sind Explosionsansichten des Reifens gemäß der Ausführungsform. 3 ist eine Meridianquerschnittsansicht des Reifens gemäß der Ausführungsform. 4 ist eine vergrößerte Ansicht eines im Reifen gemäß der Ausführungsform enthaltenen Karkassenabschnitts. Wie in 1 dargestellt, ist ein Reifen 1 eine ringförmige Struktur. Eine Achse, die durch den Mittelpunkt der ringförmigen Struktur verläuft, ist eine Mittelachse (Y-Achse) des Reifens 1. Bei Gebrauch wird das Innere des Reifens 1 mit Luft befüllt.
Der Reifen 1 dreht sich, wobei die Mittelachse (Y-Achse) als Drehachse dient. Die Y-Achse ist die Mittelachse und die Drehachse des Reifens 1. Eine X-Achse ist eine senkrecht zur Y-Achse (der Mittelachse (Drehachse) des Reifens 1) verlaufende Achse und verläuft parallel zu einer Straßenoberfläche, mit der Reifen 1 Bodenkontakt hat. Eine Z-Achse ist eine senkrecht zur Y-Achse und zur X-Achse verlaufende Achse. Eine parallel zur Y-Achse verlaufende Richtung ist eine Breitenrichtung des Reifens 1. Eine Richtung, die die Y-Achse kreuzt und senkrecht zur Y-Achse verläuft, ist eine Radialrichtung des Reifens 1. Außerdem ist eine Umfangsrichtung, die an der Y-Achse zentriert ist, eine Umfangsrichtung des Luftreifens 1 (die durch den Pfeil „CR” in 1 angezeigte Richtung).
Wie in 1, 2-1 bis 2-3 und 3 dargestellt, weist der Reifen 1 eine zylindrische ringförmige Struktur 10, eine Kautschukschicht 11 und einen Karkassenabschnitt 12 auf. Die ringförmige Struktur 10 ist ein zylindrisches Element. Die Kautschukschicht 11 ist entlang der Umfangsrichtung der ringförmigen Struktur 10 an einer Außenseite 10so der ringförmigen Struktur 10 bereitgestellt und stellt einen Laufflächenabschnitt des Reifens 1 dar. Wie in 4 dargestellt, weist der Karkassenabschnitt 12 Fasern 12F auf, die mit Kautschuk 12R bedeckt sind. Außerdem ist, in 3 dargestellt, der Karkassenabschnitt 12 auf beiden Seiten 25 in der Richtung (d. h. der Breitenrichtung) parallel zur Mittelachse (Y-Achse) einer zylindrischen Struktur 2, die die ringförmige Struktur 10 und die Kautschukschicht 11 aufweist, bereitgestellt. Des Weiteren weisen, bei dem Reifen 1 in einem Meridianquerschnitt der Struktur 2 eine Außenseite 11so der Kautschukschicht 11 und die Außenseite 10so der ringförmigen Struktur 10 die gleiche Form auf.
In dieser Ausführungsform ist die ringförmige Struktur 10 aus einem Metallmaterial hergestellt. Zu Beispielen des Metallmaterials, das für die ringförmige Struktur 10 verwendet werden kann, gehören Kohlenstoffstahl, Edelstahl, Aluminiumlegierung und dergleichen, jedoch ist das Metallmaterial nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel können Faserverbundkunststoffe wie CFK (kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe), GFK (glasfaserverstärkte Kunststoffe) und dergleichen für die ringförmige Struktur 10 verwendet werden. Die Außenseite 10so der ringförmigen Struktur 10 und die Innenseite 11si der Kautschukschicht 11 stehen miteinander in Kontakt. In der Ausführungsform werden die ringförmige Struktur 10 und die Kautschukschicht 11 unter Verwendung von beispielsweise einem Klebstoff befestigt. Durch eine solche Struktur können Kräfte zwischen der ringförmigen Struktur 10 und der Kautschukschicht 11 gegenseitig übertragen werden. Verfahren zum Befestigen der ringförmigen Struktur 10 an der Kautschukschicht 11 sind nicht auf Klebstoffe beschränkt.
Die Kautschukschicht 11 weist ein Kautschukmaterial, das einen Synthesekautschuk, einen Naturkautschuk oder eine Mischung davon aufweist, und Kohlenstoff, SiO₂ oder dergleichen, welches als verstärkendes Material zum Kautschukmaterial hinzugefügt wird, auf. Wie in 2-1 dargestellt, ist die Kautschukschicht 11 eine Endlosbandstruktur. In der Ausführungsform ist, wie in 3 dargestellt, eine Meridianquerschnittsform der Kautschukschicht 11 rechteckig. Die Meridianquerschnittsform der Kautschukschicht 11 ist nicht auf eine rechteckige Form beschränkt, jedoch sind die Außenseite 11so und die Innenseite 11si (d. h. die Außenseite 10so der ringförmigen Struktur 10) der Kautschukschicht 11 parallel (mit Abmaß und Toleranz). Dieses Merkmal ist nachstehend beschrieben. Die Kautschukschicht 11 kann auch ein Laufflächenprofilmuster aus einer Mehrzahl von Rillen in der Außenseite 11so aufweisen.
Der Karkassenabschnitt 12 ist ein verstärkendes Element, das zusammen mit der ringförmigen Struktur 10 als Druckbehälter dient, während der Reifen 1 mit Luft befüllt wird. Der Karkassenabschnitt 12 und die ringförmige Struktur 10 stützen die Last, die auf den Reifen 1 aufgrund des Innendrucks der Luft, welche das Innere des Reifens 1 ausfüllt, einwirkt, und sie halten den dynamischen Belastungen stand, denen der Reifen während der Fahrt ausgesetzt ist. In dieser Ausführungsform ist eine Innenseele 14 an einer Innenseite des Karkassenabschnitts 12 des Reifens 1 bereitgestellt. Die Innenseele 14 verhindert ein Entweichen der Luft, die das Innere des Reifens 1 ausfüllt. Jedes Ende des Karkassenabschnitts 12 weist einen Wulstabschnitt 13 auf seiner Innenseite in Radialrichtung auf. Die Wulstabschnitte 13 passen mit einer Felge eines Rads, an dem der Reifen 1 angebracht ist, zusammen. Es ist zu beachten, dass der Karkassenabschnitt 12 mechanisch mit der Felge des Rads verbunden werden kann.
5 ist eine Meridianquerschnittsansicht der ringförmigen Struktur 10 und der Kautschukschicht 11. Ein Elastizitätsmodul der ringförmigen Struktur 10 beträgt vorzugsweise nicht weniger als 70 GPa und nicht mehr als 250 GPa. Außerdem beträgt eine Dicke tm der ringförmigen Struktur 10 vorzugsweise nicht weniger als 0,1 mm und nicht mehr als 2,0 mm. Die Dicke tm der ringförmigen Struktur 10 ist vorzugsweise auf eine Größe eingestellt, die für das Material der ringförmigen Struktur 10 geeignet ist. Ein Produkt aus dem Elastizitätsmodul und der Dicke tm der ringförmigen Struktur 10 (als „Steifigkeitsparameter” bezeichnet) beträgt vorzugsweise nicht weniger als 10 und nicht mehr als 500.
Durch ein Konfigurieren des Steifigkeitsparameters solcherart, dass er innerhalb des vorstehend beschriebenen Bereichs liegt, wird die Steifigkeit der ringförmigen Struktur 10 im Meridianquerschnitt erhöht. Aufgrund dessen werden, wenn der Reifen 1 mit Luft befüllt ist und wenn der Reifen 1 in Bodenkontakt mit einer Straßenoberfläche kommt, Verformungen, welche durch die ringförmige Struktur 10 in Meridianquerschnitt der Kautschukschicht 11 (Laufflächenabschnitt) entstehen, unterdrückt. Daher wird ein durch Verformungen verursachter Verlust an viskoelastischer Energie des Reifens 1 unterdrückt. Außerdem wird durch ein Konfigurieren des Steifigkeitsparameters solcherart, dass er innerhalb des vorstehend beschriebenen Bereichs liegt, die Steifigkeit der ringförmigen Struktur 10 in Radialrichtung verringert. Demzufolge wird der Laufflächenabschnitt des Reifens 1 in einem Bodenkontaktabschnitt zwischen Reifen 1 und der Straßenoberfläche biegsam verformt, genau wie bei herkömmlichen Luftreifen. Durch eine solche Funktion wird der Reifen 1 exzentrisch verformt, während lokale Konzentrationen an Belastung und Spannung im Bodenkontaktabschnitt vermieden werden und daher Belastung im Bodenkontaktabschnitt verteilt werden kann. Aufgrund dessen werden lokale Verformungen der Kautschukschicht 11 im Bodenkontaktabschnitt unterdrückt, was dazu führt, dass der Bodenkontaktbereich des Reifens 1 sichergestellt wird und der Rollwiderstand verringert wird.
Außerdem kann beim Reifen 1, aufgrund der hohen Steifigkeit der ringförmigen Struktur 10 innerhalb der Ebene des Meridianquerschnitts und da der Bodenkontaktbereich der Kautschukschicht 11 sichergestellt wird, die Bodenkontaktlänge in Umfangsrichtung sichergestellt werden. Somit nehmen die Seitenkräfte, welche durch das Einwirken eines Ruderwinkels entstehen, zu. Demzufolge kann der Reifen 1 eine hohe Kurvensteifigkeit erzielen. Außerdem wird, wenn die ringförmige Struktur 10 aus Metall hergestellt wird, die meiste im Inneren des Reifens 1 vorhandene Luft nicht durch die ringförmige Struktur 10 hin entweichen. Dies ist von Vorteil, weil hierdurch der Luftdruck des Reifens 1 besser geregelt werden kann. Somit kann eine Abnahme des Luftdrucks des Reifens 1 selbst dann unterdrückt werden, wenn der Reifen 1 so verwendet wird, dass der Reifen 1 über einen längeren Zeitraum hinweg nicht mit Luft befüllt wird.
Der Abstand tr (Dicke der Kautschukschicht 11) zwischen der Außenseite 10so der ringförmigen Struktur 10 und der Außenseite 11so der Kautschukschicht 11 beträgt vorzugsweise nicht weniger als 3 mm und nicht mehr als 20 mm. Indem der Abstand tr so konfiguriert wird, dass er innerhalb eines solchen Bereichs liegt, können übermäßige Verformungen der Kautschukschicht 11 in den Kurven unterdrückt werden, während gleichzeitig der Fahrkomfort gewährleistet wird. Die Richtung parallel zur Mittelachse (Y-Achse) der ringförmigen Struktur 10 oder, mit anderen Worten, eine Abmessung Wm (Breite der ringförmigen Struktur) in Breitenrichtung der ringförmigen Struktur 10 beträgt vorzugsweise nicht weniger als 50% (Wr × 0,5) und nicht mehr als 120% (Wr × 1,2) einer Abmessung Wr der Kautschukschicht 11 (Kautschukschichtbreite) in der Richtung parallel zur Mittelachse (Y-Achse). Wenn Wm kleiner als Wr × 0,5 ist, ist die Steifigkeit im Meridianquerschnitt der ringförmigen Struktur 10 ungenügend, was zu einer Reduzierung des Bereichs führt, der die exzentrische Verformung in Bezug auf die Reifenbreite aufrechterhält. Demzufolge kann der Effekt einer Verringerung des Rollwiderstands möglicherweise gemindert werden und die Kurvensteifigkeit kann abnehmen. Des Weiteren können, wenn Wm Wr × 1,2 übersteigt, am Laufflächenabschnitt Stauchverformungen in Richtung der Mittelachse (Y-Achse) der ringförmigen Struktur 10 während des Bodenkontakts auftreten und dies kann wiederum zu Verformungen der ringförmigen Struktur 10 führen. Indem Wm so konfiguriert wird, dass Wr × 0,5 ≤ Wm ≤ Wr × 1,2, kann die Kurvensteifigkeit beibehalten werden, während gleichzeitig der Rollwiderstand verringert wird und außerdem können Verformungen der ringförmigen Struktur 10 unterdrückt werden.
6 ist eine Zeichnung, die Formen einer Kautschukschicht 111 und einer ringförmigen Struktur 110 in einem Meridianquerschnitt darstellt. Bei einem in 6 dargestellten Reifen 101 (Luftreifen) ragt in einem Meridianquerschnitt davon eine Außenseite 111so der Kautschukschicht 111 nach außen in Radialrichtung an einem Mittelabschnitt in Breitenrichtung. Im Gegensatz dazu ist eine Außenseite 110so der ringförmigen Struktur 110 in Breitenrichtung flach. Somit sind bei dem Reifen 101 im Meridianquerschnitt davon Formen der Außenseite 111so der Kautschukschicht 111 und der Außenseite 110so der ringförmigen Struktur 110 unterschiedlich. Insbesondere ist in dem Meridianquerschnitt ein Abstand von der Rotationsachse der Außenseite 110so der ringförmigen Struktur 110 über die gesamte Breitenrichtung konstant. Im Gegensatz dazu ragt die Außenseite 111so der Kautschukschicht 111 in nach außen Radialrichtung in der Nähe einer Mitte in Breitenrichtung von den Außenseiten in Breitenrichtung. Das heißt, bei dem Reifen 101 nimmt eine Dicke der Kautschukschicht 111 (Abmessung in Radialrichtung) von den Außenseiten in Breitenrichtung zur Mitte in Breitenrichtung zu. Bei Verwendung der vorstehend beschriebenen Struktur wird eine Verteilung der Steifigkeit in Breitenrichtung erzeugt, weil der Abstand zwischen der Außenseite 111so der Kautschukschicht 111 und der Außenseite 110so der ringförmigen Struktur 110 in Breitenrichtung variiert. Als Folge unterscheiden sich bei dem Reifen 101 Verformungsbedingungen der Kautschukschicht 111, die den Laufflächenabschnitt bildet, und der ringförmigen Struktur 110, voneinander, und dies führt zur Erzeugung lokaler Belastungs- und Spannungskonzentration im Bodenkontaktabschnitt. Des Weiteren kann bei dem Luftreifen 101 lokale Verformung in der Kautschukschicht 111 im Bodenkontaktabschnitt auftreten. Als Folge dieser lokalen Verformung nimmt der Verlust an viskoelastischer Energie der Kautschukschicht 111 zu, was zu einem Anstieg des Rollwiderstands führen kann.
Angesichts des Vorstehenden sind bei dem Reifen 1 im Meridianquerschnitt der in 4 dargestellten Struktur 2 die Formen der Außenseite 11so der Kautschukschicht 11 und der Außenseite 10so der ringförmigen Struktur 10 vorzugsweise gleich. Aufgrund einer solchen Konfiguration werden, wenn der Reifen 1 in Bodenkontakt kommt oder rollt, die Kautschukschicht 11 (Laufflächenabschnitt) und die ringförmige Struktur 10 auf im Wesentlichen gleiche Weise verformt. Daher werden Verformungen der Kautschukschicht 11 des Reifens 1 verringert, was zu einer Abnahme des Verlustes an viskoelastischer Energie und einer weiteren Senkung des Rollwiderstands führt.
Wenn die Außenseite 11so der Kautschukschicht 11 und die Außenseite 10so der ringförmigen Struktur 10 nach außen in Radialrichtung des Reifens 1 ragen, oder alternativ nach innen in Radialrichtung des Reifens 1 ragen, wird die Druckverteilung im Bodenkontaktabschnitt des Reifens 1 ungleichmäßig. Demzufolge können lokale Konzentrationen an Belastung und Spannung im Bodenkontaktabschnitt erzeugt werden und lokale Verformungen der Kautschukschicht 11 können im Bodenkontaktabschnitt auftreten. In dieser Ausführungsform sind bei dem Reifen 1, wie in 3 dargestellt, die Außenseite 11so der Kautschukschicht 11 und die Außenseite 10so der ringförmigen Struktur 10 vorzugsweise parallel zur Mittelachse (Y-Achse) der Kautschukschicht 11 und der ringförmigen Struktur 10 (d. h. der Struktur 2). Durch eine solche Struktur kann der Bodenkontaktabschnitt des Reifens 1 so konfiguriert werden, dass er im Wesentlichen flach ist. Beim Reifen 1 ist die Druckverteilung im Bodenkontaktabschnitt einheitlich und daher werden lokale Konzentrationen an Belastung und Spannung im Bodenkontaktabschnitt unterdrückt und lokale Verformungen der Kautschukschicht 11 im Bodenkontaktabschnitt werden unterdrückt. Demzufolge wird der Verlust an viskoelastischer Energie reduziert und somit wird ebenfalls der Rollwiderstand des Reifens 1 reduziert. Außerdem werden beim Reifen 1 lokale Verformungen der Kautschukschicht 11 im Bodenkontaktabschnitt unterdrückt und daher kann der Bodenkontaktbereich sichergestellt werden sowie gleichzeitig die Bodenkontaktlänge in Umfangsrichtung kann sichergestellt werden. Daher kann beim Reifen 1 auch die Kurvensteifigkeit sichergestellt werden.
In dieser Ausführungsform ist, wie vorstehend beschrieben, die Form der Kautschukschicht 11 in einem Meridianquerschnitt rechteckig, jedoch ist die Form nicht auf die rechteckige Form beschränkt, vorausgesetzt, dass die Außenseite 11 so der Kautschukschicht 11 und die Außenseite 10so der ringförmigen Struktur 10 parallel zur Mittelachse (Y-Achse) sind. Zum Beispiel kann die Form der Kautschukschicht 11 im Meridianquerschnitt eine Trapezform oder eine Parallelogrammform aufweisen. Ist die Form der Kautschukschicht 11 im Meridianquerschnitt trapezförmig, dann kann eine obere oder untere Grundseite des Trapezes die Außenseite 11so der Kautschukschicht 11 sein.
7-1 bis 7-3 sind Meridianquerschnittsansichten, die Reifen gemäß Modifikationsbeispielen der Ausführungsform darstellen. Abgesehen vom Befestigungsverfahren des Karkassenabschnitts 12a und dergleichen an der ringförmigen Struktur 10 entsprechen diese Modifikationsbeispiele der vorstehend beschriebenen Ausführungsform. Bei einem in 7-1 dargestellten Reifen 1a ist ein erster Endabschnitt eines Karkassenabschnitts 12a an der Außenseite 10so der ringförmigen Struktur 10 befestigt und ist zwischen der ringförmigen Struktur 10 und der Kautschukschicht 11 angeordnet. Bei einem in 7-2 dargestellten Reifen 1b ist ein Karkassenabschnitt 12b auf der Außenseite 10so der ringförmigen Struktur 10 von einem ersten Rand zu einem zweiten Rand in Breitenrichtung angeordnet und ist über die gesamten Breitenrichtungsbereiche der ringförmigen Struktur 10 und der Kautschukschicht 11 zwischen der ringförmigen Struktur 10 und der Kautschukschicht 11 angeordnet. Bei einem in 7-3 dargestellten Reifen 1c erstreckt sich ein Karkassenabschnitt 12c auf einer Innenseite 10si der ringförmigen Struktur 10 von einem ersten Rand zu einem zweiten Rand in Breitenrichtung und ist auf der Innenseite 10si der ringförmigen Struktur 10 befestigt.
Wie bei den in 7-1 bzw. 7-2 dargestellten Reifen 1a und 1b ist es bevorzugt, dass der Karkassenabschnitt 12 zwischen der ringförmigen Struktur 10 und der Kautschukschicht 11 angeordnet ist, weil dann der Karkassenabschnitt 12 zuverlässig zwischen der ringförmigen Struktur 10 und der Kautschukschicht 11 befestigt wird und eine hohe Festigkeit sichergestellt werden kann. Insbesondere wird wie bei dem 7-2 dargestellten Reifen 1b, wenn der Karkassenabschnitt 12so konfiguriert ist, dass er den gesamten Breitenrichtungsbereich auf der Außenseite 10so der ringförmigen Struktur 10 bedeckt, der Karkassenabschnitt 12b nicht in der Breitenrichtung des Reifens 1b unterteilt und deshalb können auf eine Verbindungsstelle zwischen dem Karkassenabschnitt 12b und der ringförmigen Struktur 10 einwirkende Kräfte unterdrückt werden. Als Folge kann bei dem Reifen 1b die Möglichkeit des Auftretens von Fehlern an der Verbindungsstelle reduziert werden und daher kann der Reifen 1b als eine stärkere Struktur bereitgestellt werden und eine Abnahme der Haltbarkeit des Reifens 1b kann unterdrückt werden.
Obwohl der in 7-3 dargestellte Reifen 1c in Bezug auf den Karkassenabschnitt 12c, der an der Innenseite 10si der ringförmigen Struktur 10 befestigt ist, dem in 4 dargestellten Reifen 1 entspricht, unterscheidet er sich insofern davon, als der Karkassenabschnitt 12c in allen Bereichen in Breitenrichtung der Innenseite 10si der ringförmigen Struktur 10 befestigt ist. Als Folge dieser Struktur ist bei dem Reifen 1c der Karkassenabschnitt 12c nicht in der Breitenrichtung des Reifens 1c unterteilt. Bei dem in 4 dargestellten Reifen 1 wirkt der Innendruck auf die Verbindungsstelle zwischen dem Karkassenabschnitt 12 und der ringförmigen Struktur 10, jedoch wird bei dem 7-3 dargestellten Reifen 1c der Innendruck von der Gesamtheit des Karkassenabschnitts 12c aufgenommen und deshalb wirkt der Innendruck nicht auf die Verbindungsstelle zwischen dem Karkassenabschnitt 12c und der ringförmigen Struktur 10. Somit ist bei dem 7-3 dargestellten Reifen 1c der Karkassenabschnitt 12c in Breitenrichtung nicht unterteilt und daher können auf die Verbindungsstelle zwischen dem Karkassenabschnitt 12c und der ringförmigen Struktur 10 einwirkende Kräfte unterdrückt werden. Als Folge kann bei dem Reifen 1c die Möglichkeit des Auftretens von Fehlern an der Verbindungsstelle reduziert werden und daher kann eine Abnahme der Haltbarkeit des Reifens 1c unterdrückt werden.
Bewertungsbeispiele
Auf der Grundlage des Reifens 1 gemäß der Ausführungsform wurde ein Computer-analysierbares numerisches Analysemodell erstellt und anhand einer Finite-Elemente-Methode mit einem Computer analysiert. Der Reifen 1, auf dem das numerische Analysemodell beruhte, wies die in 3 dargestellte Meridianquerschnittsform auf. Die Abmessungen der jeweiligen Bestandteile des Reifens 1 waren wie folgt: Reifenbreite W, in 4 dargestellt = 190 mm; und Karkassenhöhe H (Abstand in Radialrichtung von einem Fersenabschnitt 13h des Reifenwulstabschnitts 13 zur Innenseite 10si der ringförmigen Struktur 10) = 40 mm. Die ringförmige Struktur 10 wurde aus Federstahl hergestellt und eine Dicke tm davon betrug 0,4 mm (siehe 5). Die Kautschukschicht 11 wurde auf der Außenseite 10so der ringförmigen Struktur 10 angehaftet und befestigt. Eine Dicke tr der Kautschukschicht 11 betrug 8 mm (siehe 5). Ein Durchmesser des Reifens 1 entsprach dem Durchmesser eines Luftreifens der Größe 225/50R18. Ein Paar der Karkassenabschnitte 12 wurde jeweils mit den beiden Rändern in Breitenrichtung der Innenseite 10si der ringförmigen Struktur 10 verbunden.
Zum Vergleich wurden Computer-analysierbare numerische Analysemodelle für einen Luftreifen mit einer Struktur nach dem Stand der Technik und einen starren Reifen erstellt und es wurden Bodenkontaktanalysen und Rollanalysen für diese Reifen anhand einer Finite-Elemente-Methode mit einem Computer durchgeführt. Die Größe des Luftreifens mit einer Struktur nach dem Stand der Technik war 225/50R18. Der starre Reifen bestand aus einer Kautschukschicht, die am Umfang einer ringförmigen Platte bereitgestellt war, und entsprach einem Reifen, bei dem eine Steifigkeit der ringförmigen Struktur 10 des in 1 und 4 dargestellten Reifens 1 viel höher ist. Eine Breite des starren Reifens betrug 190 mm und ein Durchmesser davon entsprach dem Durchmesser eines Luftreifens der Größe 225/50R18. Die exzentrische Verformung des starren Reifens wurde bis zu einer Obergrenze davon erhöht.
Die Parameter zum Bewerten des Reifens 1, des Luftreifens mit der Struktur nach dem Stand der Technik und des starren Reifens waren: vertikale Steifigkeit Kt, horizontale Steifigkeit Ky, Kurvensteifigkeit CP und Rollwiderstand RR. In Fällen, in denen eine Last an den Bewertungsgegenstand (die numerischen Analysemodelle des Reifens 1, des Luftreifens mit der Struktur nach dem Stand der Technik und des starren Reifens) in einer Richtung senkrecht zur Straßenoberfläche angelegt wird, bezieht sich die „vertikale Steifigkeit” auf eine Änderungsrate (kN/m) der Last in Bezug auf eine Verschiebung in der Richtung der Lastanwendung. In diesen Bewertungsbeispielen wurde ein Innendruck von 230 kPa als Last an die Bewertungsgegenstände angelegt und in diesem Zustand wurde eine Vergleichslast (4 kN) in einer Richtung senkrecht zur Straßenoberfläche an die Bewertungsgegenstände angelegt. Die vertikale Steifigkeit war als die Änderungsrate definiert, wenn die an die Bewertungsgegenstände angelegte Last innerhalb eines Bereichs von ±0,5 kN von der Vergleichslast variiert wurde.
In Fällen, in denen der Bewertungsgegenstand in Breitenrichtung (Querrichtung) des Bewertungsgegenstands bewegt wird, während eine Last an den Bewertungsgegenstand in einer Richtung senkrecht zur Straßenoberfläche angelegt ist, bezieht sich „horizontale Steifigkeit” auf eine Änderungsrate (kN/m) der Kraft (der lateralen Kraft), die in der Querrichtung angelegt wird, in Bezug auf eine Verschiebung in der Querrichtung (Querrichtungsverschiebung). In diesen Bewertungsbeispielen wurde ein Innendruck von 230 kPa als Last an die Bewertungsgegenstände angelegt, und eine Vergleichslast (4 kN) wurde in einer Richtung senkrecht zur Straßenoberfläche daran angelegt. In diesem Zustand war die horizontale Steifigkeit als die Änderungsrate der lateralen Kraft in Bezug auf die Querrichtungsverschiebung definiert, die durch Variieren der lateralen Kraft innerhalb eines vorgegebenen Bereichs erhalten wurde. Die Kurvensteifigkeit CP war als die Größe der Kraft definiert, die in der Querrichtung erzeugt wurde, wenn ein Ruderwinkel von 1 Grad in einem Zustand normalen Rollens der Bewertungsgegenstände an die Bewertungsgegenstände angelegt wurde. Der Rollwiderstand wurde gemäß einem im japanischen Patent Nr. 3969821 beschriebenen Verfahren berechnet. Bei diesem Verfahren wurden zunächst Datensätze der Belastung und Spannung in Umfangsrichtung entsprechend einer einzelnen Drehung eines Reifenmodells aus den Ergebnissen der statischen Bodenkontaktanalyse extrapoliert. Dann wurde anhand der Ergebnisse (Verlustfaktor des Materials und Amplitude) einer Fourier-Transformation der Datensätze der Energieverlust an jeder Stelle im Reifenmodell erstellt. Der Rollwiderstand wurde berechnet, indem zunächst der Energieverlust im gesamten Reifenmodell durch Addieren des Energieverlusts an jeder Stelle im gesamten Reifenmodell berechnet wurde und anschließend dieser Gesamtenergieverlust durch die Umfangslänge des Reifenmodells geteilt wurde.
8 ist ein Diagramm, das die Bewertungsergebnisse zeigt. In 8 sind die (Parameter-)Ergebnisse für die vertikale Steifigkeit Kt, die horizontale Steifigkeit Ky, die Kurvensteifigkeit CP und den Rollwiderstand RR für den Luftreifen mit einer Struktur nach dem Stand der Technik, den starren Reifen und den Reifen 1 dargestellt, wobei die Werte des Luftreifens mit einer Struktur nach dem Stand der Technik auf 100 gesetzt wurden. Es werden größere Werte für die Kurvensteifigkeit CP und kleinere Werte für den Rollwiderstand RR bevorzugt. Übermäßig hohe vertikale Steifigkeit Kt und horizontale Steifigkeit Ky werden nicht bevorzugt.
Wie aus den in 8 dargestellten Ergebnissen hervorgeht, weist der Reifen 1 im Vergleich zu dem Luftreifen mit einer Struktur nach dem Stand der Technik eine erhöhte Kurvensteifigkeit CP und einen erheblich reduzierten Rollwiderstand RR auf. Insbesondere ist die Kurvensteifigkeit CP des Reifens 1 auf fast 180% von der des Luftreifens mit einer Struktur nach dem Stand der Technik gestiegen. Der Rollwiderstand RR des Reifens 1 ist auf ungefähr 30% von dem des Luftreifens mit einer Struktur nach dem Stand der Technik reduziert. Aufgrund dieser Ergebnisse wird angenommen, dass im Vergleich zu dem Luftreifen mit einer Struktur nach dem Stand der Technik der Kraftstoffverbrauch des Reifens 1 verbessert wird und die Abbiegeleistung verbessert wird. Außerdem wird angenommen, dass der Fahrkomfort äquivalent zu dem eines Luftreifens nach dem Stand der Technik sichergestellt werden kann, weil die vertikale Steifigkeit Kt des Reifens 1 zu der des Luftreifens mit einer Struktur nach dem Stand der Technik äquivalent ist.
Andererseits nimmt im Vergleich zu dem Luftreifen mit einer Struktur nach dem Stand der Technik und dem Reifen 1 die vertikale Steifigkeit Kt des starren Reifens übermäßig zu, was vermutlich zu einer Abnahme des Fahrkomforts führt. Außerdem ist der Bodenkontaktabschnitt anfällig für lokale Verformung und die Bodenkontaktfläche und die Bodenkontaktlänge in Umfangsrichtung werden reduziert, weil die vertikale Steifigkeit Kt des starren Reifens übermäßig hoch ist. Es wird angenommen, dass dies zu einer Zunahme des Rollwiderstands RR und einer Abnahme der Kurvensteifigkeit CP des starren Reifens führt. Obwohl die exzentrische Verformung bei dem Reifen 1 selbst zunimmt, wird angenommen, dass die exzentrische Verformung aufrechterhalten wird, weil die vertikale Steifigkeit Kt bei dem Reifen 1 kleiner ist als bei dem starren Reifen. Deshalb kann bei dem Reifen 1 die exzentrische Verformung aufrechterhalten werden, während gleichzeitig die Bodenkontaktfläche sichergestellt wird. Als Folge wird bei dem Reifen 1 angenommen, dass die Reduzierung des Rollwiderstands RR und die Verbesserung der Kurvensteifigkeit CP umgesetzt werden können, weil die lokale Verformung im Bodenkontaktabschnitt unterdrückt werden kann und die Bodenkontaktfläche und die Bodenkontaktlänge in Umfangsrichtung sichergestellt werden können.
9-1, 9-2 und 9-3 sind Draufsichten, die Bodenkontaktstückformen von Bewertungsgegenständen in den Bewertungen darstellen. 9-1 zeigt die Ergebnisse eines Luftreifens nach dem Stand der Technik, 9-2 zeigt die Ergebnisse eines starren Reifens, und 9-3 zeigt die Ergebnisse des in 4 abgebildeten Reifens 1 (der Ausführungsform). Weniger Variation in der Schattierung gibt weniger Variation im Bodenkontaktdruck an. Wie in 9-2 dargestellt, hat der starre Reifen im Vergleich zu dem Luftreifen nach dem Stand der Technik eine kleinere Bodenkontaktfläche eines Bodenkontaktabschnitts RC, was zu einem höheren Bodenkontaktdruck führt. Hingegen ist die Bodenkontaktfläche des Bodenkontaktabschnitts RC im Reifen 1 breiter als bei dem starren Reifen und ist äquivalent zu der des Luftreifens nach dem Stand der Technik. Des Weiteren wird die Bodenkontaktlänge in Umfangsrichtung des Bodenkontaktabschnitts RC des Reifens 1 äquivalent zu der des Luftreifens nach dem Stand der Technik gehalten und im Vergleich zu dem Luftreifen nach dem Stand der Technik ist der Bodenkontaktdruck davon gleichmäßiger.
Wie vorstehend beschrieben, weist der Luftreifen gemäß dieser Ausführungsform eine ringförmige Struktur mit einem Steifigkeitsparameter (definiert als das Produkt aus dem Elastizitätsmodul und der Dicke), der nicht weniger als 10 und nicht mehr als 500 beträgt, und eine an einer Außenseite der ringförmigen Struktur angeordnete Kautschukschicht auf. Durch eine solche Struktur wird der Reifen dieser Ausführungsform exzentrisch verformt, während lokale Konzentrationen an Belastung und Spannung der Kautschukschicht im Bodenkontaktabschnitt vermieden werden, und daher kann eine Belastung im Bodenkontaktabschnitt verteilt werden. Demzufolge werden beim Reifen dieser Ausführungsform lokale Verformungen der Kautschukschicht im Bodenkontaktabschnitt unterdrückt und daher werden Konzentrationen an Belastung und Spannung im Bodenkontaktabschnitt verteilt und der Rollwiderstand verringert. Daher kann bei dieser Ausführungsform eine Struktur bereitgestellt werden, durch die der Rollwiderstand eines Luftreifens verringert wird.
Außerdem kann aufgrund der vorstehend beschriebenen Struktur bei dem Luftreifen gemäß dieser Ausführungsform bei Abnutzung der Kautschukschicht die Kautschukschicht von der ringförmigen Struktur entfernt und eine neue Kautschukschicht an die ringförmige Struktur angebracht werden. Daher wird eine Runderneuerung erleichtert. Bei dem Luftreifen gemäß dieser Ausführungsform können, vorausgesetzt, es liegen keine Defekte vor, die Karkasse und die ringförmige Struktur mehrere Male verwendet werden. Demzufolge werden Abfallprodukte reduziert und die Umweltbelastung ist geringer. Ferner wird bei dem Luftreifen gemäß dieser Ausführungsform die ringförmige Struktur hergestellt, indem ein plattenähnliches Element in eine zylindrische Form gebracht wird, und die ringförmige Struktur wird so angeordnet, dass sie den luftgefüllten Bereich umgibt. Daher verhindert bei dem Luftreifen gemäß dieser Ausführungsform die ringförmige Struktur ein Eindringen von Fremdkörpern von der Straßenkontaktoberfläche (Außenseite der Kautschukschicht) in den luftgefüllten Bereich. Daher weist der Luftreifen gemäß dieser Ausführungsform den Vorteil auf, nicht anfällig für Reifenlöcher zu sein.
Industrielle Anwendbarkeit
Wie vorstehend beschrieben, ist der Luftreifen gemäß der vorliegenden Erfindung beim Reduzieren des Rollwiderstands von Nutzen.
Bezugszeichenliste

1, 1a, 1b, 1c, 101: Luftreifen (Reifen)
2: Struktur
25: Beide Seiten
10, 110: Ringförmige Struktur
10so, 110so: Außenseite
10si: Innenseite
11, 111: Kautschukschicht
11so, 111so: Außenseite
11si: Innenseite
12, 12a, 12b, 12c: Karkassenabschnitt
12F: Faser
12R: Kautschuk
13: Reifenwulstabschnitt
13h: Fersenabschnitt
14: Innenseele

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 3969821 [0049]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Recent Technical Trends in Tires, Akimasa DOI, Journal of the Society of Rubber Industry, Japan, Sept. 1998, Bd. 71, S. 588–594 [0003]

Claims

Luftreifen, aufweisend: eine zylindrische ringförmige Struktur, eine Kautschukschicht, aus der ein Laufflächenabschnitt wird, der entlang einer Umfangsrichtung der ringförmigen Struktur an einer Außenseite der ringförmigen Struktur bereitgestellt wird, und einen Karkassenabschnitt, der mit Kautschuk bedeckte Fasern aufweist und auf beiden Seiten in einer Richtung parallel zu einer Mittelachse einer zylindrischen Struktur, die die ringförmige Struktur und die Kautschukschicht aufweist, bereitgestellt ist, wobei in einem Meridianquerschnitt der Struktur eine Außenseite der Kautschukschicht und die Außenseite der ringförmigen Struktur die gleiche Form aufweisen.
Luftreifen gemäß Anspruch 1, wobei die Außenseite der Kautschukschicht und die Außenseite der ringförmigen Struktur parallel zur Mittelachse sind.
Luftreifen gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die ringförmige Struktur weiter innen in Radialrichtung der Struktur angeordnet ist als der Karkassenabschnitt.
Luftreifen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die ringförmige Struktur ein Metall ist.
Luftreifen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Abmessung in der Richtung parallel zur Mittelachse der ringförmigen Struktur nicht weniger als 50% und nicht mehr als 120% einer Abmessung in der Richtung parallel zur Mittelachse der Kautschukschicht beträgt.
Luftreifen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Abstand zwischen der Außenseite der ringförmigen Struktur und der Außenseite der Kautschukschicht nicht weniger als 3 mm und nicht mehr als 20 mm beträgt.