DE19717676A1 - Reifen mit beweglichen Spikes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Reifen, in dessen Lauffläche bewegbare Spikes eingesetzt sind, die bei winterlichen Fahrbedingungen, insbesondere bei vereisten Straßenbedingungen mittels einer Vorrichtung aus der Lauffläche herausbewegt werden können, um so die Reibverhält­ nisse und damit die Haftung zwischen Fahrbahn und Reifen zu verbessern.

In den vergangenen Jahrzehnten hat die Verkehrsleistung aufgrund der stetig wachsenden Zahl von Personen- und Lastkraftwagen weltweit zugenommen. Vor allem in den Industrie­ ländern ging diese Zunahme der Verkehrsdichte einher mit einer erheblich gestiegenen Jahreskilometerzahl pro Fahrzeug. Darüber hinaus wurden und werden auch immer leistungs­ stärkere Personenkraftwagen auf den Markt gebracht. Diese Fortschritte waren nur möglich, weil die Reifentechnik mit den Entwicklungen in der Automobiltechnik Schritt halten konnten. Heute sind Reifenhersteller in der Lage, nach den Wünschen der Fahrzeughersteller Reifen herzustellen, die den jeweiligen Fahrzeugtypen angepaßt sind und ein breites Leistungs-, Gewichts- und Einsatzspektrum abdecken, um so den unterschiedlichsten Ver­ braucherwünschen gerecht werden zu können.

Obwohl der Reifen als Konstruktionselement des Automobils sich dessen technischen Verän­ derungen anzupassen hat, ist diese Anpassungsfähigkeit jedoch begrenzt. Die historische Entwicklung in der Reifentechnik hat zur Erkenntnis geführt, daß die Optimierung bestimmter Reifeneigenschaften bei der Entwicklung von neuen Reifen oftmals sofort mit einer Ver­ schlechterung anderer gewünschter Eigenschaften erkauft werden muß. Die im Handel erhält­ lichen Reifen stellen daher immer einen Kompromiß dar, indem der Einsatzzweck auf das jeweilige Fahrzeugfabrikat soweit wie möglich aufeinander abgestimmt worden ist.

Von mitentscheidender Bedeutung ist hierbei der Laufflächenbereich. So bestimmt z. B. die Materialzusammensetzung der Laufflächenmischung, ob ein Reifen sommer- oder winter­ tauglich ist oder als LKW-Reifen verwendet werden kann. Durch das Laufflächenprofil werden das Profilgeräusch, die Aquaplaningsicherheit, die Naßrutscheigenschaften, die Lebenserwartung und die Wintereigenschaften eines Reifens bestimmt.

Das Laufflächenprofil besteht dabei aus Profilblöcken (Profil-positiv) und Profilrillen (Profil- negativ), die zur Erzielung einer gleichmäßigen Bodendruckverteilung wohl ausgewogen auf der Lauffläche verteilt sein sollen.

Besonders problematisch ist die Optimierung der Reifeneigenschaften im Hinblick auf die Wintertauglichkeit.

Neben den kältetauglichen Gummimischungen für den Reifen benötigt ein Winterreifen ein spezielles Profil mit einer Vielzahl an Lamellen, Profilkanten und hohen Profilblöcken, um den Schneegriff zu begünstigen, eine bessere Traktion zu erzielen und bei Aquaplaning-Be­ dingungen das Wasser rasch abzuleiten.

In der Reifentechnik ist anerkannt, daß für guten Schneegriff Profile mit großem Negativanteil und zahlreichen Querrillen und Querlamellen wichtig sind, wobei Profilkanten die Traktion im Schnee erhöhen. Der große Negativanteil in den Laufflächenprofilen führt zu offenen, selbstreinigenden Profilen, wobei der geringe Positivanteil des Profils eine gewünschte Er­ höhung des Bodendrucks bewirkt, so daß bei winterlichen Bedingungen neben der Traktion auch ausreichende Seitenkräfte aufgebaut werden können.

Für einen guten Eisgriff ist jedoch aufgrund der Gefrierpunktdepression des Eises unter Druck das Gegenteil erforderlich. Damit ein Reifen gute Eisgriffeigenschaften aufweist, bedarf es eines hohen Profilpositivanteils des Reifens. Hierdurch wird ein geringerer Bodendruck be­ wirkt, der letztendlich zur Verminderung der Dicke des sich zwischen den Profilelementen des Reifens und dem Eis bildenen Wasserfilm führt und hierdurch die Kraftübertragung ver­ bessert wird.

Den größten Einfluß auf die Verbesserung der Haftung des Reifens aus Eis hat weiterhin die Verwendung besonderer Laufflächengummimischungen. Die Entwicklung von Winterreifen mit Laufflächenprofilen, die sowohl bei Schnee als auch bei Eis ein optimales Fahrverhalten der Fahrzeuge bei diesen Bedingungen gewährleisten können, ist weiterhin Gegenstand in­ tensiver Forschung.

In der Vergangenheit wurde der Konflikt hinsichtlich des Negativ/Positivanteils des Profils im Hinblick auf Schnee bzw. Eisgriff der Reifen in der Weise gelöst, daß der Reifen ein Lauf­ flächenprofil erhielt, das für guten Schneegriff ausgelegt war, während in die Lauffläche Hartmetallstifte, sogenannte Spikes eingesetzt wurden, die bei Eis in die harte Eisoberfläche eindringen konnten und so die Reibungsverhältnisse und damit die Haftung zwischen Fahr­ bahn und Reifen verbesserten. Nachteilig an diesen "Spike-Reifen" war jedoch, daß die Spikes zu erheblichen Beschädigungen der Straßendecken führten. Insbesondere auf stark befahrenen Kraftfahrstraßen wie Autobahnen bildeten sich, hervorgerufen durch starke Bremsmanöver, gefährliche "Spike-Rillen", die bei Regen zu gefährlichen Wassersammel­ becken wurden und die Aquaplaning-Gefahr für die Autofahrer dramatisch erhöhten.

Aus Gründen der Verkehrssicherheit und auch aus wirtschaftlichen Gründen wurde daher die Verwendung von Spike-Reifen in den verschiedenen Staaten stark reguliert bzw. in der Bun­ desrepublik Deutschland wurden Spikes 1975 per Gesetz verboten.

Dieses Spike-Verbot bewirkte eine intensive Forschungstätigkeit nach Ersatzlösungen. So wurde ein Reifen entwickelt, der zur besseren Haftung auf Eis in die Lauffläche eingesetzte, stehende Stahldrähte aufwies. Diese Entwicklung wurde jedoch seitens der Reifenhersteller nicht weiterverfolgt, sondern die Entwicklung ging dahin, daß durch eine differenzierte La­ mellentechnik im Profil sowie durch Variation der Laufflächenmischung eine verbesserte Haftung der Reifen auf festgefahrenem Schnee und auch auf Eis erzielt werden konnte. Je­ doch ist auch heute allgemein anerkannt, daß die Traktionswirkung, die mit Spikes auf blan­ kem Eis erzielt werden konnte, mit den heute üblichen Winterreifen nicht erreicht werden kann.

Glatteis im Winter bleibt somit eines der größten Probleme im Hinblick auf die Sicherheit im Straßenverkehr. Dies ergibt sich bereits aus der Tatsache, daß sich die Bremswege auf Eis unter Umständen verzehnfachen können. Darüber hinaus ist bedeutsam, daß in den Staaten mit den höchsten Verkehrsdichten z. B. in Zentraleuropa die Bundesrepublik Deutschland im Winter überlicherweise Temperaturen vorherrschen, die um oder unter 0°C liegen, verbunden mit einer oftmals hohen Luftfeuchtigkeit (Nebelfeuchte).

Diese Bedingungen sind besonders gefährlich, weil das sich bei diesen Bedingungen bildende Glatteis in besonderer Weise der Gefrierpunktdepression durch Druck unterliegt, wobei die ohnehin sehr geringe Haftreibung in diesem Temperaturbereich noch sehr viel geringer ist als bei Temperaturen unter -25°C, die z. B. in den skandinavischen oder nordamerikanischen Staaten häufig anzutreffen sind.

Darüber hinaus tritt in Zentraleuropa aufgrund des martimen Klimas auch häufig das Phäno­ men des "Eisregens" auf, der dazu führt, daß innerhalb kürzester Zeit die Straßen völlig ver­ eisen mit der Folge des totalen Zusammenbruchs des Straßenverkehrs. Bei diesen Witterungs­ bedingungen können dann auch oftmals Räum- und Streufahrzeuge ihren Aufgaben wegen der Verstopfung der Verkehrswege nicht nachkommen. Gleiches gilt für die Fahrzeuge von Poli­ zei, Feuerwehr sowie ärztlichen Notdiensten.

Um auch bei diesen extremen Witterungsbedingungen fahren zu können, sind Schneeketten mit Spikes entwickelt worden, die als temporäre Traktionshilfe für solche extremen Verhält­ nisse ausgelegt sind. Solche Spike-Ketten sind auch in der Bundesrepublik Deutschland zuge­ lassen.

Nachteilig an solchen Ketten ist jedoch, daß diese bei extrem widrigen Witterungsverhält­ nissen auf die Reifen aufgebracht werden müssen und nicht jeder Verkehrsteilnehmer die notwendige Geschicklichkeit hierfür aufbringt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Reifen mit guten Wintereigenschaften, d. h. mit guten Schnee- und Eisgriff bereitzustellen, der insbesondere auch bei extremen Witte­ rungsverhältnissen wie Eisregen einsetzbar ist, ohne daß hierbei auf Schnee- bzw. Spikeketten zurückgegriffen werden muß.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Reifen, in dessen Lauffläche beweg­ bare Spikes versenkt sind, die bei normalem Fahrbetrieb keinen Fahrbahnkontakt haben und mittels einer Vorrichtung bei winterlichen Witterungsverhältnissen, insbesondere Straßenglätte einfach mittels einer pneumatischen Vorrichtung für jeden Spike aus dem Lauf­ flächenprofil herausbewegt werden.

Die pneumatische Vorrichtung besteht aus einem Gehäuse, das der Aufnahme und Arretierung des bewegbaren Spikes dient und eine Zuführung für Druckluft aufweist. Die Druckluftzufüh­ rung ist ihrerseits mit einem die Druckluft erzeugenden Kompressor verbunden. Damit die Spikes nicht durch die beim üblichen Fahrbetrieb einwirkenden Fliehkräfte aus dem Gehäuse und dem Laufflächenprofil herausgedrückt werden, ist es notwendig, daß es eine Gegenkraft gibt, die die Spikes in ihrer Ruheposition in der Gehäusekammer halten kann, um so den Kontakt mit der Fahrbahn im Normalbetrieb zu verhindern.

Dies kann konstruktiv einfach dadurch erreicht werden, daß sich in der Gehäusekammer eine Feder befindet, die um den Spike geführt ist und deren Federkonstante so bemessen sein muß, daß durch die Rückstellkraft der Feder der Spike in der Gehäusekammer zurückgehaften wird, wobei das Gehäuse an seinem offenen Ende ein Gewinde oder eine Fräsung oder eine Ausspa­ rung zur Aufnahme eines Befestigungsmittels aufweisen muß, das die Feder in der Gehäuse­ kammer hält. Als bevorzugte Befestigungsmittel sind Schrauben zu nennen.

In einer weiteren Ausführungsform wird anstelle der Rückstellkraft der Feder als Gegenkraft zu den auf die Spikes einwirkenden Fliehkräften der Spike mit Druckluft in der Gehäuse­ kammer gehalten. Die Gehäusekammer ist dabei so zu gestalten, daß der Spike im Normal­ betrieb in der Gehäusekammer gehalten wird, während im Einsatzfall durch Variation der Druckluftströme der Spike dann aus der Gehäusekammer bzw. dem Laufflächenprofil heraus­ bewegt werden kann.

Um die Spikes aus der Lauffläche der Reifen herausbewegen zu können, ist für jede der ge­ nannten Ausführungsformen ein bordeigener Kompressor des Kraftfahrzeuges notwendig, wie dies insbesondere bei vielen Nutzfahrzeugen der Fall ist.

Die Gehäuse der beschriebenen Ausführungsformen sind zur Aufnahme der Spikes vorzugs­ weise zylindrisch ausgebildet bzw. weisen eine zylindrische Öffnung auf.

Die Spikes haben üblicherweise die Form von Stiften, wobei sie an einem Ende eine kegel­ förmige Spitze zum Eindringen in die Eisoberfläche aufweisen, während das andere Ende der Spikes der Verankerung des Spikes im Gehäuse dient, wobei dieses Ende noch zusätzlich einen Dichtungsring aufweisen kann.

Die Gehäuse zur Aufnahme und Arretierung der Spikes bestehen aus Metallen bzw. Legie­ rungen, vorzugsweise aus Stahl. Sie können aus Gewichtsgründen auch vorteilhaft aus Faser­ verbundwerkstoffen gefertigt werden. Als Beispiele hierfür sind die im Fahrzeugbau einsetz­ barend glasfaser- bzw. kohlenstoffaserverstärkten Polymeren zu nennen.

Die Spikes können ebenfalls aus gehärteten Metallen bzw. Legierungen, vorzugsweise aus Stahl oder den oben genannten Faserverbundwerkstoffen bzw. auch aus keramischen Werk­ stoffen gefertigt sein.

Ihrem Einsatzweck entsprechend können die Spikes aus den verschieden genannten Materia­ lien mit unterschiedlichen Härte- und Zähigkeitsgraden hergestellt sein, wobei dann die Spike­ spitzen aus dem Material mit dem größten Härte und Zähigkeitsgrad gefertigt sind. Darüber hinaus können die Spikespitzen auch verfahrenstechnisch bearbeitet bzw. behandelt worden sein, um ihnen eine größere Härte bzw. Zähigkeit zu verleihen.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Reifen liegt darin, daß der Fahrer bei plötzlich auftretender Eisglätte z. B. bei Eisregen durch Betätigung des Kompressors die Spikes aus dem Innern des Laufflächenprofils heraus bewegen kann. Auf diese Weise erhalten die Reifen die bekannte "Spikes-Wirkung" und der bei herkömmlichen Reifen übliche Abfall der Trak­ tion bzw. der Seitenführung bei Eisglätte kann vermindert werden.

Darüber hinaus kann auch der Fahrer zu seiner eigenen Sicherheit vorsorglich die Spikes ein­ setzen, wenn er mit gefährlicher Glatteisbildung bei der vorherrschenden Witterung und den örtlichen Gegebenheiten rechnen muß. Dies ist der Fall bei Fahrten, wenn Nebelnässe mit Temperaturen um den Gefrierpunkt vorherrschen und die Straße über Brücken, schattige Waldgebiete mit unebenen Relief z. B. mit vielen Talsenken und Kuppen führt.

Die erfindungsgemäßen Reifen können für PKW, LKW und sonstige Nutzfahrzeuge verwen­ det werden. Die Verwendung der Reifen ist nicht nur für Fahrzeuge von Polizei, Feuerwehr sowie ärztlichen Notdiensten interessant, deren Einsatz bei jeder Witterung gefordert ist, son­ dern auch für Fahrzeuge, die für den Einsatz in schwierigem Gelände bestimmt sind z. B. Geländewagen oder auch Militärfahrzeuge. Insbesondere bei Steigungsstrecken bzw. längeren Bergabfahrten sorgen die erfindungsgemäßen Reifen für die notwendige Fahrsicherheit bei Straßenglätte, die mit herkömmlichen Winterreifen nicht erreicht werden kann. Bei griffigem Straßenbelag werden die Fahrzeuge auf dem Laufflächenprofil gefahren, ohne daß die Spikes Kontakt mit dem Straßenbelag haben. So können Straßenschäden vermieden werden und die Spikes kommen nur zum Einsatz, wenn dies aus Gründen der Verkehrssicherheit geboten ist.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Gehäuse, das der Aufnahme bzw. Arretierung eines Spikes dient.

Fig. 2 zeigt in vereinfachter Darstellung einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Reifen.

Fig. 3 zeigt das Laufflächenprofil des erfindungsgemaßen Reifens, in dem die Druckluftzu­ führungen im Inneren des Reifens durch Punkte angedeutet sind.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch ein Gehäuse, in dem der Spike durch die vom Kompressor erzeugte Druckluft in der Gehäusekammer gehalten wird.

Das Gehäuse (1) zur Aufnahme und Arretierung des Spikes gemäß Fig. 1 besitzt zur Auf­ nahme des Spikes (2) eine Gehäusekammer sowie eine Druckluftzuführung (4). Die Gehäu­ sewand weist am offenen Ende des Gehäuses (A-Richtung) ein Gewinde (5), in das eine Schraube (6) als Befestigungsmittel eingedreht ist, auf. Der Spike (2) ist an seiner dem Rei­ feninneren zugewandten Seite stempelförmig ausgebildet (7) und weist eine Nut zur Auf­ nahme eines Dichtungsringes auf (8). Bei Bedarf wird die Druckluft durch die Zuführung (4) geführt und bewegt den Spike (2) aus der Gehäusekammer (3) soweit heraus, bis das stempel­ förmige Ende des Spikes (7) auf die Schraube (6) trifft und der maximale Spike-Überstand erreicht ist. Durch die Rückstellkraft der um den Spike (2) geführten Feder (9) wird bewirkt, daß der Spike (2) bei Normalbetrieb in der Gehäusekammer (3) gehalten wird und nicht durch die während des Fahrens auftretenden Fliehkräfte aus dem Laufflächenprofil herausgeschleu­ dert werden. Die Feder besteht dabei aus den für Federn üblich verwendeten Materialien.

Die Druckluftzuführung (4) ist mit einem Kompressor verbunden, der im Einsatzfall die für das Hinausdrücken der Spikes aus der Gehäusekammer gegen die Federkraft der Feder not­ wendige Druckluft liefert. Kompressorsysteme, die in der Lage sind, bei Luftverlust des Rei­ fens durch Zuschaltung eines Kompressors diesen Luftverlust auszugleichen, indem der Rei­ fen über die Felge belüftet wird, sind bei Nutzfahrzeugen, insbesondere auch bei militärisch genutzten Fahrzeugen bekannt und können für die hier vorliegende Erfindung verwendet wer­ den.

Die in Europa üblichen Gürtel- oder auch Radialreifen weisen als tragenden Bestandteil des Reifenunterbaus eine Karkase auf, die meist aus Kunstfasern gefertig ist, wobei dann zwi­ schen der Karkase und dem Laufstreifen als Verstärkungsanlage der sogenannte Gürtel ange­ ordnet ist. Dieser Gürtel kann aus Textilfasern, aber auch aus Glasfiberfäden sowie Aramid­ fasern bestehen. Üblich ist jedoch, daß der Gürtel aus Stahlcord gefertigt ist. Als schlauchlose Variante sorgt für die Abdichtung des luftgefüllten Reifeninnenraums, der von Reifen und Felge gebildet wird, die sogenannte Innenseele, einer luftdichten Gummischicht.

Fig. 2 zeigt daher in vereinfachter Darstellung, wie das Gehäuse (1) mit dem Spike (2) zwi­ schen Innenseele (10) und Laufflächenprofil (11) in den Reifen integriert ist. Bedeutsam ist, daß zwischen die verschiedenen Lagen des Gürtels (12) die Druckluftzuführung (4) anzuord­ nen ist, damit die Gehäusekammer (3) zur Bewegung des Spikes (2) mit Druckluft gespeist werden kann.

Fig. 3 zeigt, wie die einzelnen Gehäuse im Laufflächenprofil verteilt sind. Dabei sind die einzelnen Gehäusekammern über die im Reifen befindlichen Druckluftzuführungen (4), die durch die Punktierung angedeutet sind, über eine Hauptzuführung (13) mit dem Kompressor verbunden.

Fig. 4 zeigt in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung entsprechend Fig. 1 einen Schnitt durch ein Gehäuse, in dem im Gegensatz zu Fig. 1 der Spike (2) nicht durch die Rückstellkraft der Feder sowie des Befestigungsmittels (6) in der Gehäusekammer gehalten wird. Vielmehr weist das Gehäuse eine zusätzliche Druckluftzuführung (14) auf, die wie die Zuführung (4) mit dem Kompressor verbunden ist. Durch Regulierung der Druckluftströme durch die Zuführungen in (4) und (14) kann nun der Spike (2) in der Gehäusekammer (3) ge­ halten werden bzw. bewegt werden.

Um den Spike (2) in der Gehäusekammer (3) zu halten, wird die vom Kompressor erzeugte Druckluft durch die Zuführung (4) und (14) geführt bzw. nur durch Zuführung (14).

Wenn der Spike (2) aufgrund der Witterungsverhältnisse zum Einsatz kommen soll, erfolgt die Druckluftzuführung nur über die Zuführung (4), so daß der Stempel (7) auf die Schraube (6) bzw. den Dichtungsring (15) trifft, so daß der Spike dann Kontakt mit der Fahrbahn hat.

Claims (13)

1. Reifen, insbesondere für PKW und LKW, dadurch gekennzeichnet, daß in die Lauf­ fläche des Reifens bewegbare Spikes versenkt sind, die bei normalem Fahrbetrieb keinen Fahrbahnkontakt haben und mittels einer pneumatischen Vorrichtung für jeden Spike bei Bedarf aus dem Laufflächenprofil heraus bewegt werden.

2. Reifen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung aus einem Ge­ häuse mit einer Gehäusekammer zur Aufnahme und Arretierung des Spikes und einer Zuführung für Druckluft gebildet wird.

3. Reifen nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuse der be­ wegbaren Spikes im Reifen über ihre Druckluftzuführung miteinander und einem Kompressor verbunden sind.

4. Reifen nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse am offenen Ende ein Gewinde oder Fräsung oder eine Aussparung zur Aufnahme eines Befestigungsmittels aufweist.

5. Reifen nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungs­ mittel eine Schraube ist.

6. Reifen nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Gehäuse­ kammer bewegbare Spike an seiner dem Reifeninneren zugewandten Seite stempel­ förmig ausgebildet ist.

7. Reifen nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuse aus Metall, Metallegierungen oder Faserverbundwerkstoffen, insbesondere glasfaserver­ stärkte oder kohlenstoffaserverstärkte Polymeren gefertigt sind.

8. Reifen nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spikes aus Me­ tall, Metallegierungen, keramischen Werkstoffen oder Faserverbundwerkstoffen ge­ fertigt sind.

9. Reifen nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Reifen mit Schlauch oder schlauchlos in Radialgürtelbauweise oder in Diagonalbauart oder in Mischbauweise als Bias-belted-Reifen hergestellt ist.

10. Reifen nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusekammer eine Feder aufweist, die um den Spike geführt ist.

11. Reifen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkonstante der Feder so gewählt ist, daß der Spike bei Normalbetrieb durch die Rückstellkraft der Feder im Ge­ häuse gehalten wird.

12. Reifen nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusekammer zwei Druckluftzuführungen aufweist.

13. Reifen nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß durch Regulation der Druck­ luftströme über die Druckluftzuführungen der Spike bei Normalbetrieb in der Gehäuse­ kammer gehalten wird.