DE19756480C1 - Fahrzeugrad mit geräuschmindernden Einbauten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugrad mit einem auf einer Felge aufgezogenen Luftreifen, welcher einen Laufstreifen, zwei Seitenwände, eine Karkasse, Verstärkungselemente, zwei mit Wulstkernen versehene Reifenwülste, sowie in seinem Innenraum als Reflektoren ausgebildete geräuschmindernde Einbauten aufweist, wobei die Reflektoren flächig ausgebildet sind.

Die Schallabstrahlung eines Kraftfahrzeugreifens trägt neben Wind- und Motorgeräuschen relativ stark zur gesamten Geräuschemission eines Fahrzeuges bei. Eine der Ursachen ist hierbei das Abrollgeräusch, welches durch das Auftreffen des Profiles der Reifenlauffläche auf die Fahrbahnoberfläche entsteht, wobei die Gestaltung des Reifenprofils einen wesentlichen Einfluß hierauf nimmt. Hier sind bereits vielerlei Maßnahmen bekannt, die durch Änderungen der Pitchfolgen eine Lärmreduzierung im Hinblick auf die im hörbaren Bereich unangenehmen Frequenzen erzielten, indem eine Verteilung auf ein breiteres Frequenzband und eine Vermeidung der sogenannten "Peaks" erreicht wurde. Die Schwierigkeiten, die sich hierbei genauso wie bei dem Einsatz lärmmindernder Gummimischungen ergaben, liegen in dem besonderen Einfluß, den Laufstreifenprofil und auch Gummimischung auf die Fahreigenschaften des Fahrzeuges besitzen.

Weitere Entwicklungen gehen dahin, den beim Fahren bzw. Rollen der Reifen entstehenden Schall möglichst in unmittelbarer Nähe des Entstehungsbereiches zu absorbieren, indem beispielsweise in den Radkästen der Kraftfahrzeuge schallabsorbierende Vorrichtungen angebracht werden. Auch hier sind der zusätzliche Aufwand und die Veränderungen an der Karosserie als nachteilig zu bemerken.

Eine weitere Schallursache sind die Schwingungen des Laufstreifens und der Seitenwände eines sich drehenden Fahrzeugreifens, die beim Verlassen der Radaufstandsfläche in ihren Eigenschwingungsformen ausschwingen. Auch die Eigenschwingungsformen des Gürtels machen sich hier verstärkt bemerkbar. Hier sind bereits Maßnahmen zur Versteifung der Seitenwände bzw. zur Verbindung beider Seitenwände innerhalb des Luftreifens mit Stegen bekannt.

All diese Schwingungen übertragen sich auch auf die Luftsäule im Reifeninneren, die diese wiederum zu einem nicht geringen Teil weiterleitet oder durch die Ausbildung von stehenden Wellen und das Erreichen bestimmter Eigenfrequenzen noch verstärkt und in die Reifenbauteile rückkoppelt.

Die DE 41 20 878 A1 zeigt hierzu einen Fahrzeugreifen mit Versteifungen im Inneren, die die gegenüberliegenden Seitenwände kraftschlüssig verbinden, wobei die Versteifungen an den Innenseiten der Seitenwände über ringförmige Bänder anvulkanisiert sind. Durch eine solche Anordnung sollen die Schwingungen der Seitenwände und auch ihre Übertragung auf die Luftsäule im Inneren des Reifens gedämpft werden. Die im wesentlichen in Radialrichtung und auch in ihrer Form gleichmäßig gestalteten Versteifungen bilden durch ihre homogene und gleichförmig am Umfang angeordnete Ausbildung jedoch selbst wieder eine schwingungsfähige Struktur, die zwar dämpfend wirkt, jedoch ebenfalls Eigenschwingungen ausbilden kann. Zudem werden lediglich die Seitenwandschwingungen beeinflußt, nicht die Schwingungen des Laufstreifens und des Gürtels.

Die EP 0 737 597 A1 zeigt ein Geräuschreduzierungssystem für Reifen mit auf der Felge angebrachten flexiblen, nicht selbsttragenden Klappen, aus vorzugsweise textilen Materialien, welche durch die Fliehkraft in radialer Richtung aufgestellt werden und das Reifeninnere in mehrere Kammern unterteilen. Auch hierdurch sollen Schwingungen im Reifeninneren gedämpft und eine Veränderung der Wellenlänge bzw. der Amplitude bei sich ausbildenden, stehenden Wellen der Luftsäule erreicht werden.

Nachteilig bei dieser Anordnung ist das insbesondere bei niedrigen Fahrgeschwindigkeiten noch nicht stabile Aufstellen der Klappen sowie die Möglichkeit eines "Flatterns" bzw. einer Körperschwingung in Übergangsgeschwindigkeiten zwischen einer stabilen und einer instabilen Position.

Die DE 30 16 255 A1 zeigt einen gasgefüllten Fahrzeugreifen, bei dem zum Zwecke der Verminderung der Schallabstrahlung mit dem Reifen kraft- und momentschlüssig verbundene Schwingungsabsorber vorgesehen sind, die im Reifeninneren an der Lauffläche oder an den Seitenwänden angeordnet sind. Diese Schwingungsdämpfer können dabei als Dreiecks- oder Kreisprofile, als schlauchförmige Gebilde oder auch als Platten in oder an den Reifenbefestigt sein.

Ein Nachteil solcher Schwingungsdämpfer besteht darin, daß durch die partielle Massebelegung im oder am Reifen Probleme in bezug auf den Rundlauf und auf das Auswuchten des Reifens entstehen können und es bei den bei schnellem Lauf herrschenden großen Fliehkräften innerhalb eines Reifens zu Verformungen und unerwünschten dynamischen Effekten im Betriebszustand kommen kann.

Im JP-Abstract 63-130412, M751 October 11, 1988 VOL 12/NO. 378 wird eine Reifenkonstruktion gezeigt, bei der die Torusschwingungen im Reifeninnenraum durch an der Felge befestigte und in den Reifenraum hineinragende Trennwände gedämpft werden sollen, wobei die Trennwände nicht mit der Reifeninnenwand verbunden sind.

Auch diese Ausbildung zeigt den Nachteil, daß bei den hohen auftretenden Fliehkräften sich die lediglich an der Felge fixierten Trennwände verformen und im Zusammenwirken mit der Reifenverformung im Auflagepunkt die Innenwände berühren können. Darüber hinaus entsteht auch hier durch die Trägheit der nicht mit dem Reifen verbundenen Trennwände bei Beschleunigungs- oder Abbremsvorgängen die Möglichkeit eines "Flatterns" bzw. einer Körperschwingung in Übergangsbereichen zwischen einer stabilen und einer instabilen Position der Trennwände.

Die EP 0 432 079 A2 zeigt einen Schlauch für einen Fahrzeugreifen, der durch mit einseitig wirkenden Ventilen versehene Trennwände in mehrere Kammern unterteilt ist und der das Rückfederungs- bzw. Schwingungsverhalten des Reifens beim Überrollen eines Hindernisses dämpfen soll.

Ein solcher Schlauch stellt ein zusätzliches und kompliziert herzustellendes Bauteil für einen Reifen dar, welches in bezug auf die Schallabsorption Nachteile aufweist, da durch zusätzliche Ventilbewegungen oder Ventilströmungen eher weitere Schallquellen geschaffen werden, deren emittierte Schallschwingungen sich den bereits vorhandenen Torusschwingungen überlagern.

Die DE-OS 23 01 878 zeigt einen allseitig, also auch im Bereich der Felgenauflage geschlossenen Kanalkammerreifen, dessen Innenraum durch Trennwände in einzelne Kammern abgeteilt ist, die jeweils mit einem im Felgenbereich angeordneten Ventil mit einem Ringraum verbunden sind, der wiederum durch ein Hauptventil von außen mit Luft gefüllt werden kann. Durch die einseitig wirkenden und nur ein Einfüllen von Luft in die Kammer erlaubenden Kammerventile soll ein pannensicherer Reifen geschaffen werden, der auch bei Ausfall einer oder mehrerer Luftkammern noch lauffähig ist.

Über die Auswirkungen einer solchen Konstruktion auf die Schallabsorption einer Torusschwingung ist in dem Dokument nichts ausgesagt, wobei sich aber sicher bei der gezeigten Konstruktion dadurch Nachteile ergeben, daß zum einen durch die feste Verbindung der Kammerwände mit den Reifen ein weiteres schwingungsfähiges System geschaffen wird und z. B. auf eine Seitenwand oder auf den Laufstreifen einwirkende Schwingungen in jedem Fall auf die gegenüberliegende Seitenwand bzw. auf die Felgenseite des Reifens übertragen wird, wodurch eine Rückkopplung erfolgt und Resonanzen wahrscheinlich sind. Zudem weist die hier vorliegende allseitig geschlossene Konstruktion des Reifens ein gegenüber herkömmlichen Ausbildungen hohes Gewicht auf, wobei weiterhin die Gefahr besteht, daß es bei hoher Geschwindigkeit aufgrund der wirkenden Fliehkräfte zu einer nach außen gerichteten Einwölbung des auf der Felge aufliegenden Reifenteiles kommen kann, wodurch wiederum die Kammerwände deformiert werden.

Für die Erfindung bestand also die Aufgabe, die Schwingungen der im Reifen befindlichen Luftsäule in allen Fahrzuständen gleichermaßen zu dämpfen bzw. zu absorbieren ohne durch dämpfende Einbauten ein weiteres stark schwingendes System zu schaffen und ohne Fahreigenschaften und Konstruktion von Reifenbauteilen oder Karosserie ungünstig zu beeinflussen.

Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1, wobei die sich gegenüberliegenden Oberflächen zweier benachbarter Reflektoren unterschiedliche Reflektions- oder Absorptionseigenschaften für den auf sie einwirkenden Luftschall aufweisen.

Durch eine solche Unterschiedlichkeit der Reflektions- oder Absorptionseigenschaften gegenüberliegender Oberflächen zweier benachbarter Reflektoren entstehen Laufwegdifferenzen bzw. Phasenunterschiede in den Wellenfronten, wodurch eine Ausbildung von stehenden Wellen erschwert wird.

Vorteilhafterweise sind benachbarte Reflektoren in bezug zur Zenitebene des Luftreifens in unterschiedlicher Weise räumlich geneigt angeordnet. Hierdurch erreicht man selbst bei akustisch "glatter" Oberfläche den bereits geschilderten Effekt der Behinderung einer Ausbildung von stehenden Wellen, da die Wellenfronten in einem Volumen nicht mehr lediglich zwischen den beiden Seitenwänden reflektiert werden, sondern in vielen räumlich geneigten Richtungen verlaufen, wodurch u. a. zum Teil auslöschende Interferenzen erzeugt werden. Unter "räumlicher Neigung" versteht man mindestens eine Neigung in Bezug auf die Zenitebene des Luftreifens. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß die Reflektoren in Bezug auf die Umfangsrichtung schräg gestellt werden, d. h. daß sie die Radachse schneiden. Eine weitere Neigung der Reflektoren, nämlich eine Neigung in Umfangsrichtung, kann zusätzlich überlagert werden, so daß eine sich ausbildende Schwingung nicht nur zwischen den Seitenwänden, sondern durch die Reflektoren auch unter die Lauffläche bzw. auf die Felge und von dort aus weiter in Richtung auf unterschiedliche Bauteile reflektiert wird.

Vorteilhafterweise weisen die gegenüberliegenden Oberflächen eine unterschiedliche Formgebung und/oder Textur auf. Insbesondere bei einer stochastischen Oberflächenstruktur werden die Wellen in Abhängigkeit von der Position entsprechend beliebig in sämtliche Richtungen reflektiert, wodurch die Ausprägung von Schwingungseigenmoden unterdrückt wird.

Eine solche unterschiedliche Formgebung und/oder Textur erreicht man beispielsweise durch eine Strukturierung der Oberfläche mit Erhöhungen und Vertiefungen oder durch das Einmischen von die Oberfläche formenden Materialien, wie etwa Styroporkugeln.

Einen ähnlichen Vorteil erreicht man dadurch, daß benachbarte Reflektoren aus unterschiedlichen Werkstoffen und dadurch unterschiedlich absorbierenden oder reflektierenden Materialien bestehen. Insbesondere bei der Ausbildung von porösen bzw. mit Öffnungen versehenen Absorbern auf der Reflektoroberfläche ist eine zusätzliche Dämpfung dann herbeizuführen, wenn deren Öffnung größer als ¹/₄ der Wellenlänge der eindringenden Frequenz ist, so daß der bekannte Effekt der Lambda/4 oder Helmholzresonatoren ausgenutzt wird. Diese Absorber wirken nicht nur auf die Amplitude der Schallwelle sondern bedingen zusätzlich einen Phasensprung.

Vorteilhafterweise ist der Innenraum des Luftreifens durch mindestens zwei der Reflektoren in zwei getrennte Kammern aufgeteilt, in denen sich gegebenenfalls weitere räumlich geneigte und mit schallabsorbierenden Materialien oder Oberflächenstrukturen versehene Reflektoren befinden. Hierdurch läßt sich eine weitere Schallabsorption durch die im Vergleich zu einer Vollsäule unterschiedlich schwingenden Halbsäulen des Gasraumes erreichen. Im Hinblick auf die Rundlaufeigenschaften ist natürlich bei allen genannten Ausbildungen darauf zu achten, daß Reflektoren paarweise so angeordnet werden, daß die Rotationssymmetrie erhalten bleibt und keine Unwuchten entstehen.

In einer vorteilhaften Ausbildung sind die Reflektoren auf einem auf der Felge aufgezogenen ringförmigen Stützkörper angeordnet. Eine solche Anordnung vermeidet das Anvulkanisieren oder Befestigen der Reflektoren an den Seitenwänden und/oder an der Innenseele und erlaubt die auch nachträgliche Montage in Reifen mit normalen Tiefbettfelgen. Zusätzlich kann der ringförmige Stützkörper auch als Notlaufstützkörper ausgebildet werden und aus ebenfalls schallabsorbierenden Materialien bestehen.

Vorteilhafterweise sind die Reflektoren als Schichtwerkstoffe aus einem schallabsorbierenden flächigen Trägermaterial und mindestens einem mindestens einseitig auf dem Trägermaterial aufgelegten weiteren schallabsorbierenden Material ausgebildet.

Durch eine solche Ausbildung erreicht man eine sehr breitbandige Absorption und im Hinblick auf das subjektive Geräuschempfinden im Fahrgastraum eine deutliche Lärmminderung.

Insbesondere durch die beidseitige Belegung der Trägermaterialien mit unterschiedlichen Absorptionsmaterialien läßt sich auf einfache Weise ein sehr breites Frequenzband im Hinblick auf Absorption beeinflussen. Beim Einwirken einer Luftschallwelle auf den bzw. bei deren Durchgang durch den Reflektor findet bei einem solchen System eine vierfache Reflektion statt, nämlich
eine erste an der Grenzfläche Luft - Absorptionsmaterial 1,
eine zweite an der Grenzfläche Absorptionsmaterial 1 - Trägermaterial,
eine dritte an der Grenzfläche Trägermaterial - Absorptionsfläche 2
sowie eine vierte Reflektion an der Grenzfläche zweites Absorptionsmaterial 2 - Luft.

Hierdurch läßt sich etwa mit dem ersten Absorptionsmaterial in Verbindung mit der Trägerfläche eine deutliche Absorption im Frequenzband von 40 bis 100 Hz durchführen, während in Verbindung mit der Trägerfläche und dem zweiten Absorptionsmaterial eine Absorption im Frequenzbereich von 100 bis 250 Hz verstärkt erfolgt.

Durch eine weitergehende Sandwich-Konstruktion der Reflektoren, etwa dadurch, daß auf beide oder eine Seite(n) des Trägermaterials mehrere Schichten von unterschiedlichem Absorptionsmaterial aufgebracht werden, lassen sich die Anzahl der Grenzflächenreflexionen noch erhöhen und eine gezielte Anpassung der durch die Absorption beeinflußten Frequenzbereich durchführen.

Im Zusammenspiel mit einer Ausbildung, bei der die aufgelegten weiteren schallabsorbierenden Materialien Schall unterschiedlicher Frequenzbereiche absorbieren, ergibt sich die Möglichkeit, die Absorption so einzustellen, daß gerade die im Fahrgastraum als unangenehm empfundenen Frequenzen besonders stark gedämpft werden.

Vorteilhafterweise bestehen die Reflektoren und/oder die Trägermaterialien oder Schichtwerkstoffe aus in ihrer Fläche nebeneinander angeordneten unterschiedlichen schallabsorbierenden Materialien. So besteht etwa ein äußerer Ringflächenbereich eines auf ein Trägermaterial aufgelegten Schichtwerkstoffes aus einem mit bestimmten Absorptionscharakteristiken versehenen ersten Material, während die eingeschlossene Innenscheibe aus einem zweiten absorbierenden Material ausgeführt ist. Hierbei läßt sich das erste absorbierende Material so ausführen, daß durch den äußeren Ring eine mechanische Dämpfung der Schwingungen des Laufstreifens und der Seitenwände erfolgt, während die innere Scheibe verstärkt den einwirkenden Luftschall absorbiert und wiederum den umgebenden Ring dämpft.

Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines mit Reflektoren versehenen Fahrzeugrades,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Zenitebene der Fig. 1.

In der Fig. 1 erkennt man den Reifen 1 mit seiner Lauffläche 2 und den Seitenwänden 3 sowie den mit Wulstkernen versehenen Reifenwülsten 4.

Innerhalb des Reifens 1 sind geräuschmindernde Einbauten (Reflektoren) angeordnet, von denen in der Fig. 1 die Reflektoren 5 und 6 erkennbar sind.

Die Reflektoren bestehen, wie auch in der Fig. 2 gezeigt wird, aus einem Schichtwerkstoff 7, wobei auf einem schallabsorbierenden flächigen Trägermaterial 8 weitere schallabsorbierende Materialien 9 und 10 beidseitig aufgebracht sind. Die beiden schallabsorbierenden Materialien 9 und 10 sind hierbei unterschiedlich so ausgebildet, daß durch das erste schallabsorbierende Material und die dort entstehenden Reflektionen in den Übergangsflächen eine Dämpfung der Frequenzen zwischen 40 und 100 Hz stattfindet, während bei dem zweiten schallabsorbierenden Material 10 und den dort vorhandenen Reflektionsflächen eine Dämpfung im Frequenzband von 100 bis 250 Hz stattfindet.

Die Reflektoren 5 und 6 sind zur Radachse, bzw. zu deren Parallelen in Winkeln 11 und 12 geneigt und besitzen eine zusätzliche räumliche Neigung im Hinblick auf die in der Zenitebene liegenden Radialen 13 und 13', welche durch die ebenfalls in der Zenitebene liegenden Winkel 14 und 15 angegeben ist.

Die Trägermaterialien der Schichtwerkstoffe der Reflektoren sind hierbei an die Lauffläche und an die Seitenwände anvulkanisiert und bestehen aus einem Gummimaterial, welches selbst ebenfalls schallabsorbierend wirkt.

Bezugszeichenliste

1

Reifen

2

Lauffläche

3

Seitenwand

2

Reifenwulst

5

,

6

Reflektor

7

Schichtwerkstoff

8

Trägermaterial

9

,

10

schallabsorbierendes Material

11

,

12

Winkel

13

,

13

'Radiale

14

,

15

Winkel

Claims (9)

1. Fahrzeugrad mit einem auf einer Felge aufgezogenen Luftreifen, welcher einen Laufstreifen, zwei Seitenwände, eine Karkasse, Verstärkungselemente, zwei mit Wulstkernen versehene Reifenwülste, sowie in seinem Innenraum als Reflektoren ausgebildete geräuschmindernde Einbauten aufweist, wobei die Reflektoren flächig ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß sich gegenüberliegende Oberflächen zweier benachbarter Reflektoren unterschiedliche Reflexions- oder Absorptionseigenschaften für den auf sie einwirkenden Luftschall aufweisen.

2. Fahrzeugrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Reflektoren in bezug zur Zenitebene des Luftreifens in unterschiedlicher Weise räumlich geneigt angeordnet sind.

3. Fahrzeugrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegenden Oberflächen eine unterschiedliche Formgebung und/oder Textur aufweisen.

4. Fahrzeugrad nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Reflektoren aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.

5. Fahrzeugrad nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des Luftreifens durch mindestens zwei der Reflektoren in getrennte Kammern aufgeteilt ist.

6. Fahrzeugrad nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoren auf einem auf der Felge aufgezogenen ringförmigen Stützkörper angeordnet sind.

7. Fahrzeugrad nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoren als Schichtwerkstoffe aus einem schallabsorbierenden flächigen Trägermaterial und mindestens einem mindestens einseitig auf dem Trägermaterial aufgelegten weiteren schallabsorbierenden Material ausgebildet sind.

8. Fahrzeugrad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgelegten weiteren schallabsorbierenden Materialien Schall unterschiedlicher Frequenzbereiche absorbieren.

9. Fahrzeugrad nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoren und/oder die Trägermaterialien oder Schichtwerkstoffe aus in ihrer Fläche nebeneinander angeordneten unterschiedlichen schallabsorbierenden Materialien bestehen.