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Verfahren und Einrichtung zum Messen und
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Korrigieren von Fahrzeugreifen-Schwingungen Bei den bisher gebräuchlichen
Verfahren und Einrichtungen zur Beseitigung der in Fahrzeugreifen entstehenden Schwingungen
handelt es sich grundlegend um Abwandlungen von Systemen, die in der Industrie zum
Auswuchten industrieller Bauteile wie Rotoren benutzt werden, um deren Schwingungen
zu beseitigen. Die Begriffe "ausgewuchtet" und "unausgewuchtet" werden volkstümlich
benutzt, um zum Ausdruck zu bringen, ob der Bauteil bei der Drehung frei von Schwingungen
ist oder nicht. In diesem Zusammenhang bedeutet der Begriff "ausgewuchtet
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einen Zustand, in dem der Rotor oder dergleichen Bauteil um seine Hauptachse rotiert,
die mit dem Traglager zusammenfällt.
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Bei einem Rotor treten, unabhängig von seiner Anordnung die Unwuchtkräfte
immer einmal pro Umdrehung auf, woraus sich die grundlegende Frequenz des umlaufenden
Drehkörpers ergibt. Bei langen flexiblen Drehkörpern erfolgt das Auswuchten in mehreren
Ebenen entlang der Drehkörperachse. In allen Fällen fällt jedoch die Hauptdrehachse
des Drehkörpers, wenn dieser einmal ausgewuchtet ist, mit seinen Lagern zusammen.
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Das Auswuchten kann vollständig ausgeführt werden, wenn ein Drehkörper
wirklich eine homogene, unflexible Masse darstellt und ständig in Lagern sitzt,
die sowohl beim Auswuchten als auch beim tatsächlichen Gebrauch einen freien Rotationsraum
ermöglichen.
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Ein Gummireifen ist, obwohl er eine geometrisch runde Form haben sollte,
andererseits während des Gebrauchs unrund, da er nicht frei im Raum rotiert. Vielmehr
muß ein Reifen einen Teil wenigstens der Gewichtsbelastung des Fahrzeugs aufnehmen,
so daß er, weil er die Belastung radial trägt, vertikal mit dem Fahruntergrund in
Kontakt steht. Im Gegensatz zu einem wirklich eine feste Masse bildenden Drehkörper
ist ein Reifen flexibel und dehnt sich im Gebrauch aus bzw. zieht sich im Gebrauch
zusammen. Der Reifenradius im Bereich der vertikalen Berührung mit dem Fahruntergrund
ist infolge der aufzunehmenden Belastung stets kleiner als in jedem anderen Reifen-Winkelbereich.
Der mit dem Fahruntergrund in Berührung stehende Reifenbereich ist als Reirenfleck
bekannt, wobei dieser Bereich vertikal belastet wird (er wird auch als belasteter
Radius" bezeichnet) und in dem Bodenberührungsbereich im aufgepumpten Zustand und
unter normaler Belastung zwischen 6,4 mm und 12,7 mm (1/4 - 1/2 inch) eingedrückt
wird. Daraus folgt, daß beim Drehen des Reifens um
die Fahrzeug-Radachse
und die den Reifen ebenfalls tragenden Radlager die körperliche Raummitte des Reifens
nicht mit der Hauptlagerachse zusammenfällt, da der Reifen ständig den Radradius
ändert. Dieser Zustand führt zu einer ständigen Änderung des dynamischen Ungleichgewichts,
die direkt abhängig ist von der Geschwindigkeit (Umdrehungen/min).
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Beim Umlaufen eines Reifens werden Zentrifugalkräfte erzeugt, die
mit der Steigerung der Geschwindigkeit übermäßig ansteigen; mit der Erhöhung der
Zentrifugalkräfte wiederum dehnt sich die Lauffläche des Reifens allmählich aus
- sie wächst buchstäblich - und verhärtet sich außerdem auf Grund der auswärts gerichteten
Zentrifugalkräfte, die auf das Laufflächengumme wie auch auf das Reifengewebe oder
andere in die Reifenlauffläche eingefügte Verstärkungen einwirken. Beim Zunehmen
des Durchmessers der Reifenlauffläche wird das gesamte Gefüge steifer, wodurch die
Größe des Reifenauflageflecks verringert wird, entlang dem auch eine Verringerung
der Seitenwandausbauchung eintritt, was zu einer Vergrößerung des belasteten Reifenradius
führt, die im Sinne einer Anhebung des Fahrzeugs wirkt. Hinzu kommt eine große Anzahl
variabler Größen, die in den Reifenaufbau eingehen, einschließlich durch die verschiedenen
Verbindungsstellen verursachte Abweichungen, Abweichungen in den Materialien aus
denen der Reifen hergestellt ist, Abweichungen in dessen Zusammensetzung, Dimensionsunregelmäßigkeiten
und Ungenauigkeiten sowohl bei der Reifenherstellungsausrüstung als auch beim Vulkanisieren,
sowie natürlich auch menschliche Irrtümer. Als Ergebnis dieser veränderlichen Größen
entstehen zufällig verteilte, eine Vibration erzeugende Kräfte, die durch die Radnaben
und Radachsen auf das Fahrzeug übertragen werden. Diese Vibration erzeugenden Kräfte
offenbaren sich selbst als sich über den Reifenumfang erstreckende, unrunde Bereiche
(Ungleichmäßigkeiten). Diese Ungleichmäßigkeiten verändern sich sowohl hinsichtlich
ihrer Lage als auch hinsichtlich
ihrer Größe in Abhängigkeit von
der Geschwindigkeit, wobei die besonders interessierende Geschwindigkeit die Reisegeschwindigkeit
ist, bei der das Fahrzeug normalerweise betrieben wird. Bei Reisegeschwindigkeiten
ist die Elastizität des Reifens wesentlich verringert, wodurch die Steifigkeit der
Unrundbereiche bei ihrem Abrollen auf der Fahrbahn noch verstärkt wird. Da die Größe
der Bodenberührungsfläche des Reifens auch verringert wird, wird die spezifische
Belastung größer, wodurch die Reaktion zwischen den Ungleichförmigkeiten und der
Bodenlauffläche erhöht wird.
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Diese Reaktion führt zu einem sich schnell ändernden Belastungsradius,
der eine komplexe Auf- und Abwärtsbewegung der Radnabe und der Radachse bei jeder
Reifenumdrehung erzeugt, wenn die Ungleichförmigkeiten in Berührung mit der Bodenfläche
gelangen und diese Bewegungen als Schwingungen auf das Fahrzeug übertragen werden.
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Obzwar die Begriffe ausgewuchtet und unausgewuchtet ebenfalls auf
dem Fachgebiet der Reifenherstellung und der Reifenausbesserung in großem Umfang
benutzt werden, sind diese irreführend und generell nur für einen kleinen Bereich
der Vibration erzeugenden Kräfte passend, die gewöhnlich auf die Kräfte beschränkt
sind, die durch mangelnde Reifensymmetrie erzeugt werden und nur einmal pro Reifenumdrehung
auftreten, sowie in der Größe in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit veränderlich
sind. Es kann klar festgestellt werden, daß alle Reifen, die den Reifenhersteller
verlassen, sich total in einem selbsterregenden Zustand befinden, d.h., daß sie
beim Gebrauch nicht frei von Schwingungen sind. Selbst wenn von dem Automobilhersteller,
dem Händler oder dem Reifenbenutzer verschiedene "Auswucht"-Arbeiten vorgenommen
wurden, die die "Auswuchtung" verbessern, sind auch diese korrigierten Reifen nicht
frei von Kräften, die Schwingungen verursachen und die entweder bei der Grundfrequenz
oder bei einer Frequenz höherer Größenordnung zentrifugal erzeugt werden.
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Zwar umfassen einige bekannte Verfahren das Abziehen des
Außenumfangs
(Lauffläche) des Reifens zur Verbesserung seiner Rundheit und Konzentrizität, jedoch
werden dabei die abzuziehenden Bereiche der Lauffläche unter im wesentlichen statischen
Bedingungen bestimmt, üblicherweise ohne eine Belastung zur Simulation der Gewichtsbelastung
des Reifens während des Gebrauchs. Selbst bei bekannten Systemen, bei denen der
Reifen belastet und mit Geschwindigkeiten gedreht wird, die etwa zwischen 1,6 km/h
und 8 km/h (1-5 miles/h ) liegen, ist die bei diesen niedrigen Geschwindigkeiten,
wenn überhaupt, erzeugte körperliche Exzentrizität sehr unterschiedlich gegenüber
der zentrifugal erzeugten Exzentrizität bei der 1Drehung des Reifens unter tatsächlichen
Umweltbedingungen, d.h. unter Belastung und bei Reisegeschwindigkeit.
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Es genügt zu sagen, daß die bisherigen Überlegungen, obwohl sie die
Existenz seitlicher und radialer Kraft änderungen beim Drehen eines Reifens im freien
Raum und die Zweckmäßigkeit einer Kompensierung dieser Änderungen anerkennen, beim
Verständnis der tatsächlichen Wesensart der zentrifugal erzeugten Kräfte und ihre
Auswirkungen auf die Reifenarbeitsweise vollständig fehlgehen und kaum weniger im
Hinblick darauf,wie der Reifen wirksam zu korrigieren ist, um diese Kräfte auf eine
annehmbare niedrige Größenordnung zu reduzieren. Die in den Reifen bei verh nismäRig
niedrigen Geschwindigkeiten, beispielsweise bei oder sogar bei 100 U/min entwickelten
Zentrifugalkräfts sind normalerweise vernachlässigbar und haben weder reale Auswirkungen
auf die Ungleichförmigkeit des Reifens noch auf eine dynamische Unwucht. Die Schwingungen
erzeugenden Kräfte, die das wirkliche Problem darstellen, sind Kräfte, die bei verhältnismäßig
hohen Geschwindigkeiten, normalerweise bei der Reisegeschwindigkeit auftreten, diese
Kräfte sind jedoch bisher ganz vernachlässigt worden.
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Es sind Systeme bekannt, bei denen das "Auswuchten" durch die Anbringung
von Gewichten an dem Radrand oder durch die Anbringung von Ausgleichsgewichten an
dem Reifen selbst erfolgt.
Bei einigen Systemen werden die Gewichte
an der Innenseite, bei anderen Systemen an der Außenseite des Reifens angefügt.
Bei einem System wird das Gewicht innen über den gesamten Scheitel des Reifens angebracht
und dann, falls notwendig, entfernt. In allen Augenblicken wird die erreichte Korrektur
jedoch nicht von den realistischen Änderungen der Reifenform bestimmt, die durch
hohe Winkel-Zentrifugalkräfte entstehen; die Korrektur wird vielmehr durch diejenigen
Kräfte bestimmt, die auftreten, wenn der Reifen sich in einem stastischen oder beinahe
statischen Zustand befindet. Es ist zusätzlich festzustellen, daß bei der Anbringung
des Gewichtes auf der Innenseite des Reifenscheitels die die Reifenwirkungsweise
bestimmenden Eigenschaften verändert werden. Beim Abtragen von Material vom Umfang
des Reifens, bei dem dieser sich in einem statischen oder beinahme statischen Zustand
befindet, verändert sich die Lage und die Größe der erzeugten Kräfte mit der Änderung
der Geschwindigkeit; daraus folgt auch, daß die Hinzufügung oder das Wegnehmen von
Material aus dem Scheitelbereich des Reifens die Schwingungen eher verschlimmern
als verbessern kann, sobald der Reifen bei Reisegeschwindigkeit Verwendung findet.
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Zum Ausgleich von Umfangs-Ungleichmäßigkeiten und mangelhafter Symmetrie
des Reifens ist es wichtig, die die Schwingungen erzeugenden Kräfte zu lokalisieren
und zu messen, wie auch zu unterdrücken. In dieser Hinsicht verwendet die vorliegende
Erfindung das in der US-Patentschrift 3 862 570 offenbarte System. Mit der in dieser
Patentschrift offenbarten Lösung werden sowohl die dynamischen unsymmetrischen Kräfte
als auch die zentrifugal erzeugten Kräfte, die durch die radial belasteten Umfangs-Ungleichmäßigkeiten
entstehen, gleichzeitig gemessen und aufgezeichnet, so daß geeignete Korrekturmaßnahmen
ergriffen werden können.
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Die vor#liegende Erfindung betrifft ein System und Verfahren zur Reifenkorrektur
sowohl im Hinblick auf eine mangelhafte Symmetrie als auch im Hinblick auf die durch
dynamische Ungleichförmigkeiten erzeugte Vibrationen, die zentrifugal in dem Reifen
erzeugt werden, wenn dieser unter Belastung und bei Reisegeschwindigkeit benutzt
wird.
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Das Meßsystem entsprechend der US-Patentschrift 3 862 570 wird zur
gleichzeitigen und unabhängigen Bestimmung sowohl der Größe als auch der Lage aller
Vibrationen erzeugenden Kräfte bei simulierten Belastungs- und Reisegeschwindigkeitsbedingungen
benutzt. Die dynamischen, unsymmetrischen Kräfte, seien sie Radialkräfte oder Seitenkräfte,
erzeugen ein grundlegendes Frequenzsignal bei jeder Umdrehung des Reifens unabhängig
von der Reifengeschwindigkeit, während die als Ergebnis der zentrifugal verstärkten
Umfangs-Ungleichmäßigkeiten entstehenden Signale hinsichtlich ihrer Frequenz und
ihrer Verteilung über den Reifenumfang in Abhängigkeit von dessen Geschwindigkeit
geändert werden. Zur Messung der erzeugten Kräfte werden zwei Gruppen von Fühlern
verwendet, von denen die erste Gruppe zur Messung und Lokalisierung von Umfangs-Ungleichmäßigkeiten
angeordnet ist, während die zweite Gruppe zur Messung und Lokalisierung unsymmetrischer
Kräfte auf gegenüberliegenden Seiten des Reifens positioniert ist. Alle von den
erzeugten Kräften ausgehenden Signale werden einem Allzweck-Digitalrechner zugeleitet,
in dem sie registriert und gespeichert werden. Der Rechner wiederum steuert die
Arbeit der Korrektureinrichtung,.die, abhängig von den erfaßten Daten, auf den Reifen
einwirkt.
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Der Reifen wird in zwei Stadien korrigiert, wobei das erste Korrekturstadium
das Abziehen des Außenumfangs des Reifens durch eine oder mehrere Hon- oder Schleifvorrichtungen
umfaßt, die von der Reifenlauffläche Gummiwin Größenordnungen und an den Stellen
entfernt, durch die die zentrifugal erzeugten Ungleichförmigkeiten eine annehmbare
niedrige Größenordnung
erreichen, vorzugsweise eine Größenordnung,
in der die erzeugten Kräfte tatsächlich gleich Null sind.
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Nachdem der Reifen zuerst durch Verringerung oder die vollständige
Ausschaltung zentrifugal erzeugter Ungleichförmigkeiten korrigiert worden ist, wird
er dann einem zweiten Korrekturvorgang unterworfen, bei dem Gewicht auf gegenüberliegenden
Reifenseiten an den Stellen und in den Größenordnungen angefügt werden, die zum
Ausgleich der dynamischen.
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Unwuchtkräfte nötig sind, die durch das Meßsystem erfaßt und lokalisiert
werden. Dies erfolgt vorzugsweise durch das Anheften bzw. Ankleben eines Paars kreisförmiger
Gummiringe an den Innenseiten der Reifenwülste vor der Untersuchung - üblicherweise
im Rahmen der Reifenherstellung - , während im zweiten Abschnitt des Korrekturverfahrens
Teile dieser Gummiringe mit Ausnahme der Stellen und der Größenordnungen entfernt
werden, die zum Auswuchten des Reifens erforderlich sind, so daß er beim Betrieb
mit Reisegeschwindigkeit symmetrisch (dynamisch ausgeglichen) ist. Die Entfernung
der festgelegten Abschnitte des Gummirings erfolgt durch eine Hon- oder Schneidvorrichtung
in der zweiten Stufe, die mit einem hin- und herschwingenden Reifengestell zusammenwirkt,
wobei das Reifengestell dazu dient, die bestimmten Bereiche der Ringe in Berührung
mit der Honvorrichtung zu bringen.
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Die Bereiche der Gummiringe, die nach dem zweiten Abziehvorgang zurückbleiben,
sind diejenigen Teile, die zum dynamischen Auswuchten des Reifens erforderlich sind,
damit sowohl radiale als auch seitlich gerichtete, durch eine mangelhafte Reifensymmetrie
entstehende Schwingungen ausgeglichen werden. Die Abziehvorrichtung für den zweiten
Abziehvorgang wird zusammen mit dem hin- und hergehenden Reifenhalter durch den
Rechner in Abhängigkeit von den dort gespeicherten, die fehlende Symmetrie anzeigenden
Signalen gesteuert. Alternativ können auch die den Ort und die Größe der Unsymmetrie-Kräfte
anzeigenden Signale zur Anfügung von Auswuchtgewichten an
den dafür
geeigneten Stellen auf den Innenflächen der Reifenwülste oder den benachbarten Seitenwandbereichen
des Reifens benutzt werden, beispielsweise durch das Anheften von Streifen oder
Flecken aus Gummimaterial des erforderlichen Gewichts und der erforderlichen Länge
an den dazu geeigneten Reifenstellen.
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Ein wesentliches Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung
eines neuen Reifenschwingungs-Korrekturverfahrens, mit dem alle Arten von Schwingungen
ausgleichbar sind, die bei dtr Verwendung mit Autostraßen-Reisegeschwindigkeiten
in dem Reifen entstehen.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines
neuen Reifen-Korrekturverfahrens, das einen gleichmäßigen tragenden Radius (belasteten
Radius) sicherstellt, der zwischen der Drehachse des Reifens und dem Bodenberührungsfleck
des Reifens bei Reisegeschwindigkeit aufrecht erhalten wird.
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Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines
neuen Reifenschwingungs-Korrekturverfahrens, bei dem ein Auswuchtmaterial, vorzugsweise
Gummi, an die Innenfläche der Seitenwände des Reifens selbst oder in unmittelbarer
Nähe der Reifenwülste angefügt oder abgenommen wird.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines
neuen Reifenschwingungs-Korrektursystems, das das Meßsystem nach der US-Patentschrift
3 862 570 verwendet und die Korrektur des Reifens sowohl im Hinblick auf die zentrifugal
erzeugten Ungleichförmigkeiten als auch im Hinblick auf das Fehlen der Symmetrie
umfaßt, wie sie durch das Meßsystem erfaßt und bestimmt werden.
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Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist schließlich
die
Korrektur eines Reifens in einem zweistufigen Korrekturverfahren, wobei die erste
Korrekturstufe das Abziehen des Umfangs des Reifens bei Reisegeschwindigkeit zur
wirksamen Ausschaltung zentrifugal erzeugter Ungleichförmigkeiten umfaßte während
die zweite Stufe des Verfahrens die wirksame Anfügung von Gewichten auf der Innenseite
der Seitenwände in einer Weise umfaßt, durch die Symmetriefehler des Reifens ausgeglichen
werden, ohne daß dabei in irgendeiner Hinsicht die zuvor im Außenumfang korrigierten
Arbeitseigenschaften des Reifens nachteilig berührt werden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung der in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsform.
Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Diagrammdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, Fig. 2 den Querschnitt eines charakteristischen Reifens
mit auf der Innenseite der Reifenwülste befestigten Auswucht-Gummiringen, Fig. 3
eine schaubildliche Teildarstellung des Reifens gemäß Fig. 2, Fig. 4 eine schematische,
geschnittene Reifenansicht mit Darstellung der Reifenschwingungen zum Abtragen der
Reifen-Ausgleichsringe.
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Wie zunächst die Fig. 1 der Zeichnung zeigt, umfaßt das erfindungsgemäße
System und das erfindungsgemäße Verfahren die Ausbildung eines tragenden Basisteils
10 mit einem Paar steifer, aufrechter Rahmenteile 11, 12, die Lagerböcke 13, 14
halten, in denen die Achse 15 drehbar gelagert ist. Auf der Achse ist ein Testrad
16 befestigt, auf dem der zu korrigierende
Reifen 17, der mit
normalem Druck aufgepumpt ist, angeordnet ist. Die Rahmenteile 11, 12 tragen eine
weitere Welle 18, die drehbar in den Lagerböcken 19 und 20 gelagert und durch eine
Antriebseinrichtung 21 über eine geeignete elastische Kupplung 22 antreibbar ist,
die ein Universalgelenk umfassen kann. Die Welle 18 treibt eine Straßen-Simulationstrommel
23, die so angeordnet ist, daß sie den Reifen 17 berührt und antreibt.
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Zum gemeinsamen Anheben und Absenken der Lagerböcke 19, 20 und der
Antriebswelle 18 sind Hubeinrichtungen 24 und 25 vorgesehen, die Doppelschraubenelemente
oder auch hydraulische bzw. pneumatische Hubelemente umfassen können, und mit denen
die Trommel 23 an den Reifen 17 angedrückt werden kann, um dadurch die Gewicbtsbelastungen
zu simulieren, die unter normalen Betriebsbedingungen vom Reifen aufgenommen werden
mdssen. Bis dahin liegen die Achsen 15 und 18 parallel zueinander und in einer gemeinsamen
vertikalen Ebene. Es ist außerdem hinzuzufügen, daß die Antriebseinrichtung 21 mit
einer ausreichenden Kapazität zur Rotation der Trommel 23 und damit des Reifens
17 mit eine Geschwindigkeit ausgelegt ist, die Reisegeschwindigkeiten zwischen 80
km/h und 145 km/h (50 bis 90 miles/h) unter Last entsprechen.
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Zwischen den Lagerböcken 19 und 20 und den darunterliegenden Hubeinrichtungen
24 bzw. 25 sind die Fühler 26 und 27 angebracht. Die Fühler 26 und 27 liegen damit
unter der Achse 18 in einer vertikalen Ebene, die durch eine Rotationsachse verläuft,
wobei sie in dieser Position der Messung der durch den Reifen erzeugten dynamischen
Zentrifugalkräfte dienen, die ein Indikator, für Umfangs-Ungleichmäßigkeiten sind,
die unbeeinflußt durch Kräfte sind, welche sich aus dem dymamischen Ungleichgewicht
ergeben. Die Fühler 26 und 27 weisen vorzugsweise piezoelektrische Quarzkristalle
auf, die ohne Zerstörungsgefahr große Kräfte aufnehmen können.
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Es ist in diesem Zusammenhang hinzuzufügen, daß bei der Aufbringung
einer Belastung auf den zu korrigierenden Reifen durch die Hubeinrichtungen 24 und
25 eine Augenblickskraft auf die Fühler 26 und 27 aufgebracht wird, diese jedoch
bei einmal aufgebrachter und festgelegter Kraft unmittelbar in die Nullanzeigeposition
zurückkehren, woraufhin sie dann lediglich noch auf die dynamischen Kräfte reagieren,
die durch Ungleichförmigkeiten in dem Bereich des Reifens erzeugt werden, der in
Berührung mit der Trommel steht.
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Beim Drehen des Reifens messen die Fühler 26 und 27 kontinuierlich
die durch die Umfangsungleichmäßigkeiten erzeugten Kräfte über die volle Breite
der Lauffläche und den vollen 36o0-Umfang des Reifens. Die Fühler 26 und 27 erzeugen
dabei Kraftsignale, die die Größe und die Lokalisierung der erzeugten Kräfte anzeigen
und die dann dem Rechner 28 zugeführt werden.
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Der Rechner ist ein Allzweck-Digitalrechner, der so programmiert ist,
daß er die Reifenbereiche bestimmen kann, in denen die Schwingungen erzeugenden
Kräfte auftreten, wie auch die Gummimenge, die von dem Außenumfang des Reifens entfernt
werden muß, damit die die Kräfte erzeugenden Ungleichförmigkeiten auf wenigstens
eine akzeptable niedrige Größenordnung reduziert werden.
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Das Abziehen des Reifenumfangs erfolgt durch eine Honvorrichtung 29,
die eine Reifenschleifscheibe bekannter Konstruktion umfassen kann. Der über die
Steuereinrichtung 30 und die Antriebseinrichtung 31 wirkende Rechner steuert einen
beweglichen Schlitten 32 in die Ausgangsposition der Abziehvorrichtung 29 dicht
an den Reifenumfang, jedoch ohne Kontakt mit der am weitesten vorstehenden Ungleichmäßigkeit
des Reifens. In der Praxis wird die Abziehvorrichtung 29 durch den Schlitten 32
in eine Position gebracht, in der sie etwa 0,5 mm (.020 inches) von dem am weitesten
vorspringenden
Punkt liegt. Die Steuereinrichtung 30 dient weiterhin
der Betätigung eines Absperrorgans 33> das in dem Schlitten 32 angeordnet und
mit der Honvorrichtung 29 betriebswirksam verbunden ist, wobei es eine düsenartige
Bewegung ausführt, mit der die Honvorrichtung in einen Arbeitsangriff an dem Reifen
17 bzw. aus dem Arbeitsangriff von dem Reifen 17 weg bewegt wird.
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Die die Lokalisierung und Größe der Ungleichmäßigkeiten betreffende,
erfaßte Information wird durch den Rechner in Korrektursignale umgewandelt, die
durch ihre Weiterleitung an die Steuervorrichtung augenblicklich das Absperrorgan
33 betätigen und dadurch die Honvorrichtung genau an der Stelle der zu korrigierenden
Ungleichmäßigkeit in Anlage an den Reifen zu bringen, wobei diese Einwirkung auf
den Reifen bei so vielen Reifenumdrehungen wiederholt wird, wie erforderlich ist,
um die Ungleichmäßigkeit wirksam zu entfernen.
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Es versteht sich, daß bei der Erfassung vieler Ungleichmäßigkeiten
jede einzelne Ungleichmäßigkeit einem getrennten Honvorgang ausgesetzt wird. Obzwar
bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform nur eine einzige Honvorrichtung
29 gezeigt ist, versteht es sich doch, daß auch eine Mehrzahl von Honvorrichtungen
in Abständen um den Umfang und über die Laufflächenbreite des Reifens angeordnet
sein können, so daß mehrere Honvorgänge in verschiedenen Bereichen des Reifens während
eines Honzyklus gleichzeitig ausführbar sind.
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Es ist darauf hinzuweisen, daß es keine einheitlichen Standards für
die Reifenabnahme gibt. Die Standards variieren von Hersteller zu Hersteller und
sind dauernden Änderungen unterworfen. Eine typische Eignungsgrenze für die Konzentrizität
liegt bei 1,016 mm (.o40 inches bei der unrealistischen Fahrgeschwindigkeit zwischen
von 1,6 km/h bis 8 km/h ( 1 bis 5 miles/h). D.h. mit anderen Worten, daß bei den
geläufigen
Handelsstandards ein Reifen annehmbar beurteilt wird,
wenn seine Umfangsexzentrizitäten unter nahezu statischen Bedingungen 1,oil6 mm
(.o40 inches) nicht übersteigen. Es ist in diesem Zusammenhang festzustellen, daß
eine Exzentrizität an einem Reifen von 0,025 mm (.ool inches) bei der Reifenumdrehung
mit einer Geschwindigkeit von 97 km/h (60 miles/h) eine Kraft von o,6 kg (1,4 lbs)
erzeugt, was bedeutet, daß eine Exzentrizität von 1,oil6 mm (.ovo inches) eine Schwingungen
erzeugende Kraft in Höhe von 29 kg (64 lbs) erzeugt.
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Wenn man weiter berücksichtigt, daß eine Umfangsexzentrizität eines
Reifens von 1,oil6 mm (.ovo inches) bei einer Reifengeschwindigkeit von 1,6 km/h
bis 8 km/h (1 bis 5 miles/h) gegenüber einer Geschwindigkeit von 97 km/h (60 miles/h)
wesentlich vergrößert wird, wird die Größe der Schwingungen erzeugenden Kräfte,
die in den nach herkömmlichen Maßstäben ausgewuchteten Reifen auftreten, deutlich.
Man sollte sich dabei jedoch klar machen, daß keine direkte Beziehung zwischen einem
Mangel an Konzentrizität der ersten Ordnung, wie sie bei niedrigen Geschwindigkeiten
auftritt, und den zentrifugal erzeugten Ungleichmäßigkeiten, wie sie bei hohen Geschwindigkeiten
auftreten, bestehen; diese Ungleichmäßigkeiten treten nicht notwendigerweise an
denselben Stellen oder in derselben Größe auf, sie können in Abhängigkeit von der
Geschwindigkeit entweder größer oder kleiner werden. Die dargestellten Beispiele
dienen dabei nur der Veranschaulichung des Problems.
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Wenn die zu korrigierenden Ungleichmäßigkeiten diejenigen Ungleichmäßigkeiten
sind, die bei Reisegeschwindigkeiten auftreten, muß das korrigierende Abziehen des
Reifens auch bei der Reisegeschwindigkeit erfolgen, für die der Reifen korrigiert
wird, sei es bei 80 km/h, 97 km/h oder 145 km/h (50, 60 oder 9o miles/h). Das Abziehen
des Reifens bei diesen hohen Geschwindigkeiten erfordert eine extrem schnelle Bewegung
der Abziehvorrichtung. So rotiert ein Reifen mit einer Standardgröße bei einer Geschwindigkeit
von 97 km/h (60 miles/h)
mit etwa 12 Umdrehungen/sec. Damit die
Honvorrichtung einmal pro Umdrehung in Anlage an den Reifen bzw. von dem Reifen
weg bewegt werden kann, ist ein System erfcrderlich, das etwa 24 mal pro Sekunde
(12mal hin, 12 mal her pro Reifenumdrehung) bewegbar ist. Es sind Absperrorgan-Systeme
entwickelt worden, die im Rahmen der genannten Parameter arbeiten können und dadurch
zur Auslösung der erforderlichen Bewegung der Honvorrichtung 29 brauchbar sind.
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Beim Abziehen des Reifenumfangs mißt ein zweiter Fühlersatz 34 und
35 die fehlende Reifensymmetrie, wobei dieser Fühlersatz mit den die Radachse 15
tragenden Lagerböcken 13 und 14 betriebswirksam verbunden ist. Die Fühler 34 und
35 können ebenfalls piezoelektrische Kristalle aufweisen und sind im rechten Winkel
gegenüber den Fühlern 26 und 27 angeordnet.
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Das bedeutet, daß die Fühler 34 und 35 auf einer Seite der Achse 15
angeordnet sind und dabei in einer horizontalen Ebene liegen, die durch die Drehachse
der Radachse verläuft und in der sie in Berührung mit den gegenüberliegenden Achsenden
sind, während die Fühler 26 und 27 darunterliegen und mit den entgegengesetzten
Enden der Achse 18 in einer vertikalen Ebene (über die zugeordneten Lagerböcke)
in Verbindung stehen. In dieser Position erfassen die Fühler 34 und 35 eine fehlende
Symmetrie (dynamische Unwucht) auf beiden Seiten des Reifens, d.h. auf dessen rechter
und dessen linker Seite.
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Es ist dazu darauf hinzuweisen, daß die Reifen aus einemStreifenmaterial
hergestellt sind und der Symmetriefehler sich auf jeder Reifenseite verändern kann
und zwar oft bei verschiedenen Winkellagen.Es wurde festgestellt, daß diese Schwingungen
in zwei Ebenen auftreten, die als "Paar" bekannt sind, wobei sie sowohl radiale
als auch seitliche Schwingungen bilden . Die auf der Innenseite einer jeden Reifenseitenwand
im Bereich der Reifenwülste, d.h. an den Wülsten selbst oder in benachbarten Seitenwandbereichen
angefügten Gewichte sorgen für eine Korrektur der Schwingungen
in
jeder Ebene des Paares, wobei man sich in Erinnerung rufen muß, daß die unsymmetrischen
Kräfte mit einer.
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Grundfrequenz von einer Schwingung pro Reifenumdrehung unabhängig
von der Reifengeschwindigkeit auftreten.
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Die durch die Fühler 34 und 35 erzeugten Kraft signale werden ebenfalls
dem Rechner 26 zugeleitet, von dem sie erfaßt und gespeichert werden. Diese gespeicherte
Information wird zur Steuerung der Korrekturvorgänge des zweiten Korrekturstadiums
verwendet, diebe einer bevorzugten Ausführungsform das Abtragen Von Teilen eines
Gummiringes umfassen, der auf der Innenseite des Reifens im Bereich der Reifenwülste
angebracht ist.
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Wie die Fig. 2 und 3 zeigen, werden dazu kreisförmige Gummiringe 36
und 37 auf die Innenflächen der konventionellen Wülste 38 bzw. 39 des Reifens 17
aufgebracht. Die Reifenwülste sind diejenigen Reifenbereiche, die mit dem Rand des
Rades in Berührung kommen, auf das der Reifen aufgezogen wird. Bei schlauchlosen
Reifen sind die Reifenwülste so gestaltet, daß sie sich dem Radrand luftdicht anlegen.
Die Gummiringe 36 und 37 können dem Reifen bei seiner Herstellung einstückig angeformt
sein oder aus getrennt hergestellten Gummiringen oder Gummistreifen bestehen, die
auf eine konventionelle Reifenkarkasse aufvulkanisiert oder anderweitig dauerhaft
befestigt werden.
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Die Hinzufügung eines Gewichtes in Form von'Gummiringen oder Gummistreifen
auf die Innenseite der Reifenwülste bzw. die benachbarten Innenwandbereiche der
Seitenwände beeinflußt in keiner Weise die Eigenschaften der Reifenwulste bei dynamischen
Betriebsbedingungen; das deshalb nicht, weil das hinzugefügte, vom Reifenumfang
entfernt liegende Gewicht nicht an der Anderung der zentrifugal erzeugten Ungleichmäßigkeiten
mitwirkt
, die dem Reifen herstellungsbedingt innewohnen. Die zugefügten Gewichte bewirken
nur eine Reifensymmetrie, wobei sie, wenn sie genau abgezogen bzw. abgetragen sind,
einem wirkungsvollen Ausgleich der in dem Reifen vorhandenen unsymmetrischen Kräfte
dienen. Es versteht sich, daß die Größe und das Gewicht der kreisförmigen Ringe
anfangs proportional der Größe und dem Gewicht des Reifens ist; allgemein ausgedrückt
heißt das, daß die Gummiringe umso größer und schwerer sind, je größer und schwerer
der Reifen ist.
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Sobald die Abzieharbeit des ersten Stadiums abgeschlossen ist, wird
der Reifen vorzugsweise von dem Rad 16 abgenommen und auf eine zweite Korrekturvorrichtung
übertragen, auf der dann der Korrekturvorgang des zweiten Korrekturstadiums ausgeführt
wird. Ehe der Reifen jedoch von dem Rad 16 entfernt wird, erfolgt seine Markierung,
so daß er bei seiner Positionierung in der zweiten Korrekturvorrichtung exakt ausgerichtet
werden kann und dort genau die gleiche Relativlage einnimmt wie auf dem Rad 16,
wodurch er in der ausgerichteten Position in Abhängigkeit von den im Rechner gespeicherten,
den Mangel an Symmetrie betreffenden, durch die Fühler 34 und 35 gemessenen Daten
ausgeglichen wird.
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Die Korrekturvorrichtung für das zweite Korrekturstadium, die ebenfalls
in Fig. 1 dargestellt ist, umfaßt einen Träger 40, in dem der Reifen 17 angeordnet
ist, zusammen mit einer Honvorrichtung 41, die durch Einrichtungen auf einem Schlitten
42 angeordnet ist, durch die dieHonvorrichtung 41 wahlweise in Anlage an jeden der
Gummiringe 36 bzw. 37 und von diesen Gummiringen weg bewegbar ist. Die Honvorrichtung
41 wird durch den Schlitten 42 in Anlage an den abzuziehenden Gummiring durch eine
Steuervorrichtung 43 gebracht, die Korrektursignale von dem Rechner 28 aufnimmt,
die auf den gespeicherten, den Mangel an
Reifensymmetrie betreffenden
Daten basieren. Der Träger 40 ist derart angeordnet, daß er gegenüber der Honvorrichtung
41 eine Oszillationsbewegung ausführen kann, wozu er durch einen Oszillator 44 in
Abhängigkeit von Korrektursignalen bewegbar ist, die vom Rechner 28 der Steuereinrichtung
45 zugeleitet werden, der wiederum über den Oszillator 44 die Oszillationsbewegung
des Trägers 40 steuert.
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Der Reifen 17 wird in dem Träger 40 so angeordnet, daß die vor der
Abnahme des Reifens von dem Rad 16 auf ihm angebrachte Markierung genau zur Deckung
mit einem Bezugspunkt auf den Träger gelangt, wodurch der Reifen in der gleichen
Relativlage positioniert wird, wie er sie auf dem Rad 16 eingenommen hat. Der Reifen
ist dadurch in Bezug auf die Korrektursignale eingestellt, die von dem Rechner 28
kommen und auf den gespeicherten Daten basieren, die die Größe und die Lokalisierung
der durch den Mangel an Reifensymmetrie erzeugten Kräfte betreffen. Sobald der Reifen
auf dem Träger 40 genau positioniert ist, wird die Honvorrichtung 41 in eine Lage
gebracht, in der sie in Anlage an einen der Gummiringe an dem Ungleichgewichtspunkt
auf der Seite des Reifens gebracht, auf der der abzuziehende Ring angebracht ist.
Der Ungleichgewichtspunkt wird durch den Rechner in Abhängigkeit von den durch die
Fühler 34 und 35 gelieferten Daten bestimmt, wobei er den sich ergebendenmittlerm
Punkt der von den Fühlern 311 und 35 gemessenen Unsymmetrie-Kräfte darstellt. Es
ergeben sich dabei zwei solcher Ungleichgewichtspunkte und zwar jeweils einer auf
jeder Reifenseite.
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Die Honvorrichtung 41 wird dann durch eine Relativbewegung zwischen
dem die Honvorrichtung tragenden Schlitten 42 und dem Reifenträger auf einen der
Ungleichgewichtspunkte ausgerichtet. Die Honvorrichtung wird dann über den Schlitten
42 in arbeitswirksame Berührung mit dem Gummiring gebracht. Diese Bewegungen werden
durch die Steuereinrichtung
43 in Abhängigkeit von den vom Rechner
28 kommenden Korrektursignalen ausgelöst. Die Steuereinrichtung 43 steuert zugleich
auch die Tiefe, bis zu der der Gummiring entfernt wird. Gleichzeitig mit der Bewegung
der Honvorrichtung 41 in arbeitswirksame Anlage an den Gummiring wird der Träger
40 gleichmäßig um den resultierenden Ungleichgewichtspunkt oszilliert, wozu der
Träger über gleiche Abstände auf gegenüberliegenden Seiten des resultierenden Gleichgewichtspunktes
hin- und zurückbewegt wird und den Reifen mitnimmt.
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Der von dem Träger 40 und dem Reifen 17 durchquerte Raum wird durch
den Rechner bestimmt und durch die Steuereinrichtung 43 gesteuert, die betriebswirksam
mit dem Oszillator 1111 verbunden ist. Auf diese Weise wird jeder kreisförmige Ring
abgetragen und dadurch ein Teil des Ringes in einer Größe und über einen Bereich
entfernt, die eine Ringgröße hinterläßt, die den Ausgleich der Unsymmetriekräfte
auf der zugehörigen Reifenseite erlaubt. Sobald das Abziehen eines der Ringe geschlossen
ist, wird die Honvorrichtung zu dem Ring auf der gegenüberliegenden Seite des Reifens
verschoben und der Abziehvorgang in Abhängigkeit von den durch den Rechner gelieferten
Korrektursignalen wiederholt, die der Lokalisierung und der Größe der Unsymmetrie-Kräfte
auf der verbleibenden Reifenseite entsprechen.
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In der Fig. 4, die eine Seite des Reifens 17 schematisch zeigt, ist
der resultierende Ungleichgewichtspunkt durch den Punkt P gekennzeichnet, wobei
die Honvorrichtung zunächst so ausgerichtet ist, daß sie mit dem Punkt P zusammenfällt.
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Die Strecke in jeder Richtung um Punkt P, über die der Ring zur Entfernung
der erforderlichen Gummimenge getragen werden muß, wird ebenfalls durch den Rechner
in Abhängigkeit von den gespeicherten Daten bestimmt, wobei der Rechner über den
Oszillator 44 eine oszillierende Bewegung des Reifens vom Punkt P ausgehend in entgegengesetzte
Richtungen auslöst, damit die erforderliche Gummimenge abgetragen wird. Bei dem
dargestellten
Ausführungsbeispiel wird Gummi von dem Ring über die Bereiche A und B abgetragen,
die durch die Komplementärbereiche C und D auf der gegenüberliegenden Seite des
Ringes wirksam ausbalanciert werden. Die verbleibenden Bereiche E und F befinden
sich im Gleichgewicht und heben sich in ihrer Wirkung auf. Es wurde ermittelt, daß
ein Abtragen des Gummis auf jeder Seite des Ungleichgewichtspunktes p bis zu 450
für das Auswuchten am wirksamsten ist. Bei einem Abtragen über 450 hinaus in jeder
Richtung von dem Ungleichgewichtspunkt ist die weitere Wirkung vernachlässigbar.
Es versteht sich, daß die Menge des abgetragenen Gummis sowohl hinsichtlich der
Abtragslänge als auch der Abtragstiefe durch den Rechner in Abhängigkeit von der
Größe der ermittelten Unsymmetrie-Kräfte bestimmt wird.
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Als Alternative zum Abtragen der Gummiringe oder Gummistreifen, die
vorher auf der Reifeninnenseite angebracht sind, können auch Gummistreifen der erforderlichen
Länge und Dicke der Innenseite der Reifenwülste in den benachbarten Seitenwandbereichen
als Teil eines Korrekturvorgangs des zweiten Korrekturstadiums angeheftet werden,
wobei das Gewicht und die Lokalisierung dieser Streifen durch den Rechner in Abhängigkeit
von den gespeicherten Daten bestimmt wird. In diesem Fall ist der Rechner so programmiert,
daß er das Gewicht und die örtliche Anordnung des hinzuzufügenden Streifens anzeigt
und die resultierenden Gleichgewichtspunkte in Übereinstimmung mit den vom Rechner
bestimmten Angaben auf den Reifen markiert werden, woraufhin dann die Auswuchtstreifen
entsprechend dieser Markierungen aufgebracht werden. Bei dem in Fig. 4 dargestellten
Ausführungsbeispiel müßte bei einem Hinzufügen von Korrekturstreifen an Stelle der
Herbeiführung des Ausgleichs durch Abtragen zuvor aufgebrachter Ringe der resultierende
Ungleichgewichtspunkt bei P' liegen, der dem Punkt P diametral gegenüberliegt, wobei
die Streifen über die Bereiche C und D aufgebracht würden, wobei ihre Mitte bei
dem
Punkt P' liegt.
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Wie nun deutlich geworden sein sollte, schafft die vorliegende Erfindung
ein integriertes System zur Beseitigung der in Fahrzeugreifen entstehenden Schwingungen
durch eine Korrektur des Reifens sowohl hinsichtlich der Umfangsungleichmäßigkeiten
als auch hinsichtlich fehlerhafter Symmetrie. Der Außenumfang des Reifens' wird
zunächst in den die radial gerichteten Kräfte erzeugenden Bereichen abgetragen,
wobei es sich um die Bereiche handelt, die körperlich den Reifen an der kufrechterhaltung
eines konstanten Belastungsradius hindert, wenn dieser sich mit Reisegeschwindigkeit
auf einer Autostraße bewegt. Sobald der Reifen im Hinblick auf diese Umfangsungleichmäßigkeiten
korrigert worden ist, erfolgt eine weitere Korrektur im Hinblick auf die fehlende
Symmetrie, die entweder durch das Abtragen von Teilen kreisförmiger Gummiringe oder
-streifen erfolgt, die auf die Innenseite des Reifens im Bereich der Reifenwülste
angefügt worden sind, oder durch die Anfügung bekannter Gummistreifen auf der Innenseite
des Reifens in den Bereichen der Reifenwülste an den Stellen und in der Größe, die
ausreicht, um die durch die Unsymmetrie verursachten Kräfte auszugleichen. In jedem
Fall läßt das äußere Erscheinungsbild des Reifens nicht erkennen, daß ihm Gewichte
hinzugefügt sind, jedoch ist jeder einmal korrigierte Reifen frei von Schwingungen
erzeugenden Kräften, wenn er bei der Reisegeschwindigkeit benutzt wird, für die
er vorgesehen ist.
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Es wurde festgestellt, daß bei einem, entsprechend der vorliegenden
Erfindung korrigierten Reifen die Höhe der Schwingungen erzeugenden Kräfte, die
unterhalb der Reisegeschwindigkeit entstehen können, wenn das Fahrzeug bei kleinen
oder mittleren('#eschwindigkeiten fährt, in einer Größenordnung liegen, in der sie
nicht mehr unangenehm sind und sich im Rahmen akzeptabler Werte bewegen. Diejenigen
Kräfte, die das wirkliche
Problem bilden, entstehen bei Reisegeschwindigkeit,
und es sind diese Kräfte, die korrigiert und auf eine annehmbare niedrige Größenordnung
reduziert werden.
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Bei Benutzung des erfindungsgemäßen Systems und Verfahrens kann der
Reifenhersteller den Kunden mit Reifen versorgen, die speziell zum Gebrauch bei
bestimmten Reisegeschwindigkeiten gestaltet sind, die in großem Maße von den Gesetzen
bestimmt werden, die die Geschwindigkeit der auf Autostraßen fahrenden Fahrzeuge
beschränken.
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Wenn auch eine einzige bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens und Systems dargestellt und beschrieben ist, versteht es sich jedoch,
daß im Rahmen der Erfindung Abänderungen möglich sind. Zahlreiche solche Abänderungen
sind bereits erwähnt worden, andere Abänderungen ergeben sich für den Fachmann von
selbst. So sind beispielsweise die speziellen Eigenschaften der Honvorrichtungen
im Rahmen der Erfindung nicht begrenzt, vielmehr kommt es wesentlich darauf an,
daß die zentrifugal entstehenden Umfangs-Ungleichmäßigkeiten beseitigt und im Falle
der angefügten Gummiringe ausreichende Ringbereiche entfernt werden, damit die mangelhafte
Symmetrie wirksam ausgeglichen wird.
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Die Programmierung des Rechners zur Umwandlung der messenden Kraft
signale in Korrektursignale zur Betätigung der Abtragvorrichtungen und des Oszillators
liegt im Können des Rechen-Programmierers, wobei in Abhängigkeit von den gewünschten
Parameter für den Korrekturvorgang eine Vielzahl von Programmen aufgestellt werden
können. Es ist außerdem klar, daß die Vorrichtung, die die Gummiringe abträgt, auch
gegenüber dem Reifen in Schwingungen versetzt werden kann, anstatt daß der Reifenträger
oder andere Reifenhalter in Schwingungen versetzt werden.
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