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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konstruktion von Reifen mit
einem verbesserten Geräuschverhalten,
insbesondere in Bezug auf die Frequenz der ersten Mode des Hohlraums.
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Auf
Moden von Hohlräumen
beruhende Geräusche
bereiten den Autoherstellern regelmäßig Schwierigkeiten. Da Autos
immer leiser sein sollen, werden Geräusche, die durch die Resonanzfrequenz der
im Reifenhohlraum enthaltenen Luft erzeugt werden, zunehmend unerwünscht.
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Zur
Reduktion der Hohlraumgeräusche und/oder
anderer Geräusche
wurden von verschiedenen Herstellern unterschiedliche Lösungsansätze entwickelt.
Bei solchen Lösungen
wird beispielsweise von folgenden Einrichtungen Gebrauch gemacht:
Schaummaterial
auf der Felge,
Helmholtz- oder Viertelwellen-Resonatoren, die
in das Rad oder in einen im Hohlraum des Rades angeordneten Einsatz
eingebaut werden.
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Die
meisten bekannten Lösungen
scheinen positive Testergebnisse zu erbringen. Bei allen Lösungsansätzen sind
jedoch ein zusätzliches
Bauteil im Inneren der Reifen/Rad-Einheit oder Abänderungen
in der Rad/Felgen-Einheit erforderlich. Eine Lösung, bei der der Einsatz eines
solchen zusätzlichen Bauteils
oder einer solchen Abänderung
vermieden würde,
würde deshalb
von den Fahrzeugherstellern ernsthaft in Betracht gezogen.
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In
US-A-4 721 143 ist ein Verfahren zur Konstruktion von Reifen gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 beschrieben.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Konstruktion
von Luftreifen mit verbessertem Geräuschverhalten und insbesondere
einer verminderten auf der Frequenz der ersten Mode des Hohlraums
beruhenden Schallenergie anzugeben.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Reifen mit verbessertem
Geräuschverhalten
und insbesondere einer verminderten auf der Frequenz der ersten
Mode des Hohlraums beruhenden Schallenergie anzugeben.
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Um
dies zu erreichen, gibt die Erfindung ein Verfahren zur Konstruktion
von Reifen an, wobei die Reifen Bauelemente aufweisen, die mindestens
eine Karkassenstruktur, die auf jeder Seite des Reifens in einem
Wulst verankert ist, wobei jeder Wulst eine Basis aufweist, die
auf die Montagefelge zum Aufbau des Reifens montiert werden soll,
einen Seitenwandteil, der sich von jedem Wulst in radialer Richtung nach
oben erstreckt, und einen verstärkten
Scheitel umfassen, der mit einem gegebenen Winkel angeordnete Verstärkungskorde
enthält,
wobei die Seitenwandteile an den Scheitel angrenzen, worin das Verfahren
beinhaltet, dass die Bauelemente so angeordnet werden, dass zumindest
für einen
Teil des Scheitels ein Biegsamkeitsniveau gewährleistet ist, das es möglich macht,
dass dieser Teil mit einer Frequenz schwingen kann, die im Wesentlichen
der Mode des Hohlraums entspricht.
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Anstelle
des Einbaus einer gesonderten schalldämpfenden Vorrichtung in den
Reifen oder das Rad wird bei der erfindungsgemäßen Lösung zur Vermeidung der Erzeugung
ungewollter Geräusche die
Ar chitektur des Reifens modifiziert. Daher ist eine schalldämpfende
Vorrichtung nicht mehr erforderlich.
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In
einem bevorzugten Beispiel entspricht das Biegsamkeitsniveau im
Wesentlichen einer Umfangssteifigkeit des Reifens.
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Gemäß der Erfindung
kann das erwünschte Biegsamkeitsniveau
im Scheitel gewährleistet
werden, indem die Korde zur Scheitelverstärkung mit einem Winkel angeordnet
werden, der bezogen auf die Umfangsrichtung im Wesentlichen im Bereich
von 25 bis 45 Grad liegt und vorzugsweise bezogen auf die Umfangsrichtung
im Wesentlichen einem Wert von 30 Grad entspricht.
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Die
Reifenverstärkungskorde
sind vorteilhaft so angeordnet, dass die Frequenz der Mode des Reifens
im Wesentlichen der Frequenz der Mode des Hohlraums entspricht.
Ein Standardreifen nach dem Stand der Technik ist zum Vergleich
gewöhnlich "quasi-biegesteif " in Hinblick auf
den Hohlraum, d.h. die Eigenmode des Reifens liegt nicht in einem
dem Hohlraum ähnlichen
Frequenzbereich. Unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird der Reifen so aufgebaut, dass die Eigenmode des Reifens, bei
der sich der Reifenscheitel verformt, der Mode des Hohlraums ähnlich ist.
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Tests
zeigen, dass dann, wenn der Reifen so aufgebaut ist, dass die Frequenz
der Mode des Reifens der Frequenz der Mode des Hohlraums relativ ähnlich ist,
die Vibration im Vergleich zu herkömmlich aufgebauten Reifen wesentlich
reduziert oder besser noch unterbunden ist.
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Das
Verfahren umfasst entsprechend und spezieller die Schritte, den
betreffenden Reifen auf eine Felge aufzuziehen und aufzupumpen,
den betreffenden Reifen auf einer ebenen Fläche unter Last zu set zen, die
Frequenzen der Mode des Hohlraums und die Frequenzen der Mode des
Reifens zu bestimmen, die Frequenz der ersten Mode des Hohlraums
mit der Frequenz der Mode des Reifens, bei der sich der Scheitel
verformt, zur Ermittlung eines Frequenzunterschieds zu vergleichen,
die Umfangssteifigkeit des Reifens zu bestimmen oder zu berechnen
und die Architektur des Reifens so zu verändern, dass die Umfangssteifigkeit
in einem zentralen Bereich des Reifens reduziert wird, um den Frequenzunterschied
zu verkleinern.
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Erfindungsgemäß wird das
Biegsamkeitsniveau vorzugsweise insbesondere in dem im Wesentlichen
zentralen Teil des Scheitels optimiert.
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Gemäß einer
Ausführungsform
werden die Korde zur Scheitelverstärkung vorteilhaft in axialer Richtung
auf beiden Seiten eines im Wesentlichen in Umfangsrichtung nicht
verstärkten
Bandes angeordnet. Das nicht verstärkte Band liegt vorzugsweise
im Wesentlichen in axialer Richtung zentral.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
weisen die Scheitelverstärkungskorde
in einer in axialer Richtung zentralen Position einen größeren Winkel gegen
die Umfangsrichtung auf als die Scheitelverstärkungskorde auf den in axialer
Richtung an den zentralen Teil angrenzenden Seiten.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform umfasst
das Verfahren ferner den Schritt, die Bauelemente des Reifens anzupassen,
um die Umfangssteifigkeit des Reifens so zu optimieren, dass ein
Frequenzunterschied zwischen der Mode des Reifens und der Mode des
Hohlraums erzielt wird, der auf ein Mindestmaß herabgesetzt oder zumindest
niedriger ist als ein gegebener Wert.
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Dieser
gegebene Wert kann beispielsweise ausgewählt werden, um ein zufriedenstellendes
Level der auf der ersten Mode des Hohlraums beruhenden akustischen
Energie zu erreichen.
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1 zeigt
ein Ablaufschema der allgemeinen methodischen Grundlagen der Erfindung,
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2 ist
eine schematische Darstellung der Verformung der Mode des Reifens,
die eine Absorption der Schallenergie des Hohlraums erlaubt,
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3 zeigt
ein Beispiel einer Anordnung einiger Reifenbauelemente ohne Verstärkungskorde im
zentralen Teil des Scheitels,
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4 ist
eine schematische Darstellung einer Anordnung von Verstärkungskorden
im Scheitel mit unterschiedlichen Winkeln in der Schulter und im Scheitel,
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5 zeigt
eine schematische Schnittansicht eines Reifens mit zusätzlichen
Verstärkungskorden
entlang der Schulter und
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6 zeigt
eine schematische Schnittansicht eines Reifens mit einer dreifachen
Verstärkungsstruktur.
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1 ist
ein Ablaufschema, das die allgemeinen methodischen Grundlagen der
Erfindung zeigt. Das Verfahren kann unter Anwendung einer Simulation
mit finiten Elementen oder experimentell durchgeführt werden.
Es können
verschiedene Reifendesigns als Ausgangspunkt für den Vergleich des Verhaltens
der einzelnen Reifen in Bezug auf Geräusche, die auf Hohlraumresonanz
zurückzuführen sind,
verwendet werden. Alternativ kann das Verfahren zur Ges taltung eines
einzelnen Reifens mit vorteilhaften Eigenschaften in Hinblick auf
die Hohlraumresonanz eingesetzt werden.
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Der
Erfinder hat festgestellt, dass die Frequenz der Mode eines Reifens,
bei der sich der Scheitel des Reifens verformt, für bestimmte
Scheitelarchitekturen bestimmt werden kann, und weiterhin, dass
das von einem derartigen Reifen transmittierte Geräusch zu
einer Differenz zwischen der Frequenz der Mode des Reifens und der
Frequenz der Mode des Hohlraums in Beziehung steht. Der Erfinder
hat ferner festgestellt, dass die Frequenz der Mode des Reifens
durch Modifizierung der Reifenarchitektur verändert werden kann, während die
Frequenz der Mode des Hohlraums für ein gegebenes Innenvolumen
unveränderlich
ist, und dass damit ein Verfahren zur Steuerung der Schallübertragung
möglich
ist.
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Gemäß dem Verfahren
der Erfindung besteht eine erster Schritt darin, die Reifeneigenschaften
eines gegebenen Reifens, der auf einer Felge montiert ist und der
aufgepumpt und unter Last gesetzt ist, zu testen oder zu bewerten.
Es wird eine bekannte Art der Modenanalyse für Reifen und Hohlraum durchgeführt, um
die Schwingungsmoden und -frequenzen des Reifens und des Hohlraums
zu identifizieren und zu charakterisieren.
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Ein
besonderes Augenmerk sollte auf den im Wesentlichen zentralen Teil
des Scheitels gelegt werden, um die Mode des Reifens zu identifizieren,
bei der sich das Zentrum des Scheitels verformt und die (teilweise
oder vollständige)
Absorption der Mode des Hohlraums ermöglicht. 2 zeigt
eine schematische Darstellung einer Deformation der Schwingungsmode
des Reifens, die akustische Energie absorbiert. Wie zu sehen ist,
verformt sich ein im Wesentlichen zentraler Teil des Scheitels von
einem ungestörten
Zustand A (das in gestrichelter Linie dargestellte flachere Profil)
in einen deformierten Zu stand B (der in der Figur nach oben gebogene
Teil). Auch wenn dies nicht gezeigt ist, schwingt der Laufflächenscheitel
im Schwingungszustand natürlich
zwischen einer nach außen
verformten Position und einer nach innen verformten Position.
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Dann
wird der Frequenzunterschied oder Frequenzabstand zwischen dieser
Mode des Reifens und der akustischen Mode des Hohlraums bestimmt. Der
Wert des Frequenzabstands wird vorteilhaft als ein Konstruktionsparameter
zur Optimierung der Reifeneigenschaften betrachtet. Wenn der Abstand
beispielsweise weniger als 60 Hz beträgt, ist der von dem Reifenhohlraum
ausgehende Geräuschpegel
im Fahrzeug stark reduziert. Die Ergebnisse zeigten, dass Frequenzabstände von
weniger als 20 bis 30 Hz ausgezeichnete Schallenergiepegel liefern.
Da der Frequenzabstand durch Modifikationen an der Scheitelstruktur
vermindert wird, kann es bei einem gegebenen Wert schwierig werden,
den durch die Hohlraumresonanz erzeugten Geräuschpegel weiter zu reduzieren.
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Gemäß diesem
Kriterium ist dies ein Hinweis, dass es wirksame Möglichkeiten
zur Reduktion des auf der Hohlraumresonanz beruhenden Geräuschpegels
geben kann, wenn der Frequenzabstand nicht optimiert ist.
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Der
Erfinder hat festgestellt, dass der Frequenzabstand durch Verminderung
der Umfangssteifigkeit herabgesetzt werden kann. Eine stärkere Biegsamkeit
des Scheitels, insbesondere in dem bezogen auf die seitlich angrenzenden
Schulterbereiche zentralen Teil des Scheitels, trägt im Allgemeinen zur
Reduktion des Frequenzabstands bei.
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Mit
speziellen Architekturen durchgeführte Test haben gezeigt, dass
eine Verminderung der Umfangssteifigkeit in einem zentralen Bereich
auf weniger als 800 daN/mm und vorzugsweise auf einen Bereich von
300 bis 500 daN/mm oder weniger zu einer deutlichen Reduktion des
Frequenzabstands beiträgt.
Darüber
hinaus und vorzugsweise werden die Möglichkeiten zu einer Reduktion
des Frequenzabstands optimiert, wenn die Steifigkeit in dem in axialer Richtung
im Wesentlichen zentralen Teil des Scheitels, beispielsweise entlang
eines in Umfangsrichtung verlaufenden Bandes von etwa 80 mm Breite,
im Vergleich zu der Umfangssteifigkeit der Bereiche, die in axialer
Richtung an das Band angrenzen, herabgesetzt ist.
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In
einigen Fällen
und bei einigen Fahrzeugen kann das erfindungsgemäße Verfahren
eine deutliche Reduktion des Geräuschpegels
erbringen. Tests zeigten in Abhängigkeit
vom Reifen und vom Fahrzeug eine Lärmminderung von 2 bis 6 dB.
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Die 3 bis 6 zeigen
Beispiele für Konstruktionsmerkmale
von Reifen, mit denen eine Verminderung der Umfangssteifigkeit erzielt
werden kann. Selbstverständlich
können
auch andere Konstruktionsmerkmale zur Umfangssteifigkeit beitragen und
sie können
modifiziert werden, um ähnliche
Ergebnisse zu erzielen. Dem Fachmann ist natürlich klar, dass die Herabsetzung
der Steifigkeit in einigen speziellen Fällen begrenzt ist, beispielsweise
bei einigen Reifenabmessungen oder weil der Reifen spezielle Bauelemente
oder Anordnungen umfasst, die die Steifigkeit erhöhen.
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Mit
allgemeinem Bezug auf die 3 bis 6 umfasst
der Reifen 1 Wülste 2,
die jeweils mit einem Sitz 3 versehen sind, der besonders
gearbeitet ist, damit er auf die Montagefelge des Reifens passt. Eine
Seitenwand 4 erstreckt sich von jedem Wulst 2 in
radialer Richtung nach oben und grenzt an den Scheitel 6 an.
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Der
Reifen umfasst mindestens eine Karkassenstruktur 5, die
sich von einem Wulst zum anderen erstreckt oder die zwischen zwei Strukturhälften beispielsweise
in dem im Wesentlichen zentralen Teil des Scheitels 6 eine
Lücke lässt. Der
in radialer Richtung am weitesten innen liegende Bereich der Karkassenstruktur 5 endet
in einem Verankerungsbereich 7 des Wulstes 1.
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Die
Architektur des Scheitels 6 kann in Abhängigkeit vom Reifentyp, den
Reifenabmessungen, den gewünschten
Eigenschaften und dem gewünschten
Leistungsverhalten und dergleichen variieren. Die 3 bis 6 zeigen
Beispiele von Scheitelkonstruktionen, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
entwickelt wurden.
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3 zeigt
ein Beispiel einer Reifenarchitektur, bei der im Zentrum des Scheitels
keine Verstärkungskorde
vorliegen, wodurch ein in Umfangsrichtung verlaufender nichtverstärkter Bereich 16 mit
einer Breite von beispielsweise etwa 80 mm entsteht. Der nichtverstärkte Bereich 16 weist
eine Umfangssteifigkeit von weniger als 800 daN/mm auf. Die angrenzenden
verstärkten
Bereiche weisen eine höhere
Umfangssteifigkeit auf. Der Erfinder hat festgestellt, dass ein
weniger steifer Bereich in einem im Vergleich zu den Schulterbereichen
zentralen Teil des Reifenscheitels ein gutes akustisches Verhalten zeigen
sollte. Ein Reifen, der im zentralen Bereich überhaupt keine Verstärkung besitzt,
könnte
jedoch von begrenzter Haltbarkeit und Lebensdauer sein. Um diese
Aspekte auszugleichen, könnten
andere Bauelemente eingesetzt werden. In Anbetracht der Tatsache,
dass bei der Entwicklung von Reifen gewöhnlich Kompromisse zwischen
zahlreichen Eigenschaften, die teilweise gegensätzlich sind, gefunden werden
müssen,
zeigen die 4 bis 6 weitere Beispiele
mit verschiedenen Kompromissen, wobei die Hohlraumgeräusche zusammen
mit weiteren Konstruktionsmerkmalen betrachtet wurden.
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Das
Beispiel von 4 ist im Scheitelbereich 6 mit
Verstärkungskorden
versehen, die jeweils von der Schulter bis zum zentralen Be reich
des Scheitels mit verschiedenen Winkeln verlegt sind. Typische Winkel
liegen im Bereich von 0 bis 25 Grad im Schulterbereich S und 25
bis 45 Grad im zentralen Bereich C. Der zentrale Bereich C ist vorzugsweise
etwa 80 mm breit. Es können
ferner zusätzliche
Korde, wie beispielsweise in Umfangsrichtung angeordnete Korde,
vorgesehen werden. Bei den Verstärkungskorden kann
es sich um durchgehende Korde handeln, die so verlegt sind, dass
sie über
den Scheitel hinweg unterschiedliche Winkel aufweisen. Alternativ
dazu können
drei aneinander angrenzende Bänder
von Verstärkungskorden
in den beiden Schulterbereichen und in dem zentralen Bereich vorgesehen
werden, wobei die Korde der speziellen Bänder die beschriebenen Winkel
aufweisen.
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Das
Beispiel von 5 umfasst zusätzlich zu
der Karkassenstruktur 5 eine oder mehrere Lagen von Verstärkungskorden 13,
die mit einem Winkel von 25 bis 45 Grad verlegt sind. Zur Verstärkung der in
axialer Richtung äußeren Bereiche
sind in den Schultern des Reifens zusätzliche Gruppen von Verstärkungskorden 11 verlegt,
während
der zentrale Bereich eine geringere Umfangssteifigkeit aufweist. Die
Korde 11 sind vorteilhaft in Umfangsrichtung ausgerichtet.
Die Gruppen von Korden 11 sind vorzugsweise so voneinander
beabstandet, dass ein biegsamer Bereich von etwa 80 mm Breite im
zentralen Teil des Scheitels verbleibt.
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Das
Beispiel von 6 umfasst zusätzlich zu
der Karkassenstruktur 5 eine aus drei Kordlagen aufgebaute
Kronenstruktur. Die Lagen 15 können aus Stahlkorden, Textilkorden
oder aus Mischkorden hergestellt sein. Es sind auch Kombinationen
mit mehr als einem Material möglich.
Die Winkel in den einzelnen Lagen variieren unabhängig von
10 bis 70 Grad. Ein Reifen mit drei Lagen von Verstärkungskorden
aus Metall, die jeweils mit Winkeln von 27 Grad, –55 Grad
bzw. 27 Grad ausgerichtet waren, zeigte beispielsweise eine Geräuschmin derung
von 2 dB im Vergleich mit einem herkömmlichen Zweilagenreifen mit
Verstärkungskorden
aus Metall mit 24 Grad bzw. –24
Grad.
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In
den gezeigten Beispielen bestehen die Korde vorteilhaft aus Stahl.
Es können
auch textile Kordarten, wie beispielsweise Aramid, Nylon, PET oder
PEN, oder Hybride, wie Aramid/Nylon und dergleichen, verwendet werden.
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Die
Erfindung wurde in Hinblick auf bevorzugte Prinzipien, Ausführungsformen
und Strukturen beschrieben, wobei dem Fachmann natürlich klar
ist, dass Ersatzmittel und Äquivalente
eingesetzt werden können,
ohne vom Umfang der in den nachfolgenden Ansprüchen definierten Erfindung
abzuweichen.