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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen selbsttragenden Reifen
für Fahrräder, Motorräder und ähnliche,
des Typs, der im Oberbegriff von Anspruch 1 beschrieben ist.
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Bekanntermaßen bedecken
Reifen oder Luftreifen den peripheren Bereich der Räder für Fahrzeuge
aller Typen.
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Reifen
sind hierbei der Punkt des Kontakts zwischen dem Fahrzeug und der
Asphaltstraßenoberfläche, wobei
der Kontakt genau durch einen äußeren Oberflächenbereich,
als Lauffläche
benannt, auftritt.
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Der
Zweck von Reifen ist es: den Kontakt zwischen dem Fahrzeug und dem
Boden aufrecht zu erhalten, um die an das Fahrzeug weitergegebenen Kräfte auf
den Boden zu übertragen,
um alle Stöße mit der
Oberfläche
zu dämpfen
und mit niedrigem Energieverlust auf dem Boden zu rollen.
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Daher
sollen Reifen aufweisen: hohe Haftreibung, die nützlich ist, um eine hohe Zugkraft
aufrecht zu erhalten, niedrige Rollreibung, um ein hohes Maß von Abfließen von
Energie zu vermeiden und hohe Elastizität, die nützlich ist, um das Fahrzeug
zu dämpfen,
an dem sie befestigt sind.
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Die
meist benutzten und meist bekannten Reifen sind Luftreifen.
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Diese
bestehen im wesentlichen aus einem schlauchartigen elastischen Mantel
aus einem natürlichen
oder synthetischen Gummi, der mit Druckluft gefüllt ist.
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Diese
Luftreifen nutzen die Elastizität
der darin enthaltenen Luft aus und weisen beachtliche Vorteile wie
Rollverhalten, direkte Rückfederung,
hohe Dämpfung
von Stößen, Steifigkeit,
Haftung und andere auf.
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Bekanntermaßen sind
Luftreifen trotzdem anfällig
für Einstiche,
Platzen oder Entweichen, die sie permanent oder zeitweise unbrauchbar
machen und was für
die Person, die das Fahrzeug, an dem sie verwendet werden, fährt unerwartet
und gefährlich
sein kann.
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Um
die erwähnten
Nachteile zu überwinden, können massive
oder selbsttragende Reifen, die aus elastischen Materialien, vorzugsweise
aus natürlichen
Gummis, synthetische Gummis oder Elastomeren aufgebaut sind, benutzt
werden. Dieser Reifentyp versucht die Merkmale von Luftreifen nachzubilden und
benötigt
kein Vorhandensein von gepresstem Gas, um ihn zu unterstützen.
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Trotzdem
haben massive oder selbsttragende Reifen schlechtere Eigenschaften
verglichen mit Luftreifen. In Wirklichkeit haben sie ein schlechteres Rollverhalten
und eine schlechtere Rückfederung verglichen
mit üblicherweise
benutzten Luftreifen.
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Darüber hinaus
sind manche selbsttragenden Reifen anfällig für Phänomene wie Sprünge oder Vibrationen,
die für
Fahrzeuge wie z. B. Fahrräder oder
Motorräder
inakzeptabel sind.
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Aufgrund
den erwähnten
Nachteilen werden selbsttragende Reifen derzeit fast ausschließlich für Kinderwägen, Handwägen und ähnliche
Fahrzeuge benutzt.
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Um
die Eigenschaften von selbsttragenden Reifen zu verbessern, sind
zahlreiche Veränderungen
und Verbesserungen der Materialien und deren Strukturen durchgeführt worden.
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Manche
Verbesserungen wurden durch geeignete Auswahl von und verschiedenen
Arten der Herstellung der Materialien, die benutzt werden den Reifen
zu füllen,
erreicht, wobei insbesondere beachtliche Verbesserungen durch den
Gebrauch von geschlossenem zellgeschäumtem mikrozellularem Polyurethan
erzielt worden sind, wie in dem Patent desselben Anmelders
IT 1176358 gezeigt ist.
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Dieses
Material bietet bereits verbesserte Rolleigenschaften des selbsttragenden
Rads und verursacht eine Verringerung der Phänomene des Springens zusammen
mit einer Verringerung des Gewichts.
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Ebenfalls
bekannt ist, bei selbsttragenden Reifen für Autos der Gebrauch eines
flachen steifen Bands, das im Reifen eingebettet ist, das das ganze Rad
in der Nähe
der Außenfläche des
Reifens umrandet.
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Dieses
steife Band sichert, dass alle lokalen Deformationen des Reifens
dazu neigen, den ganzen Reifen durch Lastverteilung einzubeziehen, ähnlich dem
Fall von Luftreifen, bei denen lokale Deformationen das ganze im
Luftreifen enthaltene Gas und damit den gesamten Reifen einbeziehen.
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Ein
Lösungskonzept
dieses Typs ist in dem Patent
US
6 142 203 angegeben.
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Trotzdem
kann ein Band dieses Typs nicht in Reifen für Fahrräder oder Mopeds verwendet werden,
wegen dem größeren Durchmesser
und dem schmaleren Abschnitt, der einen übermäßig steifen Ring benötigen würde, um
den gesamten Reifen einzubeziehen, zum Nachteil von Gewicht und
Rückfederung.
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Außerdem bleibt
bei Rädern
für Autos
und dergleichen die Rotationsachse in einer Position, die im wesentlichen
immer parallel zum Boden ist. Daher kommen diese Reifen immer entlang
eines einzelnen zylindrischen Rings in Kontakt mit dem Boden.
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Hauptsächlich Reifen
für motorbetriebene Fahrzeuge
haben in jeder Schnittebene, die durch die Rotationsachse verläuft, eine
im wesentlichen flache Lauffläche.
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Dafür bleibt
die Rotationsachse von Fahrrad- oder Motorradrädern nicht immer parallel zum
Boden: tatsächlich
lehnen sich zweirädrige
Fahrzeuge in Richtung des Zentrums der Kurve, um der Zentrifugalkraft
beim um die Kurve fahren entgegenzuwirken.
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Daher
kommen Fahrrad- und Motorradreifen über eine Fläche, die in jeder Schnittebene,
die durch die Rotationsachse führt,
die im wesentlichen durch einen Umfangsbogen definiert ist, in Kontakt
mit dem Boden.
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Der
Gebrauch eines flachen starren Einkreisungsbands, wie beschrieben,
in einem Reifen für Räder für Fahrräder und ähnliche,
würde daher
gefährliche
Abweichungen in der Gestalt des Reifens verursachen, aufgrund dem
Unterschied in der Form des starren Bands und der Oberfläche des
Reifens.
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Diese
Abweichungen würden,
als eine Funktion des Winkels der Verkippung des Rads, die beim um
die Kurve fahren am bedeutendsten sind, Unstetigkeiten in den Reaktionen,
die von den Reifen erzeugt werden, verursachen, und würden auch Schneidkräfte innerhalb
des Reifens verursachen, die ihn beschädigen könnten.
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Trotz
dem Verbessern der physikalischen Eigenschaften der selbsttragenden
Reifen, sind die beschriebenen Hilfsmittel und Modifikationen ungeeignet
um ihnen die außergewöhnlichen
Eigenschaften von Luftreifen zu geben.
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Ein
weiterer Nachteil von selbsttragenden Reifen ist, dass der periphere
Bereich des Rads schwerer ist als bei Luftreifen, was beträchtliche
und unerwünschte
Trägheit
verursacht, wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Rads variiert.
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In
dieser Situation ist es die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende
Aufgabe einen selbsttragenden Reifen für Räder für Fahrräder, Motorräder und ähnliche bereitzustellen, der
die vorgenannten Nachteile im wesentlichen überwindet.
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Im
Rahmen dieses technischen Ziels ist es eine wichtige Aufgabe der
Erfindung, einen selbsttragenden Reifen für Räder für Fahrräder, Motorräder und ähnliche herzustellen, der Rolleigenschaften
aufweist, die denen von Luftreifen ähnlich sind.
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Eine
andere wichtige Aufgabe der Erfindung ist es, einen selbsttragenden
Reifen für
Räder für Fahrräder, Motorräder und ähnliche
bereitzustellen, der die Stöße, mit
denen das Fahrzeug in Kontakt mit den Ungleichmäßigkeiten des Bodens beansprucht wird,
ausreichend zu dämpfen.
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Eine
andere wichtige Aufgabe der Erfindung ist es, einen selbsttragenden
Reifen für
Räder für Fahrräder, Motorräder und ähnliche
bereitzustellen, der ein geringeres Gewicht hat.
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Ein
Reifen, der die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 aufweist,
ist aus der
GB-A-2 047
637 bekannt.
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Das
technische Ziel und die festgelegten Aufgaben werden durch einen
selbsttragenden Reifen für
Räder für Fahrräder, Motorräder und ähnliche, wie
in dem beigefügten
Anspruch 1 beansprucht, erreicht.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
werden in den Unteransprüchen
beschrieben.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden unten, in der detaillierten
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, in
Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen, näher
erklärt wobei
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1 ein
Reifen gemäß der Erfindung
in einer Schnittebene, die durch die Rotationsachse des Rads verläuft, auf
der der Reifen befestigt ist, zeigt,
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2 ein
Rad für
Fahrräder
und ähnliche
in verkippter Position schematisiert,
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3a den
Betrieb eines konventionellen selbsttragenden Reifens in einer Schnittebene,
die senkrecht zu der Rotationsachse des Rades steht, an der der
Reifen befestigt ist, schematisiert,
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3b den
Betrieb eines erfindungsgemäßen selbsttragenden
Reifens, in einer Schnittebene, die senkrecht zur Rotationsachse
des Rads steht, an der der Reifen befestigt ist, schematisiert,
und
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4 eine
Variante eines Details des erfindungsgemäßen Reifens zeigt.
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Mit
Bezug auf die vorgenannten Figuren, ist der erfindungsgemäße Reifen
als Ganzes mit Nr. 1 abgebildet.
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Er
ist an eine Felge 2a von einem Rad 2 für ein Fahrrad,
Motorrad oder im wesentlichen zweirädriges Fahrzeug befestigt.
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Der
Reifen 1 ist auf der Felge 2a gemäß bekannten
Techniken befestigt, wie zum Beispiel: die Verwendung von zwei starken
elastischen Ringen 3, die sich aus fortlaufendem halbelastischem – oder Stahldraht
zusammensetzen, die den äußeren Teil des
Reifens in spezifischen Maschen 4 fixieren, die auf der
Felge gebildet werden, oder durch Klebung des Reifens 1 auf
die Felge 2a, oder durch Nutzung anderer Techniken.
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Der
Reifen 1 hat eine Außenschicht 5,
die angepasst ist, mit dem Boden Kontakt aufzunehmen und eine innere
Stützschicht 6,
die aus einem elastischen Polymermaterial zusammengesetzt ist, das zumindest
zum Teil das innere Volumen des Reifens 1 in Anspruch nimmt.
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Die
Außenschicht 5 kann
einstückig
mit der Stützschicht 6 sein.
In diesem Fall ist sie aus Polyurethan oder ähnlichem aufgebaut, oder aus
vulkanisiertem Gummi.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
ist die Außenschicht 5 einstückig mit
der Stützschicht 6 gebildet
und ihr Mittenabschnitt, bekannt als Lauffläche 7, kommt in Kontakt
mit dem Boden 8.
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Bekanntermaßen kommt
die Lauffläche 7 über einen
zentralen Abschnitt der Lauffläche 7 in Kontakt
mit dem als flach angenommenen Boden 8, wenn die Achse 2b des
Rads 2 parallel zu der horizontalen Achse 8a ist.
Stattdessen, wenn die Achse 2b des Rads mit einem Winkel α ungleich
0 gegenüber
der horizontalen Achse 8a verkippt ist, wie es beim um
die Kurve fahren auftritt, kommt die Lauffläche 7 über einen
seitlichen Abschnitt der Lauffläche 7 in
Kontakt mit dem Boden 8, wie in 2 gezeigt ist.
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Der
Zweck der inneren Stützschicht 6 ist
es stattdessen, den Reifen 1 zu unterstützen. Bei Luftreifen wird diese
Unterstützung
durch die Druckluft geliefert.
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Die
Stützschicht 6 belegt
einen überwiegenden
Abschnitt des inneren Volumens des Reifens 1.
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Außerdem ist
sie vorzugsweise aus einem flexiblen Polyurethanelastomer mit einer
geschlossenen zellgeschäumten
mikrozellularen Struktur zusammengesetzt, mit einer endgültigen Dichte
der Struktur von 0,2–0,5
kg/dm3.
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Ein
Material dieses Typs wird zum Beispiel von der italienischen Firma
Sinergit S. r. l. mit dem Namen "Reselgit
microcellulare" hergestellt.
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Das
Material hat ein ideales Verhalten: tatsächlich dämpft es optimal Stöße, denen
der Reifen 1 während
des Gebrauchs ausgesetzt ist, wobei diese Stöße absorbiert werden und teilweise
durch adiabatische Kompression des Gases, das in den Mikrozellen
enthalten ist, dissipiert wird und teilweise in Form von Hitze dissipiert
werden.
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Dieses
Material reduziert folglich Schläge und
Vibrationen beachtlich.
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Außerdem gibt
Reselgit mcrocellulare untypisch für viele Polymermaterialien
absorbierte Hitze schnell in die Umgebung ab und ist sehr haltbar,
sowie das Polymermaterial sogar nach vielen Jahren des Benutzens
keinen Alterungsphänomenen,
die typisch für
viele Polymermaterialien sind, unterliegt.
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Dank
diesen optimalen Eigenschaften kann Reselgit microcellulare auch
benutzt werden, um die Außenschicht 5,
insbesondere wenn sie einstückig mit
der Stützschicht 6 gebildet
ist, hergestellt werden, und es wird vorzugsweise Reselgit mit einer
Dichte im Bereich von 0,5–0,8
kg/dm3 verwendet.
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Außerdem sind
die Rolleigenschaften gemäß ausführlichen
Studien durch den Anmelder abhängig
von hauptsächlich
zwei Faktoren: Reaktionsfähigkeit
des Reifens, d. h. der Geschwindigkeit, mit der der Reifen in seine
Kreisform zurückkehrt,
nachdem er deformiert wurde, und die Haftung, die er auf der Asphaltstraßenoberfläche hat,
d. h., dass der Oberflächenbereich
der Lauffläche 7 in
direktem Kontakt zum Boden 8 steht.
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Tatsächlich ist
es bekannt, dass die Rollreibung, die während dem Rollen der Reifen
entsteht, mit derselben Menge des Materials die Lauffläche 7 bildet,
die direkt proportional zu der an den Boden weitergegebenen Haftung
des Reifens ist, die wiederum direkt proportional zur Steifigkeit
des Reifens 1 ist.
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Der
Anmelder hat jedoch herausgefunden, dass mit der selben Haftung,
Luftreifen bessere Rolleigenschaften als selbsttragende Reifen haben.
Das liegt daran, dass selbsttragende Reifen eine geringere Reaktionsfähigkeit
als Luftreifen haben, wegen den Materialien aus denen sie zusammengesetzt sind,
und weil, unüblich
für Lufträder, die
Kräfte,
die durch die Asphaltstraßenoberfläche an die
selbsttragenden Reifen weitergegeben werden, nur auf einen beschränkten Abschnitt
des Reifens wirken.
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Diese
geringere Reaktionsfähigkeit
erlaubt es den selbsttragenden Reifen, die unter der vertikalen
Last des Gewichts deformiert werden, nicht, nach der Deformation
schnell in ihre Kreisform zurückzukehren.
Daher haben Reifen mit einer geringeren Reaktionsfähigkeit
eine Form, die im wesentlichen weniger kreisförmig während des Rollens ist und die
daher schlechtere Rolleigenschaften aufweisen.
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Um
die Reaktionsfähigkeit
der Reifen zu erhöhen,
hat der Anmelder eine Verbesserung hierfür gefunden, in dem Fall, in
dem das Material, das die Stützschicht 6 bildet,
vorverdichtet ist.
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Insbesondere
wurde eine sehr hohe Reaktionsfähigkeit
gefunden, bei der Verwendung von Reselgit microcellulare, das durch
Verdichtung in einem Volumenprozentbereich von 10% bis 20% reduziert wurde.
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Es
ist dem Anmelder in der Tat bekannt, dass dieses Material, das vielen
geschäumten
und elastischen Polymermaterialien ähnlich ist, eine sehr schnelle
Rückfederung
aufweist, wenn die Deformationen hoch sind und die Rückfederung
viel geringer ist, wenn die Deformationen gering sind. Dank der Vorverdichtung
weist der elastische Körper
sogar bei kleinen Deformationen einen Betriebsbereich mit schneller
Rückfederung
auf. Die Reaktionsfähigkeit dieses
elastischen Körpers
ist daher immer hoch.
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Um
optimale Eigenschaften des Reifens 1 zu erreichen, hat
er eine flexible Membran 9 mit hoher Zugfestigkeit, das
heißt,
sie ist im wesentlichen nicht ausdehnbar.
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Diese
flexible Membran 9 in einer Schnittebene, die durch die
Achse 2b läuft,
ist in Kontakt mit der Stützschicht 6 und
grenzt vorzugsweise an die Außenschicht 5 an.
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Die
flexible Membran 9 folgt im wesentlichen der Form der Lauffläche 7,
insbesondere in einer Schnittebene, die durch die Achse 2b des
Rads 2 verläuft,
wobei diese flexible Membran 9 das Profil eines Umfangsbogens
hat, von der Dicke von ca. 1 mm, wie in 1 gezeigt
ist, während
in einer Schnittebene, die senkrecht zu der Achse 2b steht,
hat diese Membran 9 die Form eines Rings, der als Mittelpunkt
den Mittelpunkt des Rads 2 hat, wie in 3b gezeigt
ist.
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Die
flexible Membran 9 ist vorzugsweise aus einem Fadengewebe
zusammengesetzt, das um zwei oder mehr Seile 9a gewickelt
ist, die im wesentlichen nicht ausdehnbar und kontinuierlich sind,
die an den zwei Enden der Membran 9 positioniert sind, die
den gesamten Reifen 1 einschließt. Diese Fäden sind vorzugsweise aus einem
Material mit einer hohen Zugfestigkeit zusammengesetzt, z. B. Aramidfaser
oder ähnlichem.
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Ähnliche
Membrane werden verwendet, um den Körper von manchen Luftreifen
für Fahrräder oder
Motorräder
herzustellen und haben den Vorteil einer hohen Zugfestigkeit in
der Zugebene der Membran, während
sie ausreichend flexibel bleibt.
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Die
Membran 9 komprimiert radial die innere Stützschicht 6 in
Volumenprozent in einem Bereich von 10% bis 20%. Die Kompression
wird einfach durch Verringern der Höhe des Abschnitts der Stützschicht 6 um
einen Prozentsatz im Bereich von 10% bis 20% herbeigeführt und
die anderen Größen des Abschnitts
und des Umfangs des Rads bleiben im wesentlichen unverändert.
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Außerdem bestimmt
die Vorverdichtung der Stützschicht 6 die
Steifheit des Reifens 1 und dadurch weniger Haftung auf
der Asphaltstraßenoberfläche.
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Die
Haftung auf der Asphaltstraßenoberfläche, bestimmt
durch den Reifen 1, kann durch das Vorhandensein eines
Versteifungselements 10 verbessert werden, das in der Mitte
des Reifens 1 positioniert wird, in einer Schnittebene,
die durch die Achse 8a läuft.
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Das
Versteifungselement 10 hat eine hohe Biegesteifigkeit hinsichtlich
den vertikalen Lastkräften
und dehnt sich daher vorzugsweise hauptsächlich in eine Richtung aus,
die senkrecht zum Boden 8 steht.
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Es
kann verschiedene Gestalten haben. In der bevorzugten Lösung hat
der Körper 10 einen dreieckigen
oder trapezförmigen
Schnitt und ist einstückig,
in einem Stück
mit der Membran 9 verbunden, wie in 1 gezeigt
ist.
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In
diesem Fall kann das Element 10 durch das gleiche Gewebe
von Fäden
zusammengesetzt sein, aus welchem die Membran 9 zusammengesetzt ist.
Diese Lösung
erweist sich als überzeugend
bezüglich
Gewicht und Kraftverteilung.
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Alternativ
kann das Element 10 separat von der Membran 9 vorgesehen
sein, wie in 4 gezeigt ist und ist aus einem
Kompositfasermaterial zusammengesetzt, mit Aramid- oder Karbonfasern,
mit einer Matrix in kompakten Polyurethan oder anderen Harzen.
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Das
Vorhandensein des Versteifungskörpers 10 reduziert
die Haftung des Reifens 1 auf dem Boden 8 erheblich.
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Der
Betrieb des Versteifungselements 10 ist schematisch in 3a und 3b gezeigt,
wobei der Betrieb von Rädern 2 mit
diesem Element 10 (3b) und
Rädern
ohne diesem Element 10 schematisch verglichen werden.
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Es
kann beachtet werden, dass das Versteifungselement 10 in
einer zur Achse 8a senkrechten Ebene einen großen Abschnitt
vom Reifen 1 mit lokalen Deformationen aufweist.
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Es
ist vorgegeben, dass das Element 10 die Elastizität und demnach
die Dämpfung
des Reifens 1 nicht verringert, der sich gemäß dem in 3b gezeigten
Diagramm deformieren kann.
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Außerdem verringert
das Versteifungselement 10 nicht die Haftung des Reifens 1 in
der Nähe der
nicht zentralen Abschnitte der Lauffläche 7, d. h. die Abschnitte
der Lauffläche,
die während
der Kurvenfahrt in Kontakt mit dem Boden kommen. Daher ist die Haftung
des Reifens 1 bei der Kurvenfahrt nicht verringert.
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Wenn
der Reifen 1 vertikal durch die Gravitationskraft gezogen
wird und gegenüber
der horizontalen Achse 8a in einem Winkel α verkippt
wird, ist der Einfluss des Elements 10 folglich tatsächlich eingeschränkter.
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Schließlich vergrößert dieses
Element 10 beträchtlich
die Lastverteilung auf dem Reifen 1, in der Ebene, die
senkrecht zur Achse 8a steht, wegen ihrer erhöhten Steifigkeit.
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Die
Erfindung erreicht wichtige Vorteile.
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In
der Tat hat der Reifen 1 im wesentlichen die selben Rolleigenschaften
und den Komfort wie Luftreifen, ohne durch Einstechen gefährdet zu
sein.
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Ein
weiterer Vorteil ist das geringe Gewicht. In der Tat hat Reselgit
microcellulare, aus dem die meisten der Reifen zusammengesetzt sind,
ein spezifisches Gewicht im Bereich von 0,2 bis 0,8 kg/dm3.