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Diese Erfindung betrifft einen lasttragenden, nicht
expansiblen, luftlosen Reifen (kurz "NPT") mit einem
verbesserten "Fahrverhalten", das auf einen ringförmigen
Elastomereinsatz zurückzuführen ist, der als "das
Fahrverhalten verbessernder Einsatz", "Fahreinsatz" oder kurz
"Einsatz" bezeichnet wird, weil er innerhalb der
Versteifung entweder unmittelbar unter der Umfangsmittellinie der
Versteifung oder als Laminat innerhalb der Versteifung
eingeschlossen ist, worin der Außenumfang des Einsatzes sich
über die Umfangsmittellinie der Versteifung nach oben
erstreckt. In jedem Fall umgreift der Einsatz in
Umfangsrichtung die Außenfläche einer Radfelge, woran der NPT
angebracht ist. Die Abkürzung "NPT" wird hier verwendet, um
jeden luftlosen Reifen zu bezeichnen, der eine mittlere,
lasttragende Versteifung aus Elastomermaterial aufweist.
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Der Aufbau des luftlosen Reifens (NPT) selbst ist
nicht in irgendemem Maße kritisch, solange er eine
lasttragende, integrierte Basis aufweist, die eine den Einsatz
tragende Versteifung gemeinsam mit der des luftlosen
Reifens aufweist. Mehrere luftlose Reifen aus dem Stand
der Technik wurden mit lasttragenden Versteifungen
aufgebaut, aber Versteifungen, die den größten Nutzen daraus
ziehen, in Übereinstimmung mit dieser Erfindung abgeändert
zu werden, sind jene, die eingehender in der US-A-4 832 098
(Palinkas und Page) mit dem Titel "Luftloser Reifen mit
Trage- und Polstereinrichtung"; in der US-A-4 921 029 mit
dem Titel "Trapezförmiger, luftloser Reifen mit Trage- und
Polstereinrichtung" für Palinkas und Pajtas; in der US-A-
4 934 425 für Gajewski et al. mit dem Titel "Luftloser
Reifen"; in der US-A-5 023 040 für Gajewski et al. mit dem
Titel "Verfahren zur Herstellung eines luftlosen Polyurethan-
Reifens" beschrieben ist. Ein Reifen gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 ist bekannt aus der europäischen
Patentanmeldung EP-A-0 401 564 und der japanischen Patentanmeldung
Heisei 2-179503 für Hirayama. Die US-A-3 018 809 zeigt eine
andere Art eines luftlosen Reifens ohne Versteifung.
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In jedem Fall weist der luftlose Reifen ebene,
entgegengesetzt ausgerichtete, abgewinkelte Rippen auf, welche
die Verstärkung an ihren entgegengesetzten Seitenflächen
hinterschneiden, und die Verstärkung hält innere und äußere
Ringe in radial beabstandeter, getrennter Zuordnung. Der
luftlose Reifen ist aus einem Elastomermaterial
hergestellt, am meisten bevorzugt aus Polyurethan. In
Übereinstimmung mit dieser Erfindung ist jeder solche luftlose
Reifen integriert mit dem Einsatz ausgebildet.
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Der neuartige Einsatz wird als "zentraler Fahreinsatz"
oder "RI" bezeichnet, wenn die Versteifung an der
Oberfläche der Radfelge in der Umfangsmittelebene eines luftlosen
Reifens mittig angeordnet ist, wie in den Patenten '098 und
'029.
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In jedem Radfahrzeug dient ein luftloser Reifen (NPT)
mit integriert ausgebildetem Fahreinsatz, der Kürze halber
durch die Abkürzung "NPT/RI" bezeichnet, zur Steigerung des
"Fahrkomforts", der vom luftlosen Reifen ohne den
Fahreinsatz geboten wird. Wie erwartet werden kann, kann der
NPT/RI auf der Felge eines jeden herkömmlichen
Fahrzeugrades oder einer anderen, zylindrischen Montagefläche
angebracht werden, um eine polsternde Wirkung zu liefern, wenn
das Fahrzeug über eine Oberfläche hinwegläuft.
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Es ist bekannt, daß der Fahrkomfort in einem
Radfahrzeug, das mit einem luftlosen Reifen aus dem Stand der
Technik ausgestattet ist, der eine feste, zentrale
Versteifung aufweist, in bemerkenswerter Weise nicht den Komfort
erreicht, der vom selben Fahrzeug geboten wird, das mit
einem Radial-Luftstreifen aus dem Stand der Technik
ausgestattet ist. Obwohl dies bei Fahrgeschwindigkeiten auf
einer glatten Schnellstraße genug erkennbar ist, wird es aber
als geringerer Nachteil angesehen; die Fahrt wird dann
unbequem, wenn das laufende Rad auf eine Bruchstelle in der
glatten Pflasterung auftrifft, oder das Fahrzeug auf einer
unbefestigten Straße betrieben wird.
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Der Grund ist der, daß auf einer glatten Schnellstraße
die Lastverteilung so gleichförmig ist, daß die
abgewinkelten Rippen des luftlosen Reifens kleinere Stöße schlucken
und verteilen, die zuerst durch den äußeren Ring übertragen
werden. Wenn das Rad auf ein Hindernis auftrifft, das einen
größeren Stoß erzeugt, dann wird genügend von der Belastung
unmittelbar durch die Versteifung hindurch übertragen, daß
man eine beträchtliche Unbequemlichkeit verspürt. Der Grund
dafür ist es, daß die vertikale Versteifung gestaucht wird,
weil sie im wesentlichen inkompressibel ist, obwohl sie
daran gehindert ist, wegen der Rippen auf jeder Seite der
Versteifung gebogen zu werden. Ein solches Stauchen dient
dazu, die Fahrt zu verbessern, aber es hat sich
herausgestellt, daß die Fahrt in hohem Umfang verbessert ist, wenn
die größeren Stöße, auf die das Rad auftrifft, besser
geschluckt werden können, als sie es von einer herkömmlichen,
zentralen Versteifung werden. Das Problem ist es, den
Fahrkomfort zu verbessern, der vom luftlosen Reifen geboten
wird, ohne seine bauliche Festigkeit zu verringern und ohne
seine anderen, in hohem Maße wünschenswerten Merkmale in
Mißkredit zu bringen.
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Die offensichtliche Wahl zum Lösen des Problems ohne
Eingriff in die bauliche Ausbildung des luftlosen Reifens
ist es, ihn mit einer dicken, weichen Lauffläche zu
versehen. Abgesehen davon, daß eine solche Lauffläche eine kurze
Betriebslebensdauer hätte, wäre sie auch unpraktisch. Jede
andere Lösung würde es notwendigerweise erfordern, daß man
irgendeme Änderung in der vorliegenden Struktur des
luftlosen Reifens vorzunehmen hätte. Um ein Elastomerteil in
einen luftlosen Reifen einzusetzen, würde schon vom Konzept
her als unangebracht erscheinen, wegen des bekannten
Wärmeaufbaus des schlauchlosen Reifens in der mittleren Zone
während des Betriebes. Wir haben jedoch herausgefunden, daß
die Anwesenheit des Fahreinsatzes die vorliegende Funktion
der Versteifung als lasttragendes Teil während des normalen
Betriebs offensichtlich nicht ändert, sondern es der
Versteifung gestattet, auch als Stoßdämpfer wirksam zu sein.
Weil der Fahreinsatz an der Basis der Versteifung
angeordnet ist, wird er nicht nachteilig vom Wärmeaufbau im
mittleren Abschnitt des luftlosen Reifens beeinflußt; und weil
der Fahreinsatz an der äußeren Oberfläche einer Radfelge
mittig angeordnet ist, an welcher der luftlose Reifen
ausgebildet ist, kann die Zone, die den Fahreinsatz (RI)
enthält ("RI-Zone") beluftet werden.
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Unter Bezugnahme auf die '098- und '029-Patente wird
es evident, daß die Effektivität, mit welcher der luftlose
Reifen die Last verteilt, in erster Linie seinem
einheitlich ringförmigen ("Ring") Aufbau zuzuschreiben war, der
die statische und dynamische Last durch die Ringstruktur
hindurch übertragen und verteilt hatte, schließlich bis auf
den inneren Ring, der auf der Radfelge verankert war. Da in
einer typischen Situation die Radfelge sich auf einem
angetriebenen Rad eines Fahrzeugs befindet, muß die Verbindung
zwischen dem inneren Ring des luftlosen Reifens und der
Oberfläche der Radfelge, an der der luftlose Reifen
angebracht ist, imstande sein, dem Drehmoment zu widerstehen,
das während des Betriebs des Fahrzeugs erzeugt wird. Dies
erzeugt ein Problem bei einer solchen Befestigung des
luftlosen Reifens auf einer Radfelge zur Verwendung als ein
Straßenrad, daß der luftlose Reifen nicht von der
Fliehkraft abgeworfen wird. Die Lösung für das Problem wird bei
einem herkömmlichen luftlosen Reifen vereinfacht, weil die
gesamte Fläche des inneren Rings (Umfangsbasis des
luftlosen Reifens) durch Kleber am Umfang der Radfelge befestigt
ist.
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Um das Fahrverhalten des luftlosen Reifens dadurch zu
verbessern, daß man ihn auf der Radfelge abpolstert, war es
die offensichtliche Vorgehensweise, eine weiche, dicke
Lauffläche am Umfang des luftlosen Reifens vorzusehen, um
die herkömmliche, verhältnismäßig dünne, feste, harte
Gummi-Lauffläche zu ersetzen, und auch ein Basispolster aus
Elastomer zwischen dem luftlosen Reifen und der Radfelge
vorzusehen, welches Basispolster nachgiebiger war als der
luftlose Reifen. Die weiche, dicke Lauffläche verbessert
sicherlich den Fahrkomfort wegen des "Kisseneffekts", wobei
die Fahrt umso komfortabler ist, desto dicker und weicher
die Lauffläche ist. Eine weiche, dicke Lauffläche
vermindert jedoch die Handhabung und die Straßentauglichkeit des
Fahrzeugs. Zusätzlich ist die Langlebigkeit der Lauffläche
drastisch verkürzt. Aus den vorangehenden Gründen ist eine
dickere, weichere Lauffläche eine schlechte Wahl.
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Die Alternative, nämlich die Anordnung einer
abpolsternden Basis ("Basispolster") würde ernsthafte Probleme
hinsichtlich (i) der Verbindung des luftlosen Reifens mit
dem Material der Wahl für das Basispolster, und (ii) der
Tolerierung der hohen Drehmomentbelastung in der Basis
infolge der Beschleunigung und Verzögerung des Fahrzeugs
bieten, selbst wenn die Verbindung zwischen dem luftlosen
Reifen und dem Basispolster hervorragend wäre. Diese Lösung
würde tatsächlich das Herausfinden eines Elastomers
erfordem, welches für die gewünschte "Abpolsterung" sorgen
würde und es gleichzeitig dem neuen Elastomer gestatten würde,
wirksamer mit dem luftlosen Reifen verbunden zu werden. Es
war unmittelbar erkennbar, daß diese Suche eine zu
entmutigende Bemühung war. Außerdem ist es nicht bekannt, wie man
ein Basispolster auswählen kann, welches sich mit der
eigentümlichen Funktion der hinterschnittenen, ebenen,
entgegengesetzt angeordneten, abgewinkelten "Rippen" oder
"Speichen" im luftlosen Reifen vermischt, welche einen Aufbau
bilden, um sicherzustellen, daß sich die Rippen nicht
biegen. Statt der Biegung werden sie gestaucht, wenn die
kritische Last überschritten ist. Es ist diese eigentümliche,
charakteristische Polsterung innerhalb der Druckverformung
des luftlosen Reifens im normalen Gebrauch, gekoppelt mit
der Stauchung der Rippen, wenn die kritische Last
überschritten ist, welche ursächlich ist, dabei dem luftlosen
Reifen die "Fahrt"- und "Handhabungs"-Eigenschaften zu
verleihen, die nahezu jenen eines herkömmlichen Luftreifens
unter normalen Betriebsbedingungen auf einer glatten
Schnellstraße ähnlich kommen können. Es ist kein
Elastomerlaminat bekannt, das einen betriebsfähigen und erst recht
zuverlässigen und dauerhaften, luftlosen Reifen bildet.
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Diese Erfindung ist auf eine Lösung gerichtet, die die
Festigkeit des luftlosen Reifens nicht mindert, seine
Handhabungsmerkmale nicht verringert, aber sein "Fahrverhalten"
in hohem Umfang verbessert.
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Es wurde entdeckt, daß, wenn ein luftloser Reifen
einstückig mit einem "RI" (Fahreinsatz) versehen ist, um einen
NPT/RI zu bilden, der Fahrkomfort eines Fahrzeugs, das mit
NPT/RIs ausgestattet ist, verbessert ist. Der geförderte
Fahrkomfort ("Verbesserung des Fahrverhaltens") ist, wie
geglaubt wird, einer Polsterwirkung des Einsatzes
zuzuschreiben, der nachgiebiger ist als der luftlose Reifen.
Weil der luftlose Reifen mit Fahreinsatz (NPT/RI)
unmittelbar unter der lasttragenden Versteifung eines luftlosen
Reifens nahe ihrer Basis angeordnet ist, ist der Einsatz
überraschend unempfindlich gegenüber Spannungs- und
Wärmebelastungen, die vom Betrieb des luftlosen Reifens mit
Fahreinsatz erzeugt werden, wie mehr im einzelnen hier
nachfolgend erläutert wird.
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Es ist deshalb ein allgemeines Ziel dieser Erfindung,
einen luftlosen Reifen vorzusehen, der einteilig über einem
Elastomerteil (oder "Einsatz") geformt wurde, das in
Umfangsrichtung in derselben Vertikalebene wie jene
angeordnet ist, in welcher die Versteifung des luftlosen Reifens
liegt. Bevorzugt ist der luftlose Reifen einstückig über
einem mittigen Einsatz abgeformt, der auf dem Umfang einer
Radfelge angeordnet ist, in einer Mittelebene rechtwinklig
zur Drehachse der Radfelge, in welcher Ebene auch die
mittige Versteifung des luftlosen Reifens liegt.
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Es wurde auch entdeckt, daß ein mittiger
Elastomereinsatz, der weniger als 50% der Fläche der Basis des
luftlosen Reifens unmittelbar unter seiner mittigen Versteifung
einnimmt und sich vertikal über weniger als die Hälfte der
Höhe der Versteifung erstreckt, das Fahrverhalten des
luftlosen Reifens mit Fahreinsatz verbessert, wenn er einer
Überlastung unterzogen wird, ohne wesentlich die Auslenkung
der Struktur des luftlosen Reifens selbst zu beeinflussen,
wenn der luftlose Reifen mit Fahreinsatz über eine flache
Oberfläche läuft; die Verbesserung im Fahrverhalten ist
besonders dann spürbar, wenn der luftlose Reifen mit
Fahreinsatz einem plötzlichen, großen Stoß unterzogen wird, der
durch die Fahrt über eine Querleiste erteilt wird, welcher
Stoß hinlänglich groß ist, die Struktur des luftlosen
Reifens selbst im Bereich unmittelbar über der Querleiste
einzustauchen.
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Es ist deshalb ein allgemeines Ziel dieser Erfindung,
einen luftlosen Reifen aus dem Stand der Technik aus einem
einstückig abgeformten ersten Elastomer mit einem
ringförmigen, einstückig abgeformten Fahreinsatz aus einem zweiten
Elastomer zu integrieren, welches zweite Elastomer dieselbe
chemische Struktur wie das erste oder eine unterschiedliche
haben kann, vorausgesetzt, der Fahreinsatz sorgt für ein
Federungsmaß, das geringer ist als das der Versteifung ohne
den Fahreinsatz. Der ringförmige Fahreinsatz kann (i) ein
hohler Ring oder (ii) ein offen- oder geschlossen-zelliger
Schaumring sein, wobei jeder dieser Ringe eine
Querschnittsform aufweisen kann, die beliebig ist. Der
Fahreinsatz ist bevorzugt mindestens so breit wie die Versteifung
oberhalb des Fahreinsatzes, aber weniger breit als die
Hälfte der axialen Länge des inneren Ringes. Wenn das
zweite Elastomer dieselbe chemische Struktur hat wie das erste,
sind seine physikalischen Eigenschaften unterschiedlich.
Der Einsatz ist nicht abnehmbar in der Versteifung
gehalten, ohne in die normale Funktion und den normalen Betrieb
des luftlosen Reifens einzugreifen, doch der Einsatz
fördert das Fahrverhalten, das von luftlosen Reifen ohne
Fahreinsatz erbracht wird.
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Es wurde noch weiter entdeckt, daß irgendeme der
vorausgehenden Ausführungsformen eines Fahreinsatzes und
insbesondere eines Ringes aus porösem Elastomer oder eines
rohrförmigen Ringes mit einem Querschnittsdurchmesser, der
mindestens so breit ist wie die Versteifung oberhalb des
Fahreinsatzes, aber weniger breit als eine Hälfte der
axialen Länge des inneren Ringes, eine überraschend große
Wirkung auf das Maß der Federung des luftlosen Reifens
aufweist,
wenn er in hohem Maße über einer Querleiste
ausgelenkt wird, und eine Verringerung im Federungsmaß, wenn er
über einer glatten, laminaren Oberfläche ausgelenkt wird.
Ein analoger Effekt wird mit einem rohrförmigen Ring aus
natürlichem oder künstlichem Harzmaterial, wie etwa
natürlichem Gummi oder Polyethylen, erzielt, welcher Ring
mindestens so breit ist wie die Versteifung oberhalb des
Einsatzes, aber weniger breit wie die Hälfte der axialen Länge
des inneren Reifens.
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Es ist ein noch anderes, spezifisches Ziel dieser
Erfindung, eine dünnwandiges Gummirohr als Elastomereinsatz
vorzusehen, das einstückig in einen luftlosen Reifen aus
Polyurethan eingeformt ist und im wesentlichen gegenüber
der Radfelge von der Mittelversteifung des luftlosen
Reifens eingekapselt ist. Ein solches Rohr hat eine
überraschend große Auswirkung auf das Federungsmaß des luftlosen
Reifens, wenn er über einer Querleiste ausgelenkt wird, und
erbringt eine Verringerung im Federungsmaß, wenn er über
einer glatten, laminaren Oberfläche ausgelenkt wird. Am
meisten bevorzugt ist ein Rohr aus natürlichem oder
künstlichem Gummi mit einer Bohrung im Bereich von etwa 0,1 Zoll
bis etwa 0,75 Zoll (hauptsächlich in Abhängigkeit von den
Gesamtabmessungen des luftlosen Reifens), welches Rohr
unter einer Last von 8 Unzen zusammengedrückt wird.
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Es ist ein weiteres, spezifisches Ziel dieser
Erfindung, eine ringförmige Scheibe aus Kunstharzschaum
vorzusehen, die vertikal in der Mittelumfangsebene einer Radnabe
angeordnet ist, auf welche dann ein luftloser Reifen aus
Polyurethan im Schleuderguß aufgebracht wird. Das Ergebnis
ist ein "Versteifung-in-der-Versteifung"-Laminat, wobei die
mittige Scheibe aus Schaum oder ein gasdurchlässiges,
poröses Rohr als Fahreinsatz funktioniert, welcher Fahreinsatz
eine überraschend hohe Wirkung auf das Federungsmaß des
luftlosen Reifens hat, der eine massive
Polyurethan-Versteifung aufweist, d.h. ohne mittige Scheibe aus Schaum.
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Es ist das spezifischste Ziel dieser Erfindung, einen
Luftreifen mit Fahreinsatz vorzusehen, der eine Leistung
hat, die mit einem "Klein-Reserverad" vergleichbar ist, das
gegenwärtig in einem Kraftwagen benutzt wird. Der luftlose
Reifen mit Fahreinsatz kann auch in Verwendungsfällen, die
nichts mit Kraftfahrzeugen zu tun haben, benutzt werden,
beispielsweise bei Laufrollen und Gepäckkarrenrädem, wo
der Umfangsdurchmesser des luftlosen Reifens mit
Fahreinsatz im Bereich von 6 bis 16 Zoll liegt, mit einer
Laufflächenbreite im Bereich von 2 Zoll bis 4 Zoll, und bei
Gabelstaplerreifen mit einem Umfangsdurchmesser des luftlosen
Reifens mit Fahreinsatz von bis zu etwa 26 Zoll und mit
einer Laufflächenbreite von bis zu etwa 7 Zoll.
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Die vorangehenden und zusätzliche Ziele und Vorteile
der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die nachfolgende,
detaillierte Beschreibung am besten verstanden, die von den
schematischen Darstellungen bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung begleitet werden, wobei in diesen
Darstellungen gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Elemente
beziehen, und in welchen:
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Fig. 1 eine Seitenansicht eines luftlosen Reifens mit
Fahreinsatz ist, der an einer Radfelge angebracht ist und
den Fahreinsatz in gestrichelter Umrißlinie zwischen den
inneren und äußeren Rippen des luftlosen Reifens zeigt,
wobei ein Abschnitt der Lauffläche abgebrochen ist.
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Fig. 2 ist eine Teil-Seitenansicht eines Abschnitts
des ringförmigen Körpers des luftlosen Reifens mit
Fahreinsatz, ob er nun einen insgesamt rechteckigen Querschnitt
aufweist und bezeichnet wird als rechteckiger luftloser
Reifen oder RNPT/RI oder einen trapezförmigen Querschnitt
aufweist und bezeichnet wird als TNPT/RI, wobei der
Fahreinsatz in gestrichelter Umrißlinie zwischen dem inneren
und äußeren Ring des luftlosen Reifens sowie ein Abschnitt
der Lauffläche gezeigt ist.
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Fig. 3 ist ein Aufriß in einer Radialebene und zeigt
den rechteckigen luftlosen Reifen mit Fahreinsatz unter
Bedingungen "ohne Last", wie durch den im wesentlichen
gleichförmigen Querschnitt eines Schaum-Fahreinsatzes
angezeigt ist, der einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
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Fig. 4 ist ein Aufriß in einer Radialebene und zeigt
den trapezförmigen luftlosen Reifen mit Fahreinsatz unter
Bedingungen "ohne Last", wie angezeigt wird durch den im
wesentlichen kreisförmigen Querschnitt eines dünnwandigen,
rohrförmigen Fahreinsatzes mit ringförmigem Querschnitt.
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Fig. 5 ist ein Aufriß in einer Radialebene und zeigt
den trapezförmigen luftlosen Reifen mit Fahreinsatz der
Fig. 4 unter Hochlastbedingungen, wie durch die Stauchung
der mittleren Versteifung infolge des Stoßes bei einer im
wesentlichen ebenen gepflasterten Oberfläche angezeigt ist.
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Fig. 6 ist eine schematische Darstellung einer im
wesentlichen ringförmigen Scheibe aus Polyurethanschaum, die
so angeordnet ist, daß sie mittig in einer Versteifung
eingeschlossen ist, um ein
Versteifung-in-der-Versteifung-Laminat zu bilden. Die Basis der ringförmigen Scheibe ist
leicht vergrößert, wo sie an der äußeren Oberfläche der
Radfelge (nicht gezeigt) befestigt ist.
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Fig. 7 ist eine schematische Darstellung im Aufriß in
einer Radialebene eines trapezförmigen luftlosen Reifens
mit Fahreinsatz mit einem insgesamt rechteckigen
Fahreinsatz aus geschäumtem Polyurethan, wobei der Fahreinsatz
eine bogenartige obere Fläche aufweist, und wobei sich der
trapezförmige, luftlose Reifen mit Fahreinsatz unter
lastfreien Bedingungen befindet.
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Fig. 8 ist eine schematische Darstellung im Aufriß in
einer Radialebene eines trapezförmigen luftlosen Reifens
mit Fahreinsatz mit einem dünnwandigen (etwa 0,0675 Zoll
dick) rohrförmigen Einsatz (0,75 Zoll Außendurchmesser und
0,625 Zoll Innendurchmesser), der, nachdem er in einen
trapezförmigen, luftlosen Reifen mit Fahreinsatz eingeforint
wurde, zu einer länglichen Form, die 1 Zoll hoch und etwa
0,2 Zoll breit ist, zusammengedrückt wurde.
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Da in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel das
massive Elastomermaterial des luftlosen Reifens zu einer
Struktur geformt wird, die eine Versteifung aufweist und
entgegengesetzt gerichtete Rippen verbindet, die sich nicht
biegen können, sondern sich unter Drucklast stauchen müssen,
ist es nicht überraschend, daß die Fahrt nicht ein echtes
Abbild der eines Luftreifens bildet, sondern das
Fahrverhalten lediglich imitiert. Ein spezifisches
"Elastomermaterial" ist eines mit einer Shore-Härte von 60A bis 75D und
einem Druckmodul (bei einem Formfaktor von 0,5 und 10%
Zusammendrückung) von 1.000 bis 50.000 Pfund pro Quadratzoll,
bevorzugt 80A bis 53D und einem Kompressionsmodul von 3.000
bis 10.000 Pfund pro Quadratzoll. Bevorzugte Materialien
sind Polyurethan, natürlicher Gummi, Polybutadien,
Polyisopren, Ethylen-Propylen-nichtkonjugiertes-Dien Terpolymer,
Copolymere von Butadien mit Acrylnitril und mit
Methacrylnitril, Styrole und Acrylate. Das meist bevorzugte
Elastomer ist Polyurethan.
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In der am meisten bevorzugten Ausführungsform ist der
Aufbau des luftlosen Reifens ein ringförmiger Körper aus
Elastomer mit einem äußeren Ringteil und einem inneren
Ringteil, das koaxial ist zum äußeren Ring. Die Ringe sind
durch eine mittige Versteifung in ihrer gemeinsamen
Mittelaxialebene
verbunden. Abgewinkelte Rippen verbinden den
inneren und äußeren Ring auf jeder Seite der Versteifung,
wobei die Rippen auf der einen Seite der Versteifung
entgegengesetzt sind bezüglich denen auf der anderen. Die Rippen
werden bevorzugt mindestens nahe ihren Basisteilen
hinterschnitten (wo sie an den inneren Ring angefügt sind). Der
gesamte luftlose Reifen ist in typischer Weise als eine
Einheit unmittelbar auf eine Radfelge aufgeformt, nachdem
der mittige Einsatz aus Elastomer ("RI") auf die Oberfläche
der Radf elge aufgesetzt wurde. Einzelheiten des
rechteckigen und des trapezförmigen luftlosen Reifens und die
Verfahren zu deren Herstellung sind offenbart in den oben
erwähnten US-Patenten Nrn. 4 832 098, 4 921 029, 4 934 425
und 5 023 040, und nur wesentliche Einzelheiten zum
Verständnis und zur Betonung des Umfangs dieser Erfindung
werden hier vorgebracht.
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Der am meisten bevorzugte Aufbau des oben
beschriebenen luftlosen Reifens ist in den Fig. 1, 2, 3 und 4
dargestellt, worin ein luftloser Reifen, der insgesamt mit dem
Bezugszeichen 10 bezeichnet ist, auf einem Rad 12 zur
Drehung um eine (Längs-)Achse 14 angebracht gezeigt ist. Der
luftlose Reifen 10 weist einen ringförmigen Körper 16 aus
federndem Elastomermaterial auf, mit einem äußeren
zylindrischen Teil (äußerer Ring) 18 und einem inneren
zylindrischen Teil (innerer Ring) 22. Der innere Ring 22 ist
koaxial zum äußeren Ring 18 und erstreckt sich ebensoweit wie
dieser beim rechteckigen luftlosen Reifen. Beim
trapezförmigen luftlosen Reifen ist der innere Ring 22 koaxial zum
äußeren Reifen 18, ist aber nicht so breit wie dieser, um
dem trapezförmigen luftlosen Reifen seine trapezförmige
Ausbildung zu verleihen, die im Querschnitt in Fig. 4 zu
sehen ist. Der innere Ring 22 ist an die äußere
zylindrische Oberfläche 24 eines Radfelgenteils 12 angeklebt. Der
äußere Ring 18 trägt an seiner Außenoberfläche eine
Gummilauffläche 20.
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Der äußere Ring 18 ist von einer vorderen Gruppe aus
einer Vielzahl mit Abstand getrennter, abgewinkelter Rippen
26, einem Versteifungsteil ("Versteifung") 32 und einer
hinteren Gruppe entgegengesetzt abgewinkelter Rippen 30
getragen oder abgepolstert (die in gestrichelter Umrißlinie
gezeigt sind). Auch in gestrichelter Umrißlinie gezeigt ist
der Fahreinsatz 40, der eng über die äußere Zylinderfläche
24 der Radnabe 12 aufgesetzt wird, bevor der Fahreinsatz in
der Versteifung 32 eingeschlossen wurde. Die Versteifung 32
ist auf der einen Seite ihrer Seitenfläche 32a mit Rippen
26 der vorderen Gruppe verbunden, und die Versteifung ist
auf ihrer anderen Seitenfläche 32b mit der hinteren Gruppe
von Rippen 30 verbunden.
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Es wird auf die Fig. 3 und 4 Bezug genommen; es ist zu
ersehen, daß das ebene Versteifungsteil 32 in der Mitte
zwischen den axialen Enden des inneren und äußeren Rings 18
und 22 für den rechteckigen luftlosen Reifen angeordnet
ist; und in der Mitte zwischen dem inneren und äußeren Ring
18' und 22' für den trapezförmigen luftlosen Reifen. Die
Versteifung 32 ist an ihrem inneren Umfang 32c mit dem
inneren Ring 22 verbunden und ist an ihrem äußeren Umfang 32d
mit dem äußeren Ring 18 für den rechteckigen luftlosen
Reifen verbunden; und mit dem inneren Ring 22' und dem äußeren
Ring 18' für den trapezförmigen luftlosen Reifen. Die
verschiedenartigen Rippenteile 26 und 30 (Fig. 2) des
rechtekkigen luftlosen Reifens sind an ihren radial äußeren Enden
mit dem äußeren Ring 18 verbunden und an ihren radial
inneren Enden mit dem inneren Ring 22; und die Rippen des
trapezförmigen luftlosen Reifens sind an ihren radial äußeren
und inneren Enden mit dem äußeren Ring 18' bzw. dem inneren
Ring 22' verbunden. Die Rippen 26 und 30 sind bevorzugt
dort, wo ihre Enden die Verbindung mit dem inneren und
äußeren Ring herstellen, wie an der Stelle 34 gezeigt,
hinterschnitten,
um die Flexibilität der Verbindungen zu
fördem.
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Die Rippenteile 26 erstrecken sich insgesamt axial
längs des inneren und äußeren Rings 22 und 18 (Fig. 3),
und, wie in Fig. 1 gezeigt, sind unter einem Winkel A im
Bereich von 15 bis 75 gegenüber radialen Ebenen R
geneigt, die sie an ihren Verbindungsstellen mit dem inneren
Ring 22 schneiden. In dem spezifischen und am meisten
bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die erste Gruppe axialer
Rippen 26 und die zweite Gruppe axialer Rippen 30 jeweils
unter demselben Winkel zu den Radialebenen R geneigt, die
sie an ihren radial inneren Enden schneiden, aber die
Winkel der ersten Rippen 28 sind bevorzugt bezüglich der
Radialebenen R (Fig. 1) entgegengesetzt zu den Winkeln der
zweiten Rippen 30 gerichtet. Somit, wie in Fig. 3 zu sehen,
verläuft die erste Rippe 26 von den Schnittlinien nach oben
zum Herstellen einer Verbindung mit dem äußeren Ring 18,
während die zweite Rippe 30 von den Schnittlinien aus nach
unten verläuft, um eine Verbindung mit dem inneren Ring
herzustellen.
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Die Breite der Versteifung Q wird vom Einsatz des
luftlosen Reifens und auch von den Gesamtabmessungen des
luftlosen Reifens abhängen, der so ausgebildet ist, daß er
einem spezifischen Zweck dienen kann. Für kleine
Kraftfahrzeuge, die etwa 1000 kg wiegen, kann die Versteifungsdicke
im Bereich von etwa 2,5 bis 5 mm liegen; und für größere
Kraftfahrzeuge, Kleinlastwagen oder dergleichen kann die
Versteifungsdicke im Bereich von etwa 4 bis 9 mm liegen.
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Wie in Fig. 3 dargestellt, weist ein Fahreinsatz 40
aus einem massiven Ring aus geschlossenzelligem
Polyurethanschaum mit einer Massendichte von etwa 2 Pfund/Fuß³
einen Durchmesser auf, der größer ist als dw, und ist mittig
auf der Oberfläche 24 der Radfelge 12 angeordnet. Wenn der
trapezförmige luftlose Reifen rund um den Fahreinsatz
aufgeformt wird, strömt das flüssige Harz rund um den
Fahreinsatz und die Oberfläche 24 nach unten, wobei es den
Fahreinsatz einschließt und den inneren Ring 22 bildet.
Gleichzeitig werden die Rippen 26 und 30 gebildet, wie es auch
mit dem äußeren Ring 18 ist, der dieselbe Länge to
(gemessen in Achs-Längsrichtung) wie die Länge ti des inneren
Rings 22 aufweist. Die Radfelge ist mit Vorsprüngen 36 und
38 versehen, um den inneren Ring 22 einzuschließen. Die
Dicke di des inneren Ringes 22 ist bevorzugt geringer als
die Dicke do des äußeren Ringes 18, um optimale
Fahrqualitäten beim rechteckigen luftlosen Reifen vorzusehen. Nach
der Aushärtung bei einer Temperatur, die niedriger ist als
jene, die erforderlich ist, um den Fahreinsatz aus Schaum
zu verflüssigen (etwa seine Glasübergangstemperatur Tg)
trägt die Bildung der den Fahreinsatz einschließenden Basis
mit ihren gebogenen Wänden dazu bei, plötzliche, hohe Stöße
des rechteckigen Luftreifens mit Fahreinsatz zu schlucken.
Die Lauffläche 20 ist bevorzugt ein einzelner Streifen aus
vulkanisiertem Gummi, der mit einem Laufflächenmuster
versehen ist, das dazu ausgelegt ist, die Traktion, die
Laufflächenabnutzung und das Geräusch der Gummilauffläche zu
verbessern.
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Während des Betriebes kann Wärme, die in der
Fahreinsatzzone erzeugt wird, eine Temperatur erzeugen, die hoch
genug ist, um den physikalischen Zustand und deshalb die
Leistungsfähigkeit des rechteckigen luftlosen Reifens mit
Fahreinsatz zu beeinflussen, wenn die Zone nicht in
geeigneter Weise gekühlt wird. Zu diesem Zweck sind
Durchgangskanäle 42 in der Radfelge vorgesehen, um es zu ermöglichen,
daß Luft durch sie in die Zone hinein durchgepumpt wird,
die den Fahreinsatz enthält, um eine wünschenswerte
Temperatur in der Zone beizubehalten. Solche Löcher 42 können
weggelassen werden, wenn die Basis der Versteifung nicht
vollständig den Fahreinsatz einschließt oder wenn die
bogenförmige Wand der Basis rund um einen eingeschlossenen
Fahreinsatz wirksam für ausreichende wärmeübertragung
sorgt, um eine Temperatur unter dem Schmelzpunkt oder dem
Tg des Kunstharzmaterials zu halten, der verwendet wird, um
den rechteckigen luftlosen Reifen herzustellen. Ob der
Fahreinsatz 40 nun ein geschlossenzelliger Schaum oder ein
Rohr mit entweder gasundurchlässigen Wänden oder Wänden
ist, die dies nicht sind, oder ob der Fahreinsatz voll von
der Basis der Versteifung eingeschlossen ist oder nur
teilweise eingeschlossen ist, ist es bevorzugt, für eine
zusätzliche Wärmeübertragung an die Umgebungsluft während des
Betriebs zu sorgen. Am meisten bevorzugt ist der
geschlossenzellige Schaum ein Polyurethan oder ein Polyolefin.
-
Wie in Fig. 3 gezeigt, sind vielfache Durchgangskanäle
(Löcher) 42 in der Radfelge vorgesehen, die bevorzugt auf
jeder Seite des Fahreinsatzes gestaffelt sind und zu der
Zone übergehen, wobei diese Kanäle die Zone in offene
Verbindung mit der Umgebungsluft setzen, während sich das Rad
dreht. Da der rechteckige luftlose Reifen mit Fahreinsatz
am bevorzugtesten durch Schleuderguß unter Verwendung
flüssigen Polyurethans abgeformt wird, werden die Löcher 42 mit
entfembaren Stopfen aus Silikongummi (nicht gezeigt)
verstopft, während der rechteckige luftlose Reifen mit
Fahreinsatz gegossen wird. Die Stopfen werden nach Aushärten
des Harzes entfernt.
-
In Fig. 4 ist ein trapezförmiger luftloser Reifen mit
Fahreinsatz gezeigt, bei dem ein dünnwandiger, rohrförmiger
Fahreinsatz 41 aus Naturgummi (gum rubber) in die Basis der
Versteifung 32 auf eine Weise eingeschlossen ist, die
analog ist zu der, die für den rechteckigen luftlosen Reifen
mit Fahreinsatz der Fig. 3 beschrieben wurde. Es wird
ersichtlich, daß die trapezförmige Gestalt das Ergebnis des
Umstands ist, daß der äußere Ring 18' länger (to) ist als
der innere Ring 22' (ti). Die Rippen 26' und 30' sind
entgegengesetzt
abgewinkelt und sind mit der Stirnfläche 32a
bzw. 32b der Versteifung 32 verbunden. Der radial äußere
Umfang der Versteifung 32 stellt eine Verbindung mit dem
äußeren Ring 18' bei 32d her. Wie vorher, ist die Dicke di
des inneren Rings 22' bevorzugt geringer als die Dicke do
des äußeren Ringes 18', um für optimale Fahrqualitäten beim
rechteckigen Luftreifen zu sorgen. Wie auch vorher, wird
das Harz bei einer Temperatur ausgehärtet, die niedriger
ist als die Tg (Glastemperatur) des Gummis des
Fahreinsatzes 41; nach der Aushärtung werden Stopfen (nicht gezeigt)
aus den vielen Kanälen 42 in der Radfelge entfernt, was den
Fahreinsatz in offene Verbindung mit der Umgebungsluft für
Kühlluft verbringt.
-
Es wird auf Fig. 5 Bezug genommen; dort ist
schematisch die Wirkung eines großen Stoßes auf den
trapezförmigen, luftlosen Reifen mit Fahreinsatz der Fig. 4
dargestellt. Die Versteifung des trapezförmigen, luftlosen
Relfens mit Fahreinsatz wird gestaucht, wie durch den
ausgewölbten radialen äußeren und inneren Abschnitt der
Versteifung 32 ersichtlich ist. Weder die Auswölbung des radial
inneren Abschnitts noch die genaue relative Ausrichtung der
gestauchten Rippen 26' und 30' ist deutlich sichtbar in der
Figur). Die Größe des Stoßes ist so, daß der Fahreinsatz
zusammengedrückt wird, aber die Zone, die den Fahreinsatz
enthält, dient dazu, den Stoß wirksamer zu schlucken als
die Versteifung in einem trapezförmigen, luftlosen Reifen
aus dem Stand der Technik.
-
Die Auswirkung des relativen Durchmessers des
Fahreinsatzes auf die Breite der Versteifung wurde nicht
quantitativ festgelegt, aber es ist ohne weiteres ersichtlich, daß
die vorteilhafte Wirkung des Fahreinsatzes sehr gering sein
wird, wenn sein Durchmesser kleiner ist als dw, und die
Aussteifungswirkung der Basis der Versteifung kann zu groß
werden, wenn sich der Durchmesser an die Breite des inneren
Ringes annähert.
-
Ein Bereich von Abmessungen (in Zoll) innerhalb eines
luftlosen Reifens, der herzustellen ist, ist in den
Patenten '098 und '029 ausgeführt, aber die am meisten
bevorzugte Gruppe von Abmessungen für einen luftlosen Reifen zur
Verwendung auf einer herkömmlichen 15 Zoll-Felge sind hier
nachfolgend vorgesehen:
-
worin ro der äußere Radius des ringförmigen Körpers 16 ist,
A der Winkel ist, den die Rippen 26 mit den Radialebenen R
bilden,
-
di die radiale Dicke des inneren Rings ist,
-
do die radiale Dicke des äußeren Rings ist,
-
D die radiale Strecke von der äußeren Oberfläche des
inneren Rings 22 zur inneren Oberfläche des äußeren Rings 18
ist,
-
dw die axiale Dicke der Versteifung ist,
-
ds die Dicke des Rippenteils 26 ist, senkrecht zu seiner
Länge L gemessen,
-
ti die axiale Dicke des inneren Ringes 22 ist,
-
to die axiale Dicke des äußeren Ringes 18 ist, und
-
ri der Radius der Innenoberfläche des inneren Ringes 22
ist.
-
Das Ausmaß, bis zu dem sich der Fahreinsatz radial
nach oben innerhalb der mittigen Versteifung erstreckt, ist
eine Sache der Bildung eines wünschenswerten Kompromisses
zwischen dem Fahrkomfort und der Lebensdauer des luftlosen
Reifens in Gebrauch. Am meisten bevorzugt ist ein Einsatz
entweder teilweise oder gänzlich in die Basis der
Versteifung eingeschlossen. Die Ausbildung des Querschnitts des
Einsatzes ist beliebig, begrenzt von einem Kompromiß
zwischen der Verkleinerung beim Tragen von Last, dem
Fahrkomfort und der Lebensdauer im Betrieb.
-
In der die beste Ausführungsweise darstellenden
Ausführungsform ist der Fahreinsatz bevorzugt als
durchgehender, bevorzugt rohrförmiger Kranz oder Ring ausgebildet,
mit einem Bohrungsdurchmesser, der kleiner ist als die
Breite der Versteifung, um oberhalb und rund um diese
geformt zu werden, und der Innendurchmesser des Ringes ist so
gewählt, daß er eng über die Radfelge paßt, auf der der
Ring benutzt werden soll.
-
Wie detaillierter in den oben erwähnten Patenten
beschrieben wurde, ist der luftlose Reifen mit Fahreinsatz am
bevorzugtesten unmittelbar auf die Radnabe aufgeformt, um
eine maximale Haftung der Basis des inneren Rings am Metall
der Radnabe zu erzielen, besonders dann, wenn der luftlose
Reifen mit Fahreinsatz auf den Antriebsrädem eines
Fahrzeugs benutzt werden soll, das ein beträchtliches
Drehmoment erzeugt. In jenen Fällen jedoch, in denen eine
maximale Haftung nicht wesentlich ist, kann ein luftloser Reifen
mit Fahreinsatz auch auf einen zusammenlegbaren Dorn
aufgeformt und als ringförmiger Körper entfernt werden. Der
ringförmige Körper kann dann nachträglich auf eine Radfelge
aufgesetzt werden, indem man bevorzugt zunächst einen
Kleber
zum Verkleben des luftlosen Reifens mit Fahreinsatz mit
der Radfelge aufträgt, zur Verwendung in Fahrzeugen, die
nicht mit einer Antriebseinrichtung mit hohem Drehmoment
versehen sind.
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Bevorzugt wird der Fahreinsatz an der Felge angebracht
und der luftlose Reifen wird rund um den Fahreinsatz herum
gegossen, der seinerseits genau in der Mittelebene der Form
angeordnet ist, so daß der Fahreinsatz in seiner Lage
sperrend gehalten wird und einstückig im luftlosen Reifen
befestigt ist.
-
Wie oben vermerkt, kann der Ring des Fahreinsatzes aus
einem geschäumten Elastomer statt einem massiven Elastomer
gebildet werden; nun kann der Ring auch aus einem Gummirohr
gebildet werden, das an seinen Enden zusammengefügt ist und
über die Felge passend aufgezogen ist. Der Fahreinsatz ist
aus einem Material hergestellt, das bei der Temperatur
nicht schmelzen wird, bei der das flüssige Polymer in die
Form eingegossen wird, oder sich im Polymer auflösen wird.
In der besten Ausführungsform ist das Polymer ein Gemisch
aus einem Polyether-Glykol-Prepolymer, das mit
Isocyanatgruppen und einem aromatischen Diamin-Katalysator
vervollständigt (end-capped) ist, und der Fahreinsatz ist ein
hohles Rohr aus Elastomer, in typischer Weise natürlicher
Gummi oder ein Polyolefin, mit einem Schmelzpunkt, der höher
ist als die Temperatur des Polymergemischs.
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Der rohrförmige Fahreinsatz ist bevorzugt gegenüber
Luft durchlässig und hat Poren mit verhältnismäßig hohem
Durchmesser, die jedoch klein genug sind, um für das
benutzte flüssige Polymer undurchlässig zu sein. Wenn der
Fahreinsatz verhältnismäßig steif ist, ist er in geeigneter
Weise so bemessen, daß er einen engen Sitz über der Felge
des Rades gestattet. Es ist nicht wesentlich, daß der
Fahreinsatz auf der Radfelge vom Elastomermaterial der
Versteifung
eingeschlossen wird, solange der Einsatz zwischen der
Versteifung und der Radfelge eingeschlossen ist. Abschnitte
des Einsatzes werden in typischer Weise zwischen den Rippen
in Räumen zwischen den Schnittstellen gegenüberliegend
angeordneter Rippen unterhalb der mittigen Versteifung
freiliegen. Ein solcher teilweiser Einschluß des Fahreinsatzes
dient dazu, die Zone, die den Fahreinsatz enthält, zu
kühlen, besonders dann, wenn die Wände des Fahreinsatzes
gasdurchlässig sind.
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Wie in Fig. 6 gezeigt, kann der Fahreinsatz eine
ringförmige Scheibe 43 sein, die sich nicht höher als eine
Hälfte der Höhe der Versteifung 32 im luftlosen Reifen
erstreckt. Nachdem der trapezförmige luftlose Reifen
ausgeformt wurde, ist der Fahreinsatz als eine
Versteifung-inder-Versteifung so laminiert, daß der Fahreinsatz 43
zwischen den Versteifungen 32a und 32b zentriert ist, die
zusammen die normale Dicke der Versteifung dw ergeben, die
für notwendig erachtet wurde, um für die aussteifende
Funktion des trapezförmigen luftlosen Reifens zu sorgen. Der
Fahreinsatz 43 ist mit einer vergrößerten Basis 44
versehen, um die Positionierung des Fahreinsatzes auf der
Radfelge vor dem Gießen des trapezförmigen, luftlosen Reifens
mit Fahreinsatz zu erleichtern. Die Wirkung des eine
Versteifung in der Versteifung bildenden Fahreinsatzes ist es,
die Stauchlast des trapezförmigen, luftlosen Reifens zu
verringern, verglichen mit der, die erforderlich ist, um
einen trapezförmigen, luftlosen Reifen mit einer
Versteifung der Dicke dw, aber ohne den Fahreinsatz, zu stauchen.
Es wird erkannt, daß in dieser allgemeinen Ausbildung die
radiale Breite der ringförmigen Scheibe bis auf mehr als
eine Hälfte der Versteifungshöhe vergrößerter werden
könnte, wenn die Staucheigenschaften einer solchen Ausführung
als besonders erwünscht herausgefunden würden.
-
Der Fahreinsatz, ob er nun eine ringförmige Scheibe
oder ein Rohr ist, funktioniert nicht als ein
pneumatisches, lasttragendes Teil, sondern sorgt für eine Ringzone
unter dem lasttragenden Abschnitt des luftlosen Reifens, um
einen Stoß zu schlucken. Während eines Stoßes ist das
Ausmaß der Federung in dem mittleren Bereich des luftlosen
Reifens mit Fahreinsatz wesentlich unterschiedlich
gegenüber dem derselben Zone in einem luftlosen Reifen ohne den
Fahreinsatz.
-
Das Voranstehende wird durch abschließende
Elementeanalysen bestätigt, wie sie in einem Artikel mit dem Titel
"Technologie luftloser Reifen aus Polyurethan - Entwicklung
und Geschichte" von Scott R. Pajtas erläutert ist,
dargeboten auf dem Internationalen Kongreß mit Ausstellung,
Detroit, Michigan, am 2. März 1990, dessen Offenbarung durch
die Bezugnahme hierauf als voll hierin mit eingeschlossen
aufgenommen wird. In solchen Analysen weist der Fahreinsatz
etwa dieselbe Wirkung auf wie ein Hohlraum, natürlich mit
der Ausnahme, daß kein praktischer Weg bekannt ist, einen
Hohlraum anstelle eines Fahreinsatzes in der Versteifung
eines luftlosen Reifens einzuschließen.
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Unter Benutzung einer Softwarepackung, die im Handel
verfügbar ist, als ANSYS-Code von Swanson Analysis Systems,
Inc., wurde ein endliches mathematisches Modell der
Spannungskonzentrationen in einem luftlosen Reifen mit einem
vertikalen, ringförmigen Schaum-Fahreinsatz verglichen mit
den Spannungskonzentrationen in einem luftlosen Reifen ohne
einen Fahreinsatz, d.h. mit einer massiven Versteifung. Die
computererzeugten Ergebnisse sind in Farbe
("Spannungsmappe") innerhalb eines "Fußabdrucks"
(Pflaster-Aufstandsfläche) des Reifens unter Last für Von Mises ("Von Mises")
oder äquivalente Spannung (SIGE) zusammengefaßt. In einer
solchen Mappe stellt rot die höchste Spannungskonzentration
im Bereich von 89-100% dar, als nächstes kommt weiß im
Bereich von 78-89%, gefolgt von gelb von 67-78%, weiße Punkte
auf dunkelblau von 56-67%, hellblau von 54-56%, weiße
Punkte auf hellblau von 33-44%, dunkelblau von 22-33 %,
dunkelblaue Punkte auf weißem Hintergrund von 11-22% bzw.
dunkelgrün von 0-11%. Beide Reifen wurden belastet (in der
endlichen Element-Analyse Modell "FEA") mit etwa der gleichen
Last, nämlich 1046 Pfund für den luftlosen Reifen und 1024
Pfund für den luftlosen Reifen mit Fahreinsatz. Diese
Diskrepanz in der Belastung erfolgt aufgrund der
Nichtlinearitäten des Reifens sowie der numerischen Näherungen, die
innerhalb des FEA-Modells vorgenommen werden.
-
Ein Vergleich der Spannungsmappen zeigt auf der
Grundlage, daß 100 die maximale Spannung ist, die in luftlosen
Reifen erfahren wird, daß der luftlose Reifen mit
Fahreinsatz eine sehr geringe Spannungskonzentration im 89-100%-
Bereich und noch weniger im 78-89%-Bereich erfuhr. Im
Gegensatz dazu liegen verhältnismäßig höhere
Spannungskonzentrationen im luftlosen Reifen sowohl im Bereich 89-100% als
auch im Bereichen 161-184 vor. Es muß daraus geschlossen
werden, daß der zentrale Bereich im luftlosen Reifen eine
größere Neigung zu unzulässiger Abnutzung als der mittlere
Bereich des luftlosen Reifens mit Fahreinsatz aufwies. Der
Rest der Fußabdrücke war in jedem Fall in der Abnutzung
gleich, wobei der luftlose Reifen mit Fahreinsatz eine
geringfügig größere Abnutzung in der Mitte der "Schulter"-
Abschnitte erfuhr. Obwohl ein solcher Vergleich der
Spannungsauftragungen nicht das Maß der Abnutzung quantifiziert
und auch nicht die Zeit bis zum Ausfall eines Reifens,
sorgt sie doch für ein Mittel zum Abschätzen der relativen
Tendenzen zu Abnutzung und Ausfall für verschiedene
Abschnitte der Reifen.
-
Die Anwesenheit des Fahreinsatzes hat wegen der
mittigen Lage des Fahreinsatzes keine nachteilige Einwirkung auf
die "Handhabung" des Fahrzeugs.
Beispiel 1
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Ein trapezförmiger, luftloser Reifen mit Fahreinsatz
wurde durch Schleuderguß in einer Form ähnlich zu der
hergestellt, die in den oben erwähnten Patenten beschrieben
ist. Auf die Radfelge ist ein rohrförmiger Ring aus
natürlichem Gummi (natural gum rubber) oder ein Rohr bzw.
Schlauch aus Poly(Vinylchlorid) mit einem Außendurchmesser
von 7/16 Zoll und einem Innendurchmesser von 5/8 Zoll
aufgezogen, das im Handel von Cole Palmer Instrument Co.,
Chicago, Ill., erhältlich ist, nachdem die Enden des Rohres
bzw. Schlauches mit einem kleberbeschichteten Gummistift
zusammengefügt wurden, der einen Durchmesser aufwies, der
geringfügig größer war als die Bohrung des Gummirohrs. Das
Rohr wird in der Mitte der Radfelgenoberfläche so
angeordnet, daß es nicht versetzt wird, wenn das Polyurethanharz
in die Form eingegossen wird.
-
Die Form wird mit einem Reaktionsgemisch von (a)
vorgemischtem Prepolymer aus 1000 und 2000 Molekulargewichten
(Nennzahlendurchschnitt) Polytetramethylenetherglycol
(PTMEG) und Toluoldiisocyanat (TDI) gefüllt, um ein
Prepolymer zu bilden, das ein NCO/OH-Verhältnis von etwa 2:1
aufwies, erhältlich von Uniroyal Corp. als Adiprene. Die
Mischung von Prepolymeren wird vermischt mit
4,4'-Methylenbis(2-Chloranilin) ("MBOCA") in einem Äquivalenzverhältnis
des Prepolymers zu MBOCA im Bereich von etwa 90 bis 110.
Die Form wurde auf 100ºC erwärmt.
-
Die Form wird gefüllt und man läßt sie über einen
Zeitraum von 20 Minuten aushärten, dann wird der geformte
trapezförmige luftlose Reifen mit Fahreinsatz auf der
Radfelge entfernt und bei 100ºC für mindestens 4 Stunden
nachgehärtet.
-
Eine Reifenlauffläche wird dann mit Kleber an der
Außenoberfläche des luftlosen Reifens mit Fahreinsatz
befestigt.
Beispiel 2
-
Ein zweiter, trapezförmiger, luftloser Reifen wird
ohne den Fahreinsatz in derselben Form unter Verwendung
derselben Materialien und unter denselben Bedingungen
hergestellt. Dieser Reifen wird in Vergleichsversuchen benutzt,
die hier nachfolgend erörtert werden.
-
Der folgende Vergleichsversuch wurde gefahren, um den
"Fahrkomfort" zu vergleichen, der von einem (1)
Radialreifen, speziell einem P205/55ZR16 auf einem 2-türigen
Chevrolet Beretta GTZ, in der nachfolgenden Tabelle mit
"radial" bezeichnet, aufgebracht wurde; (2) einem gegenwärtig
benutzten Luft-Raumspar-Ersatzreifen auf einer 14 Zoll-
Radfelge für den Wagen; (3) einem trapezförmigen luftlosen
Reifen auf einer Radfelge mit 15 Zoll-Nenndurchmesser ohne
Fahreinsatz, mit einer Laufflächenbreite von 3 Zoll, wobei
der Durchmesser der Radfelge so gewählt wurde, daß der
Umfang des Raumspar-Ersatzreifens und der des trapezförmigen,
luftlosen Reifens im wesentlichen dieselben sind; (4) einem
trapezförmigen, luftlosen Reifens mit Fahreinsatz mit einem
kleinen Rohr, das einen Außendurchmesser von 0,4375 Zoll
und einen Innendurchmesser von 0,3125 Zoll aufwies; und (5)
einem trapezförmigen, luftlosen Reifen mit Fahreinlage mit
einem großen Rohr, das einen Außendurchmesser von 0,75 Zoll
und einen Innendurchmesser von 0,625 Zoll aufwies.
-
Bei dem subjektiven Bewertungssystem, das von einem
kompetenten Fahringenieur benutzt wurde, auf der Basis
einer Skala von 1-10, stellt eine Bewertung von 5 ein
annehmbares Fahrverhalten dar. In der Tabelle wird der "Gesamt"-
Wert so eingestellt, daß er die Differenz im Fahrkomfort
betont, wenn ein Vergleich mit dem Raumspar-Ersatzreifen
vorgenommen wird. Deshalb ist der Raumspar-Ersatzreifen,
verglichen mit sich selbst, Null (0). Ein Gesamtwert von
-0,5 stellt einen um eine halbe Einheit niedrigeren Komfort
im Vergleich mit dem des Raumspar-Ersatzreifens dar. In
allen Fällen wird der Vergleich dadurch vorgenommen, daß man
den rechten Hinterreifen ersetzt. Jeder trapezförmige
luftlose Reifen ist mit derselben Art der Laufflächenausbildung
versehen und ist aus derselben Laufflächenverbindung
hergestellt.
TABELLE 1
-
Aus dem Vorangehenden ist ersichtlich, daß der
Komfort- oder "Fahrverhalten"-Wert der trapezförmigen,
luftlosen Reifen mit Fahreinsatz besser ist als der des
trapezförmigen Reifens ohne den Fahreinsatz und nicht viel
schlechter als der Raumspar-Ersatzreifen.
-
Die vorangehenden Werte werden bestätigt durch
physikalische Versuchsdaten, die objektiv sind, wie
beispielsweise beim Federwert auf einer flachen Oberfläche
(bezeichnet als "flacher" Federwert Kf) und beim Federwert über
eine 0,5 Zoll breite Querleiste, wie im einzelnen in der
Bundes-Kraftfahrzeug-Sicherheitsnorm Nr. 129 ausgeführt
(bezeichnet als "Linien"-Federwert K&sub1;). Jeder Federwert wie
etwa in der Tabelle 2 als Pfund/Zoll der Auslenkung
angegeben.
-
In der Tabelle 2 ist die Lauffläche A aus einer
Gummiverbindung mit einer Shore-Härte A von 86 hergestellt und
die Lauffläche B hat eine Shore-Härte A von 70. Durch
Auswahl einer unterschiedlichen Laufflächenverbindung mit
geringerer Härte, durch Verwendung einer dickeren Lauffläche
und durch Benutzung einer breiteren Lauffläche oder einer
mit tieferen Rillen kann man ferner das "Fahrverhalten" des
luftlosen Reifens mit Fahreinsatz fördern.
TABELLE 2
-
Da es bekannt ist, daß die Empfindlichkeit eines
typischen Fahrgastes gegenüber dem Linien-Federwert viel größer
ist als gegenüber dem flachen Federwert, wird es nun
offensichtlich, daß der trapezförmige, luftlose Reifen mit
Fahreinsatz mit der großen, rohrförmigen Einlage für eng
vergleichbare Werte sorgt, verglichen mit denen des Raumspar-
Ersatzreifens.
-
Obwohl die vorangehenden Ergebnisse für einen
trapezförmigen, luftlosen Reifen mit Fahreinsatz dargeboten
werden, könnten eng vergleichbare Ergebnisse für einen
rechteckigen, luftlosen Reifen mit Fahreinsatz erzielt
werden, weil jeder eine ähnliche lasttragende und polsternde
Struktur aufweist, um den äußeren Ring abzupolstern. Diese
Struktur, die im wesentlichen aus einer Vielzahl sich axial
erstreckender, in Umfangsrichtung mit Abstand getrennten
Rippenteile besteht, die an ihren radial inneren Enden mit
dem Außenumfang des inneren Rings und mit ihren radial
äußeren Enden mit der Innenoberfläche des äußeren Rings
verbunden sind. Die Rippenteile sind insgesamt unter im
wesentlichen gleichen Winkeln von 15º bis 75º, mehr bevorzugt
von 20º bis 45º, gegenüber Radialebenen geneigt, die die
Rippen an ihren radial inneren Enden schneiden. Das
Versteifungsteil verbindet den äußeren und inneren Ring, wobei
die Versteifung einen oberen und unteren Abschnitt und
entgegengesetzte Seitenflächen aufweist, worin mindestens der
genannte untere Abschnitt der Versteifung und bevorzugt die
gesamte in einer Umfangsebene unter rechten Winkeln zur
Drehachse der Anordnung aus luftlosen Reifen und Radnabe
liegt. Die Versteifung ist an ihren Seitenflächen mit den
Rippenteilen verbunden, und die Fahreinlage ist unter und
innerhalb der Versteifung eingeschlossen.
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Wie bereits hier voranstehend erklärt, wird der oben
beschriebene Aufbau am bevorzugtestens in einer geteilten
Form hergestellt, die zum Schleudergießen des luftlosen
Reifens mit Fahreinsatz unter Verwendung eines mit
Isocyanat vervollständigten (end-capped) Prepolymers erzeugt, mit
einem Aushärtinittel für das Prepolymer, und es wird in die
Form bei etwa 80ºC eingegossen. Irgendem anderes,
aushärtbares, flüssiges Polymer, das nach der Aushärtung die
Funktion und die gewünschten Fahrcharakteristiken des
Polyurethans bringt, kann benutzt werden, beispielsweise ein
Sihkongummi. Die Form ist so gestaltet, daß sie einen inneren
Hohlraum zur Formung eines ringförmigen, luftlosen Reifens
aufweist, der den im einzelnen oben erörterten Aufbau
aufweist, wobei die Basis des luftlosen Reifens auf der
Außenoberfläche
der Radfelge aufgeformt wird, die in die Mitte
des Formhohlraumes eingesetzt wird. Bevorzugt ist auf der
Radfelge der Fahreinsatz mit einem Kleber in der
Mittelumfangsebene so befestigt, daß dann, wenn der luftlose Reifen
mit Fahreinsatz ausgeformt wird, der Fahreinsatz unter der
Versteifung eingeschlossen ist.
-
Nachdem somit eine allgemeine Erörterung des luftlosen
Reifens mit Fahreinsatz vorgelegt wurde, das gesamte
Verfahren seiner Herstellung im einzelnen beschrieben wurde
und die Erfindung mit speziellen Beispielen der besten Art
und Weise, den luftlosen Reifen mit Fahreinsatz
herzustellen, dargestellt wurde, wird es offensichtlich, daß die
Erfindung eine wirksame Lösung für das Problem der
Verbesserung des verhältnismäßig rauhen Fahrverhaltens eines durch
eine Versteifung abgestützten, luftlosen Reifens erbracht
hat. Es wird deshalb darauf hingewiesen, daß aufgrund der
speziellen Ausführungsbeispiele, die dargestellt und
erörtert wurden, keine unzulässigen Beschränkungen aufgebracht
werden dürften, mit der Ausnahme solcher, die von den
folgenden Ansprüchen gegeben sind.