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Technisches
Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf Radialluftreifen mit Notlaufeigenschaften und insbesondere
auf den Aufbau eines Notlaufreifens, der während des Notlaufbetriebs den
Laufstreifenanhub in seitlicher Richtung und in Umfangsrichtung
verringert.
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Hintergrund
der Erfindung
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Entwickler für Luftreifen haben verschiedene Verfahren
ersonnen, mit denen ein Reifen hergestellt werden kann, der nach
einem plötzlichen,
unerwarteten Druckverlust wie etwa einem Reifeneinstich annehmbare
Betriebseigenschaften bieten kann. Unter solchen Bedingungen ist
es das Ziel des Reifenentwicklers, einen Reifen zu entwerfen, der
ein angemessenes Fahrzeughandling und einen sicheren fortgesetzten
Betrieb über
eine Strecke von dem Ort, an dem der Reifen seinen Druck verloren
hat, zu einem Ort, den der Fahrer erreichen möchte, etwa eine Reparaturwerkstatt,
wo der Reifen repariert oder ersetzt werden kann, bereitstellen
kann.
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Ein Luftreifen, der für einen
fortgesetzten Betrieb unter Bedingungen der Drucklosigkeit oder
eines zu geringen Drucks entworfen ist, wird im allgemeinen Reifen
mit verlängerter
Mobilität
(= EMT = Extended Mobility Tire) oder einfach Notlaufreifen genannt.
Der letztere Ausdruck bezieht sich auf die Fähigkeit des Reifens, im nicht
aufgepumpten oder allgemein als "platt" genannten Zustand
betrieben zu werden. Ein herkömmlicher Luftreifen
fällt in
sich selbst zusammen und wird platt, wenn er nicht aufgepumpt ist
und das Gewicht eines Fahrzeugs trägt. Die Seitenwände eines
solchen Reifens knicken in dem Abschnitt des Reifens in der Nähe des Bodenkontaktabschnitts
des Laufstreifens axial nach außen
und machen den Reifen "platt".
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Die Seitenwände eines Reifens bilden den Abschnitt
eines Reifens, der bei einer vertikalen Belastung gewöhnlich den
geringsten Widerstand gegenüber
einer Verformung besitzt. Daher umfassen die meist verwendeten Entwurfsverfahren,
die für
die Erzielung einer annehmbaren verlängerten Mobilität oder Notlauffähigkeit
verwendet werden, verschiedene Verfahren, mit denen die Seitenwände verstärkt werden
und ihnen eine ausreichende Festigkeit und Starrheit verleihen,
um die Radlast zu unterstützen, wenn
der Reifen drucklos ist. Solche verstärkten Seitenwände fallen
weder zusammen, noch knicken sie ein.
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Verstärkte Seitenwände des
Standes der Technik enthalten in jedem Seitenwandbereich, etwa zwischen
den Karkassenlagen, einen oder mehrere in Umfangsrichtung angeordnete
Keileinsätze.
Somit ist jede Seitenwand in einer Weise verdickt, dass ihre Gesamtdicke
in dem Bereich zwischen dem Wulst und der Laufstreifenschulter mehr
oder weniger gleichmäßig ist.
Der eine oder die mehreren in Umfangsrichtung angeordneten Keileinsätze in jeder Seitenwand
sind in der Querschnittsansicht im Allgemeinen halbmondförmig, damit
sie mit der inneren Form der Seitenwände übereinstimmen. Solche keilverstärkten Seitenwände erfahren,
wenn sie im drucklosen Zustand betrieben werden, eine reine Drucklast
im Bereich der Seitenwand. Genauer sind die Biegespannungen auf
die Seitenwände
derart, dass im Notlaufbetrieb die axial äußersten Abschnitte der verstärkten Seitenwände Zugkräfte erfahren, während die
axial inneren Abschnitte Druckspannungen erfahren.
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Die Biegekräfte, die auf die verstärkten Seitenwände eines
drucklosen EMT oder Notlaufreifens wirken, führen zu der Übertragung
der Biegekräfte von
den Seitenwandbereichen zu den Bodenkontaktabschnitten des Laufstreifens.
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Das Ergebnis ist, dass der drucklose
EMT zu einer komprimierten Laufstreifenaufstandsfläche neigt.
Genauer ist die Übertragung
der Biegekräfte von
den Seitenwänden
zum Laufstreifenbereich bestrebt, die Mittelabschnitte des Laufstreifens
zu einem Einknicken nach oben zu veranlassen. Der Ausdruck oder
die Technik, die für
die Bezeichnung des Einknickens nach oben des Laufstreifens verwendet werden,
lautet Laufstreifenanhub (tread lift).
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Der Laufstreifenanhub entsteht aus
einer Druckbelastung sowohl in seitlicher Richtung als auch in Umfangsrichtung.
Der Mittelabschnitt des Laufstreifens neigt daher während des
Notlaufbetriebs zu einem Verlust des Kontakts mit dem Boden, was
folglich nachteilige Wirkungen auf das Fahrzeughandling hat, insbesondere
im Hochgeschwindigkeitsbetrieb.
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Der Laufstreifenanhub tritt auch
in Umfangsrichtung auf. Die Kräfte,
die auf den Bodenkontaktabschnitt des Reifens wirken, sind derart,
dass die Biegekräfte,
die auf den Laufstreifen im vordersten und im hintersten Abschnitt
der Aufstandsfläche
wirken, so wirken, dass bei Betrachtung von der Seite des Reifens,
d. h. in der axialen Richtung, der Mittelbereich des Bodenkontaktabschnitts
des Laufstreifens zu einem Abheben vom Boden neigt. Somit hat der Laufstreifenanhub
sowohl eine seitliche als auch eine Umfangskomponente.
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Ein Verfahren, das zum Versteifen
des Laufstreifens gegenüber
dem seitlichen Laufstreifenanhub verwendet wird, macht Gebrauch
von der Verwendung einer metallverstärkten ersten radialen Karkassenlage,
die den Zugkräften
widersteht, die während
des seitlichen Laufstreifenanhubs entstehen. Ein weiteres Verfahren,
mit dem ein Laufstreifenanhub verhindert werden soll, umfasst die
Verwendung von Entkopplungsrillen in den äußersten seitlichen Bereichen
des Laufstreifens. Die Entkopplungsrillen verhindern die Übertragung
von Biegekräften
von den Seitenwänden
zu den mittleren Abschnitten des Laufstreifens. Die Böden oder
radial innersten Abschnitte der Entkopplungsrillen wirken als Scharniere,
die den Seitenwänden
eine Verformung ohne Beeinflussung des angrenzenden Laufstreifenbereichs ermöglichen.
Ein Beispiel eines Notlaufreifen-Entwurfs,
der entkoppelnde "Schulterrillen" enthält, ist
in der Patentanmeldung von Goodyear PCT/US98/00717, eingereicht
am 15. Januar 1998, mit dem gleichen Rechteinhaber wie die vorliegende Erfindung,
beschrieben.
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Ein weiteres Verfahren, mit dem ein
Notlauf-Laufstreifenanhub verhindert werden soll, ist in der Patentanmeldung
von Goodyear PCT/US98/14452, eingereicht am 10. Juli 1998, mit dem
gleichen Rechtsnachfolger wie die vorliegende Anmeldung, beschrieben,
worin eine Gewebeunterlage für
die Aufnahme seitlicher Zugspannungen radial innerhalb der Breaker-Packung ausgebreitet
ist. Die seitlich ausgerichteten (oder axial ausgerichteten) Fasern
einer solchen Gewebeunterlage könnten mittels
Zug vorbelastet sein oder nicht, um ein Einknicken nach oben des
mittleren Abschnitts des Laufstreifens eines drucklosen EMT oder
Notlaufreifens zu verhindern. Ein nochmals weiteres Verfahren, mit dem
der Notlauf-Laufstreifenanhub
minimiert werden soll, ist in der Patentanmeldung von Goodyear PCT/US98/06004,
eingereicht am 26. März
1998, mit dem gleichen Rechtsnachfolger wie die vorliegende Anmeldung,
beschrieben, worin ein "Laufstreifenkeil" verwendet wird,
um die unter dem Laufstreifen liegendert Strukturen zu verdicken
und somit einen Laufstreifenanhub während des Notlaufbetriebs zu verhindern.
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Was die Umfangskomponente des Laufstreifenanhubs
während
des Notlaufbetriebs betrifft, ist ein Verfahren für ihre Beherrschung
in der oben erwähnten
Patentanmeldung von Goodyear PCT/US98/06004 beschrieben, worin eine
Gewebeunterlage, die mehr oder weniger in Umfangsrich- tung ausgerichtete
Korde enthält,
einen Laufstreifenanhub in der Umfangsrichtung verhindert.
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Wie immer bei dem Entwurf eines EMT
oder eines Notlaufreifens beinhalten die Ziele des Reifenentwurfs
die Minimierung der Reifenmasse und die Schaffung eines guten Fahrkomforts
im normalen, aufgepumpten Betrieb und außerdem die Schaffung eines
angemessenen sicheren Fahrzeughandlings im nicht aufgepumpten Betrieb.
Eine lange Notlauf-Lebensdauer ist ebenfalls ein Entwurfsziel.
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Aufgaben der
Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, einen Radialreifen wie in einem oder mehreren der beigefügten Ansprüche definiert
zu schaffen, der als solcher so konstruiert sein kann, dass er eine oder
mehrere der folgenden Unteraufgaben löst.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, einen Radialreifen mit Notlaufeigenschaften zu schaffen,
der im Notlaufbetrieb einem Laufstreifenanhub sowohl in seitlicher
Richtung als auch in Umfangsrichtung widersteht.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist es, einen Radialreifen mit Notlaufeigenschaften zu
schaffen, der ein verhältnismäßig geringes
Gewicht besitzt.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist es, einen Reifen mit Notlaufeigenschaften zu schaffen,
der ein gutes Notlauf-Fahrzeughandling und eine verlängerte Notlauf-Lebensdauer
bereitstellen kann.
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Eine nochmals weitere Aufgabe der
vorliegenden Erfindung ist es, einen Reifen mit Notlaufeigenschaften
zu schaffen, der sowohl im normalen aufgepumpten Hochgeschwindigkeitsbetrieb
als auch und vor allem im Notlaufbetrieb ein verringertes Wärmeerzeugungspotenzial
in den Laufstreifenverstärkungsstrukturen
hat.
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Eine nochmals weitere Aufgabe der
vorliegenden Erfindung ist es, mehrere Laufstreifenversteifungsträger zu schaffen,
die einen Einstichschutz vor Schnitten und von der Fahrbahn aufgenommenen Gegenständen schaffen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf einen Radialluftreifen mit einem Laufstreifen, einer Karkasse,
die eine Radiallagenstruktur, einen Innerliner und zwei durch jeweils
einen oder mehrere Keileinsätze
verstärkte
Seitenwände
umfasst, einer Gürtelstruktur,
die sich zwischen dem Laufstreifen und der Radiallagenstruktur befindet,
und mehreren parallel ausgerichteten Rippen, die seitlich über dem Laufstreifen
und radial innerhalb des Laufstreifens und radial innerhalb oder
außerhalb
der Gürtelstruktur
liegen. Die Länge
jeder Rippe der mehreren Rippen ist angenähert gleich der Breite der
Gürtelstruktur.
In einer Ausführungsform
ist eine solche Rippe aus einem monolithischen, faserverstärkten Kunststoff
aus der Klasse von Kunststoffgrundmasse-Werkstoffen, die thermoplastische
Kunststoffe wie etwa Polyetherimide, Polyetheretherketone und Polyphenylen-Sulfide
sowie wärmehärtende Kunststoffe
wie etwa Polyester und Epoxid enthalten, hergestellt. Die faserverstärkenden
Werkstoffe sind aus der Klasse der Werkstoffe mit hohem Elastizitätsmodul,
die Kohlenstoffasern, Glasfasern und Aramid-Filamente enthalten.
Vorzugsweise enthält
die Formelmischung des faservestärkten
Kunststoffs ein Verstärkungsmaterial
im Bereich von etwa 30 Gewichtsprozent bis 70 Gewichtsprozent und
vorwiegend die Kunststoffgrundmasse für den Rest. Die verstärkenden
Fasern in jeder monolithischen Rippe sind vorzugsweise in einer
Richtung orientiert und auf die Achse ausgerichtet, die sich in
Längsrichtung
der Rippe erstreckt. Die bevorzugte Beziehung zwischen der Dicke
und der Breite jeder Rippe ist derart, dass die Dicke im Bereich
von 10 Prozent bis 45 Prozent der Breite der Rippe liegt. Der minimale
bevorzugte Umfangszwischenraum zwischen jeder Rippe der mehreren
Rippen liegt im Bereich von 50 Prozent bis 200 Prozent der Breite
der Rippen auf jeder Seite des Zwischenraums. Ein alternativer Ort
der mehreren Rippen liegt unterhalb oder radial innerhalb des Laufstreifens
und der Gürtelstruktur
und innerhalb der Lagenstruktur.
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Eine alternative Ausführungsform
umfasst eine Rippe, die aus drei Schichten hergestellt ist, wovon
die erste und die dritte Lage, d. h. die beiden äußersten Lagen, aus verstärktem Kunststoff
wie oben in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschrieben hergestellt
sind. Die mittlere Lage der dreischichtigen Rippe ist aus einem
Elastomerwerkstoff wie etwa Urethan oder Gummi hergestellt, damit
die Rippen Scherspannungen standhalten, die mit Laufstreifenauslenkungen
im Normal- oder Notlaufbetrieb des Reifens einhergehen.
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Weitere Nutzen und Vorteile der Erfindung werden
dem Fachmann, an den sie sich wendet, beim Lesen und Verstehen der
folgenden genauen Beschreibung deutlich.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Der Aufbau, die Funktionsweise und
die Vorteile der Erfindung werden weiter ersichtlich bei Betrachtung
der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen,
worin:
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1 eine
aufgerissene Schrägansicht
eines Radialreifens ist, die den Ort der vorliegenden Erfindung
in Bezug auf den Laufstreifen und seine darunterliegenden Struktur
zeigt;
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2 eine
schematische Schnittansicht einer Lagenversion der Laufstreifenverstärkungsrippen der
vorliegenden Erfindung ist;
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3 eine
Teilquerschnittsansicht eines nach oben eingeknickten Reifenlaufstreifens
des Standes der Technik ist;
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4A eine
Teilquerschnittsansicht des Mittelabschnitts des in 3 gezeigten Laufstreifenabschnitts ist;
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4B eine
Teilquerschnittsansicht des Mittelabschnitts des Laufstreifenabschnitts
der vorliegenden Erfindung ist, in dem Läufstreifenverstärkungsrippen
vorhanden sind;
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5 einen
zu einer Laufstreifenstruktur analogen I-Balken zeigt; und
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6 eine
Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist.
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Definitionen
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"Kernreiter" bedeutet einen elastomeren Füllstoff,
der sich radial über
dem Wulstkern und zwischen den Lagen und den umgeschlagenen Lagen befindet.
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"Aspektverhältnis" bedeutet das Verhältnis der
Querschnittshöhe
eines Reifens zu seiner Querschnittsbreite; es bedeutet auch das
Querschnittsprofil des Reifens; ein Niederquerschnittsreifen besitzt
beispielsweise ein niedriges Aspektverhältnis.
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"Axial" und sein adverbialer
Gebrauch bedeuten die Linien oder die Richtungen, die zu der Drehachse
des Reifens parallel sind.
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"Wulst" oder "Wulstkern" bedeuten allgemein jenen
Teil des Reifens, der ein ringförmiges
Zugelement aus radial inneren Wülsten
umfasst, die dem Halt des Reifens an der Felge dienen; die Wülste sind von
Lagenkorden umwickelt und mit oder ohne weitere Verstärkungselemente
wie etwa Kernfahnen, Chipper, Kernreiter oder Füllstoffe, Zehenschützer und
Wulstbänder
ausgebildet.
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"Gürtelstruktur" oder "Verstärkungsgürtel" oder "Gürtelpackung" bedeutet wenigstens zwei ringförmige Schichten
oder Lagen aus parallelen Korden, die gewebt oder nicht gewebt sind,
unter dem Laufstreifen liegen, mit dem Wulst nicht verankert sind und
sowohl linke als auch rechte Kordwinkel im Bereich von 18° bis 30° in Bezug
auf die Äquatorialebene
des Reifens haben.
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"Karkasse" bedeutet die Reifenstruktur
mit Ausnahme der Gürtelstruktur,
des Laufstreifens, des Unterprotektors unter den Lagen, jedoch einschließlich der
Wülste.
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"Unterbau" bedeutet die Karkasse,
die Gürtelstruktur,
die Seitenwände
und alle anderen Komponenten des Reifens mit Ausnahme des Laufstreifens
und des Unterprotektors.
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"Umfangsrichtung" bedeutet meist kreisförmige Linien
oder Richtungen, die längs
des Umfangs der Oberfläche
des ringförmigen
Laufstreifens senkrecht zu der axialen Richtung verlaufen; sie kann
sich auch auf die Richtung der Mengen benachbarter kreisförmiger Kurven
beziehen, deren Radien die axiale Krümmung des Laufstreifens bei
Betrachtung im Querschnitt definieren.
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"Kord" bedeutet eine der
Verstärkungslitzen einschließlich Fasern,
mit denen die Lagen und Gürtel
verstärkt
sind.
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"Krone" oder "Reifenkrone" bedeutet den Laufstreifen,
die Laufstreifenschultern und die unmittelbar angrenzenden Abschnitte
der Seitenwände.
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"Äquatorialebene" bedeutet die Ebene
senkrecht zu der Reifendrehachse, die durch die Mitte seines Laufstreifens
verläuft;
oder die Ebene, die die Umfangsmittellinie des Laufstreifens enthält.
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"EMT" bedeutet "Reifen mit erweiterter
Mobilität" (Extended Mobility
Tire), was gleichbedeutend mit "Reifen
mit Notlaufeigenschaften" ist.
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"Aufstandsfläche" bedeutet den Kontaktfleck oder
die Kontaktfläche
des Reifenlaufstreifens mit einer ebenen Oberfläche bei der Geschwindigkeit
null und bei Normallast und Normaldruck.
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"Stärke" bezieht sich auf
das Dickenmaß.
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"Innerliner" bedeutet die Schicht
oder die Schichten aus Elastomer oder aus einem anderen Werkstoff,
die die innere Oberfläche
eines schlauchlosen Reifens bilden und das Aufpumpfluid in dem Reifen
enthalten.
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"Einsatz" hat die gleiche
Bedeutung wie "Keileinsatz" und ist die halbmond-
oder keilförmige
Verstärkung,
die typischerweise verwendet wird, um die Seitenwände von
Reifen des Typs mit Notlaufeigenschaften zu verstärken; es
bezieht sich auch auf den elastomeren, nicht halbmondförmigen Einsatz,
der unter dem Laufstreifen liegt.
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"Seitlich" bedeutet eine Richtung
parallel zu der axialen Richtung.
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"Trägheitsmoment" oder "strukturelles Trägheitsmoment" bezieht sich auf
die strukturelle Steifigkeit eines Trägerabschnitts oder einer anderen
Struktur wie insbesondere der Seitenwand eines Reifens. Eine Struktur
wie etwa eine Reifenseitenwand mit einem hohen Trägheitsmoment
ist steifer als eine ähnliche
Struktur mit einem niedrigeren Trägheitsmoment.
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"Normaler
Aufpumpdruck" bedeutet
den Aufpumpdruck des bestimmten Entwurfs bei einer bestimmten Last,
der durch die geeignete Normungsörganisation
für die
Betriebsbedingung für
den Reifen zugewiesen wird.
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"Normallast" bedeutet den Aufpumpdruck und
die Last für
den bestimmten Entwurf, die durch die geeignete Normungsorganisation
für die
Betriebsbedingung für
den Reifen zugewiesen werden.
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"Lage" bedeutet eine kordverstärkte Schicht aus
gummibeschichteten parallelen Korden.
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"Radial" und sein adverbialer
Gebrauch bedeuten Richtungen, die zu der Drehachse des Reifens radial
hin und von ihr radial weg weisen.
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"Radiallagenstruktur" bedeutet die eine
oder die mehreren Karkassenlagen, wovon wenigstens eine Lage Verstärkungskorde
besitzt, die unter einem Winkel im Bereich von 65° bis 90° in Bezug
auf die Äquatorialebene
des Reifens orientiert sind.
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"Radialreifen" bedeutet einen mit
Gürtel
versehenen oder in Umfangsrichtung beschränkten Luftreifen, bei dem wenigstens
eine Lage Korde besitzt, die sich von einem Wulst zum anderen erstrecken und
unter Kordwinkeln im Bereich von 65° bis 90° in Bezug auf die Äquatorialebene
des Reifens liegen.
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"Notlaufreifen" oder "Reifen mit Notlaufeigenschaften" ist ein Luftreifen,
der so entworfen ist, dass er einen begrenzten Dienst im nicht oder
zu schwach aufgepumpten Zustand bereitstellt.
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"Querschnittshöhe" bedeutet den radialen Abstand
vom Nennfelgendurchmesser zum Außendurchmesser des Reifens
in seiner Äquatorialeberte.
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"Querschnittsbreite" bedeutet den maximalen
geradlinigen Abstand parallel zu der Achse des Reifens und zwischen
der Außenseite
seiner Seitenwände,
wenn und nachdem der Reifen für
24 Stunden auf Normaldruck aufgepumpt worden ist, jedoch nicht belastet
ist, mit Ausnahme der Erhöhungen
der Seitenwände
auf Grund der Beschriftung, der Verzierung oder der Schutzbänder.
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"Schulter" bedeutet den oberen
Abschnitt der Seitenwand direkt unter der Laufstreifenkante.
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"Seitenwand" bedeutet den Abschnitt
eines Reifens zwischen dem Laufstreifen und dem Wulst.
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"Tangenzial" und sein adverbialer
Gebrauch beziehen sich auf Segmente kreisförmiger Kurven, die sich an
einem Punkt schneiden, durch die eine einzige Linie gezogen werden
kann, die zu beiden kreisförmigen
Segmenten tangential ist.
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"Laufstreifenoberteil" bezieht sich auf
den Laufstreifen und den darunterliegenden Werkstoff, in den das
Laufstreifenprofil gegossen ist.
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"Laufstreifenbreite" bedeutet die Bogenlänge der
Laufstreifenoberfläche
in der Ebene, die die Drehachse des Reifens enthält.
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Genaue Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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In 1 ist
ein Luftreifen 10 gemäß der Erfindung
veranschaulicht. Der Reifen 10 kann ein Reifen mit Notlaufeigenschaften
sein, der herkömmliche Reifenkomponenten
wie etwa einen Laufstreifen 12, eine Gürtelstruktur 13 mit
Verstärkungsgürteln 14 und 15,
eine Karkassenlagenstruktur
16 mit einer oder mehreren
Karkassenlagen 17, 18 und zwei Seitenwänden 20 enthält. Weitere
herkömmliche
Reifenkomponenten wie etwa ein Kernreiter und/oder ein Chipper können ebenso
enthalten sein wie Notlaufreifen-Komponenten wie etwa ein oder mehr
Keileinsatz-Verstärkungen 21 in
jeder Seitenwand. Ein neues Merkmal des Reifens 10 ist
die Bereitstellung von Unterstützungselementen 23,
die mehrere parallel ausgerichtete Rippen 22 umfassen,
die an einem Ort, der sich radial innerhalb der Gürtelstruktur 13 und
typischerweise radial innerhalb des Laufstreifens 12 und
der Gürtelstruktur 13 befindet,
seitlich über
die Laufstreifenbreite verlaufen. Typischerweise sind die Rippen
in einer (nicht gezeigten) Elastomerfolie für die Handhabung und die Anordnung
im Reifen enthalten. Die Rippen 22 sind halbstarre Strukturen,
die in Übereinstimmung
mit den im Folgenden beschriebenen Verfahren aufgebaut sind. Die
Aufgabe der Rippen 22 in dem Reifen mit Notlaufeigenschaften besteht
darin, während
des Notlaufbetriebs des Reifens den Laufstreifenanhub in seitlicher
Richtung und in Umfangsrichtung zu verhindern.
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Die Rippen 22 in 1 sind so gezeigt, dass sie
sich radial außerhalb
der Lagenstruktur 16 befinden. Wie jedoch in der folgenden
Beschreibung offensichtlich wird, ist der Ort der Rippen 22 derart, dass
sich ihr größter mechanischer
Vorteil bei der Verhinderung des Laufstreifenanhubs einstellt, wenn die
Rippen so weit wie möglich
von der neutralen Biegeachse auf Seiten der Zugspannung des Laufstreifens 12 und
aller seiner darunterliegender Strukturen angeordnet sind. Mit anderen
Worten, falls die Rippen 22 in der Lagenstruktur 16,
etwa zwischen irgendwelchen zwei der einen oder der mehreren Lagen 17, 18 der
Lagenstruktur angeordnet wären,
würden
sie einen größeren mechanischen
Vorteil haben als wenn sie radial außerhalb der Lagenstruktur angeordnet
wären.
Andererseits ist die Anordnung der Rippen 22 an dem in 1 gezeigten Ort im Hinblick auf
die einfache Herstellung ein sehr praktischer Ort. Falls die Lagenstruktur 16 nur
eine einzige Karkassenlage enthielte, würden die Rippen 22 selbstverständlich radial
außerhalb
dieser einzigen Lagenstruktur und unterhalb der Gürtelstruktur 13 ausgebreitet
sein. Vom Standpunkt der praktischen Fertigung ist der bevorzugte
Ort der Rippen 22 radial innerhalb der Gürtelstruktur 13 und
radial außerhalb der
Lagenstruktur 16. Es liegt auch im Umfang der vorliegenden
Erfindung, die Rippen 22 im Kronenbereich radial außerhalb
der Gürtelstruktur 13 und
unter dem Laufstreifen 12 anzuordnen.
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Ein wichtiger Vorteil der Erfindung
ist die Möglichkeit,
Reifenkomponenten auf Grund des Vorhandenseins der Rippen 22 wegzulassen.
Beispiele von Reifenkomponenten, die weggelassen werden könnten, umfassen
dritte Gürtel
und/oder massive Laufstreifenversteifungs-Keileinsätze unterhalb
des Laufstreifens. Nebenbei sei bemerkt, dass ein gut versteifter
Laufstreifen dazu neigt, die Seitenwände während des Notlaufbetriebs zu
einem eher aufrechten Stehen zu veranlassen, was die Möglichkeit
der Verwendung von weniger Seitenwandverstärkungsmaterial zulässt. Obwohl
daher die Rippen 22 mit herkömmlichen Reifenkomponenten
zusammen vorhanden sein können,
ist es möglich,
das Notlaufhandling eines Fahrzeugs, das mit Reifen ausgerüstet ist,
die die vorliegende Erfindung enthalten, zu verbessern und außerdem die
Notlauf-Lebensdauer eines Reifens mit Notlaufeigenschaften, der
eine geringere Gesamtmasse als derzeit produzierte Reifen mit Notlaufeigenschaften
besitzt, zu verbessern. Das heißt,
dass die Rippen 22 das Potenzial haben, einen Reifen mit
Notlaufeigenschaften zu schaffen, der ein geringeres Gewicht als
ein entsprechender Reifen mit Notlaufeigenschaften hat, der solche
anderen Laufstreifenverstärkungsstrukturen
wie etwa "Laufstreifenkeile", die in PCT/US98/06004
offenbart sind, enthält,
um den Laufstreifenanhub während
des Notlaufbetriebs minimal zu machen.
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Das geringe Gewicht und die geringe
Masse der Rippen 22 hat im Vergleich zu anderen massiveren
Weisen der Versteifung des Laufstreifens den zusätzlichen Nutzen, eine starre
Laufstreifenstruktur zu schaffen, die ein minimales Potenzial für eine biegungsinduzierte
Wärmeerzeugung
während
des Notlaufbetriebs hat.
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Rippenstruktur, Werkstoffe
und Abmessungen
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Die bevorzugte Struktur jeder Rippe 22 ist ein
monolithischer, faserverstärkter
(oder faserhaltiger) Kunststoff. Die Kunststoffgrundmasse des faserverstärkten Werkstoffs
könnte
ein thermoplastischer Kunststoff aus der Klasse von Werkstoffen,
die Polyetherimid, Polyetheretherketon und Polyphenylen-Sulfid enthält, oder
ein wärmehärtender
Werkstoff wie etwa Epoxid oder Polyester sein. Die faserverstärkenden
Werkstoffe sind aus der Klasse von Werkstoffen, die Kohlenstoffasern,
Glasfasern und Aramid-Filamente
enthält.
Die faserverstärkenden Werkstoffe
sind Filamente, die vorzugsweise unidirektional sind und auf die
Längsachse
der Rippe 22 ausgerichtet sind. Die bevorzugte Formelmischung für die monolithische
Rippe 22 läge
im Bereich von 30 Gewichtsprozent bis 70 Gewichtsprozent der faserverstärkenden
Werkstoffe, während
der Rest hauptsächlich
die Kunststoffgrundmasse ist, obwohl die Verhältnisse der jeweiligen Grundrnasse
und der Verstärkungswerkstoffe
selbstverständlich
durch die spezifische beabsichtigte Reifenanwendung vorgegeben wären.
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Es liegt auch innerhalb des Umfangs
der Erfindung, die Rippe 22 aus einem Kreuzlagenlaminat zu
bilden, um die Festigkeit und den Reißwiderstand in Querrichtung
zu schaffen.
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Es liegt außerdem innerhalb des Umfangs der
Erfindung, die Rippen 22 aus einem halbstarren, homogenen
Kunststoff wie etwa Nylon zu bilden, der eine gute Haftung auf Gummi
besitzt und während des
Notlaufbetrtebs des Reifens einen Laufstreifenanhub in seitlicher
Richtung und in Umfangsrichtung verhindert.
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2 zeigt
einen alternativen Entwurf für Unterstützungselemente 23,
bei dem die Rippen 22 durch Rippen 24 ersetzt
sind, die eine Schichtstruktur haben. In dieser alternativen Ausführungsform
besitzt jede Rippe 24 eine erste, eine zweite und eine dritte
Schicht 40, 42 bzw. 44. Die erste Schicht 40 und
die dritte Schicht 44 sind aus einer faserverstärkten Kunststoffgrundmasse
mit der gleichen Zusammensetzung und Formelmischung der oben für die monolithische
Rippe 22 aufgelisteten Sorten hergestellt. Das heißt; dass
die erste Schicht 40 und die dritte Rippenschicht 44 aus
einem Verbundwerkstoff im Bereich von 30 bis 70 Gewichtsprozent
der faserverstärkenden
Werkstoffe und einem hauptsächlich aus
der Kunststoffgrundmasse bestehenden Rest hergestellt werden sollten,
obwohl der spezifische Entwurf des Verbundes durch die spezifische
Anwendung vorgegeben ist. Der Erfinder gibt die Möglichkeit
zu, dass die Werkstoffe, die für
die Herstellung der ersten Schicht 40 verwendet werden,
von jenen verschieden sein könnten,
die für
die Herstellung der dritten Schicht 44 verwendet werden,
wenn dies ein optimierter Entwurf der Rippenstruktur 24 erfordern könnte.
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Was die dazwischenliegende zweite
Schicht 42 der in 2 gezeigten
dreischichtigen Rippe 44 betrifft, wäre der Werkstoff ein Elastomer
mit einem Elastizitätsmodul
im Bereich von 300 psi (2,1 MPa) bis 3000 psi (21 MPa). Die Verwendung
eines Elastomerwerkstoffs für
die zweite Schicht 42 würde
die Scherspannungen absorbieren, die ihren höchsten Wert bei der Neutralachse
A-A erreichen. Durch Konfigurieren der Schichtrippe 24 in
der Weise, dass ihre drei Schichten 40, 42, 44 aus
den obenbeschriebenen Werkstoffert hergestellt sind, schaffen die
bevorzugten äußeren ersten
und dritten Schichten 40, 44 die erforderliche
Steifigkeit für
die Versteifung des Laufstreifens 12 gegenüber einem
Laufstreifenanhub während
des Notlaufbetrtebs, während
die elastomere zweite Schicht 42 die Rippen in die Lage
versetzt, den Scherspannungen zuverlässig standzuhalten, die mit
den unvermeidlichen Laufstreifenauslenkungen sowohl im normal aufgepumpten
Betrieb des Reifens 10 als auch und vor allem im Notlaufbetrieb des
Reifens einhergehen.
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Die Werkstoffe der Kunststoffgrundmasse, die
in der ersten Schicht 40 und in der dritten Schicht 44 jeder
Schichtrippe 24 verwendet werden, sind derart, dass der
Elastizitätsmodul
des Kunststoffgrundmassen-Werkstoffs
der ersten Schicht 40 und der dritten Schicht 44 im
Bereich von 150000 psi (1050 MPa) bis 650000 psi (4550 MPa) liegt.
Die Faserfilamente von Verstärkungswerkstoffen
in der Rippe 24 sind vorzugsweise unidirektional und auf
die in Längsrichtung
der Rippe verlaufende Achse ausgerichtet. Es liegt jedoch innerhalb
des Umfangs der vorliegenden Erfindung, dass die Filamente in einem Bereich
von etwa 0° bis
45° in Bezug
auf die Längsachse
der Rippe 24 angeordnet sind. Was die bevorzugte monolithische
oder nicht geschichtete Rippe 22 betrifft, finden die gleichen
Werkstoffbetrachtungen Anwendung.
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In dem verbleibenden Teil der Beschreibung dieser
Erfindung einer Laufstreifenverstärkungsrippe wird das Bezugszeichen 22 aus 1 mit Bezug auf alle derartigen
Verstärkungsrippen
verwendet, unabhängig
davon, ob es sich um die aus einer Schichtstruktur gebildete Rippe 22 (2) oder um die aus einer
monolithischen Struktur gebildete Rippe 24 handelt. Für das Verständnis der
strukturellen Beziehungen der Rippen sind nämlich beide im Wesentlichen
gleich.
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Es gibt eine bevorzugte Rippendicke,
mit der ein Reifenanhub verhindert wird, die auf der Reifengröße, der
Laufstreifenbreite und der Lastkapazität beruht. Die Breite jeder
Rippe 22 kann unterschiedlich sein, sie liegt jedoch im
Bereich von 0,150'' bis 1,50''. Falls die Breite zu groß ist, stört sie ein
gleichmäßiges Eingehen
eines Kontakts mit der Fahrbahn und ein gleichmäßiges Verlassen des Kontakts
mit der Fahrbahn.
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Die Gesamtlänge jeder Rippe 22 hängt zwar in
jeder Anwendung von dem spezifischen Reifen ab, die Länge jeder
Rippe 22 liegt aber bei einem gegebenen Reifen im Bereich
von 50 Prozent bis 110 Prozent der maximalen Breite der Gürtelstruktur 13.
Falls die Länge
jeder Rippe 22 mehr als 110 Prozent größer als die maximale Breite
der Gürtelstruktur
wäre, wäre sie gezwungen,
an beiden Kanten einem kleinem Krümmungsradius zu folgen. Dies
würde einen unerwünscht hohen
Steifigkeitsgrad in den Laufstreifenschulterbereichen hervorrufen.
Falls die Rippen 22 weniger als etwa 50 Prozent der maximalen
Breite der Gürtelstruktur 13 betragen
würden,
würden
sie das Abheben in der Reifenaufstandsfläche nicht wirksam beschränken. Die
für den
Einsatz bei der Konstruktion der Rippen 22 mit der erforderlichen
Festigkeit und Starrheit für
die Verhinderung eines Laufstreifenanhubs während des Notlaufbetriebs des
Reifens 10 in Betracht gezogenen Werkstoffe hängen selbstverständlich von
dem Bedürfnis
des Reifen-Entwurfsingenieurs ab, die strukturellen Notlaufbedürfnisse
mit einem annehmbaren Grad an Fahrkomfort im normal aufgepumpten
Zustand und an Fahrzeughandling zu erreichen.
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Der minimale bevorzugte Zwischenraum
in Umfangsrichtung zwischen jeder Rippe 22 (wie in 1 gezeigt) hängt von
dem gleichmäßigen Eintreten
in einen Kontakt des Laufstreifens mit der Fahrbahnoberfläche und
einem gleichmäßigen Verlassen dieses
Kontakts ab. Größere Rippenbrei ten
nutzen einen größeren Zwischenraum
zwischen Rippen. Daher gibt es einen großen Bereich von 15 Prozent
bis 200 Prozent der Breite W der Rippe(n) auf jeder Seite des Zwischenraums.
Somit können
in einer gegebenen Einzelreifenanwendung mehrere hundert Rippen 22 verwendet
werden. Die bestimmte Anzahl der Rippen 22, die in einem
gegebenen Reifen axigeordnet sind, würden jedoch in Übereinstimmung
mit den Abmessungen und den Zug- und Biegefestigkeiten jeder besonderen
Rippe jeder besonderen Menge von Rippen in einem Reifen und mit
den Lastanforderungen des besonderen Fahrzeugs und der beabsichtigten
Verwendung des Reifens bestimmt.
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Die Rippe kann geradlinig sein oder
eine Krümmung
besitzen. Die Krümmung
kann der natürlichen
Lagenlinie folgen oder an jedem Ende einen größeren Radius besitzen. Eine
weitere Funktion der mehreren Rippen 22, 24 besteht
darin, einen Einstichschutz gegenüber Einschnitten und Gegenständen auf
der Fahrbahn zu schaffen.
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Betriebsdynamik
der Erfindung
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Die mehreren laufstreifenverstärkenden
Unterstützungselemente 23 besitzen
unabhängig
davon, ob es sich um die monolithischen Rippen 22 oder
um die geschichteten Rippen 24 entsprechend dem obenbeschriebenen
dreischichtigen Entwurf handelt, zwei Betriebsarten bei der Schaffung
eines einen Laufstreifenanhub verhindernden Versteifungseinflusses
auf den Laufstreifen 12 des Reifens 10. Eine Betriebsart
leitet sich aus der inhärenten Steifigkeit
des vorgeschlagenen Verbundwerkstoffs, aus dem die Rippen 22, 24 hergestellt
sind, her. Mit anderen Worten, die Rippen 22, 24 sind
allein auf Grund ihrer Struktur inhärent halbstarr. Die andere Betriebsart,
durch die die Rippen 22, 24 zu einer Verhinderung
eines Laufstreifenanhubs beitragen, umfasst eine Kombination aus
einer hohen longitudinalen Zugspannung-Aufnahmefestigkeit der Rippen
auf Grund der Verwendung von Füllstoffwerkstoffen
mit hoher Festigkeit und hohem Elastizitätsmodul wie etwa Glas- oder
Kohlenstoffasern und auf Grund der beabsichtigten Anordnung der
Rippen an einem Ort, der sich radial innerhalb des Laufstreifens 12 und
der Gürtelstruktur 13 befindet.
An diesem Ort radial innerhalb der Gürtelstruktur sind die Rippen
Zugspannungen ausgesetzt, die sich bei einer Auslenkung nach oben
des mittleren Abschnitts des Laufstreifens während des Notlaufbetriebs notwendig
ergeben. Genauer kann die letztere Versteifungsbetriebsart anhand
einer Analogie mit einem I-Balken, die im Folgenden diskutiert wird,
beschrieben werden.
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3 zeigt
eine Teilquerschnittsansicht des Bodenkontaktabschnitts eines herkömmlichen
Reifenlaufstreifens 50, der einem seitlichen Laufstreifenanhub
unterliegt. Der mittlere Laufstreifenabschnitt 52 ist außer Kontakt
mit dem Boden 54 gezeigt. 4A ist
eine Teilquerschnittsansicht des mittlersten Abschnitts 60 des
in 3 gezeigten Laufstreifenabschnitts 50.
Die in 4A gezeigten
Reifenkomponenten sind der Innerliner 61, eine erste Karkassenlage 62,
eine zweite Karkassenlage 63, ein erster Gürtel 65,
ein zweiter Gürtel 66 und
ein Abschnitt des Laufstreifens 67. Die neutrale Biegeachse A-A
ist in der Nähe
der Grenzfläche
zwischen der zweiten Lage 63 und dem ersten Gürtel 65 gezeigt, was
jedoch nicht notwendig der genaue Ort der neutralen Biegeachse ist,
obwohl zum Zweck der Erläuterung
der laufstreifenversteifenden Dynamik der Erfindung dieser Ort der
neutralen Biegeachse ausreichend ist. Die über der neutralen Biegeachse
A-A, etwa über
den Karkassenlagen liegenden Strukturen stehen unter Zug, während jene,
die sich unter der neutralen Achse befinden und die Gürtel 65, 66 umfassen,
einer Druck unterliegen.
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4B enthält alle
Strukturen, die in 4A gezeigt
sind, einschließlich
eines laufstreifenversfärkenden
Unterstützungselements 23 (eine
der laufstreifenverstärkenden
Rippen 22 oder 24), das an dem Ort zwischen der
zweiten Karkassenlage 63 und dem ersten Gürtel 65 angeordnet
ist. In 4B ist die neutrale
Biegeachse A-A so gezeigt, dass sie auf Grund des Vorhandenseins
der Rippe 22 im Vergleich zu der Konstruktion des Standes
der Technik geringfügig
von den Gürteln 65, 66 versetzt
ist. Das Vorhandensein der Rippe 22 bewirkt, dass sich
der Ort der neutralen Biegeachse A-A geringfügig radial nach innen und weg
von dem radial innersten Abschnitt des ersten Gürtels 65 bewegt. Somit
ist jede solche Rippe 22 so gezeigt, dass sie sich hauptsächlich auf
Seiten der Zugspannung der neutralen Biegeachse befindet, obwohl
in Wirklichkeit unter der Voraussetzung von anderen Faktoren wie
etwa der wirklichen Dicke und der Druckaufnahmeeigenschaften der
Gürtel
oder der Dicke und der Festigkeit der Lagenschichten jede Rippe
vollständig
auf Seiten der Zugspannung der neutralen Biegeachse A-A liegen könnte. An
diesem Ort kommt die Zugspannungs-Aufnahmefähigkeit der Rippen bei der
Versteifung des Laufstreifens auf im Folgenden eingehender beschriebenen
Weisen ins Spiel.
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Wie früher beschrieben wurde, leitet
sich die Versteifungswirkung, die der Laufstreifen durch die Rippen 22 erfährt, aus
(1) der inhärenten
Steifigkeit der faserverstärkten
Verbundstruktur des Rippenwerkstoffs und (2) der Zugspannungs-Aüfnahmefestigkeit
der Rippe an ihrem Ort auf Seiten der Zugspannung der neutralen
Biegeachse ab. Tatsächlich ergibt
bei Betrachtung von 4B das
Vorhandensein der Rippe 22 an dem gezeigten Ort eine zusätzliche
Wirkungsweise in ihrer laufstreifenversteifenden Rolle. Das Vorhandensein
der Rippe 22 verlagert die Druckspannung aufnehmenden Gürtelschichten 65, 66 weiter
von den Zugspannung aufnehmenden Lagenschichten 62, 63,
was jenen Strukturen einen größe ren Einfluss
bezüglich
der neutralen Biegeachse A-A verleiht. Genauer kommt die früher erwähnte I-Balken-Analogie
ins Spiel und kann unter Bezugnahme auf 5 sichtbar gemacht werden.
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Der in 5 gezeigte
I-Balken 80 überspannt
einen Bereich zwischen einer Unterstützung A und einer Unterstützung B
und trägt
dabei eine Last L. Der obere Schenkel 82 ist somit die
primäre
Druckspannung aufnehmende Komponente des I-Balkens 80 zusammen
mit jenen Abschnitten des Steges 86, der auf der Druckseite
der neutralen Biegeachse A-A liegt. Entsprechend stehen der Schenkel 84 und
die Abschnitte des Stegs 86 unterhalb der neutralen Biegeachse
unter Zug. In der Analogie mit dem Laufstreifensegment 70,
das in 4B gezeigt ist,
entspricht der Druck aufnehmende Schenkel 82 des I-Balkens 80 den
Gürteln 65, 66 in 4B, während der Zugspannung aufnehmende
Schenkel 84 den radialen Lagen 62, 63 entspricht.
Unter der Voraussetzung dieser Analogie-Entsprechungen hat das Vorhandensein
der Rippe 22 (4B)
die Wirkung einer Erhöhung
der Breite W des Stegs 86 des I-Balkens. Mit anderen Worten,
falls der Reifenabschnitt 70, der in 4B gezeigt ist, als ein I-Balken angesehen würde, hat
die Rippe 22 auf Grund ihrer Dicke die Wirkung einer Erhöhung der
Breite W des Stegs. Der Fachmann im Gebiet des Reifenbaus erkennt
selbstverständlich,
dass eine Erhöhung
der Breite des Stegs eines I-Balkens einer Zunahme des Biegeträgheitsmoments
des I-Balkerts entspricht, weil die entsprechenden Momentarme der
Spannung aufnehmenden Schenkel 82, 84 in Bezug
auf die neutrale Biegeachse A-A erhöht sind. Zusätzlich hat
die Zugspannungsaufnahmekapazität
jeder Rippe 22 sowie ihr hauptsächliches Vorhandensein auf
Seiten der Zugspannnung der neutralen Biegeachse A-A (4B) die Wirkung einer Erhöhung der
gesamten Querschnittsfläche
der Zugspannung aufnehmenden Abschnitte des in 5 gezeigten analogen I-Balkens 80.
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Bevorzugte
Ausführungsform
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6 ist
eine Meridianquerschnittsansicht eines Reifens 100 mit
Notlaufeigenschaften, der mehrere Unterstützungselemente 23 wie
etwa parallel ausgerichtete Rippen 22 oder 24 unter
einem Laufstreifen 102 an dem Ort aufweist, der sich radial innerhalb
der Gürtelstruktur 104 (die
mit einem darüberliegenden
Gewebe 106 gezeigt ist) und radial außerhalb der Lagenstruktur 108 befindet.
(6 ist im Wesentlichen,
eine Meridianquerschnittsansicht eines besonderen Reifens 100,
der zu dem allgemeineren Reifen 10 von 1 äquivalent
ist.) Der Reifen 100 mit Notlaufeigenschaften besitzt solche
zusätzlichen
Reifenkomponenten wie etwa einen oder mehrere Keileinsätze 110a, 110b in
jedem Seitenwandabschnitt 112a, 112b sowie eine
oder mehrere radiale Karkassenlagen 114, 116,
einen Innerliner 118 und Wulstbereiche 120a, 120b,
die Wülste 122a, 122b und
Wulstkernreiter 124a, 124b umfassen.
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Obwohl die in 6 (und in 1)
gezeigte Ausführungsform
einen mehr oder weniger typischen Reifen mit Notlaufeigenschaften
repräsentieren
soll, der die Rippen 22 der vorliegenden Erfindung enthält (die
während
des Notlaufbetriebs einen Laufstreifenanhub in seitlicher Richtung
und in Umfangsrichtung verhindern), soll die oben beschriebene und
in 6 gezeigte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eher eine typische als eine besondere
Art der Ausführung
der Erfindung angeben, die ebenso gut in Entwürfen der vielen anderen Entwürfe von
Reifen mit Notlaufeigenschaften, wie sie momentan vorhanden sind
oder im Gebiet der Technologie der Reifen mit Notlaufeigenschaften
billigerweise erwartet werden könnten,
enthalten sein könnten.
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Ferner hängt die Entwurfsgeomentrie
der Rippen 22 und ihre Ausgestaltung in einem gegebenen
Reifen von der Reifengröße, dem
Aspektverhält nis
und der beabsichtigten Verwendung ab. Der Erfinder erwartet, dass
die Rippen 22, 24 als Mittel für die Schaffung einer Festigkeit
und für
die Verringerung der Masse oder der Anzahl anderer Reifenkomponenten
in vielen verschiedenen Reifenentwürfen einschließlich jener,
die nicht nur für
Personenkraftwagen, sondern auch für Erdbeweger, Flugzeuge und sowohl
leichte als auch schwere Lastkraftwagen beabsichtigt sind, verwendet
werden können.
Der Bereich der Breite, der Dicke, der Länge und des Zwischenraums in
jedem der Reifenentwürfe
würde sich in Übereinstimmung
mit zahlreichen anderen Reifenentwurfsparametern und den beabsichtigten
Reifen-Endanwendungsarten ändern.