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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Schallunterdrückung an Rädern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine Person, die sich in dem Fahrgastraum eines Kraftfahrzeugs befindet, erlebt oft, dass er/sie in einer geräuschvollen Umgebung ist. Der Geräuschpegel variiert jedoch abhängig von der Größe und Marke des Fahrzeugs, in dem man sitzt. Es ist auch klar, dass das Geräusch zunimmt, wenn das Fahrzeug beschleunigt. Es ist daher eine allgemeine Schlussfolgerung, dass das Geräusch hauptsächlich vom Motor kommt. Es ist jedoch so, dass eine relativ große Menge des Geräusches im Fahrgastraum von Straßen- bzw. Rollgeräusch stammt. Bei modernen Wagen sind große Anstrengungen unternommen worden, um das Motorgeräusch zu minimieren, das in den Fahrgastraum eindringt, und auch das Straßengeräusch, jedoch verbleibt von letzterem noch viel. Ein Minimieren des Geräusches von der Straße und den Rädern wird außerdem wichtiger, wenn das Motorgeräusch abnimmt, denn das Geräusch von der Straße und den Rädern bildet in diesem Fall relativ gesehen einen größeren Anteil des Gesamtgeräusches im Fahrgastraum.
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Das Geräusch, das gewöhnlich auf die Räder des Fahrzeugs zurückzuführen ist, umfasst teilweise das Außengeräusch, das erzeugt wird, wenn ein Rad mit der Straßenoberfläche zusammentrifft, und teilweise den Schall, der durch eine im Lufthohlraum im Innern des Rades erregte stehende Welle erzeugt wird, die auf der Eigenfrequenz (Resonanzfrequenz) des Rades basiert. Somit findet dort statt, was als ein Resonanzton im Rad bezeichnet werden kann. Die Eigenfrequenz eines Rades ist durch seinen Umfang derart bestimmt, dass der Umfang des inneren Lufthohlraums gleich einer Wellenlänge ist. Je größer das Rad, d. h. je größer der Umfang, um so länger ist die Wellenlänge und damit um so tiefer die Eigenfrequenz. Ein 15-Zoll-Rad hat eine Eigenfrequenz von ungefähr 230 Hz. Das Frequenzintervall, das in diesem Zusammenhang von Interesse ist, erstreckt sich von ungefähr 250 Hz hinunter bis knapp unter 100 Hz, wobei letztere einem Lastwagenrad entspricht.
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Das Außengeräusch, das zum Zusammentreffen des Reifens mit der Straßenoberfläche gehört, hängt unter anderem vom Aussehen des Reifens, dem Muster des Profils und dem Material des Reifens, wie auch der Art der Straßenoberfläche ab. Dieses Geräusch ist schwebend bzw. befindet sich in der Luft. Das Geräusch, das im Rad als Ergebnis von Resonanzschwingung auftritt, ist zu einem gewissen Grad schwebend, aber zum größten Teil ist es ein Körperschall, d. h. der Schall pflanzt sich über die Radaufhängung und weiter in den Fahrgastraum des Wagens fort.
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Einrichtungen zum Schallunterdrücken in Rädern sind aus
EP 0 663 306 A2 und
JP H07-52616 A bekannt. Aus diesen Dokumenten ist es im Stand der Technik bekannt, Schall in Radhohlräumen durch dortiges einfaches Anordnen eines schallabsorbierenden Materials zu unterdrücken. Die Wirkung davon muss als extrem begrenzt angesehen werden. In
EP 0 663 306 A2 ist unter anderem genannt, dass beabsichtigt wird Schall zu unterdrücken, der von den Eigenvibrationen im Radhohlraum stammt, und als Beispiel werden Eigenfrequenzen von 150 bis 250 Hz genannt. Im letztgenannten Dokument ist auch dargestellt, wie Resonatoren in Verbindung mit den Schallabsorbern im Reifen angeordnet sein können. Diese Resonatoren sind jedoch zum Absorbieren von anderem Schall als dem Eigenfrequenzschall gedacht, weil ihre Gestaltung derart ist, dass ihre Abmessungen eine Schallunterdrückung auf Frequenzen in der Größenordnung von 1000 Hz begrenzen, was die Eigenfrequenz eines Fahrzeugrades erheblich übersteigt. Wie genannt ist die Eigenfrequenz durch den Umfang des Rades bestimmt. Eine Eigenfrequenz von 1000 Hz würde einem Rad mit einem Durchmesser von ungefähr 11 cm entsprechen.
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Das Verwenden von Resonatoren zur Schallunterdrückung in Rädern ist als solches auch aus
EP 0 665 529 A2 bekannt. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Resonator auf einer Schallabschirmung am Äußeren des Rades angeordnet ist oder dass Resonatoren im Radlauf angeordnet sind. Dieser Stand der Technik stellt daher Schallunterdrückung von äußerem, schwebendem, vom Kontakt des Rades mit dem Boden stammendem Schall dar. Er behandelt nicht das Problem von körperübertragenem Schall, der von den Eigenschwingungen im Rad abhängig ist.
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Um den Stand der Technik darzustellen, sei ferner
JP H04-87803 A genannt, von dem es bekannt ist, durch Erzeugen einer Zwischenwand im Rad die Wellenlänge zu halbieren und dadurch die Resonanzfrequenz in einem Rad zu verdoppeln. Die sich ergebende doppelte Frequenz wird als nicht genauso geräuschvoll wie die ursprüngliche Frequenz empfunden. Hierbei geht es jedoch nicht um Schallunterdrückung in einem strengen Sinn.
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US 4,896,921 A offenbart zudem ein Fahrzeugrad mit einer in der Felge integrierten Schalldämpfungskammer. Die Felge weist umlaufend eine Vertiefung auf und durch eine umlaufend über der Vertiefung verlaufende Trennwand wird ein Hohlraum gebildet. Die Trennwand weist dazu Öffnungen auf, die zu dem Hohlraum, der durch den Reifen gebildet wird, gerichtet sind. Dabei können in der Schalldämpfungskammer senkrechte Trennwände angeordnet sein, um eine Mehrzahl von Schalldämpfungskammern zu bilden.
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JP H01-115702 A zeigt ebenfalls wie
US 4,896,921 A eine Kammer zur Reduzierung des Schalls in einem Reifen, die umlaufend in der Felge angeordnet ist. Ein Austausch von Luft aus dem Reifen und der Kammer erfolgt über eine Verbindungsöffnung.
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In
JP H01-115701 A wird wie schon in
US 4,896,921 A und
JP H01-115702 A gezeigt, ein Fahrzeugrad mit einer Schalldämpfungskammer offenbart, jedoch ist bei
JP H01-115701 A die Kammer in der Speiche des Rades angeordnet.
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Aufgabe dieser Erfindung ist es, Eigenfrequenz-Schall in Rädern gezielt und wirksam zu unterdrücken bzw. nicht aufkommen zu lassen, der im Lufthohlraum im Rad entsteht.
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Die Aufgabe der Unterdrückung von Eigenfrequenz ist erfindungsgemäß durch die Einrichtung gelöst, wie sie im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 bestimmt ist.
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Der Vorteil dieser Erfindung, wie sie in dem unabhängigen Anspruch bestimmt ist, liegt darin, dass eine beträchtlich effektivere Unterdrückung von vom Radhohlraum stammendem Geräusch erzielt wird, als es gemäß dem Stand der Technik der Fall ist. Durch Verwenden von Resonatoren wird Schall mit der Frequenz, auf die die Resonatoren abgestimmt sind, im Prinzip vollständig ausgelöscht. Durch diese Schallunterdrückung wird der Komfort für den Fahrer und die Fahrgäste im Fahrgastraum des Fahrzeugs verbessert. Ein geringerer Schallpegel hat auch den Vorteil, dass er zu einer verbesserten Sicherheit führt, weil man schlicht und einfach durch den Aufenthalt in einer geräuschvollen Umgebung müde wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile sind durch die untergeordneten Ansprüche ersichtlich.
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Die Erfindung wird nun detailliert mit Bezug zu mehreren Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind, in denen:
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1a eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Anordnung darstellt,
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1b eine Prinzipskizze darstellt, bei der die Länge der Resonatoren variiert,
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1c eine Prinzipskizze darstellt, bei der die Länge der Resonatoren in einer zu der in 1b unterschiedlichen Art variiert,
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1d eine Prinzipskizze darstellt, bei der die Resonatoren in einer zu der von 1b unterschiedlichen Art variieren,
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1e eine Prinzipskizze darstellt, bei der die Resonatoren in einer zu der von 1b nochmals unterschiedlichen Art variieren,
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1f eine Prinzipskizze darstellt, wie die Wellenlänge für die Eigenfrequenz durch die Drehung des Rades beeinflusst ist,
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2 eine Prinzipskizze einer Ausführungsform einer Einrichtung darstellt, die nicht zur Erfindung gehört,
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3 eine von unten und geschnitten gesehene Detailansicht der Ausführungsform gemäß 2 darstellt,
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4 die Anordnung in 2 darstellt, wenn sie derart verwendet ist, dass sie am Boden der Felge befestigt ist,
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5 eine räumliche Ansicht einer Ausführungsform einer Einrichtung darstellt, die nicht zur Erfindung gehört,
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6 eine Detailansicht der Anordnung in 5 im Schnitt VI-VI darstellt,
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7 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung im Schnitt darstellt,
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8 eine Prinzipskizze einer Ausführungsform einer Anordnung darstellt, die nicht zur Erfindung gehört, und
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9 eine Prinzipskizze einer Ausführungsform einer Anordnung darstellt, die nicht zur Erfindung gehört.
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Das Prinzip der Erfindung ist in 1a dargestellt. Ein Fahrzeugrad 1 weist einen Reifen 2 und eine Felge 3 auf. Im Inneren des Rades, präziser zwischen dem Boden 7 der Felge und dem Inneren des Reifens 2, ist ein mit Luft gefüllter Hohlraum 5 (siehe 4). Dieser Hohlraum erstreckt sich um das gesamte Rad und hat einen mittleren Durchmesser mit Bezugszeichen ⌀M. Wenn das Rad mit der Straßenoberfläche zusammentrifft, wird in diesem Lufthohlraum eine stehende Welle mit einer Resonanzfrequenz erregt, die spezifisch für das Rad ist und die durch den Durchmesser des Rades bestimmt ist. Als ein Beispiel kann genannt werden, dass ein 15-Zoll-Rad einen mittleren Durchmesser ⌀M für den Lufthohlraum von ungefähr 47 cm und einen Umfang von 148 cm hat. Eine Schallwellenlänge von λ = 148 cm entspricht einer ersten Resonanz im Hohlraum von fr = 230 Hz.
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Jedoch entstehen mit steigender Drehgeschwindigkeit des Rades zwei gegensätzlich wandernde Schallwellen, die folglich unterschiedliche Weglängen haben, eine kürzer als 148 cm und die andere länger als 148 cm. Dies bedeutet, dass ein drehendes Rad zwei Eigenfrequenzen hat, eine auf jeder Seite von fr = 230 Hz. Das Prinzip davon ist in 1f dargestellt. Der Buchstabe A kennzeichnet den Kontaktpunkt zwischen dem Rad und dem Boden zur Zeit t. Wenn sich das Rad mit der durch den Pfeil E dargestellten Drehrichtung dreht, wird der Kontaktpunkt zwischen dem Rad und der Straßenoberfläche zur Zeit t + 1 bei B sein. Daraus folgt, dass die Wellenlänge λ1 für den Resonanzton, der in der zur Drehrichtung des Rades entgegengesetzten Richtung erregt wird, länger ist als die Wellenlänge λ2 für den Resonanzton, der in der Drehrichtung des Rades erregt wird.
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Um den bereits im Rad vorhandenen Resonanzschall auszulöschen, ist das Rad mit einem Schlauch versehen, der im Rad angeordnet ist und der mittels Zwischenwänden in vier Abschnitte 10, 11, 12, 13 geteilt ist, wobei jeder Abschnitt ¼ Wellenlänge entspricht. Jeder Schlauchabschnitt ist an einem Ende mit einer Öffnung versehen und zum Hohlraum gerichtet, wodurch vier sogenannte Viertelwellen-Resonatoren erzielt werden.
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Ein Viertelwellen-Resonator funktioniert so, dass der reflektierte Schall in Gegenphase zum zugehörigen Schall ist, wodurch der Schall schlicht und einfach ausgelöscht wird.
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1a stellt den prinzipiellen Fall dar, bei dem die vier Viertelwellen-Resonatoren gleich lang sind. Um auch in der Lage zu sein, Schall gemäß dem oben für erhöhte Drehgeschwindigkeiten Diskutierten auszulöschen, der von zwei Bodenresonanzen stammt, können die vier Viertelwellen-Resonatoren paarweise gleich lang gestaltet sein. In 1b ist eine Prinzipskizze für diesen Fall dargestellt. Aus der Figur ist ersichtlich, dass zwei der Resonatoren 11b, 13b etwas kürzer als eine auf dem mittleren Durchmesser ⌀M basierende Viertelwellen-Länge gestaltet sind, d. h. im beschriebenen Beispiel etwas kürzer als ⌀M = 47/4 cm, und die anderen zwei Resonatoren 10b, 12b etwas länger gestaltet sind. Es wäre auch denkbar, die Resonatoren sich teilweise überlappen zu lassen, wenn dies erforderlich erscheint, um längere Resonatoren zu haben.
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Es ist offensichtlich auch denkbar, die Resonatoren mit unterschiedlicher Länge zu gestalten, um in der Lage zu sein, Schall in einem etwas größeren Bereich um die Resonanzfrequenz, die auf dem mittleren Durchmesser ⌀M des Rades basiert, auszulöschen, und was damit einer größeren Variation der Drehgeschwindigkeit des Rades entspricht. Ein Beispiel einer solchen Ausführungsform ist in 1c dargestellt. Aus der Figur ist zu sehen, dass der Resonator 13e etwas kürzer als eine auf dem mittleren Durchmesser ⌀M des Rades basierende Viertelwellen-Länge ist, d. h. in dem beschriebenen Beispiel etwas kürzer als ⌀M = 47/4 cm, dass der Resonator 12c noch kürzer gestaltet ist, d. h. auf eine noch höhere Frequenz abgestimmt ist, dass der Resonator 10c etwas länger als eine Viertelwellenlänge gestaltet ist und dass der Resonator 11c noch länger gestaltet ist, d. h. auf eine noch geringere Frequenz abgestimmt ist. Wenn die Resonatoren so gestaltet sind, dass jeder von ihnen an eine spezielle Eigenfrequenz angepasst ist, werden nur einer oder zwei von Ihnen zur gleichen Zeit funktionieren, d. h. bei einer bestimmten Drehgeschwindigkeit des Rades. Die anderen gelangen in Funktion, wenn sich die Drehgeschwindigkeit ändert. Zusätzlich dazu, dass man auf diese Art Eigenfrequenzschall in einem großen Intervall für ein und dasselbe Rad auslöschen kann, ist es auf diese Art auch möglich, eine Anordnung mit dem gleichen Satz Resonatoren für Räder mit unterschiedlichen Reifenausmaßen zu verwenden, z. B. sowohl für 15-Zoll-Reifen als auch 16-Zoll-Reifen.
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Als eine Alternative zu Resonatoren, die voneinander getrennt sind und je ihre eigene Öffnung haben, was in 1a–1c der Fall ist, ist es denkbar, die Trennwand zwischen zwei Resonatoren herauszulassen und statt dessen eine einzelne Öffnung dort anzuordnen, wo die Trennwand früher angeordnet war, wodurch diese Öffnung die früheren zwei Öffnungen ersetzt. Auf diese Art werden zwei Viertelwellen-Resonatoren erhalten, eine von der Öffnung aus betrachtet in jede Richtung. Diese Alternative ist in 1d und 1e veranschaulicht. Die Anordnung in 1d entspricht bezüglich der Größe, den Frequenzen und der Hauptfunktion der Resonatoren der Anordnung in 1a, während die Einrichtung in 1e der Anordnung in 1b entspricht. Natürlich wäre es auch denkbar, die entsprechenden Modifikationen der Einrichtung in 1c auszuführen, jedoch ist eine getrennte Figur hiervon nicht beigefügt.
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Bezogen auf die folgenden Beispiele von Ausführungsformen, können diese selbstverständlich so modifiziert werden, dass irgendeines der obengenannten alternativen Prinzipien verwendet werden kann.
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Eine Ausführungsform ist in 2 dargestellt, die nicht zur Erfindung gehört. Sie weist eine Schallunterdrückungsanordnung in Form eines in vier Resonatoren 10, 11, 12, 13 unterteilten Schlauchs 9 auf. Die Resonatoren sind durch im Schlauch 9 angeordnete Zwischenwände 15, 16, 17, 18 getrennt. Jeder Resonator ist an dem einen Ende mit einer zum Lufthohlraum im Rad gerichteten Öffnung 20, 21, 22, 23 versehen. 3 zeigt ein Detail der Anordnung in 2 im Schnitt. Hier können wir den Resonator 10 mit seiner Öffnung 23 und den Resonator 13 sehen. Zwischen den Resonatoren 10, 13 ist eine Zwischenwand 18. Das Ende des Resonators 13, das den mit einer Öffnung versehenen Resonator 10 abstützt, ist vorzugsweise an seinem Grund mit einem inneren Dämpfer 19 in Form eines schallabsorbierenden Materials nahe der Zwischenwand 18 versehen. Dieser Dämpfer ist angeordnet worden, um ein etwas breiteres Frequenzintervall abzudecken, was beispielsweise aufgrund von von Geschwindigkeitsänderungen abhängigen Frequenzänderungen wünschenswert sein kann.
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Der Schlauch ist vorteilhaft aus einem etwas flexiblen Material hergestellt, so dass er auf die Felge gedrängt werden kann. Beispiele für geeignete Materialien sind Gummi, vorzugsweise in einer relativ steifen Art, Kunststoff oder Metall.
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Die in 2 und 3 dargestellte Anordnung kann vorteilhaft zum Befestigen am Boden der Felge des zu dämpfenden Rades gestaltet sein. Ein Beispiel hiervon ist in 4 dargestellt. Normalerweise ist keine besondere Gestaltung der Felge erforderlich, aber der Schlauch ist beispielsweise durch Kleben oder dergleichen befestigt. Es kann auch ausreichend sein, den Schlauch zum Aufdrängen bzw. Aufziehen zu optimieren, so dass er nachdem er in Stellung gedrängt worden ist, befestigt ist. Falls erforderlich, kann der Boden der Felge 7 jedoch eine besondere Gestaltung haben, um das Befestigen des Schlauches 9 zu erleichtern.
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5 und 6 stellen eine Ausführungsform einer Anordnung dar, die nicht zur Erfindung gehört. Der Schlauch ist hier gegen einen Kanal 25 getauscht worden, der auf der Felge 26 angeordnet ist, näher bestimmt auf dem Boden 27 der Felge. Dieser Kanal erstreckt sich im Wesentlichen um den gesamten Umfang des Bodens der Felge. Der Kanal kann entweder vollkommen in die Felge integriert oder, wie in 5 und 6 dargestellt, eine auf dem Boden 27 der Felge angeordnete Wand 28 aufweisen, wobei der Raum zwischen dem Rand 29 der Felge und dieser Wand mittels eines Deckels 30 geschlossen ist, um den Kanal 25 zu bilden. Dieser Deckel muss möglicherweise mit einer Art Dämpfer versehen sein. Der Kanal 25 ist in der gleichen Art wie bei der ersten Ausführungsform und gemäß der Skizze in 1a in vier Resonatoren geteilt, die je mit einer Öffnung an einem Ende versehen sind, von denen nur eine Resonatoröffnung 23 tatsächlich dargestellt ist. Am anderen Ende, d. h. am Boden des Resonators, ist der Kanal vorzugsweise mit einem porösen Absorptionsmittel 32 zu demselben Zweck wie vorher versehen.
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7 stellt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung dar. Hier können wir eine Felge 40 sehen, auf der ein Reifen 41 montiert ist. Am Inneren des Reifens 41, d. h. der Seite, die dem Profil 42 gegenüberliegt und dem zwischen der Felge und dem Reifen gebildeten Hohlraum 43 zugewandt ist, ist ein Kanal 45. Dieser Kanal entspricht dem Kanal 25 in der zweiten Ausführungsform und dem Schlauch 9 in der ersten Ausführungsform, und erstreckt sich folglich um im Wesentlichen den gesamten inneren Umfang des Reifens. Der Kanal 45 ist daher in vier Resonatoren geteilt, die in der gleichen Art wie die Viertelwellen-Resonatoren im Kanal 25 und im Schlauch 9 gestaltet sind. Die Löcher der Resonatoren sind zum Hohlraum gerichtet. Der Kanal kann dauerhaft auf die Innenseite des Reifens vulkanisiert oder bereits während des Herstellens des Reifens ins Innere des Reifens integriert werden. Natürlich kann der Kanal auch irgendwo anders als gegenüber dem Profil (wie in der veranschaulichten Ausführungsform) im Inneren des Reifens angeordnet sein, abhängig davon, was von Fall zu Fall geeignet ist.
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In 8 ist eine Ausführungsform dargestellt, die nicht mehr zur Erfindung gehört. Die Figur stellt ein Fahrzeugrad 50 im Schnitt dar und hier sind zwei Viertelwellen-Resonatoren 51, 52 bildende Kanäle im Inneren der Felgenwand 55 angeordnet. Die Resonatoren sind vorzugsweise in die Felge integriert. Sie sind in der gleichen Art wie obige Viertelwellen-Resonatoren gestaltet, d. h. mit einer Öffnung 53 bzw. 54 an einem Ende und vorzugsweise mit einem inneren Dämpfer 56, 57 in der Form eines porösen Absorptionsmittels am Boden, d. h. dem anderen Ende. In dieser Ausführungsform könnte es auch möglich sein, die Resonatoren anstatt als Viertelwellen-Resonatoren in Gestalt von Helmholtz-Resona-toren in Analogie zu 9 unten auszubilden.
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Schließlich ist eine weitere Ausführungsform in 9 dargestellt, die nicht mehr zur Efindung gehört. Gemäß dieser Ausführungsform können ebenso Viertelwellen-Resonatoren wie auch Helmholtz-Resonatoren verwendet werden. Die Figur stellt ein Fahrzeugrad 60 im Schnitt dar. Die Felge 61 ist mit Speichen 62 versehen. In wenigstens einer und vorzugsweise mehreren der Speichen sind Hohlräume 63 mit Öffnungen 64 gemäß dem Prinzip für einen Viertelwellen-Resonator oder einen Helmholtz-Resonator mit an die Resonanzfrequenz(en), welche die vorliegenden Radausmaße verursachen, angepassten Volumen angeordnet. Die Figur zeigt vier als Helmholtz-Resonatoren geformte Hohlräume. Auch hier sind die Resonatoren vorteilhaft in der Felge integriert.
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Die obige Beschreibung verschiedener Ausführungsformen von efindungsgemäßen Schallunterdrückungsanordnungen sind nur als Beispiele der Erfindung zu betrachten und das Erfindungskonzept ist nicht darauf begrenzt, sondern die Erfindung kann im Bereich der folgenden Patentansprüche verändert werden. Es ist besonders zu betonen, dass in allen Ausführungsformen jeder Resonator einzeln so geformt und bemessen sein kann, dass jeder einzelne Resonator zum Dämpfen einer spezifischen Frequenz angepaßt ist; alternativ können die Resonatoren paarweise gleich bemessen sein. Es ist auch denkbar, alle Ausführungsformen so zu modifizieren, dass auch Helmholtz-Resonatoren verwendet werden können. Ferner ist die Erfindung nicht als auf Kraftfahrzeuge begrenzt zu betrachten, sondern kann auch bei Rädern von anderen Arten Fahrzeugen, bei denen entsprechende Probleme auftreten, angewendet werden.