DE29902733U1 - Vorrichtung zur Beeinflussung von Reifeneigenschaften - Google Patents

Description

Beschreibung

Vorrichtung zur Beeinflussung von Reifeneigenschaften

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beeinflussung der Eigenschaften eines elastischen Reifens (10), insbesondere eines Reifens eines Fahrzeuges, wobei innerhalb des Reifens ein Medium, beispielsweise Luft, angeordnet ist. Eine derartige Vorrichtung ist bekannt.

Insbesondere für die Landwirtschaft werden heute aufwendige Systeme zur Regulierung des Luftdruckes in den Reifen angeboten, sogenannte Reifendruckregelanlagen. Diese Systeme erlauben eine Anpassung des Luftdruckes auf verschiedene Anforderungen. So wird bei Straßenfahrt ein ausreichend hoher Reifendruck gewünscht, denn bei niedrigen Reifeninnendrücken steigt der Rollwiderstand, der Reifenverschleiß und die Überhitzungsgefahr mit zunehmender Geschwindigkeit deutlich an und die Tragfähigkeit des Reifens nimmt mit zunehmender Geschwindigkeit in der Regel ab. So hat ein um 30% zu niedriger Luftdruck eine Verdoppelung des Verschleißes der Reifen zur Folge (Zeitschrift „Profi", Nr. 12, 1993, Seite 83). Auf dem Acker jedoch wandeln sich die Anforderungen an den Reifen. Eine Verringerung des Luftdruckes in den Reifen bedingt stärkeres walken der Reifen und fuhrt damit zu einer Erhöhung der Reifenaufstandsfläche. Das wiederum hat nachhaltige Folgen für den Bodendruck und die Zugkraft. Eine Verminderung des Luftdruckes von 1,2 auf 0,5 bar verringert den Bodendruck um etwa 33%, und im gleichen Ausmaß steigt das Zugkraftvermögen (Zeitschrift „Profi", Nr. 10, 1995, Seite 51). Darüber hinaus erhöhen niedrige Luftdrücke in den Reifen den Fahrkomfort bei Bodenunebenheiten, verbessern die Selbstreinigung des Profils der Reifen und vermindern den Rollwiderstand aufweichen Böden.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, bieten verschiedene Hersteller Systeme an, die es erlauben, den Luftdruck in den Reifen während der Fahrt zu ändern. Die Systeme der verschiedenen Hersteller sind im Grundaufbau gleich. Die Ventile der Reifen sind über ein Drehüberträger und ein Leitungssystem mit einem Kessel und einem zugehörigen Kompressor verbunden. Die Anpassung des Reifendruckes wird über steuerbare Ventile erreicht.

Je nach Hersteller sind für derartige Systeme pro Fahrzeug ca. 5.000,- DM aufzuwenden (Zeitschrift „Profi", Nr. 10, 1995, Seite 53). Nachteilig ist auch, daß die Regelungsdauer zwischen Straßen- und Feldluftdruck, abhängig von zahlreichen Einflußfaktoren (wie z.B. Reifenvolumen, gewünschte Luftdruckunterschiede usw.), fünf Minuten und mehr betragen kann. Darüber hinaus stellt der Einsatz dieser aufwendigen Systeme eine weitere Fehlerquelle in einem Fahrzeug dar und verursacht zusätzlichen Betriebs- und Wartungsaufwand. Nachteilig ist auch die Belastung des Fahrers durch die zusätzliche Überwachung und Bedienung der Reifendruckregelanlage.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 zu schaffen, die die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
Diese Aufgabe löst die Erfindung mit den Merkmalen des Anspruches 1, insbesondere denen des Kennzeichenteils, und ist demgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Reifen (10) wenigstens zwei kammerartige Räume (1-4) aufweist, die durch Einschnürungen (5) voneinander getrennt sind, durch welche das Medium bei Drehung des Reifens (10) strömt. Als Medium kann prinzipiell jede strömungsfähige Substanz (Gase, Flüssigkeiten) verwendet

werden. In besonderer Weise eignet sich Luft. Im folgenden wird daher aus Gründen der Einfachheit der Begriff Luft anstelle von Medium gebraucht.

Das Prinzip der Erfindung besteht im wesentlichen darin, durch Vorsehen von Einschnürungen (5) eine Beeinflussung von Luftströmungen innerhalb des Reifens (10) zu schaffen, die sich auf die Reifeneigenschaften auswirken.

Unter beeinflußbaren Reifeneigenschaften im Sinne dieser Erfindung zählen insbesondere der Bodendruck des Fahrzeuges, der Reifenverschleiß, der Rollwiderstand, die Zugkraft, der Fahr- und der Federkomfort.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung nutzt die Tatsache, daß die oben beschriebenen Anforderungen in der Regel zu unterschiedlich hohen Geschwindigkeiten gefordert werden. Bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten werden in der Regel die Eigenschaften gefordert, die bei hohen Luftdrücken in den Reifen (10) erreicht werden. Im Gegensatz dazu sind die Geschwindigkeiten auf dem Acker eher niedrig und es werden Anforderungen wie hohe Zugkraftübertragung und geringe Bodenverdichtung wichtig, die bei niedrigen Luftdrücken erreicht werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung nutzt eine weitere Tatsache. Ein durch ein Fahrzeuggewicht belasteter Reifen (10) walkt abhängig vom Reifenluftdruck mehr oder weniger stark. Als Walken wird hier die Verformung des Reifens (10) bezeichnet (siehe Figur 2). Die Rotation des Reifens (10) bei der Bewegung eines Fahrzeuges führt zu einer um den Umfang wandernden Formveränderungen des Reifens (10). D.h. es kommt zu einer Stauchung des Reifenquerschnittes im Bereich mit Bodenkontakt (Bereich der Kammer (1) des Reifens (10) in Figur 2) und anschließender Rückverformung in die Form der Bereiche ohne Bodenkontakt. Diese fortlaufende Formveränderung und damit einhergehende Volumenänderung führt zu Luftströmungen im Innern des Reifens (10).

Die vorgestellte Erfindung erreicht durch eine Beeinflussung dieser Luftströmungen lokale Luftdruckunterschiede im Innern eines Reifens (10). Zu diesem Zweck ist der Reifen (10) in mehrere kammerartige Räume (1-4) aufgeteilt, die durch Einschnürungen (5) voneinander getrennt sind. So ist es erreichbar, daß je Zeiteinheit nur eine bestimmte Luftmenge¹ von Kammer (1-4) zu Kammer (1-4) strömen kann. Anders ausgedrückt, die Luft benötigt Zeit zum Durchströmen der Einschnürung (5).

Durch diesen Aufbau wird nun folgender Effekt erreicht: Bei langsamer Rotation des Reifens (10) ist genügend Zeit für einen Luftmengenausgleich von Kammer (1-4) zu Kammer (1-4) vorhanden. Bei entsprechend geringem Reifendruck wird der Reifen (10) stark walken und die gewünschten oben genannten Eigenschaften erreichen. Bei zunehmender Geschwindigkeit des Fahrzeuges und damit zunehmender Rotationsgeschwindigkeit des Reifens (10) ist für einen kompletten Luftmengenausgleich von Kammer (1-4) zu Kammer (1-4) nicht genügend Zeit. Dies führt zu einem erhöhten Reifendruck in der Kammer (1-4) mit Bodenkontakt und führt damit zu geringerem Walken des Reifens (10). Der Reifeninnendruck bedarf also nur noch einer Anpassung an die jeweilige Achslast und nicht wie bisher an Achslast und Einsatzzweck. Einschnürungen (5) im Sinne dieser Erfindung bedeutet eine beliebige Anordnung zwischen den mindestens zwei kammerartigen Räumen (1-4) des Reifens (10) derart, daß eine Luftströmung durch diese Einschnürung (5) hindurch Zeit benötigt. Mit anderen Worten, beliebige Anordnungen verringern den Querschnitt des Reifens (10) in mindestens zwei Bereichen und lassen pro Zeiteinheit nur einen begrenzten Luftmengenaustausch zu. Die Einschnürung (5) können auch derart sein, das sie Verbindungen zwischen zwei nicht unmittelbar benachbarten Kammern (1-4) darstellen.

¹ Luftmenge = konst. = Luftdruck (p)* Volumen (V)

Im Gegensatz zum Stand der Technik bleibt die Luftmenge in der vorgestellten Erfindung im abgeschlossenen Reifen konstant.

Neben der Möglichkeit, daß der Reifen (10) und die Einschnürungen (5) eine Einheit bilden, ist eine Aufteilung des Reifens (10) auch durch die Benutzung eines in mehrere Kammern aufgeteilten Schlauches erreichbar. Dieser Schlauch bildet zusammen mit dem Mantel den klassischen Aufbau eines nicht schlauchlosen Reifens.

Darüber hinaus ist auch der Einsatz eines schwammartig (mit offenen Zellen) aufgeblähten Kunststoffes im Innern des Reifens zur Schaffung der kammerartigen Räume denkbar.

Da die mathematischen Beschreibung der Erfindung sehr komplex ist, soll im folgenden die Wirkungsweise anhand vereinfachter Modellannahmen beschrieben werden.

Figur 1 stellt ein unbelastetes Rad dar, welches aus einer Felge und einem die Felge umfassenden elastischen Reifen (10) aufgebaut ist, wobei der Reifen (10) in vier
kammerartige Räume (1-4) unterteilt ist

Figur 2 ein durch ein Fahrzeuggewicht belasteter Reifen

Figur 3 belasteter Reifen (aus Figur 2) nach einer ¹A Umdrehung bei vollständigen

Druckausgleich

Figur 4 belasteter Reifen mit gleichmäßiger Luftmenge pro Kammer (aber

unterschiedlichen Luftdrücken)

In Figur 1 ist ein unbelasteter Reifen (10) dargestellt, der beispielsweise in vier Kammern (1-4) unterteilt ist. Die Luftmenge pro Kammer (1-4) ist gleich und wird für diese Beispielrechnung mit 10 Liter pro Kammer (1-4) angenommen. Figur 2 zeigt den gleichen, jedoch durch ein Fahrzeuggewicht belasteten Reifen (10). Beispielhaft ist hier angenommen, daß der Reifen (10) in der Kammer (1) mit Bodenkontakt bis auf 7 Liter Luftmenge (bzw. 37 Liter im gesamten Reifen (10)) zusammengedrückt wird. Dieser Effekt wird im allgemeinen als walken bezeichnet. Des weiteren ist angenommen, daß es zwischen den Kammern (1-4) zu einem vollständigen Luftdruckaustausch kommt. Durch die angenommene Belastung steigt der Luftdruck im gesamten Reifen (10) gleichmäßig von angenommenen 1 bar auf 1,11 bar, berechnet nach Formel:

p: Druck

V: Volumen

&khgr; : Isentropenexponent (bei Luft: 1,40)

Figur 3 zeigt den in Figur 2 dargestellten Reifen (10) nach einer ¹A Umdrehung. Kontakt mit dem Boden hat jetzt Kammer (2), Kammer (1) ist entlastet. Angenommen ist eine für einen vollständigen Druckausgleich zwischen den Kammern (1-4) ausreichend langsame Rotation des Reifens (10). Dies hat zur Folge, daß 3 Liter Luft von Kammer (2) nach Kammer (1) strömen. Die Einschnürungen (5) zwischen den Kammern (1-4) müssen so dimensioniert werden, daß es bei einer gewünschten Geschwindigkeit des Fahrzeuges noch zu einem vollständigen

• ··

Druckausgleich zwischen den Kammern (1-4) des Reifens (10) kommt. Die Durchflußmenge pro Zeiteinheit läßt sich nach folgender Formel berechnen:

Dl

L sec J

L see
7id[m]

Z[I] *k

D: Durchflußmenge

&ugr;: Geschwindigkeit

d. Durchmesser

Z: auzutauschende Luftmenge (= 3 Liter im gewählten Beispiel)

k. Anzahl der Kammern

So wird es bei einer definierten Größe der Durchströmöffiiung (6) der Einschnürung (5) eine maximale Geschwindigkeit geben, bei der noch ein vollständiger Luftmengen- und damit auch Luftdruckaustausch innerhalb des Reifens (10) möglich ist. Bei ansteigenden Geschwindigkeiten wird es bei unveränderter Größe der Durchströmöfrhung (6) nicht mehr zu einem vollständigen Luftmengenausgleich kommen. Das hat zur Folge, daß sich in diesem Beispiel bei endlicher Beschleunigung und unendlich hoher Geschwindigkeit die Luftmenge pro Kammer (1-4) gleichmäßig verteilen wird. Figur 4 zeigt eine gleichmäßige Luftmengenverteilung mit 9,25 Liter Luft pro Kammer (1-4) (=37 Liter/4 Kammern). Die größtmögliche Luftmengendifferenz beträgt somit 32 % (Vollständiger Luftmengenausgleich 7 Liter - gleichmäßige Luftmengenverteilung 9,25 Liter Luft pro Kammer (1-4) in dem gewählten Beispiel). Diese Luftmengendifferenz pro Kammer (1-4) bei verschiedenen Geschwindigkeiten fuhrt somit zu unterschiedlich stark walkenden Reifen (10) und damit zu den gewünschten Eigenschaften der neuen Vorrichtung.

Weiterhin besteht die Möglichkeit die Verbindung zwischen den Kammern (1-4) über regelbare Ventile zu steuern. Damit lassen sich die Eigenschaften der neuen Vorrichtung aktiv beeinflussen. Beispielsweise kann so ein Walken der Reifen (10) auch bei geringen Geschwindigkeiten unterbunden werden. Durch eine Vergrößerung der Durchströmöfrhung (6) der Einschnürung (5) zwischen den Kammern (1-4) läßt sich andererseits auch bei hohen Geschwindigkeiten ein Walken der Reifen (10) erreichen. Dieses ermöglicht beispielsweise bei schlechten Straßenverhältnissen einen Federeffekt, der durchaus den Einsatz von aufwendigen Federsystemen, wie gefederte Vorderachsen, erübrigen kann.

Anwendungsgebiet für die beschriebene Vorrichtung sind Bereiche, wo es von Vorteil ist, bei unterschiedlichen Fahrzeuggeschwindigkeiten verschieden stark walkende Reifen (10) und die damit verbundenen Eigenschaften zu haben. Damit sind ausdrücklich auch Anwendungen neben der hier beispielhaft gewählten Landwirtschaft, beispielsweise bei Bau- und Geländefahrzeugen, denkbar.

Claims (9)

Schutzansprüche

1) Vorrichtung zur Beeinflussung von Eigenschaften eines elastischen Reifens (10), insbesondere eines Reifens (10) eines Fahrzeuges, wobei innerhalb des Reifens (10) ein Medium, beispielsweise Luft, angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Reifen (10) wenigstens zwei kammerartige Räume (1-4) aufweist, die durch Einschnürungen (5) voneinander getrennt sind, durch welche das Medium bei Drehung des Reifens (10) strömt.

2) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschnürungen (5) nach Art von sich radial erstreckenden Flächen mit wenigstens einer Durchströmöfthung (6) ausgebildet sind.

3) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschnürungen (5) nach Art von angelenkten Klappen ausgebildet sind, die die Luftströmung im Reifen (10) beeinflussen.

4) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschnürungen (5) Verbindungen zwischen nicht unmittelbar benachbarten Kammern (1-4) darstellen.

5) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau des Reifens (10) einen marktüblichen Mantel und einen Schlauch umfaßt, wobei der Schlauch die kammerartigen Räume (1-4) aufweist.

6) Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlauch nicht dem kompletten Volumen des Reifens (10) entspricht.

7) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchströmöffhungen (6) der Einschnürungen (5) nach Art von Ventilen ausgebildet sind und einen Luftaustausch nur in eine Richtung zulassen.

8) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschnürungen (5) steuerbar sind.

9) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Durchströmöffhungen (6) der Einschnürungen (5) manuell steuerbar ist.