DE69209705T2

DE69209705T2 - Druckloser Reifen für Reserverad

Info

Publication number: DE69209705T2
Application number: DE69209705T
Authority: DE
Inventors: John Milan Cady; James Edward Duddey
Original assignee: Goodyear Tire and Rubber Co
Current assignee: Goodyear Tire and Rubber Co
Priority date: 1991-02-27
Filing date: 1992-02-18
Publication date: 1996-10-31
Anticipated expiration: 2012-02-19
Also published as: EP0502353B1; JPH0577605A; EP0502353A1; US5343916A; CA2043082A1; DE69209705D1

Description

Diese Erfindung betrifft einen verbesserten nichtpneumatischen Reifen, welcher in erster Linie als zeitweiliger Ersatzreifen verwendet wird. Der verbesserte Reifen ist ausgelegt, um einen herkömmlichen Luftersatzreifen zu ersetzen. Nichtpneumatische Reifen sind seit langem in dem Stand der Technik bekannt. Nichtpneumatische Vollmaterialgummireifen wurden vor pneumatischen bzw. Luft-Reifen verwendet. Da die Fahrzeuggeschwindigkeiten anstiegen und Fahrmerkmale wichtiger wurden, entstand der Bedarf für eine bessere Reifenstruktur. Die Erfindung von Luftreifen stellte eine Lösung für die Probleme und Einschränkungen von Vollmaterialreifen bereit.
Der Luftreifen ist eine effiziente Struktur, die ausdauernd als Lösung auf herkömmliche Fahrzeuganforderungen verwendet wird.
Der Luftreifen ist eine "dehnbare" Struktur. Dehnbare Strukturen enthalten immer ein Kompressionsglied zum Bereitstellen einer Dehnungsvorlast in dem Dehnglied. Das Dehnglied kann üblicherweise keine Kompression und das Kompressionsglied keine Dehnung aufnehmen. In Luftreifen sind die Korde das Dehnglied und die komprimierte Luft ist das Kompressionsglied.
Der Hauptnachteil eines Luftreifens ist, daß er pneumatisch ist. Unter Druck enthaltene Luft kann und tut dies üblicherweise auch, zu den ungünstigsten Momenten entweichen, zumindest aus Sicht des Fahrers. Das einzige Problem, welches den Zustand noch verschlimmert, ist es, einen Ersatzreifen, welcher für Jahre im Kofferraum verstaut war, vorzufinden, welcher ebenfalls platt ist.
Die vorliegende Erfindung enthält keine Luft unter Druck. Es ist eine Reifenstruktur, welche sich ähnlich zu einem Luftreifen verhält, ohne zu fordern, daß Luft unter Druck enthalten ist.
Die Verbindung des Reifens mit der Straße in dem Bereich des Abdruckes oder des Straßenkontaktmusters stellt die einzige Kraft bereit, die auf das Fahrzeug wirkt und stellt sowohl die Handhabungskräfte als auch die Laststützung bereit. Ein nichtpneumatischer Reifen muß mit diesen Merkmalen, welche fundamental für einen gedachten Luftreifen sind, ausgelegt sein. Ein Luftreifen hat einzigartige Beugungs- und Lasttragemerkmale. Stoß und Ableitungen werden, obwohl sie lokal in dem Bereich radialwärts innerhalb des Abdruckes auftreten, global durch die gesamte Reifenstruktur absorbiert. Kurvenmerkmale werden erreicht durch eine Kombination von Spannungsanstieg und Nachlassen der Seitenwände.
Ein nichtpneumatischer Reifen muß in der Lage sein, Stoßlasten zu widerstehen und muß die absorbierte Energie dissipieren. Anders als der Luftreifen absorbiert der nichtpneumatische Reifen generell Stöße und Ableitungen lokal in dem Bereich innerhalb des Abdruckes oder Kontaktmusters. Der Reifen, welcher lokale Ableitung erlaubt, muß hohe Dämpfungsmerkmale aufweisen.
Der Reifen muß in der Laufbedingung in der Lage sein, Wärme zu dissipieren. Die Natur der Dämpfungslasten ist eine Form der Energiedissipation. Absorbierte Energie wird in Wärme umgewandelt. Wärme ihrerseits kann die Reifenleistung beeinträchtigen und kann in einem frühzeitigen Reifenversagen resultieren; effiziente Dissipation der Wärme ist somit wesentlich. Idealerweise wird Energie durch den Reifen nur in dem Bereich innerhalb des Abdruckes absorbiert, so daß Energie von solch einem Bereich während dem Rest der Reifenumdrehung entfernt werden kann. Gummi ist ein schlechter Wärmeleiter. Je dicker das Gummi ist, um so höher ist die Wärmeerzeugung. Das Wärmeerzeugungsproblem kann durch dünne Materialquerschnitte mit hoher Luftzirkulation auf einen gesteuerten Pegel reduziert werden.
Urethanreifen können bei Temperaturen bis zu etwa 200º F betrieben werden. Temperaturen, welche höher als 250º für längere Zeiträume betragen, werden eine Aufweichung der Struktur veranlassen. Wenn die Temperatur des Reifens hoch genug ist, kann dies zu frühzeitigem Versagen führen.
1917 wurde ein nichtpneumatischer Reifen, welcher Automobilkissenrad genannt wurde, durch Samuel Johnstone patentiert. Das US-Patent 1,258,573 beschreibt ein Multikomponentenrad. Das Johnstone-Rad umfaßt einen mittleren Abschnitt aus elastischem Material, einen äußeren elastischen Profilabschnitt und einen zwischengelagerten stoßabsorbierenden Abschnitt, umfassend eine Vielzahl von gekreuzten Schichten bzw. Netzen aus elastischem Material, gebildet mit dem mittleren und dem Profilabschnitt. In dem inneren Abschnitt des stoßabsorbierenden Abschnittes ist eine ringförmige Serie von Öffnungen gebildet. Die Öffnungen waren transversalwärts und leicht überlappend eingestellt. Jede Öffnung erstreckte sich durch die gesamte axiale Breite des stoßabsorbierenden Abschnittes. Ein Paar von Scheiben war ebenfalls bereitgestellt mit ähnlichen Öffnungen. Eine Scheibe war an jeder Seite des Rades angeordnet, wobei die Öffnungen mit jenen des stoßabsorbierenden Abschnittes ausgerichtet waren. Beim Formen bzw. Gießen wurde eine einstückige bzw. integrale Einheit gebildet. Das so beschriebene Kissenrad beanspruchte, kein größeres Gewicht als ein Metall- oder Holzrad der Zeit zu haben. Der Reifen eliminierte des weiteren die Metallteile, welche zur Befestigung von Luft- oder Vollmaterialgummireifen an der Holzfelge verwendet wurden.
1923 wurde Louis Ninskle das US-Patent 1,494,797 für einen Reifen erteilt. Die Erfindung beschreibt einen Gummireifen mit eingekapselten Luftaussparungen oder Abteilen. Das Polstern bzw. Dämpfen des Reifens wurde durch die Verwendung von eingeschlossener Luft erreicht.
Diese frühen Versuche, einen nichtpneumatischen Reifen zu entwickeln, versagten beim Bereitstellen von guter Wärmedissipation. Als die Fahrzeuggeschwindigkeiten anstiegen, waren diese Konzepte nicht in der Lage, den Anforderungen des Tages gerecht zu werden und starben einfach aus.
1989 wurde ein Patent für einen nichtpneumatischen Reifen erteilt, geeignet für den Gebrauch an Fahrzeugen der aktuellen Zeit. Der nichtpneumatische Reifen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 ist beschrieben in dem Palinkos et al US-Patent Nr. 4,832,098. Der Reifen ist einstückig bzw. integral geformt bzw. gegossen aus einem elastomären Material zum Bilden einer einheitlichen Struktur umfassend innere und äußere Ring (englisch: hoops). Der äußere Ring ist gestützt und gepolstert durch eine Vielzahl von umfänglich beabstandeten planaren Rippengliedern (Rippen) und einem planaren mittleren Schicht- bzw. Netzglied (Schicht), welche die Ringe an ihrer umfänglichen Mitte verbindet. Die Schicht liegt in einer Ebene, welche senkrecht zu der Rotationsachse des Reifens verläuft. Die Rippen erstrecken sich axialwärts entlang des inneren und des äußeren der Ringe, wobei sie sie verbinden und die Kanten der Rippen entlang entgegengesetzten Flächen der Schicht liegen. Die planaren Rippen weisen an den radialen Enden Unterschnitte auf, um zu sichern, daß Biegen bzw. Beugen gesichert ist, wobei sich die Rippen nur beugen bzw. knicken, wenn eine kritische Last überschritten ist.
Die Palinkas et al Auslegung erfordert die Verwendung von entgegengesetzt ausgerichteten Rippen, welche mit einer mittleren planaren Schicht und inneren und äußeren Ringe verbunden sind. Diese Kombination von Lastlagerung wird beansprucht, um Fahr- und Handhabungsmerkmale eines Luftreifens bereitzustellen.
Der Reifen des Anmelders, welcher hierin beschrieben und Gegenstand der Erfindung ist, ist eine Verbesserung in der nichtpneumatischen Reifenauslegung.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Erfindung betrifft einen verbesserten nichtpneumatischen Reifen, der Art: mit einer Felge und einem oder mehreren elastomären Materialien, welche mit der Felge oder miteinander verbunden bzw. verklebt sind.
Der Reifen hat eine Äquatorialebene, eine Achse senkrecht zu der Äquatorialebene, ein ringförmiges Profil, welches drehbar um die Achse ist, und einen ringförmigen elastomären Körper, hergestellt aus einem Material mit einer Shore A Härte im Bereich von 60 bis 100. Der Körper hat erste und zweite beabstandete Lateralseiten. Die Seiten sind äquidistant von der Äquatorialebene beabstandet und erstrecken sich zwischen dem Profil und der Felge. Der Körper hat zumindest 48 Öffnungen, weiche äquidistant von der Achse angeordnet sind, wobei zumindest 24 davon sich von der ersten Seite und zumindest 24 davon von der zweiten Seite erstrecken, um erste und zweite Sätze von Öffnungen zu bilden. Die Sätze von Öffnungen erstrecken sich von jeweiligen Seiten in Richtung der Äquatorialebene. Die Öffnungen bilden gleich beabstandete Säulen von elastomärem Material in dem Körper. Die durch den ersten Satz von Öffnungen gebildeten Säulen sind zu der radialen Richtung des Reifens geneigt, und die durch den zweiten Satz von Öffnungen gebildeten Säulen sind generell zu der radialen Richtung des Reifens geneigt, jedoch bei einer Neigung, welche entgegengesetzt bezüglich der der Säulen ist, welche durch den ersten Satz von Öffnungen gebildet sind.
Der verbesserte Reifen ist dadurch gekennzeichnet, daß die Säulen der ersten und zweiten Sätze jeweils Querschnitte aufweisen, welche äquidistant von der Äquatorialebene sind. Die Querschnitte der Säulen des ersten Satzes haben eine minimale Dicke von t1s1, radialwärts innerhalb des Profiles und radialwärts außerhalb eines radialwärts innersten Abschnittes des ringförmigen Körpers angeordnet. Die Dicke der Säulen des ersten Satzes steigt von der minimalen Dicke t1s1 auf eine Dicke t2s1 an einem radialwärts äußersten Abschnitt der Säulen des ersten Satzes an. Die Dicke der Säulen des ersten Satzes steigt von der minimalen Dicke t1s1 auf eine Dicke t3s1 an einem radialwärts innersten Abschnitt der Säule an. Das Verhältnis t2s1 zu t1s1 und das Verhältnis von t3s1 zu t1s1 betragen beide zumindest 150 % im Querschnitt. Die Querschnitte der Säulen des ersten Satzes haben eine minimale Dicke von t1s2, radialwärts innerhalb des Profiles und radialwärts außerhalb eines radialwärts innersten Abschnittes des Körpers angeordnet. Die Dicke der Säulen des zweiten Satzes steigt von der minimalen Dicke t2s2 an einem radialwärts äußersten Abschnitt der Säulen des zweiten Satzes an. Die Dicke der Säulen des zweiten Satzes steigt von der minimalen Dicke t1s2 auf eine Dicke t3s2 an einem radialwärts innersten Abschnitt der Säule an. Das Verhältnis von t2s2 zu t1s2 und das Verhältnis von t2s2 zu t1s2 betragen beide zumindest 150 % im Querschnitt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 stellt einen ringförmigen nichtpneumatischen Reifen der Erfindung ohne Felge dar und ist ein 20,8 inch Außendurchmesser, 3,5 inch Schnittbreite, und 1.235 lb lasttragender Reifen, welcher in einem zwei Fünftel Maßstab dargestellt ist.
Fig. 2 stellt eine Seitenansicht des Reifens von Fig. 1 dar, und zwar befestigt oder verbunden mit einer Felge.
Fig. 3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Reifens und der Felge, aufgenommen entlang der Linien 3-3 von Fig. 2.
Fig. 4 ist eine weitere vergrößerte Ansicht eines Querschnittsabschnittes des Reifens und der Felge, wobei der Schnitt aufgenommen ist entlang der Linie 4-4 von Fig. 2.
Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht des ringförmigen Körpers des Reifens, aufgenommen entlang der Linien 5-5 von Fig. 2.
Fig. 6 ist eine Seitenansicht eines Abschnittes der Reifen- und Felgenanordnung im unbeladenen Zustand.
Fig. 7 ist eine Seitenansicht eines Abschnittes der Reifen- und Felgenanordnung unter einer normalen Last, wobei die Ableitung bzw. Deflektion des Reifens dargestellt wird.
Fig. 8 ist eine Seitenansicht eines Abschnittes der Reifen- und Felgenanordnung, welche die Öffnungen des ersten Satzes und des zweiten Satzes, entgegengesetzt geneigt, mit ausgerichteten Mitten darstellt.
Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht der Reifen- und Felgenanordnung, aufgenommen entlang der Linien 9-9 von Fig. 8.
Fig. 10 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnittes der Reifen- und Felgenanordnung und deutet eine alternative Ausführungsform an.
Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht, welche das Paar von Öffnungen darstellt, und zwar überlagert und kommunizierend an einem radialen Ende.
Fig. 12. ist eine perspektivische Ansicht eines Paares von Öffnungen, welche an Mitten überlagert sind und miteinander kommunizieren.
Fig. 13 ist eine Ansicht, welche eine geometrische Beabstandung, Größe und Ausrichtung von drei benachbarten Öffnungen eines Satzes darstellt.
Fig. 14, 15 und 16 stellen eine geometrische Beabstandung von drei benachbarten ovalen Öffnungen eines Satzes einer alternativen Ausführungsform des Reifens dar. In Fig. 14 erstrecken sich die engen Enden der Öffnungen radialwärts nach außen, Fig. 15 deutet die Öffnungen radialwärts nach innen an, und Fig. 16 deutet die Öffnungen, alternierend mit dem engen Ende radialwärts nach außen gerichtet für eine Öffnung, und für benachbarte Öffnungen mit dem engen Ende radialwärts nach innen gerichtet an.
Fig. 17 ist eine schematische Seitenansicht der Säulen des ersten Satzes.
Fig. 18 ist eine schematische Seitenansicht der Säulen des zweiten Satzes.
Fig. 19 ist ein Diagramm der maximalen Spannungen als Funktion der elliptischen Form der Öffnungen, wobei (b/a = 0,25 bis 1).
Fig. 20 ist ein Diagramm der maximalen Spannungen als Funktion der elliptischen Form der Öffnungen, wobei (b/a = 0,5 bis 1).
Fig. 21 ist eine Auftragung der Kontaktkraft gegen die Flächenversetzung für elliptische Öffnungen, wobei b/a = 0,25, 0,50, 0,60, 0,75 und 1,0.
Fig. 22 ist eine Auftragung einer Kontaktkraft gegen die Flächenversetzung, wobei die Öffnungen kreisförmig in der Form sind (b/a = 1).
Fig. 23 ist eine Auftragung der Kontaktkraft gegen die Flächenversetzung, wobei die Öffnungen elliptisch sind (mit b/a = 0,6).
Fig. 24 ist eine Auftragung der Kontaktkraft gegen die Flächenversetzung, wobei die Öffnungen elliptisch sind (mit b/a = 0,75).

Detallierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Die Erfindung kann ebenfalls besser verstanden werden in dem Zusammenhang der folgenden Definitionen, welche sowohl auf die Beschreibung als auch auf die beigefügten Ansprüche anwendbar sind.
"Axial" und "axialwärts" werden hierin verwendet als Bezug auf Linien oder Richtungen, welche parallel zu der Rotationsachse des Reifens verlaufen.
"Elastomär" bedeutet ein elastisches Material, welches in der Lage ist, nach Verformung seine Form und Größe wieder herzustellen.
"Äquatorialebene (EP)" bedeutet die Ebene, welche senkrecht zu der Rotationsachse des Reifens ist und durch die Mitte des Profils reicht.
"Abdruck" bedeutet das Kontaktmuster oder den Kontaktbereich des Reifenprofiles mit einer flachen bzw. ebenen Fläche bei Nullgeschwindigkeit und unter normaler Last.
"Rauhheit" bedeutet den Betrag an Störung, welcher durch einen Reifen übertragen wird, wenn er über geringe, jedoch kontinuierliche Straßenunregelmäßigkeiten fährt.
"Hysterese" bedeutet eine Verzögerung der Wirkung, wenn sich Kräfte, welche gegen einen Körper wirken, verändern.
"Normallast" bezieht sich auf eine spezifische Auslegungslast für die Betriebsbedingung eines Reifens.
"Luftreifen" bedeutet eine mechanische laminierte Einrichtung von generell toroidaler Form (üblicherweise ein offener Torus) mit Wülsten und einem Profil, hergestellt aus Gummi, Chemikalien, Gewebe und Stahl oder anderen Materialien. Wenn an dem Rad eines Motorfahrzeuges befestigt, stellt der Reifen durch sein Profil Traktion bereit und enthält das Fluid, welches die Fahrzeuglast stützt.
"Radial" und "radialwärts" werden verwendet, um Richtungen zu bedeuten, welche radialwärts hin, zu oder weg von der Rotationsachse des Reifens verlaufen.
"Felge" bedeutet eine Stütze für einen Reifen oder eine Reifen- und Schlauchanordnung, an welcher der Reifen befestigt ist.
"Federrate" bedeutet die Steifigkeit des Reifens, ausgedrückt als die Neigung der Lastabnahmekurve.
"Profil" bedeutet eine geformte bzw. gegossene Gummikomponente, welche, wenn an einem Reifenkörper befestigt, den Abschnitt des Reifens umfaßt, welcher mit der Straße in Kontakt tritt, wenn der Reifen unter normaler Last verwendet wird.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3, ist ein Reifen generell bei 10 gezeigt und ist mit einem ringförmigen Körper bereitgestellt, welcher generell bei 12 gezeigt ist, welcher erste und zweite Seiten 16 bzw. 18 umfaßt. Jede Seite ist äquidistant von der Äquatorialebene und erstreckt sich radialwärts nach innen von dem Profil 26. Der Körper 12 hat, wie dargestellt, 100 Öffnungen 14, welche äquidistant von der Rotationsachse angeordnet sind. Fünfzig der Öffnungen 14 erstecken sich axialwärts von der ersten Seite 16 und sind von einem ersten Satz. Fünfzig der Öffnungen 14 erstrecken sich axialwärts von der zweiten Seite 18 und sind von einem zweiten Satz.
In Fig. 1 ist eine "V"-Struktur des ringförmigen Körpers 12 mit einem Profil 26 ohne eine Felge dargestellt. Eine umfängliche Rippe 13 ist integral in dem Körper 12 geformt und erstreckt sich radialwärts nach innen von der inneren Fläche 15 des ringförmigen Körpers 12. Die Rippe 13 hilft bei der Befestigung des ringförmigen Körpers 12 an der Felge.
In Fig. 2 ist eine Aufrißansicht des Reifens 10, umfassend eine Felge 24, dargestellt. Fig. 2 stellt des weiteren die Öffnungen 14 des ersten Satzes und die Öffnungen 14 des zweiten Satzes von gleich beabstandeten Säulen 30, 32 dar. Die Säulen 30, welche durch den ersten Satz von Öffnungen gebildet sind, sind generell zu der radialen Richtung des Reifens geneigt, jedoch sind sie entgegengesetzt in der Neigung bezüglich der Säulen 32, welche durch den zweiten Satz von Öffnungen gebildet sind. Die Säulen bilden an ihrem Schnitt ein "V".
Wie es in Fig. 3 gezeigt ist, befindet sich die Felge 24 radialwärts innerhalb des ringförmigen Körpers 12. Die Eingriffsflächen der Felge 24 und des ringförmigen Körpers 12 sind klebend verbunden. Die Rippe 13 ist in einer umfänglichen Rille in der Felge fest verbunden. Diese mechanische Rippe 13 hilft beim festen Verbinden bzw. Verschließen des ringförmigen Körpers an der Felge 24.
Eine Ansicht eines Abschnittes des Reifens 10 ist in der vergrößerten Ansicht von Fig. 4 dargestellt, welche eine Säule 32 andeutet, welche sich von der Seite 18 erstreckt und an der Äquatorialebene endet, wo die Säule eine Öffnung 14 trifft, welche sich von der Seite 16 erstreckt.
Fig. 5 ist eine vergrößerte Ansicht, aufgenommen entlang der Linie 5-5 von Fig. 2. Die Ansicht stellt die Öffnung 14 dar, welche sich von einer Seite erstreckt, und zwar kommunizierend an der Äquatorialebene EP mit einem Paar von Öffnungen 14 an der gegenüberliegenden Seite des Reifens.
Fig. 6 stellt einen Abschnitt eines unbelasteten Reifens 10 dar, und Fig. 7 zeigt den Reifen 10 unter einer belasteten Bedingung. Die Ansichten zeigen den ersten Satz von Öffnungen 14, welcher sich von der ersten Seite 16 in Richtung des zweiten Satzes von Öffnungen 14 erstreckt, welche sich von der zweiten Seite 18 erstrecken. Jede der Öffnungen 14 des ersten Satzes kommuniziert mit einem Paar von Öffnungen 14 des anderen Satzes. Die Öffnungen 14 des zweiten Satzes sind durch gestrichelte Linien dargestellt. Die Öffnungen 14 in jedem Satz sind mittig an den Säulen 30, 32, und zwar gebildet durch die Öffnungen 14 des gegenüberliegenden Satzes.
Wie es aus Fig. 7 beobachtet werden kann, wird der Reifen 10 unter Last komprimiert. Der Bereich, welcher mit der Straßenfläche in Kontakt ist, definiert einen Kontaktpfad oder Abdruck. Radialwärts innerhalb des Kontaktpfades wird der ringförmige Körper 12 komprimiert, wie dargestellt, und zwar durch Abflachen der Öffnungen 14. Die unbelastete Form der Öffnungen 14 ist durch gestrichelte Linien angedeutet.
Fig. 8 stellt eine alternative Ausführungsform des Reifens 100 dar, wobei Öffnungen 140 des ersten Satzes mittig an gegenüberliegenden geneigten Öffnungen 140 des zweiten Satzes sind. Wie es in Fig. 9 gezeigt wird, sind die Öffnungen 140 des ersten Satzes kommunizierend mit den Öffnungen 140 des zweiten Satzes an der Äquatorialebene EP des Reifens verbunden. Die durch die Öffnungen gebildeten Säulen sind ebenfalls an dem Bereich ausgerichtet, wo die Säulen minimale Dicke aufweisen. Die dargestellte Konfiguration erzeugt eine Ausrichtung der Öffnungen 140 oder Säulen 300, 320 in der Form eines X.
In Fig. 10 ist eine dritte Ausführungsform 101 dargestellt. Dies ist eine Querschnittsansicht ähnlich zu jener, welche in Fig. 4 gezeigt ist, wobei jedoch der erste Satz von Öffnungen 141, welche sich von der ersten Seite 116 des Reifens erstrecken, nicht mit jenen kommunizieren, welche sich von der zweiten Seite 118 des Reifens erstrecken. Anders dargestellt, erstrecken sich die Öffnungen 141 des ersten Satzes und des zweiten Satzes nicht bis zu der Äquatorialebene EP, und es besteht keine direkte Kommunikation bzw. Verbindung zwischen den Öffnungen 141 von gegenüberliegenden Sätzen. Somit wird eine verstärkende Schicht 120 an der Äquatorialebene gebildet. Wenn es gewünscht wird, kann die verstärkende Schicht dicker oder dünner sein, um ihre Steife bzw. Steifigkeit zu steuern bzw. zu regeln, und kann kleine Öffnungen umfassen, welche die größeren Öffnungen 141 von gegenüberliegenden Sätzen miteinander verbinden.
Obwohl die Öffnungen dargestellt sind als sich axialwärts zu der Äquatorialebene oder symmetrisch äquidistant von der Äquatorialebene erstreckend, können sich die Öffnungen nicht äquidistant relativ zu der Äquatorialebene erstrecken. In solch einem Fall können die Öffnungen von einem Satz sich axialwärts bei einem unterschiedlichen Abstand von den Öffnungen des gegenüberliegenden Satzes erstrecken, und die Säulen, welche durch beide Sätze gebildet sind, wären nicht gleich beabstandet von der Äquatorialebene. Die Säulen, welche durch den ersten Satz von Öffnungen gebildet sind, schneiden die Säulen, welche durch den zweiten Satz von Öffnungen gebildet sind, an anderen Orten als an der Äquatorialebene des Reifens.
In der perspektivischen Ansicht von Fig. 11 sind eine Öffnung 14 des ersten Satzes und eine Öffnung 14 des zweiten Satzes dargestellt. In jeder Figur sind die Öffnungen des ersten Satzes kommunizierend mit den Öffnungen des zweiten Satzes und schneiden diese. In Fig. 11 tritt die Kommunikation bzw. Verbindung an den Enden der Öffnungen 14 auf, wobei ein V-förmiger Schnitt gebildet wird. In Fig. 12 schneiden sich die Öffnungen 140 an ihren Mitten, wobei ein X-förmiger Schnitt gebildet ist.
Beim Formen bzw. Gießen des ringförmigen Körpers des Reifens wird der erste Satz von Öffnungen durch Vorsprünge gebildet, welche in einer Hälfte der Form angeordnet sind, und die Öffnungen des zweiten Satzes werden durch Vorsprünge in der anderen Hälfte der Form bzw. Gußform gebildet. Eine aktuell verwendete Form bzw. Gußform wurde derart ausgelegt bzw. konstruiert, daß eine Hälfte der Form relativ zu der anderen Hälfte gedreht werden kann. Dies ermöglicht es, den Körper, wie in Fig. 11 oder wie in Fig. 12 dargestellt, herzustellen. Die relative Bewegung erlaubt es, einen vollen Bereich von Orientierungen bzw. Ausrichtungen herzustellen, durch einfaches Drehen von einer Hälfte des Werkzeuges relativ zu der anderen Hälfte und ein festes Verbinden bzw. Verschließen der Formhälften in dieser Anordnung. Diese relative Bewegung der Formhälften ermöglicht eine Orientierung bzw. Ausrichtung der Öffnungen der ersten und zweiten Sätze beim Überlagern, um einer "V"-Konfiguration zu ähneln, wie es in den Fig. 1 bis 7, 10 und 11 dargestellt ist, was derzeit die bevorzugte Ausführungsform ist. Alternativ ist eine "X"-Konfiguration, wie in den Fig. 8, 9, 12 und 19 dargestellt, oder jegliche andere relative Orientierung zwischen der "X"- oder "V"-Konfiguration möglich durch selektive Rotation von einer Formhälfte relativ zu der anderen Formhälfte.
Fig. 13 ist eine Ansicht, welche eine geometrische Beabstandung, Größe und Orientierung von drei benachbarten Öffnungen 14 eines Satzes darstellt. In der Ansicht sind die Öffnungen von elliptischer Form und sind bei einem 45º Winkel bezüglich einer radialen Ebene geneigt, welche durch die Rotationsachse des Reifens reicht. Die Öffnungen verjüngen sich nach innen und haben eine maximale Größe an einer Seite des Reifens und eine minimale Größe an der Äquatorialebene EP. Die gezeigten Öffnungen sind für einen 52,8 cm (20,8 in) O.D. Reifen. An dem größeren Ende von jeder Öffnung weist die elliptische Form eine Hauptachse von 3,17 cm (1,25 in) und eine Nebenachse von 1,9 cm (0,75 in) auf. An dem kleineren Ende an der Äquatorialebene ist die Hauptachse 2,54 cm (1,00 in) und die Nebenachse 1,27 cm (0,50 in). Die Mitten der Öffnungen sind winkelmäßig um 7,2º relativ zu Mitten von benachbarten Öffnungen beabstandet. Die dargestellte Ausführungsform entspricht einem Reifen mit 50 Öffnungen an jeder Seite des Reifens.
Fig. 14, 15 und 16 zeigen alternative Öffnungen von ovaler Form, welche in einem ringförmigen Körper verwendet werden können. In Fig. 14 sind die engen Enden der unregelmäßigen ovalen Form radialwärts außen; in Fig. 15 sind die engen Enden radialwärts innen bezüglich der Rotationsachse; und in Fig. 16 alternieren die engen Enden von radialwärts außen nach innen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 17 ist eine Seitenansicht von einigen der Säulen 30 dargestellt, welche durch Öffnungen 14 des ersten Satzes in der Ausführungsform der Fig. 2 bis 7 gebildet sind. Die Säule 30 hat eine minimale Querschnittsdicke t1s1, welche radialwärts innerhalb des Profiles 26 und radialwärts außerhalb eines radialwärts innersten Abschnittes des ringförmigen Körpers 12 angeordnet ist. Die Dicke t1s1 ist in dieser Ausführungsform als eine Linie gemessen, welche durch die umfängliche Mittellinie 124 der Öffnungen reicht und ist der kürzeste Abstand zwischen den benachbarten Öffnungen 111, welche die Säule 30 definieren.
Die Säulen 30 des ersten Satzes steigen in ihrer Dicke mit ihrer Erstreckung radialwärts nach innen und außen von dem t1s1 Ort an. Die Säulen 30 haben jeweils eine radialwärts äußerste Anordnung bzw. einen radialwärts äußersten Ort. Der Abschnitt der Säule 30 mit einer Dicke t2s1 ist entlang einer Linie gemessen, welche eine Tangente zu den benachbarten Öffnungen ist, und ist so nah als möglich an den radial äußeren Enden von benachbarten Öffnungen. In der in Fig. 17 dargestellten Ausführungsform ist die Dicke, wo benachbarte Öffnungen dieselbe Größe und Form aufweisen, definiert als der Abstand des Kordes, welcher den Bogen schneidet, welcher durch die radial äußersten Enden der Öffnungen 14 reicht.
Die Säulen 30 des ersten Satzes haben eine radiale Dicke t3s1 an einem radial innersten Abschnitts der Säule 30. Die Dicke t3s1 wird in analoger Weise zu jener gemessen, welche verwendet wird zum Messen von t2s1; somit ist der radialwärts innerste Abschnitt der Säule 30 an einem Bogen angeordnet, welcher die radialwärts inneren Enden von benachbarten Öffnungen 14 schneidet. Die Dicke t3s1 ist als der Abstand von einem Kord definiert, welcher den Bogen an den radialwärts innersten Enden von benachbarten Öffnungen 14 schneidet.
Unter Bezugnahme auf Fig. 18 ist eine Seitenansicht von einigen der Säulen 32 des zweiten Satzes dargestellt, gebildet durch Öffnungen 14 in der Ausführungsform von Fig. 2 bis 7. Die Säulen 32 des zweiten Satzes haben eine minimale Querschnittsdicke t1s2, angeordnet radialwärts innerhalb des Profiles und radialwärts außerhalb eines radialwärts innersten Abschnittes des ringförmigen Körpers 12. Die Dicke t1s2 wird als eine Linie gemessen, welche durch die radiale Mittellinie der Öffnungen 14 reicht und ist der kürzeste Abstand zwischen den Öffnungen 14, welche die Säule 32 definieren.
Die Säulen 32 des zweiten Satzes steigen in ihrer Dicke während ihrer Erstrekkung radialwärts nach innen und nach außen von dem t1s2 Ort an. Die Säulen 32 haben eine Dicke von t2s2 an einem radialwärts äußersten Ort und haben eine Dicke von t3s2 an einem radialwärts innersten Abschnitt der Säule 32. Die Dicken t1s2 und t3s2 von Säule 32 sind in derselben Weise definiert, wie die jeweils entsprechenden Dicken t2s1 und t3s1 der Säule 30.
Die Säulen 30 des ersten Satzes haben Verhältnisse von t2s1 zu t1s1 und von t3s1 zu t1s1, welche beide zumindest 150 % betragen. In ähnlicher Weise haben die Säulen 32 des zweiten Satzes ebenfalls Verhältnisse von t2s2 zu t1s2 und von t3s2 zu t1s2, welche beide zumindest 150 % betragen.
In der bevorzugten Ausführungsform sind die Querschnitte der Säulen 30 des ersten Satzes gleich eingestellt wie jene des zweiten Satzes, wobei die Säulen 32 des zweiten Satzes entgegengesetzt geneigt sind mit Bezug auf die Neigung des ersten Satzes von Säulen 30.
Wie es in den Fig. 8 und 9 dargestellt ist, hat eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Säulen 30 des ersten Satzes schneidend mit den Säulen 32 des zweiten Satzes, wenn die jeweiliegen Querschnitte überlagert sind, wobei die Schnitte der Säulen zumindest an einem Ort pro Säule vorliegen.
Fig. 6, eine der Ansichten der bevorzugten Ausführungsform des Reifens, stellt die Säulen von einem Satz dar, wobei sie Säulen des gegenüberliegenden Satzes an zwei Orten schneiden. Der erste Schnittort ist in etwa an dem radialwärts innersten Abschnitt einer Säule, und der zweite Schnittort ist in etwa an dem radialwärts äußersten Abschnitt einer Säule angeordnet.
Wie es aus den Fig. 6 und 7 gesehen werden kann, ist der radialwärts innerste Abschnitt von jeder Öffnung mit einem radialwärts inneren Abschnitt einer umfänglich benachbarten Öffnung an der gegenüberliegenden Seite des Reifens verbunden bzw. kommunizierend.
Wie es in den Fig. 1 bis 13 dargestellt ist, umfassen die Öffnungen eine elliptische Krümmung mit einer Haupt- und einer Nebenachse. In der bevorzugten Ausführungsform fällt die Mitte der Nebenachse mit der Mitte der Hauptachse zusammen. Alternativ kann die Nebenachse von dem Mittelpunkt der Hauptachse versetzt sein.
Wie es in den Fig. 14 bis 16 dargestellt ist, können die Öffnungen eiförmig oder oval in der Form in einer alternativen Konstruktion des ringförmigen Körpers sein. In dieser Ausführungsform sind die Öffnungen mit ovalen Öffnungen geneigt, wobei der erste Satz eine entgegengesetzte Neigung im Vergleich zu den ovalen Öffnungen des zweiten Satzes aufweist. Wie in Fig. 16 dargestellt, wenn bezüglich der benachbarten Öffnungen das engere Ende der Öffnung alternierend von einer radialwärts inneren zu einer radialwärts äußeren Position vorliegt, kann eine größere Anzahl von Säulen in einem ringförmigen Körper verwendet werden, als es möglich wäre, wenn das enge Ende nach innen gerichtet ist, wie es in Fig. 15 gezeigt ist, oder nach außen, wie es in Fig. 14 gezeigt ist.
In der bevorzugten Ausführungsform für unregelmäßige oder eiförmige ovale Öffnungen verjüngen sich die Öffnungen nach unten, wenn sich die Öffnungen axialwärts nach innen erstrecken. Die Verjüngung der Öffnungen ist so, wie in den Fig. 11 und 12 dargestellt. Die Verjüngung erleichtert das Form- bzw. das Gießverfahren.
Die elliptische Form der Öffnungen soll ein Verhältnis von Haupt- zu Nebenachse aufweisen, welches größer als 1:1 ist, und zwar für Fahrkomfort, wobei ihre Hauptachsen, auf gegenüberliegenden Seiten des Reifens, wie zuvor erwähnt, entgegengesetzte Neigung aufweisen müssen.
In der bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Profilabschnitt 26 ein erstes elastisches Material und der elastomäre Körper 12 umfaßt ein zweites elastisches Material.
Der ringförmige Körper 12 umfaßt ein elastomäres Material, welches Young- Module E von 2,07 bis 2,07 x 10³ MPa (300 bis 300.000 psi) haben können. Zur Verwendung als temporärer bzw. zeitweiliger Ersatzreifen für Pkw's ist es bevorzugt, ein elastomäres Material zu verwenden mit einem Young-Modul E von 6,9 bis 41 MPa (1.000 bis 6.000 psi) mit einem insbesondere bevorzugten Bereich von 10,3 bis weniger als 34 MPa (1.500 bis weniger als 5.000 psi). Das bevorzugte Dehnmodul bei 300 % ist 2.300 psi oder 15,8 MPa.
Zum Beispiel kann E größer als 138 MPa (20.000 psi) eine Mischung von Polyurethan und zerhackten bzw. zerstückelten Fasern eines aromatischen Polyamids, z.B. bekannt unter der Goodyear Reifen & Gummi Firmenmarke Flexten erfordern. Alternativ wird geglaubt, daß Boron mit Polyurethan vermischt werden kann. Eine Form von elastomärem Material, welches als insbesondere bevorzugt für Reifen angenommen wird, ist Polyurethan.
Während die Shore A Härte zwischen 60 und 100 für den Körper und zwischen 25 und 70 für das Profil liegen kann, ist es bevorzugt, daß das Profil in dem Bereich von 55 bis 65 und der Körper in dem Bereich von 80 bis 95 für Pkw Ersatzreifen liegt. Die besten Reifen, die bis heute bewertet wurden, hatten Profile von etwa 63,5 Shore A Härte und Körper von etwa 87 Shore A Härte.
In der bevorzugten Ausführungsform ist der ringförmige Körper hergestellt aus einem Mobay's Baytec MS-061 Urethanmaterial. MS-061 ist kommerziell erhältlich von Mobay Corporation, einer Bayer USA Inc. Das Material ist ein MDI Isozyanat mit Polyesterendung. Es zeigt eine Shore A Härte von 87 A, einen % NCO Gehalt von 6,8 und eine 100º C Viskosität von 740 MPa.s.
Das Profilmaterial kann hergestellt sein aus jeglicher herkömmlichen Verbindung, welche für Pkw Reifen verwendet wird. In den getesteten Ausführungsformen war das Profil aus einer Gummimischung hergestellt. Die Mischung bestand aus natürlichem Gummi, SBR und Polybutadien.
Die Felge kann aus Stahl, Aluminium oder anderen Metallegierungen hergestellt sein. Alternativ kann sie aus verstärkten synthetischen Verbindungsmaterialien hergestellt sein. In den getesteten Ausführungsformen war die Felge aus nichtorientierten faserverstärkten harzartigen Verbundmaterialien hergestellt; insbesondere war das verwendete Felgenmaterial ein glas- bzw. glasfaserverstärktes Vinylester. Das Harz umfaßte Ashland Harz D1222 Vinylester bei 66,7 Gewichtsprozent und Snowflake's Carbofil Ca-CO&sub3; bei 33,3 Gewichtsprozent. Das Harz war verstärkt durch Owens Corning "S" kontinuierliches Glasstrangmaterial mit der Teilenummer M8810. Das Glas bzw. die Glasfaser hat ein 458 g/m² (1-1/2 Ounce/Quadratfuß) Gewicht und wurde dem Harz in einem Verhältnis von 15,8 kg (35 Pfund) von Glas pro 45 kg (100 Pfund) Harz zugeführt. Es wird geglaubt, daß durch Orientierung der Glasverstärkung, Verbesserungen in der Felge erreicht werden können.
Der Reifen kann durch mehrere akzeptable Herstellungsverfahren hergestellt werden. Insbesondere kann der ringförmige Körper in einer Form bzw. Gußform gegossen bzw. geformt werden, unter Verwendung von Flüssigeinspritzung von Urethan von dem Boden, oder das Urethanmaterial kann in die Form von dem oberen Ende geschüttet werden, wodurch der Formhohlraum gefüllt wird, oder drittens kann das Urethan der Form zugeführt werden und zum Bilden des ringförmigen Körpers schleudergegossen werden.
Der Körper kann direkt an der Felge, unter Verwendung von jeglichem der drei oben erwähnten Verfahren, geformt werden. Alternativ kann der Körper klebend bzw. mittels Klebstoff an der Felge als ein zweiter Betriebsschritt befestigt werden. In jedem Fall muß die Felge mittels Lösungsmittel gereinigt werden, und eine klebende Beschichtung muß an der Felge aufgebracht werden, um eine adäquate Verbindung der Felge mit dem Körper des Reifens zu gewährleisten.
Bei dem Formen bzw. Gießen des ringförmigen Körpers wird die Verwendung von auf Silikon bzw. Silizium basierenden Formauslösemitteln empfohlen, um das Extrahieren des geformten bzw. gegossenen Teiles aus dem Hohlraum zu erleichtern.
Nach dem Entfernen des Körpers aus der Form wird ein Lösungsmittelwaschen des Teiles gefordert, um das Formlösemittel zu entfernen.
Der ringförmige Körper wird entlang der Fläche aufgerauht, an welcher die Profillage zu montieren ist. Nach dem Aufrauhen der Oberfläche wird ein Zweikomponentenklebstoff aufgebracht. Eine erste Beschichtung von Chemlock 219 Klebstoff wird auf die aufgerauhte Fläche bzw. Oberfläche des ringförmigen Körpers aufgebracht, und eine zweite Beschichtung von Gummiklebstoff Chemlock 250 wird dann überlagert.
Nach dem Vorbereiten des Körpers mit Klebstoffbeschichtungen wird ein Rohgummistreifen von Material auf die vorbereitete Fläche des Körpers aufgelegt, und zwar das unvulkanisierte Material, welches das Profil des Reifens nach dem Formen bilden soll.
Die Anordnung wird in einer herkömmlichen Form angeordnet. Der Reifen wird ausgehärtet bzw. vulkanisiert bei einer Temperatur von etwa 149º C (300º F), und zwar für eine Stunde. Die Form stellt Kompression für die Anordnung bereit und bildet das Profil, welches direkt an dem ringförmigen Körper vulkanisiert wird.
Die Reifen- und Felgenanordnung wird dann aus der Form entfernt. Ein Trimmungs- und Entgratungsbetrieb wird durchgeführt.
Der Urethankörper erfordert eine Alterung nach Herstellung. In der bevorzugten Ausführungsform wird der ringförmige Körper bei 121ºC (250º F) nach dem Aushärten und Verkleben des Profiles mit der Reifenanordnung gealtert.
Ein alternatives Verfahren zum Herstellen des Urethankörpers vereinfacht das Herstellungsverfahren.
In einem alternativen Herstellungsverfahren werden eine Felge und ein vorbereitetes vorgehärtetes Profil in der Form, zum Bilden des ringförmigen Körpers, angeordnet. Das Körpermaterial wird in den Hohlraum eingespritzt, wodurch es direkt mit dem Profil und der Felge verklebt bzw. verbunden wird. Die vollständige Reifenanordnung wird aus der Form entfernt und entgratet und getrimmt. Die Reifenanordnung wird dann bei 121º C (250º F) für zwölf Stunden gealtert. Nach dem Altern ist der Reifen fertig zum Gebrauch.
In der getesteten Ausführungsform des Reifens 10 wurde die Fläche der zusammengesetzten Felge sandgestrahlt und dann mit einer Schicht bzw. Beschichtung von Chemlock 607 Primer behandelt, gefolgt durch eine Schicht von Chemlock 213 Urethan Klebstoff.
Die Felge wurde in der Form angeordnet, und der ringförmige Körper 12 wurde durch Einspritzen von Urthan in den Hohlraum gebildet. Das verwendete Urethan in dieser derzeit bevorzugten Ausführungsform war Mobay's Baytec MS-061.
Die Felgen- und Körperanordnung wurde aus der Form entfernt und bei 121º C (250º) für zwölf Stunden gealtert.
Die Fläche bzw. Oberfläche der Urethanstruktur wurde mit einem chlorierten Lösungsmittel (1,1,1-Trichloroethan, bekannt unter der Marke Chloroethen) gewaschen, um das Löse- bzw. Auslösemittel zu entfernen, aufgerauht und dann mit einer Schicht von Chemlock 219 Urethan Klebstoff behandelt. Nach geeignetem Trocknen wurde eine Schicht von Chemlock 250 Gummiklebstoff aufgebracht und eine Rohgummiprofilverbindung, umfassend Styrenbutadiengummi- und Polybutadiengummipolymere, wurde auf die Struktur aufgelegt. Die Anordnung wurde dann in einer herkömmlichen Form bzw. Gußform angeordnet und bei 149º C (300º F) eine Stunde gehärtet.
Beim Entfernen aus der Form wurde die fertiggestellte Reifen- und Felgenanordnung getrimmt und entgratet und bei 121º C (250º F) für zwölf Stunden nachhärtungsgealtert.
Die hierin beschriebene Erfindung wurde bewertet unter Verwendung von Finite Elementanalysen als auch durch aktuelle physikalische Tests.
Finite Elementeanalysen (FEA) sagen die Leistung des Reifens voraus, und zwar basierend auf verschiedenen geometrischen Größen von elliptischen Öffnungen und resultierenden Säulen des ringförmigen Körpers des Reifens. Zum Optimieren des Reifenverhaltens als Funktion der elliptischen Lochform wurden einige Einschränkungen in den Betrachtungen vorgenommen. Der "X"-konfigurationsringförmige Körper des Reifens, wobei die Mitten der Öffnungen der ersten und zweiten Sätze ausgerichtet sind, wurde getestet. In der FEA Studie wurde das Gesamt-Polyurethanvolumen (V) und die Hauptachsenlänge (2a) festgelegt, was bedeutet, daß nur die Nebenachsenlänge (2b) und die Gesamtanzahl von Ellipsen (N) verändert werden kann. Die Beziehung unter a, b, N und anderen geometrischen Parametern wurde wie folgt abgeleitet:
Das Polyurethanvolumen (V) wurde ausgedrückt als:
V = (R²o - R²i)t - N ab t (1)
wobei Ro bzw. Ri der äußere bzw. der innere Radius des ringförmigen Körpers 12 von Fig. 1 bis 9 sind, und t die Breite des ringförmigen Körpers in der axialen Richtung repräsentiert.
Somit kann b umformuliert werden aus der Gleichung (1) und ist gegeben als:
b = 1/Na (R²o - R²i) - V/t (2)
wobei Ro, Ri, a und V die folgenden Werte hatten:
Ro = 24,6 cm (9,679 inch)
Ri = 20,7 cm (8,16 inch)
a = 1,6 cm (0,625 inch)
t = 8,6 cm (3,386 inch)
V = 2,6 x 10³ cm³ (163,59 inch³)
Durch Substitution dieser Werte in Gleichung (2) wird die Nebenachsenlänge:
b = 18.749/N (3)
Es sollte erwähnt werden, daß N integer bzw. ganzzahlig sein muß.
Die Studie wurde durchgeführt für Öffnungen von elliptischer Form, bei welcher das Neben-/Hauptachsenverhältnis von 0,25 auf 1,0 verändert wurde, und wobei die Anzahl von Öffnungen entsprechend von 120 auf 30 verändert wurde, wie es in Tabelle A gezeigt ist. TABELLE A Elliptische Form b/a Anzahl von Öffnungen N Gewinkelte Beabstandung der Mitten
Wie es in der folgenden Tabelle B dargestellt ist, wurden Spannungen minimiert, wenn b/a anstieg. TABELLE B Maximale Spannungswerte, wenn der ringförmige Körper des Reifens mit einer 170,2 cm (67") Durchmesser Trommelfläche in Kontakt gebracht wird. Die aufgebrachte Kontaktkraft betrug 453 kg (1.000 lbf). Reifenkörper Hauptspannung Pa (psi) Von Mises Spannung Pa (psi) * Der Reifenkörper knickt, so daß die maximale Kontaktkraft nur 168 kg (370 lbf) beträgt.
Die maximalen Spannungen als Funktion der Ellipsenform sind graphisch in den Figuren 19 und 20 dargestellt. Wie es gesehen werden kann, steigen die Spannungen monoton an, als eine Funktion von abnehmendem N und abnehmendem b/a. Die Diagramme deuten an, daß der Bereich von b/a kleiner als 0,5 (N = 60) nicht akzeptierbar angesichts der maximalen Spannung für die Testreifenkörperkonfiguration ist, welche in Tabelle A beschrieben ist.
Damit ein nichtpneumatischer Reifen sich so verhält wie ein Luftreifen, muß eine geeignete Ableitung bzw. Deflektion unter Last erreicht werden. Es wird geglaubt, daß eine minimale Deflektion von 0,254 cm (0,10 inch) unter 453 kg (1.000 lb) Last erforderlich ist für akzeptable Fahr- und Handhabungsmerkmale. Wie es in Fig. 21 dargestellt ist, liegt der geeignete Bereich von b/a zwischen 0,75 (N = 40) bis 0,5 (N = 60).
Wenn das Verhältnis von b/a ansteigt, erniedrigt sich die Zahl von Säulen und die Dicke der Säulen steigt an. Der Reifenkörper erscheint steifer, erzeugt höhere Kontaktkraft und zeigt eine unterschiedliche Lastdeflektionskurve, abhängig davon, ob die Last mittig an einer Säule oder einer Öffnung vorliegt. Die Ungleichheit der Ableitung bzw. Deflektion ist sehr erkennbar, wenn b/a = 0 (ein Kreis) ist, wie es in Fig. 22 dargestellt ist. Veränderungen in der Deflektion würden in einer Reduktion des Fahrkomforts resultieren. Auslegungen, welche die geringste Variation aufweisen, wären wünschenswert. Idealerweise sollten die Kurven zusammenfallen. Unter Bezugnahme auf Fig. 23, wo N = 50, b/a = 0,6 und Fig. 24, wo N = 40, b/a = 0,75, sind Variationen in der Deflektion als Funktion der Last und der Säulen-/Öffnungsposition relativ zu der Last minimiert. Die zwei Deflektionskurven bzw. Abnahmekurven in jeder Figur sind in etwa zusammenfallend.
Die Finite Elementanalyse gibt angesichts akzeptabler Spannungen und akzeptablen Fahrkomforts an, daß der bevorzugte Bereich von b/a 0,6 (N = 50) bis 0,75 (N = 40) für den in Tabelle A beschriebenen nichtpneumatischen Reifen ist.
Es sollte verstanden werden, daß die Bereiche von akzeptablen elliptisch geformenten Öffnungen und die Anzahl von jeden Öffnungen erhöht werden kann durch Verändern der Schnitthöhe und des ausgesparten Materialverhältnisses wie auch anderer Parameter.
Experimentelle Studien der "V"-Konfigurationsausführungsform wurden durchgeführt, wobei die Mitten der Öffnungen derart versetzt waren, daß die Öffnungen an radialen Enden kommunizierten, wie es in Fig. 11 dargestellt ist. Tests von Reifen mit der unten beschriebenen Konfiguration wurden durchgeführt. Angesichts des Fahrens und der Spannungen verhielt sich der Reifen akzeptabel. Die akzeptable maximale Federrate bzw. Sprungrate des ringförmigen Körpers wird auf weniger als 1786 kg/cm (10.000 lbs/in) angenommen. Der "X"-Konfigurationstestreifen hatte eine Deflektion von 0,8 cm bei 567 kg (0,33 inch bei 1250 lb) Last und der "V"-Konfigurationstestreifen hatte eine Deflektion von 1,1 cm (0,44 inch) unter derselben Last. Dies entspricht Federraten von 675 g/cm (3,788 lb/in) für den "X"-Reifen und 507 g/cm (2,841 lb/in) für den "V"-Reifen. Der "V"-Reifen mit einer niedrigeren Federrate zeigte eine weichere bzw. glattere Seite als der "X"-Reifen.
Nichtlineare 3-D Finite Elementenanalysen wurden durchgeführt an zwei unterschiedlichen nichtpneumatischen Reifenkörpergeometrien, welche in den Fig. 2 und 8 dargestellt sind. Das unterscheidende Merkmal der ersten Auslegung ist es, daß die Säulen sich an ihren oberen und unteren Enden treffen und in der Mitte ungestützt sind ("V"-Reifen). Die zweite Geometrie ist eine Ableitung der ersten, wobei die hintere Hälfte des Reifens bezüglich der vorderen Hälfte derart gedreht ist, daß die vorwärtigen und hinteren Säulen sich in der Mitte kreuzen und einander stützen ("X"-Reifen). Sowohl der ringförmige Körper des "X"- als auch des "V"-Reifens hatten dieselben dimensionalen Merkmale, wobei Ro = 24,6 cm (9,676 inch), Ri = 20,7 cm (8,16 inch), t = 8,6 cm (3,386 inch), V = 2,6 x 10³ cm³ (163,59 inch³), N = 50/Seite, b/a = 0,75 und wobei die Öffnungen bei 7,20 beabstandet und bei 45º geneigt waren.
1. Unter Betrachtung der Möglichkeit eines Modus I Art-Versagens (Hauptspannungen) schien keine der Auslegungen einen Vorteil zu haben, jedoch ist die "X"-Auslegung bezüglich dem Minimieren der Scherverformung (Spannungsenergiedichte) in dem Reifen für normale Straßenbedingungen überlegen (Tabelle I). TABELLE I Maximale Werte von Spannung und Belastung Kontakt mit einer ebenen Fläche (Versetzung = 0,3") Hauptspannung MPa (psi) Von Mises Spannung MPa (psi) Spannungsenergiedichte MPa (psi) V-Reifen X-Reifen
2. Die Simulierung von Schlaglöchern deutet an, daß die "V"-Auslegung deutlich überlegen ist, da die maximalen Spannungen und Zerrungen für diesen Reifen deutlich geringer sind, als sie es für den "X"-Reifen sind (Tabelle II). TABELLE II Maximalwerte von Spannung und Zerrung bzw. Beanspruchung Kontakt mit Schlagloch (Versetzung = 0,6") Hauptspannung MPa (psi) Von Mises Spannung MPa (psi) Spannungsenergiedichte MPa (psi) V-Reifen* X-Reifen** X-Reifen*** * Schlagloch unter der Mittelsäule ** Schlagloch unter den Säulen *** Schlagloch unter dem Mittelloch
Es wird geglaubt, daß die Neigung der Öffnungen innerhalb eines Bereiches von 15º bis 75º variieren kann, mit akzeptabler Reifenleistung.
Angesichts der vorangegangenen Beschreibung der Erfindung wird es offensichtlich sein, daß verschiedene Veränderungen und Modifikationen innerhalb des offenbarten Gegenstandes durchgeführt werden können, ohne von dem Umfang der Ansprüche abzuweichen.

Claims

1. Nicht-pneumatischer Reifen (10) der Art, mit einer Felge (24) und einem oder mehreren elastomeren Materialien, welche mit der Felge oder miteinander verbunden sind, wobei der Reifen aufweist: eine Äquatorialebene (EP), eine Achse, welche senkrecht zu der Äquatorialebene ist, ein ringförmiges Profil (26), welches drehbar um die Achse ist, einen ringförmigen elastomeren Körper (12), hergestellt aus einem Material mit einer Shore A Härte in dem Bereich von 60 bis 100, wobei der Körper erste (16) und zweite (18) beabstandete Lateralseiten aufweist, welche äquidistant von der Äquatorialebene sind und sich zwischen dem Profil (26) und der der Felge (24) erstrecken, wobei der Körper zumindest 48 Öffnungen aufweist, welche äquidistant von der Achse angeordnet sind, wobei zumindest 24 davon sich von der ersten Seite (16) und zumindest 24 davon von der zweiten Seite (18) erstrecken, um erste und zweite Sätze von Öffnungen (14) zu bilden, welche sich von den jeweiligen Seiten in Richtung der Äquatorialebene erstrecken, wobei die Öffnungen gleich beabstandete Säulen (30, 32) von elastomerem Material in dem Körper bilden, wobei die Säulen (30), welche durch den ersten Satz von Öffnungen (14) gebildet sind generell zu der radialen Richtung des Reifens geneigt sind, wobei die Säulen (32), welche durch den zweiten Satz von Öffnungen (14) gebildet sind, generell zu der radialen Richtung des Reifens geneigt sind, jedoch bei einer Neigung, welche entgegengesetzt bezüglich der der Säulen (30) ist, welche durch den ersten Satz von Öffnungen gebildet sind, wobei der Reifen dadurch gekennzeichnet ist, daß die Säulen (30, 32) der ersten und zweiten Sätze jeweilige äquidistante Querschnitte von der Äquatorialebene aufweisen, wobei die Querschnitte der Säulen (30) des ersten Satzes eine minimale Dicke t1s1 aufweisen, und zwar radialwärts innerhalb des Profiles (26) und radialwärts außerhalb eines radialwärts innersten Abschnittes des ringförmigen Körpers angeordnet, wobei die Dicke der Säulen des ersten Satzes von der minimalen Dicke t1s1 auf eine Dicke t2s1 an einem radialwärts äußersten Abschnitt der Säulen des ersten Satzes ansteigt, und die Dicke der Säulen des ersten Satzes von der minimalen Dicke t1s1 auf eine Dicke t3s1 an einem radialwärts innersten Abschnitt der Säule ansteigt, wobei das Verhältnis von t2s1 zu t1s1 und das Verhältnis von t3s1 zu t1s1 beide zumindest 150% im Querschnitt betragen, wobei die Querschnitte der Säulen (32) des zweiten Satzes eine minimale Dicke t1s2 aufweisen, und zwar radialwärts innerhalb des Profiles (26) und radialwärts außerhalb eines radialwärts innersten Abschnittes des Körpers angeordnet, wobei die Dicke der Säulen des zweiten Satzes von der minimalen Dicke t1s2 auf eine Dicke t2s2 an einem radialwärts äußersten Abschnitt der Säulen des zweiten Satzes ansteigt, und die Dicke der Säulen des zweiten Satzes von der minimalen Dicke t1s2 auf eine Dicke t3s2 an einem radialwärts innersten Abschnitt der Säule ansteigt, wobei das Verhältnis von t2s2 zu t1s2 und das Verhältnis von t3s2 zu t1s2 beide zumindest 150% in dem Querschnitt betragen.

2. Reifen nach Anspruch 1, wobei die Säulen (30) des ersten Satzes die Säulen (32) des zweiten Satzes schneiden wenn die jeweiligen Querschnitte überlagert sind, wobei der Schnitt der Säulen zumindest an einem Ort pro Säule ist.

3. Reifen nach Anspruch 2, wobei jede der Säulen eines Satzes Säulen des gegenüberliegenden Satzes an zwei Orten schneidet, wobei der erste Schnitt in etwa an dem radialwärts innersten Abschnitt einer Säule, und der zweite Schnitt in etwa an dem radialwärts äußersten Abschnitt einer Säule angeordnet sind.

4. Reifen nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, wobei die Säulen (30), welche durch den ersten Satz von Öffnungen gebildet sind, die Säulen (32), welche durch den zweiten Satz von Öffnungen gebildet sind an anderen Orten als in der Äquatorialebene (EP) des Reifens schneiden.

5. Reifen nach Anspruch 1, wobei jede der Öffnungen (14) eine elliptische Krümmung mit einer Haupt- und einer Nebenachse umfaßt.

6. Reifen nach Anspruch 5, wobei die Nebenachse von dem Mittelpunkt der Hauptachse versetzt ist.

7. Reifen nach Anspruch 1, wobei jede der Öffnungen (14) eine ovale Krümmung umfaßt.

8. Reifen nach Anspruch 1, wobei jede der Öffnungen (14) eiförmig oder oval in der Form ist.

9. Reifen nach einem der Ansprüche 1, 5 oder 8, wobei das elastomere Körpermaterial Öffnungen (14) aufweist, welche sich nach unten verjüngen, wenn sich die Öffnungen axialwärts nach innen erstrecken.

10. Reifen nach Anspruch 1, wobei der Profilabschnitt (26) ein erstes elastisches Material umfaßt, und der elastomere Körper (12) ein zweites elastisches Material umfaßt.