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Die Erfindung betrifft einen Fahrzeugluftreifen in Radialbauart für Personenkraftwagen mit einem Laufstreifen, einem Gürtelverband, einer Karkasseinlage, Wulstbereichen mit Wulstkernen und Kernprofilen, Seitenwänden sowie einer luftdichten Innenschicht und einem Außendurchmesser von 630 mm bis 780 mm.
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Die üblichen Standardreifen für Personenkraftwagen sind für zweiachsige Elektrofahrzeuge, sogenannte „E-Cars”, zwar grundsätzlich geeignet. Für eine Optimierung der Reichweite von E-Cars ist es von Vorteil, wenn diese mit besonders rollwiderstandsarmen Reifen ausgestattet werden. Rollwiderstandsarme Reifen sind auch auf herkömmlichen Personenkraftwagen sehr vorteilhaft, da sie zu einer Reduktion des Treibstoffverbrauches beitragen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Fahrzeugluftreifen zur Verfügung zu stellen, die besonders rollwiderstandsarm ausgeführt sind.
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Gelöst wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass das Verhältnis des Außendurchmessers zur Nennbreite des Reifens mindestens 3,3 beträgt.
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Erfindungsgemäß ausgeführte Reifen besitzen daher im Verhältnis zu ihrer Nennbreite einen großen Außendurchmesser, wodurch die beim Abrollen und Einlaufen des Reifens in den Untergrund auftretende Umformungsenergie, die schwerpunktmäßig im Bereich des Laufstreifens wirkt, signifikant verringert wird. Je geringer die Umformungsenergie ist, desto weniger innere Reibung entsteht im Reifen und desto geringer ist der Rollwiderstand.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt das Verhältnis des Außendurchmessers zur Nennbreite bis zu 4,7. Je größer dieses Verhältnis ist, umso geringer ist die Umformungsenergie. Es ist daher auch von Vorteil, wenn das Verhältnis des Außendurchmessers zur Nennbreite mindestens 3,6 beträgt.
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Eine Anzahl weiterer erfindungsgemäßer Maßnahmen trägt zu einer Reduktion des Rollwiderstandes bei. Eine Maßnahme, mit der die Umformungsenergie beim Abrollen des Reifens am Untergrund verringert wird, besteht darin, dass die Außenkontur des Laufstreifens, im Querschnitt betrachtet, im Wesentlichen entlang eines Kreisbogens verläuft, dessen Radius mindestens das Fünffache, insbesondere das Fünf- bis Achtfache, der Nennbreite beträgt. Reifen mit einem derart großen Radius im Laufstreifenbereich weisen eine sehr flache Außenkontur auf. Die flache Außenkontur sorgt beim Einlaufen in den Untergrund für eine geringe Beweglichkeit der Profilpositive im Laufstreifen.
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Erfindungsgemäß ausgeführte Reifen werden ferner insbesondere derart ausgelegt, dass zwischen ihrem Außendurchmesser dA (in mm) ihrem Radius RA (n mm) der Außenkontur im Laufstreifenbereich und der Felgengröße dF (in Zoll) die Beziehung dA·RA·dF·10–8 = 110 ± 3 gilt. Wird ein Reifen gemäß dieser Beziehung ausgelegt, so ist seine Umformungsenergie beim Einlaufen in den Untergrund deutlich geringer als jene von standardmäßig ausgeführten Reifen.
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Andere erfindungsgemäße Maßnahmen bewirken eine Reduktion der Masse des Reifens und tragen daher ebenfalls zu einer Verringerung des Rollwiderstandes bei.
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Zu diesen Maßnahmen gehört beispielsweise, dass der radiale Abstand zwischen dem Nutgrund der auf maximale Profiltiefe ausgeführten Rillen im Laufstreifen und der radial äußersten Gürtellage bzw. Bandagenlage 1 mm bis 1,5 mm beträgt. Darüber hinaus kann der Laufstreifen erfindungsgemäß ausgeführter Reifen eine geringere Profiltiefe, insbesondere im Bereich von 6 mm bis 7 mm, aufweisen, als Standardreifen, vor allem wenn über den vergrößerten Außendurchmesser bzw. Umfang erfindungsgemäßer Reifen ein zu Standardreifen vergleichbares Gummivolumen im Laufstreifen verwendet wird.
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Eine weitere, die Reifenmasse reduzierende Maßnahme besteht darin, die Maximaldicke der Seitenwände in den Flexingzonen auf 3 mm bis 5 mm zu beschränken. Auch in den Wulstbereichen kann Gummimasse verringert werden, beispielsweise indem die Kernprofile eine radiale Erstreckung von 10 mm bis 20 mm erhalten. Zusätzliche mögliche Maßnahmen betreffen die Dicke der Innenschicht, diese kann sehr dünn ausgelegt werden, insbesondere kann ihre Dicke 0,8 mm bis 1,2 mm betragen.
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Eine weitere Maßnahme, welche die Umformungsenergie beim Einlaufen des Reifens in den Untergrund reduziert, besteht darin, den Gürtelverband mit einer maximalen Breite auszuführen, die 94% bis 103% der Breite des Laufstreifens beträgt. Auch der Winkel, den die Festigkeitsträger in den Gürtellagen mit der Umfangsrichtung einschließen, kann zu einer Reduktion des Rollwiderstandes beitragen, insbesondere wenn dieser Winkel zwischen 22° und 28° beträgt.
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Des Weiteren kann in den Randbereichen des Laufstreifens jeweils eine in Umfangsrichtung umlaufende Rille ausgebildet sein, deren Breite 1,5 mm bis 2 mm und deren Tiefe 1,5 mm bis 3 mm beträgt, wobei der in axialer Richtung gemessene gegenseitige Abstand der Rillen 94% bis 103% der Breite des Laufstreifens beträgt. Durch die Rillen kann sich beim Einlaufen des Reifens in den Untergrund der Laufstreifen von den Seitenbereichen bzw. Seitenwänden des Reifens etwas entkoppeln und daher leichter verformen.
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Darüber hinaus ist es möglich, einen oder mehrere Bauteile, beispielsweise den Laufstreifen bzw. die Laufstreifencap und/oder die Laufstreifenbase aus einer rollwiderstandsoptimierten Gummimischung zu erstellen. Die Maßnahmen, die von der Kautschuk- bzw. der Mischungsseite her zur Rollwiderstandsoptimierung getroffen werden können, sind dem Fachmann bekannt.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nun anhand der einzigen Zeichnungsfigur, 1, die schematisch einen Querschnitt durch einen gemäß der Erfindung ausgeführten Fahrzeugluftreifen für Personenkraftwagen darstellt, näher beschrieben.
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Die in der nachfolgenden Beschreibung enthaltenen Werte für bestimmte Reifenabmessungen gelten für einen auf einer Felge montierten und unter Nenndruck (gemäß E.T.R.T.O.-Standards, bezogen auf die jeweilige Messfelge und den Bezugs-Fülldruck) gesetzten Reifen. Die Abmessungen der Vulkanisationsform können davon deutlich abweichende Werte aufweisen.
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Der in 1 schematisch gezeigte Fahrzeugluftreifen ist ein PKW-Reifen mit einem Laufstreifen 1, einer Karkasseinlage 2, Wulstbereichen 3 mit Wulstkernen 4 und Kernprofilen 5, Seitenwänden 6, einem Gürtelverband 7 mit mehreren, beispielsweise zwei Gürtellagen 8 und gegebenenfalls einer Bandage 9 aus zumindest einer Bandagenlage. Der Laufstreifen 1 ist mit einer Profilierung versehen, die beliebig ausgeführt sein kann und von welcher in 1 beispielhaft Umfangsrillen 10 dargestellt sind. Die Gürtellagen 8 des Gürtelverbandes 7 können auf herkömmliche Weise aufgebaut sein und daher jeweils aus in eine Gummimischung eingebetteten und innerhalb jeder Lage jeweils parallel zueinander verlaufenden Festigkeitsträgern, insbesondere aus Stahlkord, bestehen. Die gegenseitige Anordnung der Stahlkorde in den beiden Gürtellagen 8 erfolgt derart, dass die in der einen Gürtellage 8 verlaufenden Stahlkorde zu jenen, die in der zweiten Gürtellage 8 verlaufen, gekreuzt angeordnet sind. In jeder Gürtellage 8 schließen die Stahlkorde mit der Umfangsrichtung einen Winkel ein, der in der Größenordnung von 15° bis 38° beträgt. Die Karkasseinlage 2 kann ein- oder zweilagig ausgeführt sein und besteht aus in eine Gummimischung eingebetteten und in radialer Richtung verlaufenden Festigkeitsträgern, insbesondere aus einem textilen Material. Die Kernprofile 5 bestehen aus einer insbesondere einen hohen Elastizitätsmodul aufweisenden Gummimischung und können auch mehrteilig ausgeführt sein. Bei einer mehrteiligen Ausführung können die Kernprofile 5 aus Gummimischungen unterschiedlicher Elastizitätsmoduln bestehen. An der Reifeninnenseite befindet sich eine aus einer luftdichten Gummimischung hergestellte Innenschicht 11.
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Gemäß der Erfindung ausgeführte Fahrzeugluftreifen sind rollwiderstandsoptimiert und für den Einsatz auf zweiachsigen Elektrofahrzeugen, sogenannten E-Cars, besonders geeignet, können aber auf herkömmlichen Kraftfahrzeugen ebenfalls eingesetzt werden. Die zur Reduktion des Rollwiderstandes getroffenen Maßnahmen werden nun im Detail erläutert.
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Erfindungsgemäß ausgeführte Fahrzeugluftreifen weisen ein Verhältnis des Außendurchmessers dA zur Nennbreite NB auf, welches mindestens 3,3 und bis zu 4,7, bevorzugt mindestens 3,6 und bis zu 3,9, beträgt. Der Außendurchmesser dA, welcher am Reifenzenit (Scheitelpunkt S) ermittelt wird, beträgt bei erfindungsgemäß ausgeführten Fahrzeugluftreifen zwischen 632 mm und 773 mm, sodass sich mögliche Nennbreiten NB in mm aus dem oben angegebenen Verhältnis zum Außendurchmesser dA ergeben. Durch den im Verhältnis zur Nennbreite NB vergleichsweise großen Außendurchmesser dA ist die Umformungsenergie im Reifen beim Einlaufen in den Untergrund wesentlich geringer als bei herkömmlich ausgeführten Reifen. Je geringer die Umformungsenergie ist, umso geringer ist die im Reifen entstehende innere Reibung und umso geringer ist der Rollwiderstand des Reifens.
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Die Außenkontur erfindungsgemäßer Reifen im Laufstreifenbereich wird von einem Radius RA bestimmt, welcher einen Kreisbogen definiert, der durch den zentralen Scheitel S und Punkte PTW an den Schulterbereichen des Reifens verläuft. Der Radius RA ist bei erfindungsgemäß ausgeführten Reifen derart groß, dass eine sehr flache Außenkontur gebildet wird und beträgt insbesondere mindestens das Fünf- bis Achtfache der Nennbreite NB. Die flache Außenkontur erfindungsgemäß ausgeführter Reifen sorgt beim Einlaufen in den Untergrund für eine geringe Beweglichkeit der Profilpositive im Laufstreifen, speziell jener in den schulterseitigen Laufstreifenbereichen. Auch diese Maßnahme verringert die Umformungsenergie, da der Laufstreifen schon relativ eben auf der Fahrbahn aufkommt.
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In der nachstehenden Tabelle 1 sind zu erfindungsgemäß ausgeführten Reifen die Reifendimension, der jeweilige Außendurchmesser d
A in mm, die Nennbreite N
B in mm, die Querschnittshöhe in mm, der Radius R
A in mm, der Felgendurchmesser d
F in mm und das Verhältnis des Ausdurchmessers d
A zur Nennbreite N
B angegeben. Tabelle 1
| | 195/55 R 20 | 195/55 R 21 | 195/50 R 18 | 185/55 R 19 | 195/55 R 22 | 165/70 R 16 | 165/70 R 21 | 205/55 R 21 |
| dA | 723 | 748 | 652 | 686 | 773 | 637 | 764 | 759 |
| NB | 195 | 195 | 195 | 185 | 195 | 165 | 165 | 205 |
| Querschnittshöhe | 107 | 107 | 98 | 102 | 107 | 116 | 116 | 113 |
| dA/NB | 3,71 | 3,84 | 3,34 | 3,71 | 3,97 | 3,86 | 4,63 | 3,70 |
| dF | 508 | 533 | 457 | 483 | 559 | 406 | 533 | 533 |
| rA | 3532 | 3315 | 3093 | 3108 | 3315 | 2805 | 2789 | 3588 |
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Der Felgendurchmesser dF steht, wie es aus obiger Tabelle ersichtlich ist, auch in einer gewissen Relation zum Außendurchmesser dA, wobei ein größerer Außendurchmesser dA mit einem größeren Felgendurchmesser dF korreliert. Es kann daher für erfindungsgemäß ausgeführte Reifen ein Rollwiderstands-Wirkungsgrad η wie folgt definiert werden: η = dA·RA·dF·10–8
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Erfindungsgemäß ausgeführte Reifen besitzen einen Wirkungsgrad η von 11 ± 3, bei standardmäßig ausgeführten Reifen beträgt η 3,5 ± 2,5.
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Eine Anzahl weiterer erfindungsgemäßer Maßnahmen, die im Folgenden beschrieben werden, tragen zu einer Reduktion des Rollwiderstandes bei. Diese Maßnahmen bewirken vor allem eine Verringerung der Reifenmasse.
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Reifen aus dem Stand der Technik mit einer zu erfindungsgemäßen Reifen vergleichbaren Nennbreite weisen einen geringeren Außendurchmesser auf und sie besitzen ein vom Außendurchmesser und daher vom Umfang abhängiges bestimmtes Gummivolumen im Laufstreifen. Bei erfindungsgemäßen Reifen mit gleicher Nennbreite wie ein Standardreferenzreifen aber größerem Außendurchmesser bzw. Umfang kann ein gleich großes Gummivolumen im Laufstreifen vorhanden sein. Es kann jedoch auch das Gummivolumen im Laufstreifen absolut gesehen geringer sein als im Laufstreifen eines Referenz-Standardreifens mit einer vergleichbaren Nennbreite. Der Laufstreifen erfindungsgemäßer Reifen wird daher dünner ausgeführt als jener von Standardreifen. Beispielsweise kann bei erfindungsgemäß ausgeführten Reifen bei vergleichbarer Profiltiefe der radiale Abstand a zwischen dem Nutgrund jener Rillen, die auf maximale Profiltiefe ausgelegt sind – im Beispiel sind dies die Umfangsrillen 10 – und der radial äußersten Gürtellage 8 bzw. Bandage 9 im Gürtelverband 7 1 mm bis 1,5 mm betragen und daher geringer sein als bei Standardreifen. Darüber hinaus kann der Laufstreifen erfindungsgemäß ausgeführter Reifen eine geringere Profiltiefe aufweisen als Standardreifen, da über den vergrößerten Außendurchmesser bzw. Umfang ein vergleichbares Gummivolumen zur Verfügung gestellt werden kann. Beispielsweise kann die Profiltiefe 6 mm bis 7 mm betragen.
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Als weitere Maßnahme zur Reduktion der Masse des Reifens können die Seitenwände 6 dünner ausgeführt werden als jene von Standardreifen, insbesondere derart, dass die größte Seitenwanddicke dS im Bereich der Flexingzonen 13 3 mm bis 5 mm beträgt. Die Flexingzonen 13 befinden sich, im Reifenquerschnitt betrachtet, jeweils zwischen einem Schnittpunkt einer in radialer Richtung verlaufenden Geraden durch die Gürtelverbandkante mit der Reifenaußenseite und einem Punkt in einer Höhe von 65% der nominellen Seitenwandhöhe. In den Wulstbereichen können kleinere Kernprofile 5 eingebaut werden, insbesondere solche, deren Erstreckung h in radialer Richtung 10 mm bis 20 mm beträgt. Zur Verstärkung der Wulstbereiche kann zumindest eine Wulstverstärkerlage, die nicht dargestellt ist und kaum Auswirkung auf das Reifengewicht hat, vorgesehen werden.
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Auch die Innenschicht 11 kann zu einer Massenreduktion beitragen, indem ihre Dicke dI 0,8 mm bis 1,2 mm beträgt, wobei diese Werte Durchschnittswerte der Innenschichtdicke sind.
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Die beim Einlaufen des Reifens in den Untergrund auftretende Umformungsenergie kann noch weiter reduziert werden, wenn der Gürtelverband 7 eine maximale Breite b aufweist, die 94% bis 103%, insbesondere bis 98%, der Breite TW45 beträgt. Die Breite TW45 ist der gegenseitige Abstand der Punkte PTW, deren Lage wie folgt ermittelt wird: Die Punkte PTW liegen jeweils im Schnittpunkt einer unter 45° zur radialen Richtung verlaufenden Tangente t an die jeweilige Reifenschulter mit einer flachen Kurve k, welche die Verlängerung der Außenkontur des Laufstreifens, über den seitlichen Rand der Bodenaufstandsflächenbreite hinaus, ist. Ein derart schmaler Gürtelverband 7 reduziert die Eigensteifigkeit des Reifens im Laufstreifenbereich, speziell in den Schulterzonen, wodurch entsprechend auch die Umformungsenergie des Reifens beim Einlaufen in die Bodenaufstandsfläche reduziert wird. Auch der Winkel der Festigkeitsträger in den Gürtellagen kann zu einer Reduktion des Rollwiderstandes beitragen, wobei ein Winkel von 22° bis 28° relativ zur Umfangsrichtung einen guten Kompromiss zwischen Rollwiderstand und Handling-Eigenschaften bietet.
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Als weitere, den Rollwiderstand reduzierende Maßnahme kann in den Schulterbereichen des Laufstreifens, knapp inner- oder außerhalb der Breite TW45, je eine in Umfangsrichtung umlaufende Rille 12 angeordnet werden, deren Breite 1,5 mm bis 2 mm und deren Tiefe 1,5 mm bis 3 mm beträgt. Der in axialer Richtung gemessene Abstand der Rillen 12 zueinander beträgt etwa 94% bis 103% der Breite TW45 und entspricht somit etwa der Breite des Gürtelverbandes. Beim Einlaufen des Reifens in den Untergrund kann sich daher der Laufstreifenbereich zwischen den Rillen 12 von den Seitenbereichen des Reifens leichter entkoppeln und daher leichter verformen.
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Darüber hinaus ist es möglich, für die aus Gummimischungen bestehenden Bauteile erfindungsgemäßer Reifen rollwiderstandsoptimierte Gummimischungen zu verwenden. Diese Bauteile sind im Bereich des Laufstreifens die „Cap”, daher der äußere Teil des Laufstreifens, welcher für den Kontakt mit der Straßenoberfläche konzipiert ist, sowie die „Base”, der innere Teil des Laufstreifens, welcher daher nicht für den Straßenkontakt konzipiert ist. Des Weiteren können auch die Mischungen für die Seitenwände, die Wulstbereiche und die Kernprofile rollwiderstandsoptimiert erstellt sein. Eine Rollwiderstandoptimierung kann beispielsweise mit einer Mischung erreicht werden, die zumindest einen Dienkautschuk, zumindest einen Füllstoff und Silan-terminiertes Polyurethan (STP) enthält. Der Dienkautschuk ist dabei ausgewählt aus einer Gruppe, die aus natürlichem Polyisopren und/oder synthetischem Polyisopren und/oder Butadienkautschuk und/oder Styrolbutadienkautschuk und/oder emulsionspolymerisiertem Styrolbutadienkautschuk und/oder lösungspolymerisiertem Styrolbutadienkautschuk besteht.
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Es ist möglich, Kautschukmischungen herzustellen, die eine deutlich reduzierte Hysterese, gleichbedeutend mit einem reduzierten Rollwiderstand, aufweisen und gleichzeitig auch andere geforderte Eigenschaften, wie z. B. guten Nassgriff oder geringen Abrieb, zumindest auf dem Niveau von Standardreifen sicherstellen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Laufstreifen
- 2
- Karkasseinlage
- 3
- Wulstbereich
- 4
- Wulstkern
- 5
- Kernprofil
- 6
- Seitenwand
- 7
- Gürtelverband
- 8
- Gürtellage
- 9
- Bandage
- 10
- Umfangsrille
- 11
- Innenschicht
- 12
- Rille
- 13
- Flexingzone
- a
- Abstand
- b
- Breite
- dA
- Außendurchmesser
- dF
- Felgendurchmesser
- dI
- Innenschichtdicke
- dS
- Seitenwanddicke
- h
- Höhe
- k
- Kurve
- NB
- Nennbreite
- PTW
- Punkt
- RA
- Radius
- S
- Scheitel
- t
- Tangente
- TW45
- Breite
