DE3042350C2 - Pneumatic vehicle tires - Google Patents

Description

In der Kraftfahrzeugindustrie werden große Anstrengungen unternommen, um die Geräusch-Emission von fahrenden Kraftfahrzeugen weiter zu senken, welche insbesondere für die Anwohner stark befahrener Straßen ein großes Problem darstellt, das nicht allein durch straßenbautechnische Maßnahmen (Wahl geeigneter Straßenbeläge, Errichtung von Geräuschschutzwällen und -zäunen) gelöst werden kann.The automotive industry is making great efforts to further reduce noise emissions from moving vehicles, which represents a major problem, particularly for residents of busy roads, and which cannot be solved by road construction measures alone (choice of suitable road surfaces, construction of noise barriers and fences).

Die bisherigen Versuche zur Lärmbekämpfung an den Kraftfahrzeugen beschränkten sich weitgehend auf die Minderung von Antriebsgeräuschen. Das Fahrgeräusch eines Kraftfahrzeugs wird jedoch nur in ganz wenigen Betriebszuständen überwiegend von den Antriebsgeräuschen bestimmt. Die wesentliche und in der Regel überwiegende Geräuschkomponente ist das Rollgeräusch des Fahrzeugs; hierunter versteht man das Geräusch eines mit abgestelltem Motor rollenden Fahrzeuges. Dies veranschaulichen die folgenden der Fachliteratur entnommenen Meßwerte für die jeweiligen Anteile des Roll- und des Antriebsgeräusches am Spitzenpegel eines PKW in drei verschiedenen Betriebszuständen. Die Messung erfolgte jeweils in 7,5 m Entfernung von der Fahrzeugmitte und in 1,7 m Höhe über dem Straßenniveau: &udf53;np100&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz9&udf54; &udf53;vu10&udf54;Previous attempts to reduce noise in motor vehicles have largely been limited to reducing drive noise. However, the driving noise of a motor vehicle is only predominantly determined by drive noise in very few operating conditions. The essential and usually predominant noise component is the rolling noise of the vehicle; this is the noise of a vehicle rolling with the engine turned off. This is illustrated by the following measurements taken from the specialist literature for the respective shares of rolling and drive noise in the peak level of a car in three different operating conditions. The measurements were taken in each case at a distance of 7.5 m from the center of the vehicle and at a height of 1.7 m above road level: &udf53;np100&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz9&udf54;&udf53;vu10&udf54;

Es folgt daraus, daß der Verminderung des Rollgeräusches besondere Bedeutung zukommt, wobei eine Senkung um etwa 5 dB(A) bereits zu einer ganz beträchtlichen Entlastung der Umwelt führen würde. Dieser Wert wird deshalb von der Kraftfahrzeug- und der Reifenindustrie als Zielvorstellung in den Entwicklungsarbeiten zugrundegelegt.It follows that reducing rolling noise is of particular importance, and a reduction of around 5 dB(A) would already result in a considerable reduction in the environmental impact. This value is therefore used by the automotive and tire industries as a target in their development work.

Es gibt aus neuerer Zeit einige wissenschaftliche Untersuchungen über die Ursachen der durch die Fahrzeugreifen hervorgerufenen Rollgeräusche, vergl. z. B. D. Denker in "Automobil-Industrie" 3/78, 17-23. Daraus ergibt sich, daß für die Geräuschursachen z. Zt. vor allem zwei Hypothesen diskutiert werden:

• 1. "Air pumping" durch das Profil und
• 2. luftschallabstrahlende Reifenschwingungen,

wobei der ersten Hypothese weit mehr Bedeutung zugemessen wurde, was aber aufgrund der neueren Erkenntnisse unzutreffend sein könnte. Hierfür sprechen auch die praktischen Erfahrungen mit Änderungen der Reifenprofile, welche nur zu sehr geringen Geräuschpegelminderungen geführt haben, obgleich auf diesem Gebiet bis in die neueste Zeit erhebliche Anstrengungen unternommen worden sind (vergl. DE-OS 29 03 670, 29 03 671, 29 03 846 und 29 05 051).There have been some recent scientific studies on the causes of rolling noise caused by vehicle tires, see e.g. BD Denker in "Automobil-Industrie" 3/78, 17-23. This shows that two hypotheses are currently being discussed for the causes of the noise:

• 1. "Air pumping" through the profile and
• 2. airborne sound radiating tire vibrations,

The first hypothesis was given far greater importance, but this could be incorrect in view of the more recent findings. This is also supported by practical experience with changes in tyre profiles, which have only led to very slight reductions in noise levels, although considerable efforts have been made in this area up to the present time (cf. DE-OS 29 03 670, 29 03 671, 29 03 846 and 29 05 051).

Aus der DE-OS 20 40 898 ist es bekannt, die Innenfläche von Fahrzeugluftreifen oder Luftschläuchen ganz oder teilweise mit einem schallschluckenden Belag auszustatten, wobei es sich um einen (offenzelligen) Schaumstoff- oder Textilfaserbelag handelt. Die Zeichnung zeigt, daß dieser Belag etwa 5 mm dick ist. Er soll dazu dienen, dem Ballon-Halleffekt im Inneren des Reifens dadurch entgegenzuwirken, daß die schallreflektierenden Innenwände durch den Belag schallschluckend werden. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, daß auf diese Weise keine merkliche Senkung der Reifenrollgeräusche erzielt werden kann, was vermutlich darauf zurückzuführen ist, daß Ballon-Halleffekte keine wesentliche Rolle spielen.From DE-OS 20 40 898 it is known to equip the inner surface of pneumatic vehicle tires or air tubes entirely or partially with a sound-absorbing coating, which is an (open-cell) foam or textile fiber coating. The drawing shows that this coating is about 5 mm thick. It is intended to counteract the balloon reverberation effect inside the tire by making the sound-reflecting inner walls sound-absorbing due to the coating. However, studies have shown that no noticeable reduction in tire rolling noise can be achieved in this way, which is probably due to the fact that balloon reverberation effects do not play a significant role.

In der DE-AS 10 10 398 findet sich der Vorschlag, zur Geräuschdämpfung bei Reifen in diese dünne Platten oder Streifen einzuarbeiten, welche aus Gummi oder Kunststoff mit einem hohen Weichmacheranteil bis zu 300% bestehen. Wegen ihres niedrigen E-Moduls, ihrer geringen, nur wenige Millimeter betragenden Dicke und der fehlenden Luftdurchlässigkeit der zwar gegebenenfalls porösen, aber aufgrund der Herstellungsweise jedenfalls geschlossenzelligen Einlagen ist die geräuschmindernde Wirkung jedoch gering. Nach der DE-PS 15 05 877 soll bei einem Fahrzeugluftreifen zwischen Laufstreifen und Karkasse eine schwingungsdämpfende Zwischenschicht aus einem homogenen oder zelligen Werkstoff eingebaut werden. Es ergibt sich dadurch eine äußerst komplizierte Reifenherstellung, ohne daß die angestrebte Schwingungsdämpfung gleichzeitig zu einer entsprechenden Geräuschminderung führt.DE-AS 10 10 398 proposes incorporating thin plates or strips made of rubber or plastic with a high plasticizer content of up to 300% into tires to reduce noise. However, due to their low modulus of elasticity, their thin thickness of just a few millimeters and the lack of air permeability of the inserts, which may be porous but are in any case closed-cell due to the manufacturing process, the noise-reducing effect is minimal. According to DE-PS 15 05 877, a vibration-damping intermediate layer made of a homogeneous or cellular material should be installed between the tread and the carcass of a pneumatic vehicle tire. This results in extremely complicated tire production, without the desired vibration damping simultaneously leading to a corresponding reduction in noise.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, geeignete Mittel zur wirksamen Körperschalldämpfung von Fahrzeugluftreifen zu finden, um auf diese Weise die Rollgeräusche und damit den gesamten Geräuschpegel von fahrenden Kraftfahrzeugen zu senken. Dabei dürfen die Maßnahmen nicht zu aufwendig sein und zu keiner Beeinträchtigung der sonstigen Lauf- und Fahreigenschaften der Reifen führen. In diesem Sinne kam es vor allem darauf an, Mittel zu finden, welche eine wirksame Dämpfung des Körperschalls in dem physiologisch besonders bedeutsamen Frequenzbereich von etwa 300 bis 5000, insbesondere 500 bis 2500 Hz erlauben, ohne die für das Fahrverhalten wichtigen Schwingungen bei niedrigeren Frequenzen merklich zu beeinflussen. Schließlich war es wesentlich, eine spürbare Erhöhung des Gewichtes der Fahrzeugreifen zu vermeiden, weil im Kraftfahrzeugbau der allgemeine Trend dahingeht, Gewicht einzusparen, um die Wirtschaftlichkeit im Hinblick auf den Treibstoffverbrauch zu verbessern.The invention is based on the task of finding suitable means for effectively dampening structure-borne noise in pneumatic vehicle tires in order to reduce rolling noise and thus the overall noise level of moving motor vehicles. The measures must not be too complex and must not impair the other running and driving properties of the tires. In this sense, it was primarily a matter of finding means that would allow effective dampening of structure-borne noise in the physiologically particularly important frequency range of about 300 to 5000, in particular 500 to 2500 Hz, without noticeably affecting the vibrations at lower frequencies that are important for driving behavior. Finally, it was essential to avoid a noticeable increase in the weight of vehicle tires because the general trend in motor vehicle construction is to save weight in order to improve economy in terms of fuel consumption.

Gegenstand der Erfindung ist ein Fahrzeugluftreifen, bei welchem auf die Innenseite der Lauffläche und/oder die Innenseiten der Seitenwände des Reifens ein körperschalldämpfendes vernetztes Polyurethan-Schaumstoffmaterial, welches in dem Temperaturbereich von -20 bis +80°C einen E-Modul von weniger als 5 × 10⁵ N/m² (dynamisch am Schaumstoff gemessen), ein Raumgewicht von 35 bis 300 kg/m³ und einen Luftströmungswiderstand von 80 bis 150 Rayl/cm (8 × 10⁴ bis 15 × 10⁵ Ns/m⁴) aufweist, in einer Schichtdicke von 15 bis 50 mm aufgebracht ist.The invention relates to a pneumatic vehicle tire in which a structure-borne sound-damping, cross-linked polyurethane foam material which has an E-modulus of less than 5 × 10 ⁵ N/m ² (measured dynamically on the foam), a density of 35 to 300 kg/m ³ and an air flow resistance of 80 to 150 Rayl/cm (8 × 10 ⁴ to 15 × 10 ⁵ Ns/m ⁴ ) in the temperature range from -20 to +80 ° C is applied to the inside of the tread and/or the inside of the side walls of the tire in a layer thickness of 15 to 50 mm.

Der Luftströmungswiderstand des Schaumstoffmaterials wird nach DIN 52 213 gemessen. Die Schichtdicke des Schaumstoffmaterials beträgt vorzugsweise etwa 20 bis 30 mm.The air flow resistance of the foam material is measured according to DIN 52 213. The layer thickness of the foam material is preferably about 20 to 30 mm.

Das Raumgewicht des Schaumstoffes liegt vorzugsweise bei 50 bis 150, beispielsweise bei 100 kg/m³. Das jeweils gewünschte Raumgewicht kann in bekannter Weise durch Zusatz anorganischer Füllstoffe, wie z. B. Ruß, Kreide, Schiefermehl, Kaolin, Bariumsulfat und andere eingestellt werden.The density of the foam is preferably between 50 and 150, for example 100 kg/m ³ . The desired density can be adjusted in a known manner by adding inorganic fillers such as soot, chalk, slate powder, kaolin, barium sulfate and others.

Der E-Modul des Schaumstoffes (nach DIN 53 426 dynamisch gemessen an dem geschäumten Material) soll 5 · 10⁵ N/m² nicht übersteigen und vorzugsweise bei etwa 10⁵ bis 5 · 10⁵ N/m² liegen.The elastic modulus of the foam (according to DIN 53 426, measured dynamically on the foamed material) should not exceed 5 · 10 ⁵ N/m ² and should preferably be between about 10 ⁵ and 5 · 10 ⁵ N/m ² .

Das Schaumstoffmaterial kann nachträglich auf die Innenseite des fertigen Fahrzeugluftreifens aufgebracht werden. Dabei ist es für die Wirkung wesentlich, daß der Schaumstoff mit den Innenflächen fest verklebt ist, da ein nur lose eingelegtes Schaumstoffmaterial nicht die angestrebte Körperschalldämpfung bringt. Andererseits ist es auch möglich, bereits bei der Reifenherstellung durch Aufschäumen auf den Reifeninnenflächen eine integrierte Schaumstoffschicht zu erzeugen, welche die erforderlichen Materialeigenschaften besitzt. Diese kann anschließend auf die gewünschten Maße zugeschnitten und dabei gleichzeitig von der Außenhaut befreit werden, um die erforderliche Durchlässigkeit zu erzielen.The foam material can be subsequently applied to the inside of the finished pneumatic vehicle tire. It is essential for the foam to be firmly bonded to the inner surfaces, as a loosely inserted foam material does not provide the desired structure-borne sound insulation. On the other hand, it is also possible to create an integrated foam layer with the required material properties by foaming the inner surfaces of the tire during tire manufacture. This can then be cut to the desired dimensions and at the same time freed from the outer skin in order to achieve the required permeability.

Es ist bekannt, daß man für eine wirksame Körperschalldämpfung an sich Beschichtungen aus viskoelastischen Materialien benötigt. Solche Materialien sind jedoch für den vorliegenden Einsatzzweck wegen des starken Temperatureinflusses auf deren Standfestigkeit ungeeignet. Es ist völlig überraschend und aufgrund des derzeitigen Kenntnisstandes auch nicht völlig erklärbar, daß mit Hilfe eines nicht viskoelastischen Schaumstoffmaterials bei Fahrzeugluftreifen eine wirksame Körperschalldämpfung erreicht werden kann, wie die Meßwerte der nachfolgenden Beispiele zeigen. Daß es sich bei dem beobachteten Effekt tatsächlich um eine Körperschalldämpfung, nicht aber eine Absorption des Luftschalls im Inneren der Reifen handelt, belegt u. a. die Tatsache, daß ein in den Reifen lose eingelegtes, aber an den Innenflächen anliegendes Schaumstoffmaterial nur eine geringe Wirkung zeigt und daß eine feste Verbindung des Schaumstoffes mit den Innenflächen des Reifens (z. B. durch Verkleben) für den Erfolg wesentlich ist.It is known that effective structure-borne sound insulation requires coatings made of viscoelastic materials. However, such materials are unsuitable for the present application because of the strong influence of temperature on their stability. It is completely surprising and not entirely explainable on the basis of the current state of knowledge that effective structure-borne sound insulation can be achieved in pneumatic vehicle tires using a non-viscoelastic foam material, as the measured values in the following examples show. The fact that the observed effect is actually structure-borne sound insulation and not absorption of airborne sound inside the tire is demonstrated by the fact that a foam material loosely inserted into the tire but in contact with the inner surfaces has only a small effect and that a firm connection between the foam and the inner surfaces of the tire (e.g. by gluing) is essential for success.

Die Erfindung ist für schlauchlose Reifen besonders geeignet, doch können u. U. auch Schläuche eingelegt werden, ohne daß die Wirkung verloren geht. Zur näheren Erläuterung der Erfindung soll das nachfolgende Beispiel dienen, dessen Ergebnisse in den Figuren graphisch dargestellt sind.The invention is particularly suitable for tubeless tires, but tubes can also be inserted under certain circumstances without losing the effect. The following example will serve to explain the invention in more detail, the results of which are shown graphically in the figures.

BeispielExample

Es wurden Weichschaumfolien unterschiedlicher Dicke aus vernetztem Polyurethan verwendet, welche die folgenden Kenndaten aufwiesen: &udf53;np130&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz12&udf54; Flexible foam films of different thicknesses made of cross-linked polyurethane were used, which had the following characteristics: &udf53;np130&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz12&udf54;

Versuch 1Attempt 1

In der Fig. 1 sind die Verlustfaktoren in Abhängigkeit von der Frequenz für die Schaumstoffolien A, B, C und D bei 20°C und einer Schichtdicke von jeweils 30 mm wiedergegeben. Es ist deutlich, daß mit den erfindungsgemäß zu verwendenden Materialien A und B in dem primär interessierenden Frequenzbereich oberhalb von 500 Hz ein wesentlich höherer Verlustfaktor erreicht wird als mit den Materialien C (mit einem zu hohen E-Modul und Luftströmungswiderstand) und D (mit einem zu niedrigen Raumgewicht und einem zu niedrigen Luftströmungswiderstand). Fig. 1 shows the loss factors as a function of frequency for the foam sheets A, B, C and D at 20°C and a layer thickness of 30 mm each. It is clear that with the materials A and B to be used according to the invention, a significantly higher loss factor is achieved in the frequency range of primary interest above 500 Hz than with the materials C (with too high an elastic modulus and air flow resistance) and D (with too low a density and too low an air flow resistance).

Versuch 2Attempt 2

Die in der Fig. 2 dargestellten Meßwerte für den mit dem Schaumstoffmaterial B ausgeklebten Reifen zeigen die für die Praxis wesentliche überaus geringe Temperaturabhängigkeit der Dämpfung; die Meßwerte bei 20 und 80°C sind fast identisch.The measured values shown in Fig. 2 for the tire covered with foam material B show the extremely low temperature dependence of the damping, which is essential for practical use; the measured values at 20 and 80°C are almost identical.

Versuch 3Attempt 3

Das Schaumstoffmaterial B wurde in Schichtdicken von 20, 30 und 40 mm eingesetzt. Die in der Fig. 3 wiedergegebenen Meßwerte zeigen bei zunehmender Schichtdicke eine gewisse Verschiebung zu niedrigeren Frequenzen hin, doch ist deutlich, daß eine Schichtdicke von etwa 30 mm ausreicht, um in dem besonders wesentlichen Frequenzbereich oberhalb 500 Hz eine beträchtliche Dämpfung zu erzielen. Dagegen wird mit einer Schichtdicke von 4 mm bei keiner Frequenz ein Verlustfaktor über 0,01 erreicht, wie eine Vergleichsmessung ergab.The foam material B was used in layer thicknesses of 20, 30 and 40 mm. The measured values shown in Fig. 3 show a certain shift towards lower frequencies as the layer thickness increases, but it is clear that a layer thickness of about 30 mm is sufficient to achieve considerable damping in the particularly important frequency range above 500 Hz. In contrast, with a layer thickness of 4 mm, a loss factor of more than 0.01 is not achieved at any frequency, as a comparative measurement showed.

Versuch 4Attempt 4

Es wurde die erzielte Schalldämpfung an Reifen auf einem Akustikprüfstand bei Raumtemperatur auf einer Stahlrolle bei 100 km/h gemessen. Ein handelsüblicher unbehandelter schlauchloser Reifen (Größe 155 SR 13 auf 5 Zoll Felgen) wies einen Geräuschpegel von 99,6 dB(A) auf. Eine Beklebung der Innenseite der Laufflächen mit einer 40 mm dicken Schaumstoffolie B führte zu einer Senkung des Pegels auf 95,8 dB(A), mit einer vollständigen Ausklebung mit einer 30 mm dicken Folie des Materials B wurde eine weitere Senkung auf 93,6 dB(A) erreicht. Die Messung erfolgte in 420 mm Höhe in 560 mm Abstand vom Reifen.The sound insulation achieved on tires was measured on an acoustic test bench at room temperature on a steel roller at 100 km/h. A commercially available untreated tubeless tire (size 155 SR 13 on 5 inch rims) had a noise level of 99.6 dB(A). Covering the inside of the tread with a 40 mm thick foam film B reduced the level to 95.8 dB(A). Covering the entire tread with a 30 mm thick film of material B reduced the level further to 93.6 dB(A). The measurement was taken at a height of 420 mm and a distance of 560 mm from the tire.

Claims (4)

1. Fahrzeugluftreifen, dessen Innenflächen ganz oder teilweise mit einem geräuschmindernden Belag aus offenzelligem Schaumstoff versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Innenseite der Lauffläche und/oder die Innenseiten der Seitenwände des Reifens ein körperschalldämpfendes vernetztes Polyurethan-Schaumstoffmaterial, welches in dem Temperaturbereich zwischen -20 und +80°C einen E-Modul von weniger als 5 × 10⁵ N/m² (dynamisch am Schaumstoff gemessen), ein Raumgewicht von 35 bis 300 kg/m³ und einen Luftströmungswiderstand von 80 bis 150 Rayl/cm (8 × 10⁴ bis 15 × 10⁵ Ns/m⁴) aufweist, in einer Schichtdicke von 15 bis 50 mm aufgebracht ist. 1. Pneumatic vehicle tyre, the inner surfaces of which are completely or partially provided with a noise-reducing coating made of open-cell foam, characterized in that a structure-borne sound-damping cross-linked polyurethane foam material is applied to the inner side of the tread and/or the inner sides of the side walls of the tyre, which in the temperature range between -20 and +80°C has an E-modulus of less than 5 × 10 ⁵ N/m ² (measured dynamically on the foam), a density of 35 to 300 kg/m ³ and an air flow resistance of 80 to 150 Rayl/cm (8 × 10 ⁴ to 15 × 10 ⁵ Ns/m ⁴ ), is applied in a layer thickness of 15 to 50 mm. 2. Fahrzeugluftreifen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaumstoffmaterial eine Schichtdicke von etwa 20 bis 30 mm aufweist. 2. Pneumatic vehicle tire according to claim 1, characterized in that the foam material has a layer thickness of about 20 to 30 mm. 3. Fahrzeugluftreifen nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das auf die Innenseite des Reifens nachträglich aufgebrachte Schaumstoffmaterial mit den Innenflächen fest verbunden, vorzugsweise verklebt ist. 3. Pneumatic vehicle tire according to one of claims 1 or 2, characterized in that the foam material subsequently applied to the inside of the tire is firmly connected, preferably glued, to the inner surfaces. 4. Fahrzeugluftreifen nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reifeninnenflächen mit einer integrierten, bei der Reifenherstellung erzeugten Schaumstoffschicht versehen sind. 4. Pneumatic vehicle tire according to claims 1 or 2, characterized in that the tire inner surfaces are provided with an integrated foam layer produced during tire manufacture.