DE69303354T2

DE69303354T2 - Lauffläche, die das Restausrichtsmoment ausgleicht

Info

Publication number: DE69303354T2
Application number: DE69303354T
Authority: DE
Inventors: Reynal Michel A De; Ronald Hobart Thompson
Original assignee: Michelin Recherche et Technique SA Switzerland
Current assignee: Michelin Recherche et Technique SA Switzerland
Priority date: 1992-12-30
Filing date: 1993-12-23
Publication date: 1996-11-14
Anticipated expiration: 2013-12-24
Also published as: DE69303354D1; ES2089690T3; EP0605849B1; US5944082A; EP0605849A1

Description

Diese Erfindung betrifft einen Luftreifen, und mehr im einzelnen die modifizierte Lauffläche des Reifens.
Fahrzeuge wurden im allgemeinen kleiner und im Ansprechverhalten auf die Lenkung und in der Empfindlichkeit strammer oder rascher. Die Verteilung von Kräften und Momenten an den Reifen von der Bodenoberfläche her am Übergang der Aufstandsfläche werden kritischer, um eine gute Fahrzeug-Lenkstabilität und -Handhabung zu erhalten. Beispielsweise ist ein Lenkzug festgelegt als die Tendenz für ein Fahrzeug, nach links oder rechts zu driften, wenn das Lenkrad losgelassen wird. Dieser Zug wird durch ein Torsionsmoment am Reifen um eine Z-Achse senkrecht zur Aufstandsfläche verursacht, sowie eine Seitenkraft senkrecht zur Vorwärtsgeschwindigkeit des Fahrzeugs längs einer Y- Achse an der Aufstandsfläche. Dieses Z-Achsenmoment wird das Rückstellmoment am Rad genannt und die Kraft in der Y- Achse wird die Querkraft an der Aufstandsfläche genannt.
Wenn eine Mittelumfangsfläche des Reifens eine Ausrichtung unter einem geringen Schlupfwinkel (etwa 0,25º) bezüglich ihres Vorwärtsgeschwindigkeitsvektors aufweist, dann kännen die Querkräfte an der Aufstandsfläche auf Null reduziert werden. Dieser geringe Schlupfwinkel wird der neutrale Schlupfwinkel genannt. Es verbleibt jedoch ein Z- Achsenmoment an der Aufstandsfläche, das das Rest- Rückstellmoment (RAT) genannt wird. Es gibt auch noch einen anderen kleinen Schlupfwinkel (etwa 0,35º) der Reifenebene bezüglich des Vorwärtsgeschwindigkeitsvektors, wo das Moment in der Z-Achse Null ist. Bei diesem kleinen Schlupfwinkel gibt es eine Kraft in der Y-Achse, die die Rest- Seitenführungskraft (RCF) genannt ist. Allgemein gesprochen ist es nicht möglich, ein Null-Rückstellmoment bei demselben Schlupfwinkel zu erzielen, das eine Null- Seitenführungskraft erbringt. Tatsächlich werden die meisten Fahrzeug-/Reifenkombinationen unter einem kleinen, kontinuierlichen Schlupfwinkel betrieben, um eine Null- Querkraft zu erzielen, und das Lenksystem wird benutzt, um ein Drehmoment zu liefern, um das Rest-Rückstellmoment zu kompensieren. Wenn das Lenkrad losgelassen wird, dann wird das Fahrzeug nach rechts oder links driften, in Abhängigkeit von der Größe und Richtung des Rest-Rückstellmoments. Fahrzeughersteller haben Grenzen für das Ausmaß der zulässigen Drift erstellt. Beispielsweise begrenzt ein Fahrzeughersteller die Drift, die ihre Quelle in den Reifen hat, auf 3 m innerhalb einer Vorwärtsstrecke von 100 m oder einen Driftwinkel von 1,72º. Die Theorie des reifeninduzierten Lenkzuges ist dokumentiert in der Veröffentlichung 750406 der Gesellschaft der Kraftfahrzeugingenieure (Society of Automotive Engineers - SAE). Das Rückstellmoment und die Querkraft sind in der SAE-Veröffentlichung Nr. 870423 definiert, soweit sie allgemein benutzte Ausdrücke "plysteer" (Lenkneigung) und "conicity" (Konizität) benutzen.
Es ist in der Technik bekannt, daß die Reifengürtelstruktur und ihr Querlagenlaminat von Verstärkungsteilen ein Rest-Rückstellmoment oder eine Rest-Seitenführungskraft verursachen können. Dies liegt an der Biege-Scher-Koppelung des Gürtelverbundes und insbesondere an der Biege-Drill- Koppelung innerhalb des Gürtelverbundes, wenn der Reifen die Bodenoberfläche berührt. Die Biege-Drill-Verformungen in der Aufstandsfläche haben eine größere Bedeutung als die Biege-Scher-Verformungen. Kleine Scherverformungen haben weniger Einfluß als kleine Drulverformungen, weil die Verdrillung die örtlichen Berührungsspannungen in der Aufstandsfläche unmittelbarer beeinflußt. Die SAE- Veröffentlichung Nr. 870423 offenbart die Einflüsse des Restrückstellmoments infolge sowohl der Verstärkungsteil- Beabstandung als auch des Verstärkungsteil-Winkels von der Mittelumfangsebene aus für einen Gürtelverbund, der zwei Gürtellagen hat. Die Veröffentlichung offenbart auch den Effekt, unterschiedliche untere Gürtellagen-Verstärkungsteil-Winkel zu haben, verglichen mit den oberen Gürtellagen-Verstärkungsteil-Winkeln, auf das Rest-Rückstellmoment. Es war kein Verfahren in dieser Veröffentlichung offenbart, um das Rest-Rückstellmoment durch Gürtel-Verstärkungsteil- Änderungen aus zuräumen
Es ist auch in der Technik bekannt, daß größere Anpassungen im Aufbau des Gürtelverbundes eine mittlere Querkraft bei einem Null-Schlupfwinkel (Lenkneigung) auf einen geringen Wert verringern können. Die mittlere Querkraft beim Null-Schlupfwinkel wird dadurch bestimmt, daß man den Reifen um seine Drehachse rollt und eine erste Querkraftgröße mißt, dann die Drehung des Reifens umkehrt und eine zweite Querkraftgröße mißt. Der Mittelwert dieser beiden Querkraftgrößen wird in der Literatur "plysteer" (Lenkneigung) genannt. Im US-Patent Nr. 3 945 422 ist die Lenkneigung dadurch wesentlich reduziert, daß man den Gürtelverbund mit mehreren Lagen (drei) aufbaut, die symmetrisch angeordnet sind. Andere Gürtelausbildungen mit mehreren Lagen sind in der SAE-Veröffentlichung 760731 offenbart. Die Verringerung der Lenkneigung auf Null räumt jedoch nicht das Rest-Rückstellmoment beim neutralen Schlupfwinkel Null aus. Ferner enthalten diese Fundstellen keine Lehre, wie man Abänderungen im Aufbau des Reifens vornimmt, um das Rest-Rückstellmoment zu verringern.
Es ist der Technik auch bekannt, daß das Laufflächenmuster und die Laufflächenstruktur eine Auswirkung auf das Rest-Rückstellmoment aufweisen, die unabhängig ist vom Aufbau des Reifens. Die Wirkungen des Laufflächenmusters und der Laufflächenstruktur können auch einen Einfluß auf das Rest-Rückstellmoment haben, wie ihn Änderungen im Aufbau des Gürtelverbundes haben.
Die Ausbildung der Lauffläche bewirkt sowohl das Rest- Rückstellmoment als auch die Rest-Seitenführungskraft. Wenn sich das Laufflächenmuster ändert, dann wird die Steife der Laufflächenblöcke abgeändert. Beispielsweise werden Änderungen in den Umfangsrillen im Laufflächenmuster die seitliche Steife ändern und das Rest-Rückstellmoment sowie die Rest-Seitenführungskraft beeinflussen. Änderungen in den seitlichen Rillen können auch die Steife der Lauffläche des Reifens abändern und Biege-Verdrillungs-Verformungsänderungen innerhalb der Lauffläche verursachen. Änderungen in den seitlichen Rillenwinkeln können zu weniger differentiellen Aufstandsflächen-Tangentialkräften zwischen den verschiedenartigen Laufflächenelementen führen. Somit wird die Lauffläche nachgiebiger, wenn der Reifen abrollt. Das US- Patent Nr. 4 819 704 offenbart, wie Änderungen in der Größe und Form der Laufflächenblöcke, die erzeugt wurden, durch Änderungen in den Umfangsrillen und Querrillen die Lenkneigung ändern. Der Winkel der Richtung der maximalen Quersteife der Laufflächenblöcke ist festgelegt zwischen 40 und von einer Mittelumfangsebene aus, und ist dem Winkel der Verstärkungsglieder in den äußersten Gürtellagen entgegengerichtet. Die gesamte Flächengröße der Oberflache der Reifenblöcke ist ebenfalls als ein Faktor beim Reduzieren der Lenkneigung offenbart. Die Fundstelle offenbart jedoch kein Verfahren zum Ändern des Rest-Rückstellmoments, und die Fundstelle lehrt nicht, wie man Querrillenwinkel ändert, ohne Reifengeräusch und Traktion, die von der Lauffläche induziert sind, zu beeinflussen. Die Bedeutung der Reifen-Querrillenwinkel für Geräusch ist offenbart im USPatent Nr. 5 125 444.
Es ist auch in der Technik bekannt, daß die Laufflächensteife gemeinsam mit asymmetrischen Laufflächen eine Lenkneigung bewirken kann. Beispielsweise offenbart das US- Patent Nr. 5 016 695 einen richtungsabhängigen Reifen, der ein asymmetrisches Laufflächenmuster aufweist, worin die Rippe mit der höchsten Starre (keine Querrillen) auf der einen Seite der Mittelumfangsebene gelegen ist. Dieses Laufflächenmuster ändert die Form der Aufstandsfläche, um hervorragende Fahrstabilität bei Schlupfwinkeln zu liefern, die so klein sind wie 1 Grad, und verbessert den Fahrkomfort während der Geradeausfahrt. Es erfolgt in diesem Patent jedoch keine Erörterung der Auswirkung dieses Laufflächenmusters auf das Rest-Rückstellmoment, und die offenbarte Fahrstabilität liegt bei Winkeln, die größer sind als die neutralen Nenn-Schlupfwinkel, wo die Querkraft Null ist.
Zusätzlich zum Einfluß der Änderungen des Laufflächenmusters und des Laufflächen-Oberflächenprofils auf die Aufstandsflächenkräfte des Reifens können Tangentialspannungen an dieser Übergangsfläche durch die Neigung der Reifenblökke geändert werden. Der Winkel zwischen der Reifenoberfläche und den näherungsweise radialen Flächen der Querrillen hat eine wesentliche Auswirkung auf die Leistung des Reifens hinsichtlich der Traktion und der ungleichmäßigen Abnutzung. Dieser Winkel ist auch bei den Fahr- und Bremskräften wesentlich, die von einem Laufflächenblock erreicht werden, besonders auf Schnee, Eis und rauhen Bodenflächen. Der Einfluß des gesamten Fahr- und Bremszuges eines Laufflächenmusters, das geneigte Laufflächenblockelemente aufweist, ist offenbart in den japanischen Patenten Nrn. 63-97405 (JP) , 2-293206 (JP) und 2-293205 (JP). Die Leistung des Reifens auf Eis, Schnee und rauhen Straßen wird noch durch die Kippung der Reifenblöcke nach vorne oder nach hinten gefördert.
In der JP 2-293206 wird der Reifen tatsächlich von den frühen Tagen der Abnutzung bis zu den letzten Tagen der Abnutzung umgekehrt, um einen Vorteil aus der sich ändernden Steife der Reifenblöcke bei der Abnutzung zu ziehen. Die Offenbarung des JP 63-97405 kombiniert wahlweise Reifenblöcke, um ein Laufflächenmuster zu ergeben, das wirksam auf jeweiligen Straßenflächen funktioniert. Diese Patente lehren jedoch nicht, wie geneigte Laufflächenblöcke angeordnet und abgeschrägt werden können, so daß sie einen Einfluß auf das Rest-Rückstellmoment haben. Das Rückstellmoment bei den offenbarten Reifen würde zufällig sein, wenn sie wahlweise kombiniert werden, und es kann tatsächlich die Größe des Rest-Rückstellmomentes zunehmen. Das japanische Patent Nr. 2-293205 offenbart ähnliche, geneigte Reifenblöcke, die sich aus der Neigung der nahezu radialen Flächen der Querrillen ergibt, um die Fahr- und Bremsleistung zu verbessern. In diesem Patent ist kein spezielles Laufflächenmuster dargestellt.
Andere ähnliche Patente, die die Neigung der Laufflächenblöcke offenbaren, die sich aus der Neigung der Querrillen in den Umfangsrippen ergibt, sind die US-Patente Nrn. 3 104 693, 4 284 115, 4 298 046 und 5 044 414. Die Dauerhaftigkeit des Reifens bei hoher Geschwindigkeit ist das Problem, an das sich die US 5 044 414 richtet, und sie wird verbessert durch die Form der Querrillen und durch die Krümmung des Rillenbodens. Dasselbe Problem und eine ähnliche Lösung sind offenbart in US 4 284 115. Reifen mit verbesserter Greif- und Längshaftung, wobei sich die Laufflächen in rauhe Straßenoberflächen ebenso wie in Eis- und Schneeflächen einkrallen, sind in US 3 104 693 und US 4 298 046 offenbart. Wieder einmal ist die Fahr- und Bremsleistung des Reifens insgesamt offenbart. Zufällige Rest- Rückstellmoment-Werte sind vorweggenommen, wenn man die Laufflächen dieser Patente benutzt.
Ein Laufflächenmuster mit modifizierten Rippen, begründet auf der Richtung der Lenkneigung infolge des Reifenaufbaus und der Bodenberührungs-Reaktionskraft, ist im US-Patent Nr. 4 305 445 offenbart. Dieses Patent beschreibt, wie die Abnutzung von der Richtung des "inneren Kammerschubes" beeinflußt wird, der auf den Reifen einwirkt. Der Bodenberührungsdruck wird dadurch modifiziert, daß man kleine Löcher nahe der Vorderkante der Querrillenflächen auf der einen Seite und kleine Löcher nahe der Hinterkanten der Querrillenflächen auf der anderen Seite der Mittelumfangsebene vorsieht. Dies ändert die Starre der Reifenblöcke, wenn sie in die Aufstandsfläche auf der einen Seite einlaufen und auf der gegenüberliegenden Seite aus der Aufstandsfläche herauslaufen. Keine Angabe ist gegeben, was den Einfluß dieser kleinen Löcher auf die Lenkneigung oder das Rest-Rückstellmoment angeht, und zufällige Einflüsse können vorweggenommen sein.
Die abgeschrägten Reifenblöcke, die in der US-Patentanmeldung Nr. 07/652 412 offenbart sind, sind vorgesehen, um die ungleichmäßige Abnutzung eines richtungsgebundenen Reifens zu steuern, der ein asymmetrisches Laufflächenmuster hat. Die beiden Querrippen, von denen jede Laufflächenblöcke aufweist, die in derselben Richtung abgeschrägt sind, haben Bremskräfte aus den radialen Verformungen der Laufflächenblöcke verringert. Die Mittelrippen haben jeweils Laufflächenblöcke, die in einer umgekehrten Richtung abgeschrägt sind, und haben die Antriebskräfte aus den radialen Verformungen der Laufflächenblöcke verringert. Die Antriebsachsenreifen werden gegenüber den Lenkachsenreifen umgekehrt gedreht. Es sind keine Änderungen aus den Reifenlaufflächen dieser Erfindung beim Rest-Rückstellmoment vorweggenommen.
Obwohl es verschiedene bekannte Wege gibt, um die Lenkneigung zu verringern, verbleibt doch das Erfordernis, imstande zu sein, das Rest-Rückstellmoment am Reifen von der Bodenoberfläche her zu steuern. Dieses Rest-Rückstellmoment bleibt selbst, nachdem das Laufflächenmuster und der Reifenaufbau so modifiziert wurden, um Lenkneigung oder Konizität zu verringern. Dieses Moment oder Drehmoment liegt selbst bei einem Reifen mit kleinem Schlupf vor (neutraler Schlupfwinkel) oder bei Null-Schlupfwinkel, wenn die Lenkneigung Null ist. Diese Korrekturen werden von dem Bestreben erschwert, Änderungen im Laufflächenmuster zu vermeiden, die andere Reifenleistungsmerkmale beeinflussen. Die optimale Lösung ist es, das Rest-Rückstellmoment auf nahezu Null zu verringern, mit einer nur geringen oder gar keiner Änderung im Aufbau des Reifens und im grundlegenden Laufflächenmuster, das in Berührung mit der Bodenfläche steht (Aufstandsfläche. Eine solche Lösung würde die Leistungen des Reifens hinsichtlich Geräusch, Traktion und Verschleiß aufrechterhalten. Es besteht kein Erfordernis, sich auf Verbesserungen in der Fahr- oder Bremstraktion zu verlegen, um den Lenkzug auszuräumen, wenn das Lenkrad losgelassen wird. Somit sollte der Reifen bei dieser Erfindung zunächst hinsichtlich Geräusch, Traktion und Verschleiß durch Änderungen im Aufbau des Reifens und im Laufflächenmuster optimiert werden, und dann können bestimmte Modifizierungen in der Lauffläche vorgenommen werden, um das Rest-Rückstellmoment zu verringern, ohne die anfängliche Optimierung zu beeinflussen.
Das Ziel dieser Erfindung ist es, einen Reifen zu erzielen, der eine verbesserte Lauffläche für die Geradeausfahrt eines Fahrzeugs während des Betriebs bei freiem Rollen (keine Lenkung) aufweist. Insbesondere ist eine verbesserte Lauffläche angestrebt, die zu einem Reifen führt, der im wesentlichen kein Rest-Rückstellmoment bei einem neutralen Schlupfwinkel aufweist. Die verbesserte Lauffläche des Reifens wird dadurch erreicht, daß man eine Modifizierung an den Reifenblöcken vornimmt, die durch ein hierin offenbartes Verfahren bestimmt werden kann. Dies kann durch eine nur geringe oder keine Änderung im Laufflächenmuster innerhalb der Aufstandsfläche oder im Aufbau des Reifens bewirkt werden.
Ein Ausführungsbeispiel dieser Erfindung ist eine verbesserte Lauffläche für einen Reifen, der eine Vielzahl von Rippen aufweist. Eine modifizierte erste Rippe ist bestimmt, die eine Vielzahl von Querrillen umfaßt. Jede der Querrillen der ersten Rippe trennt ein Paar in Umfangsrichtung nebeneinanderliegender erster Laufflächenblöcke. Die Querrillen der ersten Rippe werden durch einen ersten Mittellinien-Verzugswinkel definiert. Der erste Verzugswinkel erstreckt sich unter einem spitzen Winkel relativ zu einer Ebene, die sich radial von der Drehachse aus erstreckt. Eine modifizierte zweite Rippe wird bestimmt, die einen Axialabstand zur ersten Rippe zur entgegengesetzten axialen Seite einer Mittelumfangsebene aufweist. Die zweite Rippe umfaßt auch eine Vielzahl von Querrillen, die jeweils ein Paar in Umfangsrichtung benachbarter zweiter Laufblöcke trennen. Die Querrillen der zweiten Rippe werden durch einen zweiten Mittellinien-Verzugswinkel definiert. Der zweite Verzugswinkel erstreckt sich unter einem spitzen Winkel relativ zu einer Ebene, die sich radial von der Drehachse her erstreckt. Der erste Verzugswinkel erstreckt sich in einer Richtung relativ zu einer Radialebene, die entgegengesetzt ist zu der Richtung, zu der sich der zweite Verzugswinkel relativ zu einer anderen Radialebene erstreckt.
Während einer ersten Drehung des Reifens um eine Drehachse, wobei der Reifen in Berührung mit einer Bodenfläche steht, weist die modifizierte erste Rippe einen effektiven Abrollradius auf, der größer ist als ein jeweiliger Abrollradius einer nichtmodifizierten ersten Rippe. Die modifizierte zweite Rippe hat einen effektiven Abrollradius, der kleiner ist als ein jeweiliger Abrollradius einer nichtmodifizierten zweiten Rippe bei dieser ersten Drehung. Während einer zweiten Drehung des Reifens entgegengesetzt zur ersten Drehung um die Drehachse, wobei ebenfalls der Reifen in gleicher Berührung mit der Bodenoberfläche steht, hat die modifizierte zweite Rippe einen effektiven Abrollradius, der größer ist als der entsprechende Abrollradius der nichtmodifizierten zweiten Rippe. Für diese zweite Drehung hat die modifizierte erste Rippe einen effektiven Abrollradius, der kleiner ist als der entsprechende Abrollradius der nichtmodifizierten ersten Rippe. Das sich ergebende Rest-Rückstellmoment am Reifen von der Bodenfläche her wird während sowohl der ersten als auch der zweiten Drehung des Reifens im wesentlichen aufgehoben.
In einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung sind die erste und zweite Rippe gegenüber der Mittelumfangsebene des Reifens symmetrisch angeordnet. In einem am meisten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der erste Verzugswinkel gleich dem zweiten Verzugswinkel gewählt und die Lauffläche ist eine nicht richtungsabhängige Lauffläche
In einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die Lauffläche ferner mindestens eine modifizierte dritte Rippe und mindestens eine modifizierte vierte Rippe auf, von denen jede eine Vielzahl von Querrillen umfaßt. Jede Querrille der dritten Rippe trennt ein Paar in Umfangsrichtung benachbarter dritter Laufflächenblöcke. Die Querrillen der dritten Rippe sind definiert durch einen dritten Mittellinien-Verzugswinkel. Die dritte Rippe ist auf derselben axialen Seite der Mittelumfangsebene des Reifens gelegen, wie die Lage der ersten Rippe. Der Querrillen-Verzugswinkel der dritten Rippe erstreckt sich in derselben Richtung relativ zu einer entsprechenden Radialebene, wie sich der Querrillen-Verzugswinkel der ersten Rippe erstreckt. Jede der Querrillen der vierten Rippe trennt ein Paar in Umfangsrichtung benachbarter vierter Laufflächenblöcke. Die Querrillen der vierten Rippe sind durch einen vierten Mittellinien-Verzugswinkel definiert. Die vierte Rippe ist auf derselben axialen Seite der Mittelumfangsebene des Reifens gelegen, wie die Lage der zweiten Rippe. Die Querrillen-Verzugswinkel der vierten Rippe erstrecken sich in derselben Richtung relativ zu einer entsprechenden Radialebene, wie sich die Querrillen-Verzugswinkel der zweiten Rippe erstrecken.
Ein Verfahren zum Modifizieren der Lauffläche von Reifen, um das Rest-Rückstellmoment für die Reifen im wesentlichen aufzuheben, ist auch dargestellt und umfaßt die folgenden Schritte. (1) Ein unmodifizierter Testreifen wird hergestellt, der ein Laufflächenmuster mit einer vorbestimmten Rippenart mit Null-Mittellinien-Verzugswinkeln für alle Querrillen aufweist, die in Umfangsrichtung benachbarte Reifenblöcke trennen. (2) Der unmodifizierte Testreifen wird getestet, um ein erstes Rest-Rückstellmoment zu bestimmen. (3) Ein modifizierter Testreifen wird hergestellt, der das Laufflächenmuster der Rippenart wie in (1) aufweist, aber bei sowohl den ersten als auch den zweiten Rippen Mittellinien-Verzugswinkel aufweist. Die modifizierte zweite Rippe liegt, durch einen Abstand von der modifizierten ersten Rippe getrennt, auf der axial entgegengesetzten Seite einer Mittelumfangsebene. Der Mittellinien-Verzugswinkel der ersten Rippe hat eine Ausrichtung bezüglich der Radialebene, die sich radial von der Drehachse aus erstreckt, die entgegengesetzt ist zu einer Ausrichtung des Mittellinien-Verzugswinkels der zweiten Rippe, die sich von einer entsprechenden Radialebene aus erstreckt. (4) Der modifizierte Testreifen wird getestet, um ein zweites Rest- Rückstellmoment zu bestimmen. (5) Eine Systemkonstante wird berechnet, die das zweite Rest-Rückstellmoment minus das erste Rest-Rückstellmoment ist, die alle durch den Mittelwinkel-Verzugswinkel geteilt sind. (6) Ein letztendlicher Mittellinien-Verzugswinkel wird für den Reifen wie beim ersten Rest-Rückstellmoment berechnet, wie es bestimmt ist in (2), geteilt durch die Systemkonstante. (7) Schließlich wird eine Mehrzahl von Reifen hergestellt, die das Laufflächenmuster der Rippenart mit dem endgültigen Verzugswinkel in jeder Querrille sowohl der modifizierten ersten als auch zweiten Rippe aufweist, und sie werden getestet, um zu bestatigen, daß der Reifen ein modifiziertes Rest-Rückstellmoment aufweist, das im wesentlichen Null ist. Wenn nicht, können die Schritte wiederholt werden, um ein Rest-Rückstellmoment zu erreichen, das nahezu Null ist. Diese Methode kann auch zur Verwendung mit Reifen modifiziert werden, die mehr als zwei modifizierte Rippen mit Mittellinien-Verzugswinkeln aufweisen.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann, den die vorliegende Erfindung betrifft, aus der Lektüre der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich, in denen:
Fig. 1 ein Diagramm der Bahnkurve ist, die von einem Fahrzeug verfolgt wird, das mit typischen Reifen ausgestattet ist und sich unter freier Steuerung befindet;
Fig. 2 (A) die Draufsicht eines Reifens und Koordinatensystems mit den Kräften und dem Moment am Reifen während des freien Rollens ist, wie dargestellt;
Fig. 2 (B) die Draufsicht des Reifens in Fig. 2 (A) bei einem neutralen Schlupfwinkel ist;
Fig. 2 (C) eine graphische Darstellung der Querkräfte aus Lenkneigung und Konizität ist, die auf den Reifen der Fig. 2 (A) einwirken, der vorwärts und dann rückwärts rollt;
Fig. 3 eine graphische Darstellung der Querkräfte und des Rückstellmoments an einem Reifen als eine Funktion des Schlupfwinkels ist, montiert an der linken oder rechten Seite des Fahrzeugs;
Fig. 4 eine graphische Darstellung des Gesamt- Rückstellmoments und der gesamten Querkraft mit zwei Reifen auf einer Achse eines Fahrzeugs ist;
Fig. 5 eine Aufstandsfläche eines typischen Reifens gegenüber der Bodenoberfläche für einen Reifen mit fünf Rippen darstellt, der Querrillen aufweist;
Fig. 6 graphisch die Änderungen des Rest-Rückstellmoments (RAT) bei Änderungen des Querrillenwinkels für die Aufstandsfläche der Fig. 5 darstellt;
Fig. 7 die Draufsicht eines typischen Reifens mit fünf Rippen ist, die eine Reifenoberflächen-Nennkrümmung darstellt;
Fig. 8 eine graphische Darstellung des Abrollumfangs des Reifens der Fig. 7 während einer einzigen Umdrehung ist;
Fig. 9 graphisch die typischen tangentialen Querspannungen von der Bodenfläche her an jeder Rippe eines Reifens mit fünf Rippen während des Abrollens durch die Aufstandsfläche darstellt;
Fig. 10 graphisch typische Längs-Tangentialspannungen von der Bodenoberfläche her an jeder Rippe eines Reifens mit fünf Rippen während des Abrollens durch die Aufstandsfläche darstellt;
Fig. 11 (A), (B) und (C) Teilschnitte von drei unterschiedlichen Rippen der Lauffläche dieser Erfindung sind, parallel zu einer Mittelumfangsebene vorgenommen;
Fig. 12 ein Teilschnitt einer Rippe mit einem nach vorne geneigten Laufflächenblock gemäß Fig. 11 (B) beim Eintritt der Berührung mit der Bodenoberfläche gemäß der Erfindung ist;
Fig. 13 ein Teilschnitt einer Rippe mit einem nach hinten geneigten Laufflächenblock gemäß Fig. 11 (C) beim Eintritt der Berührung mit der Bodenoberfläche gemäß der Erfindung ist;
Fig. 14 und 15 Schnitte zweiter typischer Querrillen mit Mittellinien-Verzugswinkeln sind, parallel zu einer Mittelumfangsebene vorgenommen, gemäß der Erfindung;
Fig. 16 (a) und (b) graphische Darstellungen der beiden Querrippenspannungen der Fig. 10 sind und Änderungen in den Längs-Tangentialspannungen und -Kräften als Ergebnis der Erfindung zeigen;
Fig. 17 graphisch eine Aufstandsfläche eines typischen Reifens mit fünf Rippen darstellt, mit zwei Querrippen, mit Mittellinien-Verzugswinkeln, um die Längskräfte und ein Moment zu erzeugen, wie dargestellt, in Übereinstimmung mit der Erfindung;
Fig. 18 ein anderes Ausführungsbeispiel einer Aufstandsfläche eines Reifens mit fünf Rippen darstellt, mit zwei Zwischenrippen, mit Mittellinien-Verzugswinkeln, um die Längskräfte und ein Moment zu erzeugen, wie gezeigt, in übereinstimmung mit der Erfindung; und
Fig. 19 eine graphische Darstellung der Änderung im Rest-Rückstellmoment mit einer Änderung in den Mittellinien-Verzugswinkeln ist, gemäß der Erfindung.
Die Abweichung eines Fahrzeugs, das mit typischen Reifen ausgestattet ist, aus der Geradeausfahrt ist in Fig. 1 dargestellt. Wenn das Lenkrad in der Lage für die Vorwärtsfahrt losgelassen wird, X = 0, dann wird das Rest-Rückstellmoment an den typischen Reifen das Fahrzeug veranlassen, einem freien Steuerweg zu folgen, mit einer seitlichen Versetzung Y. Bei einem gewissen Abstand X1 wird die Querversetzung Y1 gemessen und ein Abweichwinkel P kann errechnet werden. Fahrzeughersteller sorgen für Bestimmungen, die die Querversetzungen Y1 oder den Abweichwinkel P bei einer Fahrtstrecke X1 als Ergebnis des Rest-Rückstellmoments (RAT) des Reifens begrenzen.
Die Reifen- und Felgengesellschaft (Tire and Rim Association - T&RA) in Copley, Ohio, bestimmt die Bau- und Belastungsparameter fur einen Norm-Radial-Luftreifen für Personenwagen, leichte Lastwagen und dergleichen. Der Normreifen oder typische Reifen hat einen solchen Aufbau, daß eine Querkraft und ein Rest-Rückstellmoment oder -Moment auf den Reifen von der Bodenoberfläche her ausgeübt wird, wenn der Reifen geradeaus rollt (kein Schlupfwinkel). Diese Kräfte und Momente sind in Fig. 2 dargestellt. Anfangs in Ruhe wird der Reifen im Uhrzeigersinn gedreht, von der Seite der weißen Seitenwand (WS) her gesehen, mit einer konstanten Geschwindigkeit V1 und für eine Zeit t1. Während der Zeit t1 gibt es eine Querkraft YR in der positiven Y- Richtung am Reifen, gemeinsam mit einem einhergehenden Drehmoment T0, wie in den Fig. 2 (A) und 2 (C) gezeigt. Das Drehmoment T0 liegt in nomineller Weise entgegen dem Uhrzeigersinn vor, von der Oberseite des Reifens her gesehen, wie in Fig. 2 (A), wenn ein standardmäßiger Zwei-Lagen- Gürtelverbund eine Links-/Rechtsausrichtung aufweist. Beispielsweise erstreckt sich eine Rechtsausrichtung der Verstärkungsglieder der ersten oder inneren Lage des Gürtelverbundes nach oben und nach rechts. Der Reifen wird dann angehalten und die Drehung, von der WS-Seite her gesehen, wird in eine im Gegenuhrzeigersinn erfolgende umgekehrt, bei einer konstanten Geschwindigkeit V2 für eine Zeit t2. Eine negative Querkraft YL liegt am Reifen während der Zeit t2 vor, gemeinsam mit einem Rückstellmoment mit nahezu derselben Größe T0 entgegen dem Uhrzeigersinn. Andere Gürtelverbunde mit anderen Ausrichtungen und andere Anzahl von Lagen, als zwei Lagen rechts/links, liegen ebenfalls innerhalb des Umfangs dieses Patents.
Die positive Querkraft YR für die Drehung im Uhrzeigersinn und die negative Querkraft YL für die Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn des typischen Reifens 10 kann als eine Kombination zweier Kraftkomponenten C und PS angesehen werden, wie in Fig. 2 (C) gezeigt. Diese sind allgemein bekannt als die Konizitätskraft C und die Lenkneigungskraft PS, die in der Literatur erörtert sind. Die Konizitätskraft C ändert sich nicht mit der Drehrichtung. Die Lenkneigungskraft PS (CW) ist der Drehung im Uhrzeigersinn zugeordnet und die Lenkneigungskraft PS (CCW) ist der Drehung entgegen den Uhrzeigersinn zugeordnet, von der WS-Seite her gesehen.
Die Querkräfte YR und YL werden auch veranlassen, daß das Fahrzeug eine seitliche Versetzung während des Geradeauslenkens hat (Fig. 1). Die seitlichen Kräfte YR, YL können jedoch auf nahezu Null dadurch verringert werden, daß man das Reifen/Radsystem 12 relativ zum Geschwindigkeitsvektor Vl bis zu einem Lenkwinkel AR lenkt, wie in Fig. 2 (B) gezeigt. Der Winkel AR ist der neutrale Lenkwinkel für die Drehung des Reifens im Uhrzeigersinn, von der WS-Seite her gesehen. Das Problem der Geradeausfahrt des Fahrzeugs hängt nun nur vom Rest-Rückstellmoment TR bei einem Schlupfwinkel AR ab. Die Offenbarung dieser Erfindung lehrt einem Fachmann, wie man dieses Rest-Rückstellmoment ohne Änderungen im inneren Reifenaufbau oder Änderungen im Laufflächenmuster in der Aufstandsfläche im wesentlichen ausräumt.
Der Reifen kann entweder auf der linken oder der rechten Seite des Fahrzeugs benutzt werden. Mit der weißen Seitenwandseite (WS-Seite) der Reifen-Außenseite zum Fahrzeug auf der rechten Seite dreht sich der Reifen im Uhrzeigersinn, wenn sich das Fahrzeug vorwärts bewegt und von dieser WS-Seite her gesehen wird. Umgekehrt dreht sich der Reifen entgegen den Uhrzeigersinn auf der linken Seite des Fahrzeugs, wenn er mit der WS-Seite zur Außenseite des Fahrzeugs montiert wird, von der WS-Seite her gesehen und bei Vorwärtsbewegung des Fahrzeugs. Das Ergebnis, das in einem X-Y-Koordinatensystem ausgedrückt ist, ist es, daß die Seitenkräfte in derselben Richtung für die linken und rechten Reifen auf einer einzigen Achse wirken. Bei einem gewissen Schlupfwinkel AL auf der linken Seite und einem anderen Schlupfwinkel AR auf der rechten Seite sind die Seitenkräfte nahezu Null.
Die Seitenkräfte und das Rückstelldrehmoment als Funktion des Schlupfwinkels sind in Fig. 3 dargestellt. Wenn der Reifen auf der rechten Seite des Fahrzeugs angebracht ist und sich im Uhrzeigersinn dreht (CW), ist gezeigt, daß ein Schlupfwinkel AR eine Null-Querkraft sowie ein negatives Rückstellmoment TR erzielt. Die Querkraft bei einem Null-Schlupfwinkel ist die Kraft YR, wie schon vorher in Fig. 2 dargestellt. Wenn der Reifen stattdessen auf der linken Seite des Fahrzeugs angebracht ist und sich entgegen den Uhrzeigersinn dreht (CCW), ist gezeigt, daß der Schlupfwinkel AL eine Null-Querkraft und ein negatives Rückstellmoment TL erzielt. Die Querkraft bei einem Null- Schlupfwinkel ist die Kraft YL, wie schon vorher in Fig. 2 dargestellt. Andere Kraft- und Drehmomentwerte C, PS und T0, die in Fig. 2 gezeigt waren, sind ebenfalls in Fig. 3 dargestellt. Bei einem mittleren Schlupfwinkel AA wird das mittlere Rückstellmoment das Rest-Rückstellmoment (RAT) genannt. Die Erfindung offenbart, wie man das Rest-Rückstellmoment RAT im wesentlichen bis auf Null verringert. Die Differenz zwischen dem Rückstellmoment TR für die Drehung im Uhrzeigersinn oder das Rückstellmoment TL für die Drehung entgegen den Uhrzeigersinn sowie dem Rest-Rückstellmoment RAT ist klein (Fig. 3). Tatsächlich würde ein Reifen gemäß der Erfindung in der einen Drehrichtung ein wenig überkompensiert und in der entgegengesetzten Drehrichtung ein wenig unterkompensiert. Somit sollte in der Theorie, wenn derselbe Reifen auf den beiden Seiten des Fahrzeugs benutzt werden könnte, das resultierende Drehmoment im wesentlichen Null sein. Es müssen jedoch zwei unterschiedliche Reifen benutzt werden.
Die Wirkung, zwei Reifen A und B auf einer Achse zu haben, ist in Fig. 4 dargestellt. Die Kraft- und Drehmomentwerte, die dargestellt sind, sind die tatsächlichen Testergebnisse für zwei Reifen P215/65 R15 aus der Fertigung vom selben Hersteller und mit derselben Reifenauslegung (tire line). Kleine Änderungen werden zwischen den Reifen A und den Reifen B vermerkt, wobei das gesamte Rest-Rückstellmoment (TRAT) wiederum ein Mittelwert der Rest-Rückstellmomente RAT für jeden Reifen ist. Dieses Diagramm stellt dar, daß die Gleichförmigkeit des Reifens kein Problem ist, vorausgesetzt, es wird derselbe Reifentyp (Hersteller und Reifenauslegung) auf beiden Seiten des Fahrzeugs benutzt. Somit wird die Korrektur einer Reifenauslegung für RAT in Übereinstimmung mit dieser Erfindung das angestrebte Geradeaus-Lenkverhalten für ein Fahrzeug erzeugen, das alle Reifen derselben Auslegung hat.
Die Beispiele für diese Erfindung werden bevorzugt mit einem Reifen des Rippentyps benutzt. Beispielsweise ist die Aufstandsfläche eines vereinfachten Reifens 20 des Rippentyps in Fig. 5 dargestellt, die fünf Umfangsrippen 1 bis 5 zeigt, die durch vier Umfangsrillen 22 getrennt sind. Der dargestellte Reifen ist ein nicht-richtungsabhängiger Reifen mit einem symmetrischen Laufflächenmuster bezüglich einer Mittelumfangsebene M. Die Umfangsrillen 22 kännen geradlinig, krummlinig oder zickzackförmig sein, und alle solchen Rillen liegen innerhalb des Umfangs der Erfindung. Die Rippen 1 bis 5 sind jeweils durch eine Vielzahl in Umfangsrichtung beabstandeter Querrillen 24 geteilt. Jede Querrille 24 trennt ein Paar in Umfangsrichtung benachbarter Laufflächenblöcke 26. Die Querrille 24 kann auch geradlinig, krummlinig oder zickzackförmig sein, sowie auch nicht-durchgehend, und alle solchen Rillen liegen innerhalb des Umfangs dieser Erfindung. Nicht-durchgehende Querrillen erstrecken sich nur teilweise von der einen Umfangsrille 22 zur benachbarten Umfangsrille 22. Kleine Einschnitte oder Durchlässe (sipes) 28 können die Laufflächenblöcke 26 auch noch weiter unterteilen, um ihre jeweiligen Steifeeigenschaften der X-Achse zur Y-Achse zu modifizieren.
Es hat sich herausgestellt, daß die Querrillenwinkel in der Aufstandsfläche G1-G5 einen unmittelbaren Einfluß auf das Rest-Rückstellmoment RAT haben. Beispielsweise stellt das Diagramm der Fig. 6 dar, wie die Änderung in den Rillenwinkeln DG, ausgehend von einem Rillenwinkel von 90º, das RAT ändert. Für einen Reifen mit einem Zwei-Gürtel-Verbundaufbau mit rechter/linker Ausrichtung oder Richtung des Gürtellagen-Verstärkungsteils für die innere Lage bzw. äußere Lage erzeugen die inneren Rippen 2, 3 und 4 eine Änderung im RAT entgegengesetzt zu den Querrippen 1 und 5. Das Rest-Rückstellmoment RAT hat einen Wert TZ, wenn alle Querrillenwinkel G1-G5 90º betragen.
Änderungen innerhalb der Querrillenwinkel des Laufflächenmuster in der Aufstandsfläche liegen innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung. Die Rillenwinkel haben jedoch einen nur begrenzten Einfluß, wenn sie verglichen werden mit der Gesamtgröße des Rest-Rückstellmoments, das in einem Reifen kompensiert werden soll. Deutlich können diese Änderungen des Laufflächenmusters zusammen mit dieser Erfindung verwendet werden, um den Einfluß des Rest-Rückstellmoments auf die Geradeaussteuerung des Fahrzeugs im wesentlichen auszuräumen. Anderungen, die in der Form der Querrillenwinkel in der Aufstandsfläche zu dem Zweck gemacht werden, das Rest-Rückstellmoment (RAT) zu vermindern, können jedoch auch Änderungen im Geräusch, der Traktion und der Abnutzung einbringen, die nicht hinnehmbar sind. Ein einzigartiges Merkmal dieser Erfindung ist es, daß sie verwendet werden kann, um das Rest-Rückstellmoment im wesentlichen aufzuheben, nachdem das Laufflächenmuster des Reifens für die Leistung hinsichtlich Geräusch, Traktion und Verschleiß optimiert wurde. Die Erfindung liegt darin, wahlweise die Rippen in der Lauffläche des Reifens so zu ändern, daß wirksam der Abrollradius der gewählten Rippen modifiziert wird. Bevor diese erfindungsgemäßen Abänderungen im einzelnen beschrieben werden, ist es hilfreich, Beobachtungen und Messungen zu beschreiben, die an einem typischen, rollenden Reifen 30 vorgenommen wurden, wie er in Fig. 7 dargestellt ist. Der Reifen 30 hat eine Vorwärtsgeschwindigkeit V, von der oberen Seite des Reifens her gesehen, und rollt unter einer Last auf einer ebenen Fläche. Wenn man Zugang zu den notwendigen Instrumenten, Maschinen und Fahrzeugen hat, ist es eine verhältnismäßig einfache Aufgabe, den "Abrollumfang" des Reifens zu definieren, was die Strecke ist, die vom Reifen 30 zurückgelegt wird, während er sich um genau eine Umdrehung dreht. Messungen können an einem frei abrollenden Reifen vorgenommen werden, um den Abrollumfang CX des gesamten Reifens zu erhalten. Dies ist durch das Diagramm der Fig. 8 dargestellt, wo der Reifen bei X = 0 beginnt und für eine Umdrehung über einen Abstand CX vorwärtsrollt.
Zusätzlich zu dieser umfassenden Messung des gesamten Reifens ist es möglich, die Abrollumfänge einer jeden Umfangsreihe von Blöcken oder Rippen 11, 12, 13, 14, 15 des Laufflächenmusters in Querrichtung quer über die krummlinige Oberfläche 32 des Reifens 30 zu definieren. Diese Analyse hat beispielsweise gezeigt, daß die individuellen Abrollumfänge CL, CC, CR der Rippen 11, 13, 15 beträchtlich von dem Abrollumfang CX des gesamten Reifens abweichen können. Dies zieht auch verschiedene Reifen-Konstruktionsfaktoren mit in Betracht, wie etwa die Last, die von jeder Rippe getragen ist, die Krümmung der Oberfläche 32 in Querrichtung, die Umfangsflexibilität der Lauffläche und die Länge eines jeden Reifens in der Aufstandsfläche.
Im allgemeinen ist der Abrollumfang CC der Mittelrippe 13, die nahe der Mitte 36 der Reifenlauffläche gelegen ist, größer als der Abrollumfang CX des gesamten Reifens. Umgekehrt sind die Abrollumfänge CL und CR der Rippen 11 und 15, die nahe den Seitenkanten 34 der Lauffläche gelegen sind, kleiner als der Abrollumfang CX des gesamten Reifens, wie in Fig. 8 gezeigt. Dies liegt teilweise an der in Querrichtung gewölbten Oberfläche der Lauffläche 32 (Fig. 7), die einen größeren Radius RC in der Mitte 36 aufweist als den Radius RL an beiden Seitenkanten 34. Die Rippen, die den größten Abrollumfang aufweisen, trachten danach, den Reifen nach vorne zu ziehen, während jene, die den kleinsten Abrollumfang aufweisen, danach trachten werden, ihn rückwärts zu ziehen. Diese Differenz führt zu Längs-Tangentialkräften FX11 und FX15 an den Querrippen 11 bis 15 und zu einer Kraft FX13 an der Mittelrippe 13. Diese Kräfte werden ständig von der Bodenoberfläche auf die Laufflächenelemente ausgeübt. Ein Antriebs- oder Bremsmoment, das auf den Reifen aufgebracht wird, wird die Ungleichmäßigkeit in den Abrollumfängen zwischen den Reihen von Blöcken oder Rippen nicht in bezeichneter Weise ändern. Das aufgebrachte Drehmoment wird lediglich danach trachten, alle Abrollumfänge zu verlängern oder zu verkürzen, ohne ihre relativen Unterschiede beträchtlich zu ändern.
Der in Querrichtung vorliegende Mittelwert der tatsächlichen Spannungsverteilung an jeder einzelnen Rippe 11, 12, 13, 14 und 15 ist wesentlich zum Verständnis der Verbesserungen, die von der Erfindung vorgenommen wurden. Typische Tangentialspannungen in Richtung der querlaufenden Y-Achse sind in Fig. 9 für einen typischen Radialluftreifen mit fünf Rippen dargestellt. In ähnlicher Weise sind die typischen Tangentialspannungen in Richtung der längsverlaufenden X-Achse in Fig. 10 dargestellt. Spannungen an den verschiedenartigen Rippen eines abrollenden und belasteten Reifens sind erörtert in der SAE-Veröffentlichung Nr. 740072. Spannungen sind diese, die auf den Reifen durch die Bodenoberfläche in der Aufstandsfläche ausgeübt werden, die sich ergeben aus der Berührung des Reifens mit der Bodenoberfläche. Die nicht-symmetrische Querspannungsverteilung in der Y-Richtung, die in Fig. 9 gezeigt ist, führt zu unausgeglichenen Kräften FY, die ein Moment oder Drehmoment TY um eine Z-Achse bilden, die senkrecht zur Aufstandsfläche steht. Die nicht-symmetrischen Längsspannungen der Fig. 10 führen ebenfalls zu unausgeglichenen Kräften FX, die ein Moment oder Drehmoment TX um die Z-Achse erzeugen. Das kombinierte Moment TY+TX bei einem Null-Schlupfwinkel ist gleich dem Rückstellmoment T0, das in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist.
Von besonderem Interesse ist die Form der Längsspannungen der Fig. 10. Eine Verteilung der Längsspannungen wird vermerkt, die typisch ist für die meisten Laufflächenmuster mit Rippen. Während der anfänglichen Berührung sind die Spannungen antreibend (+X-Richtung) und während der abschließenden Berührung sind die Spannungen bremsend (-X- Richtung). Eine Modifizierung dieser Spannungsverteilung wird detaillierter unten erörtert.
Wir haben herausgefunden, daß die Ungleichmäßigkeit im Abrollumfang zwischen den Rippen, wie in Fig. 8 dargestellt ist, verwendet werden kann, um zusätzliche Tangentialkraftdifferenzen zwischen den jeweiligen Rippen einzuführen. Diese Differenzen kännen verwendet werden, um ein Rückstellmoment T auf einen freien, abrollenden Reifen einzubringen, das im wesentlichen das eigene Rest-Rückstellmoment RAT des Reifens kompensiert. Wie in den Fig. 7 und 8 zu sehen ist, ist der Abrollumfang unmittelbar proportional zu einem Abrollradius RC oder RL der jeweiligen Rippen. Die Erfinder haben entdeckt, daß ein "effektiver Abrollradius" einer jeden Umfangsreihe von Blöcken (Rippen) durch die Neigung der seitlichen Rillen geändert werden kann, die benachbarte Blöcke in einer Rippe abtrennen, wie in Fig. 11 dargestellt. Deshalb sind bei dieser Erfindung nicht alle die Laufflächenblöcke exakt radial angeordnet, wie in Fig. 11 (A) gezeigt, sondern manche sind nach vorne oder hinten abgewinkelt, wie in Fig. 11 (B) bzw. 11 (C) gezeigt, um einen modifizierten, effektiven Abrollradius (Abrollumfang) für die ausgewählten Rippen vorzusehen.
Die Modifizierungen des Abrollumfangs einer Umfangsreihe von Laufflächenbläcken oder -rippen durch die Verwendung geneigter Querrillen und hierdurch geneigter Laufflächenblöcke zieht ihren Vorteil aus einer Neigung zum Anheben oder Absenken der Bodenberührungsfläche der einzelnen Laufflächen, wie in Fig. 12 und 13 dargestellt. Unter der Wirkung der Längs-Tangentialspannungen SX, die vom Boden beim Eintritt der Aufstandsfläche ausgeübt werden, unterscheidet sich der effektive Abrollumfang einer modifizierten Rippe 50, 60 dieser Erfindung von der einer nichtmodifizierten Rippe 40. Die Anhebung oder Absenkung ändert den Abrollradius RR auf einen effektiven Abrollradius R1, R2 für die in Umfangsrichtung benachbarten Laufflächenblöcke 52, 62.
Das Konzept der Verwendung der Tangentialspannungen SX an geneigten Spannungsblöcken zum Einbringen eines virtuellen oder effektiven Abrollradius wird bei dieser Erfindung eingebracht. Der tatsächliche Abrollradius RR ist der Abstand von der Drehachse zur Bodenfläche und der Abrollumfang des gesamten Reifens ist gleich 2πRR. Der wirksame Abrollradius der verschiedenartigen Rippen wird eingeführt, um das Verständnis der Art der Tangentialspannungen oder -kräfte an der Aufstandsfläche des Reifens von der Bodenoberfläche her, die den Reifen trägt, zu unterstützen.
Um das Potential aus den wirksamen Abrollradius-Änderungen zu erforschen, kann ein Reifen so modifiziert werden&sub1; daß alle seine Laufflächenblöcke in einer einzigen Richtung geneigt sind (z.B. 5º). Beim Abrollen dieses Reifens in einer Richtung werden die Umdrehungen pro Meile gemessen und ein erster tatsächlicher Abrollradius wird errechnet. Wenn man die Drehung des Reifens umkehrt, werden die Umdrehungen pro Meile wiederum gemessen und ein zweiter tatsächlicher Abrollradius wird errechnet. Es wird davon ausgegangen, daß der tatsächliche Abrollradius mit Reifenblöcken, die nach vorne geneigt sind, von der Oberseite des Reifens her gesehen, etwa um 3% größer ist als der tatsächliche Abrollradius mit Laufflächenblöcken, die nach hinten geneigt sind.
Die Gültigkeit dieser Entdeckung wurde auch bestätigt durch tatsächliche Messungen der Längs-Tangentialspannungen zwischen Reifen und Boden an jeder Rippe des Laufflächenmusters. Durch Wahl der geeigneten Mittellinien-Verzugswinkel für die seitlichen Rillen zwischen benachbarten Paaren von Blöcken in vorgewählten Umfangsreihen oder -rippen von Blöcken des Laufflächenmusters wurde es als möglich herausgefunden, ein kompensierendes Rückstell-Drehmoment einzuführen, das im wesentlichen das gesamte Rest-Rückstellmoment zwischen dem Reifen und der Bodenoberfläche für einen frei abrollenden Reifen aufhebt. Ein Mittellinien-Verzugswinkel wird hier als die Neigung der Querrillen-Mittellinie E gegenüber einer Ebene R definiert, die sich radial von der Drehachse A her erstreckt. Die Verzugswinkel werden in einer Ebene parallel zur Mittelumfangsebene M des Reifens gemessen.
Die Auswahl der Mittellinien-Verzugswinkel der Querrillen kann durch Verwendung einer Computersimulation oder durch die tatsächliche Messung der Änderungen in der Längs- Tangentialspannung SX vorgenommen werden, die vom Boden auf jede Umfangsrippe ausgeübt wird (Fig. 16 beispielsweise) Durch Analysieren der Ergebnisse ist es einfach, zu entscheiden, in welcher Richtung der Mittellinien-Verzugswinkel einer jeden Querrille in einer Rippe des Laufflächenmusters geneigt sein sollte, um die gewünschte Abrollradiusänderung zu erhalten.
Die Darstellungen der Fig. 11 zeigen drei mögliche Zustände, die an einer einzelnen Rippe vorliegen können. Jeder Zustand stellt eine unterschiedliche Neigung für die Querrillen-Mittellinien E, E1, E2 gegenüber der Radialebene R, R1, R2 in einer Ebene parallel zur Mittelumfangsebene M des Reifen dar. Der Zustand, der in Fig. 11 (A) dargestellt ist, zeigt eine Rippe 40 mit einem Null-Verzugswinkel der Mittellinie für die Querrille 44, und der Laufflächenblock 42 ist nicht geneigt. Dieser Zustand ist innerhalb der Herstellungstoleranzen typisch bei einem herkömmlichen T&RA- Reifen. Der Zustand, der in Fig. 11 (B) dargestellt ist, zeigt eine Rippe 50 mit einem Mittellinien-Verzugswinkel D1 für die Querrille 54, und der Laufflächenblock 52 ist bei einer Winkeidrehung W des Reifens nach vorne geneigt. Der Zustand, der in Fig. 11 (C) dargestellt ist, zeigt eine Rippe 60 mit einem Mittellinien-Verzugswinkel D2 für die Querrille 64, und der Laufflächenblock 62 ist während der Winkeldrehung W nach hinten geneigt.
Allgemein gesprochen, sind die Laufflächenblöcke 62 der Rippe 60 gegenüber der Richtung der Drehung nach hinten geneigt, um den wirksamen Abrollradius von RR auf R2 zu vermindern, wie in Fig. 13 dargestellt. Umgekehrt sind die Blöcke 52 der Rippe 50 gegenüber der Drehrichtung nach vorne geneigt, um den wirksamen Abrollradius von RR auf R1 zu erhöhen, wie in Fig. 12 gezeigt. Diese effektive Abrollradiuserhöhung an der Rippe 11 des Reifens der Fig. 7 wird beispielsweise ihren Abrollumfang gegenüber dem Wert von CL auf einen größeren Wert C1 erhöhen (Fig. 8). Diese Zunahme wird die Bremskraft Fxll an der Rippe 11 verringern. Eine wirksame Abrollradiusabnahme an der Rippe 15 der Fig. 7 wird beispielsweise den Abrollumfang von einem Wert von CR auf einen kleineren Wert C2 vermindern. Diese Abnahme wird die Bremskraft FX15 an der Rippe 15 erhöhen.
Wie schon vorher offenbart, werden nach vorne und nach hinten geneigte Laufflächenblöcke dadurch gebildet, daß man die Mittellinienachse E der Querrillen bezüglich einer Ebene R neigt, die sich radial von der Drehachse des Reifens aus erstreckt, wie in Fig. 11 gezeigt. Die nach vorne und hinten geneigten Laufflächenblöcke sind auch der Drehrichtung W des Reifens um seine Drehachse A zugeordnet. Vorwärtsgeneigte Laufflächenblöcke 52 haben einen spitzen Winkel D1 zur Mittellinienachse E1 der Querrille 54 gegenüber der radialen Ebene R des Reifens in derselben Richtung (im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn) wie die Drehung des Reifens W um seine Drehachse A. Umgekehrt haben rückwärts geneigte Laufflächenblöcke 62 einen spitzen Winkel D2 zur Mittellinienachse E2 der Querrille 64 von der Radialebene R des Reifens aus in einer entgegengesetzten Richtung zur Drehung W des Reifens um seine Drehachse A.
Die bevorzugten Werte der Mittellinien-Verzugswinkel D1 oder D2 der Querrillen 54, 64 werden durch viele Variable beeinflußt, wie etwa den Querwölbungsradius des Reifens, den Aufbau der Gürtelverbundlagen, den Modul des Laufflächengummis, das Berührungsflächenverhältnis des Laufflächenmusters und natürlich die Form, Größe und Durchlaßbildung (siping) der einzelnen Laufflächenblöcke. Ein experimentelles Verfahren, das entwickelt wurde, um die bevorzugten Mittellinien-Verzugswinkel zu bestimmen, ist später in dieser Erörterung offenbart.
Um die Wirkung der Mittellinien-Verzugswinkel zu erreichen, ist es notwendig, daß die Breite der Querrillen so groß sein soll, daß jeder einzelne Laufflächenblock 52 oder 62 die Flexibilität aufweist, um nach hinten oder vorne geschoben zu werden und somit wirksam die Höhe zu ändern, während seine Bodenberührungsfläche sensibel in der Ebene der Bodenoberfläche an der Aufstandsfläche verbleibt. Die Seitenwand- und Bodenausbildung der Querrillen ist nicht kritisch, um die Verbesserungen zu erreichen, die in dieser Erfindung offenbart sind. Die Ausbildung zweier typischer Querrillen 56 und 66 in einer Ebene parallel zur Mittelumfangsebene M ist in den Fig. 14 und 15 dargestellt. Die Seitenwände 57 oder 67 können jeweils zusammenlaufen oder parallel sein, mit entweder einer Bodenkontur 58, die einen nur einzigen Radius aufweist, oder einer Bodenkontur 68, die mehrere Radien aufweist. Eine Linie, die zwei jeweilige Seitenwände zweiteilt, ist die Mittellinie E der Querrille.
Der gesamte Mittellinien-Verzugswinkel D der Querrillen- Mittellinie E gegenüber der Radialebene R ist das bauliche Merkmal, das verändert wird, um die wirksamen Abrollradien einer Rippe zu ändern. Zusätzlich haben der Winkel zwischen Seitenwänden 57 und 67 und ihre entsprechenden Flächen 59 und 69 einen nur begrenzten Einfluß auf das Rest-Rückstellmoment und das Korrekturverfahren, die in dieser Erfindung offenbart sind.
Die Durchlaßbildung in den Laufflächenblöcken 52, 62 ist üblicherweise nicht breit genug, um wirksame Abrollradiusänderungen zu bewirken, bevor benachbarte Blöcke in Berührung gelangen. Es verbindet auch die Reibung zwischen durchlaßbegrenzten, einander berührenden Blöcken diese häufig fest miteinander, was die zu erreichende Wirkung aufhebt. Wenn geneigte Durchlässe in einem Laufflächenblock angeordnet sind, der durch Radialrillen begrenzt ist, ist die Auswirkung der geneigten Durchlässe auf den Abrollumfang der Rippe üblicherweise vernachlässigbar und nicht vorhersagbar.
Eine weitere Erklärung des Einflusses der Mitteihnien-Verzugswinkel ist in Fig. 16 dargestellt. Diese Darstellung zeigt die Längs-Tangentialspannungen SX an zwei nicht-modifizierten Querrippen 1 und 5 (ausgezogene Linie), die vorher in Fig. 10 gezeigt wurden, und die neuen Spannungen SX als Ergebnis der Mittellinien-Verzugswinkel an denselben Querrippen, nachdem sie modifiziert wurden (gestrichelte Linie). Die Querrippe 1 dieses Beispiels hat Mittellinien-Verzugswinkel, die eine wirksame Erhöhung im Abrollradius dadurch vorsehen sollen, daß man die Laufflächenblöcke nach vorne schrägstellt. Die anfängliche Längskraft FX1, die sich aus den Spannungen ergibt, die durch die ausgezogene Linie gezeigt sind, wurde durch die Spannungsänderungen zu neuen Spannungen modifiziert, die von der gestrichelten Linie gezeigt sind. Das Ergebnis ist eine Änderung FX1 in der Längskraft FX1 (Fig. 16(a)). Die andere Querrippe 5 dieses Beispiels hat Mittellinien-Verzugswinkel, um eine wirksame Abnahme im Abrollradius durch Schrägstellen der Laufflächenblöcke nach hinten vorzusehen. Die anfängliche Längskraft FX5, die sich aus den Spannungen ergibt, die durch die ausgezogene Linie gezeigt sind, wurde durch Spannungsänderung zu neuen Spannungen modifiziert, die durch die gestrichelte Linie gezeigt sind. Das Ergebnis ist eine Änderung FX5 in der Längskraft FX5 (Fig. 16(b)). Wenn Mittellinien-Verzugswinkel an den beiden Seiten eines symmetrischen Laufflächenmusters gleich ausgewählt sind, werden die Kraf tänderungen FX1 und FX5 etwa gleich und in der Richtung entgegengesetzt sein. Keine Änderungen in den Antriebs- oder Bremskräften werden erwartet, wenn man gleiche Mittellinien-Verzugswinkel benutzt, die symmetrisch angeordnet sind. Die sich ergebenden Kraftänderungen leiten ein Rückstellmoment T ein, das einen Ausgleich für das ursprüngliche RAT des nicht-modifizierten Reifens liefert.
Das Ergebnis, eine Rippe 50 auf einer Seite der Mittelumfangsebene M mit nach vorne geneigten Laufflächenblöcken (Fig. 12) und die andere Rippe 60 auf der anderen Seite der Mittelumfangsebene M mit rückwärts geneigten Laufflächenblöcken (Fig. 13) vorzusehen, wird einen wirksamen Abrollradius Rl auf der erstgenannten Seite erzeugen, der größer ist als der andere wirksame Abrollradius R2 auf der letztgenannten Seite des Reifens, wie schon vorher offenbar. Diese Ausbildung des Reifens führt wirksam einen Zustand ein, in dem der Abrollumfang C1 einer einzelnen Rippe des Reifens größer ist als der Abrollumfang C2 einer anderen Rippe des Reifens, wie in Fig. 8 gezeigt. Dies ist ähnlich der Beibringung einer wirksamen Konizität. Eine Konizitätskraft C wird jedoch stets in derselben Querrichtung für die Drehung im Uhrzeigersinn und im Gegenzeigersinn des Reifens ausgeweitet, wie in Fig. 2 (C) dargestellt. Dies ist nicht der Zustand bei dem Reifen dieser Erfindung. Beispielsweise erhöht eine modifizierte Rippe, die vorwärts geneigte Laufflächenblöcke aufweist und eine erste Rippe ist, ihren Abrollumfang, und eine andere modifizierte Rippe, die nach hinten geneigte Laufflächenblöcke aufweist und eine zweite Rippe ist, vermindert ihren Abrollumfang. Eine Änderung in der Richtung der Drehung des Reifens würde die erste Rippe veranlassen, mit ihren Laufflächenblöcken nach hinten geneigt zu sein (wodurch sie ihren Abrollumfang verringern würde), während die zweite Rippe mit ihren Laufflächenblöcken nach vorne geneigt wäre (wodurch sie ihren Abrollumf ang erhöhen würde). Diese Änderung in der Drehrichtung würde jedoch nicht die Richtung des induzierten Drehmoments T umkehren. Somit könnte dieses Drehmoment T wiederum dazu beitragen, das Rest-Rückstellmoment RAT zu kompensieren, wie schon vorher offenbart.
Die Rippen, die einen größeren Einfluß auf das Rest- Rückstellmoment als Ergebnis der Änderung ihres wirksamen Abrollradius (Rollumfangs) haben, sind die Querrippen des Laufflächenmusters. Dies liegt an den größeren axialen Abständen "d" zu den Rippen von der Mittelumfangsebene M. Beispielsweise ist die Aufstandsfläche einer Lauffläche 70 in Fig. 17 gezeigt. Die Änderung in der Längs-Tangentialkraft FX einer Querrippe 50 oder 60 mal einem Momentenarm d ergibt ein Drehmoment FX x d um die Z-Achse. Dieses induzierte Drehmoment T kann einen Ausgleich für das Rest-Rückstellmoment RAT ergeben, das im Aufbau und Laufflächenmuster des Reifens inhärent ist. Unter Verwendung beider Querrippen 50 und 60 mit Laufflächenblöcken 52 der einen Rippe 50, die nach vorne geneigt sind, und Laufflächenblöcken 62 der anderen Rippe 60, die nach hinten geneigt sind, ist das induzierte Drehmoment T um die Z-Achse sogar größer, wobei es die kombinierte Summe der einzelnen Querrippen-Kraftänderungen oder T = FX x 2d ist. Die anderen Rippen 72, 73 und 74, die in Fig. 17 gezeigt sind, haben Laufflächenblöcke 42 mit Null-Mittellinien-Verzugswinkeln in den Quernuten 44.
Es liegt innerhalb des Umfangs dieser Erfindung, die Lauffläche so zu modifizieren, daß sie Mittellinien-Verzugswinkel D in den Querrillen anderer Rippen als den beiden Querrippen aufweist. Dagegen ist die Modifizierung, Mittellinien-Verzugswinkel an den Querrippen zu haben, bevorzugt, es können aber auch andere Leistungsparameter, wie etwa die Laufflächenabnutzung, es sein, die die Modifizierungen der zwischenliegenden Rippen geeigneter machen. Beispielsweise ist die Aufstandsfläche einer Lauffläche 80 mit zwei Zwischenrippen 82, 84 mit Querrillen 54, 64, die Mittellinien-Verzugswinkel D1, D2 aufweisen, in Fig. 18 dargestellt. Die Rippe 82 weist einen Verzugswinkel D1 (Fig. 12) in den Querrillen 54 auf, um Laufflächenblöcke 52 zu ergeben, die während der Vorwärtsbewegung V des Fahrzeugs nach vorne geneigt sind. Die Rippe 84 hat einen Verzugswinkel D2 (Fig. 13) in den Querrillen 64, um Laufflächenblöcke 62 zu ergeben, die während der Vorwärtsbewegung V des Fahrzeugs nach hinten geneigt sind. Die resultierende Änderung in den Längskräf ten FX mal dem Momentenarm 2e ergibt ein induziertes Drehmoment T FX x 2e, um dazu beizutragen, das Rest- Rückstellmoment RAT des Reifens zu kompensieren. Die anderen Rippen 81, 83 und 85, die in Fig. 18 gezeigt sind, haben radiale Laufflächenblöcke 42 mit Null-Mittellinien- Verzugswinkeln in den Querrillen 44. Die Abschnitte A, B und C in den Fig. 17 und 18 betreffen Teil-Rippenabschnitte der Fig. 11(A), 11(B) bzw. 11(C). Es hat sich herausgestellt, daß das induzierte Drehmoment T bei der Benutzung der Zwischenrippen mit Mittellinien-Verzugswinkeln etwa ein Viertel mal so wirksam ist wie die Verwendung von Mittellinien-Verzugswinkeln bei den Querrippen.
Verhältnismäßig kleine Änderungen im Rest-Rückstellmoment RAT können dadurch ausgeführt werden, daß man Verzugswinkel in der Mittelrippe des Laufflächenmusters mit einer Mittelrippe aufnimmt. Der Momentenarm (d und e in den ausführenden Beispielen) ist jedoch im wesentlichen in solchen Fällen Null, und eine Änderung im Abrollumfang der Mittelrippe 3 alleine (Fig. 8) induziert kein Drehmoment T.
Eine Kombination von Modifizierungen in den Mittellinien-Verzugswinkeln der Querrillen sowohl der seitlichen als auch der zwischenliegenden Rippe liegt innerhalb des Umfangs dieser Erfindung. Wenn das Rest-Rückstellmoment RAT groß ist, kann es erwünscht sein, die Verzugswinkel in allen Querrillen zu modifizieren. Unter Verwendung dieser Erfindung kann ein Fachmann Querrippen, mittlere Rippen oder beide auswählen, um das Rest-Rückstellmoment RAT dadurch aufzuheben, daß er die Lauffläche so modifiziert, daß sie Mittellinien-Verzugslinien innerhalb der Querrillen aufweist.
Eine Zuordnung kann hergestellt und benutzt werden, um die bevorzugten Mittellinien-Verzugswinkel zu bestimmen, um das Rest-Rückstellmoment RAT im wesentlichen aufzuheben. Beispielsweise kann ein symmetrisches Laufflächenmuster mit vier oder fünf Rippen (für fünf Rippen siehe Fig. 5) eines nicht-richtungsabhängigen Reifens gekennzeichnet werden durch die folgenden Zuordnungen:
G1 = G5 (Querrillenwinkel für Rippen 1 und 5 in der Aufstandsfläche);
G2 = G4 (seitlicher Rillenwinkel für Rippen 2 und 4 in der Aufstandsfläche); und
D1 = D2 (gleiche und entgegengesetzte Mittellinien- Verzugswinkel, die symmetrisch angeordnet sind)
Wie vorher schon erwähnt, hat die Mittelrippe 3 mit ihrem Querrillenwinkel G3 (Fig. 5) nur einen geringen Einfluß auf das Rest-Rückstellmoment RAT. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung sind die Querrillen der Mittelrippe 3 nicht modifiziert.
Das modifizierte Rest-Rückstellmoment RAT am Reifen dieser Erfindung bei neutralem Schlupfwinkel AA kann formuliert werden wie folgt:
RAT = TC + K&sub1; x G1 + K&sub2; x G2 + K&sub3; x D1
worin TC das Rückstellmoment in Newtonmetern infolge des Gesamtreifenaufbaus ist, D1 der Mittellinien-Verzugswinkel in Grad, die beiden Ausdrücke K&sub1; x G1 und K&sub2; x G2 sind Rest- Rückstellmomente in Newtonmetern infolge der Laufflächenmuster-Querrillenwinkel G1 = GS und G2 = G4 und K&sub3; ist eine experimentell bestimmte Systemkonstante (Nm/Grd) für den Reifen und die Lauffläche Die ersten drei Ausdrücke auf der rechten Seite sind das nicht-modifizierte Laufflächen- Rest-Rückstellmoment RAT, wie vorher schon offenbart und in Fig. 3 dargestellt. Das heißt:
RAT TC + K&sub1; x G1 + K&sub2; x G2 = (TR+TL)/2
Deshalb wird das modifizierte Rest-Rückstellmoment RAT zu
RAT = RAT + K&sub1; x D1.
Die Systemkonstante K&sub3; wird experimentell unter Anwendung der folgenden Schritte bestimmt:
a) Ein Testreifen ist hergestellt, der ein vorbestimmtes Laufflächenmuster hat, worin alle Mittellinien-Verzugswinkel D1 = 0 aufweisen;
b) der Wert von RAT&sub1; wird experimentell bei einem neutralen Schlupfwinkel AA bestimmt, wie vorher schon definiert, siehe Fig. 3, wobei RAT&sub1; = RAT bei D1 = 0.
c) Ein anderer Testreifen wird hergestellt, der dasselbe Laufflächenmuster wie in (a) aufweist, aber einen verhältnismäßig großen Mittellinien-Verzugswinkel D1 aufweist (beispielsweise 10 Grad);
d) ein neuer Wert von RAT&sub2; bei einem neutralen Schlupfwinkel AA wird experimentell bestimmt, wie in (b) oben; und
e) die Systemkonstante K&sub3; wird aus der folgenden Zuordnung berechnet:
K&sub3; = RAT&sub2; - RAT&sub1; / D1 (Nm/Grd)
Wir wissen, daß der angestrebte Wert für das modifizierte Rest-Rückstellmoment RAT Null ist. Das heißt
RAT = 0 = RAT + K&sub2; x D1.
Diese Gleichung kann für den endgültigen Mittellinien- Verzugswinkel D1 aufgelöst werden (wobei D1 gleich und entgegengesetzt zu D2 ist). Der Verzugswinkel D1 ist der Verzugswinkel, der das Rest-Rückstellmoment bei einem neutralen Schlupfwinkel AA im wesentlichen aufhebt.
Der gewünschte Verzugswinkel wird dann errechnet aus
D1 = - RAT/K&sub3;
Reifen werden dann mit diesen Verzugswinkeln hergestellt und ausgewertet, um die Gültigkeit der Modifizierungen zu beweisen.
Die oben umrissenen Schritte sind in Fig. 19 dargestellt. Bei Mittellinien-Verzugswinkeln gleich Null ist das Rest-Rückstellmoment RAT gleich dem Wert RAT&sub1;. Bei einem zweiten Wert des Mittellinien-Verzugswinkels D1, D2 hat das Rest-Rückstellmoment einen Wert RAT&sub2;. Diese beiden Werte werden benutzt, um die Neigung des Rest-Rückstellmoment RAT gegenüber der Kurve des Verzugswinkels D1, D2 zu berechnen. Die konstante Neigung wird als die Systemkonstante K&sub1; bezeichnet. Zahlreiche experimentelle Versuche wurden durchgeführt, die die lineare Zuordnung zwischen dem modifizierten Rest-Rückstellmoment und dem Mittellinien-Verzugswinkein bestätigen. Diese Tatsache ermöglicht es, daß der einzige lineare Ausdruck K&sub3; x D1 in der obigen Formulierung für die symmetrische Lauffläche mit zwei modifizierten Rippen verwendet wird.
Diese analytische/experimentelle Methode kann ausgeweitet werden, um beispielsweise Modifizierungen für zwei symmetrische Paare von zwei Rippen zu bestimmen, die jeweils Querrillen mit Mittellinien-Verzugswinkeln aufweisen. In diesem Beispiel sind die Rippen bevorzugt hinsichtlich der Mittelumfangsebene des Reifens symmetrisch. Dies ist dadurch dargestellt, daß man die Merkmale des einen Mittellinien-Verzugswinkels für die Querrillen zweier symmetrisch angeordneter zweiter Querrippen 50, 60 (Fig. 17) und einen anderen Mittellinien-Verzugswinkel für die Querrillen zweier symmetrisch angeordneter Zwischenrippen 82, 84 (Fig. 18) kombiniert. Um dies in die Gleichung des modifizierten Rest-Rückstellmoments RAT einzuführen, wird der Ausdruck +K&sub4; x D3 zur rechten Seite der anfänglichen Gleichung dazuaddiert. Beispielsweise ist in Fig. 17 der Mittellinien- Verzugswinkel D3 der Verzugswinkel für die Querrillen der Rippe 72, der gleich und entgegengesetzt ist zum Mittellinien-Verzugswinkel D4 für die Querrillen der Rippe 74. Der Mittellinien-Verzugswinkel D3 hat dieselbe Ausrichtung gegenüber der radialen Ebene R wie der Mittellinien-Verzugswinkel D1 und der Mittellinien-Verzugswinkel D4 hat eine entgegengesetzte Ausrichtung zur radialen Ebene R. Die Systemkonstante K&sub4; (Nm/Grd) wird ebenfalls experimentell bestimmt.
Um die Systemkonstante K&sub4; zu bestimmen, sind zusätzliche Schritte bei dem oben umrissenen Verfahren erforderlich. Als erstes wird ein zweiter, kleinerer Mittellinien- Verzugswinkel (beispielsweise D1 = D3 = 5 Grad) in einen modifizierten, aber identisch aufgebauten Reifen mit demselben Reifenmuster eingebracht. Dann sollte der obige Schritt (c) durchgeführt werden, wobei D1 und D3 beide einen ersten, verhältnismäßig großen Mittellinien-Verzugswinkel aufweisen (beispielsweise 10 Grad), bevor RAT&sub2; bestimmt wird. Als nächstes wird ein dritter Wert des modifizierten Rest-Rückstellmoments RAT&sub3; experimentell mit diesem zweiten Mittellinien-Verzugswinkel bestimmt. Schließlich werden die Systemkonstanten K&sub3; und K&sub4; dadurch bestimmt, daß man die folgenden Gleichungen löst:
RAT&sub1; = RAT, D1 = D2 = D3 = D4 = 0
RAT&sub2; = RAT + K&sub3; x D1 + K&sub4; x D3
RAT&sub3; = RAT + K&sub3; x D1 + K&sub4; x D3
Die Systemkonstanten K&sub3;, K&sub4; werden in der ursprünglichen Gleichung verwendet, worin das modifizierte Rest-Rückstellmoment im wesentlichen auf Null gebracht ist. Das heißt
RAT = 0 = RAT + K&sub3; x D1 + K&sub4; x D3.
In diesem Fall kann ein jeder der Werte D1 oder D3 gewählt werden und der verbleibende Wert bestimmt werden, um das gewünschte RAT = 0 vorzusehen. Die Auswahl des einen oder anderen Mittellinien-Verzugswinkels, D1 oder D3, kann auf den Leistungserfordernissen der Lauffläche beruhen, wie etwa der gleichförmigen Abnutzung oder dem Erfordernis, die Wasserverdrängung durch die Querrillen aufrechtzuerhalten.
Dieser selbe analytische und experimentelle Lösungsvorgang kann für einen richtungsbedingten Reifen mit einem asymmetrischen Laufflächenmuster benutzt werden. Das Rest- Rückstellmoment und die zugeordneten Fahrzeug-Driftprobleme mit richtungsbedingten Reifen, die asymmetrische Laufflächenmuster haben, werden jedoch im allgemeinen nicht so weit ausgearbeitet wie bei symmetrischen Laufflächenmustern. Ferner können asymmetrische Laufflächenmuster so gewählt werden, daß sie wirksamer das RAT verringern. Dies liegt an der Art der asymmetrischen Laufflächenmuster, die benutzt sind, und an den Montageeinschränkungen, die bei Reifen mit richtungsbedingten Erfordernissen vorliegen. Das Verfahren dieser Erfindung würde mehr experimentelle Tests und Auswertungen für manche asymmetrischen Laufflächenmuster erfordern. Zusätzlich kann es schwieriger sein, zwei symmetrisch angeordnete Rippen von einer Mittelumfangsebene aus zu definieren, die Verzugswinkel D1 bzw. D2 aufweisen können. Es liegt jedoch innerhalb des Umfangs dieser Erfindung, die hier ausgeführten Lehren auch auf asymmetrische Laufflächenmuster und richtungsbedingte Reifen anzuwenden.
Mittellinien-Verzugswinkel wurden für eine Vielzahl von Reifengrößen und Reifenauslegungen unter Benutzung des Verfahrens dieser Erfindung bestimmt. Beispielsweise wurden Mittellinien-Verzugswinkel an den beiden Querrippen eines 195/60 R15 Michelin MX4-Reifens benutzt. Die Laufflächenmuster und der Aufbau hatten ein anfängliches Rest-Rückstellmoment RAT von 1,4 Newtonmetern bei einem neutralen Schlupfwinkel AA von 0,26 Grad (siehe Fig. 3). Ein Mittellinien-Verzugswinkel für jede Querrille an einer seitlichen Rippe wurde so bestimmt, daß sich nach vorne geneigte Laufflächenblöcke 52 ergaben (Fig. 11 (B)). Ein Mittellinien- Verzugswinkel für die Querrillen an einer anderen Querrippe wurde so bestimmt, daß sich rückwärts geneigte Laufflächenblöcke 62 ergaben (Fig. 11 (C)) . Es hat sich herausgestellt, daß Mittellinien-Verzugswinkel von 4 Grad im wesentlichen das Rest-Rückstellmoment RAT des unmodifizierten Reifens bis zu dem Ausmaß kompensierten, daß das modifizierte Rest-Rückstellmoment RAT nur noch 0,1 Newtonmetern gleichkam.
In Betracht fallende, experimentelle Beweise wurden gesammelt, um die Nutzbarkeit dieser Erfindung zu bestätigen. Reifen verschiedenartiger Größe und Form wurden mit Nicht-Null-Mittellinien-Verzugswinkeln in Querrillen verschiedenartiger Umfangsrippen als Modell erstellt und getestet. Die Rest-Rückstellmomente dieser Reifen wurden durch das induzierte Drehmoment T unter Nutzung dieser Erfindung kompensiert. Mittellinien-Verzugswinkel im Bereich von etwa 3 bis 15 Grad haben einen Ausgleich für das RAT gebracht, wenn alleine nur zwei symmetrisch angeordnete Querrippen benutzt wurden. Wenn vier oder mehr symmetrische Rippen in ihren Querrillen Nicht-Null-Mittellinien-Verzugswinkel aufwiesen, reichte der Bereich der Mittellinien-Verzugswinkel von etwa 2 bis 12 Grad, um das RAT auszugleichen. Ohne Symmetrie der beiden modifizierten Rippen gegenüber der Mittelumfangsebene M können Mittellinien-Verzugswinkel von etwa 2 bis 20 Grad wirksam benutzt werden.
Die Größe der Mittellinien-Verzugswinkel D, die erforderlich sind, um ein induziertes Drehmoment T zu erzeugen, um das Rest-Rückstellmoment RAT zu kompensieren, hängen in gewissem Maße von der Wirksamkeit des Laufflächenmusters beim Verringern des RAT ab, ohne daß man die Lauffläche modifiziert, so daß sie Nicht-Null-Verzugswinkel aufweist. Beispielsweise hatten die Querrillen G1 bis GS des Laufflächenmusters, das in Fig. 5 dargestellt ist, einen unabhängigen Einfluß. Dies war in die obige Analyse als K&sub1; x G1 + K&sub2; x G2 mit eingebracht. Studien haben gezeigt, daß die Mittellinien-Verzugswinkel ausgedrückt werden können als ein Prozentsatz des Winkels zwischen der axialen Querrillenmittellinie an der Laufflächenoberfläche, die benachbarte Laufflächenblöcke in einer Rippe abtrennen, und der Mittelumfangsebene (Querrillenwinkel). Die praktische Grenze bei diesem Winkel für die meisten Reifen liegt bei 60 bis 150 Grad, wie beispielsweise in Fig. 5 dargestellt. Mittellinien-Verzugswinkel im Bereich von etwa 2 bis 30% des Querrillenwinkels wurden durch Analyse bestätigt.
Aus der obigen Beschreibung der Erfindung wird der Fachmann Verbesserungen, Änderungen und Abwandlungen konzipieren. Solche Verbesserungen, Änderungen und Abwandlungen, die innerhalb des Bereichs des Fachmanns liegen, sollen von den beigefügten Ansprüchen mit abgedeckt sein.

Claims

1. Lauffläche für einen Reifen, der um eine Drehachse drehbar ist, wobei die genannte Lauffläche eine Vielzahl von Rippen aufweist, mit:

einer modifizierten ersten Rippe (50), die eine Vielzahl von Querrillen (54) aufweist, wobei jede der Querrillen der genannten ersten Rippe ein Paar in Umfangsrichtung benachbarter erster Laufflächenblöcke (52) trennt und definiert ist von einem ersten Mittellinien-Verzugswinkel D1, und wobei der genannte erste Verzugswinkel sich unter einem spitzen Winkel relativ zu einer Ebene erstreckt, die sich radial von der Drehachse aus erstreckt; und

einer modifizierten zweiten Rippe (60), die einen Axialabstand zur genannten ersten Rippe (50) zur entgegengesetzten axialen Seite der Mittelumfangsebene aufweist und eine Vielzahl zweiter Querrillen (64) umfaßt, wobei jede der Querrillen der genannten zweiten Rippe ein Paar in Umfangsrichtung benachbarter zweiter Laufflächenblöcke (62) trennt und definiert ist durch einen zweiten Mittellinien- Verzugswinkel D2, und wobei der genannte zweite Verzugswinkel sich unter einem spitzen Winkel relativ zu einer Ebene erstreckt, die sich radial von der Drehachse aus erstreckt, und in einer Richtung relativ zu einer Radialebene entgegengesetzt zur Richtung, in der sich der genannte erste Verzugswinkel D1 relativ zu einer anderen Radialebene erstreckt, worin während einer ersten Drehung des genannten Reifens um die Drehachse und in Berührung mit einer Bodenfläche die genannte modifizierte erste Rippe (50) einen wirksamen Abrollradius aufweist, der größer ist als ein entsprechender Abrollradius einer nicht-modifizierten ersten Rippe, und die genannte modifizierte zweite Rippe (60) einen effektiven Abrollradius aufweist, der kleiner ist als ein entsprechender Abrollradius einer nicht-modifizierten zweiten Rippe; und worin während einer zweiten Drehung des genannten Reifens entgegengesetzt zur genannten ersten Drehung um die Drehachse und in gleichartiger Berührung mit der Bodenfläche die genannte modifizierte zweite Rippe (60) einen wirksamen Abrollradius aufweist, der größer ist als der entsprechende Abrollradius der nicht-modifizierten zweiten Rippe, und die genannte modifizierte erste Rippe (50) einen effektiven Abrollradius aufweist, der kleiner ist als der entsprechende Abrollradius der nichtmodifizierten ersten Rippe, während das Rest-Rückstellmoment RAT des genannten Reifens gegenüber der Bodenfläche im wesentlichen während sowohl der ersten als auch zweiten Drehung des Reifens bei einem neutralen Schlupfwinkel aufgehoben ist.

2. Lauffläche, wie ausgeführt in Anspruch 1, worin die erste (50) und die zweite (60) Rippe an der jeweiligen axial äußersten Lage der genannten Lauffläche angeordnet ist.

3. Lauffläche, wie ausgeführt in Anspruch 1, worin die genannte modifizierte erste (50) und zweite (60) Rippe gegenüber der Mittelumfangsebene des Reifens symmetrisch angeordnet sind, und der erste Verzugswinkel D1 gleich ist dem zweiten Verzugswinkel D2.

4. Lauffläche, wie ausgeführt in Anspruch 1, worin der genannte erste D1 und zweite D2 Verzugswinkel im Bereich von etwa 2 Grad bis etwa 20 Grad liegen.

5. Lauffläche, wie ausgeführt in Anspruch 1, worin die genannte Lauffläche eine nicht-richtungsabhängige Lauffläche ist.

6. Lauffläche, wie ausgeführt in Anspruch 3, worin der erste D1 und zweite D2 Verzugswinkel in einem Bereich von etwa 3 bis 15 Grad liegen.

7. Lauffläche, wie ausgeführt in Anspruch 3, worin der erste D1 und zweite D2 Verzugswinkel jeweils als Prozentsatz eines Querrillenwinkels in der Aufstandsfläche zwischen einer jeweiligen Querrillen-Quermittellinie an einer Oberfläche der Lauffläche und der Mittelumfangsebene bestimmt wird, wobei der genannte Prozentsatz in einem Bereich von 2 bis 30% liegt.

8. Lauffläche, wie ausgeführt in Anspruch 1, worin die genannte modifizierte erste Rippe (50) auf der einen axialen Seite einer Mittelumfangsebene des genannten Reifens angeordnet ist, und die genannte modifizierte zweite Rippe (60) asymmetrisch auf einer anderen, axialen Seite der Mittelumfangsebene angeordnet ist, wobei der genannte erste Verzugswinkel D1 eine andere Größe aufweist als der genannte zweite Verzugswinkel D2.

9. Lauffläche, wie ausgeführt in Anspruch 1, worin die genannte Lauffläche noch ferner aufweist: mindestens eine modifizierte dritte Rippe (82), die eine Vielzahl von Querrillen (64) umfaßt, wobei jede der Querrillen der genannten dritten Rippe ein Paar in Umfangsrichtung benachbarter, dritter Laufflächenblöcke (52) trennt und von einem dritten Mittellinien-Verzugswinkel D3 definiert ist, jede der genannten dritten Rippen (82) auf derselben axialen Seite der Mittelumfangsebene des genannten Reifens angeordnet ist wie die Lage der genannten ersten Rippe (50), und der Querrillen-Verzugswinkel D3 der genannten dritten Rippe sich in derselben Richtung relativ zu einer entsprechenden Radialebene erstreckt, wie sich der Querrillen-Verzugswinkel D1 der ersten Rippe erstreckt; und

mindestens eine modifizierte vierte Rippe (84), die eine Vielzahl von Querrillen (64) umfaßt, wobei jede der Querrillen der genannten vierten Rippe ein Paar in Umfangsrichtung benachbarter vierter Laufflächenblöcke (62) trennt und von einem vierten Mittellinien-Verzugswinkel D4 definiert ist, jede der genannten vierten Rippen (84) auf derselben axialen Seite der Mittelumfangsebene des genannten Reifens angeordnet ist, wie die Lage der genannten zweiten Rippe (60), und der Querrillen-Verzugswinkel D4 der genannten vierten Rippe sich in derselben Richtung relativ zu einer entsprechenden Radialebene erstreckt, wie sich der Querrillen-Verzugswinkel D2 der zweiten Rippe erstreckt.

10. Lauffläche, wie ausgeführt in Anspruch 9, worin der erste, zweite, dritte und vierte Verzugswinkel D1-D4 im Bereich von etwa 2 bis 12 Grad liegen.

11. Lauffläche, wie ausgeführt in Anspruch 1, worin jedes Paar in Umfangsrichtung benachbarter Laufflächenblöcke um einen ausreichenden, vorbestimmten Abstand so getrennt beabstandet sind, daß das genannte Paar von Laufflächenblöcken einander während des Betriebs des genannten Reifens nicht berühren, von welchem die genannte Lauffläche ein integrierter Teil ist.

12. Lauffläche, wie ausgeführt in Anspruch 9, worin jedes Paar in Umfangsrichtung benachbarter Laufflächenblöcke um einen ausreichenden, vorbestimmten Abstand derart getrennt beabstandet ist, daß das genannte Paar von Laufflächenblöcken einander während des Betriebs des genannten Reifens nicht berührten, von dem die genannte Lauffläche ein integrierter Teil ist.

13. Lauffläche, wie ausgeführt in Anspruch 1, worin die genannte Lauffläche ferner eine Vielzahl von Rippen aufweist, die die genannte modifizierte erste (50) und zweite (60) Rippe umfassen, die jeweils durch Umfangsrillen getrennt sind, die im wesentlichen parallel zu einer Mittelumfangsebene verlaufen und eine geradlinige, krummlinige oder zickzackförmige Ausbildung der Mittellinie aufweisen, wobei die genannten Rippen um einen vorbestimmten, ausreichenden Abstand derart getrennt beabstandet sind, daß sich die genannten Rippen nicht während des Betriebs des genannten Reifens einander berühren, von welchem die genannte Lauffläche ein integrierter Teil ist.

14. Verfahren zum Modifizieren der Lauffläche von Reifen, um ein Rest-Rückstellmoment RAT für Reifen im wesentlichen aufzuheben, mit den folgenden Schritten:

1) Herstellen eines unmodifizierten Testreifens mit einem vorbestimmten Laufflächenmuster, das der Art nach Rippen aufweist, mit Null-Mittellinien- Verzugswinkeln D1-D4 für alle Querrillen, die in Umfangsrichtung benachbarte Laufflächenblöcke trennen;

2) Testen des unmodifizierten Testreifens, um das Rest-Rückstellmoment RAT des genannten unmodifizierten Testreifens zu bestimmen;

3) Herstellen eines modifizierten Testreifens mit demselben Laufflächenmuster, das der Art nach Rippen aufweist, wie in (1), aber mit einem Mittellinien-Verzugswinkel für jede der seitlichen Rillen sowohl einer modifizierten ersten Rippe (50) als auch einer modifizierten zweiten Rippe (60), wobei die genannte modifizierte zweite Rippe um einen Axialabstand getrennt zur genannten modifizierten ersten Rippe auf der axial entgegengesetzten Seite der genannten Mittelumfangsebene beabstandet ist und der genannte Verzugswinkel D1 der modifizierten ersten Rippe eine Ausrichtung bezüglich einer Radialebene aufweist, die sich radial von der Drehachse erstreckt, die entgegengesetzt ist zu der Erstreckung, um die sich der genannte zweite Verzugswinkel D2 der modifizierten zweiten Rippe zu einer entsprechenden Radial ebene erstreckt;

4) Testen des modifizierten Testreifens, um ein modifiziertes Rest-Rückstellmoment RAT des genannten modifizierten Testreifens zu bestimmen;

5) Berechnen einer Systemkonstante als modifiziertes Rest-Rückstellmoment minus das Rest-Rückstellmoment, insgesamt geteilt durch den Mittellinien- Verzugswinkel;

6) Definieren eines endgültigen Mittellinien-Verzugswinkels für einen modifizierten Reifen als Rest-Rückstellmoment, das bestimmt ist, wie in (2) oben, geteilt durch die Systemkonstante; und

7) Herstellen einer Vielzahl der genannten modifizierten Reifen mit dem Laufflächenmuster, das der Art nach Rippen aufweist, und mit dem endgültigen Verzugswinkel in jeder der genannten Querrillen sowohl der modifizierten ersten (50) als auch zweiten (60) Rippen, wogegen das Rest-Rückstellmoment RAT der genannten Reifen bei einem neutralen Schlupfwinkel im wesentlichen Null ist.