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Die Erfindung betrifft aus Blech hergestellte Räder für
Nutzfahrzeuge, die mit Ventilen zum Aufpumpen der Luftreifen
ausgerüstet sind, und insbesondere Räder, die mit Felgen mit
einem in Umfangsrichtung verlaufenden Tiefbett versehen sind,
deren Ventilloch sich im Boden oder in der Seitenwand des
Tiefbetts befindet.
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Räder dieses Typs, von dem ein Beispiel in Fig. 1 dargestellt
ist, werden allgemein durch Verschweißen einer Radschüssel
mit einer Felge hergestellt, wobei die Verbindungszone
bevorzugt zwischen einem der Wulstsitze und der entsprechenden
Seitenwand des Tiefbetts vorgesehen ist. Derartige Räder sind
mit einem Ventil ausgerüstet, dessen Schaft sich im
wesentlichen längs der radial inneren Wand der Felge (die dem
Reifenhohlraum gegenüberliegt) erstreckt und fahrzeugaußenseitig
mündet, wobei der Ventilschaft über eine Ausnehmung durch die
Radschüssel hindurchgeht, so daß der mit Gewinde versehene
Ansatz und seine Ventilkappe zugänglich sind. Aufgrund dieser
Gegebenheit stellt der Ventilschaft ein Teil dar, das in den
Raum zwischen Felge und Radachse hineinragt, in dem die Nabe
und die Bremsorgane angeordnet sind.
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Zuweilen wird durch Bruch des Ventils bedingter ungewollter
Luftverlust bei den Luftreifen festgestellt. Lauftests, die
mit Rädern durchgeführt wurden, die mit schlauchlosen Reifen
ausgerüstet und an Fahrzeugen montiert waren, die auf
steinigen Pisten fuhren, zeigen, daß Fremdkörper, wie Steine, in
die Hohlräume zwischen Felge, Nabe und Bremsorganen
eindringen können. Bei mit Scheibenbremsen ausgerüsteten Achsen wird
festgestellt, daß die Möglichkeit des Durchtritts von
Fremdkörpern zwischen dem Felgenboden und der Bremsscheibe
besteht, die durch die Raddrehung in diese Hohlräume hinein
mitgenommen werden und sich zwischen darin vorspringenden
Teilen verklemmen können, insbesondere zwischen dem
Ventil
schaft, der sich mit dem Rad mitdreht, und dem Bremssattel,
der fest ist, oder zwischen dem Bremssattel und der Felge,
aufgrund der unregelmäßigen Formen mitgenommener Gegenstände,
die sich um sich selbst drehen. Das Eindringen von
Fremdkörpern in diese Hohlräume wird durch den freien Raum zwischen
der Felge und der Bremsscheibe erleichtert. In diesen Fällen
werden mechanische Stöße festgestellt, die durch diese
Fremdkörper hervorgerufen werden, die zwischen beweglichen und
festen Teilen eingeklemmt werden. Diese Stöße können so stark
sein, daß Metallteile, wie Ventilschäfte, gebrochen werden
oder die Felge oder die Teile, aus denen der Bremssattel
besteht, und das Bremssystem allgemein beschädigt werden
können. Dies führt, zusätzlich zu Wartungsproblemen, zu
kritischen Situationen, z. B. durch Bremsenausfall oder abruptes
Plattwerden des Reifens.
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Eine erste Lösung dieses Problems ist in der Patentanmeldung
FR 9412263 angegeben, in der eine Ventilschutzvorrichtung
offenbart ist, welche die sich durch die Drehung des Ventils um
die Radachse ergebende Rotationsfläche zumindest teilweise
radial abdeckt.
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Diese wirksame Vorrichtung macht es aber erforderlich, den
Einheiten aus Rad, Ventil und Reifen ein Bauteil
hinzuzufügen, wodurch die Kosten für die Ausrüstung und die Wartung
der Fahrzeuge erhöht werden.
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Eine andere Lösung besteht darin, das Ventilloch so
anzuordnen, daß der Ventilschaft außerhalb des durch die Felge, die
Radscheibe und die Bremsorgane definierten Hohlraums liegt.
Dies bedeutet, daß das Ventilloch axial außerhalb der
Radschüssel mündet. Derartige Anordnungen für das Ventilloch
sind bei Pkw-Rädern oder bestimmten aus einer Legierung
gegossenen Rädern für Nutzfahrzeuge üblich. Die Patentanmeldung
EP-A-0 701 911, die als Stand der Technik im Sinne von
Art. 54(3) EPÜ zu berücksichtigen ist, beschreibt ein solches
aus Blech hergestelltes Rad für Nutzfahrzeuge.
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Die Anmelderin hat allerdings festgestellt, daß die Anpassung
der oben angegebenen Lösung an aus Blech hergestellte Räder
für Nutzfahrzeuge zu einer beträchtlichen Verschlechterung
der Ermüdungsfestigkeit der erhaltenen Räder führen kann.
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Unter Rädern für Nutzfahrzeuge werden Räder mit einem
Durchmesser von mindestens 17,5 Zoll (444,5 mm) verstanden. Die
beim Einsatz dieser Räder auftretenden Beanspruchungen führen
nämlich dazu, daß die herkömmlichen Profile von Pkw-Rädern
nicht verwendet werden könnnen.
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Die Erfindung betrifft ein Rad mit zufriedenstellender
Ermüdungsfestigkeit.
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Ein derartiges Rad für Nutzfahrzeuge, das aus Blech
hergestellt und einstückig ist und eine Radschüssel, eine Felge
mit einem in Umfangsrichtung verlaufenden Tiefbett zwischen
zwei Wulstsitzen und zwei Felgenhörnern, wobei die Verbindung
zwischen der Radschüssel und der Felge in einer
Verbindungszone vorgesehen ist, die zwischen der Seitenwand des
Tiefbetts und dem Ende des Wulstsitzes, die in Axialrichtung zur
Radschüssel hin liegen, angeordnet ist, sowie ein Ventil
aufweist, das durch ein Ventilloch durch die Felge hindurchgeht,
wobei sich das Ventilloch in Axialrichtung zwischen der
Verbindungszone und dem zur Radschüssel hin liegenden Ende des
Wulstsitzes befindet, ist dadurch gekennzeichnet, daß, wenn φg
den Durchmesser der radial innenliegenden Oberfläche des
Tiefbetts, φc den Durchmesser der radial innenliegenden
Oberfläche der Verbindungszone der Verbindung zwischen Radscheibe
und Felge, der in Axialrichtung am Ende der Radschüssel des
Rades gemessen ist, und φs den Durchmesser der radial
innenliegenden Oberfläche der Wulstsitze, der in Axialrichtung in
einem Abstand Pmin von den Referenzebenen P der Breite der
Felge gemessen ist, bedeuten, wobei die Referenzebenen P zwei
Ebenen sind, die senkrecht zur Radachse liegen und jeweils
auf der radial außenliegenden Seite der Felge durch den
Schnittpunkt zwischen der Verlängerung des Wulstsitzes und
dem benachbarten Felgenhorn hindurchgehen, wobei der axiale
Abstand zwischen den Referenzebenen P der Breite der Felge
entspricht und der Abstand Pmin die axiale Breite der
Wulstsitze der Felge darstellt,
das Verhältnis
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mindestens gleich 0,65 ist.
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Das Verhältnis R kann vorteilhaft mindestens 0,75 betragen.
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Der Befestigungsbereich kann bevorzugt zylindrisch sein,
wodurch die praktische Herstellung dieser Verbindung
erleichtert wird.
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Im folgenden werden mehrere Ausführungsarten der Erfindung
anhand der folgenden beigefügten Zeichnungen beispielhaft
beschrieben; es zeigen:
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Fig. 1: einen Axialschnitt durch ein herkömmliches Rad, der
durch das Ventilloch hindurchgeht;
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Fig. 2: einen ähnlichen Schnitt durch eine Ausführungsform
eines Rades mit außerhalb der Radschüssel liegendem
Ventil, die nicht zufriedenstellend ist;
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Fig. 3: einen ähnlichen Schnitt durch eine erste
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rades;
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Fig. 4: einen ähnlichen Schnitt durch eine zweite
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rades;
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Fig. 5: einen ähnlichen Schnitt durch eine dritte
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rades;
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Fig. 6: eine graphische Darstellung erhaltener
Ermüdungsergebnisse.
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In Fig. 1 ist ein Schnitt durch ein herkömmliches, aus Blech
hergestelltes Rad 1 dargestellt, das den ETRTO-Empfehlungen
entspricht.
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Dieses Rad 1 für Nutzfahrzeuge ist aus Stahlblech hergestellt
und einstückig und besteht aus einer Radscheibe 2, einer
Felge 3 und einem Ventil 5. Die Felge weist ein zentrales
Tiefbett 31, zwei Wulstsitze, einen radschüsselseitigen Wulstsitz
32 und einen ihm gegenüberliegenden Wulstsitz 33, sowie zwei
Felgenhörner 34 auf. Das Tiefbett 31 ist auf der der
Radschüssel 2 gegenüberliegenden Seite über eine Seitenwand 37
mit dem Wulstsitz 33 und auf der Seite der Radschüssel 2 über
eine Seitenwand 36 und eine sich daran anschließende
Verbindungszone 39 zwischen Felge 3 und Radschüssel 2 mit dem
Wulstsitz verbunden. Diese Verbindung wird durch Verschweißen
des Endes der Radschüssel 2 mit der radial innenliegenden
Wand des Verbindungsbereichs erzielt. Das Ventilloch 38
befindet sich in der Seitenwand 36 des Tiefbetts auf der zur
Radschüssel 2 hin liegenden Seite. Demzufolge liegt der
Ventilschaft 53 im Inneren der Radschüssel 2 des Rades und
durchquert die Radschüssel 2 durch die Ausnehmung 22.
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Die Figur zeigt ferner die Außenkontur der Bremsorgane 6 des
Fahrzeugs. Es ist festzustellen, daß der Hohlraum 7 zwischen
der Felge 3, der Radschüssel 2 und den Bremsorganen 6 relativ
eingeschränkt ist, was die Verletzlichkeit des Ventils 5
zeigt, wenn Gegenstände, wie Steine, in den Innenraum
eindringen.
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Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch ein Rad mit einem Ventilloch
38, das sich zwischen dem zur Radschüssel hin liegenden
Wulstsitz 32 und der Verbindungszone 39 der Verbindung
zwischen Radschüssel und Felge befindet. Das Ventil dieses Rades
kann nicht mehr durch Gegenstände beschädigt werden, die in
den Hohlraum 7 eindringen. Die Ermüdungsfestigkeit dieses
Rades ist dafür allerdings bekanntermaßen ungenügend.
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Die Fig. 3, 4 und 5 zeigen Schnitte durch Räder, die dem
obigen Rad ähnlich sind, jedoch der Erfindung entsprechen.
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Es bedeuten:
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- φg den Durchmesser der radial innenliegenden Oberfläche des
Tiefbetts 31,
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- φc den Durchmesser der radial innenliegenden Oberfläche der
Verbindungszone 39 zwischen Radschüssel und Felge, der
in Axialrichtung am Ende der Radschüssel 2 gemessen ist,
und
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- φs den Durchmesser der radial innenliegenden Oberfläche des
auf der Seite der Radschüssel liegenden Wulstsitzes 32,
der in Axialrichtung in einem Abstand Pmin von der
Referenzebene P auf dieser Seite des Rades 1 gemessen ist.
Die Referenzebene P ist für jede Seite der Felge 3 durch
die ETRTO-Empfehlungen definiert; der Abstand zwischen
diesen beiden Ebenen auf beiden Seiten des Tiefbetts
entspricht der Breite A des Rades 1, im vorliegenden
Beispiel: 9.00 Zoll (228,6 mm) (vgl. Fig. 2). Auch der
Abstand Pmin ist durch diese Empfehlungen gegeben. Dieser
Abstand entspricht der axialen Breite der für die Wülste
der Luftreifen vorgesehenen Wulstsitze. Diese Breite
hängt vom Typ der betreffenden Felge sowie von ihrer
Breite und ihrem Durchmesser ab.
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Die Anmelderin hat in völlig überraschender Weise
festgestellt, daß der Wert des Verhältnisses
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für die Ermüdungsfestigkeit von Rädern mit in Bezug auf die
Radschüssel 2 versetztem Ventil, wie in den Fig. 2 bis 5
dargestellt, kritisch ist.
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Die nachstehende Tabelle zeigt Werte für die Parameter φg, φs,
φc und R für eine Gruppe getesteter Räder sowie ihre
Lebensdauer in einem Ermüdungstest.
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Der Ermüdungstest besteht darin, eine Einheit aus Rad und
Luftreifen im Geradeauslauf auf einem Rollenprüfstand bei
geringer Geschwindigkeit (von größenordnungsmäßig 40 km/h),
jedoch unter starker Überlast, laufen zu lassen und für jeden
Wert der angewandten Belastung die Lebensdauer des Rades (als
Anzahl der Zyklen) zu registrieren.
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Die Ergebnisse werden in einem Diagramm dargestellt, in dem
an der Abszisse log&sub1;&sub0;N, wobei N die Anzahl der Zyklen
bedeutet, und an der Ordinate die angewandte Last Q angetragen
sind. Eine Referenzgerade Δ unterteilt das Diagramm in zwei
Bereiche I und II. Wenn sich die Werte der Lebensdauer rechts
von dieser Geraden befinden, d. h., in der Zone I, wird die
Ermüdungsfestigkeit des Rades 1 als akzeptabel betrachtet.
Bei einer gegebenen Belastung ist die Grenze der
Akzeptierbarkeit durch einen entsprechenden Wert der Anzahl der Zyklen
gegeben.
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Die fünf getesteten Räder besitzen die Abmessungen
17,5 · 6,00 Zoll (Räder A und D) bzw. 22,5 · 9,00 Zoll (Räder
B, C und E). Die Räder A und B entsprechen dem Profil von
Fig. 2, während Rad 3 dem Profil von Fig. 3, Rad D dem Profil
von Fig. 4 und Rad E dem Profil von Fig. 5 entsprechen. Die
Verhältnisse R liegen im Bereich von 0,21 bis 1,00, und Fig.
6 zeigt, daß die mit diesen Rädern erhaltene mittlere
Lebensdauer in sehr ausgeprägter Weise von diesem Verhältnis R
abhängt.
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Die Ermittlung der normierten Lebensdauer besteht darin, daß
der Minimalwert der Lebensdauer, bei dem das Rad bei der
angewandten Belastung im Ermüdungstest als akzeptabel
betrachtet wird, als Bezugsgröße 100 gesetzt wird. Hier entspricht
die Bezugsgröße 100 0,5 106 Zyklen.
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Die Räder C, D und E, bei denen das Verhältnis R die Werte
0,75, 0,68 bzw. 1,00 aufweist, besitzen eine
zufriedenstellende Lebensdauer. Die Räder A und B weisen bei Verhältnissen
R = 0,21 und 0,33 eine sehr ungenügende Ermüdungsfestigkeit
auf.
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In dem Diagramm von Fig. 6 sind die Ergebnisse der
Ermüdungstests für die angegebenen Räder dargestellt, wobei an der
Abszisse das Verhältnis R und an der Ordinate der Wert der
normierten Lebensdauer angetragen sind. Das Diagramm von
Fig. 6 zeigt, daß ein Wert R von 0,65 einen Mindestwert zur
Erzielung einer ausreichenden Ermüdungsfestigkeit darstellt.
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Der Wert dieses Verhältnisses ist allerdings keineswegs der
einzige Parameter, der die Ermüdungsfestigkeit beeinflußt, da
die Blechdicke von Radschüssel 2 und Felge 3, das Vorliegen
und die Geometrie der Ausnehmungen 22 der Radschüssel 2, die
Geometrie der Radschüssel 2, etc. Faktoren darstellen, die
sämtlich ebenfalls von großer Bedeutung sind. Nach
Optimierung dieser verschiedenen Faktoren zur Erzielung eines
zu
friedenstellenden Ergebnisses hinsichtlich der Lebensdauer
unter Beibehaltung einer akzeptablen Gesamtlast ist es
erforderlich, das Profil des Rades so zu optimieren, daß das
Verhältnis R mehr als 0,65 und vorzugsweise mehr als 0,75
beträgt.
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Das Verhältnis R zeigt, daß es von großer Bedeutung ist, eine
radiale Höhendifferenz zwischen dem Tiefbett und der
Verbindungszone der Verbindung zwischen Felge und Radscheibe
beizubehalten, die so groß wie möglich ist. Es ist allerdings auch
wünschenswert, die Verbindungszone zwischen Felge und
Radscheibe auf der gleichen radialen Höhe zu halten, wie sie
beim Wulstsitz vorliegt, was bei dem Rad E realisiert wurde;
dies ist jedoch nicht für sämtliche Felgenbreiten möglich,
insbesondere nicht für 6.00 Zoll (152,4 mm). Oberhalb einer
Felgenbreite von 9.00 Zoll (228,6 mm) ist die Felgenbreite
ausreichend groß, daß ein hoher Wert für das Verhältnis R
leicht erzielbar ist.
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Zur Erzielung eines akzeptablen Wertes für das Verhältnis
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weisen die Felgen 3 der Fig. 3 und 4 eine Länge der
Verbindungszone 39 zwischen Felge und Radscheibe auf, die auf ein
Minimum verringert ist, wobei sich der Bereich des
Ventillochs 38 in der Verlängerung des zur Radschüssel hin
liegenden Wulstsitzes 32 befindet, wobei kein Hump (Fig. 3) oder
eine leichte, durch einen kleinen Hump 35 bedingte Abstufung
(Fig. 4) vorgesehen ist. Es ist ferner auch möglich,
beliebige andere Vorrichtungen zur Verhinderung des Abrutschens des
Wulstes zu verwenden. Bei dem Profil von Fig. 3 befindet sich
der Bereich des Ventillochs 38 in der Verlängerung des zur
Radscheibe hin liegenden Wulstsitzes 32 bei gleichem
Neigungswinkel in Bezug auf die Radachse.
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Es ist wesentlich, die Größe des Tiefbetts 31 nicht zu
verringern, um die Montage der Reifen zu ermöglichen.
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Im Fall des in Fig. 5 dargestellten Rades konnte die gleiche
radiale Höhe für die Verbindungszone 39 zwischen Radschüssel
und Felge und für das Ventilloch 38 beibehalten werden. Dies
ermöglicht die Erzielung eines Verhältnisses R = 1, wobei das
Niveau der ermüdungsbezogenen Lebensdauer besonders gut ist.
Dies wurde dank der Verwendung eines Ventils mit optimierten
Abmessungen ohne Verringerung der Größe des Tiefbetts 31
erzielt.
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Wie aus den Fig. 3, 4 und 5 hervorgeht, weist das Ventil 5
vorzugsweise einen kleinen Platzbedarf auf und besitzt eine
Mutter 51, die mindestens teilweise in Dickenrichtung in die
Felge eingesenkt ist.
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Hierdurch werden Montage und Demontage der Luftreifen
begünstigt.
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Die erfindungsgemäßen Räder können insbesondere aus
Stahlblech oder Aluminiumblech hergestellt werden.