CH710074A2 - Hybridrad. - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein aus unterschiedlichen Materialien aufgebautes Composite-Rad (1), umfassend eine Felge (2) aus einem ersten Material A und einen Radstern (3) aus einem zweiten Material B. Zumindest eines der Materialien ist im Wesentlichen ein faserverstärktes Polymermaterial. Felge (2) und Radstern (3) sind zumindest durch einen gegenüber einer Radachse Z im Wesentlichen zylindrisch angeordneten bzw. umlaufenden, radial wirkenden Presssitz (12) miteinander verbunden. Die linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials A, α A und des Materials B, α B unterscheiden sich zumindest in Umfangsrichtung, also in einer bezüglich des Sitzkreises tangentialen Richtung mindestens um den Faktor 2, bevorzugt mindestens um den Faktor 4. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Composite-Rades (1) angegeben.

Description

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein aus unterschiedlichen Materialien aufgebautes Composite-Rad sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Composite-Rades.

[0002] Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Composite-Räder bekannt. Als problematisch wird dabei der Aufbau eines Composite-Rads gesehen, bei dem die einzelnen Komponenten, wie beispielsweise Felge und Radstern, aus Materialien aufgebaut sind, deren thermische Eigenschaften, insbesondere deren thermische Ausdehnungskoeffizienten sich stark voneinander unterscheiden. Dies ist beispielsweise bei Aluminium-Carbonverbundrädern der Fall, bei denen der Radstern aus Aluminium, die Felge aus einem Carbon-Verbundmaterial gefertigt ist oder umgekehrt.

[0003] Um die inneren Spannungen eines solchen Verbundrades zu begrenzen, sind verschiedene Lösungen aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise ist es bekannt, einen Aluminiumradstern mit dazugehöriger Felge in radialer Richtung auf Spalt zu fertigen, um die beispielsweise bei einem Bremsmanöver auftretende thermische Ausdehnung des Radsterns nicht direkt auf die Carbonfelge, die einen wesentlich geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der Aluminiumradstern aufweist, zu übertragen. Die Befestigung des Radsterns an der Felge erfolgt in diesem Fall über Schrauben oder ähnliche Befestigungsmittel, die eine Verbindung im Bereich der Ventillochschräge herstellen. Als nachteilig hat sich bei solchen Verbundrädern erwiesen, dass hier auf die einzelnen Schrauben hohe Querkräfte wirken, die zu Materialermüdung führen können. Des Weiteren ist das Einstellen bzw. Beibehalten der Radzentrierung bei solchen Rädern problematisch. Auch müssen bei diesen Rädern zusätzliche Massnahmen getroffen werden, um das Eindringen von Schmutz, Feuchtigkeit oder Streusalz in den radialen Spalt zwischen Felge und Radstern zu vermeiden. Üblicherweise geschieht dies durch zusätzliches Einbringen von Dichtmitteln im Spalt.

[0004] Aus der WO 2013/045 618 A1 ist eine weitere Möglichkeit, einen Radstern aus einem Leichtmetall mit einer aus kohlefaserverstärktem Kunststoff bestehenden Felge herzustellen, bekannt. Dabei wird der Radstern mittels eines Klemmrings an der Felge befestigt. Der Radstern bzw. Klemmring ist dabei an einer ersten umlaufenden Kontur axial innen bzw. durch eine zweite umlaufende Kontur der Felge axial nach aussen abgestützt. Zusätzlich sind Befestigungsmittel wie Schrauben offenbart, mit denen der Klemmring mit der Felge oder dem Radstern verbindbar ist. Ähnliche Lösungen mit einem an der Felge vorgesehenen Klemmflansch mit axial ausgerichteten Klemmflächen sind ebenfalls bekannt. Aufgrund des zusätzlichen Klemmrings wird das Rad aber schwerer und damit die Vorteile der Leichtbauweise zumindest in Frage gestellt, wenn nicht gar aufgehoben. Die Konturen von Radstern und Felge sind dabei durch die Klemmung in axialer Richtung so aufeinander abgestimmt, dass weder bei Abkühlung noch bei Erwärmung eine signifikant Änderung der Vorspannkraft auftritt, und dass eine Zentrierung über die Schrägen erfolgen kann.

[0005] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein aus unterschiedlichen Materialien, insbesondere aus Materialien mit einem unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, bestehendes Verbundrad bereitzustellen und dabei die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden. Insbesondere ist es eine Aufgabe, ein Verbundrad bereitzustellen, das durch einen radial wirkenden Presssitz zwischen Felge und Radstern auch ohne weitere Hilfsmittel funktionsfähig verbunden ist. Damit kann auch ein besonders leichtes Verbundrad hergestellt werden. Eine weitere Aufgabe ist es, eine von sich aus spaltfreie Verbindung zwischen Felge und Radstern zu ermöglichen. Ein Rad, das die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und die gestellten Aufgaben erfüllt, wird in Anspruch 1, ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung eines solchen Rades in Anspruch 19 offenbart. Weitere bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.

[0006] Ein erfindungsgemässes Rad umfasst eine Felge aus einem ersten Material A und einen Radstern aus einem zweiten Material B. Dabei ist zumindest eines der Materialien im Wesentlichen ein faserverstärktes Polymermaterial. Felge und Radstern sind dabei zumindest durch einen gegenüber einer Radachse Z im Wesentlichen zylindrisch angeordneten bzw. umlaufenden, radial wirkenden Presssitz miteinander verbunden. Im Wesentlichen zylindrisch wird hier so verstanden, dass auch Sitze umfasst sind, die einen gegenüber einer Radachse Z flachen Winkel W einschliessen, sodass auch leicht konische Sitze umfasst sind. Umlaufend ist dabei so zu verstehen, dass der Sitz, je nach Konstruktion des Radsterns, beispielsweise bei einem scheibenförmigen oder zumindest im äusseren Bereich kreisringförmigen Radstern durchgehend, oder, beispielsweise bei einer im äusseren Bereich des Radsterns stern- oder speichenförmiger Ausführung, nur an den Berührungspunkten zwischen Radstern und Felge ausgebildet sein kann. Dabei unterscheiden sich die linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials A, αAund des Materials B, αBzumindest in Umfangsrichtung, also in einer bezüglich des Sitzkreises tangentialen Richtung zumindest um den Faktor 2, bevorzugt mindestens um den Faktor 4. Die ausschliesslich oder zumindest vorwiegend in radialer Richtung wirkende Presskraft wird dabei durch ein Übermass des Radsterns, durch ein Untermass der Felge oder durch eine Kombination einer entsprechenden Über- bzw. Unterbemassung sichergestellt. Für eine Materialpaarung mit αA< αBwird vorteilhaft ein Übermass einer in radialer Richtung inneren Kontaktfläche des Presssitzes auf dem Radstern so gewählt, dass der Presssitz erst bei einer Temperatur von –40 °C, bevorzugt erst bei einer Temperatur von –45 °C oder darunter spannungsfrei ist. Für eine Materialpaarung mit einem αA> αB, daher einer Felge mit grösserem Ausdehnungskoeffizienten als der Radstern, wird vorteilhaft ein Untermass einer in radialer Richtung äusseren Kontaktfläche des Presssitzes auf der Felge so gewählt, dass der Presssitz erst bei einer Temperatur von 180 °C, bevorzugt erst bei einer Temperatur von 185 °C oder darüber spannungsfrei ist. Spannungsfrei heisst hier, unter den genannten Voraussetzungen sowohl was die letztgenannte obere, als auch die oben genannte untere Temperaturgrenze betrifft, dass Radstern und Felge ohne Pressdruck montiert werden könnten. Bei den wie oben beschriebenen Materialpaarungen und einer durch Vorsehen von Über- bzw. Untermass, entsprechend eingestellten Press- bzw. Klemmwirkung, kann ein sicherer Verbund des Radsterns mit der Felge auch über den gesamten Gebrauchstemperaturbereich eines Kfz-Rads sichergestellt werden. Als besonders günstig hat sich hier die Kombination eines Radsterns aus Leichtmetall mit einer aus faserverstärktem Polymermaterial hergestellten Felge erwiesen, da sich in diesem Fall beim Auftreten grösserer thermischer Belastungen, beispielsweise bei Bremsmanövern vor oder in Kurven der Anpressdruck zwischen den beiden Pressflächen des Sitzes erhöht, und damit den in axialer Richtung wirkenden Querkräften auf den Radverbund einen grösseren Widerstand entgegensetzt. Das faserverstärkte Polymermaterial kann dabei Glasfaser- und/oder Carbonfasermaterial mit frei eingelegten oder gewobenen Fasern umfassen. Bevorzugt wird jedoch aufgrund seiner Eigenschaften bezüglich Festigkeit und Gewicht Carbonfasermaterial. Material A oder Material B kann dabei ein Metall, eine Legierung, dabei bevorzugt ein Leichtmetall oder eine Leichtmetalllegierung, besonders bevorzugt eine Aluminium- oder Magnesiumlegierung sein. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Metalls wird in einem Bereich von 8 x 10<–><6>K<–><1>bis 25 x 1C<–><6>K<–><1>, bevorzugt zwischen 22 x 10<–><6>K<–><1>bis 25 x 10<–><6>K<–><1> gewählt, jeweils einschliesslich der Grenzwerte.

[0007] Als Felgenmaterial A kann ein faserverstärktes Polymermaterial eingesetzt, dessen linearer Wärmeausdehnungskoeffizient in einer tangentialen Richtung der Felge wie folgt eingestellt ist: 1 x 10<–><6>K<–><1>≤ αA≤ 12 x 10<–><6>K<–><1> dabei bevorzugt in einem Bereich von 2 x 10<–6>K<–1>≤ αA≤ 8 x 10<–6>K<–1>

[0008] In einer alternativen Ausführungsform sind sowohl Material A als auch Material B im Wesentlichen faserverstärkte Polymermaterialien.

[0009] Vorteilhaft lässt sich zur jeweiligen Einstellung des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten die hohe Anisotropie von kohlefaserverstärktem Polymermaterial verwenden. Dies kann beispielsweise durch Auslegen von entsprechendem Bandmaterial in Umfangrichtung des Rades so gewählt werden, dass ein kleiner linearer Wärmeausdehnungskoeffizzient eingestellt wird oder zur Erzeugung eines grösseren Wärmeausdehnungskoeffizienten Bandmaterial quer oder in einem andern Winkel zur Umfangrichtung des Rades angeordnet wird.

[0010] Beispielsweise können die oben genannten α-Werte durch einen Laminataufbau erreicht werden, bei dem 60% der Fasern in Tangentialrichtung, 30% der Fasern in einem Winkel zwischen 15° und 75°, bzw. zwischen –15° und –75° und der Rest in Axialrichtung, parallel zur Radachse Z liegen.

[0011] Wird auch als Radsternmaterial B ein faserverstärktes Polymermaterial verwendet, wird vorteilhaft eine Materialkombination eingesetzt, deren linearer Wärmeausdehnungskoeffizient in einer tangentialen Richtung der Felge wie folgt eingestellt ist: 8 x 10<–6>K<–1>≤ αB≤ 15 x 10<–6>K<–1> dabei bevorzugt in einem Bereich von 10 x 10<–6>K<–1>≤ αB≤ 13 x 10<–6>K<–1>

[0012] Der Presssitz der Verbindungsfelge zum Radstern ist dabei vorteilhaft nach aussen und/oder innen spaltfrei abgeschlossen. Der Sitz gegenüber der Radachse Z ist im Wesentlichen zylindrisch ausgeführt. Dabei kann auch eine leichte konische Schrägstellung gegenüber der Radachse Z vorgesehen sein, wobei der Winkel W gegenüber der Radachse ≤ 15° bevorzugt ≤ 10° eingestellt ist.

[0013] Alternativ kann auch umgekehrt als Felgenmaterial A ein Material mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten, beispielsweise oben erwähnte Metalle, Legierungen oder entsprechendes faserverstärktes Polymermaterial mit hohem a eingesetzt werden, wohingegen für die Felge ein entsprechendes faserverstärktes Polymermaterial mit kleinerem Ausdehnungskoeffizienten verwendet wird.

[0014] In einer alternativen Ausführungsform ist der Presssitz mit einem bevorzugt in axialer Richtung angeordneten Hinterschnitt versehen, der ein axiales Verschieben des Radstern-/Felgeverbunds auch im spannungsfreien oder nahezu spannungsfreien Zustand verhindern kann. Alternativ kann auch dieser Hinterschnitt in ähnlicher Weise über- oder unterbemasst sein und so eine zusätzliche axial wirkende Klemmfläche bilden. Beliebige Hinterschnitte lassen sich besonders einfach an der Felge verwirklichen. In einer weiteren Ausführungsform kann der Hinterschnitt einen Bajonettverschluss umfassen oder ein Bajonettverschluss sein. Des Weiteren können eine Verdrehsicherung, beispielsweise in Form zumindest einer radial abstehenden Noppe oder Zahnung und einer damit zusammenwirkenden Vertiefung oder Ausnehmung an einer gegenüberliegenden Seite des Presssitzes vorgesehen sein. Auch Verbindungsmittel wie Schrauben, Nieten, Helicoils und/oder Klebstoff können für eine zusätzliche Absicherung des Presssitzes eingesetzt werden, auch wenn dies für die Einsatzfestigkeit bzw. Betriebssicherheit des Radverbunds in diesem Fall nicht zwingend notwendig ist. Diese zusätzlichen Verbindungsmittel können im Bereich einer Ventillochschräge und/oder des Felgenbetts und/oder des Reifensitzes angebracht sein. Um die Summe der thermisch induzierten Spannungen und der Betriebslastspitzen, bzw. dadurch induzierte Spannungen, unterhalb einer durch den Materialverbund gegebenen Bruchspannung, bzw. innerhalb einer zulässigen Betriebsspannung zu halten, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, die linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials A, αAund des Materials B, αBso zu wählen, dass sie sich zumindest in einer bezüglich des Sitzkreises tangentialen Richtung höchstens um den Faktor 40 unterscheiden.

[0015] Ein erfindungsgemässes Verfahren zur Herstellung eines Rades, insbesondere bevorzugt eines Rades wie oben beschrieben, umfasst dabei die Auswahl der Felge aus einem Material A mit einem linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten αA, und die Auswahl des Radsterns aus einem Material B, mit einem davon unterschiedlichen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten αB, wobei zumindest eines der Materialien A oder B im Wesentlichen ein faserverstärktes Polymermaterial ist. Felge und Radstern werden dabei durch zumindest einen gegenüber einer Radachse Z im Wesentlichen zylindrisch angeordneten bzw. umlaufenden Presssitz miteinander verbunden, wobei die linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten αAund αBso gewählt werden, dass sie in einer bezüglich eines Sitzkreises tangentialen Richtung sich zumindest um den Faktor 2, bevorzugt jedoch zumindest um den Faktor 4, dabei jedoch bevorzugt höchstens um den Faktor 40 unterscheiden. Das verwendete faserverstärkte Polymermaterial kann Glasfaser und/oder bevorzugt Carbonfasermaterial umfassen.

[0016] Wird für die Felge ein kleinerer thermischer Ausdehnungskoeffizient als für den Radstern eingesetzt, also: αA< αB wird dabei ein Übermass einer in radialer Richtung inneren Kontaktfläche des Presssitzes, bzw. eines Press- und Klemmsitzes, das heisst der Press- bzw. Klemmflächen des Radsterns so gewählt, dass der Sitz erst bei einer Temperatur von –40°, bevorzugt erst bei einer Temperatur von –45°, oder darunter spannungsfrei wird. Wird als Material A dabei ein faserverstärktes Polymermaterial verwendet, kann dieses zur Herstellung der Felge in Form von Bandlagen auf und über die ganze Umfangfläche eines Preformwerkzeuges verteilt angeordnet werden, wobei die Gesamtzahl der mit Faserausrichtung in Umfangsrichtung ausgelegten Bandlagen mit der Gesamtzahl der mit Faserrichtung quer oder in einem anderen Winkel zur Umfangsrichtung ausgerichteten Bandlagen so eingestellt wird, dass die fertige Felge in einer zum Umfang tangentialen Richtung einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 1 x 10<–><6>K<–><1>≤ αA≤ 12 x 10<–><6>K<–><1> dabei bevorzugt von 2 x 10<–6>K<–1>≤ αA≤ 8 x 10<–6>K<–1> aufweist.

[0017] Ein solcher linearer Wärmeausdehnungskoeffizient kann beispielsweise zumindest im Bereich des Sitzes dadurch eingestellt werden, dass 50 bis 70%, bevorzugt ca. 60% der Fasern des faserverstärkten Polymermaterials, insbesondere eines mit Kohlefasern verstärkten Polymermaterials, in Tangential- bzw. Umlaufrichtung des Rades angeordnet werden. Weitere 20 bis 40%, bevorzugt ca. 30% der Fasern in einem Winkel von ca. 15° bis 75°, bzw. zwischen ca. –15° bis –75° angewinkelt zur Umfangrichtung und der Rest in Axialrichtung, also parallel zur Radachse Z liegend, angeordnet werden.

[0018] Bezüglich der Herstellung einer entsprechenden Felge wird vorgeschlagen, dass bei der Fertigung zwischen sich über die ganze Felgenlauffläche erstreckende Grundlagen aus faserverstärkten Polymerhalbzeug mindestens im Bereich von Abstufungen in der Felgenkontur wie zwischen Felgenbett und Felgenschulter und Schulter zu Felgenhorn sich in Umlaufrichtung der Felge erstreckende gestapelte Bandlagen eingelegt bzw. angeordnet werden.

[0019] Gemäss einer Ausführungsvariante werden dabei mindestens auch auf der Schulter und/oder auf dem Felgenhorn sich in Umlaufrichtung der Felge erstreckende gestapelte Bandlagen vor dem Pressvorgang des Felgenform Formlings bzw. Preforms angeordnet. Allerdings ist es auch möglich, entlang aller Abschnitte der Felgenkontur entweder direkt auf dem Preformwerkzeug selbst oder aber auf einem aus mehreren Lagen aus Halbzeug gefertigtem inneren Grundlaminat jeweils Bandlagen abzulegen bzw. auf den Abschnitten lagenweise abzuwickeln, wobei abschliessend auf die abgewickelten und abgelegten Bandlagen ein äusseres aus mehreren Lagen bestehendes Grundlaminat aufgelegt wird.

[0020] Gemäss einer Ausführungsvariante wird die Bandbreite des abzuwickelnden Bandes aus faserverstärktem Polymer jeweils mindestens gleich der Breite des jeweiligen Abschnittes gewählt oder grösser als die Breite des jeweiligen Abschnittes, sodass gegebenenfalls seitlich das abgewickelte und abgelegte Band beim anschliessenden Pressvorgang gebogen, gewellt oder verwirbelt wird.

[0021] Es ist aber auch möglich, in einem Bandstapel des jeweiligen Abschnittes der Felgenkontur unterschiedliche Bandbreiten zu kombinieren, derart, dass pro Bandlage beispielsweise zwei oder mehrere Bänder mit unterschiedlicher Bandbreite nebeneinander und/oder übereinander angeordnet werden. Dabei ist es vorteilhaft, dass bei zwei aufeinanderliegenden Lagen mit je mehreren Bändern die Trennlinien zwischen den Bändern nicht aufeinander ausgerichtet, sondern seitlich zueinander verschoben ausgebildet sind.

[0022] Es hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft sein kann, wenn beim mehrlagigen Aufbau des Grundlaminates auf einem sogenannten Preformwerkzeug zunächst mindestens eine Lage mit mindestens teilweise axialem Faserverlauf aus Halbzeugteilen angeordnet wird. Anschliessend wird mindestens eine Lage mit schrägverlaufender Faserrichtung wie beispielsweise zwischen 30° und 60°, insbesondere zwischen 45° und 60° angewinkelt zur Umfangrichtung angeordnet und darauffolgend mindestens eine weitere Lage mit entgegengesetzter, erneut schräger Faserrichtung wie beispielsweise zwischen –30° und –60°, insbesondere zwischen –45° und –60° angewinkelt d.h. in entgegengesetzter Richtung. Die Anzahl anzuordnender Lagen richtet sich nach den Anforderungen der herzustellenden Felge.

[0023] Die darauf in Felgenumfangrichtung aufgewickelt angeordneten Bänder weisen eine hauptsächliche Faserrichtung in tangentialer Richtung auf, d.h. in Umfangrichtung der zu erzeugenden Felge. Wiederum richtet sich die Anzahl Bänder nach den Anforderungen der zu erstellenden Felge.

[0024] Schliesslich wird auf die beispielsweise über die ganze Oberfläche der Felge angeordneten einzelnen Bandstapel ein äusseres mehrlagiges Grundlaminat aufgelegt, welches wiederum aus mehreren Lagen aus faserverstärktem Polymerhalbzeug besteht.

[0025] Die äusserste Lage des äusseren Grundlaminates weist in der Regel eine Faserrichtung auf, welche mindestens teilweise axial verläuft.

[0026] Die Einstellung des linearen Ausdehnungskoeffizienten entlang und parallel zur Umfangsrichtung erfolgt dabei durch Einhalten des oben erwähnten Verhältnisses des Anteils der in unterschiedliche Richtungen ausgerichteten Fasern. Diese Einstellung wird vorteilhaft zumindest im Bereich des Presssitzes über die ganze Felgendicke eingestellt, beispielsweise bei aussenliegendem Sitz im Bereich des Felgenhorns und/oder der Ventillochschräge und unmittelbar daran anschliessendem Felgenbettbereich. Alternativ kann auch die gesamte Felge so aufgebaut sein, dass der sich aus dem Verbund für die Felge ergebende lineare Ausdehnungskoeffizient in Umlaufrichtung über die ganze Felgenbreite ähnlich oder gleich ist.

[0027] Bezüglich weiterer Möglichkeiten und bevorzugter Ausführungsformen zur Herstellung einer entsprechenden Felge sei auf die Schweizer Patentanmeldung Nr. 00 612/14 verwiesen die hiermit zum integralen Bestandteil der vorliegenden Anmeldung erklärt wird.

[0028] Als Material B zur Herstellung des Radsterns mit linearem Wärmeausdehnungskoeffizienten αBkann ein Metall, eine Legierung bevorzugt ein Leichtmetall oder eine Leichtmetalllegierung, dabei besonders bevorzugt eine Aluminium- oder Magnesiumlegierung verwendet werden. Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des Metalls kann dabei zwischen 8 x 10<–><6>K<–><1>und 25 x 10<–><6>K<–><1>, bevorzugt zwischen 22 x 10<–6>K<–1>bis 25 x 10<–6>K<–1>, jeweils die Grenzwerte mit eingeschlossen, liegen.

[0029] Werden als Material B zur Herstellung des Radsterns ebenfalls ein faserverstärktes Polymermaterial verwendet, welches gleichfalls ein Carbonfasermaterial sein kann, wird der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient in einem Bereich von 8 x 10<–><6>K<–><1>≤ αB≤ 15 x 10<–6>K<–><1>, dabei bevorzugt in einem Bereich von 10 x 10<–6>K<–1>≤ αB≤ 13 x 10<–6>K<–1> eingestellt.

[0030] Um das Einsetzen des Radsterns zu erleichtern, kann das Übermass des Presssitzes des Radsterns durch Abkühlen und/oder durch mechanische Verformung des Radsterns geschrumpft oder verkleinert werden. Die mechanische Verformung kann dabei beispielsweise auch durch eine dreidimensionale Verformung des Radsterns innerhalb der materialgegebenen Elastizitätsgrenzen erfolgen. Dies kann mittels eines Hilfswerkzeugs zum Einsetzen des Radsterns erfolgen, das nach dem Einsetzen des Radsterns in die Felge entfernt wird, sodass der Sitz mit der durch das Übermass bedingten Presskraft beaufschlagt ist. Gleichzeitig oder auch stattdessen kann zumindest der Durchmesser des umlaufenden Presssitzes der Felge durch Erwärmen und/oder durch mechanische Verformung vergrössert werden. Beide Massnahmen können jeweils den gesamten umlaufenden Presssitz des Radsterns bzw. der Felge bzw. nur einen oder mehrere Teilbereiche davon betreffen und durch zusätzliche Massnahmen wie Pressen, Rütteln o.a. zeitgleich oder in zeitlicher Abfolge unterstützt werden.

[0031] Alternativ ist es auch möglich, ein Composite-Rad herzustellen, bei dem der Wärmeausdehnungskoeffizient der Felge grösser als der des Radsterns ist, also: αA> αB

[0032] Um in diesem Fall einen sicheren Sitz zu gewährleisten, wird das Untermass des Presssitzes, bzw. eines Press- und Klemmsitzes der Felge, das heisst der entsprechenden Press- bzw. Klemmfläche, so gewählt, dass erst bei einer Temperatur von 180 °C, bevorzugt erst bei einer Temperatur von 185 °C und darüber der Sitz spannungsfrei ist. Als Material A zur Herstellung der Felge kann dabei ein Metall, eine Legierung, dabei bevorzugt ein Leichtmetall oder eine Leichtmetalllegierung, insbesondere bevorzugt eine Aluminium oder Magnesiumlegierung verwendet werden, wobei die wie oben erwähnten Bereiche der Wärmeausdehnungskoeffizienten bevorzugt sind.

[0033] Umgekehrt wird nun zur Herstellung des fertigen Radsterns ein Material, beispielsweise ein faserverstärktes Polymermaterial, dabei bevorzugt ein Carbonfasermaterial, mit einem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet, der zumindest in einer zum Umfang tangentialen Richtung im folgenden Bereich liegt: 1 x 10<–6>K<–1>≤ αA≤ 12 x 10<–6>K<–1> dabei bevorzugt im Bereich von 2 x 10<–6>K<–1>≤ αA≤ 8 x 10<–6>K<–1>

[0034] Wird in diesem Fall auch zur Herstellung der Felge ein faserverstärktes Polymermaterial verwendet, kann dieses, beispielsweise durch Verwendung einer Felge mit einem hohen Anteil eines quer, d.h. im rechten Winkel, oder in einem anderen Winkel zur tangentialen Radumlaufrichtung ausgerichteten Fasermaterials, das zumindest im Bereich der Sitzfläche der Felge einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 8 x 10<–6>K<–1>≤ αA≤ 15 x 10<–6>K<–><1> dabei bevorzugt von 10 x 10<–6>K<–1>≤ αA≤ 13 x 10<–6>K<–1>

[0035] aufweist, hergestellt werden.

[0036] In Analogie zu dem weiter oben angeführten Verfahren mit αA> αB, kann auch hier vor dem Einsetzen des Radsterns das Untermass des Press- oder Press- und Klemmsitzes bzw. der Press- bzw. Klemmfläche der Felge durch Erwärmen und/oder mechanischer Verformung verringert und damit der Durchmesser zumindest teilweise vergrössert werden. Ebenso kann stattdessen oder als zusätzliche Massnahme der umlaufende Press- oder Press- und Klemmsitz, bzw. die Press- bzw. Klemmfläche des Radsterns zumindest teilweise durch Kühlen und/oder durch mechanische Verformung geschrumpft oder verkleinert werden.

[0037] Wenn auch im vorigen sowie in der nun folgenden Figurenbeschreibung einzelne Merkmale nur im Zusammenhang mit einer speziellen Ausführungsform beschrieben werden, können solche Merkmale grundsätzlich miteinander kombiniert werden, es sei denn, eine solche Kombination wäre für den Fachmann klar als widersprüchlich oder gegen die Absicht der vorliegenden Erfindung gerichtet erkennbar. Einzelne Ausführungsformen des Standes der Technik sowie verschiedene Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden in den Figuren beschrieben.

[0038] Dabei zeigen die Figuren jeweils Abschnitte eines Rades, im Speziellen den Verbindungsaufbau zwischen Felge und Radstern. <tb>Fig. 1 und Fig. 2<SEP>zeigen Räder des Standes der Technik. <tb>Fig. 3 bis 6<SEP>zeigen erfindungsgemässe Räder.

[0039] Fig. 1 zeigt die Verbindung zwischen Radstern 3 ́ und Felge 2 ́ eines bekannten Rades 1 ́. Die Felge ist mit einem Felgenbett 6, einem Reifensitz 5 und einem Felgenhorn 4 ausgeführt. Zwischen Reifensitz 5 und Felgenbett 6 befindet sich die Ventillochschräge 7. Die aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff aufgebaute Felge 2 ́ ist mit einem aus einem Metall oder einer Metalllegierung aufgebauten Radstern 3 ́ mittels mehrerer von der Innenseite der Felge montierbaren Schrauben 8 mit der Felge verbunden. Die Aussenseite der Ventillochschräge 7 ist dabei in radialer Richtung, d.h. gegen die Radachse Z, steil angestellt oder sogar senkrecht. Damit soll eine durch die thermische Ausdehnung des Radsterns bedingte Radialkraft möglichst nicht oder zumindest nicht direkt vom Radstern 3 ́ auf die Felge 2 ́ die sich aufgrund des anderen Materials weniger stark ausdehnt, übertragen werden. Zusätzlich ist dafür in radialer Richtung zwischen Radstern und Felge ein Spalt 9 bzw. eine entsprechende Ausnehmung vorgesehen um auch hier eine Radialkraftübertragung zu vermeiden. Bei dieser Konstruktion besteht jedoch die Gefahr einer Überbeanspruchung der Schrauben 8 durch Querkräfte.

[0040] Eine andere Lösung aus dem Stand der Technik zeigt Fig. 2 . Auch hier wird ein aus Metall gefertigter Radstern 3 ́ mit einer aus kohlefaserverstärktem Kunststoff bestehenden Felge 2 ́ verbunden, wobei letztere im Bereich des Felgenbetts eine umlaufende Kontur in Form einer Ausbuchtung 11 aufweist. Die Seitenflächen der Ausbuchtung sind wiederum steil gegenüber der Radachse bzw. senkrecht dazu angestellt, und werden zwischen dem Radstern 3 ́ und einem daran befestigten Klemmring 10 durch Aufbringen einer axial wirkenden Kraft beispielsweise mittels Schraube 8 geklemmt. Auch hier ist, um eine Übertragung zu grosser radialwirkender Kräfte zu vermeiden, ein in diesem Fall nicht sichtbarer und optisch daher weniger störender Spalt 9 zwischen Radstern und Felge vorgesehen. Durch diese axiale Klemmung ist ein Gleiten des Radsternklemmringverbundes an den Seitenflächen der Ausbuchtung möglich, um solcherart thermische Spannungen zwischen Radstern und Felge auszugleichen. Durch den zusätzlichen Klemmring 10 wird jedoch die Konstruktion des Rades aufwendiger und schwerer.

[0041] In den Fig. 3 – 5 sind erfindungsgemässe Räder 1 mit einer aus einem ersten Material A bestehenden Felge 2 und einem aus einem zweiten Material bestehenden Radstern 3 dargestellt. Material A und Material B sind dabei aus einem bezüglich des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten unterschiedlichen Material aufgebaut. In allen drei Ausführungsbeispielen ist die Felge 2 mit dem Radstern 3 durch einen bezüglich der Radachse Z zylindrischen Press- oder Press- und Klemmsitz verbunden. Dadurch werden die aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten entstehenden Radialkräfte direkt von dem Radstern 3 auf die Felge 2 bzw. je nach Materialpaarung auch umgekehrt übertragen. So übt beispielsweise ein aus einem Metall mit hohem linearen Wärmeausdehnungskoeffizient gefertigter Radstern auf eine aus faserverstärktem Polymermaterial mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten gefertigte Felge eine, zusätzlich zu der durch den Presssitz aufgebrachten Vorspannung, nach aussen gerichtete Radialkraft aus sobald das Rad, bzw. der Radstern beispielsweise durch Bremsen erhitzt wird. Diese Radialkräfte addieren bzw. subtrahieren sich zu den durch den Presssitz aufgebrachten Vorspannungen, weshalb eine Einhaltung bzw. Einstellung der linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten αAund αB, zumindest in der Umfangrichtung des Rades in den oben genannten Grenzen einzustellen sind, um eine Funktion, bzw. die Betriebssicherheit des Rades sicherzustellen.

[0042] Der Presssitz 12 kann dabei wie in Fig. 3 dargestellt, an der Unterseite des Reifensitzes oder wie in Fig. 4 dargestellt, auf der Unterseite eines Übergangsbereiches zwischen Ventillochschräge und Felgenbett vorgesehen werden. Alternativ dazu kann der Sitz 12 auch wie in Fig. 5 dargestellt an mehreren Stellen vorgesehen sein. Dies ist jedoch fertigungstechnisch mit einem grösseren Aufwand verbunden.

[0043] Fig. 6 zeigt eine weitere alternative Ausführung der Erfindung mit einem gegenüber der Radachse flach konisch umlaufenden Presssitz 12 ́ Der Winkel W zur Radachse beträgt in diesem Fall ca. 10° um eine sichere Übertragung der Kräfte ohne Rutschen des Sitzes sicherzustellen. Die maximal mögliche Schrägstellung des Winkels hängt dabei von der zwischen Felge und Radsternsitz auftretenden Reibung ab. Diese hängt, wie dem Fachmann bekannt, von der Materialpaarung ab, kann jedoch durch verschiedene Oberflächenbehandlungen wie ein definiertes Einstellen der Rauigkeit oder einer Beschichtung dem jeweiligen Zweck angepasst werden. Für Materialpaarungen mit hohem Reibwert können daher auch Konuswinkel W bis zu 15° sinnvoll sein.

[0044] Zusätzlich können noch ein beispielsweise umlaufender, wie dargestellt, oder mehrere Hinterschnitte 14 vorgesehen sein, um den Radstern zusätzlich in der Felge zu klemmen und ein axiales Verschieben des Sitzes zu verhindern. Alternativ kann hier auch ein Bajonettverschluss vorgesehen sein, indem der Radstern, insbesondere ein metallischer Radstern, beispielsweise im abgekühlten Zustand eingesetzt werden kann. Der Sitz 12 ́ in Abb. 6 ist dabei innerhalb eines durch einen rohrförmigen Hohlkörper 13 gebildeten verstärkten Bereich der Felge 2 angeordnet.

Claims (32)

1. Rad, insbesondere KfZ-Rad, umfassend eine Felge (2) aus einem ersten Material A und einen Radstern (3) aus einem zweiten Material B, wobei zumindest eines der Materialien ein faserverstärktes Polymermaterial ist, dadurch gekennzeichnet, dass Felge (2) und Radstern (3) durch zumindest einen gegenüber einer Radachse Z im Wesentlichen zylindrisch angeordneten bzw. umlaufenden, radial wirkenden Presssitz (12) miteinander verbunden sind und die linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials A, αAund des Materials B, αBsich zumindest in einer bezüglich des Sitzkreises tangentialen Richtung zumindest um den Faktor 2, bevorzugt mindestens um den Faktor 4 unterscheiden.

2. Rad gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass αA< αB und ein Übermass einer in radialer Richtung inneren Kontaktfläche des Presssitzes (12) des Radsterns (3) so gewählt wird, dass der Presssitz (12) erst bei einer Temperatur von –40 °C, bevorzugt erst bei einer Temperatur von –45 °C, oder darunter spannungsfrei ist.

3. Rad gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass αA> αB und ein Untermass einer in radialer Richtung äusseren Kontaktfläche des Presssitzes (12) der Felge (2) so gewählt wird, dass der Presssitz (12) erst bei einer Temperatur von 180 °C, bevorzugt erst bei einer Temperatur von 185 °C, oder darüber spannungsfrei ist.

4. Rad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das faserverstärkte Polymermaterial Glasfaser- und/oder bevorzugt Carbonfasermaterial umfasst.

5. Rad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass entweder Material A oder Material B ein Metall, eine Legierung, bevorzugt ein Leichtmetall oder eine Leichtmetalllegierung, besonders bevorzugt eine Aluminium- oder Magnesiumlegierung umfasst.

6. Rad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des Metalls zwischen 8 x 10<–><6>K<–><1>und 25 x 10<–><6>K<–><1> bevorzugt zwischen 22 x 10<–6>K<–1>bis 25 x 10<–6>K<–1> liegt, jeweils einschliesslich der Grenzwerte.

7. Rad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl Material A als auch Material B im Wesentlichen faserverstärkte Polymermaterialien sind.

8. Rad nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Material A ein faserverstärktes Polymermaterial, bevorzugt ein Carbonfasermaterial ist und in einer tangentialen Richtung der Felge (2) einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 1 x 10<–6>K<–1>≤ αA≤ 12 x 10<–6>K<–1> bevorzugt von 2 x 10<–6>K<–1>≤ αA≤ 8 x 10<–6>K<–1> <>aufweist.

9. Rad nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Material B ein faserverstärktes Polymermaterial, bevorzugt ein Carbonfasermaterial ist und in einer tangentialen Richtung der Felge (2) einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 8 x 10<–6>K<–1>≤ αB≤ 15 x 10<–6>K<–1> bevorzugt von 10 x 10<–6>K<–1>≤ αB≤ 13 x 10<–6>K<–1> aufweist.

10. Rad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Presssitz (12) die Verbindung Felge (2) zu Radstern (3) nach aussen oder/und innen spaltfrei abschliesst.

11. Rad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Presssitz (12) gegenüber der Radachse Z zylindrisch ist.

12. Rad nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Presssitz (12) gegenüber der Radachse Z konisch ist, wobei der Winkel W gegenüber der Radachse ≤ 15° bevorzugt ≤ 10° ist.

13. Rad nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Presssitz (12) zumindest einen Hinterschnitt (14), bevorzugt in axialer Richtung, bevorzugt an der Felge (2), umfasst.

14. Rad nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Hinterschnitt (14) zumindest einen Bajonettverschlusses umfasst.

15. Rad nach einem der Ansprüche 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass es eine Verdrehsicherung, bevorzugt in Form zumindest einer radial abstehenden Noppe oder Zahnung und damit zusammenwirkender Vertiefung oder Ausnehmung an einer gegenüberliegenden Seite des Presssitz (12), umfasst.

16. Rad nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass es zusätzliche Verbindungsmittel (8), bevorzugt Schrauben, Nieten, Helicoils und/oder Klebstoff, zur Absicherung des Presssitz (12), umfasst.

17. Rad nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Verbindungsmittel (8) im Bereich einer Ventillochschräge (7) und/oder des Felgenbetts (6) und/oder des Reifensitzes (5) angebracht sind.

18. Rad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials A, αAund des Materials B, αBsich zumindest in einer bezüglich des Sitzkreises (12) tangentialen Richtung höchstens um den Faktor 40 unterscheiden.

19. Verfahren zur Herstellung eines Rades, insbesondere bevorzugt eines Rades nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Herstellung der Felge (2) ein Material A, mit einem linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten αAund zur Herstellung des Radsterns (3) ein Material B, mit einem linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten αBverwendet wird, wobei zumindest eines der Materialien im Wesentlichen ein faserverstärktes Polymermaterial ist, dadurch gekennzeichnet, dass Felge (2) und Radstern (3) durch zumindest einen gegenüber einer Radachse Z im Wesentlichen zylindrisch angeordneten bzw. umlaufenden Presssitz (12) miteinander verbunden werden und die linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials A, αAund des Materials B, αBzumindest in einer bezüglich eines Sitzkreises tangentialen Richtung so gewählt werden, dass sie sich zumindest um den Faktor 2, bevorzugt mindestens um den Faktor 4, jedoch bevorzugt höchstens um den Faktor 40 unterscheiden.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das faserverstärkte Polymermaterial Glasfaser- und/oder bevorzugt Carbonfasermaterial umfasst.

21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass αA< αB und ein Übermass einer in radialer Richtung inneren Kontaktfläche des Presssitzes (12) des Radsterns (3) so gewählt wird, dass der Presssitz (12) erst bei einer Temperatur von –40 °C, bevorzugt erst bei einer Temperatur von –45 °C oder darunter spannungsfrei wird.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass Material A, ein faserverstärkte Polymermaterial ist, das zur Herstellung der Felge (2) in Form von Bandlagen auf und über die ganze Umfangfläche eines Preformwerkzeugs verteilt angeordnet wird, wobei die Gesamtzahl der mit Faserausrichtung in Umfangsrichtung ausgelegten Bandlagen mit der Gesamtzahl der mit Faserrichtung quer oder in einem anderen Winkel zur Umfangsrichtung ausgerichteten Bandlagen so aufeinander eingestellt wird, dass die fertige Felge (2) in einer zum Umfang tangentialen Richtung einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 1 x 10<–6>K<–1>≤ αA≤ 12 x 10<–6>K<–1> bevorzugt von 2 x 10<–6>K<–1>≤ αA≤ 8 x 10<–6>K<–1> aufweist.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass als Material B zur Herstellung des Radsterns (3) ein Metall, eine Legierung, bevorzugt ein Leichtmetall oder eine Leichtmetalllegierung, besonders bevorzugt eine Aluminium- oder Magnesiumlegierung verwendet wird.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass als Material B zur Herstellung des Radsterns (3) ein faserverstärkte Polymermaterial, bevorzugt ein Carbonfasermaterial verwendet wird, das in einer tangentialen Richtung des Rades einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 8 x 10<–6>K<–1>≤ αB≤ 15 x 10<–6>K<–1> bevorzugt von 10 x 10<–6>K<–1>≤ αB≤ 15 x 10<–6>K<–1> aufweist.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einsetzen des Radsterns (3) zumindest das Übermass des Presssitzes (12) des Radsterns (3) durch Abkühlen oder/und durch mechanische Verformung des Radsterns (3) geschrumpft oder verkleinert wird.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Durchmesser des umlaufenden Presssitzes (12) der Felge (2) zumindest teilweise durch Erwärmen oder/und durch mechanische Verformung vergrössert wird.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass αA> αB und ein Untermass einer in radialer Richtung äusseren Kontaktfläche des Presssitzes (12) der Felge (2) so gewählt wird, dass der Presssitz (12) erst bei einer Temperatur von 180 °C, bevorzugt erst bei einer Temperatur von 185 °C oder darüber spannungsfrei ist.

28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der fertige Radstern (3) in einer zum Umfang tangentialen Richtung einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 1 x 10<–6>K<–1>≤ αB≤ 12 x 10<–6>K<–1> bevorzugt von 2 x 10<–6>K<–1>≤ αB≤ 8 x 10<–6>K<–1> aufweist.

29. Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass als Material A, zur Herstellung der Felge, ein Metall, eine Legierung, bevorzugt ein Leichtmetall oder eine Leichtmetalllegierung, besonders bevorzugt eine Aluminium- oder Magnesiumlegierung verwendet wird.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass als Material A, zur Herstellung der Felge, ein faserverstärkte Polymermaterial, bevorzugt ein Carbonfasermaterial verwendet wird, das in einer tangentialen Richtung des Rades einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 8 x 10<–6>K<–1>≤ αA≤ 15 x 10<–6>K<–1> bevorzugt von 10 x 10<–6>K<–1>≤ αA≤ 13 x 10<–6>K<–1> aufweist.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einsetzen des Radsterns (3) zumindest das Untermass des Presssitzes (12) der Felge (2) durch Erwärmen und/oder durch mechanische Verformung verringert und damit der Durchmesser zumindest teilweise vergrössert wird.

32. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Durchmesser des umlaufenden Presssitzes (12) des Radsterns (3) zumindest teilweise durch Kühlen und/oder durch mechanische Verformung geschrumpft oder verkleinert wird.