DE102011083834A9

DE102011083834A9 - Rad

Info

Publication number: DE102011083834A9
Application number: DE102011083834A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Welte; Roman Müller
Original assignee: Washi Kosan Co Ltd
Current assignee: Washi Kosan Co Ltd
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2013-06-13
Also published as: US20140246895A1; WO2013045618A1; JP6026543B2; DE102011083834A1; US9340066B2; EP2760681A1; JP2014528375A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rad (1), insbesondere ein Leichtmetallrad für Kraftfahrzeuge, bestehend im Wesentlichen aus einer Felge (2) und einem Radstern (3), wobei der Radstern (3) aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff besteht. Erfindungsgemäß weist das Rad (1) einen Klemmring (4) auf. Der Radstern (3) ist mittels des Klemmrings (4) an der Felge (2) befestigbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rad, insbesondere ein Leichtmetallrad für Kraftfahrzeuge. Das Rad besteht im Wesentlichen aus einer Felge und einem Radstern.
Solche Räder sind im Stand der Technik als mehrteilige Räder bekannt. Eigenschaftsunterschiede verwendeter Materialien stellen der Fachwelt Aufgaben und geben weiterhin Raum für Verbesserungen. Insbesondere ist die Verbindung der mehreren Teile aus verschiedenem Material immer wieder zu verbessern.
Diese Probleme werden erfindungsgemäß gelöst durch ein Rad mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 in Kombination mit den oberbegrifflichen Merkmalen.
Der Radstern besteht erfindungsgemäß aus einem Metall oder aus einer Metalllegierung, insbesondere aus einem Leichtmetall wie Magnesium oder Aluminium. Die Felge besteht aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff, insbesondere mit thermoplastischer oder duromerer Matrix. Der Radstern ist mittels eines Klemmrings an der Felge befestigbar.
Mittels eines solchen Klemmrings lässt sich eine definierte zur Aufnahme einer Betriebslast ausreichende Vorspannung zwischen den zu verbindenden Komponenten erreichen. Dies erweist sich als vorteilhaft beim Kompensieren von unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffs und des Metalls der unterschiedlichen Komponenten. Die Verwendung des erfindungsgemäßen Klemmrings führt zu hoher Festigkeit der Verbindung von Felge und Radstern.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Felge ein Felgeninnenbett und ein Felgenaußenbett auf, die jeweils in ein Felgeninnenhorn bzw. ein Felgenaußenhorn übergehen. Der Radstern ist in einer ersten umlaufenden Kontur nach axial innen abgestützt, wobei die erste umlaufende Kontur in dem Felgenaußenbett oder in einem axial zu dem Felgenaußenbett benachbarten Bereich der Felge ausgebildet ist.
Der Klemmring kann an den Kontaktflächen in radialer Richtung gleiten. Die Konturen vorteilhafter Ausführungsformen sind derart in ihren Schrägen und Klemmlängen abgestimmt, dass dabei weder bei Abkühlung noch bei Erwärmung eine signifikante Änderung der Vorspannkraft auftritt und dass eine Zentrierung über die Schrägen erfolgen kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Klemmring einen V-förmigen oder einen U-förmigen Querschnitt auf. Besonders vorteilhaft weist der Klemmring axial innen einen nach radial außen ausgebildeten Kragen auf. Der Kragen ist in einer zweiten umlaufenden Kontur der Felge nach axial außen abgestützt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Felge einen nach radial innen vorgewölbten, umlaufenden Bauch auf. Die Flanken des Bauches sind Konturen der Felge, insbesondere die erste umlaufende Kontur und die zweite umlaufende Kontur.
Besonders vorteilhaft schließen die Flanken bei vertikaler Ausrichtung des Rades gegenüber der Vertikalen einen Anbindungswinkel ein, wobei die Flanken insbesondere in einem Anbindungsbereich mit einer entsprechend umlaufenden Fläche ausgebildet sind.
Unter Belastung – vor allem bei Kurvenfahrt und somit durch eine Seitenkraft – muss eine Vorspannung des Klemmrings so groß sein, dass der Klemmring sicher mit der Felge und dem Radstern verbunden bleibt. Die erfindungsgemäß ausgebildete Felge nimmt den Klemmring mit dem vorgeschlagenen Bauch und seinen Flanken derart auf, dass in allen Fahrsituationen des Fahrzeugs ein Abheben des Klemmrings von dem Radstern oder von der Felge vermieden ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Klemmring mittels Befestigungselementen mit der Felge oder dem Radstern verbindbar, insbesondere mittels Schrauben in den Radstern verschraubbar. Die Funktion des Klemmrings wäre nicht genutzt, wenn der Klemmring sowohl mit der Felge als auch mit dem Radstern verschraubt wäre. Allerdings kann auch ein Verschrauben des Klemmrings aus ästhetischen Gründen ohne Rücksicht auf die Funktion durchaus attraktiv sein.
In einem ungespannten Zustand des Klemmrings, wenn der noch nicht verschraubte Klemmring mit der Felge in Kontakt steht, ist in einem Ringbereich, in dem die Befestigungselemente angeordnet sind, ein Spalt zwischen dem Klemmring und der Felge oder dem Radstern ausgebildet. Der Spalt ist – einen gespannten Zustand des Klemmrings erreichend – mittels Anziehen der Befestigungselemente schließbar.
Der Klemmring ist demnach vorgespannt, wenn es zu Belastungen aus Fahrsituationen des Fahrzeugs kommt. Durch die Vorspannung ergeben sich eine Stauchung eines Felgenbettes und eine Dehnung des Klemmringes. Eine Verformung des Radsterns kann wegen dessen Gestaltung vernachlässigt werden, vgl. Ausführungsbeispiel.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Radstern eine Vielzahl an Speichen auf, die sich ausgehend von einem Nabenbereich in im Wesentlichen radialer Richtung erstrecken. Endseitig münden die Speichen in einem etwa einem Innendurchmesser der Felge entsprechenden Außenring.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Schrauben in radial äußere Bereiche der Speichen verschraubbar, insbesondere in dem Außenring zugewandte, verstärkte Mündungsbereiche der Speichen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen der Radstern radial außen und der Felge zugewandt Erhebungen und/oder Vertiefungen und die Felge entsprechend viele dem Radstern entsprechende Vertiefungen und/oder entsprechende Erhebungen auf.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Klemmring nach radial innen gewölbt ausgebildet. Der Klemmring berührt die Felge in Folge nur axial innen mit einem Kragen und axial außen mit einem Dichtring umlaufend.
Die Erfindung wird nachstehend näher anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es ist ein klassisches Speichendesign mit Y-förmig verlaufenden Speichenstegen gewählt, um die Erfindung zu erläutern. Erfindungsgemäß können alternativ sämtliche Arten von Radsternen oder äquivalenten Radelementen Einsatz finden können.
Die Erfindung wird anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht auf ein Rad, das axial geschnitten wurde,
2 einen weiteren Axialschnitt durch eine Explosionsdarstellung des Rades,
3 den Axialschnitt aus 2 durch das zusammengebaute Rad
4 eine perspektivische Ansicht als Explosionsdarstellung des Rades und
5 eine vergrößerte Darstellung eines Axialschnittes, wobei ein Bereich um einen erfindungsgemäßen Klemmring in einem ungespannten Zustand ausgebrochen ist,
6 eine Hilfszeichnung zur Berechnung eines Anbindungswinkels und
7 die vergrößerte Darstellung aus 5, wobei der Klemmring in einem gespannten Zustand gezeigt ist.
In den 1 bis 5 und 7 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rades 1 dargestellt, vorliegend ein Leichtmetallrad für Kraftfahrzeuge mit einem Radstern 3 aus Metall und einer Felge 2 aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff. Der Radstern 3 ist mittels eines Klemmrings 4 an der Felge 2 befestigt. Dabei wird die Felge 2 nicht verletzt, da der Klemmring 4 nur auf der Felge 2 aufsitzt und den Radstern 3 gegen die Felge 2 zieht. Mittels des Klemmrings 4 wird eine Vorspannkraft auf die zu verbindenden Komponenten aufgebracht. Auch der Radstern 3 sitzt demnach nur auf der Felge 2 auf. Es findet vorteilhafterweise keine Verschraubung in die Felge 2 statt.
Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der besseren Übersicht wegen sind nicht alle Bezugszeichen in allen Figuren eingetragen.
Die Felge 2 weist ein Felgeninnenbett 21 und ein Felgenaußenbett 22 auf. Sowohl das Felgeninnenbett 21 wie auch das Felgenaußenbett 22 gehen in ein Felgeninnenhorn 23 bzw. ein Felgenaußenhorn 24 über. Somit ist in der Felge 2 mindestens eine erste umlaufende Kontur 25 ausgebildet, in die der Radstern 3 mit einer radial äußeren und axial inneren Kontaktkontur einsetzbar ist. Der Radstern 3 ist damit in der Felge 2 nach axial innen abgestützt aufgenommen.
Der Radstern 3 weist eine Vielzahl an Speichen 31 auf, die sich ausgehend von einem Nabenbereich 32 in im Wesentlichen radialer Richtung r erstrecken. Die Speichen 31 münden radial außen in einem etwa einem Innendurchmesser der Felge 2 entsprechenden Außenring 33. Die Kontaktkontur des Radsterns 3 zur Felge 2 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel mittels des Außenrings 33 ausgebildet.
Der Außenring 33 weist außer der umlaufenden Kontaktkontur umlaufend Erhebungen 28 auf. Die Erhebungen 28 sind der Felge 2 zugewandt und der Felge 2 entsprechend ausgebildet. Die Erhebungen 28 sind über den Umfang verteilt auf dem Außenring 33 angeordnet. Außerdem weist der Außenring 33 eine Vertiefung 29 auf, die eine entsprechende Erhebung der Felge 2 aufzunehmen bestimmt ist. Die Erhebungen 28 und die Vertiefung 29 dienen als Verdrehsicherung zur Aufnahme von Brems- und Antriebsmoment.
Die Felge 2 weist nach radial innen und axial innen hin eine zweite umlaufende Kontur 26 auf. Dieser zweiten umlaufenden Kontur 26 entsprechend ausgebildet ist der Klemmring 4. Um sich gegen die zweite umlaufende Kontur 26 nach axial außen abstützen zu können weist der Klemmring 4 einen nach radial außen ausgebildeten Kragen 41 auf.
Die erste umlaufende Kontur 25 und die zweite umlaufende Kontur 26 sind Flanken eines nach radial innen aus der Felge 2 vorgewölbten umlaufenden Bauches 27.
Der Klemmring 4 ist mittels Schrauben 5 in den Radstern 3 verschraubt (1, 3) bzw. verschraubbar (2, 4). Dazu sind in radial äußeren Bereichen der Speichen 31, in verstärkten Mündungsbereichen 34 der Speichen 31 zu dem Außenring 33 hin, Innengewinde ausgeführt. Alternativ kommt auch statt der Verschraubung eine Vernietung bzw. ein Verstiften in Frage. Außerdem kann statt der punktweisen Befestigung des Klemmrings 4 mit dem Radstern 3 auch eine Verklebung als Befestigungsmittel gewählt werden, wobei lösbare Verbindungen bevorzugt werden.
Der Klemmring 4 ist etwa dem Bauch 27 entsprechend bauchig ausgeführt, wobei der Klemmring 4 den Bauch 27 radial innen beinahe vollständig umspannt. In einem axial äußeren Bereich ist nach radial außen ausgerichtet ein Dichtring 42 in den Klemmring 4 eingelassen, der radial außen gegen den Bauch 27 anliegt. Die axial äußere Flanke des Bauches 27 wird nicht durch den Klemmring 4 umspannt. In dem axial äußeren Bereich erstreckt sich der Klemmring über den Umfang verteilt mit Laschen nach radial innen. In den Laschen sind Durchtrittsöffnungen ausgeführt, durch die die Schrauben 5 führbar sind. Besonders vorteilhaft versinken die Köpfe der Schrauben 5 in den Durchtrittsöffnungen der Laschen.
In den 5 und 7 ist eine Verspannung von Felge 2 und Stern 3 mittels Klemmring 4 durch die Schrauben 5 vergrößert dargestellt. Die Verspannung wird über die geometrischen Formen der Bauteile und einen Spalt 6 zwischen Klemmring und Stern (im ungespannten Zustand, 5) und einer Klemmlänge definiert, wobei die Klemmlänge durch eine Bauchbreite 53 des Bauches 27 vorgegeben ist. Mittels der Schraube 5 kann der Spalt 6 geschlossen werden (7), woraus eine Vorspannung des Klemmrings 4 resultiert.
Durch die Vorspannung ergibt sich eine Stauchung des in dem Ausführungsbeispiel gewählten CFK-Bettes der Felge 2 und eine Dehnung des Klemmrings 4. Eine Verformung des Sterns 3 kann auf Grund dessen Gestaltung vernachlässigt werden.
Um eine optimale Vorspannkraft in das System zu bringen berücksichtigt in dem Ausführungsbeispiel der Spalt 6 zwischen Klemmring 4 und Stern 3 Fertigungstoleranzen. Um den Einfluss von Fertigungstoleranzen so gering wie möglich zu halten, muss das System möglichst nachgiebig sein. Dies macht das Klemmsystem auch unempfindlich gegenüber einem Setzen. Im gespannten Zustand und unter Belastung – vor allem bei Kurvenfahrt und somit durch eine Seitenkraft – muss die Vorspannung der Schrauben auf den Klemmring so groß sein, dass der Spalt 6 geschlossen bleibt. Ein Abheben zwischen Klemmring 4 und Stern 3 ist nicht zulässig.
Infolge verschiedener Betriebstemperaturen in einem Bereich zwischen –40°C und +120°C kommt es auf Grund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten der einzelnen Bauteile zu unterschiedlichem Ausdehnungsverhalten. Dies hat direkten Einfluss auf die Verspannung der Bauteile. Dabei dehnen sich die Bauteile radial und axial aus, bzw. ziehen sich zusammen. Entscheidend für die Vorspannung ist dabei die Ausdehnungskomponente in axialer Richtung.
Für das CFK-Bett kann ein sehr niedriger bis nicht vorhandener Wärmeausdehnungskoeffizienten angenommen werden. Es werden vereinfachend nur die Ausdehnung des Sterns 3 und Klemmrings 4 betrachtet. In 6 ist eine Überlegung verdeutlicht, aus der sich ergibt, dass die Bauchbreite 53 von einem Anbindungswinkel δ abhängt, weshalb dieser möglichst klein ausfallen sollte. Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung schlägt ein Kompromiss vor, denn je größer der Anbindungswinkel δ ist, desto flexibler ist das Verspannsystem und somit seine Unempfindlichkeit gegen Setzen.
Die axiale Ausdehnung unter Temperatur bewirkt einen Vorspannkraftverlust. Da sich im Wesentlichen nur der Stern 3 und der Klemmring 4, nicht jedoch das Felgenbett, axial ausdehnt findet eine Entlastung statt. Bei kalten Temperaturen wird dagegen eine Vorspannkraftzunahme zu verzeichnen sein. Je größer eine aus der Wahl der Bauchbreite 53 resultierende Klemmlänge desto höher ist der Vorspannkraftabfall unter steigender Temperatur.
Vorteilhaft werden die Bauteile des Verspannsystems so gestaltet, dass sich axiale und radiale Verspannstrecken wenigstens annähernd entsprechen. Dies gelingt bei einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform durch optimale Wahl des Anbindungswinkels δ, der Klemmlänge 53 und des Klemmradius 54. Hierdurch ist das Klemmsystem gegenüber Temperaturschwankungen in Bezug auf die Vorspannkraft stabil.
Bezugszeichenliste

1: Rad
2: Felge
3: Radstern
4: Klemmring
5: Schraube
6: Spalt
21: Felgeninnenbett
22: Felgenaußenbett
23: Felgeninnenhorn
24: Felgenaußenhorn
25: erste umlaufende Kontur
26: zweite umlaufende Kontur
27: Bauch
28: Erhebung
29: Vertiefung
31: Speiche
32: Nabenbereich
33: Außenring
34: Mündungsbereich
38: Vertiefung
41: Kragen
42: Dichtring
51: Flanke
52: Anbindungsbereich
53: Bauchbreite
54: Klemmradius
r: radiale Richtung
δ: Anbindungswinkel

Claims

Rad (1), insbesondere Leichtmetallrad für Kraftfahrzeuge, bestehend im Wesentlichen aus einer Felge (2) und einem Radstern (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Radstern (3) aus einem Metall oder aus einer Metalllegierung und die Felge (2) aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff bestehen, das Rad (1) einen Klemmring (4) aufweist und der Radstern (3) mittels des Klemmrings (4) an der Felge (2) befestigbar ist.
Rad (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Felge (2) ein Felgeninnenbett (21) und ein Felgenaußenbett (22) aufweist, die jeweils in ein Felgeninnenhorn (23) bzw. ein Felgenaußenhorn (24) übergehen, und der Radstern (3) in einer ersten umlaufenden Kontur (25) nach axial innen abgestützt ist, wobei die erste umlaufende Kontur (25) in dem Felgenaußenbett (22) oder in einem axial zu dem Felgenaußenbett (22) benachbarten Bereich der Felge (2) ausgebildet ist.
Rad (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Klemmring (4) im Wesentlichen einen V-förmigen oder einen U-förmigen Querschnitt aufweist.
Rad (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Klemmring (4) axial innen einen nach radial außen ausgebildeten Kragen (41) aufweist, der durch eine zweite umlaufende Kontur (26) der Felge (2) nach axial außen abgestützt ist.
Rad (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Felge (2) einen nach radial innen vorgewölbten umlaufenden Bauch (27) aufweist und dass mit Flanken (51) des Bauches (27) Konturen in der Felge (2) ausgebildet sind, insbesondere die erste umlaufende Kontur (25) und die zweite umlaufende Kontur (26).
Rad (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken (51) bei vertikaler Ausrichtung des Rades (1) in einem Anbindungsbereich (52) gegenüber der Vertikalen einen Anbindungswinkel (δ) einschließen.
Rad (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Klemmring (4), insbesondere mittels Schrauben (5), mit der Felge (2) und/oder dem Radstern (3) verbindbar ist, insbesondere in den Radstern (3) verschraubbar ist, wobei in einem ungespannten Zustand des Klemmrings (4), wenn der Klemmring (4) mit der Felge (2) in Kontakt steht, in einem Ringbereich, in dem ggf. die Schrauben (5) angeordnet sind, ein Spalt (6) zwischen dem Klemmring (4) und der Felge (2) oder dem Radstern (3) ausgebildet ist, der in einem gespannten Zustand des Klemmrings (4), ggf. nach Anziehen der Schrauben (5), geschlossen ist.
Rad (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Radstern (3) eine Vielzahl an Speichen (31) aufweist, die sich ausgehend von einem Nabenbereich (32) in im Wesentlichen radialer Richtung (r) erstrecken und endseitig in einem etwa einem Innendurchmesser der Felge (2) entsprechenden Außenring (33) münden.
Rad (1) nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrauben (5) in radial äußere Bereiche der Speichen (31) verschraubbar sind, insbesondere in verstärkte Mündungsbereiche (34) der Speichen (31) zu dem Außenring (33).
Rad (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Radstern (3) radial außen und der Felge (2) zugewandt Erhebungen (28) und/oder Vertiefungen (29) und die Felge (3) entsprechend viele dem Radstern (2) entsprechende Vertiefungen (38) und/oder entsprechende Erhebungen aufweisen.
Rad (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Klemmring (4) nach radial innen gewölbt ausgebildet ist, sodass der Klemmring (4) die Felge (2) nur axial innen mit einem Kragen (41) und axial außen mit einem Dichtring (42) umlaufend berührt.