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Die Erfindung bezieht sich auf ein Fahrzeugrad, umfassend eine Felge aus Stahl und eine Radscheibe aus einer Leichtmetalllegierung, welche miteinander verbunden sind. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
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Fahrzeugräder von Personenkraftfahrzeugen sind üblicherweise entweder als Stahlräder ausgeführt, bei denen sowohl die Felge als auch die Radscheibe aus einer Stahllegierung bestehen, oder aber als Leichtmetallräder, bei denen sowohl die Felge als auch die Radscheibe aus einer Leichtmetalllegierung bestehen.
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Stahlräder zeichnen sich gegenüber Leichtmetallrädern durch deutlich geringere Fertigungskosten aus. Demgegenüber bieten Leichtmetallräder größere gestalterische Freiheiten in Bezug auf die Außenseite des Rads, welche vorwiegend durch die Erscheinung der Radscheibe bestimmt wird. Sie sind darüber hinaus leichter als Stahlräder.
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Im Hinblick auf eine ansprechende optische Gestaltung einerseits sowie eine robuste Ausgestaltung und geringe Fertigungskosten andererseits erscheint es erstrebenswert, eine Stahlfelge mit einer Leichtmetall-Radscheibe zu kombinieren. Das Verbinden von Bauteilen aus unterschiedlichen Werkstoffen gestaltet sich jedoch in der Praxis unter vielerlei Gesichtspunkten als ausgesprochen schwierig. Fahrzeugräder sind im Gebrauch hohen Beanspruchungen ausgesetzt, so dass eine hohe Stabilität der Verbindung erforderlich ist. Bisher zum Einsatz kommende Fügetechniken sind daher sehr aufwändig.
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Aus
DE 198 04 739 A1 und
DE 100 58 807 A1 ist bekannt, eine Leichtmetall-Radscheibe und eine Radfelge aus Stahl durch Reibschweißen unmittelbar miteinander zu verbinden. Ferner ist aus
DE 10 2006 055 704 A1 und
DE 20 2008 010 617 U1 bekannt, eine Stahlfelge mit einer Leichtmetall-Radscheibe zu verpressen. Diese Lösungen konnten sich jedoch in der Praxis nicht durchsetzen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, hier Abhilfe zu schaffen. Insbesondere zielt die Erfindung darauf ab, die Herstellung eines Fahrzeugrads mit einer Stahlfelge und einer Leichtmetall-Radscheibe zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch ein Fahrzeugrad gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Fahrzeugrad umfasst eine Felge aus Stahl und eine Radscheibe aus einer Leichtmetalllegierung, welche miteinander verbunden sind. Es zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens ein Befestigungselement, das einen Kopf und einen daran anschließenden Schaft aufweist, einen Abschnitt der aus einer Leichtmetalllegierung gefertigten Radscheibe durchdringt und im Bereich seines Schafts mit der Felge aus Stahl verschweißt ist, wobei der Kopf des Befestigungselements an der Radscheibe abgestützt ist.
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Das zu verwendende Befestigungselement ermöglicht eine einfache und stabile Verbindung einer Radscheibe aus einer Leichtmetalllegierung mit einer Felge aus Stahl. Dies gestattet große Freiheiten in Bezug auf die Gestaltung der Außenseite der Radscheibe sowie den Einsatz einer robusten Stahlfelge. Im Vergleich zu herkömmlichen Stahlrädern ergibt sich ein geringeres Gesamtgewicht des Fahrzeugrads verbunden mit einer optisch ansprechenden Gestaltung. Im Vergleich zu herkömmlichen Leichtmetallrädern lassen sich die Fertigungskosten spürbar reduzieren.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht das Befestigungselement aus Stahl. Hierdurch kann dieses aufgrund seiner höheren Festigkeit während des Fügeprozesses zum Durchdringen der Leichtmetall-Radscheibe verwendet werden. Im Idealfall kann auf die Vorbereitung entsprechender Öffnungen an der Radscheibe verzichtet werden oder es werden diese mit einem kleineren Durchmesser als der Schaft hergestellt, wodurch sich eine besonders innige Verbindung ergibt.
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Vorzugsweise verläuft der Schaft des Befestigungselements in Radialrichtung des Fahrzeugrads, so dass der Querschnittsverlauf der Felge im Befestigungsbereich keiner großen Umformgrade bedarf.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die Felge aus Stahl, die aus einer Leichtmetalllegierung gefertigte Radscheibe oder beide eine Korrosionsschutzschicht auf. Die Korrosionsschutzschicht mindestens eines der genannten Bauteile erstreckt sich in den Kontaktbereich von Felge und Radscheibe hinein bis zu dem Befestigungselement. Hierdurch wird besonders guter Korrosionsschutz erzielt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fahrzeugrads entspricht der Außendurchmesser der Radscheibe dem Außendurchmesser des äußeren Felgenhorns der Felge oder ist größer als dieser. Hierdurch ist die Felge bei aufgezogenem Reifen kaum oder überhaupt nicht sichtbar, so dass sich im Gebrauchszustand bei Betrachtung von außen der Eindruck eines reinen Leichtmetallrads ergibt.
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Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin durch ein Herstellungsverfahren gemäß Patentanspruch 6 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Fahrzeugrads mit einer Stahlfelge und einer Leichtmetall-Radscheibe zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens ein Befestigungselement, das einen Kopf und einen daran anschließenden Schaft aufweist, unter Drehung um seine Längsachse durch die Leichtmetall-Radscheibe getrieben wird, bis das Befestigungselement auf die Stahlfelge auftrifft, wobei der Schaft mit der Stahlfelge verschweißt und der Kopf in Anlage gegen die Leichtmetall-Radscheibe gelangt.
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Hierdurch lassen sich Komposit-Fahrzeugräder, insbesondere auch in großen Stückzahlen, kostengünstig und prozesssicher fertigen.
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Zur Verbesserung des Korrosionsschutzes können gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens die Stahlfelge, die Leichtmetall-Radscheibe oder beide bereits vor ihrer Verbindung untereinander mit einer Korrosionsschutzschicht versehen werden. Hierdurch lässt sich ein in guter Korrosionsschutz insbesondere auch in später schwer zugänglichen Bereichen des Fahrzeugrads gewährleisten.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Verschweißen des Schaftes mit der Stahlfelge allein durch Reibung. Hierdurch bleibt der apparative Aufwand bei der Herstellung gering. Des Befestigungselement wird hierzu mit einer hinreichend hohen Drehzahl beaufschlagt.
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Vorzugsweise wird ein Befestigungselement aus Stahl verwendet, welches aufgrund seiner höheren Festigkeit gleichzeitig als Bohrvorrichtung zum Durchdringen der Radscheibe eingesetzt werden kann.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine räumliche Ansicht eines Fahrzeugrads nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und in
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2 eine Querschnittsansicht des Fahrzeugrads.
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Das Ausführungsbeispiel zeigt ein Fahrzeugrad 10 für ein Personenkraftfahrzeug. Wie 1 entnommen werden kann, weist dessen Außenseite eine Gestaltung auf, wie sie von herkömmlichen Leichtmetallrädern bekannt ist, bei Stahlrädern jedoch aus fertigungstechnischen Gründen nicht oder nur sehr schwer realisiert werden kann.
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Das Fahrzeugrad 10 weist gleichwohl eine Felge 20 aus Stahl auf, welche mit einer Radscheibe 30 aus einer Leichtmetalllegierung verbunden ist.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht. Wie in dieser entnommen werden kann, weist die Felge 20 ein außenseitiges Felgenhorn 21 und ein innenseitiges Felgenhorn 22 auf. Beide Felgenhörner 21 und 22 sind durch ein Felgentiefbett 23 integral miteinander verbunden. An dem Felgentiefbett 23 ist ein Wandabschnitt radial nach innen, das heißt zur Mitte der Felge hin eingezogen. Der so gebildete Ringabschnitt 24 dient als Befestigungsbereich 25 für die Radscheibe 30 und ist an seinem Innenumfang im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet.
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Die Radfelge 20 ist aus Stahlblech hergestellt und weist eine vorzugsweise konstante Wanddicke auf. Es ist jedoch möglich, den Ringabschnitt 24 zumindest im Bereich seiner radialen Abstützung auf dem Außenumfang der Radscheibe 30 mit einer verjüngten Wanddicke auszubilden. Ferner kann die Felge 20 an den Felgenhörner 21 und 22 mit einer größeren Wanddicke als im Bereich des Felgentiefbetts 23 ausgeführt sein.
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Die Felge 20 ist überdies mit einer Korrosionsschutzschicht 26 versehen. Die Korrosionsschutzschicht ist beispielsweise ein vor der Verbindung mit der Radscheibe 30 aufgebrachter Lack.
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Die Radscheibe 30 besteht aus einer Leichtmetalllegierung, beispielsweise einer Aluminiumlegierung. Sie ist in herkömmlicher Art und Weise beispielsweise als einstückiges Gussteil hergestellt.
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Insbesondere weist die Radscheibe 30 eine zur Drehachse A des Fahrzeugrads 10 senkrechte Außenseite 31 auf, welche das optische Erscheinungsbild des Fahrzeugrads prägt. In Radmitte ist eine Nabe 32 ausgebildet, mit welcher das Fahrzeugrad 10 an einem Radflansch eines Fahrzeugs zentrierbar ist. Ferner sind in 1 Befestigungsöffnungen 33 zur Befestigung des Fahrzeugrads an einem Radflansch mittels Radschrauben oder Radmuttern vorgesehen. Das in 1 gezeigten Speichendesign der Außenseite 31 ist lediglich beispielhafter Natur. Es kann in vielfältiger Weise durch andere Gestaltungsformen ersetzt werden.
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Wie 2 entnommen werden kann, erstreckt sich die Außenseite 31 der Radscheibe radial über das äußere Felgenhorn 21 hinaus, so das bei aufgezogenem Reifen in Blickrichtung senkrecht auf das Fahrzeugrad von außen lediglich die Radscheibe 30 zu sehen ist, das heißt die Felge 20 vollständig durch die Radscheibe 30 abgedeckt wird.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel liegt die Felge 20 vom Befestigungsbereich 25 bis zum äußeren Felgenhorn 21 radial am Außenumfang der Radscheibe 30 an. Im radialen Randbereich bildet die Radscheibe 30 innenseitig eine Stufe 34 aus, an der sich der nach radial innen umgebogene Rand 27 des äußeren Felgenhorn 21 sowohl radial als auch axial abstützt.
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Dabei überlappt der Rand 35 der Radscheibe 30 den Rand 27 der Felge 20 bzw. des Felgenhorns 21. Der Außendurchmesser der Radscheibe 30 ist dementsprechend größer als der Außendurchmesser des äußeren Felgenhorns 21.
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Es ist jedoch grundsätzlich auch möglich, sichtbare Abschnitte der Felge 20 in das äußere Erscheinungsbild des Fahrzeugrads mit einzubeziehen, so dass beispielsweise ein das äußere Felgenhorn einschließender Ringabschnitt zumindest teilweise sichtbar bleibt. In diesem Fall deckt die Radscheibe 30 die Felge nicht vollständig nach außen ab.
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Weiterhin ist in 2 eine Ventilöffnung 11 zu erkennen, die sich sowohl durch die Felge 20 als auch durch die Radscheibe 30 erstreckt.
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Auch die Radscheibe 30 kann mit einer Korrosionsschutzschicht 36 versehen sein, welche vor dem Zusammenfügen mit der Felge 20, beispielsweise in Form eines Lacks, aufgebracht worden ist.
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Die Felge 20 aus Stahl sowie die aus einer Leichtmetalllegierung gefertigte Radscheibe 30 sind mit mindestens einem, vorzugsweise einer Vielzahl von Befestigungselementen 40 verbunden, welche jeweils einen Kopf 41 und einen daran anschließenden Schaft 42 aufweisen.
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Wie 2 entnommen werden kann, durchdringt das Befestigungselement 40 einen Abschnitt der Radscheibe 30 und ist im Bereich seines Schafts 42 mit der Felge 20 verschweißt. Dabei stützt sich der Kopf des Befestigungselements 40 an der Radscheibe 30 ab.
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Die Radscheibe 30 ist vorzugsweise allein durch derartige Befestigungselemente 40 an der Felge 20 befestigt. Sie bildet hierzu einen im Wesentlichen zylindrischen Befestigungsabschnitt 37 aus, der sich in den Ringabschnitt 24 der Felge 20 hinein erstreckt und unter Zwischenschaltung der vorgenannten Korrosionsschutzschichten 26 und 36 gegen diesen radial anliegt.
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Die Befestigungselemente 40 sind jeweils von innen durch den zylindrischen Befestigungsabschnitt 37 der Radscheibe 30 hindurchgeführt, so das die Schäfte 42 jeweils mit dem Ringabschnitt 24 der Felge 20 verschweißt sind. Die Schäfte 42 verlaufen dementsprechend in Radialrichtung des Fahrzeugrads 10.
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Zur Herstellung des vorstehend erläuterten Fahrzeugrads werden zunächst eine Stahlfelge 20 und eine Leichtmetall-Radscheibe 30 als separate Bauteile hergestellt.
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Vor ihrem Zusammenfügen wird zumindest eines der beiden Bauteile, vorzugsweise jedoch beide, mit einer Korrosionsschutzschicht versehen.
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Anschließend wird die Radscheibe 30 mit ihrem Befestigungsabschnitt 37 in die Stahlfelge 20 eingesetzt.
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In einer geeigneten Vorrichtung werden anschließend die Befestigungselemente 40 eingebracht. Diese werden mit einer hohen Drehzahl durch das Leichtmetall der Radscheibe 30 getrieben und Verschweißen beim Auftreffen auf die Stahlfelge 20 mit dieser. Gleichzeitig gelangt hierbei der Kopf 42 in Anlage mit dem radialen Innenumfang des Befestigungsabschnitts 37 der Radscheibe 30, wodurch letztere an der Felge 20 fixiert wird.
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Die vorzugsweise aus Stahl bestehenden Befestigungselemente 20 dienen hierbei gewissermaßen als Bohrvorrichtungen, so dass auf Seiten der Radscheibe 30 auf entsprechende Öffnungen verzichtet werden kann. Zur zielgenaueren Positionierung der Befestigungselemente 40 können jedoch gegebenenfalls entsprechende Öffnungen an dem Befestigungsabschnitt 37 vorgesehen werden, wobei im Hinblick auf eine besonders innige Verbindung der Innendurchmesser dieser Öffnungen vorzugsweise kleiner als der Durchmesser des Schafts 42 gewählt wird.
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Die zum Verschweißen der Schäfte 42 mit der Stahlfelge 20 benötigte Energie wird vorzugsweise allein aus der kinetischen Energie der Drehbewegung der Befestigungselemente 40 bezogen, wodurch der apparative Aufwand für das Fügen von Felge 20 und Radscheibe 30 gering bleibt. Da mittels der Befestigungselemente 40 jeweils lediglich nur eine punktuelle Befestigung erfolgt, ist der für das Reibverschweißen benötigte Energieaufwand verhältnismäßig gering. Im Vergleich zu herkömmlichen Schweißverfahren werden Wärmeverzüge sowie die Problematik von Schweißspritzern vollständig vermieden.
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Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in näher erläutert. Sie ist jedoch nicht darauf beschränkt, sondern umfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Fahrzeugrad
- 11
- Ventilöffnung
- 20
- Felge
- 21
- äußeres Felgenhorn
- 22
- inneres Felgenhorn
- 23
- Felgentiefbett
- 24
- Ringabschnitt
- 25
- Befestigungsbereich
- 26
- Korrosionsschutzschicht
- 27
- Rand des äußeren Felgenhorns
- 30
- Radscheibe
- 31
- Außenseite
- 32
- Nabe
- 33
- Befestigungsöffnung
- 34
- Stufe
- 35
- Rand der Radscheibe
- 36
- Korrosionsschutzschicht
- 37
- Befestigungsabschnitt
- 40
- Befestigungselement
- 41
- Kopf
- 42
- Schaft
- A
- Längsachse des Fahrzeugrads
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19804739 A1 [0005]
- DE 10058807 A1 [0005]
- DE 102006055704 A1 [0005]
- DE 202008010617 U1 [0005]
