DE102013202271A1

DE102013202271A1 - Fahrzeugrad

Info

Publication number: DE102013202271A1
Application number: DE201310202271
Authority: DE
Inventors: Christian Bögle; Franz Hoiss; Jyrki Majamäki
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-02-12
Filing date: 2013-02-12
Publication date: 2014-08-14

Abstract

Nach der Erfindung ist ein Fahrzeugrad, mit wenigstens mit einem Radstern oder einer Radscheibe aus Metall und Faserverbundwerkstoff, einer Felge und einem Reifen dafür, wobei Faserverbundwerkstoff und Metall des Radsterns oder der Radscheibe untrennbar so miteinander verbunden sind, dass sowohl der metallische, eine Teil des Radsterns oder der Radscheibe, als auch der andere Teil des Radsterns oder der Radscheibe aus Faserverbundwerkstoff beim Betrieb des Rades entstehende Kräfte aufnehmen und weiterleiten, dadurch gekennzeichnet, dass Kraftanteile der Betriebskräfte sich parallel auf den einen oder den anderen Teil des Radsterns oder der Radscheibe aufteilen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugrad, wenigstens mit einem Radstern oder einer Radscheibe aus Metall und Faserverbundwerkstoff, einer Felge und einem Reifen dafür, nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
Es ist bereits bekannt, Räder aus Faserverbundwerkstoff zu bauen, indem verschiedene Radeinzelteile vorgefertigt werden und danach das Rad aus diesen zusammen gesetzt wird.
Die DE 41 23 459 C1 beschreibt ein solches gebautes Rad mit einer Felge aus Kunststoff und einer Radschüssel aus Metall. Beide sind form-/kraft-/oder materialschlüssig zusammen gefügt. Die DE 22 40 606 C2 beschreibt ein Fahrzeugrad mit einer Radscheibe aus Stahlblech mit Kunststoffauflagen u. a. auch zur Darstellung unterschiedlicher Designs und DE 100 06 400 A1 beschreibt eine Radscheibe aus faserverstärktem Kunststoff mit Metalleinlagen.
Radscheiben bzw. Radsterne aus Kohlefaser verstärktem Kunststoff, CFK, haben das Problem des Fließens der Matrix unter Dauerbelastung. Bei einer lastgerechten Auslegung tritt dieser Effekt speziell im Bereich der Verschraubung der Radscheibe oder des Radsterns in Laminat-Dicken-Richtung an der Nabe auf. Während metallische Werkstoffe, wie Stahl oder Aluminium in einem wesentlich geringeren Maße zu solchem Fließen neigen. Leichtmetallfelgen werden weitgehend nach Design-spezifischen Kriterien ausgelegt, während Stahlfelgen wesentlich filigraner ausgeführt werden können. Hierdurch werden sowohl die ungefederten, als auch die gefederten Massen reduziert, was sich positiv auf die CO2 Bilanz und die Fahrdynamik auswirken kann. Stahl als Werkstoff hat den Vorteil der geringeren Kosten, günstigerer Fügeverfahren und ein wesentlich gutmütigeres Versagensverhalten als Aluminium. Auch kann die Festigkeit in einem breiteren Spektrum beeinflusst werden, woraus ein optimales Design bezüglich Crash-Absorbtion entwickelt werden kann, so dass es möglich wäre, eine Felge auf neue Crash-Anforderungen, wie z. B. Small Overlapp, hin zu optimieren und auch ein Teil der Intrusionsenergie zu verzehren.
Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, ein Fahrzeugrad mit einer Radscheibe oder einem Radstern aus Faserverbundwerkstoff und Metall bereitzustellen, das beanspruchungsgerecht optimiert ausgebildet ist.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Nach der Erfindung ist ein Fahrzeugrad, mit wenigstens mit einem Radstern oder einer Radscheibe aus Metall und Faserverbundwerkstoff, einer Felge und einem Reifen dafür, wobei Faserverbundwerkstoff und Metall des Radsterns oder der Radscheibe untrennbar so miteinander verbunden sind, dass sowohl der metallische, eine Teil des Radsterns oder der Radscheibe, als auch der andere Teil des Radsterns oder der Radscheibe aus Faserverbundwerkstoff beim Betrieb des Rades entstehende Kräfte aufnehmen und weiterleiten, dadurch gekennzeichnet, dass Kraftanteile der Betriebskräfte sich parallel auf den einen oder den anderen Teil des Radsterns oder der Radscheibe aufteilen.
Das hat den Vorteil, dass der Kraftfluss der Betriebskräfte durch das Scheibenrad oder den Radstern aufgeteilt wird und jeweils ein Teilkraftfluss durch den einen und ein Teilkraftfluss durch den anderen Teil der Radscheibe oder des Radsterns übertragen werden, was dazu führt, dass beide Teile von Radscheibe oder Radstern, sowohl der eine aus Stahl, als auch der andere aus Kohlefaserverbundwerkstoff filigraner ausgelegt werden können, da diese zusammen die Gesamtlast der Radscheibe oder des Radsterns übernehmen. So kann durch die Verwendung von Kohlefaser auch die Steifigkeit und Festigkeit der Radscheibe oder des Radsterns weiter erhöht und gleichzeitig der Metallanteil reduziert werden, was insgesamt zu einer Gewichtsreduzierung des Fahrzeugrades führt. Außerdem können durch den Verbundwerkstoff Design-Anforderungen umgesetzt werden, bei deren Ausführung ausschließlich mit Stahlwerkstoff aufgrund dessen hohen spezifischen Gewichts große Nachteile in Kauf genommen werden müssten.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Fahrzeugrades ist dadurch gekennzeichnet, dass der andere Teil des Radsterns oder der Radscheibe aus Faserverbundwerkstoff eine faserverstärkte, strukturelle Kunststoffauflage mit angepasster Wärmeausdehnung ist. Der Problematik der verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten einer Hybridstruktur kann durch den negativen Wärmeausdehnungs-Koeffizienten der Kohlefaser entgegengewirkt werden. So besitzt die Kohlefaser die Eigenschaft sich bei Wärme zusammenzuziehen. Für einen faserverstärkten Kunststoff ergibt sich so in Richtung der Kohlefaser ein negativer bzw. sehr niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient (–2e-6–2e-6, je nach Faservolumengehalt), und ein hoher (ca. 30e-6) senkrecht zur Faserrichtung. Wird die Kohlefaser nun quasiisotrop angeordnet, also ausgeglichen in allen Richtungen der Ebenen, ergibt sich so ein Wärmeausdehnung-Koeffizient von ca. 2.0–4.0 E-6. Für einen Wirrfaser-Verbund muss sich so ein noch höherer Koeffizient ergeben, der dann auch noch durch den Faservolumengehalt und die Füllstoffe angepasst werden kann. Dadurch ist eine dauerhafte Verbindung, auch bei wechselnden Temperaturen durch Witterung und Bremswärme gewährleistet.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des Fahrzeugrades ist dadurch gekennzeichnet, dass der eine Teil des Radsterns oder der Radscheibe aus Metall mit einem kurzfaserverstärkten Kohlefaserverbundwerkstoff umspritzt oder verpresst wird, der den anderen Teil des Radsterns oder der Radscheibe bildet. Hierbei können vorteilhafterweise auch noch Designanforderungen berücksichtigt werden.
Ganz allgemein besitzt ein Fahrzeugrad gemäß der Erfindung noch den Vorteil, dass die ungefederten und bewegten Massen reduziert werden, was positiven Einfluß auf die Fahrdynamik des Fahrzeugs hat, der CO2 Ausstoß des Fahrzeugs wird reduziert und das Crashverhalten beim Small Overlap wird verbessert. Dies alles bei völliger Designfreiheit und Kostenreduktion durch Verwendung einer Basisfelge für verschieden Designs und durch die Möglichkeit der Verwendung von Recyclingmateralien für die CFK Struktur, zum Beispiel von Gewebeabfällen aus Halbzeugherstellung. Zusätzlich ergibt sich aber auch noch die Möglichkeit verschiedene Designs mit einer Basisscheibe oder einem Basisstern herzustellen, wodurch ebenfalls eine Kostenreduktion erreicht werden kann. Abschließend kann der Verbund oberflächenveredelt werden, und ist hinsichtlich Design heutigen Leichtmetallrädern ebenbürtig, jedoch leichter und versagenstoleranter.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschreibt die nachfolgende Beschreibung mit der zugehörigen Zeichnung. Es zeigen:
1: einen Teilquerschnitt durch ein Fahrzeugrad gemäß der Erfindung und
2: eine Ansicht eines weiteren Fahrzeugrads gemäß der Erfindung mit über bestimmte Winkelbereiche angedeutet eingezeichneten unterschiedlichen Raddesigns.
1 zeigt ein Fahrzeugrad mit einer Radscheibe 1 aus Stahl 1a und Faserverbundwerkstoff 1b. Eine Felge 2 aus Stahl 2a und Faserverbundwerkstoff 2b, zur Aufnahme eines nicht gezeichneten Reifens, wird auf nach dem Stand der Technik bekannte Weise, zum Beispiel mittels Schweißen, an dem einen Teil der Radscheibe 1 aus Stahl 1a befestigt. Danach werden Radscheibe 1 mit Felge 2 aus Stahl 1a, 2a auf ihrer Oberfläche zur Fahrzeugaußenseite hin mit einer Pressmasse aus kurzfaserverstärktem Kohlefaserverbundwerkstoff 1b, 2b verpresst, der den anderen Teil der Radscheibe 1 und Felge 2 bildet. Die Felge 2 und die Radscheibe 1 aus Stahl 2a, 1a sind dann mit der Pressmasse aus Kohlefaserverbundwerkstoff 2b, 1b untrennbar so verbunden, dass sowohl der metallische, eine Teil 1a, 2a der Radscheibe 1 bzw. Felge 2, als auch der andere Teil der Radscheibe 1b bzw. der Felge 2b aus Faserverbundwerkstoff beim Betrieb des Rades entstehende Kräfte aufnehmen und weiterleiten. Die Kraftanteile der Betriebskräfte teilen sich parallel auf den einen 1a, 2a oder den anderen 1b, 2b Teil der Radscheibe 1 bzw. Felge 2 auf. Aus Gründen einer großen Werkstoffsetzung bei Faserverbundwerkstoff 1b ist die Radscheibe 1 nur über ihren einen Teil aus Stahl 1a an einer Radnabe 3 mittels Schrauben 4 befestigt.
2 zeigt an einem weiteren Fahrzeugrad drei verschiedene Designvarianten für Räder, hergestellt durch Umspritzen mit Fasderverbundwerkstoff eines Stahlrades mit fünfspeichigem Radstern 1' aus Stahl 1'a. Im linken Bereich des Fahrzeugrads, von einer zwölf Uhr Position bis 144 Winkelgrad gegen die Uhrzeigerdrehrichtung, ist ausschließlich der Radstern 1' aus Stahl 1'a und die an diesem angeschweißte Felge 2' aus Stahl 2'a dargestellt. Weiter in des Uhrzeigers entgegengesetzter Drehrichtung, von 144 Winkelgrad bis 216 Winkelgrad, sind die Felge 2' und der Radstern 1' umspritzt mit Kohlefaserverbundwerkstoff 1'b, 2'b. Außerdem sind drei weitere Speichen 5'b aus Kohlefaserverbundwerkstoff zwischen Radnabe 3'b und Felge 2'b, umspritzt mit Kohlefaservebundwerkstoff, eingezogen. Im weiteren Verlauf am Fahrzeugrad entgegen die Uhrzeigerdrehrichtung, von 216 Winkelgrad bis 288 Winkelgrad, ist eine weitere Designvariante, gestaltet mittels des Kohlefaserverbundwerkstoffs 1'b, 2'b, dargestellt. Hier wurde nur eine zusätzliche Speiche 6'b aus diesem Werkstoff zwischen Felge 2'b und Radnabe 3'b eingezogen. Ohne zusätzliche Speiche, ausschließlich die Felge 2'a und den Radstern 1'a aus Stahl umspritzt mit Kohlefaserverbundwerkstoff 1'b, 2'b, ist ein letzter Designvorschlag weiter im Bereich des Fahrzeugrades von 288 Winkelgrad bis 360 Winkelgrad entgegen die Uhrzeigerdrehrichtung dargestellt. Auf diese Weise können, natürlich für verschiedene Räder, mittels der anderen Teile 1'b, 2'b des Radsterns 1' und der Felge 2' aus Kohlefaserverbundwerkstoff verschiedene Designs unter Nutzung einer immer gleichen Basis aus Radstern 1' und Felge 2' aus Stahl 1'a, 2'a erzeugt werden. Dabei ist in der zeichnerischen Darstellung der nicht schraffierte Bereich aus Stahl 1'a, 2'a und der schraffierte Bereich aus Stahl 1'a, 2'a und Kohlefaserverbundwerkstoff 1'b, 2'b, wobei die drei verschiedenen Schraffuren drei verschiedene, mögliche Designausbildungen mit dem Kohlefaserverbundwerkstoff 1'b, 2'b zeigen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4123459 C1 [0003]
DE 2240606 C2 [0003]
DE 10006400 A1 [0003]

Claims

Fahrzeugrad, wenigstens mit einem Radstern (1') oder einer Radscheibe (1) aus Metall (1'a, 1a) und Faserverbundwerkstoff (1'b, 1b), einer Felge (2, 2') und einem Reifen dafür, wobei Faserverbundwerkstoff (1'b, 1b) und Metall (1'a, 1a) des Radsterns (1') oder der Radscheibe (1) untrennbar so miteinander verbunden sind, dass sowohl der metallische, eine Teil (1'a, 1a) des Radsterns (1') oder der Radscheibe (1), als auch der andere Teil (1'b, 1b) des Radsterns (1') oder der Radscheibe (1) aus Faserverbundwerkstoff beim Betrieb des Rades entstehende Kräfte aufnehmen und weiterleiten, dadurch gekennzeichnet, dass Kraftanteile der Betriebskräfte sich parallel auf den einen (1'a, 1a) oder den anderen Teil (1'b, 1b) des Radsterns (1') oder der Radscheibe (1) aufteilen.
Fahrzeugrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der andere Teil (1'b, 1b) des Radsterns (1') oder der Radscheibe (1) aus Faserverbundwerkstoff eine faserverstärkte, strukturelle Kunststoffauflage mit angepasster Wärmeausdehnung ist.
Fahrzeugrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Teil (1'a, 1a) des Radsterns (1') oder der Radscheibe (1) aus Metall mit einem kurzfaserverstärkten Kohlefaserverbundwerkstoff umspritzt oder verpresst wird, der den anderen Teil (1'b, 1b) des Radsterns (1') oder der Radscheibe (1) bildet.