DE102013221514A1

DE102013221514A1 - Befestigungsanordnung eines aus kohlefaserverstärktem Kunststoff bestehenden Fahrzeug-Rades

Info

Publication number: DE102013221514A1
Application number: DE201310221514
Authority: DE
Inventors: Moritz Ackermann; Stefan Paleit; Christoph Renner; Peter Jägermeyr; Johann Ertl; Werner Hubauer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-10-23
Filing date: 2013-10-23
Publication date: 2015-04-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Befestigungsanordnung eines zumindest im Befestigungsbereich zumindest anteilig aus kohlefaserverstärktem Kunststoff bestehenden Fahrzeug-Rades an einer Fahrzeug-Radnabe unter Zwischenlage einer Metallscheibe sowie mit Korrosionsschutzmaßnahmen zwischen dem faserverstärkten Kunststoffmaterial oder einem mit diesem verbundenen und gegenüber kohlefaserverstärktem Kunststoff korrosionsresistenten Metallwerkstoff im Rad und weniger noblen und somit galvanisch korrosionsgefährdeten Metallbauteilen der Befestigungsanordnung auch im Bereich der Radschrauben, mit Hilfe derer das Rad über seine Schraubendurchgangslöcher an die Nabe angeschraubt ist. Es ist die zumindest zum Rad-Kunststoffmaterial oder zum korrosionsresistenten Metallwerkstoff hin mit einer Korrosionsschutzschicht überzogene Metallscheibe zumindest geringfügig in die Schraubendurchgangslöcher hineingezogen und es sind zweiteilige Radschrauben vorgesehen, bei denen ein für einen Werkzeug-Angriff vorgesehenes Kopfteil auf einen vom Gewindebolzen durchdrungenen und zumindest annähernd konisch ausgebildeten und im montierten Zustand in die Schraubendurchgangslöcher hineinragenden Ringkörper einwirkt, welcher auf dem Rad-Kunststoffmaterial oder dem korrosionsresistenten Metallwerkstoff aufliegt und zumindest zu diesem hin mit einer Korrosionsschutzschicht überzogen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Befestigungsanordnung eines zumindest im Befestigungsbereich zumindest anteilig aus kohlefaserverstärktem Kunststoff bestehenden Fahrzeug-Rades an einer Fahrzeug-Radnabe unter Zwischenlage einer Metallscheibe sowie mit Korrosionsschutzmaßnahmen zwischen dem faserverstärkten Kunststoffmaterial oder einem mit diesem verbundenen Titanwerkstoff oder einem anderen gegenüber kohlefaserverstärktem Kunststoff korrosionsresistenten Metallwerkstoff im Rad und weniger noblen und somit galvanisch korrosionsgefährdeten Metallbauteilen der Befestigungsanordnung auch im Bereich der Radschrauben, mit Hilfe derer das Rad über seine Schraubendurchgangslöcher an die Nabe angeschraubt ist. Zum Stand der Technik wird beispielshalber neben der EP 1 529 969 B1 auf die WO 2013/083443 A1 verwiesen.
Im Fahrzeugbau ist Leichtbau insbesondere auch bei den sog. ungefederten Massen ein besonders wichtiges Thema, bei dessen Umsetzung vermehrt auch kohlefaserverstärkte Kunststoffe, oftmals auch zusammen mit Titan oder einem anderen gegenüber kohlefaserverstärktem Kunststoff korrosionsresistenten Metallwerkstoff zum Einsatz kommen. Andererseits werden aus Festigkeitsgründen weiterhin metallische Bauteile benötigt, welche aus Wirtschaftlichkeitsgründen in weniger noblen und somit galvanisch korrosionsgefährdeten Metallwerkstoffen ausgeführt sind, und es sind folglich geeignete Maßnahmen zur Verhinderung einer galvanischen Kontaktkorrosion zwischen diesen genannten Materialien bzw. Werkstoffen zu ergreifen, welche Kontaktkorrosion auch als Galvanokorrosion oder elektrolytische Korrosion, hervorgerufen durch elektrochemisches Spannungspotential zwischen Metall und dem Kohlenstoff des CFK-Materials bezeichnet wird.
In diesem Sinne eine korrosionsbeständige Befestigungsanordnung für ein zumindest anteilig aus kohlefaserverstärktem Kunststoff bestehendes Fahrzeug-Rad (bspw. eines Personenkraftwagens) nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zum Rad-Kunststoffmaterial hin mit einer Korrosionsschutzschicht überzogene Metallscheibe zumindest geringfügig in die Schraubendurchgangslöcher hineingezogen ist und dass zweiteilige Radschrauben oder bei Verwendung von in der Nabe des Fahrzeugs verbleibenden Gewindebolzen zweistückige Bolzenmuttern vorgesehen sind, bei denen ein für einen Werkzeug-Angriff vorgesehenes Kopfteil auf einen vom Gewindebolzen durchdrungenen und zumindest annähernd konisch ausgebildeten und im montierten Zustand in die Schraubendurchgangslöcher hineinragenden Ringkörper einwirkt, welcher auf dem Rad-Kunststoffmaterial oder dem korrosionsresistenten Metallwerkstoff des Rades aufliegt und zumindest zu diesem hin mit einer Korrosionsschutzschicht überzogen ist. Nach vorteilhaften Weiterbildungen sind die Radschrauben in Stahl und der Ringkörper sowie die Metallscheibe in einer Aluminiumlegierung ausgeführt, während die Korrosionsschutzschicht aus einer galvanisch isolierenden Beschichtung mit einer Schichtdicke in der Größenordnung von 60 Mikrometern gebildet sein kann.
Es hat sich gezeigt, dass relativ einfache Korrosionsschutzmaßnahmen, so wie sie bspw. in der eingangs genannten WO 2013/083443 A1 kurz beschrieben sind, nicht ausreichend sein können, weswegen hiermit eine zwar etwas aufwändigere, aber erheblich sicherere Maßnahme zur Verhinderung von Kontaktkorrosion aufgezeigt wird. Insbesondere wird hierfür die Verwendung einer zweiteiligen Radschraube mit integriertem sog. Ringkörper vorgeschlagen, welcher zwischen dem Rad und dem Schraubenkopf liegt. Eine solche zweiteilige Schraube ist bspw. in der eingangs weiterhin genannten EP 1 529 969 B1 gezeigt, jedoch ragt abweichend von diesem bekannten Stand der Technik der zumindest annähernd konisch ausgebildete und mit seiner zumindest annähernd konischen Fläche, wozu auch eine halbkugelförmige Fläche zählt, auf einer entsprechende Fläche des Rades aufliegende Ringkörper nach vorliegender Erfindung über eine gewisse Strecke praktisch für ein gewisses Maß in das zugehörige Schraubendurchgangsloch hinein. Als Korrosionsschutzmaßnahme ist dieser Ringkörper, welcher sich beim Festziehen der Schraube nicht mit dreht, sondern insbesondere aufgrund der durch das Hineinragen in das Durchgangsloch im wesentlichen unbewegt auf dem Rand des Schraubendurchgangslochs aufliegt, mit einer Korrosionsschutzschicht versehen, die wegen dieses Nicht-Mit-Drehens auch bei mehrmaliger Verwendung einer entsprechenden Schraube nicht beschädigt bzw. abgerieben werden kann. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung analog bei Naben mit darin verbleibenden Gewindebolzen anwendbar; hier ist anstelle einer zweiteiligen Schraube eine entsprechende zweistückige Bolzenmutter zu verwenden.
Die beigefügte einzige Figur zeigt in Form eines Schnitts mit einer die Raddrehachse A enthaltenden Schnittebene durch den sog. Nabenabschnitt eines Fahrzeug-Rads, mit welchen dieses an eine nicht dargestellten Nabe eines Fahrzeugs, bspw. PKW's angeflanscht wird, ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei die dargestellten Radschrauben lediglich in die Schraubendurchgangslöcher des Rades eingesteckt sind und somit nicht im endmontierten Zustand dargestellt sind.
Mit der Bezugsziffer 1 ist ein Rad eines Fahrzeugs gekennzeichnet, von welchem lediglich der Bereich nahe der Rad-Drehachse A, mit welchem dieses Rad 1 mit seiner in der Figur rechten Seite an eine Rad-Nabe des Fahrzeugs angeflanscht wird, dargestellt ist. Dieses Rad 1 bzw. zumindest dessen figürlich dargestellter sog. Nabenabschnitt ist zumindest anteilig in kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) 1a ausgeführt, welcher um einen geeignet geformten Ringkörper 1b aus Titan gewickelt ist. Mittels mehrerer bezüglich der Drehachse A wie üblich kreisringförmig angeordneter Radschrauben 2 ist das Rad 1 mit seiner in der Figur rechten Seite an der nicht dargestellten Rad-Nabe anliegend an dieser Nabe befestigt. Für diese Radschrauben 2 sind im Rad 1 Schraubendurchgangslöcher 3 vorgesehen, die vorliegend insbesondere im Titan-Ringkörper 1b vorgesehen sind, welcher abseits dieser Schraubendurchgangslöcher 3 wie in der in der Figur oberhalb des Drehachse A liegende Hälfte gezeigt mit Endlos-Kohlenstofffasern in Kunststoffmasse umwickelt ist.
Damit keine Kontaktkorrosion zwischen dem Rad 1 und der Fzg.-Rad-Nabe, welche in einem weniger noblen und somit gegenüber Titan und Kohlenstoff galvanisch korrosionsgefährdeten Metallwerkstoff ausgeführt ist, erfolgt, ist an derjenigen (hier rechten) Seite des Rads 1, mit dem dieses an der Nabe anliegt, eine Metallscheibe 4 vorgesehen, die zumindest auf ihrer dem Rad 1 zugewandten Seite, idealerweise jedoch vollständig, mit einer Korrosionsschutzschicht (nicht separat dargestellt) überzogen ist. Diese Metallscheibe 4 ist als Tiefziehteil aus einer Aluminiumlegierung solchermaßen geformt, dass diese Metallscheibe 4 nennenswert in die Schraubendurchgangslöcher 3 hineinragt und sich vorliegend zumindest über 30% der Länge dieser Durchgangslöcher 3 am Material des Rades 1 anliegend in diesen erstreckt. Damit sind jedenfalls im der Rad-Nabe des Fahrzeugs zugewandten Endabschnitt der Durchgangslöcher 3 die sich innerhalb dieser Durchgangslöcher 3 und somit auch innerhalb des in das jeweilige Durchgangsloch 3 hineinragenden ringförmigen Abschnitts 4a der Metallscheibe 4 liegenden metallischen Radschrauben 2 sicher vor Kontaktkorrosion mit dem Material des Rads 1 (hier an dieser Stelle insbesondere Titan, aber auch kohlefaserverstärkter Kunststoff etc.) geschützt.
Jede Radschraube 2 ist als zweiteilige Radschraube ausgebildet, mit einem Gewindebolzen 2a inklusive einstückig daran vorgesehenem Schraubenkopf 2b, an welchen wie üblich ein Werkzeug zum Festdrehen oder Lösen der Radschraube 2 angesetzt werden kann, und weiterhin einem zunächst ein eigenständiges Bauteil bildenden Ringkörper 2c, durch welchen der Gewindebolzen 2a hindurch ragt, wobei im figürlich dargestellten vormontierten Zustand ebenso wie im Endmontage-Zustand der außenseitig zumindest annähernd konisch ausgebildete Ringkörper 2c in das an Schraubendurchgangsloch 3, welches an der dem Schraubenkopf 2b zugewandten Seite dem Ringkörper 2c angepasst konisch geformt ist, hinein ragt. Die der Rad-Nabe des Fahrzeugs abgewandte, in der Figur linke Seite des Ringkörpers 2c ist eben (senkrecht zur Rad-Drehachse A) ausgeformt, derart, dass der Schraubenkopf 2b beim Festziehen dieser Radschraube 2 pressend auf den Ringkörper 2c einwirkt. Beim Festziehen der Radschraube 2 dreht sich dabei der Schraubenkopf 2b mit dem Gewindebolzen 2a gegenüber dem Ringkörper 2c, welcher im wesentlichen unbewegt auf dem Rad 1 bzw. auf dem Endbereich der Wandung des Schraubendurchgangslochs 3 aufliegt. Während der Gewindebolzen 2a der Radschraube 2 mit dem Schraubenkopf 2b vorzugsweise in Stahl ausgeführt ist, ist der ebenfalls metallische und vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung bestehende Ringkörper 2c mit einer Korrosionsschutzschicht überzogen, so dass auch in diesem Bereich, wo die Radschraube 2 pressend auf das Rad 1 einwirkt bzw. das Rad 1 gegen die Rad-Nabe des Fahrzeugs presst, die Radschraube 2 sicher vor Kontaktkorrosion mit dem Material des Rads 1 geschützt ist. Dabei ist die Korrosionsschutzschicht jedenfalls dort, wo diese unbedingt erforderlich ist, auch nicht abriebgefährdet, nachdem sich der Ringkörper 2c beim Festziehen der Radschraube 12praktisch nicht gegenüber dem Rad 2 bewegt, zumindest nicht um die Achse des Schraubendurchgangslochs 3 gedreht wird.
Was die Korrosionsschutzschicht auf dem Ringkörper 2c sowie der Metallscheibe 4 betrifft, so ist bei der erfindungsgemäßen Befestigungsanordnung nur ein relativ geringer Oberflächenbereich entsprechend zu schützen, wobei die Schichtdicke in der Größenordnung von 60 Mikrometern liegen kann. Die wesentliche Eigenschaft dieser Korrosionsschutzschicht besteht in der elektrischen Nicht-Leitfähigkeit, d. h. dass diese zuverlässig als elektrischer Isolator wirkt. Gebildet sein kann diese Korrosionsschutzschicht bspw. hart eloxiert aus einem GFK-Werkstoff oder einem AFK-Werkstoff, (= mit Glasfasern oder Armidfasern verstärkter Kunststoff) oder vielen anderen bekannten Werkstoffen. Zurückkommend auf die Metallscheibe 4 erkennt man, dass diese auch in einem ringförmigen Zentrierabschnitt Z, über den das Rad 1 wie üblich auf einem kreiszylindrischen Ring der Fahrzeug-Rad-Nabe zentriert ist, soweit in Richtung der Rad-Drehachse A in diesen Zentrierabschnitt Z hineingezogen ist, dass auch an diesem Zentrierabschnitt Z keine Kontaktkorrosion zwischen dem Rad 1 und der Rad-Nabe des Fahrzeugs auftreten kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1529969 B1 [0001, 0005]
WO 2013/083443 A1 [0001, 0005]

Claims

Befestigungsanordnung eines zumindest im Befestigungsbereich zumindest anteilig aus kohlefaserverstärktem Kunststoff bestehenden Fahrzeug-Rades (1) an einer Fahrzeug-Radnabe unter Zwischenlage einer Metallscheibe (4) sowie mit Korrosionsschutzmaßnahmen zwischen dem faserverstärkten Kunststoffmaterial oder einem mit diesem verbundenen Titanwerkstoff oder einem anderen gegenüber kohlefaserverstärktem Kunststoff korrosionsresistenten Metallwerkstoff im Rad und weniger noblen und somit galvanisch korrosionsgefährdeten Metallbauteilen der Befestigungsanordnung auch im Bereich der Radschrauben (2), mit Hilfe derer das Rad (1) über seine Schraubendurchgangslöcher (3) an die Nabe angeschraubt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zum Rad-Kunststoffmaterial oder zum korrosionsresistenten Metallwerkstoff hin mit einer Korrosionsschutzschicht überzogene Metallscheibe (4) zumindest geringfügig in die Schraubendurchgangslöcher (3) hineingezogen ist und dass zweiteilige Radschrauben (2) oder bei Verwendung von in der Nabe des Fahrzeugs verbleibenden Gewindebolzen zweistückige Bolzenmuttern vorgesehen sind, bei denen ein für einen Werkzeug-Angriff vorgesehenes Kopfteil (2b) auf einen vom Gewindebolzen (2a) durchdrungenen und zumindest annähernd konisch ausgebildeten und im montierten Zustand in die Schraubendurchgangslöcher (3) hineinragenden Ringkörper (2c) einwirkt, welcher auf dem Rad-Kunststoffmaterial oder dem korrosionsresistenten Metallwerkstoff aufliegt und zumindest zu diesem hin mit einer Korrosionsschutzschicht überzogen ist.
Befestigungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die eigentliche Radschraube (2) in einem Stahlwerkstoff und der Ringkörper (2c) sowie die Metallscheibe (4) in einer Aluminiumlegierung ausgeführt sind.
Befestigungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Korrosionsschutzschicht aus einer galvanisch isolierenden Beschichtung mit einer Schichtdicke in der Größenordnung von 60 Mikrometern gebildet ist.