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Die Erfindung betrifft Felgen mit einem inneren Felgenhorn, einem Felgenstern und einem äußeren Felgenhorn, die miteinander verbunden sind.
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Felgen sind als Radfelgen im Fahrzeugbau bekannt, welche beispielsweise vorrangig aus Stahlblechen mit einem geschweißten Felgenring realisiert sind. Dadurch wird erheblich Masse induziert und der konstruktive Aufbau kann nicht gradiert erfolgen. Desweiteren sind Leichtbaulösungen aus Leichtmetall bekannt, die jedoch ebenfalls nicht gradiert aufbaubar sind.
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Durch die Druckschrift
DE 20 2012 005 675 U1 ist eine dreiteilige Hybridfelge aus zwei verschraubten CFK Felgen und einem Aluminium Radstern bekannt. Zur Gewährleistung der Dichtheit ist ein Dichtring vorzusehen.
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Die Druckschrift
DE 10 2011 083 834 A9 beinhaltet ein Rad, welches im Wesentlichen aus einer Felge und einem Radstern besteht, wobei der Radstern aus einem Metall oder aus einer Metalllegierung und die Felge aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff besteht. Die Felge weist dabei ein Felgenbett und damit verbundene Felgenhörner auf. Darüber hinaus besitzt das Rad einen Klemmring, der der Befestigung des Radsterns an der Felge dient.
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Durch die Druckschrift
EP 0 065 086 A1 ist ein drehbarer Körper bekannt, bei dem ein radial äußerer runder Kranz durch ein Verbindungsglied mit einer radial innerer Nabe um die Drehachse verbunden ist. Das Verbindungsglied besteht dabei im Wesentlichen aus einem Faserverbundwerkstoff.
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Eine geringere Masse der jeweiligen Felgen wird durch den Einsatz von Faserverbundwerkstoffen erreicht. Derartige Lösungen weisen eine schlechte Schadenstoleranz auf und lassen sich zudem nur durch aufwändige, kostenintensive Preform- und Infiltrationsprozesse abbilden. Darüber hinaus gilt die Einleitung der Lasten in die Felge an der Radnabe als anspruchsvoll.
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Felgen mit einer geringen Masse einfach herzustellen.
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Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Die Felgen mit einem inneren Felgenhorn, einem Felgenstern und einem äußeren Felgenhorn, die miteinander verbunden sind, zeichnen sich insbesondere durch ihre geringe Masse aus.
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Dazu ist der Felgenstern ein Verbund aus einem geschlossen porigen Metallschaumkörper zwischen thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden, so dass der Felgenstern einen Faserverbund/Metallschaum/Faserverbund-Sandwichaufbau aufweist.
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Die Umkehr der Gewichtsspirale ist eine der zentralen Aufgaben im Automobilbau geworden, wobei die ressourceneffiziente und wirtschaftliche Anwendung neuer Herstellungstechnologien im Vordergrund steht.
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Dies betrifft unter anderem auch Radfelgen im Fahrzeugbau, welche zum Teil masseintensive Bauteile in der Fahrzeugstruktur darstellen und als ungefederte Masse negativ auf das Fahrverhalten wirken. Zum Einsatz kommen dazu vorrangig Felgen aus tiefgezogenen Stahlblechen mit konstanter Wandstärke und geschweißtem Felgenring, wodurch erheblich Masse induziert wird und der konstruktive Aufbau nicht gradiert erfolgen kann. Desweiteren sind in der Großserie Leichtbaulösungen aus Leichtmetall bekannt, die jedoch aufgrund des angewandten Herstellungsverfahrens ebenfalls nicht gradiert aufgebaut werden können. Ultraleichte Felgen aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen finden vorrangig im Motorsport Anwendung, besitzen jedoch eine schlechte Schadenstoleranz und lassen sich zudem nur durch aufwändige, kostenintensive Preform- und Infiltrationsprozesse abbilden. Darüber hinaus gilt die Einleitung der Lasten in die Felge an der Radnabe als anspruchsvoll.
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Im Gegensatz hierzu werden bei dieser Lösung vergleichsweise einfache und kostengünstige Halbzeuge in großserientauglichen Press- und Metallschaum-Prozessen verarbeitet. Bei dem neuartigen Felgenkonzept werden plattenförmige Faserverbundlagen mit vergleichsweise dickwandigen und gradiert aufgebauten Metallschäumen zu einem hochdynamisch beanspruchbaren Sandwich mit hoher Steifigkeit kombiniert.
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Die Anwendung von Sandwichkonstruktionen ist besonders für räumlich beanspruchte Flächenstrukturen geeignet. Durch die Anlehnung an die Charakteristik eines Schubwandträgers sind die Hauptbelastungen aus Zug- und Druckkräften im Biegelastfall den Deckschichten sowie die Schublastübertragung der Kernstruktur zuzuordnen. Begründet durch die homogenen Eigenschaften in der Fläche bietet die Sandwichbauweise die wesentlichen Vorteile einer kontinuierlichen Konstruktion. Die Faserverbund/Metallschaum/Faserverbund-Sandwichbauweise zeichnet sich durch die Anordnung einer Metallschaumstruktur im Kern sowie die Verwendung von Faserverbundlagen als äußere Bauteilschicht aus. Damit können die Verbundpartner gezielt auf die Beanspruchung ausgelegt und im Verbund angeordnet werden.
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Metallschäume zeigen ein gutes Energieabsorptionsvermögen, bieten bei sehr geringer Dichte eine hohe dynamische Steifigkeit und Festigkeit sowie gute Dämpfungseigenschaften. Sie sind dadurch besonders bei hohen Anforderungen an die Leistungsfähigkeit des Werkstoffes und zur gezielten Gewichtsreduktion geeignet. Metallische Schaumwerkstoffe können bekannterweise insbesondere in Form von Aluminiumlegierungen geschäumt werden, da das Ausgangsmaterial bereits eine sehr geringe Dichte besitzt.
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Ein gradierter Aufbau wird durch eine endkonturnahe Werkzeugform für das Schäumen und eine anschließende spanende Bearbeitung ermöglicht. Damit sind Materialstärkensprünge sowie komplexe Konturen ausführbar und der Werkstoff eignet sich besonders für eine integrierte Bauweise.
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In Abhängigkeit von der Materialstärke sind Metallschäume gut schweißbar, wobei lediglich die Randbereiche geschweißt werden. Die innere Schaumstruktur wird dabei nicht aufgeschmolzen. Als Schweißverfahren ist neben den Schutzgasschweißverfahren besonders das Laserschweißen aufgrund des geringen Wärmeeintrags geeignet. Dadurch kann der Verzug der Bauteile erheblich vermindert werden und die Verbindung im Kern wird nicht beschädigt. Alternativ können Inserts oder Übergänge als Anformung zu benachbarten Strukturen innerhalb des metallurgischen Herstellungsprozesses eingebracht werden. Die zumeist als Lasteinleitungselemente ausgeführten Bauteile können direkt umschäumt werden, wobei eine maximale Anbindung an die Schaumstruktur gewährleistet wird.
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Als Deckschicht im Sandwichaufbau kommen multiaxiale Faserverbundplatten mit thermoplastischer Polymermatrix zum Einsatz, welche als plattenförmige Halbzeuge in Großserie hergestellt werden können. Diese blechartigen Halbzeuge werden flächig verklebt oder verpresst. Insbesondere Vorteile wie die hohe Schadenstoleranz, die hohe Schlagzähigkeit und eine geringe Delaminationsneigung führen zur Anwendung der Faserverbund-Platten als Deckschicht.
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Damit ist ein plattenartiger Aufbau des Felgensterns als Sandwichkonstruktion realisiert, bei dem die Lagerstellen als Einleger oder integriert umgesetzt werden können. Die Anbindung zum Radträger erfolgt fahrzeugspezifisch.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 10 angegeben.
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Der thermoplastische Faser-Kunststoff-Verbund ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 ein flächiger, profilierter oder strukturierter Körper aus einem Faser-Kunststoff-Verbund oder mehreren Faser-Kunststoff-Verbunden. Weiterhin ist der Metallschaumkörper ein plattenförmiger Metallschaumkörper. Der Letztere kann sich auch zwischen zwei Metallplatten befinden.
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Der Metallschaumkörper weist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 Befestigungselemente auf, wobei das umschäumte Befestigungselemente sind. Dabei ist eine optimale Verbindung zwischen den Befestigungselementen und dem Metallschaumkörper gewährleistet.
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In Fortführung sind die Befestigungselemente nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 vorteilhafterweise rotationssymetrische Profilstücke, Rohre oder Gewindestücke mit oder ohne wenigstens einem Bund.
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Der Metallschaumkörper weist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 ein Zentrierelement auf, wobei das Zentrierelement ein wenigstens bereichsweise umschäumtes Zentrierelement ist. Das Zentrierelement der Felge kann als Rohrstück mit oder ohne einem Bund ausgeführt sein.
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Der flächige, profilierte oder strukturierte Körper als Decklage weist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 wenigstens einen Faser-Kunststoff-Verbund mit thermoplastischer Polymermatrix auf, die flächig verklebt oder verpresst auf dem Metallschaumkörper gradiert angeordnet ist.
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Fasern des Faser-Kunststoff-Verbundes weisen nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 günstigerweise eine lastpfadorientierte Faseranordnung auf. Die Stabilität wird erhöht.
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Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 ist wenigstens eine Faser mit einer in sich geschlossenen Form mindestens bereichsweise in oder auf dem eine Speiche darstellenden Faser-Kunststoff-Verbund angeordnet. Das kann eine Form eines Kegel- oder Zylinderschnittes sein. Die Faserplatzierung erfolgt in Hauptspannungsrichtung der Felge, so dass sich die Stabilität erhöht. Bei einer in sich geschlossenen Form als Ellipse oder Kreis kann dabei die Faser das Befestigungselement für die Felge umschlingen. Diese kann dabei auch vorteilhafterweise aufgestickt oder aufgeklebt sein. Durch eine gezielte Festlegung von Lasteinleitungspunkten und somit von Bereichen hoher Beanspruchung ist es damit möglich die Deckschicht, bestehend aus einem definiert orientierten Faserverbund, entsprechend der auftretenden Lasten zu gestalten.
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Der Metallschaumkörper des Felgensterns ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 stoff-, form- und/oder kraftschlüssig mit den thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden als Felgenstern verbunden. Weiterhin ist der Felgenstern stoff-, form- und/oder kraftschlüssig mit dem inneren Felgenhorn und dem äußeren Felgenhorn verbunden. Dabei können insbesondere Schweiß- oder Klebeverfahren und dabei insbesondere das Laserschweißen für stoffschlüssige Verbindungen zwischen dem Metallschaumkörper und den Felgenhörnern eingesetzt werden. Der Felgenstern oder der Metallschaumkörper kann aber auch mittels Schraubverbindungen als kraftschlüssige Verbindungen mit sowohl dem inneren Felgenhorn als auch dem äußeren Felgenhorn verbunden sein.
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Günstiger weise bestehen nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 der Metallschaumkörper 5 aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Kupfer, einer Kupferlegierung, Zink, einer Zinklegierung, Eisen oder Stahl und das innere Felgenhorn und das äußere Felgenhorn aus Leichtmetall. Damit ist eine leichte Realisierung der Felgen gegeben. Darüber hinaus können der Metallschaumkörper und die Felgenhörner mit bekannten und ökonomischen Verfahren miteinander verbunden werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine Felge,
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2 eine Felge in einer Explosivdarstellung,
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3 ein Felgenstern und
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4 eine Verbindung eines Felgensterns mit Felgenhörnern.
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Eine Felge 1 besteht im Wesentlichen aus einem inneren Felgenhorn 2, einem Felgenstern 3 und einem äußeren Felgenhorn 4.
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Die 1 zeigt eine Felge in einer prinzipiellen Darstellung.
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Das innere Felgenhorn 2, der Felgenstern 3 und das äußere Felgenhorn 4 sind zur Felge 1 miteinander verbunden.
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Die 2 zeigt eine Felge in einer prinzipiellen Explosivdarstellung.
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Der Felgenstern 3 ist ein Verbund aus einem geschlossenporigen Metallschaumkörper 5 zwischen thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden 6. Damit weist der Felgenstern 3 einen Faserverbund/Metallschaum/Faserverbund-Sandwichaufbau auf. Der thermoplastische Faser-Kunststoff-Verbund 6 ist dabei jeweils ein flächiger Körper, während der Metallschaumkörper 5 ein plattenförmiger Metallschaumkörper 5 ist. Der Metallschaumkörper 5 kann sich auch zwischen zwei Metallplatten befinden.
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Die 3 zeigt einen Felgenstern 3 in einer prinzipiellen Darstellung.
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Die flächigen Körper als Faser-Kunststoff-Verbunde 6 weisen eine thermoplastische Polymermatrix auf, in die Fasern eingebettet sind. Die Faser-Kunststoff-Verbunde 6 sind flächig verklebt oder verpresst auf dem Metallschaumkörper 5 oder den Metallplatten auf dem Metallschaumkörper angeordnet. Vorteilhafterweise können Fasern der Faser-Kunststoff-Verbunde 6 lastpfadorientiert angeordnet sein. Darüber hinaus können auch Fasern 9 mit einer in sich geschlossenen Form mindestens bereichsweise in oder auf den die Speichen darstellenden Faser-Kunststoff-Verbunden 6 angeordnet sein.
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Die 4 zeigt eine Verbindung eines Felgensterns 3 mit Felgenhörnern 2, 4 und ein Befestigungsmittel 7 der Felge 1 in einer prinzipiellen Darstellung.
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Der Metallschaumkörper 5 besitzt Befestigungselemente 7, die umschäumte Befestigungselemente 7 sind. Diese können als Rohr- und Gewindestücke mit oder ohne wenigstens einem Bund ausgebildet sein. Darüber hinaus besitzt der Metallschaumkörper 5 und damit der Felgenstern 3 ein Zentrierelement 8, wobei dieses wenigstens bereichsweise umschäumt ist.
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Der Felgenstern 3 oder der Metallschaumkörper 5 ist stoff-, form- und/oder kraftschlüssig mit dem inneren Felgenhorn 2 und dem äußeren Felgenhorn 4 verbunden.
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Der Metallschaumkörper 5 besteht insbesondere aus geschlossenporigen Aluminiumschaum oder einem Schaum einer Aluminiumlegierung. Das innere Felgenhorn 2 und das äußere Felgenhorn 4 sind vorzugsweise aus einem Leichtmetall insbesondere Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder einer Magnesiumlegierung gefertigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202012005675 U1 [0003]
- DE 102011083834 A9 [0004]
- EP 0065086 A1 [0005]
