DE102015200624A1

DE102015200624A1 - Scheibenrad

Info

Publication number: DE102015200624A1
Application number: DE102015200624.7A
Authority: DE
Inventors: Elmar Jäger; Angelika Winkler
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-01-16
Filing date: 2015-01-16
Publication date: 2016-07-21

Abstract

Es wird ein Scheibenrad für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, vorgeschlagen, umfassend die folgenden Bestandteile: eine Felge zum Aufziehen eines Reifens, eine Nabe zur Montage des Scheibenrades am Fahrzeug, und eine Radscheibe, welche zwischen der Nabe und der Felge angeordnet ist, wobei die Radscheibe aus faserverstärktem Kunststoff ausgebildet ist, welcher eine Matrix und in der Matrix eingebettete Verstärkungsfasern umfasst, wobei die Verstärkungsfasern als Faservlies ausgebildet sind. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Scheibenrades bereitgestellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Scheibenrad für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Scheibenrades.
Ein Rad für ein Fahrzeug, beispielsweise für ein motorgetriebenes Kraftfahrzeug oder ein Fahrzeug ohne eigenen Antrieb, wie beispielsweise ein Fahrrad, umfasst üblicherweise als wesentliche Bestandteile eine Felge, die einen Reifen trägt, eine Nabe zur Montage des Rades am Fahrzeug sowie mehrere Speichen zwischen der Nabe und der Felge. Im Stand der Technik werden die Räder üblicherweise aus Stahl oder Aluminium gefertigt.
Zu Leichtbauzwecken sind zudem Konstruktionen aus faserverstärktem Kunststoff bekannt. Dabei ist entweder das ganze Rad oder zumindest ein wesentlicher Bestandteil des Rades aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt.
Des Weiteren sind speichenlose Scheibenräder bekannt, welche einen geschlossenen, scheibenförmigen Bereich zwischen Radnabe und Radfelge aufweisen, der die sonst üblichen Speichen ersetzt. Diese werden häufig als Leichtbauräder eingesetzt. Hierbei wird die Radscheibe aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt, indem zum Beispiel in aufwendigen Verfahren Rovings in radialer Richtung ausgerichtet werden.
Ein derartiges Scheibenrad ist unter anderem zur Verwendung für Fahrräder in der EP 0 362 509 A1 beschrieben. Auf diese Weise hergestellte Scheibenräder sind aufgrund der radialen Faserausrichtung aufwendig herzustellen und bewirken gleichzeitig eine mehrfache Materialdopplung im Bereich der Radnabe, die zu einer Überdimensionierung und damit einem unnötig hohen Materialeinsatz und Gewicht führt.
Deutlich einfachere Herstellungsverfahren mit geringerem Materialaufwand sehen ein simples Formpressen von flächigen Faserhalbzeugen, wie Geweben oder Gelegen, in die gewünschte Radform vor. Derart erzeugte Räder weisen jedoch aufgrund der Legerichtungen der Einzelfasern der Faserhalbzeuge in der Regel definierte Hauptbelastungsrichtungen entlang der Faserrichtungen auf. Wird das Scheibenrad in einer von den Hauptbelastungsrichtungen abweichenden Richtung belastet, so kann lediglich eine reduzierte Tragfähigkeit beziehungsweise Belastbarkeit bereitgestellt werden. Derart ungünstig Belastungssituationen treten bei einer Drehbewegung des Rades stets in einer Vielzahl von durchlaufenen Drehstellungen auf. Soll eine derartig reduzierte Tragfähigkeit vermieden werden, so müssen mehrere Lagen von Faserhalbzeugen mit zueinander gedrehter Winkelausrichtung der Fasern vorgesehen werden. Dadurch wird jedoch ebenfalls ein erheblicher Materialbedarf erzeugt, der einem möglichst geringen Gewicht des Rades entgegensteht.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Scheibenrad für ein Fahrzeug anzugeben, das bei kostengünstiger Herstellung und Montage dauerfest betrieben werden kann. Insbesondere soll dabei ein Zielkonflikt aus kostengünstiger Herstellung, Leichtbau und Steifigkeit gelöst oder zumindest verringert werden.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Scheibenrad gemäß dem Gegenstand des Patentanspruchs 1, sowie einem Verfahren zur Herstellung eines Scheibenrades gemäß Patentanspruch 8. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den jeweils abhängigen Patentansprüchen.
Demnach wird ein Scheibenrad für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, vorgeschlagen, umfassend die folgenden Bestandteile:

– eine Felge zum Aufziehen eines Reifens,
– eine Nabe zur Montage des Scheibenrades am Fahrzeug, und
– eine Radscheibe, welche zwischen der Nabe und der Felge angeordnet ist,

Das Scheibenrad ist also speichenlos ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Radscheibe einen geschlossenen, scheibenförmigen Bereich zwischen Nabe und Felge definiert, so dass diese Elemente in Umfangsrichtung durchgehend miteinander verbunden und voneinander beabstandet sind.
Das Kunststoffmaterial der Radscheibe des Scheibenrades ist mittels Verstärkungsfasern verstärkt, die als Faserhalbzeug in Form eines Faservlieses (im Folgenden auch „Vlies”) ausgebildet und in der Matrix eingebettet sind. Die Verstärkungsfasern sind dabei ohne geordnete Orientierung beziehungsweise in wirrer, zufälliger Anordnung ausgerichtet. Mit anderen Worten bilden sie eine sogenannte Wirrlage, das Faservlies, welches als Faserhalbzeug zur Verstärkung des Kunststoffs in der Matrix eingebettet ist.
Das Vlies bietet die Besonderheit, dass das Vlies aufgrund der fehlenden einheitlichen Orientierung der Fasern die Herstellung einer Radscheibe ermöglicht, die dementsprechend keine definierten Hauptbelastungsrichtungen aufweist. Vielmehr werden mittels der unregelmäßigen und zufälligen Ausrichtung der einzelnen Fasern isotrope Belastungseigenschaften der Radscheibe geschaffen, die in alle Richtungen, zumindest jedoch in alle Richtungen innerhalb einer durch eine flächige Erstreckung des Vlies definierten Ebene, nahezu gleich sind.
Die Verwendung des Vlieses verleiht der Radscheibe somit – und gleichzeitig dem gesamten Scheibenrad – isotrope Belastungseigenschaften, die sich auch bei einer Drehung des Scheibenrades nicht verändern und dadurch eine umlaufende allseitige Beanspruchung des Scheibenrades ermöglichen. Somit kann auf eine mehrlagige Anordnung, beispielsweise aus mehreren Geweben oder Gelegen, verzichtet werden. Stattdessen kann eine einzige isotrope Vlieslage vorgesehen werden, welche mit der Matrix imprägniert wird. Die Imprägnierung mit der Matrix kann zum Beispiel im Rahmen des sogenannten „Resin-Transfer-Moldings” (kurz: RTM-Verfahren) erfolgen. Unnötige Materialaufdopplungen können auf diese Weise wirkungsvoll vermieden werden. Es versteht sich, dass es dennoch möglich ist, mehr als eine Vlieslage vorzusehen.
Grundsätzlich kann das Vlies aus Verstärkungsfasern begrenzter Länge, insbesondere Kurzfasern, Langfasern oder Endlosfasern gebildet sein. Grundsätzlich gilt hierbei: Je länger die Fasern sind, desto höher ist die Festigkeit der Radscheibe. Im Falle kurzer Faserlängen ist eine Dimensionierung der Radscheibe entsprechend anzupassen.
Neben der beschriebenen isotropen Belastungseigenschaft bietet eine ein Vlies umfassende Radscheibe besondere Crash-Eigenschaften. Da auf Speichen verzichtet werden kann, wird die Gefahr gebannt, dass im Falle eines Crashs die Speichen einen Tank, Batterien oder einen Hochvoltspeicher beschädigen könnten. Aufgrund der isotropen Eigenschaften des Faservlieses wird im Crashfall aufgrund der fehlenden einheitlichen Faserverläufe die Entstehung von gefährlichen Bruchstücken verhindert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Verstärkungsfasern recycelte Fasern. Die Verstärkungsfasern können vollständig oder lediglich zum Teil aus recycelten Fasern bestehen. Recycelte Fasern können trockene, also noch nicht mit einer Matrix imprägnierte Fasern sein. Diese fallen beispielsweise als Verschnittreste von Faserrovings oder beim Zuschnitt von großflächigen Faserhalbzeugen bei der Herstellung anderer Bauteile an. Als recycelte Fasern können jedoch auch bereits mit einer Matrix imprägnierte Fasern eingesetzt werden, die zuvor von der Matrix gelöst werden. Entsprechende Verfahren zur mechanischen, chemischen und/oder thermischen Abtrennung der Matrix von den Fasern sind hierzu bereits bekannt und erprobt. Diese ermöglichen die Gewinnung von Fasern zweiter Generation aus bereits imprägnierten Faserresten oder bei einem Recycling von Faserbauteilen einer ersten Generation, deren Fasern ebenfalls in einer Matrix eingebettet sind und beim Recyceln aus dieser gelöst werden.
Beispielsweise können die Verstärkungsfasern Kohlefasern, Glasfasern, Aramidfasern, Naturfasern oder eine Mischung dieser Fasern umfassen. Eine jeweils einzusetzende Matrix ist auf die verwendete Faserart abzustimmen.
Des Weiteren kann die Radscheibe zwei jeweils zwischen der Nabe und der Felge erstreckte Schalenelemente umfassen. Mit Hilfe dieser Schalenelemente lässt sich eine Steifigkeit der Radscheibe gegenüber einer einwandigen Radscheibe zusätzlich erhöhen. Zudem kann optional ein Hohlraum innerhalb der Radscheibe zwischen beiden Schalen erzeugt werden, indem die Schalenelemente zumindest abschnittsweise voneinander beabstandet angeordnet werden, so dass eine Steifigkeit weiter erhöht wird und trotzdem ein Gewicht der Radscheibe gering gehalten werden kann.
Zusätzlich ist es gemäß einer weiteren Ausführungsform möglich, zwischen den beiden Schalenelementen ein Kernmaterial, insbesondere ein Schaummaterial, anzuordnen. Das Kernelement kann beispielsweise in dem beschriebenen Hohlraum zwischen beiden Schalenelementen der Radscheibe angeordnet sein und eine Steifigkeit nochmals zusätzlich erhöhen. Vorzugsweise sind die Schalenelementen hierzu flächig mit dem Kernmaterial verbunden.
Die beiden Schalenelemente können einstückig miteinander verbunden sein und eine einstückige Radscheibe bilden, oder als separate Elemente zu einer zweiteiligen Radscheibe zusammengesetzt werden.
Ebenfalls vorzugsweise sind die beiden Schalenelemente mittels einer flächigen Verbindung stoffschlüssig miteinander verbunden. Die flächige Verbindung ermöglicht eine möglichst steife und schubfeste Verbindung der Schalenelemente miteinander für eine möglichst vorteilhafte und leichte Ausführung des Scheibenrades. Eine flächige Verbindung kann beispielsweise mittels entsprechend vorgesehener Verbindungsflächen der Schalenelemente bereitgestellt werden.
Außerdem kann die Radscheibe mit der Nabe und/oder der Felge einstückig verbunden sein.
Das Scheibenrad kann grundsätzlich für jedes Fahrzeug eingesetzt werden, beispielsweise für Fahrräder oder Tretroller. Es kann ebenso für Kraftfahrzeuge verwendet werden, wie zum Beispiel ein- oder zweispurige Kraftfahrzeuge, insbesondere für PKWs oder LKWs, vorzugsweise für Motorräder, Motorroller, Scooter, Trikes, Quads oder andere motorradähnliche Kraftfahrzeuge. Besonders geeignet ist ein derartiges Scheibenrad aufgrund seiner Struktur für die genannten Scooter. Diese weisen üblicherweise kleinere Raddurchmesser auf als Motorräder und profitieren zudem von den genannten Crash-Eigenschaften.
Des Weiteren wird ein Verfahren zum Herstellen eines gemäß der Beschreibung ausgebildeten Scheibenrades mit mindestens den folgenden Schritten vorgestellt:

– Bereitstellen eines Faservlieses,
– Tiefziehen des Faservlieses und Imprägnieren des Faservlieses mit einer Matrix zum Erzeugen einer Radscheibe des Scheibenrades.

Beispielsweise lassen sich somit die Radscheibe oder die Schalenelemente der Radscheibe auf einfache Art herstellen, indem jeweils ein ebenes Vlies tiefgezogen und mit einer Matrix infiltriert wird. Beide Schritte lassen sich bei Bedarf in einem einzigen Prozessschritt realisieren.
Zusätzlich kann der Schritt des Bereitstellens des Faservlieses einen Schritt des Recycelns von Fasern und ein Erzeugen des Faservlieses unter Verwendung der recycelten Fasern umfassen.
Außerdem kann der Schritt des Recycelns eine Gewinnung von Fasern aus Verschnittresten und/oder eine mechanische, chemische und/oder thermische Abtrennung der Fasern von einer die Fasern einbettenden Matrix umfassen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Scheibenrades gemäß der Beschreibung,
2 eine Vorderansicht des Scheibenrades aus 1, und
3 eine Schnittansicht des Scheibenrades aus 1.
In 1 ist ein Scheibenrad 1 für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, in perspektivischer Ansicht dargestellt, welches die folgenden Bestandteile umfasst:

– eine Felge 2 zum Aufziehen eines Reifens (nicht dargestellt),
– eine Nabe 3 zur Montage des Scheibenrades 1 am Fahrzeug (ebenfalls nicht dargestellt), und
– eine Radscheibe 4, welche zwischen der Nabe 3 und der Felge 2 angeordnet ist.

Die Radscheibe 4 ist aus faserverstärktem Kunststoff ausgebildet, der eine Matrix und in der Matrix eingebettete Verstärkungsfasern umfasst. Des Weiteren sind die Verstärkungsfasern als Faservlies ausgebildet. Vorzugsweise können die Verstärkungsfasern recycelte Fasern umfassen. Als geeignete Verstärkungsfasern kommen insbesondere Kohlefasern, Glasfasern, Aramidfasern, Naturfasern oder eine Mischung dieser Fasern in Betracht.
2 zeigt eine Vorderansicht des in 1 dargestellten Scheibenrades 1.
Die Schnittansicht in 3 zeigt einen Querschnitt des in 1 dargestellten Scheibenrades 1 mit zwei jeweils zwischen der Nabe 3 und der Felge 2 erstreckten Schalenelementen 4a, 4b, die beide gemeinsam die zweiteilige Radscheibe 4 bilden. Hierbei sind die beiden Schalenelemente 4a, 4b mittels einer flächigen Verbindung 5 in einem umlaufenden Verbindungsabschnitt stoffschlüssig miteinander verbunden. In der dargestellten Ausführungsform ist die Radscheibe 4 einstückig mit der Felge 2 ausgebildet. Jedes der beiden Schalenelemente 4a, 4b bildet jeweils eine Hälfte der Felge 2.
Optional – und daher nicht explizit dargestellt – kann ein Kernmaterial, insbesondere ein Schaummaterial, gemäß einer Ausführungsform zwischen den beiden Schalenelementen 4a, 4b angeordnet sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0362509 A1 [0005]

Claims

Scheibenrad (1) für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend die folgenden Bestandteile: – eine Felge (2) zum Aufziehen eines Reifens, – eine Nabe (3) zur Montage des Scheibenrades (1) am Fahrzeug, und – eine Radscheibe (4), welche zwischen der Nabe (3) und der Felge (2) angeordnet ist, wobei die Radscheibe (4) aus faserverstärktem Kunststoff ausgebildet ist, welcher eine Matrix und in der Matrix eingebettete Verstärkungsfasern umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern als Faservlies ausgebildet sind.
Scheibenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern recycelte Fasern umfassen.
Scheibenrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern Kohlefasern, Glasfasern, Aramidfasern, Naturfasern oder eine Mischung dieser Fasern umfassen.
Scheibenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Radscheibe (4) zwei jeweils zwischen der Nabe (3) und der Felge (2) erstreckte Schalenelemente (4a, 4b) umfasst.
Scheibenrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Schalenelementen (4a, 4b) ein Kernmaterial, insbesondere ein Schaummaterial, angeordnet ist.
Scheibenrad nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schalenelemente (4a, 4b) mittels einer flächigen Verbindung (5) stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Scheibenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Radscheibe (4) mit der Nabe (3) und/oder der Felge (2) einstückig verbunden ist.
Verfahren zum Herstellen eines Scheibenrades, wobei das Scheibenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist, mit mindestens den folgenden Schritten: – Bereitstellen eines Faservlieses, – Tiefziehen des Faservlieses und Imprägnieren des Faservlieses mit einer Matrix zum Erzeugen einer Radscheibe des Scheibenrades.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Bereitstellens des Faservlieses einen Schritt des Recycelns von Fasern und ein Erzeugen des Faservlieses unter Verwendung der recycelten Fasern umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Recycelns von Fasern eine Gewinnung der Fasern aus Verschnittresten und/oder eine mechanische, chemische und/oder thermische Abtrennung der Fasern von einer die Fasern einbettenden Matrix umfasst.