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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugrad nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Fahrzeugrads nach dem Patentanspruch 11.
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Die Radfelge eines Fahrzeugrads wird in gängiger Praxis aus Leichtmetall-Werkstoffen, zum Beispiel aus Aluminium, oder aus Stahl hergestellt. Die Felgen-Geometrie ist dabei so auszulegen, dass im Fahrbetrieb eine einwandfreie Kraftüberleitung von der nabenseitigen Radverschraubung in das radial äußere Felgenbett gewährleistet ist.
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Als eine Alternative zu einer Stahl- oder Alu-Felge ist aus der
DE 10 2012 022 148 A1 ein gattungsgemäßes Fahrzeugrad bekannt, dessen Radfelge aus einem faserverstärkten Kunststoff hergestellt ist. Die Radfelge ist mit einem einstückig ausgebildeten radial äußeren Felgenbett ausgebildet, das einen Felgenboden aufweist, der in der Axialrichtung beidseitig in radial nach außen hochgezogene Felgenhörner übergeht, zwischen denen ein nicht gezeigter schlauchloser Reifen einsetzbar ist. Die beiden Felgenhörner sind in der Axialrichtung über eine Felgenbreite voneinander beabstandet.
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Aus der
DE 38 00 857 C2 ist eine zweiteilige Radfelge bekannt, bei der die beiden Felgenhörner zur Einstellung der Felgenbreite teleskopartig gegeneinander verstellbar sind. Auf diese Weise kann der Kontakt zwischen dem Fahrzeugrad und der Fahrbahn variiert werden, um möglichst gute Abroll-, Lauf-, und Griffeigenschaften bei unterschiedlicher Fahrbahn-Beschaffenheit bereitzustellen. In der
DE 38 00 857 C2 ist der Verstellmechanismus zwischen den beiden Felgenteilen bauteilaufwendig sowie komplex ausgeführt. Die beiden voneinander separaten Felgenteile weisen radial innenseitig Aktuator-Anbindungsstellen auf, an denen jeweils ein Aktuator angreift, mit dem unter Beaufschlagung einer Aktuatorkraft die beiden Felgenteile in der Axialrichtung axial verstellbar sind.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Fahrzeugrad sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Fahrzeugrads bereitzustellen, bei dem in einfacher Weise die Felgenbreite der Radfelge an unterschiedliche Erfordernisse anpassbar ist.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 oder des Patentanspruches 11 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Erfindung beruht auf dem Sachverhalt, dass im obigen Stand der Technik eine Einstellung der Felgenbreite nur bei einer konstruktiv aufwendigen zweiteiligen Ausführung der Radfelge ermöglicht ist, bei der sich die beiden Felgenteile zueinander teleskopartig gegeneinander verschieben können. Vor diesem Hintergrund ist gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 auf einen solchen zweiteiligen Felgen-Aufbau verzichtet und weist anstellen dessen das Felgenbett einen Verformungsabschnitt mit reduzierter Axialsteifigkeit auf. Bei der Beaufschlagung mit einer Aktuatorkraft in der Axialrichtung kann speziell der Verformungsabschnitt gestreckt oder gestaucht werden, um die Felgenbreite des Felgenbettes zu verstellen. Auf diese Weise ist die Radaufstandsfläche des Fahrzeugrads konstruktiv einfach anpassbar. Zudem ist das Bauteilgewicht vergleichbar mit einer herkömmlichen Kunststoff-Radfelge, da auf eine aufwendige Verstellmechanik verzichtet werden kann.
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In einer technischen Umsetzung kann der Verformungsabschnitt ein um die Fahrzeugradachse umlaufendes Mittelsegment des Felgenbodens sein. An den Felgenboden schließen sich in der Axialrichtung beidseitig die Felgenhörner an, die eine im Vergleich zum Felgenboden-Mittelsegment erhöhte Axialsteifigkeit aufweisen.
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Der Felgenboden kann bevorzugt aus dem obigen verformbaren Felgenboden-Mittelsegment sowie aus beidseitig in der Axialrichtung daran anschließende Randsegmente aufgebaut sein. Die Felgenboden-Randsegmente sind bevorzugt im Vergleich zum Felgenboden-Mittelsegment mit einer erhöhten Axialsteifigkeit ausgelegt. Zudem können die Felgenboden-Randsegmente im weiteren axialen Verlauf nach außen jeweils an einer umlaufenden Radialkante in das jeweilige Felgenhorn übergehen, deren Axialsteifigkeit im Vergleich zum Felgenboden-Mittelsegment ebenfalls erhöht ist.
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Der Felgenboden sowie die beiden radial nach außen abragenden Felgenhörner des Felgenbettes begrenzen einen Reifen-Aufnahmeraum, in dem der schlauchlose Reifen einsetzbar ist. Der Reifen-Aufnahmeraum kann bei der erfindungsgemäßen Radfelge in Doppelfunktion auch als ein Verformungsraum wirken, in den hinein sich der Verformungsabschnitt radial nach außen wölben kann. Der Verformungsabschnitt ist bevorzugt eine radial nach außen oder nach innen abragende Aufwölbung, deren Wölbungshöhe bei einer Reduzierung der Felgenbreite zunimmt und bei einer Erhöhung der Felgenbreite abnimmt. Bevorzugt ist der Verformungsabschnitt (das heißt die Aufwölbung) in der Umfangsrichtung betrachtet durchgängig mit konstanter Geometrie ausgeführt.
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Der in der Axialrichtung nachgiebig (das heißt verformbar) ausgeführte Verformungsabschnitt des Felgenbetts kann radial innen ein Bauraum begrenzen. In den Bauraum hinein kann zumindest teilweise ein Aktuator zur Beaufschlagung der Aktuatorkraft einragen.
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In einer technischen Realisierung der Erfindung kann die Radfelge einen radial inneren, an das Fahrzeugrad montierbaren Nabenkörper aufweisen. Dieser kann über einen Speichenabschnitt mit dem radial äußeren Felgenbett verbunden sein. Das Felgenbett, der Speichenabschnitt und/oder der radial innere Nabenkörper können materialeinheitlich und einstückig aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial ausgeführt sein, und zwar gegebenenfalls mit zum Beispiel Blecheinleger, mit deren Hilfe die Bauteilsteifigkeit der Radfelge erhöht werden kann. Alternativ dazu kann der Speichenabschnitt und/oder der radial innere Nabenkörper auch als eine separate Untereinheit hergestellt werden und darauffolgend am radial äußeren Felgenbett angebunden werden.
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Bevorzugt ist zumindest ein Aktuator, mit dem die Radfelge in Axialrichtung mit der Aktuatorkraft beaufschlagbar ist, bauraumgünstig radial innerhalb des Felgenbettes angeordnet sein. Das Felgenbett kann in der Axialrichtung betrachtet axial außerhalb des Verformungsabschnitt Aktuator-Anbindungsstellen aufweisen, an denen der Aktuator für eine Beaufschlagung der Aktuatorkräfte angreifen kann.
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Die Fahrzeugfelge ist im Hinblick auf mehrachsige Spannungszustände mit einer ausreichend großen Bauteil-Festigkeit auszulegen. Entsprechend kann das Felgenmaterial eine Kunststoffmatrix mit darin eingebetteten Lang- oder Endlosverstärkungsfasern aufweisen. Deren Verlauf ist bevorzugt so ausgelegt, dass diese sich entlang von, um Fahrbetrieb einstellenden Lastpfaden erstrecken. Der Faserverbundkunststoff kann dabei aus verschiedenen Endlosfaser-Materialien, wie zum Beispiel Kohlenstoff, Basalt und verschiedenen thermoplastischen Matrixsystemen, zum Beispiel aus Polyamid oder Polypropylen, hergestellt sein.
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Im Hinblick auf eine einwandfreie Reduzierung der Axialsteifigkeit kann im Verformungsbereich des Felgenbettes die Faserorientierung, die Faserdichte und/oder die Anzahl der Verstärkungsfaserschichten entsprechend abgeändert oder reduziert werden. Beispielhaft können die Verstärkungsfasern im Verformungsbereich, zumindest teilweise oder bevorzugt ausschließlich, in der Radfelgen-Umfangsrichtung um die Fahrzeugachse verlaufen, und zwar bevorzugt in Flucht zur Umfangsrichtung. Gegebenenfalls kann die Faserorientierung auch um eine geringe Winkelabweichung von der Radfelgen-Umfangsrichtung abweichen, bevorzugt ±15°. Im Unterschied dazu können die Verstärkungsfasern außerhalb des Verformungsabschnittes zumindest teilweise, bevorzugt größtenteils achsparallel zur Fahrzeugrad-Achse ausgerichtet sein, um eine im Vergleich zum Verformungsabschnitt erhöhte Axialsteifigkeit bereitzustellen.
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Bevorzugt kann das Fahrzeugrad wie folgt hergestellt werden: So können in einem Assemblierschritt endlosfaserverstärkte textile Faserhalbzeuge mit reaktivem (das heißt nicht polymerisiertem) thermoplastischen Matrixmaterial bereitgestellt werden. Diese können in einer Schneidstation zugeschnitten werden und entsprechend den Lasterfordernissen oder Geometrieanforderungen in einer Tiefzieh- und/oder Pressen-Kavität abgelegt werden. Anschließend erfolgt ein Press- und/oder Tiefziehschritt, bei dem die abgelegten Faserhalbzeuge auf eine Temperatur oberhalb einer Polymerisationstemperatur erwärmt werden und gleichzeitig in die Form der herzustellenden Fahrzeugfelge gepresst und/oder tiefgezogen werden. Die Faserhalbzeuge sind dabei mit ihren Verstärkungsfasern entsprechend der Lastanforderungen der herzustellenden Fahrzeugfelge ausgerichtet.
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Exemplarisch kann die Radfelge im Bereich des Felgenbettes zumindest aus einem ersten Faserhalbzeug mit einer ersten Verstärkungsfaser-Orientierung und einem zweiten Faserhalbzeug mit einer zweiten Verstärkungsfaser-Orientierung gebildet werden. Bevorzugt bildet das erste Faserhalbzeug das oben erwähnte Felgenboden-Mittelsegment, wobei deren erste Verstärkungsfaser-Orientierung in Flucht zur Axialrichtung ausgelegt sein kann. Demgegenüber kann das zweite Faserhalbzeug ein axialsteifes Felgenboden-Randsegment sowie ein ebenfalls axialsteifes Felgenhorn bilden.
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Im Hinblick auf eine größtmögliche lokale Aussteifung der oben erwähnten Aktuator-Anbindungsstellen ist es bevorzugt, wenn diese jeweils an einem Überlappungsbereich ausgebildet sind, in dem sich die ersten und zweiten Faserhalbzeuge mit jeweils unterschiedlicher Verstärkungsfaser-Orientierung überlappen.
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Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
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Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile sind nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 in einer Halbschnittdarstellung eine faserverstärkte Kunststofffelge;
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2 in einer vergrößerten Teilschnittdarstellung den Materialaufbau der Radfelge im Bereich des Felgenbettes; sowie
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3 bis 5 jeweils Ansichten, die das Verfahren zur Herstellung der Radfelge veranschaulichen.
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In der 1 ist eine an einem Radflansch eines fahrzeugseitigen Radträgers montierbare Radfelge 1 gezeigt, die aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial hergestellt ist. Die Radfelge 1 weist ein radial äußeres Felgenbett 3 auf, in dessen Reifen-Aufnahmeraum 16 ein nicht gezeigter schlauchloser Reifen einsetzbar ist. Das Felgenbett 3 ist über einen Speichenabschnitt 5 mit einem radial inneren Nabenkörper 7 verbunden. Der Nabenkörper 7 weist eine mittlere Zentrieröffnung 9 auf, die mit radialem Abstand von Felgenlöchern 11 umgeben ist. Die Felgenlöcher 11 sind Bestandteil einer Radverschraubung, mittels der die Kunststofffelge 1 am Radträger festspannbar ist.
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Das Felgenbett 3 weist in der 1 einen in einer Umfangsrichtung u um eine Fahrzeugradachse A umlaufenden Felgenboden 13 auf, der in der Axialrichtung a beidseitig in radial nach außen abragende Felgenhörner 15 übergeht, die über eine Felgenbreite b (1) voneinander beabstandet sind. Der Felgenboden 13 ist in der 1 unterteilt in ein Mittelsegment 17 sowie in sich in der Axialrichtung a beidseitig anschließende Felgenboden-Randsegmente 19. Die Felgenboden-Randsegmente 19 gehen im weiteren Axialverlauf in die Felgenhörner 15 über, die in der Radialrichtung r radial nach außen abragen.
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Das Felgenboden-Mittelsegment 17 ist als ein Verformungsabschnitt ausgelegt, der eine im Vergleich zu den Felgenboden-Randsegmenten 19 reduzierte Axialsteifigkeit aufweist. Bei Beaufschlagung einer Aktuatorkraft F (1) mittels des angedeuteten Aktuators 21 kann das Felgenboden-Mittelsegment 17 in der Axialrichtung a gestreckt oder gestaucht werden, um die Felgenbreite b der Radfelge 1 zu verstellen. Der Aktuator 21 ist hierfür radial innerhalb des Felgenbettes 3 angeordnet und zum Beispiel ein Spindeltrieb mit einem Elektromotor, der in der 1 an einer Aktuator-Anbindungsstelle 23 am Speichenabschnitt 5 sowie an einer Anbindungsstelle 25 an einem radial nach innen abragenden Radkranz 27 angreift.
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Wie aus der 1 oder 2 weiter hervorgeht, ist das nachgiebig ausgelegte Felgenboden-Mittelsegment 17 in der Radialrichtung r nach außen vorgewölbt, um eine Verformungsrichtung festzulegen. Der vom Felgenbett 3 begrenzte Reifen-Aufnahmeraum 16 wirkt dabei in Doppelfunktion als ein Verformungsraum, in dem hinein sich das Felgenboden-Mittelsegment 17 radial nach außen wölben kann. Aufgrund der oben beschriebenen Felgenboden-Geometrie begrenzt das Felgenboden-Mittelsegment 17 radial innen einen Bauraum 18 (1), in dem gegebenenfalls der Aktuator 21 zumindest teilweise einragen kann.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Felgenbett 3, der Speichenabschnitt 5 sowie der Nabenkörper 7 materialeinheitlich und einstückig aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial hergestellt. Das Kunststoffmaterial besteht in der 2 aus einer Kunststoffmatrix 29 mit darin eingebetteten Lang- oder Endlosverstärkungsfasern 31, 33.
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In der 2 wird die reduzierte Axialsteifigkeit des Felgenboden-Mittelsegments 17 durch eine entsprechend angepasste Faserorientierung der im Felgenboden-Mittelsegment 17 verlaufenden Verstärkungsfasern 31 erzielt. Die Verstärkungsfasern 31 sind durch Kreise angedeutet, die eine Faserorientierung in der Umfangsrichtung u symbolisieren. Die sich bis zum Felgenhorn 15 erstreckenden Verstärkungsfasern 33 sind durch Linien angedeutet, die eine Faserorientierung in der Axialrichtung a symbolisieren.
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Auf diese Weise sind die Felgenboden-Randsegmente 19 sowie die Felgenhörner 15 axialsteif ausgeführt, während das Felgenboden-Mittelsegment 17 axialweich ausgeführt ist.
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Wie aus der 2 weiter hervorgeht, sind die ersten und zweiten, unterschiedlich orientierten Verstärkungsfasern 31, 33 an einem Überlappbereich 35 zueinander überlappt. Am Überlappbereich 33 ist radial innen jeweils die oben erwähnte Aktuator-Anbindungsstelle 23, 25 positioniert. Durch Überlappung der unterschiedlich orientierten ersten und zweiten Verstärkungsfasern 31, 33 ergibt sich speziell an den Aktuator-Anbindungsstellen 23, 25 eine lokal größtmögliche Steifigkeit, um die Lastanforderungen an die Fahrzeugfelge 1 zu erfüllen.
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Nachfolgend wird anhand der 3 bis 5 ein bevorzugter Prozess zur Herstellung der faserverstärkten Kunststofffelge 1 beschrieben: Demzufolge werden in einem ersten Fertigungsschritt (3) vorimprägnierte endlosfaserverstärkte textile Faserhalbzeuge 37, 39 (nachfolgend auch als Prepregs bezeichnet) bereitgestellt. Die Faserhalbzeuge 37, 39 sind bereits entsprechend der Geometrie sowie den Lastanforderungen der Radfelge 1 zugeschnitten. Zudem sind die Faserhalbzeuge 37, 39 mit einem reaktiven (das heißt noch nicht polymerisierten) thermoplastischen Matrixmaterial 41, etwa Lactam, durchtränkt.
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Die Faserhalbzeuge 37, 39 werden anschließend entsprechend den Lasterfordernissen und Geometrieanforderungen der fertiggestellten Radfelge 1 in einer Werkzeugkavität einer Presse oder einer Tiefziehvorrichtung abgelegt, und zwar so, dass die ersten Verstärkungsfasern 31 des ersten Faserhalbzeugs 37 in der Felgen-Umfangsrichtung u orientiert sind und die zweiten Verstärkungsfasern 33 des zweiten Faserhalbzeugs 39 in der Axialrichtung a orientiert sind. Die ersten und zweiten Faserhalbzeuge 37, 39 überlappen sich in dem oben erwähnten Überlappbereich 35. Anschließend erfolgt der Press- und/oder Tiefziehvorgang, bei dem das in der 4 gezeigte Lagenpaket auf eine Temperatur oberhalb der Polymerisationstemperatur erwärmt wird und gleichzeitig in die Form der herzustellenden Radfelge tiefgezogen/gepresst wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012022148 A1 [0003]
- DE 3800857 C2 [0004, 0004]
