DE102017115071A1

DE102017115071A1 - Radlagereinheit

Info

Publication number: DE102017115071A1
Application number: DE102017115071.4A
Authority: DE
Inventors: Manfred Kraus; Holger Kaup; Kerstin Beyer; Peter Niebling; Alexander Seiffer; Michael Oliver Kobes; Lucas Gruener; Berthold Krautkrämer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-04-07
Filing date: 2017-07-06
Publication date: 2018-10-11
Anticipated expiration: 2037-07-07
Also published as: CN110431025A; WO2018184622A1; KR20190135006A; US20200101792A1; DE102017115071B4; US11446957B2; CN110431025B; KR102505480B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hybrid-Verbindungselement (1), insbesondere ein Lageraußenelement (1) eines Radlagers zur Befestigung eines Fahrzeugrades,- mit einem Kernteil (2) aus einem ersten Material, und- mit einem Verstärkungsteil (3) aus einem zweiten Material, das zumindest teilweise das Kernteil (2) umhüllt und somit verstärkt,- wobei das Kernteil (2) eine hohlzylindrisch ausgebildete Lagereinheit (4) zur Bildung eines Wälzlagers umfasst, die sich in axialer Richtung (A) erstreckt,- wobei das Kernteil (2) einen Flansch (5) umfasst, der sich von einem axialen Ende der Lagereinheit (4) in radialer Richtung (R) erstreckt, und- wobei das Verstärkungsteil (3) mindestens eine Verstärkungsrippe (6) umfasst, die Kräfte zwischen der Lagereinheit (4) und dem Flansch (5) des Kernteils (2) überträgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Radlagereinheit bzw. ein Hybrid-Verbindungselement, insbesondere ein Lageraußenelement eines Radlagers zur Befestigung eines Fahrzeugrades, mit einem Kernteil aus einem ersten Material und mit einem Verstärkungsteil aus einem zweiten Material.
Aktuelle Radlager sind als massiver Stahlflansch ausgeführt. Auch sind aus Patentanmeldungen diverse Ausführungen eines Radlagers als Kunststoff-Stahl- und Aluminium-Stahl-Hybride bzw. als Hybrid-Verbindungselement bekannt.
In diesem Zusammenhang seien die Druckschriften EP2863082A1 sowie DE102014206843A1 erwähnt, wobei EP2863082A1 einen als Sternform ausgeführten Radlagerflansch beschreibt.
So kann z. B. auf Stahlteile zur Erhöhung der Steifigkeit und Festigkeit ein Kunststoff beispielsweise im Spritzgussverfahren aufgebracht werden, wobei der Kunststoff einen Teil der tragenden Aufgabe des Stahls übernimmt.
Dabei kann der Kunststoff faserverstärkt sein, und die Verwendung von sowohl Duroplasten als auch Thermoplasten ist möglich.
Traditioneller Konstruktionsansatz für die Gestaltung solcher Kunststoff-Komponenten ist es, Krafteinleitungsflächen mit einer Kunststoffschicht mit einer Dicke abhängig von Belastung und Fertigungsbedingungen zu bedecken.
Zwischen den Krafteinleitungsflächen wird eine Versteifung aus Kunststoff zur Lastübertragung eingebracht, sodass die Versteifung normal auf den sich häufig rechtwinklig zueinander befindenden Krafteinleitungsflächen steht und im Profil gerade verläuft und unter 45° in diese Flächen übergeht.
Jedoch weisen derartige Radlager bzw. Radlagereinheiten bzw. Hybrid-Verbindungselemente ein verhältnismäßig hohes Gewicht aufgrund des massiven und teilweise ungerichteten Einsatzes von Kunststoff auf.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Hybrid-Verbindungselement, insbesondere ein Lageraußenelement eines Radlagers zur Befestigung eines Fahrzeugrades, anzugeben, welches kostengünstig und materialsparend herstellbar ist sowie gewichts- und vorzugsweise festigkeitsoptimiert ausgeführt ist.
Ferner ist es vorzugsweise Aufgabe der Erfindung, das Gewicht des Radlagers bzw. des Hybrid-Verbindungselements zu reduzieren, die Steifigkeit und Lebensdauer von konventionellen Radlagern bzw. Hybrid-Verbindungselementen gleichermaßen zu erfüllen oder zu übertreffen sowie günstigerweise Schnittstellen zu Umgebungsbauteilen zu erhalten.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß umfasst bei der vorliegenden Erfindung ein Hybrid-Verbindungselement, insbesondere ein Lageraußenelement eines Radlagers zur Befestigung eines Fahrzeugrades, einen Kernteil aus einem ersten Material und einen Verstärkungsteil aus einem zweiten Material.
Günstigerweise umhüllt das Verstärkungsteil zumindest teilweise das Kernteil und verstärkt dieses somit.
Auch ist es von Vorteil, wenn das Kernteil eine hohlzylindrisch ausgebildete Lagereinheit zur Bildung eines Wälzlagers umfasst, die sich vorzugsweise in axialer Richtung erstreckt. Somit kann beispielsweise mittels der Lagereinheit ein Außenring eines Wälzlagers geschaffen werden.
Vorteilhafterweise umfasst das Kernteil einen Flansch, der sich vorzugsweise von einem axialen Ende der Lagereinheit in radialer Richtung erstreckt. Mithilfe des Flansches ist es möglich, beispielsweise eine Radfelge eines Fahrzeugrades an dem Hybrid-Verbindungselement anzubringen.
Bevorzugterweise umfasst das Verstärkungsteil mindestens eine Verstärkungsrippe, die günstigerweise Kräfte zwischen der Lagereinheit und dem Flansch des Kernteils überträgt. Auf diese Weise kann die Steifigkeit und Festigkeit des Hybrid-Verbindungselements verbessert sowie das Gewicht optimiert werden.
Des Weiteren ist es bevorzugt, dass die mindestens eine Verstärkungsrippe eine Gestalt umfasst, die entsprechend dem Kraftfluss zwischen Flansch und Lagereinheit ausgebildet ist. Insgesamt ergibt sich vorzugsweise eine bionisch inspirierte Gesamtform, die an Wurzeln eines Baums erinnert.
Vorzugsweise umfasst die mindestens eine Verstärkungsrippe ein erstes Ende und ein zweites Ende.
Günstigerweise ist das erste Ende an der Lagereinheit angeordnet und in axialer Richtung zum Flansch versetzt. Mithilfe des ersten Endes können Kräfte von der Lagereinheit aufgenommen werden oder zu dieser geleitet werden.
Auch ist es günstig, wenn das zweite Ende am Flansch angeordnet und in radialer Richtung von der Lagereinheit nach außen versetzt ist. Das zweite Ende kann somit Kräfte in Richtung des Flansches und vom Flansch weg übertragen.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn die mindestens eine Verstärkungsrippe in radialer Richtung mindestens eine Aussparung des Flansches zur Gewichtsreduktion überbrückt. Dadurch sind Kräfte über die Aussparung mittels des Verstärkungsteils übertragbar.
Ferner ist es möglich, dass zwei Verstärkungsrippen in radialer Richtung pro Aussparung des Flansches angeordnet sind, um Kräfte zu übertragen.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn das Hybrid-Verbindungselement zwei Verstärkungsrippen pro Aussparung aufweist, die vorzugsweise tangential an einer Aussparung des Flansches anliegen bzw. diese berühren. Auf diese Weise können Kräfte, die an eine Aussparung wirken, von einer Verstärkungsrippe aufgenommen und weitergeleitet werden.
Vorzugsweise ist die mindestens eine Verstärkungsrippe hohl ausgebildet, um Gewicht einzusparen.
Auch ist es günstig, wenn in radialer Richtung die Höhe jeder Verstärkungsrippe von innen an der Lagereinheit nach außen zum Flansch hin abnimmt. Vereinfacht dargestellt, kann somit jede Verstärkungsrippe entsprechend dem Verlauf der einwirkenden Momente bzw. der einwirkenden Kippmomente gestaltet werden.
Anders ausgedrückt, ist es günstig, wenn in radialer Richtung die Höhe der mindestens einen Verstärkungsrippe innen an der Lagereinheit im Vergleich zur radial außenliegenden Außenseite des Flansches größer ist.
Ferner ist es bevorzugt, dass die Form der mindestens einen Verstärkungsrippe mit der Form einer weiteren Verstärkungsrippe fließend verlaufend ausgebildet ist. Somit können Kerbwirkungseffekte vermieden werden, wodurch die Stabilität des Hybrid-Verbindungselements steigerbar ist.
Auch ist es bevorzugt, dass die Form der mindestens einen Verstärkungsrippe mit der Form einer weiteren Verstärkungsrippe an dem jeweiligen Ende der Verstärkungsrippe fließend verlaufend ausgebildet ist. Bevorzugterweise ist jede Verstärkungsrippe als Berg ausgebildeter Bereich des Verstärkungsteils geformt.
Vorzugsweise ist zwischen zwei Verstärkungsrippen ein als Tal ausgebildeter Bereich des Verstärkungsteils angeordnet.
Auch ist es günstig, wenn der Übergang von einer Verstärkungsrippe zu einer anderen Verstärkungsrippe über einen als Tal ausgebildeten Bereich verläuft.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn der Übergang von einem als Berg ausgebildeten Bereich zu einem als Tal ausgebildeten Bereich und umgekehrt fließend verlaufend ausgebildet ist.
Mithilfe der vorgenannten Ausgestaltungen als Berg und/oder als Tal ist es möglich, das Gewicht des erfindungsgemäßen Hybrid-Verbindungselements weiter zu reduzieren, jedoch bei gleichzeitiger Beibehaltung der mechanischen Stabilität. Bei der Ausgestaltung als Berg und/oder als Tal handelt es sich vorzugsweise um Freiformflächen.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn zwei Verstärkungsrippen, die um eine Aussparung oder um eine Befestigungsaufnahme des Flansches angeordnet sind, in Umfangsrichtung fließend verlaufend ausgebildet sind. Somit umschließen bzw. umgeben zwei Verstärkungsrippen eine Aussparung oder eine Befestigungsaufnahme des Flansches. Auch können in tangentialer Richtung bzw. in Umfangsrichtung von einer Verstärkungsgruppe auf eine andere Verstärkungstruppe übertragen werden.
Günstigerweise ist der Flansch kreisringförmig ausgebildet.
Vorzugsweise umfasst der Flansch mindestens eine Aussparung, um das Gewicht des Hybrid-Verbindungselements zu reduzieren.
Auch kann vorgesehen sein, dass mehrere Aussparungen in Umfangsrichtung gleichverteilt angeordnet sind.
Des Weiteren ist es bevorzugt, dass die mindestens eine Aussparung als Langloch oder als Verbindungspassage ausgebildet ist.
Vorzugsweise weist die als Langloch ausgebildete Aussparung eine nierenförmige Gestalt auf.
Ferner ist es möglich, dass sich die mindestens eine Aussparung in Umfangsrichtung erstreckt und/oder den Flansch in axialer Richtung vollständig durchdringt. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist es auch möglich, dass die mit mindestens eine Aussparung auch nur die Dicke bzw. Materialstärke des Flansches reduziert.
Bevorzugterweise ist die als Verbindungspassage dienende Aussparung als Durchgangsloch in axialer Richtung ausgebildet, um die Kraftübertragung des ersten Werkstoffes des Kernteils und dem zweiten Werkstoff des Verstärkungsteils zu verbessern.
Auch ist es günstig, wenn der Flansch mindestens eine Befestigungsaufnahme zur Befestigung einer Radfelge eines Fahrzeuges umfasst.
Bevorzugterweise weist die mindestens eine Befestigungsaufnahme ein Gewinde für eine Felgenschraube auf.
Auch ist es bevorzugt, wenn an jeder Befestigungsaufnahme wenigstens zwei Verstärkungsrippen, insbesondere tangential berührend, angeordnet sind. Anders ausgedrückt, ist es von Vorteil, wenn die wenigstens zwei Verstärkungsrippen jede Befestigungsaufnahme, vorzugsweise vollständig, „umarmen“ bzw. „umschließen“ bzw. „umgeben“. Somit können einwirkende Kräfte auf einfache Weise aufgenommen und weitergeleitet werden.
Auch ist es von Vorteil, wenn das Hybrid-Verbindungselement mindestens eine Verstärkungsrippe pro Befestigungsaufnahme aufweist. Vorzugsweise weist das Hybrid-Verbindungselement mindestens drei oder mindestens fünf Befestigungsaufnahmen auf, um z. B. ein Fahrzeugrad an dem Hybrid-Verbindungselement befestigen zu können.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die hohlzylindrisch ausgebildete Lagereinheit an der inneren Mantelfläche mindestens eine Wälzkörperlaufbahn umfasst.
Des Weiteren ist es günstig, wenn die hohlzylindrisch ausgebildete Lagereinheit an der äußeren Mantelfläche eine Oberflächenstruktur umfasst, die eine vergrößerte Oberfläche zur verbesserten Verbindung mit dem zweiten Werkstoff umfasst. Dadurch ist eine verbesserte Kraftweiterleitung zwischen dem Kernteil und dem Verstärkungsteil gewährleistbar.
Ferner ist es möglich, dass die Oberflächenstruktur mithilfe eines Haftvermittlers und/oder mithilfe von Laserstrukturen und/oder mithilfe eines Strahlverfahrens, wie z. B. Sandstrahlen, und/oder mithilfe einer Plasmaaktivierung realisiert wird.
Vorteilhafterweise umfasst der Flansch, zumindest auf der zur Lagereinheit orientierten Oberfläche, eine Oberflächenstruktur, die eine vergrößerte Oberfläche zur verbesserten Verbindung mit dem zweiten Werkstoff aufweist. Dadurch ist eine verbesserte Kraftweiterleitung zwischen dem Kernteil und dem Verstärkungsteil gewährleistbar.
Ferner ist es von Vorteil, wenn der Verstärkungsteil eine Aufnahme, insbesondere für eine Fahrzeugfelge, umfasst. Dabei dient die Aufnahme vorzugsweise der Zentrierung der Fahrzeugfelge bei Anbringung an das Hybrid-Verbindungselement.
Günstigerweise verlängert die Aufnahme die Lagereinheit des Kernteils in axialer Richtung.
Bevorzugterweise verlängert die Aufnahme an dem axialen Ende der Lagereinheit, an dem der Flansch angeordnet ist, die Lagereinheit des Kernteils in axialer Richtung.
Auch ist es bevorzugt, dass der Kernteil und der Flansch einstückig und aus dem ersten Material ausgebildet sind.
Vorzugsweise sind der Kernteil und der Flansch als Schmiedeteil ausgeführt.
Ferner ist es günstig, wenn das erste Material eine im Vergleich zum zweiten Material höhere Dichte aufweist. Dadurch ist das Gewicht des Hybrid-Verbindungselements reduzierbar.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn das zweite Material einen Kunststoff, vorzugsweise ein faserverstärktes Duroplast, aufweist.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das zweite Material in einem Spritzgießverfahren oder einem Pressverfahren auf das erste Material applizierbar ist.
Günstigerweise sind das erste und zweite Material ferst miteinander verbunden. Dadurch können Kräfte optimal übertragen werden.
Vorzugsweise unterscheidet sich der Wärmeausdehnungskoeffizient des ersten Materials vom Wärmeausdehnungskoeffizient des zweiten Materials um +/- 10 %, vorzugsweise um +/- 2 %.
Auch ist es von Vorteil, wenn die Oberfläche der mindestens einen Verstärkungsrippe mit der Lagereinheit oder mit dem Flansch einen Winkel zwischen 35 Grad und 95 Grad einschließt.
Bevorzugterweise schließt die Oberfläche der mindestens einen Verstärkungsrippe mit der Oberfläche der Lagereinheit einen Winkel im Bereich zwischen 35 Grad und 55 Grad, insbesondere 45 Grad, ein.
Auch ist es günstig, wenn die Oberfläche der mindestens einen Verstärkungsrippe mit der Oberfläche des Flansches einen Winkel im Bereich zwischen 75 Grad und 95 Grad, insbesondere 90 Grad, einschließt.
Mithilfe der oben genannten Gradangaben können Kräfte effizient aufgenommen und weitergeleitet werden.
Nachfolgend wird der oben dargestellte Erfindungsgedanke ergänzend mit anderen Worten ausgedrückt.
Dieser Gedanke betrifft vorzugsweise - vereinfacht dargestellt - ein Hybrid-Verbindungselement, insbesondere ein Lageraußenelement eines Radlagers zur Befestigung eines Fahrzeugrades, mit einem Kernteil aus einem ersten Material und mit einem Verstärkungsteil aus einem zweiten Material, das zumindest teilweise das Kernteil umhüllt und somit verstärkt.
Ferner geht die Erfindung vorzugsweise dahin, ein Kunststoff-Metall-Hybrid-Radlager bzw. ein Hybrid-Verbindungselement zu beschreiben, dessen Design beispielhaft in 1 und 4 dargestellt ist.
Die Komponenten sowie der hybride Verbund der Komponenten zeichnen sich günstigerweise wie folgt aus:

- vorzugsweise liegt ein Lager bzw. ein Kernteil des Hybrid-Verbindungselements als metallisches Element, vorzugsweise aus Stahl, vor;
- vorzugsweise sind Radbolzen, Gewindehülsen bzw. Befestigungsaufnahmen über den Flansch des Kernteils mit dem Lager bzw. der Lagereinheit des Kernteils verbunden und vorzugsweise ebenfalls aus Stahl;
- vorzugsweise ist der Flansch des Kernteils als Schmiedeteil ausgeführt;
- vorzugsweise dient eine zweite Komponente bzw. ein Verstärkungsteil zum einen der Erhöhung der Steifigkeit des Lagers bzw. des Kernteils des Hybrid-Verbindungselements, zum anderen kann diese Komponente weitere funktionelle Bereiche, wie z.B. die Zentrierung einer Felge, aufweisen.
- Durch die Versteifung des Lagers bzw. des Kernteils durch die zweite Komponente bzw. ein Verstärkungsteil aus einem Werkstoff geringerer Dichte kann der Metallanteil des Flansches des Kernteils und damit das Gewicht des Radlagers bzw. des Hybrid-Verbindungselements reduziert werden;
- vorzugsweise ist die zweite Komponente bzw. der Verstärkungsteil aus einem Kunststoff, vorzugsweise aus einem (kurz-)faserverstärkten Duroplast, ausgebildet. Das eingesetzte Duroplast ist optimalerweise mittels Spritzgießen oder Pressverfahren zu verarbeiten. Dieser weist günstigerweise einen Wärmeausdehnungskoeffizienten nahe dem des Stahls bzw. der Kernteil auf;
- vorzugsweise kann die Kunststoffkomponente bzw. der Verstärkungsteil direkt am Stahlflansch des Kernteils anliegen oder einen Hohlraum zwischen dem Kunststoff des Verstärkungsteils und dem Flansch des Kernteils ausbilden, um die Hohlräume zwischen zweiter Komponente bzw. Verstärkungsteil und Flansch des Kernteils abzubilden. Dazu taucht der Kern des Spritzgusswerkzeuges durch die Speichen des metallischen Radlagerflansches bzw. des Kernteils. Auch ist es möglich, dass ein Schieber beim Spritzgießen verwendet wird.
- um vorzugsweise die Anhaftung zwischen der zweiten Komponente bzw. dem Verstärkungsteil und dem Flansch des Kernteils zu erhöhen, können weitere Maßnahmen ergriffen werden. Bei einer zweiten Komponente in Kunststoffausführung kann dies beispielsweise durch eine Oberflächenstrukturierung der Stahlkomponente (Sandstrahlen, Laserstrukturieren, Fräsen) oder die Anwendung von Haftvermittlern realisiert werden. Es bietet sich vorzugsweise auch an eine Kompatibilität des Haftvermittlers sowohl mit der Stahl- (Kernteil) als auch der Kunststoffkomponente (Verstärkungsteil) zu beachten. Dabei empfiehlt es sich, günstigerweise die werkstoffseitige Basis des Haftvermittlers ähnlich dem der Kunststoffkomponente bzw. des Verstärkungsteils zu wählen.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen schematisch:

1 eine Schnittansicht auf ein erfindungsgemäßes Hybrid-Verbindungselement;
2 eine weitere Schnittansicht auf ein erfindungsgemäßes Hybrid-Verbindungselement;
3 eine dreidimensionale Ansicht auf einen Kernteil des erfindungsgemäßes Hybrid-Verbindungselements aus 1 und 2;
4 eine dreidimensionale Ansicht auf das erfindungsgemäße Hybrid-Verbindungselement aus 1 und 2; und
5 eine dreidimensionale Teilansicht auf das erfindungsgemäße Hybrid-Verbindungselement aus 1 bis 4.

In der nachfolgenden Beschreibung werden gleiche Bezugszeichen für gleiche Gegenstände verwendet.
1 zeigt eine Schnittansicht auf ein erfindungsgemäßes Hybrid-Verbindungselement 1.
Genauer dargestellt zeigt 1 ein Hybrid-Verbindungselement, insbesondere ein Lageraußenelement 1 eines Radlagers zur Befestigung eines Fahrzeugrades, mit einem Kernteil 2 aus einem ersten Material und mit einem Verstärkungsteil 3 aus einem zweiten Material.
Das Verstärkungsteil 3 umhüllt zumindest teilweise das Kernteil 2 und verstärkt dieses somit. Dieser Sachverhalt ist nochmals besser in den weiteren Figuren dargestellt.
Das Kernteil 2 hat dabei eine hohlzylindrisch ausgebildete Lagereinheit 4 zur Bildung eines Wälzlagers, die sich in axialer Richtung A erstreckt.
Hierbei hat die hohlzylindrisch ausgebildete Lagereinheit 4 an der inneren Mantelfläche Wälzkörperlaufbahnen zur Bildung eines Wälzlagers.
Das Kernteil 2 umfasst einen Flansch 5, der sich von einem axialen Ende der Lagereinheit 4 in radialer Richtung R erstreckt.
Ferner umfasst das Verstärkungsteil 3 diverse Verstärkungsrippen 6, die Kräfte zwischen der Lagereinheit 4 und dem Flansch 5 des Kernteils 2 übertragen.
Jede Verstärkungsrippe 6 hat eine Gestalt, die entsprechend dem Kraftfluss zwischen Flansch 5 und Lagereinheit 4 ausgebildet bzw. angepasst ist, wobei jede Verstärkungsrippe 6 ein erstes Ende 7 und ein zweites Ende 8 umfasst.
Das erste Ende 7 ist dabei an der Lagereinheit 4 angeordnet und in axialer Richtung A zum Flansch 5 versetzt, wobei das zweite Ende 8 am Flansch 5 angeordnet und in radialer Richtung R von der Lagereinheit 4 nach außen versetzt ist.
Ferner zeigt 1, aber auch 2, dass in radialer Richtung R die Höhe jeder Verstärkungsrippe 6 von innen an der Lagereinheit 4 nach außen zum Flansch 5 hin abnimmt.
Anders ausgedrückt, ist in radialer Richtung R die Höhe jeder Verstärkungsrippe 6 innen an der Lagereinheit 4 im Vergleich zur radial außenliegenden Außenseite des Flansches 5 größer.
Zwar nicht in den Figuren zu erkennen, weist die hohlzylindrisch ausgebildete Lagereinheit 4 dennoch an der äußeren Mantelfläche eine Oberflächenstruktur auf, die eine vergrößerte Oberfläche zur verbesserten Verbindung mit dem zweiten Werkstoff umfasst. Dadurch kann eine verbesserte Kraftweiterleitung zwischen dem Kernteil 2 und dem Verstärkungsteil 3 gewährleistet werden.
Auch der Flansch 5, zumindest auf der zur Lagereinheit 4 orientierten Oberfläche, hat eine Oberflächenstruktur, die eine vergrößerte Oberfläche zur verbesserten Verbindung mit dem zweiten Werkstoff umfasst. Ebenfalls dadurch ist eine verbesserte Kraftweiterleitung zwischen dem Kernteil 2 und dem Verstärkungsteil 3 gewährleistbar.
Wie 1 auch zeigt, hat der Verstärkungsteil 3 eine Aufnahme 11 für eine Fahrzeugfelge, wobei die Aufnahme 11 die Lagereinheit 4 des Kernteils 2 in axialer Richtung A verlängert.
Dabei verlängert die Aufnahme 11 an dem axialen Ende der Lagereinheit 4, an dem der Flansch 5 angeordnet ist, die Lagereinheit 4 des Kernteils 2 in axialer Richtung A.
Wie übrigens alle Figuren zeigen, sind der Kernteil 2 und der Flansch 5 einstückig und aus dem ersten Material ausgebildet, wobei der Kernteil 2 und der Flansch 5 als stählernes Schmiedeteil ausgeführt sind.
Das erste Material hat gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine im Vergleich zum zweiten Material höhere Dichte, wodurch das Gewicht des Hybrid-Verbindungselement 1 reduzierbar ist.
Beim zweiten Material handelt es sich um einen Kunststoff bzw. um ein faserverstärktes Duroplast, wobei das zweite Material in einem Spritzgießverfahren oder einem Pressverfahren auf das erste Material applizierbar ist.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient des ersten Materials unterscheidet sich vom Wärmeausdehnungskoeffizient des zweiten Materials um +/- 2 %.
2 zeigt eine weitere Schnittansicht auf das erfindungsgemäßes Hybrid-Verbindungselement 1.
Betreffend die weiteren Ausführungen wird zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen auf die Erläuterungen nach 1 verwiesen, die hier ebenfalls anwendbar sind.
Jedoch zeigt 2 zusätzlich zu 1, dass die Oberfläche jeder Verstärkungsrippe 6 mit der Lagereinheit 4 einen Winkel β mit 55 Grad einschließt, wohingegen die Oberfläche jeder Verstärkungsrippe 6 mit der Oberfläche des Flansches 5 einen Winkel α mit 90 Grad einschließt.
3 zeigt eine dreidimensionale Ansicht auf einen Kernteil 2 des erfindungsgemäßes Hybrid-Verbindungselements 1 aus 1 und 2, wohingegen 4 eine dreidimensionale Ansicht auf das erfindungsgemäße Hybrid-Verbindungselement 1 aus 1 und 2 zeigt.
Ferner zeigt 5 eine dreidimensionale Teilansicht auf das erfindungsgemäße Hybrid-Verbindungselement 1 aus 1 bis 4.
Betreffend die weiteren Ausführungen wird zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen auf die Erläuterungen nach 1 und 2 verwiesen, die hier ebenfalls anwendbar sind.
Nachfolgend werden der Einfachheit halber zur Vermeidung von Wiederholungen die 3, 4 und 5 zusammen beschrieben.
Wie den 3 bis 5 entnommen werden kann, überbrücken jeweils zwei Verstärkungsrippen 6 in radialer Richtung R pro Aussparung 9 des Flansches 5 zur Gewichtsreduktion. Dadurch können Kräfte über die Aussparung 9 mittels des Verstärkungsteils 3 übertragen und die Kippsteifigkeit erhöht werden.
Die zwei Verstärkungsrippen 6 pro Aussparung 9 liegen dabei tangential an einer Aussparung 9 des Flansches 5 an.
Im vorliegenden Beispiel sind die Verstärkungsrippen 6 als Vollteil ausgebildet, jedoch ist es auch möglich, dass eine oder mehrere oder alle Verstärkungsrippen 6 hohl ausgebildet sind, um das Gewicht des Hybrid-Verbindungselements weiter zu reduzieren.
Insbesondere mit Blick auf die 3 und 4, ist erkennbar, dass die Form einer Verstärkungsrippe 6 mit der Form einer weiteren Verstärkungsrippe 6 fließend verlaufend ausgebildet ist.
Auch ist die Form einer Verstärkungsrippe 6 mit der Form einer weiteren Verstärkungsrippe 6 an dem jeweiligen Ende der Verstärkungsrippe 6 fließend verlaufend ausgebildet - vgl. 5.
Dabei ist jede Verstärkungsrippe 6 als Berg ausgebildeter Bereich des Verstärkungsteils 3 geformt, wobei zwischen zwei Verstärkungsrippen 6 ein als Tal ausgebildeter Bereich des Verstärkungsteils 3 angeordnet ist.
Anders ausgedrückt, verläuft der Übergang von einer Verstärkungsrippe 6 zu einer anderen Verstärkungsrippe 6 über einen als Tal ausgebildeten Bereich, wobei der Übergang von einem als Berg ausgebildeten Bereich zu einem als Tal ausgebildeten Bereich und umgekehrt fließend verlaufend ausgebildet ist.
Mithilfe miteinander verfließend bzw. verschmelzend bzw. fließend übergehend ausgebildeten Ausgestaltung des Hybrid-Verbindungselements 1 können Kerbwirkungseffekte vermieden werden.
Wie 3 bis 5 ferner zeigen, sind zwei Verstärkungsrippen 6, die um eine Aussparung 9 oder um eine Befestigungsaufnahme 10 des Flansches 5 angeordnet sind, in Umfangsrichtung U fließend verlaufend ausgebildet sind.
3 zeigt, dass der Flansch 5 kreisringförmig ausgebildet ist, wobei der Flansch 5 diverse Aussparungen 9 umfasst, um das Gewicht des Hybrid-Verbindungselements 1 zu reduzieren.
Dabei sind die Aussparungen 9 in Umfangsrichtung U gleichverteilt angeordnet, wobei jede Aussparung 9 als Langloch ausgebildet ist.
Die als Langloch ausgebildete Aussparung 9 hat eine nierenförmige Gestalt, wobei sich jede Aussparung 9 in Umfangsrichtung U erstreckt und den Flansch 5 in axialer Richtung A vollständig durchdringt.
Ferner hat der Flansch 5 Aussparungen 12, die in Umfangsrichtung U gleichverteilt angeordnet sind, wobei jede Aussparung 12 als Verbindungspassage 12 ausgebildet ist.
Die als Verbindungspassage dienende Aussparung 12 ist als Durchgangsloch in axialer Richtung A ausgebildet, um die Kraftübertragung des ersten Werkstoffes des Kernteils 2 und dem zweiten Werkstoff des Verstärkungsteils 3 zu verbessern.
Des Weiteren hat der Flansch 5 diverse Befestigungsaufnahmen 10 zur Befestigung einer Radfelge eines Fahrzeuges, wobei jede Befestigungsaufnahme 10 ein Gewinde für eine Felgenschraube aufweist.
Auch an jeder Befestigungsaufnahme 10 sind zwei Verstärkungsrippen 6 tangential berührend angeordnet. Anders ausgedrückt, „umarmen“ bzw. „umschließen“ bzw. „umgeben“ die Verstärkungsrippen 6 jede Befestigungsaufnahme 10 vollständig.
Nachfolgend werden die Figuren nochmals ergänzend beschrieben bzw. werden nachfolgend entsprechende Lösungen zur eingangs geschilderten Aufgabe dargestellt.
Das Design der Kunststoffkomponente bzw. des Verstärkungsteils 3 geht aus einer Topologieoptimierung hervor und weist Streben bzw. Verstärkungsrippen 6 um Bereiche auf, die stärker versteift werden müssen, wie z. B. Gewindelöcher bzw. Befestigungsaufnahmen 10 oder zwischen den Gewindelöchern.
Dabei sind die Verrippungen bzw. Verstärkungsrippen 6 zwischen den Gewindelöchern bzw. Befestigungsaufnahmen 10 optional und können je nach Steifigkeitsanforderung variieren oder auch komplett entfallen (vgl. z. B. 2).
Im Umfeld von Bohrlöchern bzw. Befestigungsaufnahmen 10 oder anderen Aussparungen 9, die mit Lasteinleitungsbereichen zusammenfallen, bietet es sich an, dass die Streben bzw. Verstärkungsrippen 6 so nahe wie möglich an den Befestigungsaufnahmen 10 verlaufen.
Weiterhin bedeutet dies, dass die Strebenform bzw. die Form der Verstärkungsrippen 6 sich an die Aussparung 9 heranschmiegt. Insgesamt ergibt sich eine bionisch inspirierte Gesamtform, die vorzugsweise bei Anwendung an runden Flanschen 5 in etwa den Wurzeln eines Baums ähnelt.
Die Winkel, unter denen die Stützstreben bzw. Verstärkungsrippen 6 aus den verschiedenen Krafteinleitungsflächen hervorgehen, haben je nach Belastungsfall verschiedene optimale Werte.
Im Speziellen seien hier Winkel im Bereich von 35° bis 55° (optimalerweise 45°) zur Übertragung von Schub sowie zwischen 75° und 95° (optimalerweise 90°-Winkel) zur Übertragung von Normalkräften erwähnt.
Für gemischte Belastungen empfehlen sich Werte zwischen den genannten Winkeln (4).
Eine gute Profilform einer Stützstrebe bzw. Verstärkungsrippe 6 lässt sich aus den optimalen Winkeln an den Randpunkten bzw. Enden 7, 8 interpolieren, sodass die Profilform möglichst glatte Übergänge zwischen diversen Winkeln aufweist. Bei 90°-45° ergibt sich also beispielsweise im Profil eine konvexe Form.
Die Gestaltung um Bohrlöcher bzw. Befestigungsaufnahmen 10 folgt sehr organischen Formen. Maßgeblich ist dabei, dass die Strebe bzw. Verstärkungsrippe 6 sich um den oberen Rand des Bohrloches bzw. der Befestigungsaufnahme 10 schmiegt, sowie die Verschmelzung der Streben / Verstärkungsrippe 6 auf beiden Seiten des Loches im unteren Bereich.
Die Form zweier Streben / Verstärkungsrippen 6 um ein kreisrundes, hauptsächlich auf Druck belastetes Bohrloch / Befestigungsaufnahme 10 sieht bei flächig aufgebrachter, hauptsächlich normaler Belastung auf den Stahlflansch bzw. den Flansch 5 beispielsweise von vorne gesehen aus, wie in 5.
Bezugszeichenliste

1: Hybrid-Verbindungselement
2: Kernteil
3: Verstärkungsteil
4: Lagereinheit
5: Flansch
6: Verstärkungsrippe
7: erstes Ende
8: zweites Ende
9: Aussparung
10: Befestigungsaufnahme
11: Aufnahme
12: Aussparung
A: axiale Richtung
R: radiale Richtung
α: Winkel
β: Winkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2863082 A1 [0003]
DE 102014206843 A1 [0003]

Claims

Hybrid-Verbindungselement (1), insbesondere ein Lageraußenelement (1) eines Radlagers zur Befestigung eines Fahrzeugrades, - mit einem Kernteil (2) aus einem ersten Material, und - mit einem Verstärkungsteil (3) aus einem zweiten Material, das zumindest teilweise das Kernteil (2) umhüllt und somit verstärkt, - wobei das Kernteil (2) eine hohlzylindrisch ausgebildete Lagereinheit (4) zur Bildung eines Wälzlagers umfasst, die sich in axialer Richtung (A) erstreckt, - wobei das Kernteil (2) einen Flansch (5) umfasst, der sich von einem axialen Ende der Lagereinheit (4) in radialer Richtung (R) erstreckt, und - wobei das Verstärkungsteil (3) mindestens eine Verstärkungsrippe (6) umfasst, die Kräfte zwischen der Lagereinheit (4) und dem Flansch (5) des Kernteils (2) überträgt.
Hybrid-Verbindungselement nach Anspruch 1, - wobei die mindestens eine Verstärkungsrippe (6) eine Gestalt umfasst, die entsprechend dem Kraftfluss zwischen Flansch (5) und Lagereinheit (4) ausgebildet ist, - wobei vorzugsweise die mindestens eine Verstärkungsrippe (6) ein erstes Ende (7) und ein zweites Ende (8) umfasst, - wobei vorzugsweise das erste Ende (7) an der Lagereinheit (4) angeordnet und in axialer Richtung (A) zum Flansch (5) versetzt ist, - wobei vorzugsweise das zweite Ende (8) am Flansch (5) angeordnet und in radialer Richtung (R) von der Lagereinheit (4) nach außen versetzt ist.
Hybrid-Verbindungselement nach Anspruch 1, - wobei die mindestens eine Verstärkungsrippe (6) in radialer Richtung (R) mindestens eine Aussparung (9, 10, 12) des Flansches (5) zur Gewichtsreduktion überbrückt, um Kräfte über die Aussparung (9, 10, 12) mittels des Verstärkungsteils (3) zu übertragen, - wobei vorzugsweise zwei Verstärkungsrippen (6) in radialer Richtung (R) pro Aussparung (9, 10, 12) des Flansches (5) angeordnet sind, um Kräfte zu übertragen, - wobei vorzugsweise das Hybrid-Verbindungselement (1) zwei Verstärkungsrippen (6) pro Aussparung (9, 10, 12) aufweist, die vorzugsweise tangential an einer Aussparung (9, 10, 12) des Flansches (5) anliegen, - wobei vorzugsweise die mindestens eine Verstärkungsrippe (6) hohl ausgebildet ist, um Gewicht einzusparen.
Hybrid-Verbindungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, - wobei in radialer Richtung (R) die Höhe jeder Verstärkungsrippe (6) von innen an der Lagereinheit (4) nach außen zum Flansch (5) hin abnimmt, - wobei vorzugsweise in radialer Richtung (R) die Höhe der mindestens einen Verstärkungsrippe (6) innen an der Lagereinheit (4) im Vergleich zur radial außenliegenden Außenseite des Flansches (5) größer ist, - wobei vorzugsweise die Form der mindestens einen Verstärkungsrippe (6) mit der Form einer weiteren Verstärkungsrippe (6) fließend verlaufend ausgebildet ist, - wobei vorzugsweise die Form der mindestens einen Verstärkungsrippe (6) mit der Form einer weiteren Verstärkungsrippe (6) an dem jeweiligen Ende der Verstärkungsrippe (6) fließend verlaufend ausgebildet ist.
Hybrid-Verbindungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, - wobei jede Verstärkungsrippe (6) als Berg ausgebildeter Bereich des Verstärkungsteils (3) geformt ist, - wobei vorzugsweise zwischen zwei Verstärkungsrippen (6) ein als Tal ausgebildeter Bereich des Verstärkungsteils (3) angeordnet ist, - wobei vorzugsweise der Übergang von einer Verstärkungsrippe (6) zu einer anderen Verstärkungsrippe (6) über einen als Tal ausgebildeten Bereich verläuft, - wobei vorzugsweise der Übergang von einem als Berg ausgebildeten Bereich zu einem als Tal ausgebildeten Bereich und umgekehrt fließend verlaufend ausgebildet ist, - wobei vorzugsweise zwei Verstärkungsrippen (6), die um eine Aussparung (9, 12) oder um eine Befestigungsaufnahme (10) des Flansches (5) angeordnet sind, in Umfangsrichtung (U) fließend verlaufend ausgebildet sind.
Hybrid-Verbindungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, - wobei der Flansch (5) kreisringförmig ausgebildet ist, - wobei vorzugsweise der Flansch (5) mindestens eine Aussparung (9, 12) umfasst, um das Gewicht des Hybrid-Verbindungselements (1) zu reduzieren, - wobei vorzugsweise mehrere Aussparungen (9) in Umfangsrichtung (U) gleichverteilt angeordnet sind, - wobei vorzugsweise die mindestens eine Aussparung (9, 12) als Langloch oder als Verbindungspassage ausgebildet ist, - wobei vorzugsweise die als Langloch ausgebildete Aussparung (9, 12) eine nierenförmige Gestalt aufweist, - wobei sich vorzugsweise die mindestens eine Aussparung (9, 12) in Umfangsrichtung (U) erstreckt und/oder den Flansch (5) in axialer Richtung (A) vollständig durchdringt, - wobei vorzugsweise die als Verbindungspassage dienende Aussparung (9, 12) als Durchgangsloch in axialer Richtung (A) ausgebildet ist, um die Kraftübertragung des ersten Werkstoffes des Kernteils (2) und dem zweiten Werkstoff des Verstärkungsteils (3) zu verbessern.
Hybrid-Verbindungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, - wobei der Flansch (5) mindestens eine Befestigungsaufnahme (10) zur Befestigung einer Radfelge eines Fahrzeuges umfasst, - wobei vorzugsweise die mindestens eine Befestigungsaufnahme (10) ein Gewinde für eine Felgenschraube aufweist, - wobei vorzugsweise an jeder Befestigungsaufnahme (10) wenigstens zwei Verstärkungsrippen (6), insbesondere tangential berührend, angeordnet sind.
Hybrid-Verbindungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, - wobei die hohlzylindrisch ausgebildete Lagereinheit (4) an der inneren Mantelfläche mindestens eine Wälzkörperlaufbahn umfasst, - wobei vorzugsweise die hohlzylindrisch ausgebildete Lagereinheit (4) an der äußeren Mantelfläche eine Oberflächenstruktur umfasst, die eine vergrößerte Oberfläche zur verbesserten Verbindung mit dem zweiten Werkstoff umfasst, wodurch eine verbesserte Kraftweiterleitung zwischen dem Kernteil (2) und dem Verstärkungsteil (3) gewährleistbar ist, - wobei vorzugsweise der Flansch (5), zumindest auf der zur Lagereinheit (4) orientierten Oberfläche, eine Oberflächenstruktur umfasst, die eine vergrößerte Oberfläche zur verbesserten Verbindung mit dem zweiten Werkstoff umfasst, wodurch eine verbesserte Kraftweiterleitung zwischen dem Kernteil (2) und dem Verstärkungsteil (3) gewährleistbar ist.
Hybrid-Verbindungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, - wobei der Verstärkungsteil (3) eine Aufnahme (11), insbesondere für eine Fahrzeugfelge, umfasst, - wobei vorzugsweise die Aufnahme (11) die Lagereinheit (4) des Kernteils (2) in axialer Richtung (A) verlängert, - wobei vorzugsweise die Aufnahme (11) an dem axialen Ende der Lagereinheit (4), an dem der Flansch (5) angeordnet ist, die Lagereinheit (4) des Kernteils (2) in axialer Richtung (A) verlängert.
Hybrid-Verbindungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, - wobei der Kernteil (2) und der Flansch (5) einstückig und aus dem ersten Material ausgebildet sind, - wobei vorzugsweise der Kernteil (2) und der Flansch (5) als Schmiedeteil ausgeführt ist, - wobei das erste Material eine im Vergleich zum zweiten Material höhere Dichte aufweist, wodurch das Gewicht des Hybriden-Verbindungselements (1) reduzierbar ist, - wobei vorzugsweise das zweite Material einen Kunststoff, vorzugsweise ein faserverstärktes Duroplast, aufweist, - wobei vorzugsweise das zweite Material in einem Spritzgießverfahren oder einem Pressverfahren auf das erste Material applizierbar ist, - wobei sich vorzugsweise der Wärmeausdehnungskoeffizient des ersten Materials vom Wärmeausdehnungskoeffizient des zweiten Materials um +/- 10 %, vorzugsweise um +/- 2 %, unterscheidet.