-
Die Erfindung betrifft eine Hybridfelge für ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Hybridfelge.
-
Das Thema Leichtbau ist in der Fahrzeugtechnik von besonders großer Bedeutung. Um Fahrzeuge effizienter zu gestalten und die gerade im Automobilbereich ständig steigenden Anforderungen in allen Bereichen erfüllen zu können, ist man stets bestrebt, Fahrzeugkomponenten mit möglichst geringer Masse zu fertigen. Faserverstärkte Kunststoffe, wie kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK), bieten hierzu großes Potential, da diese Werkstoffe nicht nur ein geringes Gewicht haben, sondern gleichzeitig sehr gute mechanische Eigenschaften, beispielsweise eine hohe Festigkeit in Verbindung mit einer hohen Steifigkeit, aufweisen.
-
Hybridfelgen, die einen metallischen Radkranz (auch Felgenstern genannt) und eine Felge (auch Felgenbett genannt) aus CFK haben, sind bekannt. Bei diesem Konzept wird der metallische Radkranz mit der CFK Felge verklebt sowie zusätzlich verschraubt, um eine feste Verbindung gewährleisten zu können, die den Sicherheitsanforderungen genügt. Nachteilig bei diesem Aufbau ist, dass die Lochleibung für die Krafteileitung der Verschraubung eine deutliche Materialanhäufung erfordert. Dies führt zu einem Anstieg der Masse sowie der Herstellkosten der Hybridfelge.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Hybridfelge mit verringerter Masse bereitzustellen. Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zur einfacheren und kostengünstigeren Herstellung einer Hybridfelge bereitzustellen.
-
Zur Lösung der Aufgabe ist eine Hybridfelge für ein Kraftfahrzeug, wie ein PKW, LKW oder Nutzfahrzeug, mit einer Felge und einem Radkranz vorgesehen. Die Felge und der Radkranz sind dabei durch eine Einpressverbindung aneinander befestigt. Im Sinne der Erfindung ist eine Einpressverbindung eine kraftschlüssige und formschlüssige Verbindung, die insbesondere durch Verpressen zweier Bauteile, in diesem Fall der Felge mit dem Radkranz, gebildet wird. Mittels der Einpressverbindung sind die Felge und der Radkranz in Umfangrichtung der Hybridfelge drehmomentübertragend gekoppelt. Erfindungswesentlich ist dabei, dass die Felge und der Radkranz nicht über Befestigungsmittel, wie Schrauben, Nieten, etc., verbunden sind. Indem keine Befestigungsmittel vorgesehen sind, ist auch keine Materialanhäufung für deren Krafteinleitung erforderlich. Somit kann die Hybridfelge mit weniger Material gebildet sein, wodurch diese weniger Gewicht aufweist und kostengünstiger hergestellt werden kann.
-
Der Radkranz kann an einem Außenumfang erste Kontaktbereiche und die Felge an einem Innenumfang komplementäre zweite Kontaktbereiche aufweisen, die zumindest abschnittsweise formschlüssig in Eingriff sind. Die Kontaktbereiche können dabei im Wesentlichen beliebig gestaltet sein, solange sie eine formschlüssige Verbindung der Felge und des Radkranzes gewährleisten, die insbesondere zur Drehmomentübertragung in Umfangsrichtung der Hybridfelge geeignet ist. Beispielsweise kann der erste Kontaktbereich durch radiale Vorsprünge gebildet sein, die eine Art Verzahnung bilden. Die komplementäre Gegenverzahnung könnte in diesem Fall beim Verpressen des Radkranzes mit der Felge in axialer Richtung entstanden sein und würde den zweiten Kontaktbereich bilden. In einer weiteren Variante kann der erste Kontaktbereich einen Abschnitt mit einer Rändelung aufweisen. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass die Felge und der Radkranz zumindest in radialer Richtung und in Umfangsrichtung sicher miteinander sowie insbesondere drehmomentübertragend befestigt sind.
-
Gemäß einer Ausführungsform können die ersten Kontaktbereiche zumindest abschnittsweise durch Formschlusseinlagen gebildet sein, die der Radkranz an einem Außenumfang aufweist. Die Formschlusseinlagen bestehen insbesondere aus Stahl oder einem anderen hochfesten Material. Mittels der Formschlusseinlagen können die ersten Kontaktbereiche einfach und kostengünstig in dem Radkranz vorgesehen sein. Ferner kann auf diese Weise der erste Kontaktbereich aus einem sich vom Radkranz unterscheidenden Material ausgebildet sein, das beispielsweise besser zum Einpressen in die Felge aus CFK geeignet ist und/oder das besser zum Ausbilden einer Kontur geeignet ist, die das Einpressen in die Felge aus CFK begünstigt.
-
In einer Ausführungsform sind die Felge und der Radkranz durch eine stoffschlüssige Verbindung aneinander befestigt. Beispielsweise sind die Felge und der Radkranz mittels eines Klebstoffs miteinander verklebt. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Felge und der Radkranz zumindest in axialer Richtung sicher miteinander befestigt sind. Ferner kann der Klebstoff dazu vorgesehen sein, Kontaktkorrosion insbesondere zwischen der Felge und dem Radkranz zu vermeiden.
-
Der Radkranz kann aus einem Metall gebildet sein. Bevorzugt sind hierbei Legierungen, die eine geringe Dichte aufweisen, beispielsweise Leichtmetalle, und gleichzeitig eine hohe Festigkeit bereitstellen.
-
Hybridfelge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Felge zu mindestens 70%, vorzugsweise mindestens 90%, insbesondere vollständig aus einem kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff gebildet ist. Alternativ kann die Felge zumindest teilweise aus einem anderen faserverstärkten Kunststoff gebildet sein, der aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften als Werkstoff für Felgen geeignet ist. Indem der Anteil der Felge erhöht wird, der aus CFK besteht, wird das Gewicht der Hybridfelge reduziert.
-
Erfindungsgemäß ist zur Lösung der oben genannten Aufgabe auch ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Hybridfelge mit dem Schritt vorgesehen, dass der Radkranz mit der Felge in axialer Richtung verpresst wird. Hierbei ist es nicht wesentlich, ob die Felge auf den Radkranz, der Radkranz auf die Felge oder die Felge und der Radkranz gleichzeitig aufeinander geschoben werden. Relevant ist lediglich, dass die Felge in axialer Richtung und mit Druck auf den Radkranz gepresst wird, sodass sich hierbei eine Einpressverbindung bildet, wodurch die Felge und der Radkranz form- und kraftschlüssig zumindest in (und entgegen) der Umfangsrichtung miteinander verbunden sind. Das bedeutet, dass der Innendurchmesser der Felge zumindest in den Abschnitten, die für die Einpressverbindung vorgesehen sind, kleiner ist als der Außendurchmesser des Radkranzes. Insbesondere wird die Felge beim Verpressen durch den Radkranz plastisch verformt, sodass sich die Einpressverbindung ausbildet. Durch dieses Verfahren kann eine sehr einfach gestaltete Felge verwendet werden, die beispielsweise in einem Preformprozess durch Rollformen erhalten werden kann und die keine Befestigungsabschnitte zur Krafteinleitung von Befestigungsmitteln, wie Schrauben, erfordert. Der zweite zum ersten Kontaktbereich des Radkranzes komplementäre Kontaktbereich für den formschlüssigen Eingriff bildet sich beim Verpressen automatisch in der Felge aus. Auf diese Weise kann die Hybridfelge einfach und kostengünstig hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist, dass das Design der Hybridfelge einfach verändert werden kann, indem das Design des Radkranzes variiert wird. Abgesehen von kleinen Modifikationen, beispielsweise um die Halterung zur Lagerung des Radkranzes an verschiedene Geometrien des Radkranzes anzupassen, kann mittels dieses Verfahrens dasselbe Werkzeug für das Herstellen von Hybridfelgen mit unterschiedlichen Designs verwendet werden.
-
In einer Ausführungsform wird der Radkranz beim Verpressen koaxial zur Felge angeordnet, um eine Unwucht in der Hybridfelge zu vermeiden.
-
Das Verfahren kann ferner den Schritt umfassen, dass der Radkranz mit der Felge verklebt wird. Das Verkleben führt zu einer stärkeren Verbindung des Radkranzes mit der Felge und fixiert die Felge insbesondere in axialer Richtung auf dem Radkranz. Ferner kann mittels eines geeigneten Klebstoffs Kontaktkorrosion insbesondere zwischen dem Radkranz und der Felge vermieden werden.
-
Das Verpressen in axialer Richtung und das Verkleben des Radkranzes mit der Felge können gleichzeitig erfolgen, um den Verfahrensablauf effizienter zu gestalten und die Verbindung des Radkranzes mit der Felge zu verbessern.
-
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
- - 1 in einer schematischen Explosionsdarstellung eine erfindungsgemäße Hybridfelge mit einem Radkranz und einer Felge,
- - 2 in einer perspektivischen Detailansicht das radial äußere Ende einer Speiche des Radkranzes aus 1 mit zwei Formschlusseinlagen,
- - 3 in einer perspektivischen Darstellung eine der Formschlusseinlagen aus 2, und
- - 4 in einer Schnittansicht eine Einpressverbindung der Hybridfelge aus 1, mittels der die Felge mit dem Radkranz verbunden ist.
-
In 1 ist eine Hybridfelge 10 für ein Kraftfahrzeug gezeigt, die einen Radkranz 12 und eine Felge 14 umfasst.
-
Der Radkranz 12 hat einen Radflansch 16, der zur Verbindung mit einer Radaufhängung (nicht dargestellt) vorgesehen ist, sowie sechs Speichen 18, die gleichförmig in Umfangsrichtung U am Radflansch 16 angeordnet sind und sich in radialer Richtung von der Rotationsachse R weg erstrecken. Alternativ kann der Radkranz 12 eine beliebige Speichengeometrie aufweisen, insbesondere mit einer beliebigen Anzahl an Speichen 18.
-
An ihrem radial äußeren Ende 20 hat jede Speiche 18 einen ersten Kontaktbereich 22 (siehe 2), der zu Verbindung mit der Felge 14 vorgesehen ist. Die ersten Kontaktbereiche 22 sind hierzu in Umfangsrichtung U angeordnet und bilden einen Außenumfang 24 des Radkranzes 12.
-
Jeder erste Kontaktbereich 22 weist ferner zwei Formschlusseinlagen 26 auf (siehe 3). Die Formschlusseinlagen 26 sind quaderförmig, wobei jeweils eine Seite des Quaders eine zahnförmige Oberflächenstruktur 28 hat. Die Oberflächenstruktur 28 verläuft parallel zu einer Kante 30 des Quaders und erstreckt sich über die die gesamte Seite des Quaders. Hierdurch werden zwei entgegengesetzte Schneidkanten 32, 33 mit dem Profil der Oberflächenstruktur 28 gebildet.
-
Die Formschlusseinlagen 26 sind im ersten Kontaktbereich 22 derart vorgesehen, dass die Oberflächenstruktur 28 in axialer Richtung verläuft und radial nach außen zeigt, d.h., tangential zum Außenumfang 24 sowie entgegengesetzt zur Rotationsachse R angeordnet ist.
-
Die Formschlusseinlagen 26 sind form- und kraftschlüssig in Ausnehmungen 34 (siehe 4) im ersten Kontaktbereich 22 an der Speiche 18 befestigt, wobei die Oberflächenstruktur 28 und die Schneidkanten 32, 33 aus der Speiche 18 herausragen. Zusätzlich oder alternativ können die Formschlusseinlagen 26 stoffschlüssig an der Speiche 18 befestigt sein.
-
In einer alternativen Ausführungsform können mehr oder weniger Formschlusseinlagen 26 in den ersten Kontaktbereichen 22 vorgesehen sein. Ferner können verschiedene erste Kontaktbereiche 22 eine unterschiedliche Anzahl von Formschlusseinlagen 26 aufweisen. Zusätzlich oder alternativ können die Formschlusseinlagen 26 eine beliebige Form sowie eine beliebige Oberflächenstruktur 28, insbesondere eine Rändelung, haben. Weiter können unterschiedliche Formschlusseinlagen 26 im selben ersten Kontaktbereich 22 und/oder in verschiedenen ersten Kontaktbereichen 22 vorgesehen sein. Ferner können die Formschlusseinlagen 26 beliebig im ersten Kontaktbereich 22 angeordnet sein.
-
Die Felge 14 hat einen zentralen Innenabschnitt 36 mit einem ersten Innendurchmesser d und einen Außenabschnitt 38 mit einem zweiten Innendurchmesser D, wobei der zweite Innendurchmesser D größer als der erste Innendurchmesser d ist. Der Außenabschnitt 38 und der Innenabschnitt 36 sind in axialer Richtung A durch einen Übergangsabschnitt 40 miteinander verbunden. Entgegengesetzt zum Übergangsabschnitt 40 schließt ein Randabschnitt 42 an den Außenabschnitt 38 an, der sich radial nach außen erstreckt und ein axiales Ende der Felge 14 bildet.
-
Der Bereich am Innenumfang 43 der Felge 14, der an den ersten Kontaktbereich 22 der Speiche 18 angrenzt, bildet den zweiten Kontaktbereich 44. Der zweite Kontaktbereich 44 ist im Wesentlichen komplementär zum ersten Kontaktbereich 22 ausgebildet. Dabei liegt der erste Kontaktbereich 22 in radialer Richtung zumindest am Außenabschnitt 38 an. In axialer Richtung grenzt der erste Kontaktbereich 22 zumindest mit einem axialen Ende 46 der Speiche 18 am Übergangsabschnitt 40 und mit einem Wulst 48 der Speiche 18 am Randabschnitt 42 an.
-
Die Oberflächenstruktur 28 der jeweiligen Formschlusseinlagen 26 ist in den Außenabschnitt 38 eingepresst und damit in formschlüssigem Eingriff mit der Felge 14. Auf diese Weise ist die Einpressverbindung 50 gebildet, die den Radkranz 12 mit der Felge 14 drehmomentübertragend in Umfangsrichtung U verbindet.
-
Der erste Kontaktbereich 22 und der zweite Kontaktbereich 44 sind ferner mittels eines Klebstoffs 52 stoffschlüssig verbunden.
-
Der Radkranz 12 besteht aus einer Aluminium-Legierung. In einer alternativen Ausführungsform kann der Radkranz 12 aus einem beliebigen Metall bzw. einer beliebigen Legierung gebildet sein.
-
Die Formschlusseinlagen 26 bestehen aus Stahl. Gemäß einer alternativen Ausführungsform können die Formschlusseinlagen 26 aus einem beliebigen Metall bzw. einer beliebigen Legierung gebildet sein, vorzugsweise mit einer hohen Festigkeit.
-
In einer weiteren alternativen Ausführungsform können eine beliebige Anzahl der Formschlusseinlagen 26 einstückig mit dem Radkranz 12 ausgebildet sein.
-
Die Felge 14 besteht vollständig aus CFK. Alternativ kann die Felge 14 aus einem anderen faserverstärkten Kunststoff gebildet sein. Zusätzlich oder alternativ kann der Anteil des faserverstärkten Kunststoffs weniger als 100% betragen, insbesondere jedoch mindestens 70% oder mindestens 90%. Der verbleibende Teil kann beispielsweise durch Verstärkungselemente aus Metall gebildet sein.
-
Um die Hybridfelge 10 herzustellen, wird der Radkranz 12 koaxial zur Felge 14 angeordnet. Dabei sind der Radkranz 12 und die Felge 14 derart angeordnet, dass die axialen Enden 46 der Speichen 18 dem Übergangsabschnitt 40 gegenüberliegen.
-
Nun wird der Klebstoff 52 auf den ersten Kontaktbereich 22 und den zweiten Kontaktbereich 44 aufgebracht. Alternativ kann der Klebstoff 52 nur einseitig auf den ersten Kontaktbereich 22 oder den zweiten Kontaktbereich 44 aufgebracht werden.
-
Anschließend wird der Radkranz 12 in axialer Richtung A auf die Felge 14 gepresst, bis die axialen Enden 46 der Speichen 18 am Übergangsabschnitt 40 und die Wulste 48 an dem Randabschnitt 42 anschlagen. Hierbei führen die Oberflächenstrukturen 28 zu einer plastischen Verformung der Felge 14, und der zweite Kontaktbereich 44 wird gebildet.
-
In einer alternativen Ausführungsform, insbesondere bei der der Radkranz 12 keinen Wulst 48 und/oder die Felge 14 keinen Übergangsabschnitt 40 aufweist, kann der Radkranz 12 in axialer Richtung A auf die Felge 14 gepresst werden, bis eine vorgegebene relative Position des Radkranzes 12 und der Felge 14 erreicht ist.
-
Beim Verpressen des Radkranzes 12 mit der Felge 14 wird der Radkranz 12 gleichzeitig mit der Felge 14 verklebt.
-
Um die Kräfte zu reduzieren, die für die Verformung erforderlich sind bzw. die auf den Radkranz 12 und die Felge 14 wirken, können die der Felge 14 zugewandten Schneidkanten 32 scharfkantig gestaltet sein.
-
Durch die elastischen Eigenschaften der Felge 14 kommt es zu einem sogenannten Hinterhaken, bei dem ein Absatz 54 der Felge 14 in radialer Richtung nach innen in einen Zwischenraum 56 zwischen der Formschlusseinlage 26 und dem Wulst 48 eintaucht und eine axiale Fixierung des Radkranzes 12 auf der Felge 14 bewirkt.
-
Auf diese Weise wird die Einpresspassung 50 gebildet, die den Radkranz 12 mit der Felge 14 kraft- und formschlüssig sowie drehmomentübertragend in und entgegen der Umfangsrichtung U verbindet.
-
Außer dem Verpressen sind keine weiteren Schritte erforderlich, um den Radkranz 12 an der Felge 14 zu befestigen und damit die Hybridfelge 10 zu bilden. Das bedeutet, dass hierzu insbesondere keine Schritte zum Befestigen von Befestigungsmitteln wie Schrauben oder Nieten notwendig sind.
-
Das Verkleben des Radkranzes 12 mit der Felge 14 stellt einen optionalen Schritt dar, der die Verbindung zusätzlich stoffschlüssig stärkt sowie zur Vermeidung von Kontaktkorrosion vorgesehen sein kann.
-
Somit ist ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung einer Hybridfelge 10 bereitgestellt, die keine Befestigungsmittel und damit eine verringerte Masse aufweist.
