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Die Erfindung betrifft eine Faserverbundbelüftungsklappe für ein Fahrzeug sowie ein Rad für ein Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und Anspruch 10. Zum Stand der Technik wird beispielshalber auf die
DE 10 2013 222 044 A1 verwiesen.
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An Räder von Fahrzeugen, insbesondere an solche von Personenkraftwagen, werden die unterschiedlichsten Anforderungen gestellt. Neben einer ausreichenden Festigkeit bei geringem Gewicht sollen die Räder insbesondere einem guten Luftwiderstandsbeiwert des Fahrzeuges förderlich sein und sich durch ein gefälliges optisches Erscheinungsbild auszeichnen. Dazu zählt auch die Tatsache, dass der sichtbare Außenbereich der Räder nur in geringem Maße durch den Abrieb der an der Radinnenseite (also dem Fahrzeug zugewandten Seite) der Räder vorgesehenen Radbremse verschmutzt wird. Um insbesondere letzteres zu gewährleisten, ist es bekannt, die Freiräume zwischen sämtlichen Speichen eines Rads mittels eines einzigen scheibenförmigen Abdeckelements, welches an der Innenseite des Rads vorgesehen ist, gegenüber der zusammen mit dem Rad rotierenden Bremsscheibe der Radbremse abzudecken. Daneben sind auch Abdeckelemente bekannt, welche Speichenzwischenräume einzeln abdecken.
Da sich die Bremse insbesondere bei Abbremsung von hohen Geschwindigkeiten des Fahrzeuges extrem aufheizt, ist außerdem eine Bremsenkühlung durch einen Luftstrom zwischen dem Radäußeren, durch die Speichenzwischenräume und der Bremse wünschenswert.
Ein Zielkonflikt zwischen einem optimierten Luftwiderstandsbeiwert und einer optimalen Bremsenkühlung entsteht.
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Die
DE 10 2013 222 044 A1 beschreibt dabei eine Felgenabdeckung für ein Fahrzeugrad zur Anbindung an einer Fahrzeugfelge mit wenigstens einem Flügelelement zum Abdecken zumindest eines Abschnitts der Felge, das temperaturabhängig wenigstens eine erste und eine zweite Form einnehmen kann. Das Flügelelement ist dabei als Schichtverbund aus zwei Materialien mit einem unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgebildet.
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Ein derartiger Schichtverbund mit zwei Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten (Bimaterial) ist eine Lösung für den oben genannten Zielkonflikt, jedoch ist die Fertigung eines solchen Flügelelement durch Verklebung bzw. mechanische Fügung der beiden Materialien aufwändig, kostenintensiv und fehleranfällig.
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Daneben ist es auch in anderen Bereichen im Fahrzeug als an der Radabdeckung oft wünschenswert, einen solchen Bimaterialeffekt zu nutzen.
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Es ist somit Aufgabe der Erfindung, eine Klappe für ein Fahrzeug sowie ein Rad eines Fahrzeuges aufzuzeigen, welches die genannten Nachteile des Stands der Technik zu beheben vermag.
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Die Lösung der Aufgabe ergibt sich durch eine Faserverbundbelüftungsklappe für ein Fahrzeug sowie ein Rad für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und 10. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
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Dabei wird eine Faserverbundbelüftungsklappe für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, vorgeschlagen.
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Die Faserverbundbelüftungsklappe ist dabei aus zwei Hauptkomponenten, den Fasern und der Matrix, insbesondere einer Kunststoffmatrix gebildet. Als Fasern kommen dabei bevorzugt Kohlenstofffasern und als Matrix ein bestimmter bevorzugt duroplastischer Kunststoff (beispielsweise ein Harz) in Frage. Ein solcher Kohlenstofffaserverbundkunststoff wird dann auch als CFK bezeichnet.
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Weiterhin ist die Faserverbundbelüftungsklappe aus einem Laminat mit zumindest zwei Einzellagen aufgebaut. Die Gruppe der Laminate nutzt alle Vorteile der individuellen Faserausrichtung. Das Laminat wird aus mehreren übereinander gelegten Faserhalbzeugen (z. B. Gewebe, Gelege, Matten), welche hier als Einzellagen bezeichnet sind, mit unterschiedlichen Hauptfaserrichtungen gebildet. Zumindest eine der Einzellagen ist dabei als Schicht mit jeweils unidirektional orientierten Fasern ausgebildet. Derartige Einzellagen werden auch als UD-Schicht (=unidirektionale Schicht) bezeichnet. Eine derartige unidirketionale Schicht bezeichnet eine Schicht, deren Fasern überwiegend in die gleiche Richtung orientiert sind. Eine weitere Lage (insbesondere die später erläuterte passive Einzellage) kann dabei auch als Gelege oder Geflecht oder Gewebe ausgebildet sein, welches Fasern umfasst, die nicht nur unidirektional zueinander angeordnet sind, sondern bereits durch eine Flechtung unterschiedliche Orientierungen aufweisen. Diese Einzellagen aus Gewebe sind dabei als Schicht mit Faserbündeln unterschiedlicher Orientierung ausgebildet und werden auch als MD-Schicht (=multidirektionale Schicht) bezeichnet. Bei MD-Schichten können auch unterschiedliche Faserarten verwendet werden. So können zum Beispiel Kohlenstofffasern mit Glasfasern verwendet werden. Diese Faserkombination resultiert in ein konfigurierbares anisotropes Materialverhalten dieser Schicht, je nachdem welche Faserart mit welchem Anteil und mit welcher Faserorientierung in der MD-Schicht eingesetzt werden.
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Bevorzugt werden die Einzellagen zu einem Lagenstabel bzw. Lagenbündel zusammen geführt und anschließend die Matrix hinzu gegeben. Die Matrixzugabe kann hierbei im geschlossenen Werkzeug durch Infiltration oder außerhalb des Werkzeugs bzw. bei offenem Werkzeug durch Aufsprühen bzw. Gießen geschehen. Bevorzugt sind also die Einzellagen dabei bereits als Gelege mit Faser vorhanden, sodass diese bei Bildung des Laminats nur mehr aufeinander gelegt bzw. geschichtet werden müssen und in einem geeigneten Prozess, insbesondere ein Nasspressverfahren zu einem Laminat gefügt bzw. aufgebaut werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht im Schichten von Faserhalbzeugen, die bereits mit der Matrix getränkt sind.
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Bevorzugt wird die Faserverbundbelüftungsklappe bzw. das Laminat dabei aus zumindest sieben, besonders bevorzugt aus zehn derartiger aufeinandergeschichteter Einzellagen gebildet. Es ist jedoch auch möglich, dass dickere Einzellagen verwendet werden, sodass nicht so viele Einzellagen zum Erreichen einer bestimmten Dicke und damit einer bestimmten Festigkeit der Faserverbundbelüftungsklappe erreicht wird.
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Die Aufeinanderschichtung bzw. das Bilden des Laminats durch aufeinanderlegen der einzelnen Einzellagen bzw. der Schichten (bzw. einem Geflecht) bestimmt dabei maßgeblich die Eigenschaften des Bauteils. Denn je nachdem, in welcher Richtung die Fasern der Schichten zueinander orientiert sind, können unterschiedliche Eigenschaften erreicht werden.
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Faserverbundwerkstoffe können, bei bestimmter Faserorientierung, anisotrope Werkstoffe darstellen, d.h. dass die Eigenschaften des Werkstoffs in verschiedenen Raumrichtungen unterschiedlich sind. Dies gilt auch für den Wärmeausdehnungskoeffizienten. Dieser Koeffizient definiert die Längenänderung eines Werkstoffs, bei einem Wärmeeintrag. Für eine einzelne Faser-Matrix-Schicht, also eine UD-Schicht bzw. eine Einzellage ist dieser Faktor in Faserrichtung deutlich geringer als senkrecht zur Faser. Da die Einzellagen bzw. die UD-Schichten ebenfalls die anisotropen Eigenschaften aufweisen, sind die Eigenschaften des Laminats bzw. der Faserverbundbelüftungsklappe von der Orientierung der Einzellagen bzw. deren Fasern (beispielsweise vom Faseranteil und der Faserart) abhängig. Daraus folgt, dass die resultierende Wärmeausdehnung der Faserverbundbelüftungsklappe von der Orientierung der Fasern der Einzellagen, vom Faseranteil und der Faserart abhängig ist. Dieser Effekt soll in dieser Erfindung genutzt werden, um ein Umklappen bzw. Aufklappen der Faserverbundbelüftungsklappe zu bewirken.
Es ist in dieser Erfindung deswegen vorgesehen, dass zumindest zwei Einzellagen so aufeinander gelegt werden, dass deren Fasern unterschiedlich zueinander orientiert sind, also nicht parallel zueinander angeordnet sind.
Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Einzellagen bezüglich einer Mittelebene des Laminats hinsichtlich ihrer Faserorientierung asymmetrisch zueinander angeordnet bzw. aufgeschichtet sind.
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Besonders bevorzugt handelt es sich dabei um mehr als nur eine Einzellage, sondern um einen Bündel bzw. einen Stapel von Einzellagen.
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Dabei ist es weiterhin vorgesehen, dass die Fasern dieser zumindest zwei Einzellagen bzw. UD-Schichten derart zueinander orientiert sind, dass sich zumindest ein Bereich der Faserverbundbelüftungsklappe unter Wärmeeinfluss bevorzugt um eine vorgegebene Primärachse krümmt und damit einen aufgeklappten Zustand darstellt. Wie bereits genannt, ist es deswegen vorteilhaft, dass die Einzellagen so aufeinander geschichtet sind, dass die Faserverbundbelüftungsklappe als solche einen bezüglich einer Mittelebene der Faserverbundbelüftungsklappe asymmetrischen Lagenaufbau aufweist. Ein solcher asymmetrischer Lagenaufbau bedeutet dann, dass das Faserverbundbauteil anisotrope Eigenschaften bezüglich der Wärmeausdehnung aufweist.
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Es ist in einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung vorgesehen, dass die Faserverbundbelüftungsklappe in Richtung der Dicke bzw. der Höhe (welche durch die Anzahl der Lagen bestimmt ist, die aufeinander geschichtet werden) des Bauteils zumindest zwei Funktionsbereiche umfasst. Diese Funktionsbereiche werden durch Aufschichten mehrerer mit gleicher Faserorientierung ausgebildeter Einzellagen gebildet.
Dabei setzt sich das Laminat bevorzugt aus sogenannten aktiven Einzellagen, passiven Einzellagen und Übergangslagen zusammen.
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Die jeweiligen Funktionsbereiche werden demnach bevorzugt aus Einzellagen gebildet, deren Faserorientierung in dem jeweiligem Funktionsbereich gleich ist. Aktive Einzellagen sind dabei jene, deren Fasern parallel zur Primärachse orientiert sind und welche sich bei Wärmeeinfluss in senkrechter Richtung zur Primärachse (im Folgenden auch als Primärausdehnungsrichtung bezeichnet) ausdehnen. Passive Einzellagen sind dagegen jene, deren Fasern senkrecht zur Primärachse (in einer Horizontalebene also entlang der Breite der Faserverbundachse betrachtet), also senkrecht zu den Fasern der aktiven Einzellagen orientiert sind und welche eine geringe bzw. vernachlässigbare Wärmeausdehnung in Primärausdehnungsrichtung aufweisen.
Die Faserverbundbelüftungsklappe ist dabei entlang der Vertikalachse bzw. entlang ihrer Dicke bzw. Höhe betrachtet, in zumindest zwei Funktionsbereiche, nämlich in einen aktiven und einen passiven Funktionsbereich, aufgeteilt. Der aktive Funktionsbereich umfasst dabei ausschließlich aktive Einzellagen, während der passive Funktionsbereich nur passive Einzellagen umfasst. Die Dicke (bzw. Tiefe) des Laminats wird durch die Anzahl aufeinandergeschichteter Einzellagen bestimmt bzw. vorgegeben.
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Die Primärachse beschreibt dabei jene Achse, um welche sich ein Teil der Faserverbundbelüftungsklappe bei Wärmeeinfluss zu krümmen vermag. Dies bedeutet beispielsweise, dass die Primärachse die Fläche der Faserverbundbelüftungsklappe in eine sich (bei Wärmeeinfluss) umklappende Fläche und in eine sich (bei Wärmeeinfluss) nicht umklappende Fläche zumindest annähernd teilt.
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Damit die Faserorientierung einfacher zuordnungsbar ist, wird im Folgenden von einem Koordinatensystem ausgegangen, bei welchem die genannte Primärachse die 0° Achse darstellt. Eine Achse, welche senkrecht zu der Primärachse angeordnet ist und mit dieser zusammen eine (zumindest annähernd die Fläche der plattenförmigen Faserverbundbelüftungsklappe bildende) Horizontalebene des Faserverbundbauteils aufspannt, wird dabei als 90°-Achse bzw. Längsachse bezeichnet. Die Längsachse zeigt dabei zumindest annähernd in die Primärausdehnungsrichtung bei einem Wärmeeintrag der Faserverbundbelüftungsklappe. Eine zu diesen beiden Achsen senkrecht und vertikal angeordnete Koordinatenachse, welche mit beiden Achsen, also der 0°-Achse und der 90°-Achse, eine Vertikalebene (bezüglich der flächigen bzw. ebenen Faserverbundbelüftungsklappe) aufspannt, wird als Vertikalachse bezeichnet. Die Vertikalachse wird durch den Schichtaufbau der einzelnen Einzellagen bzw. der Dicke des Laminats vorgegeben bzw. bestimmt. Dabei ist, von der Vertikalachse betrachtet, in der Mitte des Lagenaufbaus der Faserverbundbelüftungsklappe, also jener Position auf der Vertikalachse, an welcher der Schichtaufbau der Einzellagen von deren Anzahl gleich aufgeteilt ist, eine parallel zur Horizontalebene ausgebildete Mittelebene angeordnet. Die Mittelebene der Faserverbundbelüftungsklappe beschreibt dabei jene parallel zu den Einzellagen ausgebildete Ebene, welche den Lagenaufbau des Laminats bzw. die Dicke des Laminats in zwei (bevorzugt gleichgroße) Hälften aufteilt.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist der Lagenaufbau der Faserverbundbelüftungsklappe bezüglich dieser Mittelebene asymmetrisch aufgebaut, sodass die Faserverbundbelüftungsklappe anisotrope Eigenschaften aufweist.
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Der aktive Funktionsbereich stellt dabei jenen Teil der Faserverbundbelüftungsklappe dar, welcher eine hohe Wärmeausdehnung in Richtung der 90°-Achse, also senkrecht zur Primärachse, in Primärausdehnungsrichtung aufweist, während der passive Funktionsbereich eine niedrige Wärmeausdehnung in Primärausdehnungsrichtung darstellt.
Da die Einzellagen miteinander (durch die Matrix bzw. bevorzugt durch ein Harz und einen Härter) zu einem asymmetrischen Laminat verbunden sind, führen die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der Funktionsbereiche und der Einzellagen zu einer Verformung der Faserverbundbelüftungsklappe.
In einer weiter bevorzugten Ausbildung der Erfindung stellt die Faserverbundbelüftungsklappe in einem nicht gekrümmten Zustand ein zumindest annähernd ebenes bzw. flächiges Bauteil dar, welches sich insbesondere entlang der 0°-90°- Ebene, also der Horizontalebene, flächig ausbreitet. Bei Wärmeeintrag, also ab Erreichen einer bestimmten Umgebungstemperatur, krümmt sich die Faserverbundbelüftungsklappe bevorzugt in Richtung der Vertikalachse um die Primärachse. Die Faserverbundbelüftungsklappe erreicht ab einem bestimmten Temperaturbereich eine aufgeklappte bzw. geöffnete Position.
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Wie bereits weiter oben genannt, ist es weiterhin bevorzugt, dass die Einzellagen bzw. UD-Schichten in Bündeln aufeinanderliegend angeordnet sind. Die Faserverbundbelüftungsklappe umfasst demnach bevorzugt zumindest ein Bündel aus aufeinanderliegenden unidirektionalen Einzellagen, wobei die Fasern dieser Einzellagen eines Bündels in die gleiche Richtung orientiert sind, also parallel zueinander angeordnet sind. Eine derartige Bündelung mehrerer UD-Schichten mit paralleler Faserausrichtung kann zu einem in sich stabileren Bauteil beitragen.
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Es ist dabei weiterhin bevorzugt vorgesehen, dass der aktive Funktionsbereich der Faserverbundbelüftungsklappe zumindest ein aktives Bündel umfasst, bei welchem die Fasern der Einzellagen des Bündels zumindest annähernd parallel zur Primärachse ausgerichtet sind. Dadurch, dass die Fasern in den Einzellagen dieses Bündels parallel zur Primärachse ausgerichtet sind, ist eine Verformung bzw. eine Wärmeausdehnung des aktiven Bündels bei Wärmeeintrag in Richtung der Fasern gering, während die Wärmeausdehnung in Richtung der Längsachse bzw. in die Primärausdehnungsrichtung hoch ist. Das aktive Bündel dehnt sich damit in senkrechter Richtung zur Primärachse, also in Primärausdehnungsrichtung aus. Besonders bevorzugt ist das aktive Bündel aus zumindest fünf Einzellagen aufgebaut.
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Weiter ist es bevorzugt vorgesehen, dass der passive Funktionsbereich der Faserverbundbelüftungsklappe aus zumindest einer passiven Einzellage aufgebaut ist. Eine passive Einzellage beschreibt dabei eine Einzellage, deren Fasern in Richtung der Längsachse ausgerichtet sind. Besonders bevorzugt bildet dabei diese passive Einzellage eine Außenfläche der Faserverbundbelüftungsklappe, nämlich besonders bevorzugt jene Außenfläche bzw. Oberfläche in Richtung der Vertikalachse betrachtet, die bei einer Klappbewegung der Faserverbundbelüftungsklappe in Ausklapprichtung angeordnet ist. Die passive Einzellage ist demnach bevorzugt, in Richtung der Vertikalachse betrachtet, oberhalb des aktiven Bündels angeordnet und bildet damit eine Oberfläche und bevorzugt auch eine Außenseite der Faserverbundbelüftungsklappe. Besonders bevorzugt ist die oberste passive Einzellage, welche die sichtbare Oberfläche der Faserverbundbelüftungsklappe darstellen soll, als Gewebe bzw. Gestrick ausgebildet, in welchem die Fasern sowohl in Richtung der Primärachse, als auch in Richtung der Längsachse miteinander verstrickt bzw. verwebt ausgebildet sind. Es ist weiterhin nicht erforderlich, dass eine passive Einzellage eine unidirektionale Einzellage darstellt, sondern dass diese auch als Gewebe oder Gestrick bzw. Geflecht ausgebildet sein kann.
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Wie bereits beschrieben dehnt sich bei Wärmeeintrag der aktive Funktionsbereich in senkrechter Richtung zur Primärachse entlang der Fläche der Faserverbundbelüftungsklappe aus. Die oberste passive Einzellage dehnt sich aufgrund deren Faserorientierung senkrecht zur Primärachse bei Wärmeeintrag kaum in senkrechter Richtung zur Primärachse aus. Aufgrund dessen, dass die Einzellagen bzw. die Bündel miteinander durch die Matrix verbunden sind, blockiert die genannte passive Einzellage im passiven Funktionsbereich die Ausdehnung der Faserverbundbelüftungsklappe in Richtung senkrecht zur Primärachse. Der bevorzugt auf der Vertikalachse betrachtet untere angeordnete aktive Bündel dehnt sich demnach in senkrechter Richtung zur Primärachse, während sich die passive Einzellage nicht mit dehnt. Die Faserverbundbelüftungsklappe verformt sich in Richtung der Vertikalachse, wodurch sich die Faserverbundbelüftungsklappe öffnet.
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Es ist auch möglich, anstatt nur einer einzigen passiven Einzellage, ein Bündel von passiven Einzellagen im passiven Funktionsbereich anzuordnen. Jedoch ist es besonders bevorzugt, möglichst weniger der passiven Einzellagen anzuordnen, da sich diese bei einem Wärmeeintrag in Richtung der Primärachse ausdehnen und dadurch (nach dem gleichen Prinzip wie die Krümmung um die Primärachse) eine Krümmung der Seitenbereiche der Faserverbundbelüftungsklappe um eine andere Achse als die gewünschte Primärachse bewirken. Jede andere Krümmung der Faserverbundbelüftungsklappe, welche nicht zumindest im Wesentlichen um die genannte Primärachse erfolgt, hemmt die Krümmbarkeit der Faserverbundbelüftungsklappe um die Primärachse. Damit wird eine größere Öffnung bzw. Aufklappung verhindert bzw. vermindert.
Dabei ist insbesondere auch das Verhältnis von der Anzahl an aktiven und passiven Einzellagen ausschlaggebend.
Deswegen ist es besonders bevorzugt, dass stets mehr aktive Einzellagen als passive Einzellagen im Laminat angeordnet sind, sodass eine Ausdehnung der Faserverbundbelüftungsklappe in Primärausdehnungsrichtung und damit eine Krümmung um die Primärachse dominiert.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung ist zwischen dem aktiven und dem passiven Funktionsbereich der Faserverbundbelüftungsklappe ein Übergangsbereich vorgesehen. Der Übergangsbereich wird dabei aus unterschiedlichen, (zumindest jedoch zwei) Übergangslagen gebildet. Die Übergangslagen sind dabei hinsichtlich derer Faserorientierung bezüglich einer Mittelebene des Übergangsbereichs symmetrisch zueinander angeordnet bzw. aufeinander geschichtet. Die Mittelebene ist dabei parallel zu den Übergangslagen und angeordnet und teilt die Anzahl der Übergangslagen im Übergangsbereich bevorzugt in zwei gleichgroße Hälften. In anderen Worten ausgedrückt, ist die Mittelebene des Übergangsbereichs jene horizontale Ebene, die den Lagenaufbau des Übergangsbereichs in zwei gleichdicke (bzw. mit gleicher Lagenanzahl ausgebildete) Hälften aufteilt.
Durch eine derartige symmetrische Anordnung der Übergangslagen weist der Übergangsbereich eine verzugsfreie Ausdehnung bei Wärmeeintag auf. Unter einer verzugsfreien Ausdehnung ist dabei zu verstehen, dass sich das Bauteil bei Wärmeeintrag außer einer Möglichen ebenen Flächigen Ausdehnung nicht verkrümmt oder in andere Raumrichtungen als in der Flächenebene ausdehnt bzw. verformt. Das Bauteil weist dann bevorzugt isotrope bzw. quasiisotrope Eigenschaften (zumindest in Flächenrichtung, jedoch nicht in Dickenrichtung des Bauteils) auf. In diesem Falle ist es bevorzugt dass nur der genannte Übergangsbereich der Faserverbundbelüftungsklappe eine genannte verzugsfreie Ausdehnung bei Wärmeeintrag bzw. eine solche Isotropie bzw. Quasiisotropie aufweist. Die Quasiisotropie des Übergangsbereichs bezeichnet dabei die Unabhängigkeit einer bestimmten Eigenschaft von der Richtung. In diesem konkreten Falle ist insbesondere die isotrope Eigenschaft in Flächenrichtung bezüglich der Wärmeausdehnung des Übergangsbereichs angesprochen. Dies bedeutet, dass sich der Übergangsbereich bei Wärmeeinfluss in Flächenrichtung bevorzugt richtungsunabhängig ausdehnt. Eine richtungsunabhängige Ausdehnung bedeutet, dass sich der Übergangsbereich in Flächenrichtung bzw. innerhalb der Flächenebene gleich ausdehnt. Bevorzugt ist dabei die Wärmeausdehnung des Übergangsbereichs materialbedingt vernachlässigbar gering.
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Der Übergangsbereich muss dabei nicht zwangsweise isotrope Eigenschaften aufweisen. Es ist ausreichend, wenn die genannte symmetrische Übergangsbereich mit den in sich gespiegelten Lagen bei Temperaturänderung nur eine Größenänderung erfährt aber keine Formänderung (wie eine Krümmung oder Verbiegung), also nur eine verzugsfreie Ausdehnung erfährt. Ein Verbundwerkstoff kann sich nahezu verzugsfrei bei einer Temperatur in verschiedenen Richtungen verschieden Stark vergrößern bzw. verkleinern. In Faserrichtung fällt insbesondere bei Verwendung von Kohlenstofffasern die Längenänderung sehr gering aus und quer zu Faserrichtung sehr verhältnismäßig groß, dass hier die Eigenschaften von der Matrix bestimmt werden. Die vornehmlich verwendeten Matrix Systeme sind Kunststoffe welche bekanntermaßen einen relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen.
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Besonders bevorzugt sind die Übergangslagen dabei Lagen deren Fasern entweder +45° oder -45° (in der Horizontalebene betrachtet) zur Primärachse orientiert sind. Die beiden unterschiedlichen Übergangslagen werden im Folgenden auch als +45°-Lage und -45°-Lage bezeichnet. Sind die gleiche Anzahl der Übergangslagen symmetrisch bezüglich der genannten Mittelebene des Übergangsbereichs zueinander in einem Laminat angeordnet, so gleichen sich diese bezüglich der Wärmeausdehnung aus. Sie dienen der Stabilisierung des Laminats.
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Dabei ist es insbesondere bevorzugt, dass der Übergangsbereich eine gleiche Anzahl an +45°-Lagen und -45°-Lagen umfasst, welche symmetrisch zur Mittelebene des Übergangsbereichs aufeinander geschichtet werden. Damit kann ein bezüglich der Mittelebene symmetrischer Übergangsbereich realisiert werden.
Alternativ kann der Übergangsbereich auch beispielsweise zwei Übergangsbündel umfassen, welche in Richtung der Vertikalachse betrachtet zwischen dem aktiven Bündel und der zumindest einen passiven Einzellage angeordnet sind. Das erste Übergangsbündel ist dabei wieder aus mehreren Übergangslagen aufgebaut und derart angeordnet, dass die Fasern dieser Übergangslagen mit einem Winkel von 45° gegenüber der Primärachse (in der Horizontalebene betrachtet) ausgerichtet bzw. orientiert sind. Das zweite Übergangsbündel, welches an dem ersten Übergangsbündel angeordnet ist, ist ebenfalls aus Übergangslagen aufgebaut, wobei deren Fasern mit einem Winkel von -45° zur Primärachse ausgerichtet sind.
Bevorzugt sind die genannten Übergangsbündel durch jeweils zumindest drei Übergangslagen aufgebaut. Weiterhin ist es bevorzugt, dass das erste Übergangsbündel und das zweite Übergangsbündel symmetrisch bezüglich der Mittelebene zueinander angeordnet sind.
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Es ist weiterhin möglich, dass der Übergangsbereich nicht aus mehreren unidirektionalen Übergangslagen, sondern aus Gelegen oder einem Gestrick ausgebildet ist, wobei die Fasergelege bereits derart verstrickt sind, dass die +45° und die -45° Faserorientierungen bereits in einer gestrickten Lage ausgebildet sind. In einem solchen Falle stellen die Übergangslagen keine unidirektionalen Lagen mehr da.
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Der Übergangsbereich, in welchem beispielsweise die genannten Übergangsbündel angeordnet sind, ist dabei bevorzugt zwischen dem aktiven Funktionsbereich und dem passiven Funktionsbereich angeordnet.
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Ein solcher Übergangsbereich ermöglicht eine Erhöhung der Robustheit des Laminats und stabilisiert das Bauteil. Durch die bevorzugte symmetrische Anordnung der Übergangslagen des Übergangsbereichs und die gewählte Faserorientierung der Übergangslagen, erfährt der Übergangsbereich bei einem Wärmeeintrag eine gleichmäßige Wärmeausdehnung in Richtung parallel und senkrecht zur Primärachse, welche jedoch vernachlässigbar gering ist. Dadurch entstehen in diesem Bereich keine thermisch induzierten Krümmungen. Der Übergangsbereich dehnt sich daher verzugsfrei bei Wärmeeintrag aus. Besonders bevorzugt verhält sich der Übergangsbereich dabei isotrop bzw. quasiisotrop in Flächenrichtung bzw. bezüglich der Flächenebene. Es ist also möglich durch die genannten Übergangsbündel eine Verformung der Faserverbundbelüftungsklappe bzw. des Laminats in oben bereits erläuterte unerwünschte Richtungen zu vermeiden. Die Steifigkeit des Laminats kann somit erhöht werden, was wiederrum die Robustheit des Bauteils erhöht. Je mehr Übergangslagen ein solcher Übergangsbereich umfasst, desto steifer ist die Faserverbundbelüftungsklappe ausgebildet. Je steifer die Faserverbundbelüftungsklappe in sich ist, desto mehr Widerstand wird auch einer Krümmung bzw. Verformung des Bauteils entgegengesetzt. Mit der Anzahl der Übergangslagen bzw. der Variation von Übergangslagen kann somit auf vorteilhafter Weise, je nach Anwendungsbereich der Faserverbundbelüftungsklappe, eine gewünschte Steifigkeit und Krümmungsstärke eingestellt werden.
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Eine erfindungsgemäße Faserverbundbelüftungsklappe für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Einzellagenaufbau und deren Faserorientierung, ermöglicht den Einsatz einer Klappfunktion in den unterschiedlichsten Bereichen im Fahrzeug, ohne dass zusätzliche Energie, beispielsweise mittels eines Motors bzw. eines Aktuators, aufgewendet werden muss. Dabei ermöglicht die Faserverbundbelüftungsklappe eine Realisierung einer solchen Klappfunktion bzw. Aufklappfunktion unter Wärmeeintrag in einem einzigen Bauteil, bestehend aus einem einzigen Material, nämlich einem Faserverbundkunststoff. An jeder Stelle bzw. Bereich im Fahrzeug, in welchem eine Abdeckung und gleichzeitig ab einer bestimmten Temperatur eine Kühlung gefordert ist, kann eine solche Faserverbundbelüftungsklappe eingesetzt werden. Beispielsweise, wie in Anspruch 10 aufgeführt, an einem Rad für ein Fahrzeug.
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Gemäß Anspruch 10 wird dabei ein Rad für ein Fahrzeug vorgeschlagen, welches ein Abdeckelement umfasst, das wiederrum eine Faserverbundbelüftungsklappe umfasst, die nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.
Das Rad umfasst dabei seinerseits eine Felge, einen Nabenabschnitt sowie zumindest zwei den Nabenabschnitt mit der Felge verbindende Speichen. Zwischen den beiden Speichen ist ein Speichenzwischenraum angeordnet, welcher von dem Abdeckelement abgedeckt ist.
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Die Faserverbundbelüftungsklappe wird also zumindest als Teil eines Abdeckelements zur Abdeckung zumindest eines Teils eines Speichenzwischenraums eines Rads für ein Fahrzeug eingesetzt.
Wenn sich die Umgebungstemperatur um die Faserverbundbelüftungsklappe unterhalb einer bestimmten Grenztemperatur befindet, beispielsweise im Stand des Fahrzeuges, befindet sich die Faserverbundbelüftungsklappe dabei bevorzugt in einem zugeklappten bzw. geschlossenen Zustand.
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Insbesondere durch vermehrtes Abbremsen einer Scheibenbremse wird die dazu verwendete Reibungsenergie zu einem großen Teil in Wärme umgesetzt.
Ab Erreichen der bestimmten Grenztemperatur im Radbereich bzw. im Felgenbereich öffnet sich bzw. klappt die Faserverbundbelüftungsklappe des Abdeckelements axial weg vom Rad. Das Aufklappen unter Wärmeeinfluss geschieht dabei aufgrund der in einem der Ansprüchen 1 bis 10 beschriebenen Ausführung (also beispielsweise die gewählte Faserorientierung und die Lage der Funktionsbereiche) der Faserverbundbelüftungsklappe.
Die aufgeklappte Faserverbundbelüftungsklappe ermöglicht dann einen Luftstrom zwischen dem Radäußeren und dem Felgeninneren zur Kühlung der dort angeordneten Bremsanordnung.
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Es ist dabei bevorzugt vorgesehen, dass das Abdeckelement die Faserverbundbelüftungsklappe umfasst bzw. dass die Faserverbundbelüftungsklappe an dem Abdeckelement angeordnet ist. Dabei umfasst das Abdeckelement neben der Faserverbundbelüftungsklappe bevorzugt ein fest mit dem Rad (beispielsweise mit der Speiche) verbundenes Abdeckelementteil.
Das Abdeckelementteil ist dabei besonders bevorzugt ein spritzgegossenes Kunststoffbauteil, welches zumindest annähernd eben ausgebildet ist.
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Die Faserverbundbelüftungsklappe ist dann bevorzugt an dieses Abdeckelementteil angebunden. Um dabei trotzdem noch die genannte Klappbewegung zu ermöglichen, ist dabei bevorzugt nur zumindest ein Randbereich bzw. Endabschnitt der Faserverbundbelüftungsklappe fest mit dem Abdeckelement bzw. mit dem Abdeckelementteil verbunden.
Diese Verbindung ist dabei besonders bevorzugt als Formschluss ausgebildet. Besonders bevorzugt umfasst die Faserverbundbelüftungsklappe dabei bereits in deren Herstellungsprozess eingebrachte schienenartige Formen, welche in eine dafür vorgesehene Aussparung im Abdeckelement bzw. im Abdeckelementteil eingeschoben werden können und damit eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Abdeckelement und der Faserverbundbelüftungsklappe hergestellt werden kann.
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Besonders bevorzugt werden die genannten schienenartigen Formen dabei bereits im Herstellungsprozess, insbesondere in einem Nasspressverfahren der Faserverbundbelüftungsklappe durch entsprechende Formgebung des Werkzeuges in das Bauteil integriert. Dabei sind diese schienenartigen Formen bevorzugt aus dem Matrixwerkstoff der Faserverbundbelüftungsklappe ausgebildet und mit Fasern (insbesondere Kohlenstofffasern), insbesondere Kurz- oder Langfasern, verstärkt.
Die dazu korrespondierenden Aufnahmen für die schienenartigen Formen der Faserverbundbelüftungsklappe im Abdeckelementteil, können ebenfalls direkt bei der Herstellung des Abdeckelementteils, beispielsweise im Spritzgussverfahren, eingebracht werden.
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In dem Bereich, in welchem der genannte bevorzugte Formschluss durch die schienenartigen Verbindungselemente in die Faserverbundbelüftungsklappe angeordnet ist, ist eine thermisch induzierte Krümmung und damit eine anisotropes Verhalten nicht wünschenswert. Diese kann in der Verbindung zu unerwünschten Spannungen führen. Abhilfe würde hierbei beispielsweise ein Abschnitt mit einem vom Rest der Faserverbundbelüftungsklappe abweichenden Lagenaufbau bringen. Dieser Abschnitt kann beispielsweise als aktiver Klappenabschnitt ausgebildet sein und sollte bevorzugt in sich symmetrisch aufgebaut sein um die in diesem Abschnitt nicht gewünschte thermische Verformung zu verhindern. Idealerweise ist der Übergangsbereich der Faserverbundbelüftungsklappe durchgängig in dem Verbindungsbereich mit dem Abdeckelementteil angeordnet. Dabei sind in diesem Verbindungsbereich kein aktiver und kein passiver Funktionsbereich angeordnet. Dies führt zu einer erhöhten Robustheit bzw. Festigkeit des in zwei Einzellagen unterteilten Bauteils. Es ist also beispielsweise möglich an den Bereich in denen die Faserverbundbelüftungsklappe mit dem Abdeckelement verbunden ist, einen symmetrischen Lagenaufbau (beispielsweise den Übergangsbereich) anzuordnen, sodass dieser Bereich isotrope bzw. quasiisotrope Eigenschaften in Flächenrichtung bzw. bezüglich der Flächenebene aufweist und keine bzw. eine vernachlässigbar kleine Wärmeausdehnung erfährt.
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Damit das Abdeckelement während einer Drehung des Rads bzw. während der Fahrt des Fahrzeuges nicht abfällt, ist das Abdeckelementteil bevorzugt wiederrum mit dem Rad, insbesondere mit einer oder zwei Speichen fest verbunden.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Faserverbundbelüftungsklappe, wie bereits oben beschrieben, um die Primärachse krümmbar bzw. verformbar am Abdeckelement angeordnet ist.
Angeordnet bedeutet dabei, dass es in einem nicht aufgeklappten Zustand an das Abdeckelementteil zumindest teilweise angrenzt bzw. auf diesem zumindest teilweise aufliegt. Besonders bevorzugt ist zwischen der Faserverbundbelüftungsklappe und dem Abdeckelementteil im nicht ausgeklappten Zustand der Faserverbundbelüftungsklappe kein Versatz in axialer Richtung des Rads gegeben. Stattdessen bilden, in einem nicht ausgeklappten Zustand der Faserverbundbelüftungsklappe, die Faserverbundbelüftungsklappe mit dem Abdeckelementteil ein gemeinsames zumindest annähernd eben bzw. flächig angeordnetes und zusammenhängendes Abdeckelement.
Dabei ist es weiterhin bevorzugt, dass sich ein zum ersten Endbereich (an welchem bevorzugt das Abdeckelementteil befestigt ist) entgegengesetzter bzw. gegenüberliegender zweiter Endbereich auf der anderen Seite der Faserverbundbelüftungsklappe bei einem Wärmeeintrag krümmt.
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Es ist dabei weiterhin bevorzugt, dass die Parameter des Lagenaufbaus und der Herstellung derart ausgelegt werden, dass bei Raumtemperatur bzw. bei 20 °C die Faserverbundbelüftungsklappe im eingebauten Zustand im Rad leicht nach Innen (also in Richtung des Radinneren) gekrümmt ausgebildet ist und somit mit einer Vorspannung an dem Abdeckelementteil angeordnet ist bzw. aufliegt. Damit kann abgesichert werden, dass sich die Faserverbundbelüftungsklappe bei warmen Außentemperaturen (ohne eine maßgebliche Erhitzung der Bremse) nicht in einen geöffneten Zustand verformt bzw. umklappt.
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Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen und aus der Beschreibung auch aus den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich alleine oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich genommen schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von einem Ausführungsbeispiel weiter erläutert. Erfindungswesentlich können dabei sämtliche näher beschriebenen Merkmale sein.
- 1 zeigt ein Rad eines Fahrzeuges in einer dreidimensionalen Ansicht von der Radsußenseite mit einer beispielhaften Ausführung einer erfindungsgemäßen Faserverbundbelüftungsklappe.
- 2 zeigt ebenfalls eine dreidimensionale Ansicht des Rads aus 1 in einer Detailansicht auf die Faserverbundbelüftungsklappe, während sich das Rad dreht.
- In 3 ist die Faserverbundbelüftungsklappe für das Rad aus 1 und 2 einzeln in einer dreidimensionalen Ansicht von hinten aufgezeigt.
- 4 zeigt ein Abdeckelementteil, welches die Faserverbundbelüftungsklappe aus 3 im Rad aufzunehmen vermag.
- In 5 ist ein beispielhafter Lagenaufbau der Faserverbundbelüftungsklappe aus 3 aufgeschnitten aufgezeigt.
- 6 zeigt schemenhaft einen weiteren beispielhaften Lagenaufbau der Faserverbundbelüftungsklappe.
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1 zeigt ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Rad für ein Fahrzeug in einer dreidimensionalen Außen- bzw. Seitenansicht. Das Rad umfasst dabei eine Felge 1, einen Nabenabschnitt 2, sowie mehrere den Nabenabschnitt 2 mit der Felge 1 verbindende Speichen 3. Zwischen jeweils zwei Speichen 3, also im Speichenzwischenraum 4, ist dabei ein Abdeckelement 5, 6 angeordnet, welches die Speichenzwischenräume 4 von außen zumindest teilweise abzudecken vermag.
Ein Abdeckelement 5 ist dabei zweiteilig ausgebildet. Dieses Abdeckelement 5 umfasst dabei ein aus einem Kunststoffmaterial ausgebildetes Abdeckelementteil 5.1 sowie eine beispielhafte erfindungsgemäße Faserverbundbelüftungsklappe 5.2.
Das Abdeckelementteil 5.1 ist dabei fest mit dem Rad, insbesondere mit den Speichen 3 verbunden.
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Die Faserverbundbelüftungsklappe 5.2 des Abdeckelements 5 ist dabei an einer Seite bzw. an einem Endbereich mit dem Abdeckelementteil 5.1 formschlüssig verbunden und liegt ansonsten auf einer Trägerfläche des Abdeckelementteils 5.1 auf. Die Faserverbundbelüftungsklappe 5.2 ist damit in der Lage die nicht an dem Abdeckelementteil 5.1 befestigte Seite in axialer Richtung weg vom Rad (also Richtung Radaußenseite) zu bewegen bzw. umzuklappen. Materialbedingt sind zum Umklappen der Faserverbundbelüftungsklappe 5.2, außer eines bestimmten Wärmeeinflusses, keine Aktuatoren oder weitere Materialien notwendig. Die Faserverbundbelüftungsklappe 5.2 ist dabei aus einem einzigen Werkstoff, nämlich einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere einem kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, ausgebildet.
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Das Abdeckelement 5 des Rads hat insbesondere jenen Vorteil, dass es den Zielkonflikt zwischen einer ausreichenden Abdeckung der luftdurchströmten Bereiche am Rad und damit einer Optimierung des Luftwiderstandsbeiwertes und einer Optimierung der Bremsenkühlung des Rads bei Abbremsungen des Fahrzeuges aus hohen Geschwindigkeiten, löst.
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So stellt das Abdeckelement 5 in einem bestimmten niedrigeren Temperaturbereich des Rads, also beispielsweise bei geringen Geschwindigkeiten des Fahrzeuges, in welchen die Bremse noch nicht maßgeblich aufgeheizt ist, wie in 1 dargestellt, ein zumindest annähernd ebenes und in sich geschlossenes Bauteil dar (ausgenommen der vorhandenen Aussparungen 5.1.1). Aus aerodynamischer Sicht stellt diese Situation eine optimale Gegebenheit dar.
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Bremst das Fahrzeug nun beispielsweise aus einer sehr hohen Geschwindigkeit mit der (nicht erkennbaren) in dem Rad angeordneten Bremse ab, so entstehen, durch die Reibung der nicht gezeigten Bremsbacken auf eine nicht gezeigte Bremsscheibe, im Radinneren sehr hohe Temperaturen. Erreicht die Bremse dabei eine bestimmte Grenztemperatur, so klappt die Faserverbundbelüftungsklappe 5.2 des Abdeckelements 5, wie in 2 gezeigt, zumindest annähernd in axialer Richtung weg vom Rad bzw. in Richtung des Radäußeren. Ein Spalt 7 zwischen dem Rad und dem Abdeckelement 5 entsteht. Durch diesen Spalt 7 ist nun ein Luftstrom zur Bremsenkühlung möglich, wobei gleichzeitig immer noch eine bestmögliche Abdeckung zur Optimierung des Luftwiderstandsbeiwertes gegeben ist.
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Wie in 1, als auch 2 zu erkennen, umfasst das Abdeckelement 5, bzw. das Abdeckelementteil 5.1 Aussparungen 5.1.1, welche sich auf der kreisrunden Fläche der Radaußenseite in der Nähe des Nabenabschnitts 2 befinden. Der Bereich dieser kreisrunden Fläche der Radaußenseite nahe der Felge 1 ist dabei von dem Abdeckelement 5 komplett abgedeckt. Grund dafür ist, dass der Luftwiderstandsbeiwert hauptsächlich in den kreisäußeren Bereichen ausschlaggebend ist, während dieser mit zunehmender Nähe zum Kreisinneren, also zum Nabenabschnitt 2, immer mehr an Relevanz bzw. Einfluss abnimmt.
Die Raddrehrichtung d ist dabei mit einem Pfeil in 2 zu erkennen. Diese Umklappbewegung geschieht dabei materialbedingt, ohne einen weiteren Einfluss außer der Grenztemperatur und wird weiter unten anhand der 5 und 6 näher erläutert.
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In 3 ist die Faserverbundbelüftungsklappe 5.2 einzeln in einer dreidimensionalen Ansicht von unten bzw. von hinten aufgezeigt, wie sie im Eingebauten Zustand im Rad vom Radinneren aus zu erkennen ist. Dabei sind insbesondere Befestigungselemente 8 zur Befestigung der Faserverbundbelüftungsklappe 5.2 an dem Abdeckelementteil 5.1 zu erkennen. Die Befestigungselemente 8 sind dabei als schienenförmige Geometrien ausgebildet, welcher bevorzugt bereits im Herstellungsverfahren der Faserverbundbelüftungsklappe 5.2 in diese integriert werden. Diese schienenförmigen Geometrien sind dabei in ihrem Querschnitt T-förmig ausgebildet. Besonders bevorzugt sind diese schienenförmigen Geometrien dabei aus dem Matrixwerksstoff der Faserverbundbelüftungsklappe 5.2 ausgebildet und mit zusätzlichen Kohlenstofffasern (Kurz- oder Langfasern) verstärkt.
Wie weiter zu erkennen, sind die Befestigungselemente 8 an nur einer Seite der Faserverbundbelüftungsklappe 5.2, und insbesondere in einem Randbereich dieser angeordnet.
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Die Faserverbundbelüftungsklappe 5.2 wird dann mittels den Befestigungselementen 8 an das Abdeckelementteil 5.1, wie es in 4 dargestellt ist, befestigt. Die Befestigung erfolgt dabei als Formschluss, wobei die schienenförmigen Geometrien der Faserverbundbelüftungsklappe 5.2 in dafür vorgesehene Aufnahmen 9 am Abdeckelementteil 5.1 eingeschoben werden. Durch die T-förmige Ausbildung der Befestigungselemente 8 der Faserverbundbelüftungsklappe 5.2 und zu diesen passenden Aufnahmen 9 des Abdeckelementteils 5.1, kann eine feste formschlüssige Verbindung realisiert werden.
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Wie insbesondere in 4 zu erkennen, ist die Faserverbundbelüftungsklappe 5.2 nur über die Befestigungselemente 8 mit dem Abdeckelementteil 5.1 verbunden, während die Faserverbundbelüftungsklappe 5.2 ansonsten in einem nicht ausgeklappten Zustand auf einer der Form der Faserverbundbelüftungsklappe 5.2 entsprechenden Auflagefläche 5.1.2 des Abdeckelementteils 5.1 aufliegt bzw. flächig anliegt. Das Abdeckelementteil 5.1 dient damit zusätzlich als Trägerplatte bzw. Trägerstruktur für die Faserverbundbelüftungsklappe.
Das Abdeckelementteil 5.1 wird dann mit dem Rad, insbesondere mit den Speichen 3 des Rads über weitere nicht eingezeichnete Verbindungselemente verbunden.
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5 zeigt einen vorteilhaften Faser- und Lagenaufbau der Faserverbundbelüftungsklappe aus den 1, 2 und 3. Dabei sind die einzelnen Lagen 11 der Anschaulichkeit halber losgelöst voneinander und damit die Faserorientierung der unteren Einzellagen 11 erkennbar ist, aufgeschnitten aufgezeigt. Im nicht aufgeschnittenen, also realen Zustand der Faserverbundbelüftungsklappe, liegen die gezeigten Einzellagen aus 5 alle direkt aufeinander und bilden damit ein Laminat gleicher Tiefe bzw. Höhe (entlang einer Vertikalachse v).
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Die Faserverbundbelüftungsklappe 5.2 ist dabei aus mehreren aufeinanderliegenden, sogenannten UD-Schichten bzw. unidirektionalen Einzellagen 11 aufgebaut. Im aufgebauten Zustand werden diese geschichteten Lagen 11 als Laminat bezeichnet.
Jede Einzellage 11 ist dabei aus parallel zueinander angeordneten Fasern 10 sowie eine zwischen den Fasern 10, in 5 jedoch nicht abgebildete angeordnete Matrix gebildet.
Die Matrix besteht üblicherweise aus einem Kunststoff bzw. einem Harz und einem Härter.
Der Anschaulichkeit halber sind in 5 nur die Fasern 10 einer Einzellage 11 abgebildet. Die Fasern 10 sind in diesem Beispiel als Kohlenstofffasern ausgebildet. Wie bereits genannt, sind die Fasern 10 einer Einzellage 11 parallel zueinander ausgerichtet, welche Eigenschaft auch als unidirektional bezeichnet wird. Die Fasern 10 jeder Einzellagen 11 sind demnach in die gleiche Richtung, also parallel zueinander orientiert. Faserverbundwerkstoffe, also beispielsweise die genannten Einzellagen 11 und auch das Laminat, können anisotrope Werkstoffe sein. Anisotrop bedeutet, dass die Werkstoffeigenschaften in verschiedenen Raumrichtungen unterschiedlich sind. Dies gilt auch für den Wärmeausdehnungskoeffizienten. Betrachtet man also eine unidirektionale Einzellage 11 für sich, so ist die Wärmeausdehnung in Faserrichtung (=Faserlängsrichtung) gering, während die Wärmeausdehnung senkrecht zur Faserrichtung (auf die Breite bzw. Fläche des Einzellage betrachtet) hoch ist.
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Wie bereits genannt und in 5 zu erkennen, ist die Faserverbundbelüftungsklappe 5.2 dabei aus mehreren aufeinandergeschichteten Einzellagen 11 aufgebaut. Der Zusammenschluss dieser Einzellagen 11 wird als ideal angenommen und als Laminat bezeichnet. Da die jeweiligen Einzellagen 11 anisotrope Eigenschaften aufweisen, sind die Eigenschaften des Laminats von der Orientierung der Einzellagen 11, genauer von der Orientierung der Fasern 10 in den Einzellagen 11 abhängig. Daraus folgt, dass die resultierende Wärmeausdehnung der Faserverbundbelüftungsklappe 5.1 abhängig von der Orientierung der Fasern 10 jeder Einzellage 11 ist. Werden bspw. zwei Einzellagen unterschiedlicher Orientierung zu einem Bauteil verbunden, führt ein Wärmeeintrag in das Bauteil zur Wärmeausdehnungen. Die Dehnungen der Einzellagen 11 sind dabei in gleiche Raumrichtungen unterschiedlich. Da die beiden Einzellagen 11 miteinander verbunden sind, führen diese unterschiedlichen Ausdehnungen zu einer Verformung des Bauteils (analog einem bekannten Bimetalleffekt). Der Lagenaufbau gemäß 5 zeigt dabei eine vorteilhafte Ausführung, damit sich die Faserverbundbelüftungsklappe 5.2 bei Wärmeeinfluss optimal öffnet. Diese Ausführung wird im Folgenden näher beschrieben.
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Um die Richtungsangaben besser verständlich zu machen, wird in diesem Beispiel von einem in 5 eingezeichneten Koordinatensystem ausgegangenen.
Dabei stellt p die Primärachse dar, um welche sich die Faserverbundbelüftungsklappe 5.2 bei Wärmeeintrag krümmt.
v stellt die Vertikalachse dar und bestimmt die Höhe bzw. Dicke der Faserverbundbelüftungsklappe. Die Vertikalachse v ist im eingebauten Zustand der Faserverbundbelüftungsklappe 5.2 zumindest annähernd parallel zur Raddrehachse k angeordnet. Die Faserverbundbelüftungsklappe 5.2 krümmt sich bei Wärmeeintrag in Richtung der Vertikalrichtung. a stellt dabei die Längsachse der Faserverbundbelüftungsklappe 5.2 dar, welche gemeinsam mit p eine Horizontalebene der Faserverbundbelüftungsklappe darstellt. Die jeweiligen Achsen sind immer senkrecht aufeinander angeordnet.
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Das beispielhafte Laminat aus 5 ist dabei aus insgesamt zehn unidirektionalen Einzellagen 11 aufgebaut, welche entlang der v-Achse übereinander aufgeschichtet werden.
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Dabei setzt sich das Laminat aus sogenannten aktiven Einzellagen, passiven Einzellagen und Übergangslagen zusammen.
Aktive Einzellagen sind dabei jene, deren Fasern 10 parallel zur Primärachse p orientiert sind und welche sich bei Wärmeeinfluss in Richtung der Längsachse a ausdehnen. Passive Einzellagen sind dagegen jene, deren Fasern 10 parallel zur Längsachse a, also senkrecht zu den Fasern der aktiven Einzellagen orientiert sind und welche eine geringe bzw. vernachlässigbare Wärmeausdehnung in Richtung der Längsachse a aufweisen.
Die Übergangslagen sind Lagen, deren Fasern entweder +45° oder -45° (in der Horizontalebene p-a betrachtet) zur Primär- bzw. zur Längsachse orientiert sind. Sind die gleich Anzahl an beiden Übergangslagen in einem Laminat (symmetrisch zu einer Mittelebene zueinander) angeordnet so gleichen sich diese bezüglich der Wärmeausdehnung aus. Sie dienen der Stabilisierung des Laminats.
Die Faserverbundbelüftungsklappe 5.2 ist dabei entlang der Vertikalachse v bzw. entlang ihres Lagenaufbaus, in drei Funktionsbereiche, einen aktiven A, einen passiven P und einen Übergangsbereich Ü aufgeteilt. Der aktive Funktionsbereich A umfasst dabei ausschließlich aktive Einzellagen, während der passive Funktionsbereich P nur passive Einzellagen und der Übergangsbereich Ü nur Übergangslagen umfasst.
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6 zeigt einen Ausschnitt des Lagenaufbaus des Laminats in einer dreidimensionalen sowie in einer Seitenansicht bzw. in der v-a-Ebene, wobei das Koordinatensystem in der Mitte (entlang der Vertikalachse v betrachtete) des Laminats eine Mittelebene (parallel zur Horizontalebene p-a) aufzeigt, welche das Laminat einheitlich in zwei gleichdicke Lagenaufbauten aufteilt (vorausgesetzt es befindet sich eine gerade Anzahl an Lagen in dem Laminat).
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Gemäß 5 ist es vorgesehen, dass die ersten bzw. die untersten (bezüglich der Vertikalachse v betrachtet) drei Einzellagen des Laminats aktive Einzellagen sind und den damit den aktiven Funktionsbereich A darstellen. Bei Wärmeeinfluss dehnen sich diese aktiven Einzellagen bzw. der aktive Funktionsbereich A in Richtung der Längsachse a aus. Da die Faserverbundbelüftungsklappe 5.2 an einem Endabschnitt mit dem Abdeckelementteil 5.1 fest verbunden ist, dehnt sich der aktive Funktionsbereich A in Richtung des gegenüberliegenden Endabschnitts entlang der Längsachse a der Faserverbundbelüftungsklappe 5.2 aus.
Anschließend an den aktiven Funktionsbereich A sind vier Übergangslagen, welche den Übergangsbereich Ü bilden, aufgeschichtet. Dabei ist vorerst eine Übergangslage mit +45°, anschließend zwei Übergangslagen mit -45° und zuletzt nochmal eine Übergangslage mit +45° (Winkel gegenüber der Primärachse p in der Horizontalebene) aufeinander aufgeschichtet.
Die letzten beiden Einzellagen bilden den passiven Funktionsbereich P. Dabei sind zwei passive Einzellagen übereinander aufgeschichtet. Bei Wärmeeintrag dehnt sich der Passive Funktionsbereich P nicht in Richtung der Längsachse a aus.
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Dadurch, dass die einzelnen Funktionsbereiche in der Faserverbundbelüftungsklappe 5.2 durch die Matrix miteinander verbunden sind, behindert der passive Funktionsbereich P den aktiven Funktionsbereich A bei einer Ausdehnung in Richtung der Längsachse a. Das Bauteil verformt bzw. krümmt sich. Durch diese Krümmung kommt es zu einer Öffnung der Klappe.
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In 6 bildet im Gegensatz zur Ausführung aus 5 nur eine einzige passive Einzellage den passiven Funktionsbereich P. Wie die Darstellung des Laminates in der v-p-Ebene zeigt, entstehen durch den Aufbau ein stark ausgeprägter und dominierender aktiver Funktionsbereich A und ein sehr kleiner passiver Bereich P. Getrennt werden diese Bereiche aus dem stabilisierenden Übergangsbereich Ü. Dieser Übergangsbereich Ü besteht aus vier Einzellagen mit dem genannten Winkel von +/-45° zur Längs- und Primärachse. Bei dem Übergangsbereich Ü ist zu beachten, dass dieser in sich symmetrisch ist und aus zwei Einzellagen mit +45° Orientierung und zwei Einzellagen mit -45° Orientierung besteht, welche zur Mittelebene M betrachtet symmetrisch zueinander angeordnet sind. Unter Berücksichtigung dieser Punkte, kann der Übergangsbereich Ü, bei gleichbleibender Funktion, aufgebaut werden. Wie oben bereits beschrieben bietet der Übergangsbereich Ü eine Möglichkeit die Steifigkeit und die Verformungsstärke der Faserverbundbelüftungsklappe 5.2, je nach Anzahl und Anordnung der Übergangslagen, einzustellen.
Da die Anzahl der aktiven Einzellagen deutlich größer ist, als die Anzahl der passiven Einzellagen, dominiert in der v-a-Ebene die Wärmeausdehnung in Richtung der Längsachse a. Wird die Ebene v-p betrachtet, führt das geringe Verhältnis von aktiven zu passiven Einzellagen, zu einer minimalen Ausdehnung in Richtung der Primärachse p.
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Die thermisch induzierte Verformung des Laminates bzw. der Faserverbundbelüftungsklappe 5.2 im eingebauten Zustand im Rad des Fahrzeuges ist in 2 dargestellt. Hierzu ist die Faserverbundbelüftungsklappe mit der passiven Einzellage in axialer Richtung weg vom Rad ausgerichtet am Rad angebunden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Felge
- 2
- Nabenabschnitt
- 3
- Speiche
- 4
- Speichenzwischenraum
- 5
- Abdeckelement
- 5.1
- Abdeckelementteil
- 5.1.1
- Aussparung
- 5.1.2
- Trägerplatte
- 5.2
- Faserverbundbelüftungsklappe
- 6
- Abdeckelement
- 7
- Spalt
- 8
- Befestigungselement
- 9
- Aufnahme
- 10
- Faser
- 11
- Einzellage
- p
- Primärachse
- a
- Längsachse
- v
- Vertikalachse
- A
- aktiver Funktionsbereich
- P
- passiver Funktionsbereich
- Ü
- Übergangsbereich
- d
- Drehrichtung
- k
- Raddrehachse
- M
- Mittelebene
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013222044 A1 [0001, 0003]
