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Die Erfindung betrifft ein Rad für ein Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. 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 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.
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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. mechanischer Fügung der beiden Materialien aufwändig, kostenintensiv und fehleranfällig.
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Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Rad für ein Fahrzeug mit einem verbesserten Abdeckelement aufzuzeigen.
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Die Lösung der Aufgabe ergibt sich durch ein Rad für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
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Es wird ein Rad für ein Fahrzeug vorgeschlagen, welches eine Felge, einen Nabenabschnitt sowie zumindest zwei den Nabenabschnitt mit der Felge verbindende Speichen umfasst. Ein Speichenzwischenraum, zwischen den zwei (insbesondere benachbarten) Speichen ist dabei zumindest teilweise von einem zumindest annähernd ebenen und einstückig ausgebildeten Abdeckelement bedeckt.
Weiterhin umfasst das einstückige Abdeckelement einen Flügelabschnitt, welcher temperaturabhängig in zumindest eine erste und eine zweite Position verformbar ist. Unter Einfluss von Wärme, ab einer bestimmten Grenztemperatur, verformt bzw. krümmt sich dabei bevorzugt ein Endabschnitt des Flügelelements im eingebauten Zustand des Abdeckelements im Rad in axialer Richtung weg vom Rad.
Wenn sich also die Umgebungstemperatur um den Flügelabschnitt unterhalb einer bestimmten Grenztemperatur befindet, beispielsweise im Stand des Fahrzeuges oder bei niedrigen Geschwindigkeiten, befindet sich der Flügelabschnitt dabei bevorzugt in einem zugeklappten bzw. geschlossenen Zustand. 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 verformt sich zumindest ein Endabschnitt des Flügelabschnitts axial weg vom Rad, sodass eine Öffnung und damit eine Luftkühlung der Bremse bzw. des Radinneren ermöglicht wird.
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Das einstückige Abdeckelement ist dabei aus einem einzigen Verbundwerkstoff ausgebildet.
Besonders bevorzugt ist das Abdeckelement dabei aus einem Faserverbundkunststoff, insbesondere einem Kohlenstofffaserverbundkunststoff, ausgebildet. Ein solches Faserverbund-Abdeckelement ist dabei aus zwei Hauptkomponenten, nämlich den Fasern und einer die Fasern verbindende Kunststoff-Matrix ausgebildet.
Es ist dabei vorgesehen, dass sich der Flügelabschnitt alleine durch Wärmeeinfluss (also ohne die Zuhilfenahme von anderweitigen Energiezufuhren, wie beispielsweise einem Aktuator) derart verformt, dass es sich im eingebauten Zustand am Rad zumindest teilweise öffnet und somit einen Luftstrom zwischen dem Radinneren und dem Radäußeren ermöglicht.
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Diese gezielte Verformung unter Wärmezufuhr, insbesondere von einem verformbaren Endabschnitt des Flügelabschnitts, kann durch einen geeigneten Lagenaufbau des Faserverbundbauteils realisiert werden.
Wie bereits genannt, kommen als Fasern des Faserverbund-Abdeckelements bevorzugt Kohlenstofffasern und als Matrix ein bestimmtes Epoxidharzsystem in Frage. Ein solcher Kohlenstofffaserverbundkunststoff wird auch als CFK bezeichnet.
Weiterhin ist das Abdeckelement bevorzugt aus einem Laminat mit aufeinandergeschichteten Einzellagen aufgebaut. In den Einzellagen können die Fasern beispielsweise ungerichtet (zum Beispiel in Forme eines Vlies oder sogenannter SMC-Pressmassen) oder gerichtet in eine bestimmte Richtung (sogenannte unidirektionale (UD-) Schichten) oder in zwei oder mehrere Richtungen (sogenannte multidirktionale (MD-)Schichten beispielsweise in Form von Geflechten oder Geweben) vorliegen. Die Orientierung der Fasern ist zur Steuerung des Ausdehnungkoefizienten bei Wärmeeintrag des Werkstoffs entscheidend.
Die Gruppe der Laminate nutzt alle Vorteile der individuellen Faserausrichtung. Das Laminat wird aus mehreren übereinander gelegten Faserhalbzeugen (z. B. Gewebe, Gelege, Matten) bzw. Einzellagen mit unterschiedlichen Hauptfaserrichtungen gebildet. Derartige Einzellagen werden auch als UD-Schicht (=unidirektionale Schicht) bezeichnet.
Besonders bevorzugt wird das Abdeckelement bzw. das Laminat dabei aus mehren aufeinandergeschichteter Einzellagen gebildet. Dabei müssen nicht alle dieser Einzellagen UD-Schichten darstellen, sondern können auch als Gewebe, Geflecht, Gesticke, usw. mit unterschiedlichen Faserorientierungen ausgebildet sein.
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Es ist weiterhin bevorzugt vorgesehen, dass das Abdeckelement im eingebauten Zustand im Rad betrachtet, zumindest eine obere Laminatschicht aufweist, bei welcher die Fasern derart orientiert sind, dass diese einen symmetrischen Laminataufbau besitzt. Dieser obere bzw. äußere Laminataufbau weist dabei bezüglich einer Mittelebene des oberen Laminataufbaus symmetrische Faserorientierungen auf. Bevorzugt wird also der obere Lagenaufbau des Abdeckelements von mehreren aufeinandergeschichteten oberen Einzellagen gebildet. Alternativ kann der obere Lagenaufbau auch durch eine oder mehrere multidirektionale Einzelschichten (beispielsweise durch ein oder mehrere Geflechte oder Gewebe) gebildet werden, welches die genannten symmetrischen Eigenschaften aufweist.
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Der Lagenaufbau wird durch die benötigte Festigkeit bzw. Steifigkeit bestimmt. Dabei werden die textilen Lagen so ausgewählt, dass die Fasern in der Richtung verlaufen deren Festigkeit bzw. Steifigkeit erhöht werden muss. Dabei ist zu beachten, dass der Lagenaufbau in einer gedachten Mittelebene bzw. Symmetrieebene gespiegelt werden muss.
Die Symmetrieebene des Laminates / Lagenaufbaus beschreibt dabei jene Mittelebene (parallel zu den Einzellagen bzw. zum Laminataufbau), welche einem Laminataufbau in zwei gleichdicke Hälften teilt.
Das heißt bei einem symmetrischen Lagenaufbau entspricht die oberste Lage in Flächengewicht, der Faserart (beispielsweise Kohlenstoff oder Glas) und der Faserrichtung der untersten Lage (und so fort). Bei ungeradzahligen Lagenaufbauten kann die mittlere Lage quasi in sich selbst gespiegelt werden. Notwendig ist diese Symmetrie um durch den auftretenden Reaktions- und Temperaturschwund im Herstellprozess des Bauteiles bzw. bei der Temperatur bedingen Volumenänderung während der Einsatzzeit am Fahrzeug keinen Verzug des Bauteiles zu erzeugen. Im Bereich des Flügelabschnitt wird diese Symmetrie bewusst durch eine lokal aufgebrachte zweite, in Einbausituation betrachtet radinnenliegende, Laminatschicht bewusst verletzt. Dieses zweite Laminat besitzt in Umfangsrichtung zum Rad einen hohen Temperaturausdehnungskoeffizient und bewerkstelligt somit bei Erwärmung die notwendige Krümmung des Flügelabschnitts. Diese rein in Umfangsrichtung laufende Erhöhung des Temperaturausdehnungskoeffizienten wird erzeugt in den die Verstärkungsfasern bevorzugt vornehmlich in die radialer Richtung des Rads zeigen.
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Unter einer oberen bzw. äußeren Einzellage bzw. einem oberen bzw. äußeren Laminataufbau ist dabei jener Lagenaufbau bzw. jene Seite des Abdeckelements angesprochen, welcher bzw. welche im eingebauten Zustand des Abdeckelements axial in Richtung des Radäußeren ausgerichtet bzw. dem Radäußeren zugewandt ist.
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Die Aufeinanderschichtung bzw. das Bilden des Laminats, beispielsweise durch aufeinanderlegen der einzelnen Faserlagen bestimmt dabei maßgeblich die Eigenschaften des Abdeckelements. Denn je nachdem, in welcher Richtung die Fasern der Einzellagen zueinander orientiert sind, können unterschiedliche Eigenschaften erreicht werden.
Faserverbundwerkstoffe können beispielsweise 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, bei denen alle Fasern in eine Richtung verlaufen also eine UD-Schicht ist dieser Faktor in Faserrichtung deutlich geringer als senkrecht zur Faser. Da die Einzellagen ebenfalls die anisotropen Eigenschaften aufweisen, sind die Eigenschaften des Laminats bzw. der Faserverbundklappe von der Orientierung der Einzellagen bzw. deren Fasern abhängig. Daraus folgt, dass die resultierende Wärmeausdehnung der Faserverbundklappe von der Summe der Orientierungen der Fasern der Einzellagen abhängig ist. Dieser Effekt soll in dieser Erfindung genutzt werden, um ein Aufklappen bzw. Aufbiegen des Flügelabschnitts zu bewirken.
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Je nach Faserorientierung kann ein Faserverbundbauteil jedoch auch in Flächenrichtung (nicht in Dickenrichtung) isotrope bzw. quasiisotrope (insbesondere hinsichtlich der Wärmeausdehnung) Eigenschaften aufweisen. In diesem Falle ist es bevorzugt dass nur der genannte obere Laminataufbau des Abdeckelements eine Isotropie in Flächenrichtung bezüglich der Wärmeausdehung aufweist. Die genannte Isotropie des oberen Laminataufbaus in der Fläche bezeichnet dabei die Unabhängigkeit einer bestimmten Eigenschaft von der Richtung. In diesem konkreten Falle ist insbesondere die isotrope Eigenschaft bezüglich der Wärmeausdehnung des oberen Laminataufbaus angesprochen. Dies bedeutet, dass sich der oberen Laminataufbau des Abdeckelements bei Wärmeeinfluss bevorzugt isotrop bzw. quasiisotrop in Flächenrichtung verhält d.h. dass sich der obere Laminataufbau bei Wärmeeinfluss richtungsunabhängig ausdehnt. Eine richtungsunabhängige Ausdehnung bedeutet, dass sich der obere Laminataufbau in jede Flächenrichtung (also nicht in der Dicke des Laminats) gleich ausdehnt. Bevorzugt ist dabei die Wärmeausdehnung des oberen Laminataufbaus materialbedingt vernachlässigbar gering.
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Der obere Laminataufbau muss dabei jedoch nicht zwangsweise isotrope Eigenschaften in Flächenrichtung aufweisen (das heißt in allen Richtungen gleiche Festigkeitskennwerte, Wärmeausdehnungskoeffizienten, usw. besitzen). 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 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. Die Schichtung der unteren Laminatlage des Flügelelementes besteht vornehmlich aus einem unidirektionalen Aufbau (UD) bei dem die Faser in radialer Richtung verlaufen. Dieses führt dazu, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient in Umfangsrichtung Richtung weitaus höher ist, als jener der oberen Laminatschicht. Dies führt bei Erwärmung zu der gewollten Aufbiegung des Flügelabschnittes. Die Höhe der Aufbiegung kann durch die Materialauswahl der Laminatdicke, dem Faservolumengehalt sowie Faserrichtung verändert werden.
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Eine solche geringe bzw. vernachlässigbar kleine Wärmeausdehnung und eine derartige quasiisotope bzw. isotrope Eigenschaft bzw. eine verzugsfreie Ausdehnung (also, dass keine Verformung bzw. Krümmung stattfindet) des oberen Laminataufbaus in deren Fläche sind durch eine bestimmte Faserorientierung der Einzellagen bzw. der Gewebe erreichbar.
Es ist dabei, wie bereits genannt bevorzugt vorgesehen, dass die Fasern die den oberen Laminataufbau bildenden symmetrisch um eine Mittelebene angeordnet sind.
Von dieser Mittelebene betrachtet ist es dann bevorzugt, dass die Einzellagen bzw. die Fasern der oberen Einzellagen spiegelbildlich (zur Mittelebene betrachtet) zueinander angeordnet sind.
Bevorzugt ist der obere Laminataufbau nicht nur symmetrisch aufgebaut sondern weißt auch Fasern in vornehmlich vier Richtungen auf (0°, +45°, - 45° und 90°) was diesen Aufbau quasi isotrope Eigenschaften in der ebene verleiht.
Der obere Laminataufbau dehnt sich demnach aufgrund einer Faserorientierung bei einem Wärmeeintrag in allen Richtungen annähärnd gleichmäßig und relativ gering zu einem UD- dominierten Lagenaufbau aus der sich beispielweise im unteren Laminat des Flügelabschnittes befindet.
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Damit jedoch der genannte Flügelabschnitt bei einem Wärmeeintrag aufklappt und die Fahrzeugbremse damit gekühlt werden kann, ist dieser bevorzugt zusätzlich zu dem oberen Laminataufbau aus zumindest einer weiteren unteren Einzellage aufzudicken. Die Faserrichtung dieser Lage ist so gewählt, dass in der Rad-Umfangsrichtung ein möglichst hoher thermischer Ausdehnungskoeffizient erzielt wird. Dieses gewährleitet die notwendige Auslenkung des Lüfterelementes.
Der Flügelabschnitt wird dabei bevorzugt dadurch gebildet, dass das Abdeckelement an den Stellen zugeschnitten wird, an welchen der Flügelabschnitt vorgesehen ist, sodass bei Wärmeeintrag zumindest ein Teil des Flügelabschnitt derart losgelöst vom Rest des Abdeckelements ist, dass sich dieser Teil axial vom Rad weg bewegen kann und der Flügelabschnitt des Abdeckelements einen geöffneten Zustand darstellt.
Der Zuschnitt, um den Flügelabschnitt von dem Rest des Abdeckelements klappbar freizulegen, kann dabei während des Herstellungsverfahrens des Abdeckelements erfolgen und wird weiter unten noch genauer erläutert.
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Es ist dabei weiterhin bevorzugt vorgesehen, dass der Flügelabschnitt im Gegensatz zu dem Rest des Abdeckelements im Lagenaufbau zwei Bereiche aufweist, die in einer Richtung sehr stark unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Wie oben bereits genannt kann diese Eigenschaft durch eine entsprechende Faserorientierung der Einzellagen des Laminataufbaus bzw. durch ein Zusatzlaminat erreicht werden.
Hierzu ist es bevorzugt vorgesehen, dass der Flügelabschnitt einen unteren bzw. einen inneren Laminataufbau umfasst, welcher im ausschließlich Bereich des Flügelabschnitts angeordnet ist und im eingebauten Zustand des Fahrzeuges in Richtung des Radinneren ausgerichtet ist.
Der Flügelabschnitt ist dazu bevorzugt in sich, also der innere bzw. untere Laminataufbau ist dabei gemeinsam mit dem oberen Laminataufbau in sich, bezüglich einer Mittelebene des Flügelelements (also dieser beiden Laminataufbauten gemeinsam), asymmetrisch ausgebildet.
Wie bereits genannt beschreibt die Mittelebene bzw. die Symmetriebene des Flügelabschnitts dabei jene Mittelebene (parallel zu den Einzellagen bzw. zum Laminataufbau), welche den Laminataufbau des Flügelabschnitts in zwei (bevorzugt gleichdicke) Hälften teilt.
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Der untere bzw. innere Laminataufbau ist dabei nur im Flügelabschnitt angeordnet. Bevorzugt sind dabei, wie bereits genannt, die Fasern der Einzellagen des unteren Laminataufbaus im eingebauten Zustand des Abdeckelements besonders bevorzugt zumindest annähernd in Radialrichtung des Rads ausgebildet. Ist der untere Laminataufbau dabei durch unidirektionale-Einzellagen aufgebaut, so sind die Fasern jeweils parallel zueinander und zumindest annähernd in Radialrichtung des Rads ausgebildet. Unter zumindest annähernd in Radialrichtung ist dabei zu verstehen, dass eine Faser in Radialrichtung des Rads ausgebildet ist. Die Fasern des oberen Laminataufbaus sind bevorzugt in einer anderen Richtung orientiert als die Fasern des unteren Laminataufbaus.
Der gesamte Laminataufbau des Flügelabschnitts ist damit in sich asymmetrisch ausgebildet. Durch eine zusätzliche Anordnung der Fasern des unteren Laminataufbaus in Radialrichtung des Rads dehnt sich der untere Laminataufbau bei Wärmeeintrag (zumindest annähernd) senkrecht zur Faserrichtung, also zumindest annähernd in Umfangsrichtung des Rads aus. Der obere Laminataufbau dehnt sich dabei (in Flächenrichtung) nicht nennenswert mit aus, weshalb sich der Flügelabschnitt in axialer Richtung weg vom Rad (also in Richtung des Radäußeren) verformt.
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Weiterhin ist es in einer bevorzugt Ausführung der Erfindung vorgesehen, dass das Abdeckelement zumindest an den an den Speichen angrenzenden Randbereichen einen zumindest annähernd in Axialrichtung des Rads vom flächigen Abdeckelement abstehenden Schenkel aufweist. Der Schenkel bildet dabei gleichzeitig bevorzugt die Kontaktfläche des Abdeckelements mit den mit diesen verbundenen Speichen. Der Schenkel liegt damit bevorzugt an einer sich in Radialrichtung des Rads erstreckenden Speichenfläche auf. Ein solcher Schenkel kann ebenfalls bereits im Herstellungsverfahren des Abdeckelements ausgebildet werden und wird weiter unten genauer beschrieben. Der Schenkel wird dabei quasi durch eine Verbiegung des flächigen Abdeckelements axial in Richtung des Radinneren gebildet.
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Bevorzugt sind die zumindest zwei Schenkel (jeweils an einer Speiche anliegend) flexibel in Umfangsrichtung des Rads ausgebildet. Durch eine flexible Ausbildung der Schenkel wirken diese wie eine Feder und spannen das Abdeckelement in Umfangsrichtung des Rads gegen die beiden Speichen ein.
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Damit das Abdeckelement auch axial am Rad bzw. an den Speichen befestigt ist, ist es weiterhin bevorzugt vorgesehen, dass die genannten Schenkel des Abdeckelements an ihren Enden bzw. an ihren Kanten einen Hinterschnitt aufweisen, welcher Hinterschnitt in eine in Richtung des Radinneren ausgerichtete Speichenkante einklemmbar bzw. einhakbar ist. Zusätzlich zu dem genannten Hinterschnitt ist es bevorzugt, dass an diesem Hinterschnitt bzw. an dieser Kante der Schenkel eine Rastnase angeordnet ist, welche ein Einrasten in die jeweilige Speichenkante und damit eine feste und verlustsichere axiale Befestigung des Abdeckelement am Rad ermöglicht. Die Rastnase kann dann beispielsweise nachträglich bei einer spanenden Bearbeitung an das Abdeckelement bzw. an die Schenkel angebracht werden.
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Eine genannte nachträgliche spanende Bearbeitung der Schenkelenden des Abdeckelements kann dazu führen, dass die in dem Abdeckelement angeordneten Fasern, insbesondere Kohlenstofffasern, freigelegt sind und damit direkt am Material der Speiche anliegen. Um eine Korrosion zwischen einer Metallspeiche und den Fasern (insbesondere den Kohlenstofffasern) zu vermeiden ist es deswegen bevorzugt vorgesehen, dass der Hinterschnitt bzw. der Schenkel des Abdeckelements mit einer Kunststoffschicht oder einem geeigneten Lack überzogen ist, sodass die Fasern nicht direkt mit dem Speichenmaterial in Kontakt geraten.
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Es wird nun weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Abdeckelements für ein Rad eines Fahrzeuges vorgeschlagen, welches Abdeckelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung soll das Abdeckelement bevorzugt in einem Pressverfahren, insbesondere in einem sogenannten Nasspressverfahren oder einem kombinierten SMC-Nasspressverfahren hergestellt werden.
Bei einem bevorzugten Nasspressverfahren werden flüssige Reaktionsharze oder auch andere Kunststoffe in flüssiger Form zusammen mit Verstärkungsfasern in zweiteiligen Werkzeugen (also beispielsweise einer oberen und einer unteren Werkzeughälfte) verarbeitet. Die obere und die untere Werkzeughälfte werden mittels einer Presse geschlossen.
Das Harz bzw. der Kunststoff wird beim Nasspressprozess meist zentral oder nach einem festen Gießplan auf die Fasermatten gegossen. Es werden meist Epoxid-, Polyurethan, Vinylester- oder Polyamid-Harze verwendet, die aus zwei oder mehreren Komponenten zu einem reaktionsfähigen Flüssigkunststoff vermischt werden. Zur flächigen Applikation auf den Fasermatten bzw. den aufeinandergelegten Einzellagen bzw. auf dem Lagenstapel (auch also sogenannte Stacks oder Teillagenstapel bezeichnet) wird häufig eine Breitschlitzdüse oder andere Verteilersysteme eingesetzt. Der Kunststoff verteilt sich durch den Schließvorgang des Werkzeugs unter dem Druck der Presse im gesamten Formnest und benetzt die Verstärkungsfasern. Danach erfolgt die Aushärtung des Kunststoff/Harzes - zumeist unter höherer Temperatur. Wenn der Kunststoff ausgehärtet ist, ist die Formstabilität des Bauteils gegeben und es kann nach dem Öffnen des Werkzeugs entformt werden.
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Alternativ zu dem genannten Nasspressverfahren kann das Abdeckelement auch in einem anderen geeigneten Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils hergestellt werden. Beispielsweise bieten sich auch weitere aus dem Stand der Technik bekannte Herstellungsverfahren für Faserverbundkunststoffe, wie beispielsweise ein sogenanntes Resin-Transfer-Molding-Verfahren (kurz RTM-Verfahren), ein Sheet-Molding-Compound-Verfahren (kurz SMC-Verfahren) oder ein Bulk-Molding-Compound-Verfahren (kurz BCM-Verfahren) zur Herstellung des Abdeckelements an. Beim SMC-Verfahren beispielsweise ist es möglich die bevorzugte Rastnase der Kante des Abdeckelements direkt während dem Herstellungsverfahren in das Abdeckelement zu integrieren.
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Der nun folgend beschriebene Nasspressprozess geschieht dabei unter Wärmeeinfluss, wobei die Temperatur des Werkzeugs dabei ca. der Betriebstemperatur des Radbereichs entspricht, welche das Abdeckelement in einen geöffneten Zustand versetzt. Der Flügelabschnitt kann hierbei in dieser Auslenkung im Werkzeug gefertigt werden, welche er im späteren Betrieb auch bei dieser Temperatur in der Lüfterstellung einnehmen wird.
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In einem aller ersten Schritt werden bevorzugt der obere und der untere Stack (also jener Stack, welcher den unteren Laminataufbau bildet) flächig mit Harz, also der Kunststoffmatrix benetzt. Anschließend wird der Stack an der gewünschten Stelle flächig in das untere Werkzeug eingelegt. Die Stelle bzw. der Bereich ist dabei an jener Stelle, welche im späteren Verlauf des Herstellungsprozesses zum Flügelabschnitt zugeschnitten wird. Dieser untere Stack bzw. diese unteren Einzellagen sind demnach bereits in der Form des später hergestellten Flügelabschnitts zugeschnitten. Die unteren Einzellagen bzw. der untere Stack werden dann bevorzugt derart eingelegt, dass deren Fasern des später im Rad eingebauten Abdeckelements in Radialrichtung des Rads orientiert sind.
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Anschließend an das Einlegen der unteren Einzellagen bzw. des unteren Laminataufbaus bzw. des unteren Stacks in das untere Werkzeug, werden die oberen Einzellagen bzw. Gewebe oder Geflechte bzw. der obere Stack in das untere Werkzeug eingelegt. An jener Stelle, an welcher der später der Flügelabschnitt zugeschnitten wird, befindet sich nach dem Einlegen der oberen Einzellagen bzw. des oberen Stacks also die bereits im unteren Werkzeug liegende untere Einzellagen bzw. der untere Stack sowie darüber liegende obere Einzellagen. Der restliche Teil des unteren Werkzeuges (also der Teil, welcher später nicht Teil des Flügelabschnitts wird), ist nur durch die oberen Einzellagen bzw. den oberen Stack bedeckt.
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In einem nächsten Schritt schließt sich das Presswerkzeug. Danach fahren die seitlichen Schieber in das Presswerkzeug ein und formen die Rastnasen aus. Gleichzeitig oder auch kurz darauf fährt dann der Schieber zu Abbildung des Flügelabschnitts aus dem unteren Werkzeug vertikal nach oben in Richtung der oberen Werkzeughälfte und presst damit das untere Laminat von unten an das obere Laminat und dieses wiederum an die obere Werkzeughälfte. Die Geometrie der Fläche des ersten Schiebers, welche das Laminat in Richtung der oberen Werkzeughälfte presst, entspricht dabei der Geometrie bzw. der Form des Flügelabschnittes.
Der Schieber schneidet in diesem Schritt den Flügelabschnitt seinen Kanten entlang aus bzw. zu. Gleichzeitigt fügt der Schieber das Laminat mit dem Harz zu einem Faserverbundbauteil.
Damit das Bauteil bei späterer Raumtemperatur (also bei ca. 20°) in sich eben ausgebildet ist, und der Flügelabschnitt bei Raumtemperatur nicht umgeklappt oder einen geöffneten Zustand darstellt (sondern vielmehr einen geschlossenen Zustand), verformt der erste Schieber den Flügelabschnitt bereits in die gewünschte aufgeklappte Form. Da nämlich die Betriebstemperatur der Pressvorrichtung und damit die Arbeitstemperatur in den Presswerkzeug, in etwa der Betriebstemperatur des Radbereichs entspricht, bei welcher der Flügelabschnitt einen geöffnet Zustand darstellen soll, ist es bevorzugt, dass der Flügelabschnitt bereits im Werkzeug bei diesen Temperaturen die gewünschte geöffnete Form darstellt.
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Durch die Schieber und die aufeinanderliegenden Werkzeughälften wird das Abdeckelement unter Wärmeinfluss gepresst und die Einzellagen durch das Harz miteinander verbunden. Nach Aushärtung des fertigen Faserverbund-Abdeckelements öffnen sich die Werkzeughälften wieder und das fertige Abdeckelement kann entnommen werden. Vornehmlich wird das Bauteil horizontal, in Richtung der späteren Radmitte entnommen.
In einem nachtäglichen spanenden Bearbeitungsverfahren kann dann die genannte Fase bzw. Rastnase an die Hinterschnittkante der Schenkel des Abdeckelements angebracht werden.
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Das aufgezeigte Faserverbund-Abdeckelement ermöglicht eine gute Abdeckung des Rads zur Reduzierung des Luftwiderstandbeiwerts bei gleichzeitiger Ermöglichung einer Bremsenkühlung. Zur Öffnung und Schließung des Abdeckelements werden keinerlei zusätzliche Aktuatoren benötigt. Das Abdeckelement ist weiterhin durch seine Einstückigkeit und durch einen homogenen Werkstoff einfach zu fertigen und einfach an das Rad zu montieren. Weiterhin ist das Abdeckelement durch eine Ausbildung aus einem Faserverbundkunststoff gewichts- und kostensparend.
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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 einen Teil eines Rads für ein Fahrzeug, in welchem beispielhaft ein Abdeckelement in einer dreidimensionalen von außen auf das Rad angeordnet ist.
- 2 zeigt einen schemenhaften Querschnitt durch das Abdeckelement aus 1.
- In 3 ist das Abdeckelement in einem Werkzeug einer Pressvorrichtung in einer Querschnittsdarstellung aufgezeigt.
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In 1 ist ein Teil eines Rads 10 für ein Fahrzeug in einer dreidimensionalen Ansicht auf das Radäußere zu erkennen. Das Rad 10 umfasst dabei eine Felge 19, einen Nabenabschnitt 20, sowie mehrere den Nabenabschnitt 20 mit der Felge 19 verbindende Speichen 12. Zwischen den Speichen 12 ist in einem Speichenzwischraum 13 ein Abdeckelement 1 angeordnet. Das Abdeckelement 1 ist dabei aus einem Faserverbundkunststoff ausgebildet und weist einen sich bei Wärmeeinfluss in einen aufgeklappten Zustand verformbaren Flügelabschnitt 3 auf. In 1 ist dabei der Flügelabschnitt 3 in einem geöffneten Zustand aufgezeigt. Weiterhin ist der Radabschnitt, in welchem das Abdeckelement 1 angeordnet ist, zur besseren Veranschaulichung in einer aufgeschnittenen Ansicht (bzw. Querschnittsansicht in Axialrichtung des Rads) aufgezeigt.
Zur Anbindung des Abdeckelements 1 an das Rad 10, umfasst das Abdeckelement 1 zwei in Axialrichtung A des Rads in Richtung des Radinneren verlaufende Schenkel 6, welche flächig an den Speichenflächen 9 zweier Speichen 12 anliegen. Die Schenkel 6 weisen weiterhin einen Hinterschnitt 7 zur Anbindung bzw. zum Einhaken der Schenkel 6 in eine Speichenkante11 des Rads 10 auf.
Zur Anbindung des Abdeckelements 1 an den Speichen 12 eines Rads 10 für ein Fahrzeug, ist es vorgesehen, dass die Schenkel 6 jeweils an einer in Axialrichtung des Rads verlaufenden Fläche der Speichen 12 anliegen und das Abdeckelement 1 analog einer Federfunktion in den Speichenzwischenraum 13 einspannen. Die Schenkel 6 sind dabei materialbedingt derart elastisch ausgebildet, dass diese eine solche Federfunktion ausführen können.
Ebenfalls ist eine Fase bzw. eine Rastnase 8 an den Kanten der Schenkel 6 zum Einrasten und damit zum fixieren des Abdeckelements 1 an den Speichenkanten 11 eines Rads 10 vorgesehen.
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2 zeigt einen Querschnitt durch ein Abdeckelement 1 in einer schemenhaften Ansicht. Dabei soll insbesondere der Laminataufbau des Abdeckelements 1 aufgezeigt werden. Dabei wird das Abdeckelement 1 durch einen durchgängigen oberen Laminataufbau 2 gebildet. Der obere Laminataufbau 2 ist dabei aus aufeinandergeschichteten und durch ein Harz miteinander verbundenen Einzellagen gebildet. Die Fasern der Einzellagen sind dabei derart orientiert, dass der obere Laminataufbau 2, der in sich gespiegelt ist und somit bei Temperaturänderung nur eine Größenänderung aber keine Formänderung (welcher insbesondere kein Verbiegen) erfährt. Der obere Laminataufbau muss dabei nicht zwangsweise isotrope Eigenschaften aufweisen (das heißt in allen Richtungen gleiche Festigkeitskennwerte, Wärmeausdehnungskoeffizienten, usw. besitzen). 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 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. Die Schichtung der unteren Laminatlage des Flügelelementes besteht vornehmlich aus einem unidirektionalen Aufbau (UD) bei dem die Faser in radialer Richtung verlaufen. Dieses führt dazu, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient in Umfangsrichtung Richtung (in Blickrichtung der axialen Line ist dies 90° zur radialen Richtung gesehen) weitaus höher ist, als jener der oberen Laminatschicht. Dies führt bei Erwärmung zu der gewollten Aufbiegung des Flügelabschnittes. Die Größe der Aufbiegung kann durch die Materialauswahl der Laminatdicke, dem Faservolumengehalt sowie Faserrichtung verändert werden.
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Der Flügelabschnitt 3 des Abdeckelements 1 ist in 2 ebenfalls zu erkennen. Dabei ist insbesondere der Schnitt 4 durch das Abdeckelement 1 zu erkennen, welcher während dem Herstellungsprozess in das Abdeckelement 1 getätigt wurde und welcher den Flügelabschnitt 3 bildet.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass der Flügelabschnitt 3 im Gegensatz zu dem Rest des Abdeckelements 1 aus zwei Laminaten mit stark unterschiedlichen Wärmeausdehnungkoeffizienten in Umfangsrichtung des eingebauten Abdeckelements besitzt. Hierzu ist der Flügelabschnitt 3 zusätzlich zu dem oberen Laminataufbau 2 mit einem unteren Laminataufbau 5 versehen, welcher den Flügelabschnitt 3 quasi lokal aufgedickt und derart in seiner Faserorientierung ausgebildet ist, dass der Flügelabschnitt 3 bei Wärmeeintrag in die abgebildete Position aufklappt bzw. sich in die abgebildete offene Position verformt.
Dieser untere Laminataufbau befindet sich dabei bevorzugt einer dem Radinneren zugewandten Seite des Abdeckelements im eingebauten Zustand, wie es in 1 zu erkennen ist.
Der untere Laminataufbau 5 ist dabei vornehmlich aus mehreren Einzellagen von unidirektionalen Faserlagen gebildet.
Dabei sind die Einzellagen bzw. die Fasern der Einzellagen des unteren Laminataufbaus 5 derart gegenüber jenen des oberen Laminataufbaus 2 angeordnet, dass der Flügelabschnitt 3 zum Radinneren einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten in Umfangsrichtung aufweist, als der obere Lagenaufbau 2. Ein solcher Laminataufbau des Flügelabschnitts 3 weist dann derartige Eigenschaften bezüglich der Wärmeausdehnung auf, dass sich der Flügelabschnitt 3 bei Wärmeeintrag in eine bestimmte Richtung verformt.
Damit der Flügelabschnitt 3, wie in 2 aufgezeigt, im eingebauten Zustand des Abdeckelements 1 in axialer Richtung weg vom Rad aufklappt, sind die Fasern des unteren Laminataufbaus 5 zumindest annähernd in Radialrichtung des Rads ausgerichtet. Bei Wärmezufuhr dehnt sich der untere Laminataufbau 5 zumindest annähernd in Umfangsrichtung des Rads aus. Der im eingebauten Zustand des Abdeckelements 1 betrachtet an der Außenseite angeordnete obere Laminataufbau 2 dehnt sich verhältnismäßig gering aus und setzt der Ausdehnung des unteren Laminataufbaus 5 damit einen Widerstand entgegen. Der Flügelabschnitt 3 verformt sich dann axial weg in Richtung der Radaußenseite.
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Wie insbesondere in 1 zu erkennen, ist der untere Laminataufbau 5 dabei derart am Abdeckelement 1 angeordnet, dass dieser in Richtung des Radinneren ausgerichtet ist.
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3 zeigt das Abdeckelement 1 in einem beispielhaften Werkzeug einer Nasspress-Anlage in einer Querschnittsansicht. Dabei ist der Laminataufbau des Abdeckelements 1 zu erkennen, welcher zwischen eine obere und eine untere Werkzeughälfte 14, 15 eingepresst ist.
Dabei ist ein erster Schieber 16 aus der unteren Werkzeughälfte 15 vertikal in Richtung der oberen Werkzeughälfte 14 ausgefahren. Dieser erste Schieber 16 veranlasst dabei den Zuschnitt des Flügelabschnitts 3 des Abdeckelements 1 sowie die aufgeklappte Formgebung des Flügelabschnitts 3.
Ebenfalls zu erkennen sind zwei horizontale Schieber 17, 18, welche die beiden Schenkel 6 des Abdeckelements 1 während dem Nasspressverfahrens formen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abdeckelement
- 2
- obere Lagenaufbau
- 3
- Flügelabschnitt
- 4
- Schnitt
- 5
- untere Lagenaufbau
- 6
- Schenkel
- 7
- Hinterschnitt
- 8
- Rastnase
- 9
- Speichenfläche
- 10
- Rad
- 11
- Speichenkante
- 12
- Speiche
- 13
- Speichenzwischenraum
- 14
- obere Werkzeughälfte
- 15
- untere Werkzeughälfte
- 16
- Schieber
- 17
- horizontaler Schieber
- 18
- horizontaler Schieber
- 19
- Felge
- 20
- Nabenabschnitt
- A
- Axialrichtung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013222044 A1 [0001, 0004]
