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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des Maschinenbaus und der Fertigungstechnik und ist mit besonderem Vorteil im Bereich der Automobiltechnik einsetzbar. Die Erfindung bezieht sich konkreter auf Fahrzeugfelgen und ihre Herstellung.
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Fahrzeugfelgen werden seit langer Zeit in verschiedenen Bauformen hergestellt, wobei insbesondere Stahlfelgenkonstruktionen, aber auch Aluminiumfelgen jeweils für verschiedene Einsatzbereiche besondere Vorteile haben. Geschweißte Stahlfelgenkonstruktionen können sehr kostengünstig hergestellt werden und haben wegen der guten Festigkeitswerte von Stahl und dem entsprechend geringen Materialbedarf hohes Leichtbaupotenzial. Problematisch können bei Stahlfelgen die Korrosionsanfälligkeit sowie Begrenzungen des gestalterischen Potenzials aufgrund der Herstellung durch Schmieden sein. Gegossene oder geschmiedete Aluminiumfelgen bieten dagegen größere Freiheiten der Gestaltung und darüber hinaus eine hohe Korrosionsbeständigkeit. Sie sind jedoch aufgrund der schlechteren mechanischen Festigkeitseigenschaften, insbesondere der geringeren Steifigkeit, bezüglich des Materialeinsatzes bei der erforderlichen Wirtschaftlichkeit nicht so stark reduzierbar, dass eine deutliche Gewichtsreduzierung gegenüber der Verwendung von Stahl erzielt werden kann.
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Es sind auch bereits vollständig aus CFK hergestellte Felgen bekannt geworden.
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Es sind zudem mehrteilige Felgen bekannt, die beispielsweise im Ganzen aus Aluminium bestehen oder mehrteilig aus Aluminium und kohlefaserverstärktem Kunststoff hergestellt sind. Ein Nachteil bei der Verwendung von faserverstärkten Kunststoffen ist der hohe Preis und die schwierige Erkennbarkeit von mechanischen Beschädigungen am Kunststoff. In Betracht gezogen werden muss zudem, dass die ungenügende Wärmeleitung für die Wärmeabfuhr beim Bremsen unvorteilhaft ist. Ein grundsätzliches Problem beim Aufbau mehrteiliger Felgen ist zudem die Verbindungstechnik, da hierbei üblicherweise in ein Faserverbundbauteil Löcher gebohrt werden, die das Material schwächen und lasttragende Fasern beschädigen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt vor dem Hintergrund des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, eine Fahrzeugfelge zu schaffen, die hohes Leichtbaupotenzial aufweist und zur Reduzierung ungefederter Massen am Fahrzeug beiträgt, wobei zudem eine hohe mechanische Festigkeit und Standzeit erreicht werden soll.
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Die Aufgabe wird durch die Erfindung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche zeigen mögliche Implementierungen der Erfindung auf. Die Erfindung bezieht sich zudem auf ein Verfahren zur Herstellung einer Fahrzeugfelge.
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Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf eine Fahrzeugfelge mit einem radial außen angeordneten Felgenbett sowie einem mit diesem verbundenen, radial innen angeordneten Felgenstern, der mehrere jeweils mit dem Felgenbett verbundene Felgensternarme aufweist. Dabei ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass jeder mit dem Felgenbett verbundene Felgensternarm wenigstens ein wenigstens überwiegend aus einem Metall bestehendes Anbindungssegment zur Befestigung des Felgensternarmes an dem Felgenbett sowie wenigstens ein wenigstens überwiegend aus Kunststoff bestehendes Tragsegment aufweist und dass jeder Felgensternarm eine Faseranordnung aufweist, die sowohl in wenigstens ein Anbindungssegment als auch in wenigstens ein Tragsegment des Felgensternarmes eingegossen ist.
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Die einzelnen Felgensternarme weisen dabei jeweils radial außen bezüglich der Mittelachse der Felge ein oder mehrere Anbindungssegmente auf, an die sich radial innen ein Tragsegment anschließt. Die Tragsegmente können radial innen miteinander teilweise oder vollständig oder mit einem zentralen Element des Felgensterns verbunden sein. Dabei können die Anordnung und die Verbindung der Felgensternarme mit der Felge symmetrisch oder unsymmetrisch gestaltet sein. Die Anordnung der Verbindungsstellen der Anbindungssegmente mit dem Felgenbett kann am Umfang des Felgenbetts symmetrisch oder unsymmetrisch, äquidistant oder nicht äquidistant sein. Die Tragsegmente können auch vollständig aus einem Kunststoff bestehen, wie auch die Anbindungssegmente vollständig aus einem Metall bestehen können.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass eine mehrteilige Felge in Hybridbauweise unter Verwendung unterschiedlicher Materialien hergestellt werden kann, wobei die verschiedenen Segmente fertigungstechnisch fest und dauerhaft miteinander verbunden werden können. Dies wird dadurch erreicht, dass das Felgenbett mit metallischen Anbindungssegmenten verbunden ist, die ihrerseits durch einen Verguss mit einer Faseranordnung jeweils mit Tragsegmenten von Felgensternarmen verbunden sind. Die Faseranordnungen sind einerseits mit den jeweiligen Anbindungssegmenten und andererseits mit Tragsegmenten vergossen, so dass die Felgensternarme eine hohe Festigkeit aufweisen. Diese hohe Festigkeit ermöglicht durch die metallischen Anbindungssegmente eine stabile und dauerhafte Verbindung mit einem Felgenbett, indem beispielsweise das Anbindungssegment / die Anbindungssegmente durchbohrt und mittels einer Schraubverbindung mit dem Felgenbett verbunden sind. Das Felgenbett kann aus einem Metall, beispielsweise Stahl oder Aluminium, bestehen.
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Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Felgensternarme als miteinander verbundene Teile eines einen Gusskörper bildenden Felgensterns ausgebildet sind. Der Felgenstern kann somit durch Vergießen als ein einziger zusammenhängender Gusskörper hergestellt werden, der eine Mehrzahl von Tragsegmenten von Felgensternarmen aufweist. Die Tragsegmente sind jeweils mit Anbindungssegmenten vergossen und mit diesen zudem über Faseranordnungen verbunden, die sowohl die Tragsegmente als auch die Anbindungssegmente durchsetzen und mit diesen vergossen sind. Somit können alle Teile des Felgensterns als ein Bauteil aus einem Verbundwerkstoff zusammenhängen und gemeinsam mit dem Felgenbett, beispielsweise mittels Schraubverbindungen, verbunden werden. Dabei kann an jedem Anbindungssegment eine Fügeverbindung mit dem Felgenbett vorgesehen sein. Vorteilhaft ist dabei, dass sämtliche Tragsegmente der Felgensternarme in einem einzigen Gussvorgang gemeinsam hergestellt werden können.
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Die Anbindungssegmente der Felgensternarme können, wie oben erläutert, jeweils einzeln mit dem Felgenbett verbunden sein. Dabei kann eine Vielzahl von Varianten dadurch ermöglicht werden, dass für ein Felgenbett unterschiedliche Anzahlen von Felgensternarmen und/oder unterschiedliche Ausgestaltungen von Felgensternen und/oder Felgensternarmen gewählt werden können.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann darin liegen, dass die Anbindungssegmente wenigstens bereichsweise, insbesondere vollständig, aus Aluminium, Magnesium oder Stahl oder einer ihrer Legierungen bestehen. Auf diese Weise können die Anbindungssegmente in einem Guss- oder Druckgussverfahren vorgefertigt und dabei mit jeweils einer Faseranordnung verbunden werden. Die Faseranordnungen können dabei einzelne oder Gruppen von Fasern, miteinander verflochtene Fasern oder Fasergruppen oder andere gewebeartige Faseranordnungen umfassen.
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Es kann zudem vorgesehen sein, dass die Anbindungssegmente der Felgensternarme jeweils mit dem Felgenbett mittels einer Niet-, Schraub-, Kleb-, Schweiß- oder Lötverbindung oder eines anderen bekannten Fügeverfahrens verbunden sind. Wird dabei eine Schraubverbindung vorgesehen, so können in den Anbindungssegmenten entweder Bohrungen für Schraubverbindungen vorgesehen sein, oder es können mit den Anbindungssegmenten beispielsweise Gewindestifte verbunden sein, die Bohrungen im Felgenbett durchsetzen und mit Muttern verschraubt werden. Es können pro Anbindungssegment eine oder mehrere Schraubverbindungen vorgesehen sein. Durch geeignete geometrische Gestaltung der Anbindungssegmente können auch formschlüssige Verbindungen zwischen den Anbindungssegmenten und dem Felgenbett oder eine Mischung aus formschlüssigen Verbindungen und anderen Verbindungsarten, wie beispielsweise Schraubverbindungen, verwendet werden. Dabei können an den Anbindungssegmenten und/oder am Felgenbett jeweils fügevorbereitende Geometrien vorgesehen sein, das heißt, Gestaltungen, beispielsweise mit Öffnungen, Bohrungen, Ausnehmungen, Nuten, Kanten, Stegen oder anderen Erhebungen in die jeweiligen Bauteile beim Gussvorgang oder anderen Herstellungsarten bereits eingearbeitet werden.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung kann zudem vorsehen, dass die Faseranordnung(en) eine oder mehrere Fasern aus einem Werkstoff aufweist/aufweisen, der eine Temperaturfestigkeit bis zu Temperaturen von mindestens 600 Grad Celsius aufweist.
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Weiter kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass Fasern verwendet werden, die eine Temperaturfestigkeit bis mindestens 800 Grad Celsius oder 1100 Grad Celsius aufweisen. Die Fasern können somit eine Temperaturfestigkeit aufweisen, die einen Verguss mit dem Material eines Anbindungssegments ohne den Verlust mechanischer Festigkeit erlaubt.
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Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Faseranordnung(en) Glasfasern, Basaltfasern, Kohlenstoffasern, metallische Fasern oder Gelege oder Keramikfasern aufweist/aufweisen.
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Zudem kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Fasern der Faseranordnungen derart angeordnet sind, dass sie in Richtung der wirkenden Kräfte verlaufen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die geometrische Form des Felgensterns derart gestaltet wird, dass Wechselbelastungen im Betrieb minimiert werden. Es wird sich dennoch in vielen Fällen nicht vermeiden lassen, dass während des Betriebs in den einzelnen Felgensternarmen Belastungsänderungen periodisch auftreten. Fasern können beispielsweise so angeordnet sein, dass sie in der Richtung der größten im Betrieb auftretenden Kräfte verlaufen.
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Die Erfindung bezieht sich außer auf eine Fahrzeugfelge der oben erläuterten Art auch auf ein Verfahren zur Herstellung einer Fahrzeugfelge. Bei einem solchen Verfahren kann gemäß der Erfindung vorgesehen sein, dass eine mit einem Anbindungssegment vergossene Faseranordnung mit einem Tragsegment zu einem Felgensternarm oder einem vollständigen Felgenstern vergossen wird.
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Da üblicherweise das metallische Material der Anbindungssegmente eine höhere Schmelztemperatur aufweist als das Kunststoffmaterial, aus dem die Tragsegmente hergestellt werden, ist es sinnvoll, zunächst die Anbindungssegmente mit den Faseranordnungen zu vergießen. Dabei kann beispielsweise ein Druckgießverfahren, ein Niederdruckgießverfahren, ein Sandgießverfahren, ein Kokillengießverfahren oder ein anderes bekanntes Gießverfahren verwendet werden. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt werden ein oder mehrere Anbindungssegmente in einer Gießform zur Herstellung der Tragsegmente und gegebenenfalls des gesamten Felgensterns positioniert. Dies kann beispielsweise durch Faserhalbzeuge oder andere Positionierhilfen unterstützt werden. Die Zahl der Anbindungssegmente ist dabei abhängig von der gewünschten Form des Felgensterns und somit von den mechanischen Belastungen, denen die Felge gewachsen sein soll. In einem nachfolgenden Gießprozess wird dann der Felgenstern als Faserverbundwerkstoff gegossen. An den radial in der Felge außen liegenden Enden der Felgensternarme sind dann die Anbindungssegmente in der gewünschten Form befestigt.
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Es kann danach vorgesehen sein, dass die Felgensternarme des Felgensterns jeweils mittels einer Niet-, Schraub-, Kleb-, Schweiß- oder Lötverbindung oder eines anderen bekannten Fügeverfahrens mit dem Felgenbett verbunden werden. Die Fahrzeugfelge ist damit fertiggestellt und kann als fertiges Bauteil verwendet werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Figuren einer Zeichnung gezeigt und anschließend erläutert. Dabei zeigt
- 1 in perspektivischer Ansicht ein Felgenbett und Teile eines Felgensterns,
- 2 ein Anbindungssegment eines Felgensternarms,
- 3 einen Felgenstern mit drei Felgensternarmen,
- 4 einen Felgenstern mit fünf Felgensternarmen,
- 5 eine Felge mit einem Felgenbett und einem an diesem montierten Felgenstern mit drei Felgensternarmen,
- 6 eine Felge mit einem Felgenbett und einem an diesem montierten Felgenstern mit fünf Felgensternarmen,
- 7 eine weitere Form eines Felgensternarms sowie
- 8 eine noch andere Form eines Felgensternarms.
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1 zeigt ein Felgenbett 1 einer Felge, auf dem bei einem montierten Fahrzeugrad üblicherweise radial außen der Reifen aufsitzt. Vor dem Felgenbett sind fünf Anbindungssegmente 2, 3 dargestellt, die eine Position zueinander einnehmen, wie es in einem fertig hergestellten Felgenstern der Fall ist. Jedoch sind in 1 nur die radial außen liegenden Anbindungssegmente mit Faseranordnungen ohne eine Verbindung zueinander dargestellt. Zudem ist eine Nabe 4 gezeigt, die bei dem fertigen Fahrzeugrad für die Montage auf eine Achse verwendet werden kann.
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In einem Herstellungsschritt der Kraftfahrzeugfelge werden die Anbindungssegmente 2, 3 durch einen Kunststoffgusskörper zu einem Felgenstern verbunden.
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2 zeigt ein Anbindungssegment 3 aus einem Metall, beispielsweise Stahl oder Aluminium oder einer Stahl- oder Aluminiumlegierung, wobei das Anbindungssegment durch Metallguss hergestellt ist und in den Gusskörper des Anbindungssegments eine Faseranordnung 5 mit eingegossen ist. Diese ragt aus dem Metallkörper des Anbindungssegments ein Stück weit heraus, so dass das herausragende Stück nachfolgend mit einem Tragsegment eines Felgensternarms vergossen werden kann. Die Faseranordnung 5 kann dabei beispielsweise als Fasergeflecht oder auch in Form von parallel verlaufenden Fasern ausgebildet sein. Die Fasern können beispielsweise als Kohlenstofffasern, Keramikfasern, Glasfasern, Basaltfasern ausgebildet sein oder aus einem anderen Werkstoff bestehen, der bei den Schmelztemperaturen des Metalls, aus dem das Anbindungssegment besteht, nicht zerstört wird.
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In 3 ist ein vollständiger Felgenstern 6 mit drei Felgensternarmen 7, 8, 9 dargestellt, wobei jeder der Felgensternarme ein Anbindungssegment 2, 3 sowie ein Tragsegment 2a, 3a aufweist. Die Tragsegmente 2a, 3a laufen in einem Zentralelement 10 zusammen und sind dort miteinander verbunden. Auf diese Weise entsteht ein radial innen im Zentrum der Felge angeordneter Gusskörper aus einem Kunststoff, der das Zentralelement 10 und die Tragsegmente 2a, 3a enthält und an den radial außen die Anbindungssegmente 2, 3 angesetzt sind.
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In 4 ist ein Felgenstern 11 mit fünf Felgensternarmen und entsprechenden Trag- und Anbindungssegmenten dargestellt.
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In 5 ist eine fertig montierte Fahrzeugfelge 12 mit einem Felgenbett 1 und einem Felgenstern 6 mit drei Felgensternarmen, wie er in 3 gezeigt ist, dargestellt. Die Anbindungssegmente 2, 3 sind mit dem Material des Felgenbetts 1 beispielsweise durch Schweißen, Kleben, Löten oder Verschrauben fest verbunden. Es kann vorteilhaft sein, wenn die Anbindungssegmente 2, 3 aus dem gleichen Material bestehen wie das Felgenbett 1. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Anbindungssegmente aus einem Material bestehen, das von dem Material des Felgenbetts 1 verschieden ist.
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Die verschiedenen Teile eines Felgensterns können allesamt zum Schutz vor Korrosion mit einer Farbe, beispielsweise einem Lack, bedeckt sein, wobei für alle Teile der gleiche Lack verwendet werden kann. Auch das Felgenbett kann lackiert sein, beispielsweise mit dem gleichen Lack, mit dem der Felgenstern lackiert ist.
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In 6 ist eine Fahrzeugfelge ähnlich derjenigen in 5 gezeigt, wobei der Felgenstern 11 jedoch fünf Felgensternarme aufweist. Die Verbindung der einzelnen Anbindungssegmente des Felgensterns 11 zu dem Felgenbett kann analog zu den im Zusammenhang mit 5 beschriebenen Verbindungstechniken gestaltet sein.
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Bei der Fertigung einer Fahrzeugfelge gemäß der hier erläuterten Art werden zunächst die Anbindungssegmente aus einem metallischen Werkstoff gegossen, wobei in die Gießform eine Faseranordnung eingelegt wird. Dabei sind konventionelle Gusstechniken zur Herstellung von Metallteilen anwendbar.
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In einem zweiten Schritt werden die Anbindungssegmente mit Tragsegmenten zu Felgensternarmen vergossen, wobei die Felgensternarme einzeln hergestellt und später zu einem Felgenstern verbunden werden können. Vorteilhafter erscheint es jedoch, verschiedene Felgensternarme in einem einzigen Gussvorgang in Form eines einzigen Gusskörpers mit den Anbindungssegmenten herzustellen. Dabei werden die aus den Anbindungssegmenten herausragenden Faseranordnungen in die Anbindungssegmente mit eingegossen. Dabei sollten die Faseranordnungen in die Tragsegmente wenigstens genauso weit hineinragen wie in die Anbindungssegmente. Auch die verschiedenen Tragsegmente können jeweils durch Faseranordnungen, die in sie eingegossen sind, verstärkt und miteinander verbunden sein. Hierdurch wird die Stabilität eines Felgensterns besonders im Kunststoffteil weiter erhöht.
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Die Anbindungssegmente 2, 3 können von Bohrungen durchsetzt sein, die eine Schraubverbindung mit dem Felgenbett ermöglichen oder erleichtern. Die Anbindungssegmente 2, 3 können auch profiliert sein oder jeweils mit Gewindestangen verbunden sein, die eine formschlüssige Verbindung mit Elementen des Felgenbetts ermöglichen. Hierdurch wird eine feste und dauerhafte Verbindung zwischen dem Felgenstern und dem Felgenbett ermöglicht oder erleichtert.
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7 zeigt die Anordnung eines Felgensternarms an einem Felgenblatt 1, wobei der Felgensternarm zwei Anbindungssegmente 2' aufweist, die mit zwei Enden eines radial außen (bezüglich der Mittelachse der Felge) gegabelten Tragsegments 2a' verbunden sind. Jedes der Anbindungssegmente kann mittels einer Faseranordnung an das jeweilige Ende des Tragsegments 2a' angebunden sein.
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8 zeigt einen Felgensternarm, der an dem Ende, das dem Felgenbett zugewandt ist, eine Tasche oder Ausnehmung eines Tragsegments 2a" aufweist, in die ein Anbindungssegment 2" eingefügt ist. Das Anbindungssegment 2" ist an zumindest einer Seite mittels einer Faseranordnung an das Tragsegment 2a" angebunden.
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In den beiden Fällen der 7 und 8 sind jeweils die Anbindungssegmente an ihren jeweils von dem Felgenbett abgewandten Enden mittels Faseranordnungen mit den jeweiligen Tragsegmenten verbunden.
