DE102019124470A1

DE102019124470A1 - Fahrzeugrad und Verfahren zur Herstellung des Fahrzeugrades

Info

Publication number: DE102019124470A1
Application number: DE102019124470.6A
Authority: DE
Inventors: Jens Werner; Michael Franke; Sandro Mäke; Michael Dressler; Florian Franke; Christian Köhler
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Carbon Components GmbH
Current assignee: Action Composites GmbH
Priority date: 2019-09-11
Filing date: 2019-09-11
Publication date: 2021-03-11
Anticipated expiration: 2039-09-12
Also published as: DE102019124470B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugrad mit einer Radscheibe, wobei die Radscheibe wenigstens eine Faserlage aus Faserverbundmaterial, welche die Vorderschale oder Teile der Vorderschale der Radscheibe bildet, und wenigstens eine Faserlage aus Faserverbundmaterial, welche die Hinterschale oder Teile der Hinterschale der Radscheibe bildet, aufweist.Es wird vorrichtungstechnisch vorgeschlagen, dass in einem Abstandsraum zwischen der Vorderschale und der Hinterschale eine Anzahl partiell ausgebildeter Stützelemente angeordnet sind, mittels derer die Vorderschale und die Hinterschale zueinander beabstandet verbunden sind.Verfahrenstechnisch wird vorgeschlagen, dass die Stützelemente aus Faserhalbzeug oder Faserverbundhalbzeug gebildet werden, mit welchem ein oder mehrere Kernsegment(e) oder Hilfkernsegment(e) eines Kernkörpers vorkonfektioniert werden, wobei mehrere Kernsegmente oder Hilfkernsegmente zu einer Preform der Radscheibe (Radstern, Radschüssel) zusammengefügt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugrad mit einer Radscheibe, wobei die Radscheibe wenigstens eine Faserlage aus Faserverbundmaterial, welche die Vorderschale oder Teile der Vorderschale der Radscheibe bildet, und wenigstens eine Faserlage aus Faserverbundmaterial, welche die Hinterschale oder Teile der Hinterschale der Radscheibe bildet, aufweist.
In der Fahrzeugtechnik sind an das Fahrzeugrad hohe Anforderungen hinsichtlich des Leichtbaus gestellt, die einen effizienten Einsatz von Material und Masse und in diesem Zusammenhang eine effektive Verwendung von Faserverbundmaterial bei der Herstellung der Bauteile des Fahrzeugrades, insbesondere auch bei der Herstellung der Radscheibe, verlangen.
Die Radscheibe des Fahrzeugrades kann schüsselförmig, tellerförmig oder sternförmig gestaltet sein, wobei die schüsselförmige oder tellerförmige Radscheibe vornehmlich eine geschlossene Radscheibenfläche und die sternförmige Radscheibe vornehmlich eine durchbrochene Radscheibenfläche mit zumindest angedeuteten Speichenfenstern zwischen Speichen bzw. Speichenfeldern aufweisen können. Es sind auch Radscheiben in Kombinationen aus schüsselförmiger, tellerförmiger und sternförmiger Gestalt möglich.
Der Verwendung von Faserverbundmaterial für die Herstellung der Radscheibe steht die Anforderung an eine ausreichend hohe Festigkeit und Biegesteifigkeit der Radscheibe während des im Betriebszustand des Fahrzeugrads auf die Radscheibe einwirkenden Biegelastfalls entgegen.
Hierbei erzielen hohl ausgeführte Radscheiben, ob als hohlprofilierte Radschüsseln oder als Radstern mit hohlprofilierten Speichen, bei denen eine fahrzeugseitig äußere Deckschicht (Vorderschale) und eine fahrzeugseitig innere Deckschicht (Hinterschale) der Radscheibe aus Faserverbundmaterial besteht, eine höhere Biegesteifigkeit als Radscheiben in monolithischer Ausführung aus Faserverbundmaterial.
Ein Fahrzeugrad der vorstehend genannten Art ist aus der Druckschrift DE 10 2014 009 180 A1 bekannt. Das Fahrzeugrad, hier als Felge bezeichnet, weist einen Radstern (Felgenstern) aus zwei zueinander beabstandeten, dünnen Deckschichten aus jeweils einer oder mehreren Lagen aus Faserverbundmaterial und einen zwischen den Deckschichten gelagerten Kernkörper aus einem metallischen Schaumwerkstoff, wie z. B. aus Aluminiumschaum, auf, wobei die Bauteile in einer Sandwichbauweise miteinander verbunden sind.
Die hier höhere Biegesteifigkeit im Biegelastfall der Radscheibe gegenüber monolithischen Radscheiben wird durch die Aufnahme bzw. Kompensation der auftretenden Zug- und Druckkräfte durch die beabstandeten Deckschichten erreicht. Durch die Beabstandung der Deckschichten treten aber auch hohe Schubkräfte auf, die wiederum durch den Kernkörper aufgenommen bzw. kompensiert werden müssen.
Entsprechend der hohen Schubkraftbeanspruchung des Kernkörpers muss das Kernmaterial für die Schubkraftübertragung eine entsprechend hohe Festigkeit aufweisen, demensprechend erfordert dies ein Kernmaterial mit einer hohen Dichte und damit einem hohen Gewicht, was den Leichtbau-Anforderungen entgegensteht.
Um das Gewicht des Kernkörpers zu verringern, könnte beispielsweise die Dichte des Kernkörpers gemindert werden, wodurch jedoch die Aufnahme der am Rad wirkenden Schubkräfte nicht mehr ausreichend gewährleistet wäre.
Würde der Materialeinsatz durch eine Dickenreduzierung des Kernkörpers gemindert werden - in deren Folge der Abstand der Deckschichten zueinander - zu verringern ist, geht dies wiederum zu Lasten der erwünschten Biegesteifigkeit der Radscheibe.
Eine ausreichende Biegesteifigkeit der Radscheibe in Sandwich-Bauweise verlangt eine entsprechende Beabstandung der Deckschichten, was zum Zwecke der Aufnahme der gleichzeitig wirkenden höheren Schubkräfte folglich zu einer umso größeren Masse und Gewicht des Kernkörpers führt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Fahrzeugrad der vorstehenden Art weiterzuentwickeln und ein Fahrzeugrad bereitzustellen, welches eine verbesserte Biegesteifigkeit der Radscheibe bei zugleich geringem Gesamtgewicht gewährleistet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Fahrzeugrad mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass in einem Abstandsraum zwischen der Vorderschale und der Hinterschale eine Anzahl partiell ausgebildeter Stützelemente angeordnet sind, mittels derer die Vorderschale und die Hinterschale zueinander beabstandet verbunden sind.
Zur Realisierung der beabstandeten Verbindung der Vorderschale mit der Hinterschale zueinander erstrecken sich die verbindenden Stützelemente zumindest zwischen der Vorderschale und der Hinterschale entsprechend des zwischen der Vorderschale und der Hinterschale vorgesehenen Abstandes.
Vorzugsweise ist diese abstandserzeugende Erstreckung der Stützelemente in axialer Richtung in Bezug auf die Radachse des Fahrzeugrades bzw. der Radscheibe ausgebildet.
Die partiell ausgebildeten und verteilt angeordneten Stützelemente bilden in dem Abstandsraum zwischen der Vorderschale und der Hinterschale gemeinsam eine integrierte Abstands- bzw. Stützstruktur, welche die Vorderschale und die Hinterschale der Radscheibe lokal differenziert bzw. punktuell begrenzt gegeneinander abstützen und beabstandet verbindet.
Zwischen der Vorderschale, der Hinterschale und den partiell ausgebildeten und verteilt angeordneten Stützelementen ergeben sich mehrere offene oder in sich abgeschlossene Hohlraumbereiche innerhalb der Radscheibe.
Die erfindungsgemäßen Stützelemente sind ausschließlich innerhalb des Abstandsraum zwischen der Vorderschale und Hinterschale ausgebildet und angeordnet, das heißt, dass die vollständig integrierten Stützelemente mit der Vorderschale und Hinterschale verbunden sind, ohne die Homogenität der Vorderschale und der Hinterschale zu unterbrechen oder diese zu durchdringen.
Von den integrierten Stützelementen sind jedoch Ausführungen umfasst ist, bei denen z.B. Anschlussflächen der Stützelemente zur Verbindung mit der Vorder- und Hinterschale in die Faserverbundlagen der Vorder- oder Hinterschale eingebettet sind.
Die erfindungsgemäßen Stützelemente zur Bildung der Stützstruktur können vorzugsweise gleichmäßig um den Umfang der Radscheibe verteilt angeordnet sein, so dass mehrere gleichgroße Hohlräume zwischen der Vorderschale, der Hinterschale und den Stützelementen gebildet sind.
Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, dass die Faserlage(n) aus Faserverbundmaterial der Vorderschale und die Faserlage(n) aus Faserverbundmaterial der Hinterschale in technisch-mechanischer Hinsicht als oberer und unterer Gurt eines Tragwerkbalkens bzw. Biegeträger fungieren, was in der Betrachtung der Radscheibe im Querschnitt entlang der Radachse deutlich wird.
Die Faserlagen der beabstandeten Vorder- und Hinterschale sind deutlich von einer Schwerkraftlinie (Nulllinie / Neutrale Faser - NF) des Radscheibenquerschnitts, die im Wesentlichen der Symmetrieebene zwischen Vorder- und Hinterschale entspricht, entfernt angeordnet.
Durch diese Beabstandung erfahren die Vorder- und Hinterschale bei einer Biegebeanspruchung des Fahrzeugrades, insbesondere der Radscheibe, durch eine während des Fahrbetriebes einwirkende Querkraft, wie z.B. bei einer Kurvenfahrt des Fahrzeugs, analog einem Tragwerkbalken im Wesentlichen Zug- und Druckspannungen, die in Richtung des Tragwerksbalkens respektive in radialer Richtung in Bezug auf die Radachse und damit im Wesentlichen entlang der Schalenkonstruktion der Vorder- und Hinterschale auftreten.
Die lokal differenziert angeordneten Stützelemente der Stützstruktur fungieren aufgrund ihrer durchgängigen, die Vorder- und Hinterschale verbindenden Anordnung, bei der sie den Bereich der Schwerkraftlinie (Nulllinie / neutralen Faser - NF des Radscheibenquerschnitts durchdringen, in technischmechanischer Hinsicht als ein die beiden Gurte verbindender Steg des Tragwerkbalkens bzw. Biegeträgers.
Bei der Biegebeanspruchung der Radscheibe während des Fahrbetriebes, wie z.B. bei der Kurvenfahrt, treten im Bereich zwischen der Vorder- und der Hinterschale vorwiegend Schubspannungen auf, die im Bereich der Schwerkraftlinie (Nulllinie / neutrale Faser - NF) die maximale Stärke erreichen, analog eines durch Querkraft belasteten Biegeträgers. Diese Schubspannungen drehen die dort vorherrschenden Hauptnormalspannungen um 45° zur neutralen Faser.
Die Biegebelastung der Radscheibe im Fahrzeugbetrieb, insbesondere in der Kurvenfahrt, wird somit maßgeblich von den Faserverbundlagen der beabstandeten Vorderschale bzw. Hinterschale als Zug- und Druckspannung übertragen bzw. kompensiert. Die sich bei der Kurvenfahrt ebenfalls ergebenden Schubspannungsbeanspruchungen zwischen der Vorderschale und der Hinterschale werden vornehmlich von den zwischen der Vorderschale und der Hinterschale angeordneten Stützelementen übertragen bzw. kompensiert, die so ausgebildet und angeordnet sind, dass sie eine entsprechende spezifische, in Richtung der auftretenden Schubspannungen, insbesondere in Richtung der resultierenden Hauptnormalspannungen gerichtete Festigkeit aufweisen.
Durch diese geometrische separierte Anordnung der Bauteile (beabstandete Vorderschale, Hinterschale, einzelne, die Vorderschale und Hinterschale beabstandet verbindende Stützelemente) wird eine Funktionstrennung erzielt, bei der die bei einer Biegebelastung der Radscheibe im Wesentlichen vorherrschenden Spannungsrichtungen den Bauteilen differenziert zugeordnet werden können.
Diese spezifische, spannungsgerichtete Festigkeit der Stützelemente ist insbesondere und besonders vorteilhaft durch Bauteile aus Faserverbundwerkstoff realisierbar, da hierdurch die orthotropen Materialeigenschaften des Faserverbundmaterials mit ihren hohen spezifischen Festigkeiten in Faserrichtung ausgenutzt werden können, indem die Fasern in Richtung der an der Radscheibe auftretenden Hauptnormalspannungen ausgerichtet werden.
Die erfindungsgemäße Abstands- bzw. Stützstruktur bietet eine selbstständige und wirksame Kompensation der vornehmlichen Schubkraftbeanspruchung zwischen der Vorderschale und der Hinterschale, welche ermöglicht, ganz auf zusätzliche Kernkörper in den verbleibenden Hohlraumbereichen zu verzichten oder einen Kernkörper mit einem Kernmaterial von geringerer Festigkeit, Dichte und Gewicht vorzusehen.
Im Weiteren können durch die explizite mechanische Funktionstrennung in den Bauteilen sowohl die Dicke der Faserverbundlagen der Vorderschale und Hinterschale minimiert werden als auch der Querschnitt der Stützelemente gering ausgeführt werden.
Hiernach kann das Gewicht der Radscheibe deutlich vermindert werden, ohne die erforderliche Biegesteifigkeit der Radscheibe zu beeinträchtigen.
Zudem ist mit dem Einsatz dünnerer Faserverbundlagen der Vorderschale und Hinterschale die Gefahr der Delaminierung der Faserverbundlagen geringer, was wiederum die Standsicherheit der biegesteifen Radscheibe erhöht.
Der Einsatz der lokal differenziert angeordneten und mit gerichteter Festigkeit ausgebildeten Stützelemente ermöglicht zudem den Abstand zwischen der Vorderschale und der Hinterschale zu erweitern, so dass ohne nennenswerte Massen- und Gewichtszunahme eine Erhöhung der Biegesteifigkeit der Radscheibe bewirkt werden kann.
Durch die Verwirklichung einer hohen Biegesteifigkeit der Radscheibe kann folglich auch die Radfelge des Fahrzeugrades deutlich besser abgestützt werden, wonach auch das Felgenbett und die Felgenhörner der Radfelge durch Wandstärkenreduktion der Radfelge schlanker ausgeführt werden können. Diese Wandstärkenreduktion bewirkt ebenfalls eine vorteilhafte Massen- und Gewichtsreduzierung des Fahrzeugrades im Sinne der gestellten Aufgabe.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen hervor.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist wenigstens eine bestimmte Anzahl von Stützelementen im Wesentlichen in radialer Richtung längserstreckt ausgebildet.
Die längserstreckte Gestalt der Stützelemente bedeutet, dass die Stützelemente eine deutlich größere Länge bzw. Längenerstreckung in radialer Richtung im Verhältnis zu ihrer Breite bzw. Breitenerstreckung aufweisen.
Die radiale Orientierung der Längserstreckung der Stützelemente ist in Bezug auf die Radachse des Fahrzeugrades betrachtet.
Die Breitenerstreckung dieser Stützelemente ist zur Verwirklichung der beabstandeten Verbindung zwischen der Vorder- und Hinterschale hier vorzugsweise in axialer Richtung der Radachse des Fahrzeugrades ausgebildet.
Beispielsweise können die radial erstreckten Stützelemente im Abstandsraum zwischen der Vorderschale und der Hinterschale der Radscheibe so ausgebildet sein, dass ihre Längenerstreckung in gerader, bogenförmiger oder wellenförmiger Linie von etwa der Radnabe ausgehend und in sternförmig auseinander divergierender Anordnung bis etwa zum Radkranz oder bis zu einem Speichenfenster verläuft.
Bei einer insbesondere sternförmigen Radscheibe können die Stützelemente z.B. in entsprechender Anzahl der Hohlspeichen vorgesehen sein und in radialer, sternförmig auseinander divergierender Anordnung im Abstandsraum zwischen der Vorderschale und der Hinterschale der Hohlspeichen angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ können Stützelemente in entsprechender Anzahl der Speichenfenster vorgesehen sein.
In dieser Ausführung und Anordnung der Stützelemente sind die bei der Biegebelastung der Radscheibe auftretenden Schubkräfte besonders gut kompensierbar, da hierbei in technischmechanischer Hinsicht die Gestalt der Radscheibe bzw. ein fiktiver Ausschnitt der Radscheibe der eines biegebelastbaren Tragwerkbalkens (bestehend aus Obergurt, Untergurt und Steg) besonders angenähert ist.
Durch die im Wesentlichen radiale Längenerstreckung dieser Stützelemente in Verbindung mit ihrer Breitenerstreckung in vornehmlich axialer Richtung kann eine im Wesentlichen radialaxial-erstreckte Ebene der Abstands- bzw. Stützstruktur zwischen der Vorder- bzw. Hinterschale aufgespannt werden, wobei sich die Gestalt der Radscheibe bzw. ein fiktiver Ausschnitt der Radscheibe noch weiter an das optimale technischmechanische Prinzip eines biegebelastbaren Tragwerkbalkens annähert.
Weist die Ausführung und Anordnung der radial erstreckten Stützelemente zusätzlich eine tangential orientierte Komponente auf ergibt sich ein weiterer Vorteil zur Erhöhung der Steifigkeit und Festigkeit der Radscheibe gegen eine Torsionsbeanspruchung infolge Brems- und Antriebsmoment.
Eine besonders vorteilhafte Ausführung zur Kompensation besonders hoher Torsionsbeanspruchung wird durch ein oder mehrere längserstreckte Stützelemente, die einen spiralförmigen Verlauf um die Radachse herum aufweisen, realisiert.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist wenigstens eine bestimmte Anzahl von Stützelementen im Wesentlichen in axialer Richtung in Bezug auf die Radachse des Fahrzeugrades längserstreckt ausgebildet.
Die längserstreckte Gestalt der Stützelemente bedeutet auch hier eine deutlich größere Länge bzw. Längenerstreckung in axialer Richtung im Verhältnis zu ihrer Breite bzw. Breitenerstreckung.
Die Breitenerstreckung dieser axial ersteckten Stützelemente ergibt sich um deren Längsachse.
Damit kann eine im Wesentlichen senkrechte Anbindung der jeweiligen Stützelemente an die Flächen der Vorder- bzw. Hinterschale erfolgen-
Diese axial gerichteten Stützelemente können vornehmlich Druckkräfte aufnehmen und damit z.B. ein Verbeulen der Vorderschale bzw. Hinterschale verhindern, also einem so genannten Beul-Versagen der Vorderschale bzw. Hinterschale entgegen wirken.
Diese axial gerichteten Stützelemente können beispielsweise zur Unterstützung der Funktion der in radialer Richtung längserstreckten Stützelemente dienen, um diese von einwirkender Druckspannung zu entlasten, so dass diese ihre Aufgabe als Schubspannungs-Kompensatoren noch besser gerecht werden können.
Die axial gerichteten Stützelemente wirken sich insbesondere vorteilhaft in Bereichen aus, wo die Vorder- bzw. Hinterschale der Radscheibe gekrümmt ausgebildet ist (bspw. in Bereichen, wo die Vorder- bzw. Hinterschale der Radscheibe zum Ausweichen der Kontur des Bremssattels des Fahrzeugrades mit einer Verziehung ausgebildet ist). In diesen gekrümmten Bereichen der Radscheibe entstehen besonders Druckspannungen senkrecht zur Fläche der Vorder- und Hinterschale und damit im Wesentlichen in axialer Richtung.
Diesen Druckspannungen können besonders die axial gerichteten Stützelemente zwischen Vorder- und Hinterschale gut kompensieren, insbesondere und besonders vorteilhaft durch axial gerichtete Stützelemente aus Faserverbundmaterial mit einer Faserorientierung in ihrer Längsachse.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Stützelemente stegförmig oder stabförmig ausgebildet.
Die stegförmigen Stützelemente können vorzugsweise einen flachen rechteckigen oder flachen ellipsenförmigen Querschnitt aufweisen.
Die stabförmigen Stützelemente (auch Pins genannt) können einen beliebigen Querschnitt aufweisen, wie zum Beispiel einen kreisförmigen, ovalen, dreieckigen, quadratischen oder hexagonalen Querschnitt.
Diese Gestaltung der Stützelemente als Stege oder Stäbe (Pins) gewährleistet eine günstiges Kraft-/ Masseverhältnis bei der Übertragung der Schubkräfte bzw. Kompensation der Schubspannungen bzw. bei der Übertragung von Druckkräften bzw. Kompensation der Druckspannungen und ist daher im Interesse der Leichtbauweise besonders effizient.
Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn die Stützelemente hohlprofiliert ausgebildet sind, wonach diese einer noch höheren Druck- und Schubbelastung standhalten können und damit eine umso höhere Biegesteifigkeit der Radscheibe bewirken können.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Stützelemente aus Faserverbundmaterial ausgebildet.
Das Faserverbundmaterial liefert neben den vorbeschriebenen Vorteilen ein günstiges Masse-Festigkeits-Verhältnis, so dass die Abstands- bzw. Stützstruktur der Stützelemente aus Faserverbundmaterial bei geringem Gewicht eine hohe, spezifisch gerichtete Festigkeit bietet.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn das Faserverbundmaterial der Stützelemente einen Anteil von 50 bis 100 %, vorzugsweise von 50 bis 80 %, an in einem Winkel von +45° und -45° zur Längenerstreckung der radial längserstreckten Stützelemente gerichtete Fasern aufweist.
Es wird hierbei davon ausgegangen, dass die Längenerstreckung der radial längserstreckten Stützelemente im Wesentlichen entlang der Schwerkraftlinie (Nulllinie / neutrale Faser-NF) ausgebildet ist.
Damit werden die orthotropen Eigenschaften des Faserverbundmaterials, welches besonders hohe Zug- und Druckfestigkeiten in Faserrichtung aufweist, vorteilhaft genutzt, um die Fasern in Richtung der im Abstandsraum zwischen Vorder- und Hinterschale vorherrschenden Hauptnormalspannungen, die sich durch die dort auftretenden Schubspannungen ergeben, zu orientieren und damit eine besondere Festigkeit der Stützelemente in dieser Spannungsrichtung zu erzeugen.
Eine vorteilhafte Zusammensetzung der Fasern des Faserverbundmaterials der Stützelemente ergibt sich z.B. bei einem Faseranteil von etwa 50% an in einem Winkel von +45/-45° zur radialen Erstreckung / zur Neutralen Faser (NF) gerichteten Fasern, von weiter etwa 20% an in einem Winkel von 0°, also in Richtung der radialen Erstreckung / in Richtung der neutralen Faser (NF) gerichteten Fasern und von weiteren ca. 30% an in einem Winkel von 90° zur radialen Erstreckung / zur Neutralen Faser (NF) gerichteten Fasern. Letztere Faserrichtung kann also in axialer Richtung bezogen auf die Radachse gerichtet sein bzw. senkrecht zu den Faserlagen/Decklagen der Vorder- bzw. Hinterschale.
Eine weitere vorteilhafte Zusammensetzung der Fasern des Faserverbundmaterials der Stützelemente ergibt sich auch bei einem Faseranteil von etwa 80% an in einem Winkel von +45/-45° zur radialen Erstreckung / zur Neutralen Faser (NF) gerichteten Fasern, von weiter etwa 10% an in einem Winkel von 0°, also in Richtung der radialen Erstreckung / in Richtung der neutralen Faser (NF) gerichteten Fasern und von weiteren ca. 10% an in einem Winkel von 90° zur radialen Erstreckung / zur Neutralen Faser (NF) gerichteten Fasern.
Damit können die Stützelemente die während des Fahrzeugradbetriebes infolge der Biegebelastung der Radscheibe auftretenden Schubbeanspruchungen zwischen der Vorder- bzw. Hinterschale der Radscheibe noch effizienter übertragen bzw. kompensieren und entsprechend der gewählten Geometrie (dem Design) der Radscheibe auch verschiedentlich auftretende Druckspannungen zu einem gewissen Anteil kompensieren.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Faserverbundmaterial wenigstens einer Faserlage der Vorderschale und / oder wenigstens einer Faserlage der Hinterschale einen Anteil von 50 bis 100 %, vorzugsweise von 50 bis 80%, aus radial erstreckten Fasern aufweist.
Dabei werden auch hier die orthotropen Eigenschaften des Faserverbundmaterials, welches besonders hohe Zug- und Druckfestigkeiten in Faserrichtung aufweist, vorteilhaft genutzt, um die Fasern in Richtung der entlang der radialen Erstreckung der Vorder- und Hinterschale vorherrschenden Zug- und Druckbeanspruchungen, die sich durch die Biegebelastung ergeben, zu orientieren und damit eine besondere Festigkeit der Vorder- und Hinterschale in dieser Spannungsrichtung zu erzeugen.
Eine vorteilhafte Zusammensetzung der Fasern wenigstens einer Faserlage des Faserverbundmaterials der Vorder- und/oder Hinterschale ergibt sich z.B. bei einem Faseranteil von etwa 50% an entlang der Faserlage radial erstreckten Fasern, weiter von etwa 25% an in einem Winkel von +/-45°zur Richtung der in radialer Erstreckung orientierten Fasern und von weiteren ca. 25% an tangential erstreckten Fasern.
Eine weitere vorteilhafte Zusammensetzung der Fasern wenigstens einer Faserlage des Faserverbundmaterials der Vorder- und/oder Hinterschale ergibt sich auch bei einem Faseranteil von etwa 80% an entlang der Faserlage radial erstreckten Fasern, weiter von etwa 10% an in einem Winkel von +/-45°zur Richtung der in radialer Erstreckung orientierten Fasern und von weiteren ca. 10% an tangential erstreckten Fasern.
Damit können die Vorderschale bzw. Hinterschale die während des Fahrzeugradbetriebes infolge der Biegebelastung der Radscheibe auftretenden Zug- und Druckspannungen in Abstimmung auf die gewählten Geometrie (dem Design) der Radscheibe noch differenzierter und effizienter übertragen bzw. kompensieren.
In der Folge kann die Dicke der Lagen der Vorderschale bzw. Hinterschale noch weiter reduziert werden, so dass im Interesse des Leichtbaus noch eine schlankere Vorderschale und Hinterschale gewählt werden kann.
Eine konstruktiv günstige Ausgestaltung sieht vor, dass in einem oder mehreren zwischen der Vorderschale, der Hinterschale und den Stützelementen gebildeten Hohlraumbereichen ein oder mehrere Kernkörper angeordnet sind.
Der oder die Kernkörper kann / können in einem, mehreren einzelnen oder in allen gebildeten Hohlraumbereichen angeordnet sein und diese teilweise oder vollständig ausfüllen, wobei die Abstands- bzw. Stützstruktur funktional von dem/den Kernkörper(n) getrennt ausgebildet und angeordnet ist.
Da die Kernkörper selbst keine Schubspannungsbeanspruchung aufnehmen und übertragen müssen, ist an das Material der Kernkörper keine besonderen Festigkeitsanforderungen gestellt, so dass diese aus sehr leichten Materialien mit geringer Dichte, wie z.B. Schaumstoffmaterialien, gebildet sein können.
Das leichte Kernmaterial des Kernkörpers ist vorzugsweise jedoch so druckstabil, dass der Kernkörper die dünnen Lagen der Vorderschale bzw. der Hinterschale in ihrer Lage halten und damit - lediglich unterstützend zu den Stützelementen - einem Verbeulen der Vorderschale bzw. der Hinterschale entgegenwirken kann.
Ein geeignetes Material hierfür ist z. B. PMI-Schaum oder Rohacell-Kunststoffschaum.
Der Erfindung liegt im Weiteren die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Fahrzeugrad technologisch zu verbessern, insbesondere technisch zu vereinfachen und damit ökonomisch günstiger zu gestalten.
Zur Beschreibung des vorteilhaften, allgemein gültigen Verfahrens wird auf die beispielhaften Beschreibungen in entsprechenden Ausführungsbeispielen verwiesen, die allgemeingültig auf alle Ausführungen des erfindungsgemäßen Fahrzeugrads anwendbar sind.
Diese und weitere aus den Patentansprüchen, der Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale können jeweils für sich oder in Kombination als vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung verwirklicht sein, für die hier Schutz beansprucht wird.
Das erfindungsgemäße Fahrzeugrad wird an folgenden Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in einer schematischen Darstellung in

1 eine Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Fahrzeugrades nach einem ersten Ausführungsbeispiel mit einer sternförmigen Radscheibe, fünf radial längserstreckte, stegförmige Stützelemente (Schubstege) aufweisend,
2a eine Schnittansicht A-A des Fahrzeugrades nach 1 mit einem geschnittenen Schubsteg,
2b eine Schnittansicht A-A des Fahrzeugrades nach 1 mit einem alternativen geschnittenen Schubsteg,
3 eine Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Fahrzeugrades nach einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einer sternförmigen Radscheibe, zehn radial längserstreckte Schubstege und zehn Kernsegmente eines Kernkörpers aufweisend,
4 eine Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Fahrzeugrades nach einem dritten Ausführungsbeispiel mit einer sternförmigen Radscheibe, acht im Wesentlichen radial erstreckte, gekrümmte Schubstege aufweisend,
5 isometrische Darstellung des Fahrzeugrades nach 3 mit einem Teilausschnitt B-B,
6 Explosionsdarstellung des Fahrzeugrades nach 3,
7 Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Fahrzeugrades nach einem vierten Ausführungsbeispiel mit einer sternförmigen Radscheibe, fünf verbundene Schubstege und fünf Kernsegmente eines Kernkörpers aufweisend,
8 Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Fahrzeugrades nach einem fünften Ausführungsbeispiel mit einer sternförmigen Radscheibe, fünf radial erstreckte Schubstege und eine Vielzahl von axial erstreckten, stabförmigen Stützelemente (Pins) aufweisend,
9 eine Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Fahrzeugrades nach einem sechsten Ausführungsbeispiel mit einer tellerförmigen Radscheibe, fünf radial erstreckte Schubstege und fünf hohlprofilierte, axial erstreckte Stützelemente (Stützröhren) aufweisend,
10a eine Schnittansicht C-C des Fahrzeugrades nach 9 mit einer geschnittenen Stützröhre,
10b eine Schnittansicht C-C des Fahrzeugrades nach 9 mit einer alternativen geschnittenen Stützröhre,
11 Explosionsdarstellung des Fahrzeugrades nach 9,
12 eine Detailansicht eines Schubsteges des Fahrzeugrades nach 9,
13 eine Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Fahrzeugrades nach einem siebenten Ausführungsbeispiel,
14 eine Schnittansicht D-D des Fahrzeugrades nach 13 mit einer geschnittenen Stützröhre und einem geschnittenen Schubsteg,
15a - 15e Verfahrensschritte der Herstellung einer sternförmigen Radscheibe mit fünf im Wesentlichen radial erstreckten Schubstegen mittels fünf Kernsegmente eines verlorenen Kernkörpers,
16a - 16e Verfahrensschritte der Herstellung einer alternativen sternförmigen Radscheibe mit fünf Schubstegen und fünf Kernsegmente eines Kernkörpers,
17a - 17h Verfahrensschritte der Herstellung einer Hohlscheiben-Radschüssel mit Stützröhren, Schubstegen und Kernsegmenten.

In den im Folgenden erläuterten Beispielen wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der möglichen, von der Erfindung umfassten Beispiele bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann.
Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es ist von der Erfindung umfasst, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen.
Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe „verbunden“, „fügen“ und „angeschlossen / anschließen“ verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung, einer direkten oder indirekten Fügung sowie eines direkten oder indirekten Anschlusses.
In den Figuren werden identische oder ähnliche Bauteile / Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Fahrzeugrad 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel mit einer sternförmigen Radscheibe 2a und einer Radfelge 3. Die Radscheibe 2a, bestehend aus Faserverbundmaterial, ist als ein Hohlspeichen-Radstern mit fünf Hohlspeichen ausgebildet. Eine oder mehrere dünne Faserverbund-Decklagen 4 des Hohlspeichen-Radstern 2a bilden eine Vorderschale 5 des Hohlspeichen-Radsterns 2a und eine oder mehrere dünne Faserverbund-Decklagen 4 bilden eine Hinterschale 6 (in 1 nicht sichtbar) des Hohlspeichen-Radsterns 2a.
Die Faserverbund-Decklagen 4 der Vorder- und Hinterschale weisen in diesem Ausführungsbeispiel einen Faseranteil von etwa 70% an entlang der Decklagen 4 radial erstreckten Fasern, weiter von etwa 20% an in einem Winkel von +/-45°zur Richtung der in radialer Erstreckung orientierten Fasern, und von weiteren ca. 10% an tangential erstreckten Fasern auf.
Im Inneren des Hohlspeichen-Radsterns 2a ist eine Stützstruktur 7 aus fünf partiell ausgebildeten und angeordneten Stützelementen, hier als längserstreckte, stegförmige Stützelemente 7a (Schubstege) aus Faserverbundmaterial ausgestaltet, die sich in radialer Richtung bezogen auf die Radachse R von nahe dem Nabenbereich der Radscheibe 2a bis in den Speichenbereich hinein erstrecken (in 1 als verdeckte Linien gestrichelt dargestellt).
Die fünf Schubstege 7a der Radscheibe 2a nach diesem Ausführungsbeispiel können jedoch auch in radialer Richtung unmittelbar von einer Nabenöffnung im Nabenbereich der Radscheibe 2a bis an den äußeren Umfang der Radscheibe 2a (Radkranz), an die Radfelge 3 anschließend erstreckt sein.
2a und 2b zeigen jeweils einen Schnitt durch eine Hohlspeiche der Radscheibe 2a in Richtung der Radfelge 3 geblickt, zur Verdeutlichung der Gestaltung und Anordnung der Schubstege 7a in Verbindung zu den Decklagen 4 der Vorder- und Hinterschale 5, 6.
Die Decklagen 4 der Vorder- und Hinterschale 5, 6 bilden den hohlen Körper der Speiche, wobei die Enden der Decklagen 4 sich im Bereich der Speichen-Zwischenräume überlappend verbinden.
Die Schubstege (in 2a, b ist jeweils nur ein Schubsteg 7a ersichtlich) bestehen ebenfalls aus einer Faserverbund-Lagenstruktur und sind in dem Abstandsraum zwischen den sich gegenüberliegenden Schalenteilen der Vorderschale 5 und der Hinterschale 6 so ausgebildet und angeordnet, dass sie in ihre Breitenerstreckung den vorgesehenen Abstand der Vorder- und Hinterschale 5, 6 zueinander vorgeben bzw. erhalten und diese entsprechend zueinander beabstandet verbinden.
Die Breite der Schubstege 7a erstreckt sich im Wesentlichen in axialer Richtung in Bezug auf die Radachse R, so dass die Schubstege 7a im Wesentlichen senkrecht zur Richtung der Decklagen 4 der Vorder- und Hinterschale 5, 6 angeordnet sind.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind günstige Anteile der Fasern des Faserverbundmaterials der Schubstege 7a von 70% in einem Winkel von +45° / -45° zur Schwerkraftlinie (Nulllinie / neutrale Faser - NF), weiter von 10% in einem Winkel von 0°, also in Richtung der neutralen Faser (NF) und der radialen Erstreckung und weiter von 20% in einem Winkel von 90° zur Neutralen Faser (NF) also in axialer Erstreckung vorgesehen, entsprechen dem ausführlich beschriebenen Beispiel nach 12, auf das verwiesen wird.
Während des Fahrbetriebes kompensieren die Schubstege 7a vornehmlich die in der Radscheibe 2a auftretenden Schubspannung und im geringen Maße auch Druckspannungen.
Damit bilden die Schubstege 7a eine wirksame Stütze für die Radscheibe 2a aus Faserverbundlagen, so dass eine höchstmögliche Biegesteifigkeit des Hohlspeichen-Radsterns 2a bei minimalem Eigengewicht erreicht werden kann.
Nach der beispielhaften Ausführung in 2a sind die Schubstege 7a aus flächigem Faserverbundmaterial ausgebildet und stoßen an den Flächen-Enden stumpf an die Decklagen 4 der Vorder- bzw. Hinterschale 5, 6.
Nach der beispielhaften Ausführung in 2b sind die Schubstege 7a im Wesentlichen aus flächigem Faserverbundmaterial mit einem Lagenfalz an den Flächen-Enden ausgebildet, die aufspreizend bzw. aufspleisend an die Decklagen 4 der Vorder- bzw. Hinterschale 5, 6 drapiert werden können.
Die Faserverbundlagen der Schubstege 7a können mittels Matrixmaterial oder anderem geeigneten Klebstoff stoffschlüssig mit den Decklagen 4 der Vorder- bzw. Hinterschale 5, 6 verbunden sein.
3 zeigt in einem zweiten Ausführungsbeispiel ein ähnliches Fahrzeugrad 1 wie nach 1, 2a, b mit einem Hohlspeichen-Radstern 2a mit fünf Hohlspeichen aus Faserverbundmaterial als Radscheibe 2a in einer Sandwich-Bauweise.
Nachfolgend sollen lediglich die Unterschiede zur Ausführung des Fahrzeugrades nach 1, 2a, b erläutert werden.
Zwischen der Vorderschale 5 und der Hinterschale 6 des Hohlspeichen-Radsterns 2a ist eine alternative Stützstruktur 7 aus zehn partiell ausgebildeten und angeordneten Stützelementen aus Faserverbundmaterial in Form von Schubstege 7a ausgestaltet, wobei sich fünf dieser Schubstege 7a in radialer Richtung bezogen auf die Radachse R von einer Nabenöffnung im Nabenbereich der Radscheibe 2a in den Speichenbereich hinein bis zum äußeren Umfang der Radscheibe (Radkranz) erstrecken und fünf weitere Schubstege 7a in radialer Richtung bezogen auf die Radachse R sich von einer Nabenöffnung im Radnabenbereich der Radscheibe 2a bis zu den Speichenfenstern der Radscheibe 2a erstrecken (in 3 jeweils als verdeckte Linien gestrichelt dargestellt).
Die erstgenannten fünf längeren Schubstege 7a können im Bereich des Radkranzes unmittelbar an die Radfelge 3 anbinden.
Diese radialen Anbindungen können analog der Anbindungen an die Vorder- bzw. Hinterschale 5, 6 stumpf an die Radfelge 3 anstoßend oder aufspreizend bzw. aufspleisend an die Radfelge 3 drapiert ausgebildet sein. Ebenso kann die radiale Anbindung der fünf kürzeren Schubstege 7a im Bereich der Speichenfenster an die Vorder- und Hinterschale 5, 6 der Radscheibe 2a ausgebildet sein.
Die Faserverbundlagen der Schubstege 7a können mittels Matrixmaterial oder anderem geeigneten Klebstoff stoffschlüssig mit der Radfelge 3 und der Vorder- und Hinterschale 5, 6 verbunden sein.
Der Verlauf der letztgenannten fünf kürzeren Schubstege 7a wird durch fünf Radbolzen-Löcher in einer Radnabe der Radscheibe 2a, welche auch diese Schubstege 7a durchdringen, teilweise oder gänzlich unterbrochen (siehe auch 6).
Zusätzlich weisen die verbleibenden Hohlraumbereiche im Abstandsraum zwischen der Vorder- und Hinterschale 5, 6 und den zehn Schubstegen 7a insgesamt zehn Kernsegmente 8 eines Kernkörpers 8 von geringer Dichte aus beispielsweise Rohacell-Kunststoffschaum auf. Der Rohacell-Kunststoffschaum fühlt die verbleibenden Hohlraumbereiche vollständig aus(ersichtlich in 5, 6).
Dieser Kernkörper 8 kann die dünnen Decklagen 4 der Vorderschale 5 bzw. der Hinterschale 6 im Bereich der Hohlräume zumindest in ihrer Lage halten und damit der Gefahr eines lokalen Verbeulens der Vorderschale 5 bzw. der Hinterschale 6 entgegenwirken.
4 zeigt in einem dritten Ausführungsbeispiel ein ähnliches Fahrzeugrad 1 wie nach 1, 2a, b mit einem Hohlspeichen-Radstern 2a mit fünf Hohlspeichen.
Nachfolgend sollen lediglich die Unterschiede zur Ausführung des Fahrzeugrades nach 1, 2a, b erläutert werden.
Zwischen der Vorderschale 5 des Hohlspeichen-Radsterns 2a und der Hinterschale 6 des Hohlspeichen-Radsterns 2 ist eine alternative Stützstruktur 7 aus acht partiell ausgebildeten und angeordneten Stützelementen aus Faserverbundmaterial in Form von gekrümmten Schubstegen 7b ausgestaltet, wobei sich jeweils paarweise zwei gekrümmte Schubstege 7b im Wesentlichen in radialer Richtung und geringfügig tangentialer Richtung bezogen auf die Radachse R von nahe dem Nabenbereich der Radscheibe 2a bis in den Speichenbereich hinein erstrecken (in 4 als verdeckte Linien gestrichelt dargestellt).
Während des Fahrbetriebes kompensieren auch die Schubstege 7b vornehmlich die an der Radscheibe 2a auftretenden Schubspannung und im geringen Maße auch Druckspannungen.
Die gekrümmten, in radialer und geringfügig tangentialer Richtung längserstreckt ausgebildeten Schubstege 7b sind besonders dahingehend vorteilhaft, im Fahrbetrieb des Fahrzeugrades - zusätzlich zu den auftretenden Schubspannungen - auch die an der Radscheibe 2a auftretende Torsionsmomente zu kompensieren.
5 zeigt eine isometrische Darstellung des Fahrzeugrades 1 nach 3 mit einem Teilausschnitt B-B, welche die Ausführung des Fahrzeugrades 1 nach 3 näher verdeutlicht.
Weitere Verdeutlichung der Ausführung des Fahrzeugrades 1 nach 3 ergeben sich aus der Explosionsdarstellung des Fahrzeugrades in 6
Die Explosionsdarstellung nach 7 zeigt in einem vierten Ausführungsbeispiel ein ähnliches Fahrzeugrad 1 wie nach 3 mit einem Hohlspeichen-Radstern 2a mit fünf Hohlspeichen.
Nachfolgend sollen lediglich die Unterschiede zur Ausführung des Fahrzeugrades 1 nach 3 erläutert werden.
Zwischen der Vorderschale 5 und der Hinterschale 6 des Hohlspeichen-Radsterns 2a ist eine weitere alternative Stützstruktur 7 ausgebildet, bestehend aus an einem Radnabenkörper 9 der Radscheibe 2a partiell ausgebildeten und angeordneten fünf Schubstegen 7a aus Faserverbundmaterial.
Der Radnabenkörper 9 ist zwischen der Vorderschale 5 und der Hinterschale 6 integriert angeordnete, wobei die Radbolzen-Löcher durch den Radnabenkörper 9 hindurchführen.
Die lediglich fünf Schubstege 7a erstrecken sich in radialer Richtung bezogen auf die Radachse R von dem Radnabenkörper 9 der Radscheibe 2a in den Speichenbereich hinein bis zum äußeren Umfang der Radscheibe 2a (Radkranz).
Die Schubstege 7a können auch hier, wie in vorbeschriebener Weise nach 3, im Bereich des Radkranzes unmittelbar an die Radfelge 3 anbinden.
Die Faserlagen der Schubstege 7a sind im Bereich des Radnabenkörpers 9 aufspleisend und an den Radnabenkörper 9 drapiert ausgebildet. Die Schubstege 7a können im Bereich des Radnabenkörpers 9 miteinander verbunden sein.
Die Erfindung geht bei dieser Ausführung von der Überlegung aus, dass im Nabenbereich der Radscheibe 2a infolge der Überlagerung aus der Biegebelastung durch die Kurvenfahrt des Fahrzeugrades 1 mit der Druckbelastung aus der Vorspannkraft der Radverschraubung ein multiaxialer Spannungszustand mit hohen Spannungswerten herrscht.
Der Radnabenkörper 9 dient der Kompensierung dieser hochwertigen Spannungen. Der Radnabenkörper 9 besteht daher vorteilhaft aus einem isotropen Material mit hoher Festigkeit, wie z.B. ein aus Kurzfaser-Pressmasse gebildetes Faserverbundmaterial oder ein Metall.
Die längenverkürzte Ausführung der Schubstege 7a im Nabenbereich und deren Anbindung an den Radnabenkörper 9 ermöglicht eine Entlastung der Schubstege 7a von den vorherrschenden Druckbelastungen im Nabenbereich, um funktional differenzierter für die Kompensation der Schubspannung zu Verfügung zu stehen.
Die flächige Anbindung der Schubstege 7a an den Radnabenkörper 9 ermöglicht zudem eine vorteilhafte Übertragung /Ausleitung der Schubspannung von den Schubstegen 7a in den Radnabenkörper 9.
In den verbleibenden Hohlraumbereichen im Abstandsraum zwischen der Vorder- und Hinterschale 5, 6, dem Radnabenkörper 9 und den fünf Schubstegen 7a sind fünf Kernsegmente 8 eines Kernkörpers 8 aus beispielsweise Rohacell-Kunststoffschaum vorgesehen.
Die Explosionsdarstellung nach 8 zeigt in einem fünften Ausführungsbeispiel ein Fahrzeugrad 1 mit einer sternförmigen Radscheibe 2a, die fünf radial erstreckte Schubstege 7a und eine Vielzahl von axial erstreckten, stabförmigen Stützelementen 7c als Pins aufweist.
Nachfolgend sollen lediglich die Unterschiede zur Ausführung des Fahrzeugrades nach 1 erläutert werden.
Im Unterschied gegenüber dem Fahrzeugrad nach 1 erstrecken sich lediglich fünf Schubstege 7a in radialer Richtung bezogen auf die Radachse R von der Nabenöffnung im Nabenbereich der Radscheibe 2a über den Speichenbereich bis zum äußeren Umfang der Radscheibe 2a (Radkranz)- entsprechend der fünf längeren Schubstege 7a bei der Ausführung nach 3.
Die Breite der Schubstege 7a erstreckt sich im Wesentlichen in axialer Richtung in Bezug auf die Radachse R, so dass die Schubstege 7a im Wesentlichen senkrecht zur Richtung der Decklagen 4 der Vorder- und Hinterschale 5, 6 angeordnet sind.
Bezüglich der weiteren Beschreibung der Schubstege 7a wird auf die Ausführungen zu 1, 2a, b und 3 verwiesen.
Die Pins 7c erstrecken sich in dem Abstandsraum zwischen der Vorderschale 5 und der Hinterschale 6 im Wesentlichen in axialer Richtung in Bezug auf die Radachse R, so dass die Pins 7a im Wesentlichen senkrecht zur Richtung der Decklagen 4 der Vorder- und Hinterschale 5,6 erstreckt angeordnet sind.
Sie erhalten - neben den Schubstegen 7a - zusätzlich den Abstand zwischen der Vorderschale 5 und der Hinterschale 6, indem sie diese entsprechend zueinander beabstandet verbinden.
Die Pins 7c sind konzentriert in der Nähe der fünf radial erstreckten Schubstege 7a platziert.
Die Pins 7c bestehen in diesem Beispiel ebenfalls aus Faserverbundmaterial, insbesondere aus Faserverbundmaterial mit einer hauptsächlichen Faserrichtung in Längenerstreckung der Pins 7c; wobei die Fasern im Wesentlichen, z.B. mit einem Faseranteil von 100 %, vorzugsweise auch 70 % axial in Richtung der Radachse R und damit im Wesentlichen senkrecht zum Verlauf der Decklagen 4 der Vorder- und Hinterschale 5, 6 und damit in etwa in einem Winkel von 90° zur neutralen Faser (NF) orientiert sind.
Bei einem Faseranteil von 70% in Längenerstreckung der Pins 7c ist z.B. ein weiterer Faseranteil von 30% in einem Winkel von +/-45° zur Längenerstreckung bzw. zur axialen Richtung der Radachse R vorgesehen.
Bei bestimmten Geometrien (Designs) von Radscheiben können auch nur 50% der Fasern in Längenerstreckung der axial längserstreckten Stützelemente vorteilhaft vorgesehen sein (hier nicht dargestellt).
Während des Fahrbetriebes kompensieren die radial erstreckten Schubstege 7a vornehmlich die zwischen der Vorder- und Hinterschale 5, 6 hauptsächlich auftretenden Schubspannung und im geringen Maße auch auftretende Druckspannungen.
Die Pins 7c kompensieren während des Fahrbetriebes jedoch vornehmlich die zwischen der Vorder- und Hinterschale 5, 6 auftretenden Druckspannungen.
Damit stützen die Pins 7c die dünnen Decklagen 4 der Vorder- und Hinterschale 5, 6 zusätzlich ab und entlasten im Weiteren die radial erstreckten Schubstege 7a von den einwirkenden Druckspannung. Somit können die Schubstege 7a funktional noch gezielter zur Kompensation der Schubspannungen und damit zur Erhöhung der Biegesteifigkeit des Radsterns 2a ausgebildet sein.
9 zeigt ein erfindungsgemäßes Fahrzeugrad 1 nach einem sechsten Ausführungsbeispiel mit einer tellerförmigen Radscheibe 2b und einer Radfelge 3. Die Radscheibe 2b, bestehend aus Faserverbundmaterial, ist als eine Hohlscheiben-Radschüssel 2b mit fünf Lüftungsdurchgängen 10 ausgebildet. Eine oder mehrere dünne Faserverbund-Decklagen 4 der Hohlspeichen-Radschüssel bilden eine Vorderschale 5 und eine oder mehrere dünne Faserverbund-Decklagen 4 bilden eine Hinterschale 6 (in 9 nicht sichtbar) der Hohlscheiben-Radschüssel 2b. Im Bereich der Lüftungsdurchgänge 10 sind die Faserverbund-Decklagen 4 mit einem entsprechend großem Loch versehen.
Die fünf Lüftungsdurchgänge 10 dienen vorrangig der Belüftung und damit Kühlung der Radscheibe 2b, was bei besonders stark beanspruchten Fahrzeugrädern, wie z.B. bei Fahrzeugrädern von Luftfahrzeugen, relevant ist.
Im Inneren der Hohlscheiben-Radschüssel 2b ist eine Stützstruktur 7 aus einerseits fünf Schubstegen 7a, entsprechend der fünf Schubstege 7a der Radscheibe 2a nach 8 (in 9 als verdeckte Linien gestrichelt dargestellt), und andererseits aus fünf röhrenförmigen, hohlprofilierte Stützelementen 7d (Stützröhren) aus Faserverbundmaterial gestaltet.
Bezüglich der Beschreibung der Schubstege 7a wird auf die Beschreibung zu 8 und 3 verwiesen.
Die Stützröhren 7d (in 9 verdeckt von der Lochlinie der Faserverbund-Decklage der Vorderschale dargestellt) fassen die Lüftungsdurchgänge 10 im Bereich des Abstandsraumes zwischen der Vorderschale 5 und der Hinterschale 6 ein.
10a und 10b zeigen jeweils einen Teilschnitt durch die Hohlscheiben-Radschüssel 2b, im Bereich eines Lüftungsdurchgangs 10 in Richtung der Radfelge 3 geblickt, zur Verdeutlichung der Gestaltung und Anordnung der Stützröhren 7d in Verbindung zu den Decklagen 4 der Vorder- und Hinterschale 5,6.
Die Stützröhren 7d (in 10a, b ist jeweils nur eine Stützröhre 7d ersichtlich) sind in dem Abstandsraum zwischen der Vorderschale 5 und der Hinterschale 6 so ausgebildet und angeordnet, dass sich ihre Röhrenlängsachse in axialer Richtung in Bezug auf die Radachse R erstrecken, so dass diese im Wesentlichen senkrecht zur Richtung der Decklagen 4 der Vorder- und Hinterschale 5, 6 erstreckt angeordnet sind.
Ihre Längenerstreckung geben - neben der Breitenerstreckung der Schubstege 7a - den vorgesehenen Abstand der Vorder- und Hinterschale 5, 6 zueinander vor bzw. erhalten zusätzlich den Abstand zwischen der Vorderschale 5 und der Hinterschale 6, indem sie diese entsprechend zueinander beabstandet verbinden.
Die Stützröhren 7d bestehen in diesem Beispiel insbesondere aus Faserverbundmaterial, deren Faserlagen eine hauptsächlichen Faserrichtung in Längenerstreckung der Stützröhren 7d aufweist; wobei die Fasern damit im Wesentlichen axial, in Richtung der Radachse R bzw. im Wesentlichen senkrecht zum Verlauf der Decklagen 4 der Vorder- und Hinterschale 5, 6 und damit in etwa in einem Winkel von 90° zur neutralen Faser (NF) orientiert sind.
Zusätzlich sind neben der wesentlichen Faserorientierung in Radachse R (von etwa 70%) auch ein geringer Anteil (von etwa 30%) an Fasern mit einer Orientierungen von +/-45° zur Radachse enthalten.
Während des Fahrbetriebes kompensieren die Schubstege 7a vornehmlich die an der Radscheibe 2b auftretenden Schubspannung und im geringen Maße auch Druckspannungen.
Die Stützröhren 7d kompensieren während des Fahrbetriebes vornehmlich die an der Radscheibe 2b auftretenden Druckspannungen.
Damit stützen die Stützröhren 7d insbesondere die dünnen Decklagen 4 der Vorder- und Hinterschale 5, 6, die durch die Lüftungsdurchgänge 10 in ihrer Struktur unterbrochen sind, zusätzlich ab. Im Weiteren entlasten sie die radial erstreckten Schubstege 7a von der einwirkenden Druckspannung. Somit können die Schubstege 7a funktional noch gezielter zur Kompensation der Schubspannungen und damit zur Erhöhung der Biegesteifigkeit der Radscheibe 2b ausgebildet sein.
Nach der beispielhaften Ausführung in 10a sind die Stützröhren 7d hohlzylindrisch ausgebildet, wobei deren Faserverbundlagen an den beiden Enden der Stützröhre 7d stumpf an die Decklagen der Vorder- bzw. Hinterschale anstoßen.
Nach der beispielhaften Ausführung in 10b sind die Stützröhren 7d im Wesentlichen hohlzylindrisch mit einem Lagenfalz an jeweils einem Ende der Stützröhre 7d ausgebildet, die aufspreizend bzw. aufspleisend an die Decklagen 4 der Vorder- bzw. Hinterschale 5, 6 drapiert werden können.
Die Faserverbundlagen der Stützröhren 7d können mittels Matrixmaterial oder anderem geeigneten Klebstoff stoffschlüssig mit den Decklagen 4 der Vorder- bzw. Hinterschale 5, 6 verbunden sein.
11 zeigt eine Explosionsdarstellung des Fahrzeugrades 1 nach 9, 10a, welche die Ausführung des Fahrzeugrades nach 9, 10a näher verdeutlicht.
Die 12 zeigt eine Detailansicht eines beispielhaften, radial gerichteten, längserstreckten Schubsteges 7a der Radscheibe 2b des Fahrzeugrades 1 nach 9.
Die folgende Beschreibung der Ausführung dieses Schubsteges 7a ist im Weiteren auch auf den Schubsteg 7a der Radscheibe 2a des Fahrzeugrades 1 nach 1, 3 und 8 zutreffend.
Die Pfeile zeigen die Richtung eines wesentlichen Anteils an Fasern in einer oder mehreren Faserlagen des Schubsteges 7a mit einem Winkel von +/-45° zur Schwerkraftlinie (Nulllinie / neutrale Faser - NF) an. Diese Fasern sind somit in Richtung der auftretenden Hauptnormalspannung angeordnet und bewirken so eine hohe Festigkeit der Schubstege 7a zur Kompensation der zwischen der Vorder- und Hinterschale 5, 6 auftretenden Schubspannungen.
Bei den Ausführungen der Radscheibe 2a nach 1 und 3 und der Radscheibe 2b nach 9 ist eine vorteilhafte Zusammensetzung der Fasern in einer oder mehreren Faserlagen des Schubsteges 7a mit einem Anteil von 70% im Winkel von +/-45° zur neutrale Faser (NF)vorgesehen.
Ein Faseranteil von weiteren 10% in einer oder mehreren Faserlagen des Schubsteges 7a ist in einem Winkel von 0°, also in Richtung der neutralen Faser (NF) orientiert, wobei diese Fasern dabei im Wesentlichen in radialer Längenerstreckung des Schubsteges 7a ausgerichtet sind.
Ein weiterer Faseranteil von 20% ist in einem Winkel von 90° zur radialen Erstreckung / zur Neutralen Faser (NF) und damit in axialer Erstreckung gerichtet.
Bei der Ausführung der Radscheibe 2a nach 8, welche eine Vielzahl von die Schubstege 7a unterstützenden axialen Stützelementen (PINS) aufweist, ist eine vorteilhafte Zusammensetzung der Fasern in einer oder mehreren Faserlagen des Schubsteges 7a mit einem Anteil von 80% im Winkel von +/-45° zur neutrale Faser (NF), einem weiteren Faseranteil von 10% in Richtung der neutralen Faser (NF) und einem weiteren Faseranteil von 10% in einem Winkel von 90° zur Neutralen Faser (NF) vorgesehen.
Die 13 und 14 zeigen ein spezielles Luftfahrzeugrad, aufbauend auf dem Prinzip eines Fahrzeugrades 1 gemäß der Ausführung nach 9, 10b.
Nachfolgend werden daher nur die Besonderheiten und Unterschiede gegenüber der Ausführung des Fahrzeugrades 1 nach 9, 10b erläutert.
Die Hohlscheiben-Radschüssel 2b aus Faserverbundmaterial ist in diesem Ausführungsbeispiel mit neun Lüftungsdurchgängen 10 ausgebildet. Wie gut aus 14 ersichtlich ist, verfügt die Hohlscheiben-Radschüssel 2b über eine Vorder- und eine Hinterschale 5, 6, deren Abstand zueinander besonders groß ausgeprägt ist. Die Hohlscheiben-Radschüssel 2b ist mit einer Radfelge 3 verbunden.
Die Radfelge 3 kann, wie bei Luftfahrzeugrad üblich, auch zweiteilig ausgebildet sein.
Die Radfelge 3 besteht aus Faserverbundmaterial, beispielsweise aus CFK.
Der Radkranz der Hohlscheiben-Radschüssel 2b schließt unmittelbar an die Radfelge 3 an, wobei die Vorder- und Hinterschale 5, 6 im Bereich des Radkranzes stoffschlüssig mit der Radfelge 3 verbunden sind.
Der Nabenbereich der Radscheibe 2b wird durch einen zwischen der Vorderschale 5 und der Hinterschale 6 integrierten Radnabenkörper 9 aus hochfestem Faserverbundmaterial oder einem Metall abgestützt, wie er analog bei der Radscheibe 2a des Fahrzeugrades nach 7 vorgesehen ist.
Die Decklagen 4 der Vorderschale 5 und Hinterschale 6 schlie-ßen jeweils an den beiden axialen Enden des Radnabenkörpers 9 an.
Der Nabenbereich wird beidseitig durch eine zweiteilige Lagerschale 11 eingefasst. Die beiden Lagerschalenteile 11a, 11b aus Aluminium bilden die Anschlussgeometrie für die Lagerung an einen nicht dargestellten Radachsenkörper.
Die Stützstruktur 7 im Inneren der Hohlscheiben-Radschüssel 2b des Luftfahrzeugrads umfasst zum einen neun Schubstege 7a aus Faserverbundmaterial, ähnlich der Schubstege 7a der Radscheibe 2a nach 7 (in 13 als verdeckte Linien gestrichelt dargestellt) und zum anderen neun Stützröhren 7d aus Faserverbundmaterial mit beiden Endes einem Lagenfalz, ähnlich der Stützröhren 7d der Radscheibe 2b nach 9, 10b.
Die Faserlagen der Schubstege 7a sind bei dieser Ausführung im Nabenbereich stumpf an den Radnabenkörper 9 und im Bereich der Vorder- und Hinterschale 5, 6 sowie im Bereich der Radfelge 3 mittels jeweils eines Lagenfalzes daran flächig angebunden.
Als Besonderheit gegenüber den Stützröhren 7d nach 10b ist der Wandquerschnitt der Stützröhren 7d in diesem Ausführungsbeispiel bereichsweise, insbesondere im Anbindungsbereich an die Vorder- und Hinterschale 5, 6, verstärkt ausgebildet. Diese Aufdickung der Wandstärke dient der Aufnahme von quer zur Längsachse der Stützröhren 7d, also in radialer Richtung wirkenden dynamischen Belastungen, die durch hohe Verformungskräfte (Wölbungen) der Vorder- und oder Hinterschale 5, 6 beispielsweise beim Aufsetzen des Luftfahrzeugrades auf dem Boden und während des Fahrbetriebes des Luftfahrzeugrades auf die Stützröhren 7d ausgeübt werden.
In den verbleibenden Hohlraumbereichen im Abstandsraum zwischen der Vorder- und Hinterschale 5,6, dem Radnabenkörper 9 und der Stützstruktur 7, 7a, 7d sind neun Kernsegmente 8 eines Kernkörpers 8 aus beispielsweise Rohacell-Kunststoffschaum vorgesehen.
Die 15a bis 15e stellen einen möglichen Verfahrensverlauf der Herstellung eines Hohlspeichen-Radsterns 2a aus Faserverbundmaterial gemäß den 1, 2b dar.
In gefertigten Zustand des Hohlspeichen-Radsterns 2a weist dieser eine Vorderschale 5, eine Hinterschale 6 und fünf, in radialer Richtung bezogen auf die Radachse R des Radsterns 2a von der Nabenöffnung im Nabenbereich der Radscheibe 2a bis zum äußeren Umfang des Radsterns 2a (Radkranz) erstreckte Schubstege 7a auf.
Zur Fertigung werden fünf Hilfskernsegmente 8 benutzt, die nach Fertigstellung der Kontur des Hohlspeichen-Radsterns 2a ausgeschmolzen oder herausgespült werden.
Jedes Hilfskernsegment 8 wird beidseitig mit je einem flächigen Zuschnitt an Faserhalbzeug aus trockenen Fasermatten oder mit je einem flächigen Zuschnitt an Faserverbundhalbzeug aus harzgetränkten Fasermatten belegt, der jeweils eine Lage der Preform der Schubstege 7a bildet und darüber hinaus beidseitig der radial erstreckten Lagenkanten der Preform des Schubsteges 7a jeweils einen Falzüberstand aufweist.
Die Falzüberstände der flächigen Zuschnitte der Faserhalbzeuge bzw. der Faserverbundhalbzeuge werden entlang der längserstreckten Kante der Lage der Preform des Schubsteges 7a auf die Ober- und Unterseite des Hilfskernsegments 8 umgeschlagen (15a, b, c).
Das Kernsegment bzw. Hilfskernsegment des Kernkörpers ist in jedem Fall zumindest partiell von dem Faserhalbzeug bzw. Faserverbundhalbzeug zur Fertigung eines längserstreckten Stützelements (hier Schubsteg 7a) umschlossen.
Die umgeschlagenen Falzüberstände dienen der späteren Anbindung der Preformen der Schubstege 7a an die Vorder- und Hinterschale 5, 6, womit eine verbesserte Verbindung zwischen Schubstege 7a und Vorder- und Hinterschale 5, 6 geschaffen werden kann.
Der flächige Zuschnitt des Faserhalbzeuges bzw. des Faserverbundhalbzeuges kann im Weiteren auch Falzüberstände an den Breitseiten der Lage der Preform des Schubsteges 7a aufweisen, so dass diese entlang der Breitenerstreckung der Lage der Preform des Schubsteges 7a auf die der Radfelge 3 zugewandten Seite und/oder auf die der Radnabe zugewandten Seite des Hilfskernsegments 8 umgeschlagen werden können (nicht dargestellt) .
Diese Falzüberstände können der Anbindung der Preformen der Schubstege 7a an eine Radfelge 3 bzw. an einen Radnabenkörper dienen.
Das Faserhalbzeug bzw. das Faserverbundhalbzeug der Schubstege 7a enthält hauptsächlich Fasern (von ca. 70%) mit im Wesentlichen ±45°-Orientierung zur neutralen Faser NF entlang der radialen Erstreckung der Schubstege 7a, wie zu 12 beschrieben.
Diese Konfektionierung / Belegung der Hilfskernsegmente 8 mit dem Faserhalbzeug bzw. Faserverbundhalbzeug kann vorteilhaft in einem automatisierten Vorfertigungsprozess erfolgen.
Fünf der mit den Zuschnitten der Faserhalbzeuge bzw. Faserverbundhalbzeuge vorkonfektionierten Hilfskernsegmente 8 werden zu einer Preform des Radsterns 2a zusammengefügt. Dabei werden jeweils zwei Lagen der Preform der benachbarten vorkonfektionierten Hilfskernsegmenten 8 Lage an Lage flächig aneinander liegend zu einer Preform eines Schubsteges 7a aneinandergefügt (15d).
Zwei in der Preform des Radsterns 2a benachbart angeordnete Zuschnitte der Faserhalbzeuge bzw. Faserverbundhalbzeuge stellen dabei jeweils eine Hälfte / eine Lage der Preform eines Schubsteges 7a bereit.
Auf die mit den Zuschnitten der Faserhalbzeuge bzw. Faserverbundhalbzeuge vorkonfektionierten und zu einer Preform des Radsterns 2a zusammengefügten Hilfskernsegmenten 8 erfolgt die beidseitige Ablage von großflächigen Zuschnitten von Faserhalbzeug bzw. Faserverbundhalbzeug, welche die Deckfaserlagen 4 der Preform der Vorder- und Hinterschale 5, 6 des Radsterns 2a bilden (15e).
Dabei werden die umgeschlagenen Falzüberstände des Faserhalbzeugs bzw. des Faserverbundhalbzeugs zur Fertigung der längserstreckten Stützelemente (hier Schubsteg 7a) von den Zuschnitten des Faserhalbzeugs bzw. Faserverbundhalbzeugs zur Fertigung der Vorder- und/oder Hinterschale zumindest teilweise überbrückt.
In einem nicht gezeigten Infiltrations- bzw. Härtungsprozess wird die zusammengefügte Preform des Hohlspeichen-Radsterns konsolidiert und dabei die stoffschlüssige Verbindung der Preformteile der Schubstege untereinander und mit der Vorder- und Hinterschale des Radsterns erzeugt.
Die verlorenen Hilfskernsegmente 8 können anschließend ausgeschmolzen oder herausgespült werden, so dass fünf Hohlraumbereiche zwischen den Deckfaserlagen 4 der Vorder- und Hinterschale 5, 6 und den Schubstegen 7a des Radsterns gebildet werden.
Die 16a bis 16e zeigen einen möglichen Verfahrensverlauf der Herstellung eines Hohlspeichen-Radsterns 2a aus Faserverbundmaterial in Sandwich-Bauweise.
Der nachfolgend beschriebene Verfahrensverlauf stellt eine technologisch vorteilhafte Verbesserung des vorbeschriebenen Herstellungsverfahrens nach 15a bis 15e dar, bei dem einstückige, flächige Faserhalbzeuge bzw. Faserverbundhalbzeuge, die zugleich die Schubstege 7a und diverse Faserlagen 4 der Vorder- und/oder Hinterschale 5, 6 bilden, zur Herstellung des Hohlspeichen-Radsterns 2a verwendet werden.
Im gefertigten Zustand weist dieser Hohlspeichen-Radstern 2a eine Vorderschale 5, eine Hinterschale 6, fünf radial von der Nabenöffnung im Nabenbereich der Radscheibe 2a bis zum äußeren Umfang des Radsterns (Radkranz) erstreckte Schubstege 7a und fünf stationäre Kernsegmente 8 auf.
Zur Fertigung des Hohlspeichen-Radsterns 2a in Sandwich- Bauweise werden fünf Kernsegmente 8 aus Schaumstoff mit geringer Dichte, wie z.B. Rohacell-Kunststoffschaum, benutzt, die nach Fertigstellung der Kontur des Hohlspeichen-Radsterns 2a in diesem verbleiben.
Es können aber auch hier fünf Hilfskernsegmente 8 verwendet werden, die nach Fertigstellung der Kontur des Hohlspeichen-Radsterns 2a ausgeschmolzen oder herausgespült werden.
Jedes Kernsegment 8 wird beidseitig mit je einem flächigen Zuschnitt an Faserhalbzeug aus trockenen Fasermatten oder mit je einem flächigen Zuschnitt an Faserverbundhalbzeug aus harzgetränkten Fasermatten belegt, das jeweils eine Lage der Preform der Schubstege 7a bildet und zugleich beidseitig der radial erstreckten Lagenkanten der Preform des Schubsteges 7a jeweils einen Lagenüberstand aufweist, der jeweils einen Teil einer Faserlage 4 der Decklagen der Vorderschale 5 und der Hinterschale 6 bildet.
Die großflächigen Lagenüberstände der flächigen Zuschnitte der Faserhalbzeuge bzw. der Faserverbundhalbzeuge werden entlang der längserstreckten Lagenkante der Preform des Schubsteges 7a auf die Ober- und Unterseite des Kernsegments 8 umgeschlagen, wobei sich die Enden der beidseitig umgeschlagenen Lagenüberstände bündig aneinander stoßend an der Spiegellinie des Kernsegments 8 treffen und sich als gebildete Decklageabschnitte 4 der jeweils untersten, innersten Faserlage 4 der Vorder- und Hinterschale 5, 6 verbinden (16a, b, c).
Diese umgeschlagenen Lagenüberstände bilden zumindest partiell jeweils einen Teil einer Faserlage der Vorderschale und/oder Hinterschale.
Der flächige Zuschnitt des Faserhalbzeuges bzw. des Faserverbundhalbzeuges kann im Weiteren auch kurze Falzüberstände oder größer Lagenüberstände an den Breitseiten der Lage der Preform des Schubsteges 7a aufweisen, so dass diese entlang der Breitenerstreckung der Lage der Preform des Schubsteges 7a auf die der Radfelge 3 zugewandten Seite und/oder auf die der Radnabe zugewandten Seite des Hilfskernsegments 8 umgeschlagen werden können (nicht dargestellt).
Diese umgeschlagenen kurzen Falzüberstände oder größeren Lagenüberstände können zumindest partiell jeweils einen Teil einer Faserlage des Felgenbettes einer Radfelge aus Faserverbundmaterial bzw. zumindest partiell jeweils einen Teil einer Faserlage eines Radnabenkörpers aus Faserverbundmaterial bilden.
Derartige Falzüberstände können zusätzlich der verbesserten Anbindung der Preformen der Schubstege 7a an eine nicht dargestellte Radfelge bzw. an einen nicht dargestellten Radnabenkörper dienen.
Das Kernsegment bzw. Hilfskernsegment des Kernkörpers können in diesem Fall nahezu vollständig von dem Faserhalbzeug bzw. Faserverbundhalbzeug zur eigentlichen Fertigung eines längserstreckten Stützelements (hier Schubsteg 7a) umschlossen sein.
Die Zuschnitte des Faserhalbzeugs bzw. des Faserverbundhalbzeugs enthalten hauptsächlich Fasern (von ca. 70%) mit im Wesentlichen ±45°- Orientierung zur neutralen Faser entlang der radialen Erstreckung der Schubstege 7a, wie zu 12 beschrieben.
Damit erhalten neben den Schubstegen 7a auch die unterste, innerste Decklage 4 der Vorderschale 5 und der Hinterschale 6 zugleich und auf einfache Weise einen Anteil an Fasern in dieser ±45°- Orientierung, welche in der Vorder- und Hinterschale 5, 6 auch benötigt werden.
Diese Konfektionierung / Belegung der Kernsegmente 8 kann ebenfalls vorteilhaft in einem automatisierten Vorfertigungsprozess erfolgen.
Fünf der mit den Zuschnitten der Faserhalbzeuge bzw. Faserverbundhalbzeuge vorkonfektionierten Kernsegmente 8 werden zu einer Preform des Radsterns 2a zusammengefügt. Dabei werden jeweils die Faserlagen 4 der benachbarten vorkonfektionierten Kernsegmenten 8 zum einen Lage an Lage flächig /plan aneinander anliegend zu den Prefomen der Schubstege 7a und zum anderen Lage an Lage bündig aneinanderstoßend zu einer jeweils untersten / innenwändigen Decklage 4 der Vorderschale 5 und der Hinterschale 6 aneinandergefügt(16d).
Zwei in der Preform des Radsterns 2a benachbart angeordnete flächige Zuschnitte des Faserhalbzeugs bzw. des Faserverbundhalbzeugs dienen somit der Vorfertigung jeweils einer Preform eines Schubsteges 7a und jeweils eines zwischen zwei Schubstegen 7a befindlichen Lagenabschnitts der unterster / innenwändigen Decklage 4 der Vorderschale 5 und der Hinterschale 6.
Auf die mit den Zuschnitten der Faserhalbzeuge bzw. Faserverbundhalbzeuge vorkonfektionierten und zu einer Preform des Radsterns 2a zusammengefügten Kernsegmenten 8 erfolgt die Ablage von großflächigen Zuschnitten von Faserhalbzeug bzw. Faserverbundhalbzeug, welche die weiteren Deckfaserlagen 4 der Preform der Vorder- und Hinterschale 5, 6 des Radsterns 2a bilden (16e).
Dabei werden die auf die Ober- und Unterseite des Kernsegments 8 umgeschlagenen Lagenüberstände des Faserhalbzeugs bzw. des Faserverbundhalbzeugs zur Fertigung der längserstreckten Stützelemente (hier Schubsteg 7a) von den Zuschnitten des Faserhalbzeugs bzw. Faserverbundhalbzeugs zur Fertigung der Vorder- und/oder Hinterschale zumindest teilweise überbrückt.
In einem nicht gezeigten Infiltrations- bzw. Härtungsprozess wird die zusammengefügte Preform des Hohlspeichen-Radsterns 2a konsolidiert und dabei die stoffschlüssige Verbindung der Preformteile der Schubstege 7a untereinander und die stoffschlüssige Verbindung der untersten, innenwändigen Decklagen 4 mit den weiteren Decklagen 4 der Vorder- und Hinterschale 5, 6 des Radsterns 2a erzeugt.
Die Kernsegmente 8 verbleiben zwischen den Deckfaserlagen 4 der Vorder- und Hinterschale 5, 6 und den Schubstegen 7a des Radsterns 2a und füllen die fünf Hohlraumbereiche vollständig aus.
Sofern die Kernsegmente 8 als verlorene Hilfskernsegmente dienen, können diese anschließend ausgeschmolzen oder herausgespült werden, so dass die fünf Hohlraumbereiche zwischen Deckfaserlagen 4 der Vorder- und Hinterschale 5, 6 und den Schubstegen 7a des Radsterns 2a als solche fortbestehen.
Die 17a bis 17e zeigen einen möglichen Verfahrensverlauf der Herstellung einer Hohlscheiben-Radschüssel 2b aus Faserverbundmaterial in Sandwich-Bauweise gemäß der Hohlscheiben-Radschüssel 2b des Luftfahrzeugrades nach 13 und 14.
Das nachfolgend beschriebene Verfahren ist hinsichtlich der Herstellung der Schubstege der Hohlscheiben-Radschüssel ähnlich dem Herstellungsverfahren nach 16a bis 16e technologisch vorteilhaft weiterentwickelt, bei dem einstückige, flächige Faserhalbzeuge bzw. Faserverbundhalbzeuge, die zugleich die Schubstege 7a und diverse Faserlagen 4 der Vorder- und/oder Hinterschale 5, 6 bilden, zur Herstellung der Hohlscheiben-Radschüssel 2b verwendet werden.
Im gefertigten Zustand weist diese Hohlscheiben-Radschüssel 2b eine Vorderschale 5, eine Hinterschale 6, neun radial von der Nabenöffnung im Nabenbereich der Radscheibe 2b bis zum äußeren Umfang der Radschüssel 2b (Radkranz) erstreckte Schubstege 7a, neun Stützröhren 7d mit flanschförmigen Lagenfalz und im Weiteren neun stationäre Kernsegmente 8 auf.
Die Kernsegmente 8 aus Schaumstoff mit geringer Dichte, wie z.B. Rohacell-Kunststoffschaum, verbleiben nach Fertigstellung der Kontur der Hohlscheiben-Radschüssel 2a in deren Inneren.
Es können alternativ auch hier neun Hilfskernsegmente 8 verwendet werden, die nach Fertigstellung der Kontur der Hohlscheiben-Radschüssel 2a ausgeschmolzen werden.
Jeweils ein röhrenförmiges Faserhalbzeug aus trockenen Fasermatten bzw. ein röhrenförmiges Faserverbundhalbzeug aus harzgetränkten Fasermatten, welches eine Preform der Stützröhre 7d bildet, wird in eine entsprechende Ausnehmung für den Lüftungsdurchgang 10 des Kernsegments 8 eingefügt (17a).
Die Enden des Faserhalbzeuges bzw. Faserverbundhalbzeuges, welches die Preform der Stützröhre 7d bildet, werden umgeschlagen und drapiert und bilden so den flanschförmigen Lagenfalz zur späteren Anbindung an die Vorder- und Hinterschale 5, 6 der Radschüssel 2b (17b).
Jedes Kernsegment 8 wird nun beidseitig mit je einem flächigen Zuschnitt des Faserhalbzeug oder des Faserverbundhalbzeug belegt, der jeweils eine Lage der Preform de Schubstege 7a und mittels entsprechender Lagenüberstände zugleich jeweils einen Teil einer Faserlage 4 der Decklagen 4 der Vorderschale 5 und der Hinterschale 6 bildet.
Der flächige Zuschnitt des Faserhalbzeugs bzw. des Faserverbundhalbzeugs weist zudem einen zumindest kurzen radial erstreckten Falzüberstand an den Breitseiten der Lage der Preform des Schubsteges 7a auf, welche jeweils zumindest zur Anbindung des Schubsteges 7a an die Radfelge 3 bzw. an den Radnabenkörper 9 dienen kann (17c).
Die großflächigen Lagenüberstände der flächigen Zuschnitte der Faserhalbzeuge bzw. der Faserverbundhalbzeuge werden entlang der längserstreckten Lagenkante der Preform des Schubsteges 7a auf die Ober- und Unterseite des Kernsegments 8 umgeschlagen. Die Zuschnitte sind dabei so geformt, dass die Enden der beidseitig umgeschlagenen Zuschnitte im Bereich des Lüftungsdurchgangs 10 der Kontur der Ausnehmung des Kernsegments 8 folgen und sich ansonsten bündig aneinander stoßend an der Spiegellinie des Kernsegments 8 treffen und sich als gebildete Decklageabschnitte 4 der untersten, innersten Faserlage 4 der Vorder- und Hinterschale 5, 6 verbinden (17 d, e).
Diese umgeschlagenen Lagenüberstände bilden zumindest partiell bis vollständig jeweils einen Teil einer Faserlage der Vorderschale und/oder Hinterschale.
Die gebildeten Decklagenabschnitte 4 der Vorder- und Hinterschale 5, 6 überlappen dabei den zuvor gebildeten flanschförmigen Lagenfalz der Stützröhre 7d.
Der kurze Falzüberstand an der Breitseite der Lage der Preform des Schubsteges 7a wird entlang der Breitenerstreckung der Lage der Preform des Schubsteges 7a auf die der Radfelge 3 zugewandten Seite des Hilfskernsegments 8 umgeschlagen (in 17d verdeckt und daher nicht ersichtlich).
Diese umgeschlagenen Falzüberstände können zumindest die flächige Anbindung der Preformen der Schubstege 7a an die Radfelge 3 bzw. an den Radnabenkörper 9 verbessern.
Der flächige Zuschnitt des Faserhalbzeugs bzw. des Faserverbundhalbzeugs kann alternativ auch einen derart radial weiterstreckten Lagenüberstand an der Breitseite der Lage der Preform des Schubsteges 7a aufweisen, dass dieser beim Umfalzen einen Teil einer untersten, innersten Faserlage eines Felgenbetts im Umfang der Radfelge 3 aus Faserverbundmaterial bildet.
Die Zuschnitte sind dabei so geformt, dass die Enden der beidseitig umgeschlagenen radial erstreckten Lagenüberstände sich bündig aneinander stoßend an der Spiegellinie des Kernsegments 8 treffen und sich als gebildete Lageabschnitte der untersten, innersten Faserlage des Felgenbetts der Radfelge 3 verbinden (17h, Mitte).
Diese umgeschlagenen Lagenüberstände bilden zumindest partiell bis vollständig jeweils einen Teil einer Faserlage des Felgenbettes einer Radfelge aus Faserverbundmaterial.
Die Zuschnitte des Faserhalbzeugs bzw. des Faserverbundhalbzeugs nach diesem Ausführungsbeispiel enthalten hauptsächlich (mit einem Faseranteil von 70°) Fasern mit im Wesentlichen ±45°- Orientierung zur neutralen Faser NF entlang der radialen Erstreckung der Schubstege 7a, wie zu 12 beschrieben.
Damit erhalten neben den Schubstegen 7a auch die unterste Decklage 4 der Vorderschale 5 und der Hinterschale 6 (und alternativ auch die unterste Faserlage der Radfelge 3) zugleich und auf einfache Weise einen Anteil an Fasern in dieser ±45°-Orientierung, welche dort auch benötigt werden.
Darüber hinaus wird durch die Umfalzung der radial weiterstreckten Lagenüberstände die Kopplung /Verbindung der Radscheibe 2b mit der Radfelge 3 weiter verbessert.
Diese Konfektionierung / Belegung der Kernsegmente 8 kann ebenfalls vorteilhaft in einem automatisierten Vorfertigungsprozess erfolgen.
Die neun gemäß dem Verfahrensablauf nach 17a bis 17e vorkonfektionierten Kernsegmente 8 werden rundherum auf einen aus hochfestem Faserverbundmaterial oder einem Metall vorgefertigten Radnabenkörper 9 gesteckt (17f, 17g).
Hierbei werden die vorkonfektionierten Kernsegmente 8 mit dem vorgefertigten Radnabenkörper 9 zu einer Einheit aus Preform der Radschüssel 2b und Radnabenkörper zusammengefügt.
Gleichzeitig werden jeweils die Faserlagen der benachbarten vorkonfektionierten Kernsegmenten 8 zum einen Lage an Lage flächig / plan aneinander anliegend zu den Prefomen der Schubstege 7a und zum anderen Lage an Lage bündig aneinanderstoßend zu einer jeweils untersten, innersten Decklage 4 der Vorderschale 5 und der Hinterschale 6 und zu einer jeweils untersten, innersten Faserlage des Felgenbetts der Radscheibe 3 aneinandergefügt (17h, Mitte).
Zwei in der Preform der Radschüssel 2b benachbart angeordnete flächige Zuschnitte des Faserhalbzeugs bzw. des Faserverbundhalbzeugs dienen somit der Vorfertigung jeweils einer Preform eines Schubsteges 7a, jeweils eines zwischen zwei Schubstegen 7a befindlichen Lagenabschnitts der unterster, innersten Decklage 4 der Vorderschale 5 und der Hinterschale 6 und jeweils eines zwischen zwei Schubstegen 7a befindlichen Lagenabschnitts der unterster, innersten Faserlage des Felgenbetts der Radscheibe 3.
Auf die vorkonfektionierte Einheit aus Preform der Radschüssel 2b und Radnabenkörper 9 erfolgt die Ablage von großflächigen Zuschnitten von Faserhalbzeug bzw. Faserverbundhalbzeug, welche entsprechende Ausnehmungen für die Lüftungsdurchgänge 10 aufweisen und die weiteren Deckfaserlagen 4 der Vorder- und Hinterschale 5, 6 der Radschüssel 2b bilden (17h).
Dabei werden die auf die Ober- und Unterseite des Kernsegments 8 umgeschlagenen Lagenüberstände des Faserhalbzeugs bzw. des Faserverbundhalbzeugs zur Fertigung der längserstreckten Stützelemente (hier Schubsteg 7a) von den Zuschnitten des Faserhalbzeugs bzw. Faserverbundhalbzeugs zur Fertigung der Vorder- und/oder Hinterschale zumindest teilweise überbrückt.
In einem nicht gezeigten Infiltrations- bzw. Härtungsprozess wird die zusammengefügte Preform der Radschüssel 2d gemeinsam mit dem Radnabenkörper 9 konsolidiert und dabei die stoffschlüssige Verbindung der Preformteile der Schubstege 7a untereinander und mit den Decklagen 4 der Vorder- und Hinterschale 5, 6, die stoffschlüssige Verbindung der Preformteile der Stützröhren 7d mit den Decklagen 4 der Vorder- und Hinterschale 5, 6 und die stoffschlüssige Verbindung der untersten, innersten Decklagen 4 mit den weiteren Decklagen 4 der Vorder- und Hinterschale 5, 6 der Radschüssel 2b erzeugt.
Die Kernsegmente 8 verbleiben in den Hohlraumbereichen zwischen den Deckfaserlagen 4 der Vorder- und Hinterschale 5, 6, den Schubstegen 7a, und dem Radnabenkörper und um die Stützröhren 7d herum und füllen die Hohlraumbereiche vollständig aus.
Sofern die Kernsegmente 8 als verlorene Hilfskernsegmente 8 dienen, können diese anschließend ausgeschmolzen oder herausgespült werden, so dass die Hohlraumbereiche als solche fortbestehen.
Bezugszeichenliste

1: Fahrzeugrad
2: Radscheibe, a-Radstern, b-Radschüssel
3: Radfelge
4: Decklage, Faserlage
5: Vorderschale
6: Hinterschale
7: Stützstruktur,
7a:: in radialer Richtung längserstrecktes Stützelement (Schubsteg),
7b:: gekrümmter Schubsteg,
7c:: in axialer Richtung längserstrecktes Stützelement (Pin),
7d:: in axialer Richtung längserstrecktes, hohlprofiliertes Stützelement (Stützröhre)
8: Kernkörper, Kernsegment
9: Radnabenkörper
10: Lüftungsdurchgang
11: Lagerschale, Teile der Lageschale a, b
R: Radachse
NF: neutrale Faser

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014009180 A1 [0006]

Claims

Fahrzeugrad mit einer Radscheibe, wobei die Radscheibe wenigstens eine Faserlage aus Faserverbundmaterial, welche die Vorderschale oder Teile der Vorderschale der Radscheibe bildet, und wenigstens eine Faserlage aus Faserverbundmaterial, welche die Hinterschale oder Teile der Hinterschale der Radscheibe bildet, aufweist, wobei in einem Abstandsraum zwischen der Vorderschale und der Hinterschale eine Anzahl partiell ausgebildeter Stützelemente angeordnet sind, mittels derer die Vorderschale und die Hinterschale zueinander beabstandet verbunden sind.
Fahrzeugrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine bestimmte Anzahl von Stützelementen im Wesentlichen in radialer Richtung längserstreckt ausgebildet ist.
Fahrzeugrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine bestimmte Anzahl von Stützelementen im Wesentlichen in axialer Richtung längserstreckt ausgebildet ist.
Fahrzeugrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente stegförmig oder stabförmig ausgebildet sind.
Fahrzeugrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente hohlprofiliert ausgebildet sind.
Fahrzeugrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente aus Faserverbundmaterial ausgebildet sind.
Fahrzeugrad nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserverbundmaterial der radial längserstreckten Stützelemente einen Anteil von 50 bis 100 %, vorzugsweise von 50 bis 80 %, an in einem Winkel von +45° und -45° zur Längenerstreckung der Stützelemente gerichtete Fasern aufweist.
Fahrzeugrad nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserverbundmaterial der axial längserstreckten Stützelemente einen Anteil von 50 bis 100 %, vorzugsweise 70 %, an in Längenerstreckung der Stützelemente gerichtete Fasern aufweist.
Fahrzeugrad nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserverbundmaterial einer Faserlage der Vorderschale und / oder wenigstens einer Faserlage der Hinterschale einen Anteil von 50 bis 100 %, vorzugsweise von 50 bis 80%, aus radial erstreckten Fasern aufweist.
Fahrzeugrad nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einem oder mehreren, zwischen der Vorderschale, der Hinterschale und den Stützelementen gebildeten Hohlraumbereichen ein oder mehrere Kernkörpersegmente angeordnet sind.