DE102021123457A1

DE102021123457A1 - Verfahren zur Herstellung eines Fahrzeuglenkrads und damit hergestelltes Fahrzeuglenkrad

Info

Publication number: DE102021123457A1
Application number: DE102021123457.3A
Authority: DE
Inventors: Oleg Konrad; Nicolas Behrens
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-09-10
Filing date: 2021-09-10
Publication date: 2023-03-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Fahrzeuglenkrads (200), umfassend die Schritte:
- Herstellen oder Bereitstellen eines strangartigen Rohlings aus Endlosfasern und thermoplastischer Matrix;
- Herstellen eines ringartigen Kernelements (110) für den Lenkradkranz (210) durch Aufwickeln des strangartigen Rohlings auf einen Wickelkörper;
- Abnehmen des ringartigen Kernelements (110) vom Wickelkörper und Weiterverarbeiten des ringartigen Kernelements (110) zu einem Fahrzeuglenkrad (200). Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeuglenkrad (200), welches mit dem Verfahren hergestellt ist und einen Lenkradkranz (210) mit einem ringartigen Kernelement (110) aufweist, wobei das ringartige Kernelement (110) aus einem gewickelten strangartigen Rohling (110) aus Endlosfasern und thermoplastischer Matrix gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Fahrzeuglenkrads. Die Erfindung betrifft ferner ein verfahrensgemäß hergestelltes Fahrzeuglenkrad.
Ein Fahrzeuglenkrad betreffender Art dient dazu, durch manuelle Drehbewegungen ein Kraftfahrzeug in die vom Fahrer gewünschte Richtung zu steuern. Ein solches Fahrzeuglenkrad umfasst für gewöhnlich einen typischerweise ringartigen Lenkradkranz, eine typischerweise in etwa mittig im Lenkradkranz angeordnete Lenkradnabe zur Verbindung mit einer Lenkwelle oder dergleichen und wenigstens eine Lenkradspeiche, welche den Lenkradkranz und die Lenkradnabe verbindet, um Kräfte bzw. Drehmomente übertragen zu können. Bei modernen Lenkrädern ist die Lenkradnabe häufig so ausgebildet, dass auch ein Airbagmodul angeordnet werden kann.
Die DE 198 46 824 C1 beschreibt ein Lenkrad für ein Kraftfahrzeug. Das Lenkrad weist einen Lenkradkranz auf, der auf eine Tragstruktur aus Nabe und Speichen aufgesetzt und mit dieser verbunden ist. Der Lenkradkranz besteht im Wesentlichen aus einem steifen Kern in Form eines Stahl-, Leichtmetall- oder Kunststoffprofils, das zu einem Kreisring gebogen ist. Der Kern des Lenkradkranzes ist von einer Ummantelung aus geschäumtem Kunststoff eingeschlossen. Beschrieben ist auch ein Verfahren zur Herstellung dieses Lenkrads. In einem ersten Verfahrensschritt wird der Lenkradkranz aus einem steifen Kern und einer den Kern umgebenden Ummantelung aufgebaut. In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Tragstruktur aus einer Nabe, wenigstens einer Speiche und einer zugeordneten Ummantelung gebildet. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt wird der Lenkradkranz mit der Tragstruktur verbunden.
Die DE 34 25 959 C2 beschreibt ein Kraftfahrzeug-Lenkrad, dessen Lenkradkranz (womit genau genommen der Kern des Lenkradkranzes gemeint ist) aus mit Fasern verstärktem synthetischem Kunststoff besteht. Als Fasern kommen insbesondere Glas- und/oder Kohlefasern in Betracht, die in einem Epoxid- oder Polyetherharz eingebettet sind.
Die DE 10 2012 220 288 A1 beschreibt ein Fahrzeug-Lenkrad aus faserverstärktem Kunststoff. Der Kranz dieses Lenkrads ist durch einen Flechtschlauch aus einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere mit Endlosfasern, gebildet. Beschrieben ist auch ein Verfahren zum Herstellen dieses Lenkrads. Der zunächst noch völlig weiche Flechtschlauch wird auf eine sogenannte Kernstruktur aufgebracht bzw. aufgezogen und in üblicher Weise in einem Formwerkzeug ausgehärtet. Die Kernstruktur kann im ausgehärteten Flechtschlauch verbleiben. Die Kernstruktur kann aber auch aus dem ausgehärteten Flechtschlauch entfernt werden, sodass ein Hohlraum entsteht.
Zum Stand der Technik wird ferner auf das in der DE 10 2019 128 272 A1 beschriebene Verfahren zur Herstellung eines aus einer Stabstruktur gebildeten Leichtbauteils hingewiesen. Das Verfahren sieht ein abschnittsweises Aushärten eines strangartigen Rohlings aus Fasermaterial vor, wobei ungehärtete Zwischenabschnitte verbleiben, die dann beim Ablegen des Rohlings als flexible Gelenke fungieren und erst danach ausgehärtet werden. Erwähnt ist auch die Herstellung einer im Wesentlichen ebenen, radartigen Stabstruktur, bspw. für ein Lenkrad (siehe 3).
Aufgabe der Erfindung ist es, ein besonders einfaches und kostengünstiges, sowie insbesondere auch für die Serienfertigung geeignetes, Verfahren zum Herstellen eines leichtgewichtigen Fahrzeuglenkrads (Leichtbau-Lenkrad) bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst mit dem erfindungsgemäßen Verfahren des Patentanspruchs 1. Mit dem nebengeordneten Patentanspruch umfasst die Erfindung auch ein erfindungsgemäß hergestelltes Fahrzeuglenkrad (Leichtbau-Lenkrad). Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung (dies schließt ausdrücklich auch als Beispiele und Alternativen beschriebene Merkmale ein) sowie der Zeichnung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Fahrzeuglenkrads umfasst zumindest die folgenden Schritte:

- Herstellen bzw. Erzeugen oder Bereitstellen eines strangartigen Rohlings aus Endlosfasern und thermoplastischer Matrix bzw. Kunststoffmatrix (nachfolgend auch nur als strangartiger Rohling bezeichnet);
- Herstellen bzw. Erzeugen eines ringartigen Kernelements für den Lenkradkranz des Fahrzeuglenkrads durch Aufwickeln des strangartigen Rohlings auf einen Wickelkörper;
- Abnehmen des ringartigen Kernelements vom Wickelkörper und Weiterverarbeiten des ringartigen Kernelements zu einem Fahrzeuglenkrad.

Die Begriffe „Herstellen“ und „Erzeugen“ bzw. „Herstellung“ und „Erzeugung“ werden im Rahmen der Erfindungsbeschreibung synonym im Sinne von „Anfertigen“ bzw. „Anfertigung“ verwendet.
Unter einem strangartigen Rohling wird insbesondere ein stab- oder stangenartiges Halbzeug verstanden, das aus Endlosfasern und einer thermoplastischen Kunststoffmatrix (bspw. PP = Polypropylen oder PA = Polyacryl) gebildet ist. Bei dem strangartigen Rohling handelt es sich also quasi um einen endlosfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoff in stab- bzw. stangenartiger Gestalt. Der strangartige Rohling kann eine beliebige, insbesondere über der Längserstreckung gleichbleibende Querschnittsform aufweisen, wobei eine runde oder polygonale Querschnittform bevorzugt ist. Der strangartige Rohling kann einen Strangdurchmesser bzw. ein Durchmesseräquivalent von wenigen Zehntel Millimetern bis zu mehreren Millimetern aufweisen. Bei den Endlosfasern handelt es sich insbesondere um Glasfasern, Kohle- bzw. Kohlenstofffasern, Aramidfasern oder dergleichen, wobei auch ein Fasergemisch vorgesehen sein kann. Bei den Endlosfasern kann es sich aber auch um sehr lange Naturfasern, insbesondere Bambusfasern, handeln. Der strangartige Rohling ist im erwärmten Zustand verformbar (s. u.), sobald die Erweichungstemperatur der thermoplastischen Matrix erreicht oder überschritten wird. Unterhalb der Erweichungstemperatur ist die thermoplastische Matrix fest.
Erfindungsgemäß wird der strangartige Rohling (aus Endlosfasern und thermoplastischer Matrix) auf einen geeigneten Wickelkörper aufgewickelt bzw. der Wickelkörper wird mit dem strangartigen Rohling umwickelt, um so ein ringartiges Kernelement herzustellen bzw. zu erzeugen, welches im Weiteren den Kern des Lenkradkranzes bildet. Das ringartige Kernelement kann auch eine nicht-kreisrunde Form aufweisen. Das Aufwickeln erfolgt bevorzugt im erwärmten Zustand (d. h., der strangartige Rohling weist eine Temperatur auf, die zumindest der Erweichungstemperatur der thermoplastischen Matrix entspricht). Durch Abkühlen des gewickelten bzw. aufgewickelten strangartigen Rohlings (auf eine Temperatur unterhalb der Erweichungstemperatur) verfestigt sich die thermoplastische Matrix. Das feste und formstabile ringartige Kernelement kann vom Wickelkörper abgenommen und weiterverarbeitet werden.
Das Weiterverarbeiten des ringartigen Kernelements zu einem Fahrzeuglenkrad kann folgende Schritte umfassen:

- Verbinden des ringartigen Kernelements mit einem Nabenelement;
- Aufbringen einer Kunststoffummantelung; sowie
- gegebenenfalls Aufbringen eines Lederbezugs oder dergleichen auf die Kunststoffummantelung.

Bei dem Nabenelement handelt es sich bevorzugt um eine vorgefertigte Komponente, welche die Lenkradnabe bildet. Das Nabenelement kann einstückig oder mehrstückig aus Metall, insbesondere Leichtmetall, und/oder Kunststoff, auch faserverstärktem Kunststoff, gebildet sein.
Das Verbinden des ringartigen Kernelements mit dem Nabenelement erfolgt bevorzugt mittels wenigstens eines speichenartigen Verbindungselements. Ein solches speichenartiges Verbindungselement bildet eine Lenkradspeiche. Das speichenartige Verbindungselement kann als separate Komponente, insbesondere einstückig, aus Metall, insbesondere Leichtmetall, und/oder Kunststoff, auch faserverstärktem Kunststoff, gebildet sein und in geeigneter Weise befestigt werden. Das speichenartige Verbindungselement kann außerdem Bestandteil des Nabenelements sein. Ferner kann vorgesehen sein, dass das speichenartige Verbindungselement in einem Spritzgießvorgang, d. h. durch Spritzgießen, an das ringartige Kernelement und/oder an das Nabenelement angespritzt wird, insbesondere derart, dass dabei auch eine Verbindung zwischen ringartigem Kernelement und Nabenelement entsteht. Hierfür wird bevorzugt ein thermoplastischer Kunststoff, insbesondere ein faserverstärkter thermoplastischer Kunststoff, verwendet, der vorzugsweise mit dem thermoplastischen Matrixkunststoff des strangartigen Rohlings identisch oder zumindest kompatibel ist. Bevorzugt sind mehrere speichenartige Verbindungselemente bzw. Lenkradspeichen vorgesehen, wofür die vorausgehenden und nachfolgenden Erläuterungen analog gelten.
Außerdem kann das speichenartige Verbindungselement aus dem strangartigen Rohling gebildet werden. Auch das Nabenelement kann, zumindest teilweise, aus dem strangartigen Rohling gebildet werden. Damit ist gemeint, dass aus dem strangartigen Rohling nicht nur das ringartige Kernelement für den Lenkradkranz erzeugt wird, sondern auch wenigstens ein speichenartiges Verbindungselement und/oder ein Nabenelement. Ein Nabenelement kann bspw. derart erzeugt werden, dass ein vorgefertigtes zentrales Verbindungselement (für die Verbindung mit der Lenkwelle, wie z. B. ein Vielzahn-Anschluss) mit dem strangartigen Rohling umwickelt wird. Die entsprechenden Maßnahmen können mit dem Erzeugen des ringartigen Kernelements kombiniert werden, sodass quasi in einem Schritt, der mehrere Teilschritte umfassen kann, aus dem strangartigen Rohling ein ringartiges Kernelement und wenigstens ein speichenartiges Verbindungselement und/oder, zumindest teilweise, ein Nabenelement erzeugt werden. Der Wickelkörper kann dementsprechend ausgebildet sein (s. u.).
Die Kunststoffummantelung wird zumindest auf das ringartige Kernelement aufgebracht, insbesondere derart, dass dieses vollständig eingeschlossen ist. Bevorzugt wird die Kunststoffummantelung auf das ringartige Kernelement aufgebracht, nachdem dieses mit dem Nabenelement verbunden wurde. Es kann allerdings auch vorgesehen sein, dass zunächst die Kunststoffummantelung auf das ringartige Kernelement aufgebracht wird und erst danach eine Verbindung mit dem Nabenelement erfolgt. Die Kunststoffummantelung wird bevorzugt auch auf das Nabenelement und/oder ein speichenartiges Verbindungselement aufgebracht, insbesondere derart, dass diese Elemente vollständig in eine integrale Kunststoffummantelung eingeschlossen sind.
Für die Kunststoffummantelung wird bevorzugt ein thermoplastischer Kunststoff, vorzugsweise ein faserverstärkter thermoplastischer Kunststoff, verwendet (bspw. PA, PP oder TPE = thermoplastisches Elastomer), der insbesondere auch geschäumt werden kann. Für die Kunststoffummantelung können auch mehrere Kunststoffkomponenten, insbesondere thermoplastische Kunststoffkomponenten, verwendet werden, die bspw. eine Schaumschicht und eine Deckschicht (Außenhaut) bilden, wobei dies auch mit nur einer Kunststoffkomponente möglich ist.
Das Aufbringen der Kunststoffummantelung erfolgt bevorzugt durch Spritzgießen (Kunststoffspritzgießen), gegebenenfalls einem Mehrkomponenten-Spritzgießen. Insbesondere ist vorgesehen, dass das ringartige Kernelement und das damit verbundene Nabenelement, gegebenenfalls einschließlich wenigstens eines speichenartigen Verbindungselements, in ein eigens dafür vorgesehenes Spritzgießwerkzeug eingelegt und dann (in einem Arbeitsgang) umspritzt bzw. umschäumt werden. Es kann allerdings auch vorgesehen sein, dass das ringartige Kernelement, das Nabenelement und gegebenenfalls das wenigstens eine speichenartige Verbindungselement separat ummantelt, insbesondere umspritzt bzw. umschäumt, und erst dann verbunden werden.
Beim Aufwickeln des strangartigen Rohlings auf den Wickelkörper werden bevorzugt mehrere Wickellagen erzeugt, die nebeneinander und/oder übereinander abgelegt werden können. D. h, das ringartige Kernelement für den Lenkradkranz kann durch mehrfaches Umwickeln des Wickelkörpers mit dem strangartigen Rohling hergestellt bzw. erzeugt werden. Bevorzugt werden so viele Umwicklungen bzw. Wickellagen erzeugt, bis eine gewünschte Dicke des ringartigen Kernelements erreicht ist. Insbesondere sind wenigstens zehn oder wenigstens zwanzig Wickellagen vorgesehen. Zwischen den einzelnen Wickellagen entsteht bevorzugt eine stoffschlüssige Verbindung über die thermoplastische Kunststoffmatrix. Eine zusätzliche Befestigung der Enden des aufgewickelten strangartigen Rohlings ist nicht vorgesehen. Der strangartige Rohling kann mit einer entsprechenden Länge ausgebildet sein (die eine bestimmte Anzahl von Wickellagen ermöglicht) oder kann bei Erreichen einer gewünschten Wickellagenanzahl und/oder Dicke des ringartigen Kernelements abgeschnitten werden.
Bei einem entsprechenden Strangdurchmesser des strangartigen Rohlings kann vorgesehen sein, dass beim Aufwickeln auf den Wickelkörper nur eine Umwicklung bzw. nur eine Wickellage erzeugt wird. D. h., das ringartige Kernelement wird durch nur einmaliges Umwickeln des Wickelkörpers mit dem strangartigen Rohling erzeugt. Analog zu den vorausgehenden Erläuterungen kann der strangartige Rohling mit einer entsprechenden Länge ausgebildet sein oder abgeschnitten werden. Die Enden des aufgewickelten strangartigen Rohlings können in geeigneter Weise miteinander verbunden werden, bspw. durch Verschweißen, sodass ein geschlossener Ring entsteht.
Bevorzugt wird der strangartige Rohling im erwärmten Zustand auf den Wickelkörper aufgewickelt bzw. um den Wickelkörper herumgewickelt, womit insbesondere gemeint ist, dass der strangartige Rohling eine Temperatur aufweist, die zumindest der Erweichungstemperatur der thermoplastischen Matrix entspricht. Der strangartige Rohling ist somit quasi weich und dadurch verformbar. Der strangartige Rohling kann vor dem Aufwickeln auf den Wickelkörper, bevorzugt unmittelbar vor dem Aufwickeln, eine Heizeinrichtung durchlaufen und dabei erwärmt werden. Bevorzugt weist die Heizeinrichtung einen Kanal, insbesondere eine Bohrung, oder dergleichen auf, durch den der strangartige Rohling hindurchbewegt wird. Bevorzugt handelt es sich um eine elektrische Heizeinrichtung. Weitere Möglichkeiten sind nachfolgend erläutert.
Der strangartige Rohling kann als vorgefertigtes Halbzeug, bspw. als Stange oder als Wickelgut, bereitgestellt und in der zuvor erläuterten Weise verarbeitet werden. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass der strangartige Rohling mittels eines Pultrusionsprozesses bzw. Pultrusionsverfahrens oder Ähnlichem hergestellt bzw. erzeugt wird und insbesondere direkt danach, d. h. unmittelbar im Anschluss an seine Herstellung bzw. Erzeugung (also ohne Zwischenlagerung oder dergleichen), auf den Wickelkörper aufgewickelt wird. Mit anderen Worten: Das Herstellen bzw. Erzeugen des ringartigen Kernelements für den Lenkradkranz erfolgt bevorzugt, indem ein zuvor mittels Pultrusionsprozess hergestellter bzw. erzeugter strangartiger Rohling sofort, d. h. im Wesentlichen direkt nach seiner Herstellung bzw. Erzeugung, auf den Wickelkörper aufwickelt wird. Bevorzugt wird der Pultrusionsprozess in einer Pultrusionsanlage ausgeführt. Ein Pultrusionsprozess bzw. -verfahren ist bspw. in der DE 10 2017 215 693 A1 beschrieben. Bevorzugt ist ein kontinuierlicher Pultrusionsprozesses vorgesehen, wobei der dabei erzeugte endlose Strang (aus Endlosfasern und thermoplastischer Matrix) auf den Wickelkörper aufgewickelt und dann abgeschnitten oder zuerst abgeschnitten und dann aufgewickelt wird. Der mittels Pultrusionsprozess hergestellte Strang bzw. strangartige Rohling kann eine herstellungsbedingte Wärme oder Restwärme aufweisen, die für das anschließende Aufwickeln auf den Wickelkörper genutzt werden kann, sodass ein zusätzliches Erwärmen vor dem Aufwickeln (bspw. mittels der oben beschriebenen Heizeinrichtung) nicht erforderlich ist oder der damit einhergehende Aufwand, insbesondere Energieaufwand, verringert werden kann.
Der für das Aufwickeln des strangartigen Rohlings verwendete Wickelkörper weist eine die Form des ringartigen Kernelements vorgebende Umriss- bzw. Umfangskontur auf. Der Wickelkörper kann eine runde, insbesondere kreisrunde, Umrisskontur aufweisen. Der Wickelkörper kann auch eine nicht-runde bzw. nicht-kreisrunde Umrisskontur aufweisen. Bevorzugt handelt es sich bei dem Wickelkörper um eine Wickelscheibe, insbesondere um eine rotierende Wickelscheibe. Bei dem Wickelkörper kann es sich aber auch um eine Walze, insbesondere rotierende Walze, oder dergleichen handeln. Der Wickelkörper ist bevorzugt aus einem Metallmaterial, bspw.
Stahl, gebildet. Für eine Serienfertigung sind bevorzugt mehrere Wickelkörper, insbesondere Wickelscheiben, vorgesehen, die im Wechsel verwendet werden.
Bevorzugt wird der Wickelkörper, insbesondere die Wickelscheibe, beheizt und kann hierzu wenigstens ein Heizelement, bspw. ein elektrisches Heizelement, oder dergleichen aufweisen. Der strangartige Rohling kann somit direkt beim Aufwickeln auf den Wickelkörper durch den Wickelkörper selbst erwärmt werden, sodass insbesondere eine Heizeinrichtung (s. o.). nicht erforderlich ist. Der Wickelkörper kann auch vorerwärmt werden (bspw. in einem Ofen oder mittels Induktionsvorrichtung), sodass dieser eine geeignete Temperatur aufweist. Nach dem Aufwickeln kann der Wickelkörper zusammen mit dem aufgewickelten strangartigen Rohling abkühlen, bis das hergestellte bzw. erzeugte ringartige Kernelement eine ausreichende Formstabilität bzw. -steifigkeit aufweist und abgenommen werden kann. Währenddessen kann mithilfe eines anderen Wickelkörpers ein weiterer Aufwickelvorgang durchgeführt werden.
Der Wickelkörper, insbesondere die Wickelscheibe, kann auch gekühlt werden. Der Wickelkörper kann hierzu eine Kühleinrichtung, bspw. in Form von Kühlkanälen und/oder Kühlrippen, aufweisen. Alternativ kann der Wickelkörper vorgekühlt werden, bspw. in einer Kühlkammer. Wird der strangartige Rohling im erwärmten Zustand auf den gekühlten Wickelkörper aufgewickelt, so erfolgt quasi direkt beim Aufwickeln eine Verfestigung der thermoplastischen Matrix, sodass das hergestellte bzw. erzeugte ringartige Kernelement sofort nach dem Aufwickelvorgang vom Wickelkörper abgenommen werden kann.
Wie oben bereits erläutert, kann zur Verbindung des ringartigen Kernelements mit einem Nabenelement wenigstens ein speichenartiges Verbindungselement vorgesehen sein, welches eine Lenkradspeiche bildet. Ein solches speichenartiges Verbindungselement kann ebenfalls aus dem strangartigen Rohling hergestellt bzw. erzeugt werden. Der Wickelkörper, insbesondere die Wickelscheibe, kann wenigstens eine, sich insbesondere im Wesentlichen radial erstreckende, Ausnehmung für ein solches speichenartiges Verbindungselement aufweisen, in die hinein der strangartige Rohling abgelegt wird. Auch das Nabenelement, welches eine Lenkradnabe bildet, kann, zumindest teilweise, aus dem strangartigen Rohling hergestellt bzw. erzeugt werden. Der Wickelkörper, insbesondere die Wickelscheibe, kann eine, insbesondere im Wesentlichen mittig bzw. zentral angeordnete, Ausnehmung für das Nabenelement aufweisen, in die hinein der strangartige Rohling abgelegt wird. Bevorzugt ist dann vorgesehen, dass der Wickelkörper, insbesondere die Wickelscheibe, zunächst mit dem strangartigen Rohling umwickelt wird, um das ringartige Kernelement herzustellen, und dass danach wenigstens ein speichenartiges Verbindungselement sowie gegebenenfalls auch ein Nabenelement hergestellt werden, durch Ablegen des strangartigen Rohlings in der jeweils dafür vorgesehenen Ausnehmung. Auch andere Abfolgen sind denkbar. Auf diese Weise kann ein komplettes, insbesondere einstückig ausgebildetes, Lenkradskelett hergestellt werden, auf das dann im Weiteren noch eine Kunststoffummantelung (s. o.) aufgebracht werden kann.
Falls eine spritzgießende Herstellung bzw. Erzeugung wenigstens eines speichenartigen Verbindungselements sowie gegebenenfalls eines Nabenelements vorgesehen ist (s. o.), kann der Wickelkörper, insbesondere die Wickelscheibe, mit wenigstens einer dafür vorgesehenen Ausnehmung ausgebildet sein, die als formgebende Spritzgusskavität fungiert. Der Wickelkörper bzw. die Wickelscheibe kann nach dem Aufwickeln des strangartigen Rohlings in eine Spritzgießvorrichtung eingelegt werden, einschließlich des aufgewickelten strangartigen Rohlings bzw. ringartigen Kernelements, wo dann durch Spritzgießen wenigstens ein speichenartiges Verbindungselement sowie gegebenenfalls ein Nabenelement erzeugt werden. (In diesem Fall wird das ringartige Kernelement zunächst nicht vom Wickelkörper abgenommen.) Der Wickelkörper bzw. die Wickelscheibe fungiert damit auch als Teil des Spritzgießwerkzeugs. Auf diese Weise kann ebenfalls ein komplettes, insbesondere einstückig ausgebildetes, Lenkradskelett hergestellt werden, auf das dann im Weiteren noch eine Kunststoffummantelung (s. o.) aufgebracht werden kann. Ferner ist diese Vorgehensweise ausdrücklich mit der zuvor erläuterten Vorgehensweise kombinierbar.
Bevorzugt werden alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens weitgehend automatisiert ausgeführt. Dies schließt manuelle Tätigkeiten, wie bspw. das Abnehmen des ringartigen Kernelements vom Wickelkörper, nicht aus.
Ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Fahrzeuglenkrad weist einen Lenkradkranz auf, mit einem ringartigen Kernelement, wobei das ringartige Kernelement aus einem gewickelten strangartigen Rohling aus Endlosfasern und thermoplastischer Matrix gebildet ist. Zusätzliche Merkmale ergeben sich analog zu dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Ein erfindungsgemäß hergestelltes Fahrzeuglenkrad weist ein geringes Gewicht auf und kann daher auch als Leichtbau-Lenkrad bezeichnet werden. Trotz seines geringen Gewichts ist dieses Fahrzeuglenkrad sehr stabil. Bei der erfindungsgemäßen Herstellung entsteht kaum Abfall. Außerdem weist ein erfindungsgemäß hergestelltes Fahrzeuglenkrad günstige Voraussetzungen für den Recyclingprozess auf. Die erfindungsgemäße Herstellung ist, insbesondere im Vergleich zu konventionellen Herstellverfahren, einfacher und kostengünstiger sowie auch weniger energieintensiv, wodurch sich die Umwelt- und Klimabilanz verbessert. Ferner ist die erfindungsgemäße Herstellung insbesondere auch für die Serienfertigung geeignet. Dies ist keine abschließende Aufzählung von Vorteilen, die mit der Erfindung einhergehen.
Die Erfindung wird nachfolgend in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert.

1 veranschaulicht schematisch das Herstellen eines ringartigen Kernelements für einen Lenkradkranz.
2 zeigt in einer Seitenansicht die gemäß 1 zum Herstellen des ringartigen Kernelements verwendete Wickelscheibe.
3 veranschaulicht schematisch das Weiterverarbeiten des ringartigen Kernelements zu einem Fahrzeuglenkrad.

Nachfolgend wird in nicht einschränkender Weise eine bevorzugte Ausführungsmöglichkeit der Erfindung erläutert. Weitere Merkmale sowie alternative Möglichkeiten zur Ausführung der Erfindung sind oben beschrieben.
1 zeigt eine Pultrusionsanlage 20, mit der aus einer Vielzahl von Faserrovings F (bspw. sind zwanzig bis dreißig Faserrovings F vorgesehen) ein strangartiger Rohling R aus Endlosfasern und thermoplastischer Matrix erzeugt wird, wobei sich die Endlosfasern bevorzugt in Längsrichtung des erzeugten strangartigen Rohlings R erstrecken, der daher auch als UD-Faserprofil bezeichnet werden kann. Die verwendeten Faserrovings F bestehen aus Endlosfasern (bspw. Glasfasern, Kohlenstofffasern oder Aramidfasern) und einer thermoplastischen Matrix (bspw. PP oder PA). Die Faserrovings F werden aus einem Spulengatter (Stellage) 10 abgezogen. Die Pultrusionsanlage 20 weist eine die Faserrovings F einziehende und weiterfördernde Fördervorrichtung 21, eine die thermoplastische Matrix auf- oder zumindest anschmelzende Heizvorrichtung 22 und eine die Querschnittsform des strangartigen Rohlings R bestimmende Werkzeugvorrichtung (Matrize) 23 auf, die in dieser Reihenfolge entlang einer Durchlaufrichtung D angeordnet sind. Alternativ können Faserrovings F ohne thermoplastische Matrix verwendet werden - die thermoplastische Matrix kann dann bspw. in der Heizvorrichtung 22 oder Werkzeugeinrichtung 23 zugeführt werden. Die quasi als Stabdrucker fungierende Pultrusionsanlage 20 wird bevorzugt kontinuierlich betrieben. Die Herstell- bzw. Druckgeschwindigkeit beträgt bevorzugt mindestens 10 m/min.
Der in der Pultrusionsanlage 20 mittels Pultrusionsprozess erzeugte strangartige Rohling R wird direkt danach, d. h. unmittelbar im Anschluss an seine Herstellung bzw. Erzeugung, in einer Wickelanlage 30 auf einen als Wickelscheibe ausgebildeten rotierenden Wickelkörper 31 aufgewickelt, wodurch ein ringartiges Kernelement 110 für einen Lenkradkranz (siehe 3) hergestellt wird. Bevorzugt werden dabei mehrere, insbesondere kompakte, Wickellagen (bspw. mindestens zwanzig Wickellagen) erzeugt. Um einen Mitnahmeeffekt zu erreichen, kann das vordere Ende des strangartigen Rohlings R an der Wickelscheibe 31 befestigt werden. Für die Wickelscheibe 31 ist ein mit der Herstellgeschwindigkeit der Pultrusionsanlage 20 synchronisierter Drehantrieb vorgesehen.
Die Wickelanlage 30 weist ein den strangartigen Rohling R beim Aufwickeln führendes Wickelauge 32 auf. Die Wickelanlage 30 kann ferner eine Heizeinrichtung 33 aufweisen, die der strangartige Rohling R unmittelbar vor dem Aufwickeln auf die Wickelscheibe 31 durchläuft, um dessen thermoplastische Matrix auf eine geeignete Temperatur zu erwärmen, falls die Erwärmung in der Heizvorrichtung 22 der Pultrusionsanlage 20 nicht ausreicht. Ferner ist eine Schneid- bzw. Trennvorrichtung 34 vorgesehen, mit der der strangartige Rohling R abgeschnitten bzw. durchtrennt werden kann. Außerdem kann wenigstens eine nicht gezeigte Andrückvorrichtung, bspw. eine Andrückrolle, vorgesehen sein, die den strangartigen Rohling R in radialer Richtung gegen die Wickelscheibe 31 bzw. gegen die bereits vorhandenen Wickellagen drückt. Die Wickelscheibe 31 muss nicht zwingend kreisrund sein.
2 zeigt in einer Seitenansicht die Wickelscheibe 31 mit dem darauf aufgewickelten strangartigen Rohling R. Die Wickelscheibe 31 weist eine Umfangsnut auf, in die hinein der strangartige Rohling R abgelegt wird. Die Wickelscheibe 31 kann ferner Ausnehmungen für wenigstens ein speichenartiges Verbindungselement und/oder ein Nabenelement aufweisen, wie obenstehend erläutert. Die Wickelscheibe 31 ist bevorzugt aus Metall, insbesondere Stahl, gebildet und kann ferner, zumindest im Umfangsbereich, mit einer Antihaftbeschichtung versehen sein. Außerdem kann die Wickelscheibe 31 mehrteilig ausgebildet sein, um das gewickelte ringartige Kernelement 110 abnehmen zu können.
Wie in 3 veranschaulicht, wird das aus dem gewickelten bzw. aufgewickelten strangartigen Rohling R erzeugte ringartige Kernelement 110 (siehe 3a) mittels speichenartigen Verbindungselementen 120, wobei mindestes ein speichenartiges Verbindungselement 120 vorgesehen ist, mit einem Nabenelement 130 verbunden (siehe 3b). Die speichenartigen Verbindungselemente 120 und/oder das Nabenelement 130 können bspw. durch Spritzgießen, insbesondere durch Anspritzen an das ringartige Kernelement 110, erzeugt werden. Das dadurch gebildete Lenkradskelett (Lenkradgrundgerüst) wird anschließend mit einer Kunststoffummantelung K versehen, insbesondere durch Spritzgießen bzw. Umspritzen. 3c zeigt das in der zuvor erläuterten Weise hergestellte Lenkrad 200, welches einen Lenkradkranz 210, mehrere Lenkradspeichen 220, wenigstens jedoch eine Lenkradspeiche 220, und eine Lenkradnabe 230 aufweist. Der Lenkradkranz 210 kann auch eine andere, nicht-kreisrunde Form aufweisen.
Bezugszeichenliste

10: Spulengatter
20: Pultrusionsanlage
21: Fördervorrichtung
22: Heizvorrichtung
23: Werkzeugvorrichtung
30: Wickelanlage
31: Wickelkörper (Wickelscheibe)
32: Wickelauge
33: Heizeinrichtung
34: Schneidvorrichtung
110: ringartiges Kernelement
120: speichenartiges Verbindungselement
130: Nabenelement
200: Fahrzeuglenkrad
210: Lenkradkranz
220: Lenkradspeiche
230: Lenkradnabe
D: Durchlaufrichtung
F: Faserroving
K: Kunststoffummantelung
R: strangartiger Rohling

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19846824 C1 [0003]
DE 3425959 C2 [0004]
DE 102012220288 A1 [0005]
DE 102019128272 A1 [0006]
DE 102017215693 A1 [0023]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Fahrzeuglenkrads (200), umfassend die Schritte: - Herstellen oder Bereitstellen eines strangartigen Rohlings (R) aus Endlosfasern und thermoplastischer Matrix; - Herstellen eines ringartigen Kernelements (110) für den Lenkradkranz (210) durch Aufwickeln des strangartigen Rohlings (R) auf einen Wickelkörper (31); - Abnehmen des ringartigen Kernelements (110) vom Wickelkörper (31) und Weiterverarbeiten des ringartigen Kernelements (110) zu einem Fahrzeuglenkrad (200).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Weiterverarbeiten folgende Schritte umfasst: - Verbinden des ringartigen Kernelements (110) mit einem Nabenelement (130); - Aufbringen einer Kunststoffummantelung (K).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufwickeln des strangartigen Rohlings (R) auf den Wickelkörper (31) mehrere Wickellagen erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der strangartige Rohling (R) vor dem Aufwickeln auf den Wickelkörper (31) eine Heizeinrichtung (33) durchläuft und dabei erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der strangartige Rohling (R) mittels Pultrusionsprozess hergestellt und direkt danach auf den Wickelkörper (31) aufgewickelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Wickelkörper (31) eine rotierende Wickelscheibe verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wickelscheibe (31) beheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wickelscheibe (31) gekühlt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem strangartigen Rohling (R) auch wenigstens ein speichenartiges Verbindungselement (120) hergestellt wird, wozu die Wickelscheibe (31) wenigstens eine sich im Wesentlichen radial erstreckende Ausnehmung aufweist, in die hinein der strangartige Rohling (R) abgelegt wird.
Fahrzeuglenkrad (200), welches mit einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist und einen Lenkradkranz (210) mit einem ringartigen Kernelement (110) aufweist, wobei das ringartige Kernelement (110) aus einem gewickelten strangartigen Rohling (110) aus Endlosfasern und thermoplastischer Matrix gebildet ist.