DE10228052A1 - Leichtmetall-Felge sowie Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leichtmetall-Felge für Kraftfahrzeuge, mit einem Felgenbett mit einem äußeren und einem inneren Felgenhorn und einer Nabe und Speichen aufweisenden Radscheibe, bestehend aus einem zur Infiltration geeigneten Leichtmetall, dadurch gekennzeichnet, dass die Leichtmetall-Felge zumindest in Bereichen mit einer Textilpreform (5) verstärkt ist, wobei die Textilpreform (5) aus mehreren untereinander verbundenen Lagen aus Endlosfasern gebildet wird und das Leichtmetall in die untereinander verbundenen Lagen aus Endlosfasern infiltriert ist. DOLLAR A Ein Verfahren zur Herstellung der Leichtmetall-Felge ist beschrieben.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Leichtmetall-Felge nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung der Felge nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
• Die Entwicklungsarbeiten in der Fahrzeugindustrie sind durch das ständige Bestreben die Masse zu reduzieren geprägt, um somit das Leistungsgewicht des Endproduktes zu verbessern. Beispiele hierfür stellen etwa der Einsatz von Aluminium(Al-) bzw. Magnesium(Mg-)legierungen in Karosseriebau sowie der Einsatz von faserverstärktem Aluminium bzw. Magnesium in Motor- und Getriebekomponenten dar. Während Aluminium-Legierungen und faserverstärkte Aluminiumleichtmetalle derzeit auch für Kleinwagenserien eingesetzt werden, steht der Leichtbau mittels faserverstärkten Magnesiumwerkstoffen noch im Entwicklungsstadium, obgleich das Leichtbaupotential von Mg-Legierung gegenüber dem von Al-Werkstoffen deutlich höher liegt. Zudem ist es möglich Mg-Materialien mit hochfesten Kohlenstofffasern zu verstärken. Diese Faserverstärkung bleibt aufgrund von chemischen Wechselwirkungen zwischen Faser und Matrix bislang den Al-Legierungen weitgehend vorenthalten, bietet aber – speziell in Kombination mit Mg-Matrizes – die Möglichkeit der Herstellung eines Hochleistungsverbundwerkstoffes mit markanten, überlegenden Leichtbaueigenschaften (bauteilbezogene Gewichtsreduktion um mindestens 20%).
• Aus der DE 195 33 612 A1 ist ein Fahrzeugrad mit einer Felge bekannt, bei der zur Reduzierung der Massen an einem inneren Felgenabschnitt ein Versteifungskörper anordenbar ist, der aus einem Kohlefasergewebe oder einem artgleichen Material wie die Felge herstellbar ist und bei einer Massenreduzierung im Bereich des inneren Felgenabschnitts die Steifigkeit der Felge zumindest aufrechterhält. Der Versteifungskörper lässt sich aus verschiedenen Materialien, insbesondere aus Leichtmetallen oder mehreren Lagen von einem Fasergewebe herstellen, und ist kraft- und/oder formschlüssig mit der Felge verbunden.
• Nachteilig an dieser Lösung ist, dass der Versteifungskörper mit dem Grundmaterial der Felge durch einen Fügeprozess fest verbunden werden muss.
• Aus der DE 198 31 875 A1 ist ein Laufrad aus einer Leichtmetallegierung mit einer Felge, einem Nabenabschnitt und zwischen der Felge und dem Nabenabschnitt angeordneten Speichen bekannt. Das Laufrad wird von einem im Druckgussverfahren in einer Hohlform gefertigten Grundkörper und wenigstens einem vor dem Druckgießen in den Hohlraum eingelegten Einlegeteil gebildet. Das Einlegeteil bildet die Felge oder der Nabenabschnitt, wobei beispielsweise die Felge als Stranggussprofil gefertigt ist.
• Aus der DE 198 32 080 A1 ist noch ein Rad für ein Kraftfahrzeug gekannt, das eine Nabe und einen Felgenring aufweist, die durch gesonderte Rohrspeichen miteinander verbunden sind. Die Rohrspeichen lassen sich aus einem anderen Material herstellen als die Naben und/oder der Felgenring. Auf diese Weise soll eine Gewichtseinsparung an den Rädern erzielt werden.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Leichtmetall-Felge der eingangs genannten Art anzugeben, die eine hohe Steifigkeit aufweist, ohne das dabei zusätzlich konstruktive Elemente mit der Felge oder der Radscheibe fügetechnisch verbunden werden müssen.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe in Verbindung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen dadurch gelöst, dass die Leichtmetall-Felge zumindest in Bereichen mit einer Textilpreform verstärkt ist, wobei die Textilpreform aus mehreren untereinander verbundenen Lagen aus Endlosfasern gebildet wird und das Leichtmetall in die untereinander verbundenen Lagen aus Endlosfasern infiltriert ist.
• Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen genannt.
• Gemäß der Erfindung ist die Felge aus einem Leichtmetall wie Aluminium, Magnesium oder Titan in Bereichen einer Krafteinleitung, eines Ausschnittes oder Kerbe mittels mehrerer untereinander verbundener Lagen aus Endlosfasern lokal begrenzt kraftflussgerecht eben und/oder räumlich verstärkt. Als Fasern kommen dabei Kohle-, Textil-, Metall oder Keramikfasern in Betracht. Der Verstärkungsbereich kann sich auf kritische Zonen mit einer Krafteintragung, einem Ausschnitt oder allfällige Kerben im Leichtmetallwerkstoffbeschränken, der im Bereich des Abklingens der Spannungsspitzen endet oder in den Grundwerkstoff übergeht.
• Vorteilhaft besteht die Felge aus Magnesium und zur Verstärkung sind variabelaxiale kraftflussgerechte orientierte untereinander verbundene Lagen von Fasern vorgesehen. Die Fasern werden vorteilhaft zu einem 3D-Verstärkungstextil durch multiaxiales Stricken, Weben, Wirken, Legen oder nähtechnisch verstärkte Lagen oder 3D-Sticken zu einer sogenannten Textilpreform verarbeitet und anschließend mit Magnesium infiltriert.
• Bei der Auslegung des faserverstärkten Leichtmetall-Verbundwerkstoffes lassen sich auch konstruktiv bedingte Kerben im Bereich der Nabe, den Speichen berücksichtigen. Hierbei kommt der Kerbspannungsproblematik besondere Bedeutung zu, denn die Kerben im Bereich der Nabe stellen in der Felge versagenskritische Schwachstellen dar. Die Behandlung dieser kritischen Zonen erfordert die exakte Ermittlung des Spannungs- und Verformungfeldes, da die Kerbfaktoren hier konstruktiv anders zu bewerten sind als von isotropen Werkstoffen her bekannt.
• Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 7 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Verfahrensvarianten ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen.
• Die Herstellung der faserverstärkten Leichtmetall-Felge erfolgt in der Weise, dass zunächst eine Textilpreform in eine geöffnete Form eingebracht wird, wobei die Textilpreform beispielsweise im späteren Nabenbereich fixiert wird. Die Textilpreform wird entsprechend der Form und Größe der Felge und Dicke gesondert gefertigt. Vorteilhaft stellt die Textilpreform ein 3D-Verstärkungstextil dar, welches mit dem Leichtmetall infiltriert wird. Bei den für die Herstellung des Verstärkungstextils geeigneten textiltechnischen Verfahren kommt es darauf an, dass die Einzellagen untereinander räumlich verbunden werden und eine leicht benutzbare Textilpreform entsteht.
• Die erfindungsgemäße Leichtmetall-Felge ist aufgrund der dabei erzielten erweiterten Eigenschaftscharakteristik für den Fahrzeugleichtbau besonders geeignet, so etwa für den Rennsport aber besonders auch für PKW-Felgen im Alltagsgebrauch.
• Damit wird das Leistungsgewicht von Fahrzeugkomponenten in dieser Weise noch deutlich verbessert. Als besonderer Vorteil ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Leichtmetall-Felgen eine verringerte Kriechneigung, insbesondere wenn die Verstärkung im Aufsitzbereich der Radmuttern vorgenommen worden ist.
• Durch den Einsatz einer erfindungsgemäßen Leichtmetall-Felge können folgende Vorteile erzielt werden:
• – beanspruchungsgerechte lokale Erhöhung von Elastizität/Festigkeit sowie von Crash- und Verschleißverhalten
• – gezielte Einstellung von Kriech- und Dämpfungsverhalten
• – lokale Verbesserung von Ver- und Nachbearbeitungseigenschaften
• – maßgeschneiderte Einstellung von Duktilität und Härte
• – kosteneffiziente Fertigung
• – Kosten-Nutzen-Verhältnis unter dem Niveau derzeitiger Produktlösungen.
• Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Textilpreform
• 2 eine schematische Darstellung des Prozessablaufes bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Leichtmetall-Felge
• In der 1 ist eine Textilpreform in zwei Ansichten dargestellt. Die Herstellung der Textilpreform erfolgt so, dass zunächst die Textilhalbzeuge für Nabenbereich, Speichen und Felgenhorn unter Berücksichtigung der vorliegenden Beanspruchungen ausgewählt werden.
• Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist für den Nabenbereich ein Gestick 1 vorgesehen, da vor allem das Sticken eine gezielte Faseranordnung ermöglicht. Damit lassen sich z. B. Bohrungen für die Schrauben zur Befestigung des Rades vorsehen.
• Für die Felgen bieten sich dagegen Formgestricke oder Biaxialgestricke 2 an, die einerseits eine gezielte Anordnung von Kett- und Schussfäden ermöglichen und andererseits ausreichende Variabilität für die Formgebung des Textilhalbzeugs bieten.
• Im Bereich des Felgenhorns wird vorteilhaft ein Geflecht 3 eingesetzt, da es die für die Bauteilfertigung erforderliche gute Handhabbarkeit aufweist.
• Das Zuschneiden der Textilhalbzeuge auf die gewünschte Endkontur erfolgt mit Hilfe geeigneter x-y-Schneidtische, da nur so eine für Hochleistungsanwendungen erforderliche Passform des Produktes erreicht werden kann.
• Um eine sichere Fixierung bei der Infiltration zu gewährleisten, ist ein Zusammenfügen der Textilhalbzeuge durch Verbindungsnähte 4 zu einer Textilpreform notwendig. Das Zusammenfügen erfolgt mit Hilfe geeigneter Nähroboter. Dabei ermöglicht die Einseitennähtechnik eine sowohl handhabungs-, infiltrations- und beanspruchungsgerechte Verbindung der Halbzeuge.
• Mittels zerstörungsfreier Prüfverfahren, wie etwa dem Röntgenverfahren kann die Textilpreform hinsichtlich Faserverlauf und Faserschädigung überprüft werden.
• Die Herstellung einer erfindungsgemäßen Leichtmetall-Felge ist in 2 dargestellt.
• Zunächst wird die Textilpreform 5 in die untere Formwerkzeug 6 eingesetzt. Anschließend werden Kerne 8 in das untere Formwerkzeug 6 eingesetzt, wobei die Positionierung der Textilpreform 5 über die Kerne 8 für die Schraubenlöcher erfolgt. Weitere Kerne 9 am Radumfang übernehmen dagegen die Fixierung der Textilpreform 5 im Bereich des Felgenhorns.
• Durch das Schließen der Form mit dem oberen Formwerkzeug 7 wird die gesamte Textilpreform 5 bis zu einem gewissen Grad verdichtet, so dass die erforderliche Stabilität für den Infiltrationsprozess aufgebracht wird.
• Abschließend werden die Angüsse 10 mit Zuläufen für das Leichtmetall verbunden und die Infiltration vorgenommen.

1

Gestick

2

Biaxialgestrick

3

Geflecht

4

Verbindungsnaht

5

Textilpreform

6

unteres Formwerkzeug

7

oberes Formwerkzeug

8

Kern

9

Kern

10

Anguss

Claims (8)

1. Leichtmetall-Felge für Kraftfahrzeuge, mit einem Felgenbett mit einem äußeren und einem inneren Felgenhorn und einer Nabe und Speichen aufweisenden Radscheibe, bestehend aus einem zur Infiltration geeigneten Leichtmetall, dadurch gekennzeichnet, dass die Leichtmetall-Felge zumindest in Bereichen mit einer Textilpreform (5) verstärkt ist, wobei die Textilpreform (5) aus mehreren untereinander verbundenen Lagen aus Endlosfasern gebildet wird und das Leichtmetall in die untereinander verbundenen Lagen aus Endlosfasern infiltriert ist.
2. Leichtmetall-Felge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Textilpreform (5) aus einem oder aus mehreren 3D-Verstärkungstextilen besteht.
3. Leichtmetall-Felge nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein 3D-Verstärkungstextil ein multiaxiales Gewirk, Gestrick, Gelege, Geflecht, nähtechnisch verbunden Lagen oder ein 3D-Gestick ist.
4. Leichtmetall-Felge nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Textilpreform (5) oder ein 3D-Verstärkungstextil Endlosfasern aus Kohle-, Textil-, Metall- oder Keramikfasern vorgesehen sind.
5. Leichtmetall-Felge nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Textilpreform (5) von dem Leichtmetall durchdrungen und überdeckt ist.
6. Leichtmetall-Felge nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Endlosfasern einen kraftflussgerecht orientierten Verlauf in der Textilpreform (5) aufweisen.
7. Verfahren zur Herstellung einer Leichtmetall-Felge für Kraftfahrzeuge, mit einem Felgenbett mit einem äußeren und einem inneren Felgenhorn und einer Nabe und Speichen aufweisenden Radscheibe, unter Verwendung einer die Abmaße der Felge aufweisende teilbaren Form, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Textilpreform (5), die aus mehreren untereinander verbundenen Lagen aus Endlosfasern gebildet wird, in die geöffnete Form eingesetzt und dort fixiert wird, – anschließend die Form geschlossen wird, – in die geschlossene Form ein Leichtmetall unter Druck eingelassen und – nach dem Erstarren die Felge aus der Form entnommen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassen des Leichtmetalls in die Form in einem Autoklaven im Vakuum vorgenommen wird.