DE60115290T2

DE60115290T2 - Rad aus verbundwerkstoff und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE60115290T2
Application number: DE60115290T
Authority: DE
Inventors: Jan Spoelstra
Original assignee: Prins Dokkum BV
Current assignee: Prins Dokkum BV
Priority date: 2000-09-05
Filing date: 2001-09-03
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2021-09-04
Also published as: NL1016108C2; AU2001294382A1; US20030189373A1; ATE310632T1; US6926370B2; DE60115290D1; EP1353788A1; EP1353788B1; WO2002020252A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Rades aus Verbundwerkstoff.
Das Herstellen solcher Räder ist beispielsweise aus der Europäischen Patentanmeldung EP 0 377 369 bekannt. Die Anwendung von Verbundwerkstoffen bringt unter anderem sehr leichte Räder hervor, was sich günstig auf den Kraftstoffverbrauch und die Ladekapazität auswirkt. Jedoch sind die bisher hergestellten Räder nicht zufriedenstellend im Hinblick auf Langlebigkeit, Stabilität und Sicherheit, so dass eine verbreitete Verwendung der Verbundräder im Straßenverkehr bisher noch nicht erfolgreich war. Dieser Nachteil soll mit der Erfindung beseitigt, und ein Verfahren zur Anwendung einer Technik soll bereitgestellt werden, das zu einem sehr stabilen Verbundwerkstoffrad mit einer hohen baulichen Integrität führt.
Eine andere Veröffentlichung, die Schrift Nr. US 4749235 legt ein Kompressionsformverfahren offen, das vorher imprägnierte Vorformen verwendet. Die Erfindung löst dieses Problem durch die Merkmale von Anspruch 1.
Durch Zusammenfügen der Vorformen können Räume ausgebildet werden, die erfindungsgemäß mit einem nicht imprägnierbaren Werkstoff gefüllt werden. Bei diesem Werkstoff handelt es sich vorzugsweise um Polyurethan. Er dient dazu, zu verhindern, dass die Räume mit Kunstharz ohne darin bereitgestellter Faserverstärkung gefüllt werden. Diese Teile würden den Aufbau unnötig schwer machen und sich nachteilig auf ihre Stabilität auswirken. Ferner sind die Räume mit Transportmaterial bereitgestellt, das das Harz entlang vorbestimmter Pfade durch den Raum lenkt. Vorzugsweise handelt es sich dabei um Glasfaserstreifen. Durch diese Wege kann das Imprägnierverfahren optimal durchgeführt werden.
Das der Erfindung zugrundeliegende und in Anspruch 1 definierte Herstellungsverfahren kann in hohem Maße kontrolliert durchgeführt werden, so dass das auf diese Weise ausgebildete Rad sehr gute strukturelle Eigenschaften aufweist.
Das der Erfindung zugrundeliegende Herstellungsverfahren umfasst vorzugsweise die Konstruktion des Nabenabschnitts in Gestalt einer Schale mit einer Endfläche und einer erhabenen Kante, wobei sich die Endfläche in der radialen Richtung des zu bildenden Rades erstreckt, und wobei sich die erhabene Kante vornehmlich in seiner axialen Richtung erstreckt, und die Konstruktion des Felgenabschnitts, so dass sich der erhabene Kantenabschnitt des Nabenabschnitts beim Zusammenfügen der Vorformen entlang mindestens eines Teils der Innenseite des Felgenabschnitts erstreckt.
Der Felgenabschnitt ist mit einer Seite ausgestattet, die zur mittleren Achse gerichtet ist, gegen die der Nabenabschnitt mit der entsprechend ausgebildeten schalenförmigen Außenkante passgenau über einen großen Bereich anliegt. Durch diese kraftschlüssige Konstruktion werden die Vorformen zu einem stabilen soliden Ganzen zusammengefügt, das im weiteren Teil des Herstellungsprozesses leicht transportiert werden kann. Durch die schalenförmige Geometrie des Nabenabschnitts und die entsprechend zulaufende Form des Felgenabschnitts sind sie leicht zusammenschiebbar und weisen selbst eine hohe Stärke/Steifigkeit auf. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfasst das Einsetzen in einen Felgenabschnitt von zwei schalenförmigen Nabenabschnitten in einer axialen Richtung an beiden Seiten, die mit den Endflächen einander zugewandt sind.
Vorzugsweise werden die Vorformen aufgebaut durch Ausschneiden der Matten aus größeren gewebten Fasermatten mit einem Webmuster, bei dem zwei Faserorientierungen im Wesentlichen quer zueinander ausgerichtet sind, und die mit einem Mittel versehen sind, das unter dem Einfluss von Hitze bindet, Orientierung der Matten im Wesentlichen in einer Umfangsrichtung und/oder in einer Radialrichtung der Vorform, und Aufrechterhaltung der Gestalt der Matten unter Vakuum und Aufheizen der Matten, bis die Vorform gebildet worden ist. Durch die Gewebe erhält das Rad ausgezeichnete Festigkeitsmerkmale, da die Faserausrichtung der Matten sehr genau gesteuert werden kann.
Die Fasern einer Matte können eine Orientierung haben, so dass die Orientierung der Fasern um höchstens 10°, vorzugsweise um maximal 5°, von der radialen tangentialen Richtung des zu bildenden Rades abweicht. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt das Verhältnis der quer zueinander ausgerichteten Fasern zwischen 0,7 bis 1,4 je Gewichtseinheit. Das Verhältnis liegt vorzugsweise bei 1.
Das Herstellungsverfahren kann wirksam ausgeführt werden, wenn die Vorformen mit Matten aufgebaut werden, die eine verhältnismäßig geringe Größe und eine vorbestimmte festgelegte Grundform besitzen. Durch Begrenzen der Anzahl der verwendeten Formen bleibt das Herstellungsverfahren handhabbar. Durch Verwenden verhältnismäßig kleiner Größen können die Faserausrichtungen ohne Unterbrechung oder gebrochene Bereiche miteinander gemischt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Gewichtsverteilung in der Vorform, auf diese Weise optimal beeinflusst werden kann.
Das der Erfindung zugrundeliegende Verfahren kann ferner die folgenden Schritte umfassen: Bereitstellen einer Anzahl von Ausbohrungen in dem zusammengefügten Ganzen und Einbringen von straft sitzenden Metallmuffen vor dem Imprägnierungsschritt. Mittels dieses Verfahrens bleibt die Faserstruktur um die Metallmuffen optimal erhalten, führt ein straffer Sitz eine vernachlässigbare Extraspannung in die Struktur der Fasern ein. Die Muffen werden in dem zusammengefügten Ganzen durch Kleben mittels Kunstharz befestigt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Imprägnierungsschritt durch Einspritzen von Kunstharz in das zusammengedrückte Ganze durch Einspritzöffnungen ausgeführt, die an der Außenseite des Randabschnitts auslaufen, und die im Wesentlichen in einer Ebene mit der Endfläche des Nabenabschnitts liegen. In der Praxis bewirken diese Positionen zufriedenstellende Ergebnisse beim Aushärten des Kunstharzes.
Die Erfindung wird genauer anhand der Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine schematische Perspektivansicht der Anordnung von drei einzelnen Vorformen zu einem Rad gemäß der Erfindung.
2 ist eine schematische Perspektivansicht einer Vorform, die einen Nabenabschnitt bildet.
3 ist ein Querschnitt des Rades gemäß der Erfindung in der Richtung quer zur mittleren Achse gesehen.
In den Figuren sind ähnlichen oder entsprechenden Teilen gleiche Bezugszahlen zugeordnet.
1 zeigt eine Vorform 1, eine Vorform 2 und eine Vorform 3, wobei die Vorform 1 so ausgebildet ist, dass sie einen Felgenabschnitt eines auszubildenden Verbundrades 4 ausbildet. Die Vorformen 2 und 3 sind so ausgelegt, dass sie Nabenabschnitte des Verbundrades 4 ausbilden, wobei 2, zur mittigen Achse gesehen, einen Nabenabschnitt 2, 3 von der Seite zeigt. Die Vorformen 1, 2 und 3 sind aus Matten 5 aufgebaut, wobei eine Faserausrichtung schematisch in den Zeichnungen schraffiert gezeigt ist. Die Matten 5 sind mit einem Webmuster ausgestattet, bei dem zwei Faserausrichtungen im Wesentlichen quer zueinander ausgerichtet sind und im Wesentlichen in einer Umfangsrichtung und/oder in einer radialen Richtung der Vorformen 1, 2 und 3 ausgerichtet sind. Die Matten 5 werden aus Fasermatten in feststehenden Grundmustern ausgeschnitten.
Die Matten 5, die beim Aufbau der Vorformen 1, 2 und 3 verwendet werden, sind mit einer relativ kleinen Größe und einer vorbestimmten feststehenden Grundform ausgestattet. Vorzugsweise misst die Größe der Grundformen zwischen 5% und 20% der größten Länge der aufgebauten Vorform. In der Praxis werden beim Herstellen des in dieser beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Rades acht verschiedene Grundformen verwendet. In eine Form werden einige Lagen dieser Matten, in dieser beispielhaften Ausführungsform variierend zwischen acht und achtzehn Lagen, dachziegelartig übereinander gelegt, das heißt jeweils mit einer bestimmten Überlappung, wobei die Orientierung der Fasern immer im Wesentlichen radial/tangential ausgerichtet ist. Alternativ können die Matten auch anstoßend in die Form gelegt werden, d.h. mit aneinanderstoßenden Seiten. Durch die Gewebe erhält das Rad sehr vorteilhafte Stärkeneigenschaften, da die Faserorientierung der Matten sehr genau gesteuert werden kann. Die Winkelabweichung der Ausrichtung der Matten relativ zu der radialen/tangentialen Ausrichtung des auszubildenden Rades beträgt vorzugsweise nicht mehr als 5°. Die Fasern beider Orientierungsrichtungen weisen vorzugsweise eine gleiche Stärke auf, so dass ein gutes Verhältnis der Fasern, die in einer ersten Richtung zu den quer ausgerichteten Fasern ausgerichtet sind, zwischen 0,7 und 1,4 je Gewichtseinheit, vorzugsweise bei 1 liegt. Entsprechend, wenn die Grundform kleiner sein soll, kann die Orientierung radialer/tangentialer ausgerichtet werden; in diesem Fall ist der Herstellungsprozess weniger effizient.
Die Matten sind mit einem Mittel bereitgestellt, das unter dem Einfluss von Wärme bindet, auch „Klebrigmacher" genannt. Nachdem die Matten richtig in der Form angeordnet worden sind, wird diese Form durch eine Gummiabschlusskappe geschlossen, so dass die Matten zwischen dem Boden der Form und der Gummiabschlusskappe eingeschlossen sind. Nach dem Schließen dieser Kappe wird das Ganze unter Vakuum gesetzt, so dass die Matten in der gewünschten Form der Vorform fest zusammengedrückt werden. Danach wird das Ganze mit Infrarot-Quellen während einiger Zeit erhitzt, so dass die Matten unter dem Einfluss der Wärme durch den Klebrigmacher verklebt werden.
Der Zusammenbau des Rades erfolgt durch Einsetzen der Nabenabschnitte 2, 3 in den Felgenabschnitt 1 in der Richtung der Pfeile P. 2 zeigt, dass die Nabenabschnitte 2 und 3 in der Gestalt einer Schale ausgelegt sind und mit einer Endfläche 6 und einer erhabenen Kante 7 ausgestattet sind. Die Endfläche 6 erstreckt sich in der radialen Richtung zu dem auszubildenden Rad 4. Die erhabene Kante 7 erstreckt sich vorwiegend in seiner axialen Richtung. Im zusammengefügten Zustand der Vorformen 1, 2 und 3 erstreckt sich die Außenseite des erhabenen Kantenabschnitts 7 entlang mindestens eines Teils der inneren Seite 8 des Felgenabschnitts 1.
Die Nabenabschnitte 2 und 3 besitzen eine konzentrische kreisförmige Öffnung 9, die in der Endfläche 6 bereitgestellt ist. In regelmäßigen Abständen um diese Öffnung 9 befindet sich eine Reihe von Ausbohrungen 10. In einem gemäß dieser beispielhaften Ausführungsform hergestellten Rad betrug diese Zahl 10.
Mittels eines Karbonbandes oder Glasfaser (Glasmatte) kann die Vorform weiter oberflächenbearbeitet werden, wenn es erforderlich ist, um Einzelheiten der Vorform ein wenig weiter zu bearbeiten. In einem gemäß dieser beispielhaften Ausführungsform hergestellten Rad, beispielsweise, wie in 3 gezeigt, wird mit einem Karbonband eine Verstärkung an der Schulter 11 angeordnet, die den Eingreifpunkt des Reifens bildet. Ein sogenannter "Wulst" 12 aus Glasfaser wurde an der Felgenkante angeordnet. Ein solcher Wulst bildet einen Schutz für den Reifen vor dem Ablaufen des Rades, wenn der Reifen ein Loch hat.
An der Innenseite 8 des Felgenabschnitts sind zwei Polyurethanringe 13 angeordnet. Diese Ringe 13 sind mit einem dreieckigen Querschnitt in einer Form ausgestattet, so dass in dem nächsten Schritt des Zusammendrückens des Felgenabschnitts 1 und der Nabenabschnitte 2, 3 der Raum 14 zwischen dem Felgenabschnitt 1 und den Nabenabschnitten 2, 3 nahezu vollständig in der Ebene der Endfläche gefüllt ist. Das ist erforderlich, um zu verhindern, dass offene Räume in dem Rad mit Kunstharz ohne Faserverstärkung gefüllt werden. Solche Teile würden die Konstruktion unnötigerweise schwer machen und sich nachteilig auf seine Stärke auswirken. Zwischen den Polyurethanringen 13 befindet sich eine Lage aus Glasfaserwerkstoff 15. Diese Lage 15 dient als Transportwerkstoff zum Durchführen von Harz durch die Konstruktion. An den äußeren Seiten des Felgenabschnitts 1 bilden zwei kreisförmige Kantenabschnitte 16 eine Verstärkungsverbindung zwischen dem Felgenabschnitt 1 und dem jeweiligen Nabenabschnitten 2 und 3.
In dem Imprägnierungsschritt wird das zusammengedrückte Ganze in eine Imprägnierungsform gegeben und eingeschlossen. Metallmuffen 17, vorzugsweise Aluminiummuffen, werden in die Ausbohrungen 10 eingesetzt, so dass die Muffen durch Formschließen beim Imprägnieren fest auf die Faserstruktur gesetzt werden. Das Einspritzen von Kunstharz in die Imprägnierungsform erfolgt durch Einspritzöffnungen 18, die in 2 gezeigt sind. Die Einspritzöffnungen 18 öffnen sich zur Außenseite des Felgenabschnitts 2 (in 2 nicht gezeigt). Auf dieser Seite sind die Einspritzöffnungen 18 in der Ebene 19, die mit der Endfläche 6 des Nabenabschnitts 2, der in den Felgenabschnitt 1 eingesetzt ist, zusammenfällt, in regelmäßigen Abständen in der Form (nicht gezeigt) angeordnet. Die Verbindung aus so angeordneten Einspritzöffnungen 18 und der vorhergehend beschriebene Transportstreifen aus Glasfaser bewirken eine sehr gleichmäßige und optimale Imprägnierung des zusammengedrückten Ganzen, in dem das Harz von den entferntesten Teilen von den Einspritzöffnungen aushärtet. Dadurch wird verhindert, dass bestimmte Teile der zusammengedrückten Vorform von dem Harz nicht erreicht werden, was sich sehr nachteilig auf die Stärke/Steifigkeit der Konstruktion auswirken würde. Andererseits wird weitestgehend verhindert, dass beim Aushärten Schrumpfeffekte auftreten, die abträgliche Spannungen in dem Aufbau erzeugen, was sich ähnlich nachteilig auf die Stärke/Steifigkeit auswirkt.
Nach der Entnahme des auf diese Weise ausgebildeten Rades aus der Imprägnierform wird das Rad endbearbeitet und mit einer UV-beständigen Kunststoffkappe 20 bereitgestellt, die auf den Nabenabschnitt 1 gesteckt wird, beispielsweise mit Epoxid-Kleber.
Dem Durchschnittsfachmann ist klar, dass die Erfindung nicht auf die in den Zeichnungen beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen begrenzt ist, sondern alle ihre Veränderungen beinhaltet. Somit wurde in der vorhergehenden Beschreibung der Zeichnungen eine Ausführungsform eines Rades gemäß der Erfindung mit zwei schalenförmigen Nabenabschnitten 2, 3 beschrieben, die einander mit den Endflächen zugewandt sind. Die Erfindung kann jedoch auch mit einem einzelnen Nabenabschnitt angewendet werden, der in einen Felgenabschnitt eingesetzt und von einer Seite zusammengedrückt wird. In dieser Ausführungsform muss der Felgenabschnitt mindestens an der dem Nabenabschnitt gegenüberliegenden Seite schwerer ausgeführt sein.
Solche Veränderungen sind in dem Schutzumfang der anhängenden Ansprüche enthalten.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Rades aus Verbundwerkstoff, umfassend: – Aufbau von zumindest zwei getrennten Vorformen (1, 2, 3), die einen Nabenabschnitt (2, 3) bzw. einen Felgenabschnitt (1) des Rades bilden, indem Matten orientierter Fasern (5) in jede der betreffenden Vorformen eingepresst werden; – Zusammenfügen der getrennten Vorformen; – Zusammendrücken der Vorformen zu einem Ganzen; dadurch gekennzeichnet, dass Räume (14), die durch Zusammenfügen der Vorformen gebildet worden sind, mit einem nicht imprägnierbaren Material und mit einem Transportmaterial (15) gefüllt werden, das das Harz entlang vorbestimmter Pfade durch den Raum (14) lenkt; und dadurch, dass dieses zusammengedrückte Ganze mit einem Kunstharz imprägniert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorformen aufgebaut werden durch: – Konstruktion des Nabenabschnitts (3) in Gestalt einer Schale, so dass eine Endfläche (6) davon sich in der radialen Richtung des zu bildenden Rades (4) erstreckt und dass eine erhabene Kante (7) sich vorwiegend in der axialen Richtung des zu bildenden Rades erstreckt, und – Konstruktion des Felgenabschnitts (1) so, dass der erhabene Kantenabschnitt des Nabenabschnitts sich zumindest über einen Teil der Innenseite (8) des Felgenabschnitts erstreckt, wenn die Vorformen zusammengefügt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorformen zusammengefügt werden durch Einsetzen von zwei schalenförmigen Nabenabschnitten (2, 3), die einander mit den Endflächen zugewandt sind, von beiden Seiten her in axialer Richtung in einen Felgenabschnitt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material, das nicht durch Harz imprägniert werden kann, Polyurethan (13) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Transportmaterial aus Glasfaserstreifen besteht.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorformen aufgebaut werden durch – Ausschneiden von Matten (5) aus grösseren gewebten Fasermatten, wobei im Webmuster die beiden Faserorientierungen im Wesentlichen quer zueinander ausgerichtet sind und die Matten mit einem Mittel versehen werden, das unter dem Einfluss von Hitze bindet; – Orientierung der Fasern der Matten im Wesentlichen in einer Umfangsrichtung und/oder in einer Radialrichtung der Vorform; und – Aufrechterhaltung der Gestalt der Matten unter Vakuum und Aufheizen der Matten, bis die Vorform (1, 2, 3) gebildet worden ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Orientierung der Fasern um höchstens 10° von der radialen/tangentialen Richtung des zu bildenden Rades abweicht.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Orientierung der Fasern um höchstens 5° von der radialen/tangentialen Richtung abweicht.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von in einer ersten Richtung ausgerichteten Fasern zu quer zu dieser ersten Richtung ausgerichteten Fasern im Bereich von 0,7 bis 1,4 je Gewichtseinheit liegt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis 1 je Gewichtseinheit beträgt.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorformen 1 mit Matten (5) aufgebaut werden, die eine verhältnismässig geringe Grösse und eine vorbestimmte, festgelegte Grundform besitzen.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fertigung des Rades als weitere Schritte umfasst: – Anbringen einer Anzahl von Ausbohrungen (10) im zusammengedrückten Ganzen; und – Einbringen von straft sitzenden Metallmuffen (16) in diese Ausbohrungen vor dem Imprägnierungsschritt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Imprägnierungsschritt ausgeführt wird durch: – Einspritzen von Kunstharz in das zusammengedrückte Ganze in einer Richtung im Wesentlichen in der gleichen Ebene wie die Endfläche (6) des Nabenabschnitts (2, 3).