WO2013030106A1 - Rad für ein kraftfahrzeug - Google Patents

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WO2013030106A1
WO2013030106A1 PCT/EP2012/066491 EP2012066491W WO2013030106A1 WO 2013030106 A1 WO2013030106 A1 WO 2013030106A1 EP 2012066491 W EP2012066491 W EP 2012066491W WO 2013030106 A1 WO2013030106 A1 WO 2013030106A1
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WO
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wheel
fibers
rim
wheel according
polyamide
Prior art date
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PCT/EP2012/066491
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English (en)
French (fr)
Inventor
Heiko Heß
Jörg Schnorr
Walter Rau
Sven WENIGMANN
Original Assignee
Basf Se
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Publication date
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Priority to CN201280041699.5A priority patent/CN103764407B/zh
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Priority to EP12761558.1A priority patent/EP2748012A1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60B—VEHICLE WHEELS; CASTORS; AXLES FOR WHEELS OR CASTORS; INCREASING WHEEL ADHESION
    • B60B5/00—Wheels, spokes, disc bodies, rims, hubs, wholly or predominantly made of non-metallic material
    • B60B5/02—Wheels, spokes, disc bodies, rims, hubs, wholly or predominantly made of non-metallic material made of synthetic material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60B—VEHICLE WHEELS; CASTORS; AXLES FOR WHEELS OR CASTORS; INCREASING WHEEL ADHESION
    • B60B2360/00—Materials; Physical forms thereof
    • B60B2360/30—Synthetic materials

Definitions

  • the invention relates to a wheel for motor vehicles, comprising a rim with rim tape for receiving a tire and a rim star or a wheel disc, wherein in the rim star or in the wheel disc passage openings for fastening means for attachment of the wheel are formed on a hub on the motor vehicle, wherein the wheel is made of a polymer material.
  • wheels for motor vehicles are made of metallic materials, usually steel or aluminum.
  • the wheel is generally fastened to the motor vehicle by means of ball head screws or conical head bolts on a wheel support, usually a brake drum or brake disk.
  • a wheel support usually a brake drum or brake disk.
  • z. B. sought to manufacture as many components of the motor vehicle from materials with low weight, such as plastics, and to replace the current metallic materials with plastics. From DE-U 297 06 229 it is already known to manufacture wheels for a motor vehicle from a fiber-reinforced plastic. However, due to the large forces that are transmitted to the wheel, the plastic of the wheel tends to creep, which can lead to a deformation of the wheel. Fiber reinforcement is generally not sufficient to prevent creep and the associated deformation.
  • a wheel made of a plastic material is also known from DE-A 42 23 290.
  • a composite resin wheel with two or more part castings is assembled into a single unit.
  • at least one of the part castings comprises a long-fiber reinforced thermosetting resin and the other part cast metal and / or a fiber-reinforced plastic.
  • One of the partial casting pieces is generally the rim tape or a part of the rim tape, and the second part casting of the rim star or the wheel disc.
  • the subdivision of rim tape and wheel disc or rim star has the additional disadvantage that at the junction of the forces acting on the wheel forces must be transmitted, in which case by the additional connection a vulnerability may arise.
  • Object of the present invention is to provide a wheel for a motor vehicle, which has a construction similar to a wheel made of a metallic material of a similar construction and has sufficient stability for the ongoing operation of the motor vehicle.
  • a wheel for a motor vehicle comprising a rim with rim tape for receiving a tire and a rim star or a wheel disc, wherein formed in the rim star or in the wheel disc through holes for fastening means for fastening the wheel to a hub on the motor vehicle are, wherein the wheel is made of a polymer material and in the rim strip for reinforcement at least one reinforcing element is added.
  • the actual rim of the wheel is additionally reinforced, resulting in a higher stability of the wheel made of the polymer material.
  • the reinforcing element in the rim tape is avoided that the wheel is damaged from the polymer material, when the actual rim, including inner and outer rim flange, Hump, rim shoulder and rim well, is heavily loaded.
  • Such a heavy load on the actual rim occurs, for example, when mounting and filling a tire on the wheel and also during operation of the wheel, for example when driving through potholes, at curbside removers or load cases such as curb crossings.
  • the at least one reinforcing element can be formed over the entire width of the rim band. Alternatively, it is also possible to reinforce only particularly heavily loaded areas by the at least one reinforcing element. It is thus possible, for example, for the area from the inner horn to the outer horn, including the rim base and rim shoulder, to be reinforced or for individual areas between the inner and outer horns and / or the outer horn and / or the inner horn to be reinforced by inserted reinforcing elements.
  • thermoset or a thermoplastic material is used as the material for the wheel.
  • This can be filled or unfilled.
  • preferably filled polymers are used. Suitable polymers are, for example, natural and synthetic polymers or their derivatives, natural resins and also synthetic resins and their derivatives, proteins, cellulose derivatives and the like. These can, but do not have to be, chemically or physically curing, for example air-hardening, radiation-curing or temperature-curing.
  • copolymers or polymer mixtures are ABS (acrylonitrile-butadiene-styrene); ASA (acrylonitrile-styrene-acrylate); acrylated acrylates; alkyd resins; Alkylenvinylacetate; Alkylene vinyl acetate copolymers, especially methylene vinyl acetate, ethylene vinyl acetate, butylene vinyl acetate; Alkylenvinylchlorid copolymers; amino resins; Aldehyde and ketone resins; Cellulose and cellulose derivatives, in particular hydroxyalkylcellulose, cellulose esters, such as acetates, propionates, butyrates, carboxyalkylcelluloses, cellulose nitrates; epoxy acrylates; epoxy resins; modified epoxy resins, for example bifunctional or polyfunctional bisphenol A or bisphenol F resins, epoxy novolac resins, brominated epoxy resins,
  • polymers can be used.
  • Particularly preferred polymers are acrylates, acrylate resins, cellulose derivatives, methacrylates, methacrylate resins, melamine and amino resins, polyalkylenes, polyimides, epoxy resins, modified epoxy resins, for example bifunctional or polyfunctional bisphenol A or bisphenol F resins, epoxy resins.
  • Novolac resins brominated epoxy resins, cycloaliphatic epoxy resins; aliphatic epoxy resins, glycidyl ethers, cyanate esters, vinyl ethers, phenolic resins, polyimides, melamine resins and amino resins, polyurethanes, polyesters, polyvinyl acetals, polyvinyl acetates, polystyrenes, polystyrene copolymers, polystyrene acrylates, styrene-butadiene block copolymers, styrene-acrylonitrile copolymers, acrylonitrile-butadiene Styrene, acrylonitrile-styrene acrylate, polyoxymethylene, polysulfones, polyethersulfones, polyphenylene sulfone, polybutylene terephthalate, polycarbonates, alkylene vinyl acetates and vinyl chloride copolymers, polyamides,
  • polymers are polyamides, for example polyamide 4, polyamide 6, polyamide 7, polyamide 8, polyamide 9, polyamide 1 1, polyamide 12, polyamide 46, polyamide 66, polyamide 69, polyamide 610, polyamide 612, polyamide 613, polyamide 1212, Polyamide 1313, Polyamide 6T, Polyamide 9T, Polyamide MXD6, Polyamide 61, Polyamide 6-3-T, Polyamide 6 / 6T, Polyamide 6/66, Polyamide 6/12, Polyamide 66/6/610, Polyamide 6I / 6T , Polyamide PACM 12, polyamide 6I / 6T / PACM, polyamide 12 / MACMI, polyamide 12 / MACMT or polyamide PDA-T, preferably polyamide 46, polyamide 6, polyamide 1 1, polyamide 12, polyamide 66, polyamide 66/6, polyamide 6/10 or polyamide 6/12 and partly aromatic polyamide, for example 6T / 6, 6T / 66, 6T / 6I, polypropylene, polysulfones, poly
  • the individual polymers can be mixed with conventional additives, for example plasticizers, crosslinkers, impact modifiers or flame retardants.
  • the polymer material is preferably reinforced.
  • the polymer material is fiber-reinforced.
  • any fiber known to the person skilled in the art and used for reinforcement can be used.
  • Suitable fibers are, for example, glass fibers, carbon fibers, aramid fibers, boron fibers, basalt fibers, metal fibers, mineral fibers or potassium titanate fibers.
  • the fibers can be used in the form of short fibers, long fibers or continuous fibers.
  • the fibers may be ordered or disordered in the polymeric material. In particular, when using continuous fibers, however, an orderly arrangement is common.
  • the fibers can be used for example in the form of single fibers, fiber strands, mats, fabrics, knits or rovings.
  • the fibers When the fibers are used in the form of continuous fibers, as rovings or as a fiber mat, the fibers usually become placed in a mold and then encapsulated with the polymer material.
  • the wheel body thus produced may be single-layered or multi-layered. In a multilayer structure, the fibers of the individual layers may each be rectified or the fibers of the individual layers are twisted at an angle of -90 ° to + 90 ° to each other.
  • short fibers are understood as meaning fibers having a length in the granules of less than 5 mm.
  • Long fibers are fibers in a granulate having a length in the range of 5 to 30 mm, preferably in the range of 7 to 20 mm.
  • the long fibers are generally shortened, so that in the finished component they generally have a length which can range from 0.1 mm to the maximum dimension of the granules used.
  • the maximum length is in the range of up to 12 mm.
  • the maximum length of the fibers may also be higher.
  • Long fibers are preferably used. When using long fibers, these are usually added to the polymer composition before curing.
  • the main body of the wheel body can be made for example by extrusion, injection molding or casting. Preferably, the entire wheel body is manufactured by injection molding or casting. In general, the long fibers are contained undirected in the wheel body. When the wheel body is manufactured by an injection molding process, alignment of the long fibers may result from the compression of the polymer mass containing the fibers by a injection nozzle into the tool.
  • the proportion of fibers in the polymer composition is preferably from 30 to 70% by weight, in particular from 45 to 65% by weight.
  • the polymer material contains a mixture of short fibers and long fibers.
  • the proportion of long fibers in the total fiber content is preferably 5 to 95 wt .-% and the proportion of short fibers corresponding to 95 to 5 wt .-%.
  • the proportion of long fibers based on the total fiber content in the range of 15 to 85 wt .-% and the proportion of short fibers is correspondingly at 85% to 15 wt .-%.
  • any other fillers which are known to the person skilled in the art and which act to increase their stiffness and / or strength can also be contained in the plastic material. These include, among other things, any particles without preferential direction. Such particles are generally spherical, platy or cylindrical. The actual shape of the particles may be idealized Diverge form. Thus, in particular, spherical particles can in reality also be drop-shaped or flattened, for example.
  • fibers used reinforcing materials are for example graphite, chalk, talc and nanoscale fillers.
  • reinforcement glass fibers or carbon fibers are used.
  • Particularly preferred as the material for producing the rim are glass fiber reinforced polyamides.
  • polyamides When polyamides are used for reinforcement, it is possible to produce the rim by a so-called polyamide RIM process. For this purpose, continuous fibers are inserted into a tool and impregnated with a monomer solution. Subsequently, the monomer solution is cured to the polymer.
  • the reinforcement of the rim tape is formed by reinforcing elements in the form of ropes, which are received in the rim strip in the circumferential direction.
  • reinforcing elements in the form of ropes, which are received in the rim strip in the circumferential direction.
  • rope is understood to mean an elongated, flexible, elastic element for the transmission of tensile forces consisting of twisted fibers or wires.
  • the reinforcing elements for example, by connecting cables with axially aligned threads to form a fabric. These fabrics can then be easily inserted into the mold for the production of the wheel.
  • Another alternative, connecting the ropes together, is to cover them with a polymer mass. It is also possible, for example, to impregnate the ropes with a monomer composition in the form of the wheel, so that the ropes can then be inserted into the mold for the production of the wheel and then cure the polymer material. By curing the polymer material, the ropes take on the desired shape.
  • the ropes are made, for example, metals such as steel, titanium or aluminum; Aramid, carbon, glass, cellulose, basalt, mineral, boron, potassium titanate or plastic or a combination of these. Particular preference is given to using metals, glass, carbon or aramid for the cables.
  • plastics are chosen as the material for the ropes, so are in particular polyamides, polyolefins, liquid crystalline polyesters (LCP) and ultra-high molecular weight polyethylenes (UHMW-PE).
  • the reinforcing element is an insert fitted to the shape of the rim tape.
  • the width of such a liner is selected according to the desired width over which the reinforcement is to extend.
  • insert which are used for reinforcement, for example, metal sheets or sheets of organic can be used. It is also possible to use rings made of a metal, a reinforced polymer or a ceramic insert for reinforcing the rim of the wheel.
  • the insert is a metal sheet, it is preferably cut to the desired width and brought to a length corresponding to the desired extent of the required Einlegerers. Subsequently, the metal sheet is formed into a ring and optionally adapted to the cross-sectional geometry of the rim strip.
  • an organic sheet is to be used for reinforcement, it is firstly possible to use already cured organo sheets and bring them under heat to the desired shape, alternatively, it is also possible to use for reinforcement semi-finished products during the manufacturing process of the wheel cure to the finished organic sheet.
  • the fiber reinforcement is realized here by continuous fibers.
  • the fibers may be in the form of loops, woven fabrics, knitted fabrics, knitted fabrics or braids with one, two or three-dimensional arrangement of the fibers.
  • a one-dimensional classification in this context means that the individual endless fibers are aligned parallel to one another.
  • a two-dimensional arrangement means that fibers are parallel to each other in a first direction. are aligned and twisted fibers in a second direction.
  • the fibers are twisted at an angle of 45 ° to 90 °, in particular of 90 ° to each other, wherein an angle of 90 ° also includes small deviations, which may result from the laying of the fibers.
  • fibers are additionally contained which extend with a portion perpendicular to the other fiber directions.
  • thermoplastic polymer When a thermoplastic polymer is used, it is possible to shape the organic sheets after the polymer material has hardened by heating and then shaping them. In the case of a thermosetting polymer matrix, it is necessary to produce the organic sheet already in the desired form, since later forming is no longer possible.
  • thermosetting polymer matrix it is necessary to produce the organic sheet already in the desired form, since later forming is no longer possible.
  • a plastic reinforcement insert When a plastic reinforcement insert is to be used for reinforcement, it may be produced, for example, by injection molding, injection compression molding, blow molding or polyamide RIM. In the polyamide RIM process, a monomer solution is introduced into a tool and cured in the tool.
  • a plastic is used as a material for the insert used as a reinforcing element to also reinforce the Kunststoffsoff.
  • short fibers, long fibers or continuous fibers can be used. It is particularly preferred to use long fibers or continuous fibers for reinforcing the plastic for the insert.
  • rings are used for reinforcement, which are inserted into the rim strip, they can be made of a metal, a reinforced polymer, an organic sheet or a ceramic.
  • a reinforced polymer in contrast to an organic sheet, is understood as meaning a polymer which is reinforced with short fibers or with long fibers.
  • rings of metal when rings of metal are used, they can be formed from a sheet of metal by bending. Alternatively, it is also possible to cast or forge the rings, for example. When rings are used from a ceramic are usually made by casting and subsequent firing.
  • a polyamide RIM process in a winding process, such as thermoset wrapping, wet winding or thermoplastic winding, in a tape laying process such as thermoset tape or thermoplastic tape in a compression molding process, an injection molding process, an injection compression molding process, an extrusion process, a resin infusion process, a resin injection process or blow molding.
  • the insert comprises rings made of a continuous fiber-reinforced polymer, wherein the rings in a weaving process, in a knitting process, in a braiding process or in a Faserablegeclar, for example Tailored Fiber Placement, and a subsequent resin infusion process or in a subsequent resin injection process or in a subsequent polyamide RIM process can be produced.
  • Suitable metals are for example steel, titanium, aluminum or magnesium.
  • the passage openings are reinforced.
  • the reinforcement of the passage opening can for example take place in that in each case a sleeve of a metal or a ceramic is accommodated in the passage openings for receiving fastening means, which is positively connected to the polymer material of the wheel.
  • the sleeves avoid that the wheel begins to flow in the area of the through openings due to the high-acting forces and thus deforms.
  • the sleeve used for stability in a passage opening is preferably connected positively to the polymer material of the wheel.
  • the positive connection of the sleeve of the metal or ceramic is achieved in that in the manufacture of the wheel, first the sleeves are inserted into a tool and then the sleeves are encapsulated with the polymer material for the wheel body.
  • the metal for the sleeves for example, aluminum, titanium or magnesium are suitable, wherein the metals may also be present as mixtures or in the form of alloys. If iron is used, this is preferably present as steel.
  • the sleeves can also be manufactured as cast iron parts, in which case the iron can be used both as cast steel and as gray cast iron.
  • Suitable ceramics from which the sleeves can be made are, for example, ceramics based on aluminum oxide or silicon oxide.
  • an adapter which is connected in the region of the hub with the rim star or the wheel disc, wherein the adapter has elevations, which are in recesses in the Intervene area of the rim star or the wheel disc.
  • the wheel is then fastened with the adapter to an axle of the motor vehicle.
  • the adapter may be integrally formed with the wheel support on the vehicle axle or may be a separate part, in which case the adapter may be integrally formed with the wheel and has at least one surface in contact with the wheel support on the vehicle axle.
  • the adapter may be made of the same metals as described above for the sleeves. Alternatively, it is also possible to manufacture the adapter from a ceramic.
  • the adapter has for transmitting force surveys, which engage in recesses in the rim star or in the wheel disc.
  • the preparation of the wheel is preferably carried out by an injection molding or casting process, wherein in each case before injection or pouring of the polymer material, the material for the reinforcing elements is inserted into the tool.
  • FIG. 1 shows a section through a wheel of a motor vehicle with a reinforcement of the rim tape in a first embodiment
  • FIG. 2 shows a section through a wheel of a motor vehicle with a reinforcement of the rim strip in a second embodiment
  • FIG. 3 shows a section through a wheel of a motor vehicle with a reinforcement of the rim strip in a third embodiment
  • FIG. 4 shows a section through a wheel of a motor vehicle with a reinforcement of the rim strip in a fourth embodiment
  • FIG. 1 shows a wheel of a motor vehicle with a reinforcement of the rim strip in a first embodiment.
  • a wheel 1 for a motor vehicle comprises a wheel body 3 and a cover 5.
  • the wheel 1 comprises only the wheel body 3 and has no diaphragm.
  • an aperture can also be provided on each side of the wheel body 3.
  • the wheel body 3 is made of a polymer material.
  • the polymer material is preferably reinforced.
  • fibers in the form of short fibers, long fibers or continuous fibers can be used. Preference is given to the use of long fibers.
  • the polymer material for the wheel body 3 are thermoplastic or thermosetting polymers, as described above.
  • the wheel center 3 comprises a rim strip 7 for receiving a tire and a rim star 9.
  • the rim star 9 has through holes 13 through which fastening means for fastening the wheel body 3 to a vehicle axle, usually a brake drum or brake disk, can be guided.
  • a sleeve 15 is preferably received in the through hole 13, a sleeve 15 is preferably received.
  • the sleeve is usually made of a metal or a ceramic and is preferably poured in the manufacture of the wheel body 3, so that the sleeve 15 is positively connected to the wheel body 3.
  • an insert 16 may also be provided which forms a contact surface for the assembly of the wheel 1. In this case, it is possible to provide inserts 16 and sleeves 15 as separate components or to form the sleeves 15 in one piece with the insert 16.
  • wheel bolts 17 are used as suitable fastening means, for example.
  • the wheel bolts 17 allow a detachable connection of the wheel body 3 with the vehicle axle, so that z. B. in case of damage to the wheel or a necessary tire change the wheel can be easily removed.
  • the rim tape 7 usually comprises an outer rim bed 19. At its outer edges, the outer rim 19 is closed with a rim flange 21.
  • the rim flange 21 serves to hold a tire mounted on the wheel 1. In this case, the tire is pressed with its outer side against the rim flange 21.
  • the outer rim 19 has so-called humps 23.
  • the side wall of the wound-up tire is thus held between the rim band 21 and the hump 23, the hump 23 resting against the inside of the tire wall.
  • a panel 5 can be used for additional stabilization of the wheel 1 and alternatively or additionally as a design element. For this it is possible to form the panel in any shape. By a corresponding design of the diaphragm 5, it is also possible that this is used to improve the aerodynamics of the motor vehicle.
  • a panel 5 If a panel 5 is used, then it can be connected non-positively, materially or positively with the wheel body 3. In the embodiment shown here, the diaphragm 5 is positively connected to the wheel body 3.
  • Possible form-fitting connections of the diaphragm 5 with the wheel body 3 are, for example, gluing or welding.
  • Suitable frictional connections are, for example, screw, rivet or connections by clips.
  • the rim tape 7 is reinforced according to the invention.
  • ropes 29 are inserted into the rim strip 7 for reinforcement in the rim tape 7 respectively in the region of the rim flanges 21 and the humps 23.
  • the ropes 29 can be interwoven with threads 31 and thus form a tissue.
  • Suitable materials for the cables are, for example, metals, for example aluminum, titanium, iron, in particular steel, aramid, glass, basalt, carbon, boron, potassium titanate, mineral, cellulose or polymers with a higher strength than the polymer of the rim tape. 7 is made.
  • Polymers from which the ropes can be made for reinforcement are, for example, polyamides, polyolefins, liquid crystalline polyesters (LCP) and ultra-high molecular weight polyethylenes (UHMW-PE).
  • Ropes 29 made of a metal, in particular steel cables, are particularly preferably used for reinforcement.
  • any material can be made from the threads.
  • Suitable materials are, for example, synthetic fibers, for example of polyamide, of polyester, of polypropylene, of viscose or of polyethylene or natural fibers such as wool, cellulose or cotton.
  • a metal can be used as a material for the thread 31.
  • the rim tape 7 is reinforced only in the area of the rim flanges 21 and the humps 23. In the middle region, the rim tape 7 is not reinforced. In this case, the reinforcement serves to reinforce the rim tape 7 at the contact area of a tire that is being pulled onto the rim tape 7.
  • FIG. 2 shows a wheel 1 for a motor vehicle in a second embodiment.
  • the reinforcement of the rim strip 7 is not interrupted in the embodiment shown in FIG. 2, but the entire rim strip 7 is reinforced over the entire axial width.
  • ropes 29 are also used, which may optionally be interwoven with threads 31 to a commercial.
  • FIG. 1 Another embodiment for a motor vehicle wheel is shown in FIG. 1
  • the annular reinforcing member 33 As a material for the annular reinforcing member 33 is z. As a metal, such as aluminum, titanium or iron, for example steel or an organic sheet is used. An organic sheet is understood to be an endless-fiber-reinforced polymer material.
  • the rim tape is also reinforced by an annular reinforcing member 33, wherein in the embodiment shown in Figure 4, the annular reinforcing member 33 extends over the entire axial width of the rim strip 7. Also in the embodiment illustrated in FIG. 7, the annular reinforcing element 33 is made, for example, from a metal sheet or an organic sheet.
  • the annular reinforcing element 33 is here also preferably adapted to the contour of the outer rim base 19.
  • annular reinforcing element 33 made of a metal or an organic sheet
  • the annular reinforcing element 33 is also possible to design the annular reinforcing element 33 as a ring made of a reinforced polymer or a ceramic.
  • a reinforced polymer in contrast to an organic sheet, is understood as meaning a polymer reinforced with short fibers or with long fibers.
  • the reinforced polymer material, from which the annular reinforcing element 33 is formed thereby a higher strength than the polymer material from which the rim strip 7 is made.
  • the panel 5 has a sacrificial rib 27.
  • the sacrificial rib 27 serves to protect the wheel 1 from damage, eg. B. by contact with a curb.
  • the sacrificial rib 27 is preferably arranged annularly around the axis of the wheel 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rad für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Radkörper (3) mit Felgenband (7) zur Aufnahme eines Reifens sowie ein Felgenstern (9) oder eine Radscheibe, wobei in dem Felgenstern (9) oder in der Radscheibe Durchgangsöffnungen (13) für Befestigungsmittel zur Befestigung des Rades an einer Nabe am Kraftfahrzeug ausgebildet sind. Das Rad (1) ist aus einem Polymermaterial gefertigt und im Felgenband (7) ist zur Verstärkung mindestens ein Verstärkungselement (29; 33) aufgenommen.

Description

Rad für ein Kraftfahrzeug
Beschreibung Die Erfindung geht aus von einem Rad für Kraftfahrzeug, umfassend eine Felge mit Felgenband zur Aufnahme eines Reifens sowie einen Felgenstern oder eine Radscheibe, wobei in dem Felgenstern oder in der Radscheibe Durchgangsöffnungen für Befestigungsmittel zur Befestigung des Rades an einer Nabe am Kraftfahrzeug ausgebildet sind, wobei das Rad aus einem Polymermaterial gefertigt ist.
Derzeit werden Räder für Kraftfahrzeuge aus metallischen Werkstoffen, üblicherweise aus Stahl oder Aluminium, gefertigt. Das Rad wird im Allgemeinen mit Kugelkopfschrauben oder Kegelkopfschrauben an einer Radhalterung, üblicherweise einer Bremstrommel oder Bremsscheibe, am Kraftfahrzeug befestigt. Hierdurch wird das Rad gegen die Halterung gepresst und die Kraftübertragung vom Antrieb des Fahrzeugs an das Rad wird durch Reibung zwischen dem Rad und der Anlagefläche des Rades an der Radhalterung realisiert.
Zur Reduzierung des Kraftstoff-Verbrauchs des Kraftfahrzeugs und damit der Energie- einsparung soll das Gewicht des Kraftfahrzeugs reduziert werden. Hierzu wird z. B. angestrebt, möglichst viele Komponenten des Kraftfahrzeugs aus Werkstoffen mit geringem Gewicht, beispielsweise aus Kunststoffen, zu fertigen und die derzeitigen metallischen Werkstoffe durch Kunststoffe zu ersetzen. Aus DE-U 297 06 229 ist es bereits bekannt, Räder für ein Kraftfahrzeug aus einem faserverstärkten Kunststoff zu fertigen. Aufgrund der großen Kräfte, die an das Rad übertragen werden, neigt der Kunststoff des Rades jedoch zum Kriechen, was zu einer Verformung des Rades führen kann. Hierbei ist auch die Verstärkung aus Fasern im Allgemeinen nicht ausreichend, um das Kriechen und die damit verbundene Verfor- mung zu verhindern. Zudem führt ein zu großer Anteil an Fasern, der eine ausreichende Festigkeit bezüglich der Kriechneigung gewährleisten würde, dazu, dass der Werkstoff, aus dem die Felge gefertigt wird, zu spröde wird und damit den Belastungen beim Fahren mit dem Kraftfahrzeug nicht standhält. Dies zeigt sich z. B. durch Risse in der Felge, die bis zum Bruch führen können.
Ein Rad aus einem Kunststoffmaterial ist ebenfalls aus DE-A 42 23 290 bekannt. Hierbei wird ein Verbund-Kunstharzrad mit zwei oder mehr Teilgussstücken zu einer einzigen Baueinheit zusammengefügt. Hierbei umfasst mindestens eines der Teilgussstücke ein mittels Langfasern verstärktes wärmehärtendes Kunstharz und das andere Teilgussstück Metall und/oder einen faserverstärkten Kunststoff. Eines der Teilguss- stücke ist dabei im Allgemeinen das Felgenband oder ein Teil des Felgenbandes, und das zweite Teilgussstück der Felgenstern oder die Radscheibe. Die Unterteilung von Felgenband und Radscheibe bzw. Felgenstern hat den zusätzlichen Nachteil, dass an der Verbindungsstelle die auf das Rad wirkenden Kräfte übertragen werden müssen, wobei hier durch die zusätzliche Verbindung eine Schwachstelle entstehen kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Rad für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, das bei einer Konstruktion in Anlehnung an ein Rad aus einem metallischen Werkstoff eine vergleichbare Konstruktion aufweist und eine ausreichende Stabilität für den laufenden Betrieb des Kraftfahrzeuges hat.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Rad für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Felge mit Felgenband zur Aufnahme eines Reifens sowie ein Felgenstern oder eine Radscheibe, wobei in dem Felgenstern oder in der Radscheibe Durchgangsöffnungen für Befesti- gungsmittel zur Befestigung des Rades an einer Nabe am Kraftfahrzeug ausgebildet sind, wobei das Rad aus einem Polymermaterial gefertigt ist und im Felgenband zur Verstärkung mindestens ein Verstärkungselement aufgenommen ist.
Durch das Verstärkungselement im Felgenband wird die eigentliche Felge des Rades zusätzlich verstärkt, wodurch eine höhere Stabilität des aus dem Polymermaterial gefertigten Rades resultiert. Durch das Verstärkungselement im Felgenband wird vermieden, dass das Rad aus dem Polymermaterial beschädigt wird, wenn die eigentliche Felge, umfassend inneres und äußeres Felgenhorn, Hump, Felgenschulter und Felgenbett, stark belastet wird. Eine solche starke Belastung der eigentlichen Felge tritt zum Beispiel beim Aufziehen und Befüllen eines Reifens auf das Rad auf und weiterhin beim Betrieb des Rades, zum Beispiel bei Fahrten durch Schlaglöcher, bei Bordstein- remplern oder Lastfällen wie Bordsteinüberfahrten.
Das mindestens eine Verstärkungselement kann über die gesamte Breite des Felgen- bandes ausgebildet sein. Alternativ ist es auch möglich, nur besonders stark belastete Bereiche durch das mindestens eine Verstärkungselement zu verstärken. So ist es zum Beispiel möglich, dass der Bereich vom Innenhorn zum Außenhorn inklusive Felgenbett und Felgenschulter verstärkt wird oder auch nur einzelne Bereiche zwischen dem Innen- und Außenhorn und/oder das Außenhorn und/oder das Innenhorn durch eingelegte Verstärkungselemente verstärkt werden.
Erfindungsgemäß wird als Material für das Rad ein duroplastischer oder ein thermoplastischer Kunststoff eingesetzt. Dieser kann gefüllt oder ungefüllt eingesetzt werden. Bevorzugt werden jedoch gefüllte Polymere verwendet. Als Polymere eignen sich zum Beispiel natürliche und synthetische Polymere oder deren Derivate, Naturharze sowie synthetische Harze und deren Derivate, Proteine, Cel- lulose-Derivate und dergleichen. Diese können - müssen jedoch nicht - chemisch oder physikalisch härtend, beispielsweise luftaushärtend, Strahlungshärtend oder tempera- turhärtend, sein.
Neben Homopolymeren können auch Copolymere oder Polymergemische eingesetzt werden. Bevorzugte Polymere sind ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol); ASA (Acrylnitril-Styrol- Acrylat); acrylierte Acrylate; Alkydharze; Alkylenvinylacetate; Alkylenvinylacetat- Copolymere, insbesondere Methylenvinylacetat, Ethylenvinylacetat, Butylenvinylacetat; Alkylenvinylchlorid-Copolymere; Aminoharze; Aldehyd- und Ketonharze; Cellulose und Cellulose-Derivate, insbesondere Hydroxyalkylcellulose, Celluloseester, wie -acetate, -Propionate, -butyrate, Carboxyalkylcellulosen, Cellulosenitrate; Epoxyacrylate; Epoxidharze; modifizierte Epoxidharze, zum Beispiel bifunktionelle oder polyfunktionelle Bisphenol-A- oder Bisphenol-F-Harze, Epoxy-Novolak-Harze, bromierte Epoxidharze, cycloaliphatische Epoxidharze; aliphatische Epoxidharze, Glycidether, Vinylether, Ethylenacrylsäurecopolymere; Kohlenwasserstoffharze; MABS (transparentes ABS mit Acrylat-Einheiten enthaltend); Melaminharze; Maleinsäureanhydridcopolymerisate; (Meth)acrylate; Naturharze; Kolophoniumharze; Schellack; Phenolharze; Polyester; Polyesterharze, wie Phenylesterharze; Polysulfone (PSU); Polyethersulfone (PESU); Polyphenylensulfon (PPSU); Polyamide; Polyimide; Polyaniline; Polypyrole; Polybutylenterephthalat (PBT); Polycarbonate (zum Beispiel Makroion® der Bayer AG); Polyesteracrylate; Polyetheracrylate; Polyethylen; Polyethylenthiophene; Polyethylennaphthalate; Polyethylenterephthalate (PET); Polyethylenterephthalat- Glycol (PETG); Polypropylen; Polymethylmethacrylat (PMMA); Polyphenylenoxid (PPO); Polyoxymethylen (POM); Polystyrole (PS); Polytetrafluorethylen (PTFE); Polytetrahydrofuran; Polyether (zum Beispiel Polyethylenglycol, Polypropylenglycol); Polyvinyl-Verbindungen, insbesondere Polyvinylchlorid (PVC), PVC-Copolymere, PVdC, Polyvinylacetat sowie deren Copolymere, gegebenenfalls teilhydrolisierter Poly- vinylalkohol, Polyvinylacetale, Polyvinylacetate, Polyvinylpyrrolidon, Polyvinylether, Polyvinylacrylate und -methacrylate in Lösung und als Dispersion sowie deren Copolymere, Polyacrylsäureester und Polystyrolcopolymere; Polystyrol (schlagfest oder nicht schlagfest modifiziert); Polyurethane, unvernetzte bzw. mit Isocyanaten vernetzt; Polyurethanacrylate; Stryrol-Acrylnitril (SAN); Styrol-Acryl-Copolymere; Styrol- Butadien-Blockcopolymere (zum Beispiel Styroflex® oder Styrolux® der BASF SE, K- Resin™ der TPC); Proteine, zum Beispiel Casein; SIS; Triazin-Harz, Bismaleimid- Triazin-Harz (BT), Cyanatester-Harz (CE), allylierter Polyphenylen-Ether (APPE). Wei- terhin können Mischungen zweier oder mehrerer Polymere eingesetzt werden. Besonders bevorzugte Polymere sind Acrylate, Acrylatharze, Cellulose-Derivate, Meth- acrylate, Methacrylatharze, Melamin- und Aminoharze, Polyalkylene, Polyimide, Epoxidharze, modifizierte Epoxidharze, zum Beispiel bifunktionelle oder polyfunktionelle Bisphenol-A- oder Bisphenol-F-Harze, Epoxy-Novolak-Harze, bromierte Epoxid-Harze, cycloaliphatische Epoxid-Harze; aliphatische Epoxid-Harze, Glycidether, Cyanatester, Vinylether, Phenolharze, Polyimide, Melaminharze und Aminoharze, Polyurethane, Polyester, Polyvinylacetale, Polyvinylacetate, Polystyrole, Polystyrol-Copolymere, Polystyrolacrylate, Styrol-Butadien-Blockcopolymere, Styrol-Acrylnitril-Copolymere, Acrylnitril-Butadien-Styrol, Acrylnitril-Styrol-Acrylat, Polyoxymethylen, Polysulfone, Polyethersulfone, Polyphenylensulfon, Polybutylenterephthalat, Polycarbonate, Alkylenvinylacetate und Vinylchlorid-Copolymere, Polyamide, Cellulose-Derivate sowie deren Copolymere und Mischungen zweier oder mehrerer dieser Polymere. Insbesondere bevorzugte Polymere sind Polyamide, beispielsweise Polyamid 4, Polyamid 6, Polyamid 7, Polyamid 8, Polyamid 9, Polyamid 1 1 , Polyamid 12, Polyamid 46, Polyamid 66, Polyamid 69, Polyamid 610, Polyamid 612, Polyamid 613, Polyamid 1212, Polyamid 1313, Polyamid 6T, Polyamid 9T, Polyamid MXD6, Polyamid 61, Polyamid 6-3-T, Polyamid 6/6T, Polyamid 6/66, Polyamid 6/12, Polyamid 66/6/610, Poly- amid 6I/6T, Polyamid PACM 12, Polyamid 6I/6T/PACM, Polyamid 12/MACMI, Polyamid 12/MACMT oder Polyamid PDA-T, bevorzugt Polyamid 46, Polyamid 6, Polyamid 1 1 , Polyamid 12, Polyamid 66, Polyamid 66/6, Polyamid 6/10 oder Polyamid 6/12 sowie teilaromatisches Polyamid, zum Beispiel 6T/6, 6T/66, 6T/6I, Polypropylen, Polysulfone, Polyethersulfone, Polyphenylensulfone, Polybutylenterephthalat sowie deren Mischungen.
Den einzelnen Polymeren können übliche Additive, zum Beispiel Weichmacher, Vernetzer, Schlagzäh-Modifier oder Flammschutzmittel beigemischt werden. Das Polymermaterial ist vorzugsweise verstärkt. Insbesondere ist das Polymermaterial faserverstärkt. Zur Verstärkung kann jede beliebige, dem Fachmann bekannte, zur Verstärkung übliche Faser verwendet werden. Geeignete Fasern sind zum Beispiel Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Borfasern, Basaltfasern, Metallfasern, Mineralfasern oder Kaliumtitanat-Fasern. Die Fasern können in Form von Kurzfasern, Langfasern oder Endlosfasern eingesetzt werden. Auch können die Fasern geordnet oder ungeordnet im Polymermaterial enthalten sein. Insbesondere bei Einsatz von Endlosfasern ist jedoch eine geordnete Anordnung üblich. Die Fasern können dabei zum Beispiel in Form von Einzelfasern, Fasersträngen, Matten, Geweben, Gestricken oder Rovings eingesetzt werden. Wenn die Fasern in Form von Endlosfasern, als Rovings oder als Fasermatte eingesetzt werden, so werden die Fasern üblicherweise in eine Form eingelegt und anschließend mit dem Polymermaterial umgössen. Der so hergestellte Radkörper kann einlagig oder mehrlagig aufgebaut sein. Bei einem mehrlagigen Aufbau können die Fasern der einzelnen Lagen jeweils gleichgerichtet sein oder die Fasern der einzelnen Lagen sind in einem Winkel von -90° bis +90° zueinan- der verdreht.
Als Kurzfasern werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung Fasern mit einer Länge im Granulat von weniger als 5 mm verstanden. Langfasern sind Fasern in einem Granulat mit einer Länge im Bereich von 5 bis 30 mm, bevorzugt im Bereich von 7 bis 20 mm. Durch die Verarbeitung des Granulates werden die Langfasern im allgemeinen gekürzt, so dass diese im fertigen Bauteil im Allgemeinen eine Länge aufweisen, die im Bereich von 0,1 mm bis zur maximalen Abmessung des eingesetzten Granulates reichen kann. Bei üblicherweise eingesetzten Granulatgrößen liegt die maximale Länge im Bereich von bis zu 12 mm. Bei einem Granulat mit größeren Abmessungen kann die maximale Länge der Fasern auch darüber liegen.
Bevorzugt werden Langfasern eingesetzt. Bei Einsatz von Langfasern werden diese üblicherweise der Polymermasse vor dem Aushärten zugemischt. Der Grundkörper des Radkörpers kann zum Beispiel durch Extrusion, Spritzgießen oder Gießen gefertigt werden. Bevorzugt wird der gesamte Radkörper durch Spritzgießen oder Gießen gefertigt. Im Allgemeinen sind die Langfasern in dem Radkörper ungerichtet enthalten. Wenn der Radkörper durch ein Spritzgussverfahren hergestellt wird, kann sich eine Ausrichtung der Langfasern durch das Pressen der die Fasern enthaltenden Polymermasse durch eine Anspritzdüse in das Werkzeug ergeben. Der Anteil der Fa- sern in der Polymermasse liegt vorzugsweise bei 30 bis 70 Gew.-%, insbesondere bei 45 bis 65 Gew.-%.
In einer weiteren Ausführungsform enthält das Polymermaterial eine Mischung aus Kurzfasern und Langfasern. Dabei liegt der Anteil an Langfasern am Gesamtfaseranteil vorzugsweise bei 5 bis 95 Gew.-% und der Anteil an Kurzfasern entsprechend bei 95 bis 5 Gew.-%. Besonders bevorzugt liegt der Anteil an Langfasern bezogen auf den Gesamtfaseranteil im Bereich von 15 bis 85 Gew.-% und der Anteil an Kurzfasern entsprechend bei 85% bis 15 Gew.-%. Zusätzlich zu den Fasern können auch beliebige andere Füllstoffe, die dem Fachmann bekannt sind und die steifigkeits- und/oder festigkeitserhöhend wirken, im Kunststoffmaterial enthalten sein. Hierzu zählen unter anderem auch beliebige Partikel ohne Vorzugsrichtung. Derartige Partikel sind im Allgemeinen kugelförmig, plättchenförmig oder zylindrisch. Die tatsächliche Form der Partikel kann dabei von der idealisierten Form abweichen. So können insbesondere kugelförmige Partikel in der Realität zum Beispiel auch tropfenförmig oder abgeflacht sein.
Neben Fasern eingesetzte Verstärkungsmaterialien sind zum Beispiel Graphit, Kreide, Talkum und nanoskalige Füllstoffe.
Besonders bevorzugt zur Verstärkung werden Glasfasern oder Kohlenstofffasern eingesetzt. Insbesondere bevorzugt als Material zur Herstellung der Felge sind glasfaserverstärkte Polyamide.
Wenn Polyamide zur Verstärkung eingesetzt werden, so ist es möglich, die Felge durch ein sogenanntes Polyamid-RIM-Verfahren herzustellen. Hierzu werden Endlosfasern in ein Werkzeug eingelegt und mit einer Monomerlösung getränkt. Anschließend wird die Monomerlösung zum Polymer ausgehärtet.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Verstärkung des Felgenbandes durch Verstärkungselemente in Form von Seilen ausgebildet, die in Umfangsrichtung im Felgenband aufgenommen sind. Hierbei ist es möglich, jeweils einzelne Seile in der Länge des Felgenumfanges vorzusehen und als Verstärkung parallel mehrere Seile einzule- gen. Alternativ ist es auch möglich, ein Seil zu verwenden und dieses spiralförmig in dem Bereich des Felgenbandes, der verstärkt werden soll, einzulegen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist unter dem Begriff Seil ein aus zusammengedrehten Fasern oder Drähten bestehendes längliches, biegeschlaffes, elastisches Element zur Übertragung von Zugkräften zu verstehen.
Um eine einfachere Handhabung zu erhalten, ist es weiterhin auch möglich, zunächst die Verstärkungselemente zu bilden, indem zum Beispiel Seile mit in axialer Richtung ausgerichteten Fäden zu einem Gewebe miteinander verbunden werden. Diese Gewe- be können dann auf einfache Weise in die Form zur Herstellung des Rades eingelegt werden. Eine weitere Alternative, die Seile miteinander zu verbinden ist es, diese mit einer Polymermasse zu umhüllen. Hierbei ist es auch möglich, die Seile zum Beispiel mit einer Monomermasse zu tränken, in Form des Rades zu bringen, damit die Seile anschließend in die Form zur Herstellung des Rades eingelegt werden können und danach das Polymermaterial auszuhärten. Durch das Aushärten des Polymermaterials nehmen die Seile die gewünschte Form an.
Als Material, aus dem die Seile gefertigt sind, eignen sich zum Beispiel Metalle wie Stahl, Titan oder Aluminium; Aramid, Kohlenstoff, Glas, Cellulose, Basalt, Mineral, Bor, Kaliumtitanat oder Kunststoff oder einer Kombination aus diesen. Besonders bevorzugt werden Metalle, Glas, Kohlenstoff oder Aramid für die Seile eingesetzt. Wenn als Material für die Seile Kunststoffe gewählt werden, so eignen sich insbesondere Polyamide, Polyolefine, flüssigkristalline Polyester (LCP) und ultrahochmolekulare Polyethylene (UHMW-PE).
In einer alternativen Ausführungsform ist das Verstärkungselement ein an die Form des Felgenbandes eingepasster Einleger. Die Breite eines derartigen Einlegers wird entsprechend der gewünschten Breite, über die sich die Verstärkung erstrecken soll, gewählt. Weiterhin ist es auch möglich, einen entsprechenden Einleger an die Querschnittsgeometrie oder Teile der Querschnittsgeometrie des Felgenbandes anzupassen. In diesem Fall wird ein entsprechend an die Geometrie der Felge angepasster Einleger zur Verstärkung in die Felge bei der Herstellung eingelegt und anschließend mit dem Polymermaterial zur Herstellung des Rades umspritzt.
Als Einleger, die zur Verstärkung genutzt werden, können zum Beispiel Metallbleche oder Organobleche genutzt werden. Auch ist es möglich, Ringe aus einem Metall, ei- nem verstärkten Polymer oder einer Keramik als Einleger zur Verstärkung der Felge des Rades einzusetzen.
Wenn der Einleger ein Metallblech ist, so wird dieses vorzugsweise auf die gewünschte Breite geschnitten und eine Länge gebracht, die dem gewünschten Umfang des benö- tigten Einlegers entspricht. Anschließend wird das Metallblech zu einem Ring geformt und gegebenenfalls der Querschnittsgeometrie des Felgenbandes angepasst.
Wenn ein Organoblech zur Verstärkung genutzt werden soll, so ist es zum Einen möglich, bereits ausgehärtete Organobleche zu nutzen und diese unter Wärmeeinwirkung in die gewünschte Form zu bringen, alternativ ist es auch möglich, zur Verstärkung Halbzeuge zu nutzen, die während des Herstellungsprozesses des Rades zum fertigen Organoblech aushärten.
Als Organobleche im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden faserverstärkte ebe- ne Polymerteile verstanden. Die Faserverstärkung wird hierbei durch Endlosfasern realisiert. Die Fasern können dabei in Form von Gelegen, Geweben, Gewirken, Gestricken oder Geflechten mit ein-, zwei- oder dreidimensionaler Anordnung der Fasern vorliegen. Eine eindimensionale Einordnung bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die einzelnen Endlosfasern parallel zueinander ausgerichtet sind. Eine zweidi- mensionale Anordnung bedeutet, dass Fasern in einer ersten Richtung parallel zuei- nander ausgerichtet sind und dazu verdreht Fasern in einer zweiten Richtung. Bevorzugt sind die Fasern dabei in einem Winkel von 45° bis 90°, insbesondere von 90° zueinander verdreht, wobei ein Winkel von 90° auch kleine Abweichungen mit umschließt, die sich durch das Legen der Fasern ergeben können. Bei einer dreidimen- sionalen Anordnung sind zusätzlich noch Fasern enthalten, die sich mit einem Teil senkrecht zu den anderen Faserrichtungen erstrecken.
Die Fasern werden dann mit einer thermoplastischen oder duroplastischen Polymermatrix umschlossen. Wenn ein thermoplastisches Polymer genutzt wird, so ist es möglich, die Organobleche nach dem Aushärten des Polymermaterials noch zu formen, indem diese erwärmt und dann geformt werden. Bei einer duroplastischen Polymermatrix ist es notwendig das Organoblech bereits in der gewünschten Form herzustellen, da ein späteres Umformen nicht mehr möglich ist. Zur Herstellung von Halbzeugen der Organobleche ist es weiterhin vorteilhaft, die Fasern mit einer Monomerlösung zu tränken und erst in späteren Verfahrensschritten die Monomerlösung auszuhärten. Hierbei ist es möglich, eine Vorvernetzung durchzuführen, um ein erstes Verbinden der einzelnen Fasern zu erhalten. Wenn ein Einleger aus einem Kunststoff zur Verstärkung benutzt werden soll, so kann dieser zum Beispiel durch ein Spritzgussverfahren, ein Spritzprägeverfahren, durch Blasformen oder durch ein Polyamid-RIM-Verfahren hergestellt werden. Beim Poly- amid-RIM-Verfahren wird eine Monomerlösung in ein Werkzeug eingebracht und im Werkzeug ausgehärtet.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn ein Kunststoff als Material für den als Verstärkungselement eingesetzten Einleger genutzt wird, den Kunstsoff ebenfalls zu verstärken. Hierbei können Kurzfasern, Langfasern oder Endlosfasern eingesetzt werden. Besonders bevorzugt ist es, Langfasern oder Endlosfasern zur Verstärkung des Kunststoffes für den Einleger zu nutzen.
Wenn zur Verstärkung Ringe eingesetzt werden, die in das Felgenband eingelegt werden, so können diese aus einem Metall, einem verstärkten Polymer, einem Organoblech oder einer Keramik hergestellt werden. Unter einem verstärkten Polymer wird in diesem Zusammenhang im Unterschied zu einem Organoblech ein Polymer verstanden, das mit Kurzfasern oder mit Langfasern verstärkt ist.
Wenn Ringe aus einem Metall genutzt werden, so können diese zum Beispiel aus einem Metallblech durch Biegen geformt werden. Alternativ ist es auch möglich, die Rin- ge zum Beispiel zu gießen oder zu schmieden. Wenn Ringe aus einer Keramik genutzt werden sollen, so werden diese üblicherweise durch Gießen und anschließendes Brennen hergestellt. Wenn der Einleger Ringe aus einem verstärkten Polymer umfasst, ist es zum Beispiel möglich, die Ringe in einem Wickelverfahren, beispielsweise durch Duroplastwickeln, Nasswickeln oder Thermoplastwickeln, in einem Tapelegeverfahren, beispielsweise Duroplast-Tapelegen oder Thermoplast-Tapelegen, in einem Polyamid- RIM-Verfahren, in einem Pressverfahren, in einem Spritzgussverfahren, in einem Spritzprägeverfahren, in einem Extrusionsverfahren, in einem Harzinfusionsverfahren, in einem Harzinjektionsverfahren oder durch Blasformen herzustellen. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Einleger Ringe aus einem endlosfaserverstärkten Polymer, wobei die Ringe in einem Webverfahren, in einem Strickverfahren, in einem Flechtverfahren oder in einem Faserablegeverfahren, zum Beispiel Tailored Fiber Placement, und einem anschließenden Harzinfusionsverfahren oder in einem anschließenden Harzinjektionsverfahren oder in einem anschließenden Poly- amid-RIM-Verfahren hergestellt werden.
Besonders bevorzugt als Material für den Einleger oder die Ringe werden Metalle genutzt. Geeignete Metalle sind zum Beispiel Stahl, Titan, Aluminium oder Magnesium. Zur Montage des Rades an der Nabe am Kraftfahrzeug ist es weiterhin bevorzugt, wenn die Durchgangsöffnungen verstärkt werden. Die Verstärkung der Durchgangsöffnung kann zum Beispiel dadurch erfolgen, dass in den Durchgangsöffnungen zur Aufnahme von Befestigungsmittel jeweils eine Hülse aus einem Metall oder einer Keramik aufgenommen ist, die mit dem Polymermaterial des Rades formschlüssig verbunden ist. Mit den Hülsen wird vermieden, dass sich das Rad im Bereich der Durchgangsöffnungen aufgrund der hohen wirkenden Kräfte beginnt zu fließen und sich dadurch verformt.
Die zur Stabilität eingesetzte Hülse in einer Durchgangsöffnung wird vorzugsweise formschlüssig mit dem Polymermaterial des Rades verbunden. Die formschlüssige Verbindung der Hülse aus dem Metall oder der Keramik wird dadurch erzielt, dass bei der Herstellung des Rades zunächst die Hülsen in ein Werkzeug eingelegt werden und anschließend die Hülsen mit dem Polymermaterial für den Radkörper umspritzt werden.
Als Metall für die Hülsen eignen sich zum Beispiel Aluminium, Titan oder Magnesium, wobei die Metalle auch als Mischungen oder in Form von Legierungen vorliegen können. Wenn Eisen eingesetzt wird, liegt dieses vorzugsweise als Stahl vor. Die Hülsen können alternativ auch als Eisen-Gussteile gefertigt werden, wobei das Eisen in die- sem Fall sowohl als Stahlguss als auch als Grauguss eingesetzt werden kann. Geeignete Keramiken aus denen die Hülsen gefertigt sein können, sind zum Beispiel Keramiken auf Basis von Aluminiumoxid oder Siliziumoxid. Alternativ zur Verwendung von Hülsen, die in den Durchgangsbohrungen zur Aufnahme von Befestigungsmitteln aufgenommen sind, ist es auch möglich, einen Adapter vorzusehen, der im Bereich der Nabe mit dem Felgenstern oder der Radscheibe verbunden ist, wobei der Adapter Erhebungen aufweist, die in Vertiefungen im Bereich des Felgensterns oder der Radscheibe eingreifen. Das Rad wird dann mit dem Adapter an einer Achse des Kraftfahrzeugs befestigt. Der Adapter kann einteilig mit der Radhal- terung an der Fahrzeugachse ausgebildet sein oder ein separates Teil sein, wobei der Adapter in diesem Fall einteilig mit dem Rad ausgebildet sein kann und mindestens eine Fläche aufweist, die in Kontakt mit der Radhalterung an der Fahrzeugachse ist. Der Adapter kann aus den gleichen Metallen gefertigt sein, wie sie vorstehend für die Hülsen beschrieben sind. Alternativ ist es auch möglich, den Adapter aus einer Keramik zu fertigen.
Der Adapter weist zur Kraftübertragung Erhebungen auf, die in Vertiefungen im Felgenstern oder in der Radscheibe eingreifen. Durch die Erhebungen, die in Vertiefungen am Rad eingreifen, wird keine Kraft durch Reibung direkt auf das Rad übertragen und die Verformung des Rades durch Kriechen im Bereich der Befestigungsmittel wird soweit reduziert, dass es für die Funktion des Rades nicht mehr schädlich ist.
Die Herstellung des Rades erfolgt vorzugsweise durch ein Spritzgießverfahren oder Gießverfahren, wobei jeweils vor Einspritzen bzw. Eingießen des Polymermaterials das Material für die Verstärkungselemente in das Werkzeug eingelegt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 einen Schnitt durch ein Rad eines Kraftfahrzeuges mit einer Verstärkung des Felgenbandes in einer ersten Ausführungsform,
Figur 2 einen Schnitt durch ein Rad eines Kraftfahrzeuges mit einer Verstärkung des Felgenbandes in einer zweiten Ausführungsform,
Figur 3 einen Schnitt durch ein Rad eines Kraftfahrzeuges mit einer Verstärkung des Felgenbandes in einer dritten Ausführungsform, Figur 4 einen Schnitt durch ein Rad eines Kraftfahrzeuges mit einer Verstärkung des Felgenbandes in einer vierten Ausführungsform. In Figur 1 ist ein Rad eines Kraftfahrzeuges mit einer Verstärkung des Felgenbandes in einer ersten Ausführungsform dargestellt.
In der hier dargestellten Ausführungsform umfasst ein Rad 1 für ein Kraftfahrzeug einen Radkörper 3 und eine Blende 5. In einer alternativen Ausführungsform ist es je- doch auch möglich, dass das Rad 1 nur den Radkörper 3 umfasst und keine Blende aufweist. Weiterhin kann auch auf jeder Seite des Radkörpers 3 eine Blende vorgesehen sein.
Erfindungsgemäß ist der Radkörper 3 aus einem Polymermaterial gefertigt. Um eine ausreichend große Stabilität des Radkörpers 3 zu erhalten, ist das Polymermaterial vorzugsweise verstärkt. Zur Verstärkung können Fasern in Form von Kurzfasern, Langfasern oder Endlosfasern eingesetzt werden. Bevorzugt ist der Einsatz von Langfasern. Als Polymermaterial für den Radkörper 3 eignen sich thermoplastische oder duroplastische Polymere, wie sie vorstehend beschrieben sind.
Der Radkörper 3 umfasst ein Felgenband 7 zur Aufnahme eines Reifens und einen Felgenstern 9. Im Felgenstern 9 sind Durchgangsbohrungen 13 ausgebildet, durch die Befestigungsmittel zur Befestigung des Radkörpers 3 an einer Fahrzeugachse, üblicherweise an einer Bremstrommel oder Bremsscheibe, geführt werden können.
In der Durchgangsbohrung 13 ist vorzugsweise eine Hülse 15 aufgenommen. Die Hülse 15, die zur zusätzlichen Stabilisierung im Bereich der Durchgangsbohrung 13, um eine Beschädigung des Radkörpers 3 durch die eingesetzten Befestigungsmittel zu vermeiden. Die Hülse wird üblicherweise aus einem Metall oder einer Keramik gefertigt und wird vorzugsweise bei der Herstellung des Radkörpers 3 eingegossen, so dass die Hülse 15 formschlüssig mit dem Radkörper 3 verbunden ist. Zusätzlich zur Hülse 15 kann auch ein Einleger 16 vorgesehen sein, der eine Anlagefläche für die Montage des Rades 1 bildet. In diesem Fall ist es möglich, Einleger 16 und Hülsen 15 als separate Bauteile vorzusehen oder die Hülsen 15 einteilig mit dem Einleger 16 auszubilden.
Um den Radkörper 3 an der Fahrzeugachse zu befestigen, werden als geeignete Befestigungsmittel zum Beispiel Radschrauben 17 verwendet. Die Radschrauben 17 erlauben eine lösbare Verbindung von Radkörper 3 mit Fahrzeugachse, so dass z. B. bei einer Beschädigung des Rades oder bei einem nötigen Reifenwechsel das Rad auf einfache Weise demontiert werden kann. Das Felgenband 7 umfasst üblicherweise ein äußeres Felgenbett 19. An seinen äußeren Rändern ist das äußere Felgenbett 19 mit einem Felgenhorn 21 abgeschlossen. Das Felgenhorn 21 dient zur Halterung eines auf das Rad 1 aufgezogenen Reifens. Hierbei wird der Reifen mit seiner äußeren Seite gegen das Felgenhorn 21 gedrückt.
Bei Verwendung eines schlauchlosen Reifens ist es weiterhin erforderlich, ein Verschieben des Reifens durch den ausgeübten Druck beim Fahren nach innen zu vermeiden. Hierzu weist das äußere Felgenbett 19 so genannte Humps 23 auf. Die Sei- tenwand des aufgezogenen Reifens wird so zwischen dem Felgenband 21 und dem Hump 23 gehalten, wobei der Hump 23 an der Innenseite der Reifenwand anliegt.
Wenn eine Blende 5 vorgesehen ist, so kann diese zur zusätzlichen Stabilisierung des Rades 1 und alternativ oder zusätzlich auch als Design-Element genutzt werden. Hier- zu ist es möglich, die Blende in jeder beliebigen Gestalt auszubilden. Durch eine entsprechende Gestaltung der Blende 5 ist es weiterhin auch möglich, dass diese zur Verbesserung der Aerodynamik des Kraftfahrzeugs eingesetzt wird.
Wenn eine Blende 5 verwendet wird, so kann diese kraftschlüssig, stoffschlüssig oder formschlüssig mit dem Radkörper 3 verbunden werden. In der hier dargestellten Ausführungsform ist die Blende 5 formschlüssig mit dem Radkörper 3 verbunden.
Mögliche formschlüssige Verbindungen der Blende 5 mit dem Radkörper 3 sind zum Beispiel Verkleben oder Verschweißen. Geeignete kraftschlüssige Verbindungen sind beispielsweise Schraubverbindungen, Nietverbindungen oder Verbindungen durch Clipsen.
Um eine ausreichende Stabilität des Felgenbandes 7 zu erhalten ist das Felgenband 7 erfindungsgemäß verstärkt. In der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform sind zur Verstärkung im Felgenband 7 jeweils im Bereich der Felgenhörner 21 und der Humps 23 Seile 29 in das Felgenband 7 eingelegt. Die Seile 29 können dabei mit Fäden 31 verwoben sein und auf diese Weise ein Gewebe bilden.
Als Material für die Seile eignen sich zum Beispiel Metalle, beispielsweise Aluminium, Titan, Eisen, insbesondere Stahl, Aramid, Glas, Basalt, Kohlenstoff, Bor, Kaliumtitanat, Mineral, Cellulose oder Polymere mit einer höheren Festigkeit als das Polymer aus dem das Felgenband 7 gefertigt ist. Polymere aus denen die Seile zur Verstärkung gefertigt werden können, sind zum Beispiel Polyamide, Polyolefine, flüssigkristalline Polyester (LCP) und ultrahochmolekulare Polyethylene (UHMW-PE). Besonders bevorzugt zur Verstärkung werden Seile 29 aus einem Metall, insbesondere Stahlseile eingesetzt.
Als Material für die Fäden 31 zum Verweben der Seile 29 eignet jedes beliebige Mate- rial aus dem Fäden gefertigt werden können. Geeignete Materialien sind zum Beispiel Kunstfasern, beispielsweise aus Polyamid, aus Polyester, aus Polypropylen, aus Viskose oder aus Polyethylen oder auch natürliche Fasern wie Wolle, Cellulose oder Baumwolle. Weiterhin kann auch ein Metall als Material für den Faden 31 verwendet werden.
In der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform ist das Felgenband 7 lediglich im Bereich der Felgenhörner 21 und der Humps 23 verstärkt. Im mittleren Bereich ist das Felgenband 7 nicht verstärkt. Die Verstärkung dient hierbei dazu, das Felgenband 7 am Auflagebereich eines Reifens, der auf das Felgenband 7 aufgezogen wird, zu ver- stärken.
In Figur 2 ist ein Rad 1 für ein Kraftfahrzeug in einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Im Unterschied zu der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform ist bei der Figur 2 dargestellte Ausführungsform die Verstärkung des Felgenbandes 7 nicht unterbrochen, sondern das gesamte Felgenband 7 ist über die gesamte axiale Breite verstärkt. Zur Verstärkung werden ebenfalls Seile 29 eingesetzt, die gegebenenfalls mit Fäden 31 zu einem Gewerbe verwoben sein können.
Eine weitere Ausführungsform für ein Kraftfahrzeugrad ist in Figur 3 dargestellt.
Bei der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform ist ebenfalls nur der Bereich der Felgenhörner 21 und der Humps 23, in denen der Reifen auf dem Felgenband 7 aufliegt, verstärkt. Im Unterschied zu der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform ist die Verstärkung jedoch in der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform nicht durch Seile realisiert, die in Umfangsrichtung im Felgenband 7 verlaufen, sondern durch ringförmige Verstärkungselemente 33. Das ringförmige Verstärkungselement 33 kann dabei an die Kontur des Felgenbandes 7 angepasst sein.
Als Material für das ringförmige Verstärkungselement 33 eignet sich z. B. ein Metall, beispielsweise Aluminium, Titan oder Eisen, beispielsweise Stahl oder es wird ein Organoblech verwendet. Als Organoblech wird dabei ein endlosfaserverstärktes Polymermaterial verstanden. Bei der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform ist das Felgenband ebenfalls durch ein ringförmiges Verstärkungselement 33 verstärkt, wobei in der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform sich das ringförmige Verstärkungselement 33 über die gesamte axiale Breite des Felgenbandes 7 erstreckt. Auch in der in Figur 7 dargestellten Aus- führungsform ist das ringförmige Verstärkungselement 33 beispielsweise aus einem Metallblech oder einem Organoblech gefertigt. Zur Verstärkung ist das ringförmige Verstärkungselement 33 auch hier vorzugsweise an die Kontur des äußeren Felgenbettes 19 angepasst. Alternativ zu einem ringförmigen Verstärkungselement 33 aus einem Metall oder einem Organoblech ist es auch möglich, das ringförmige Verstärkungselement 33 als Ring aus einem verstärkten Polymer oder einer Keramik zu gestalten. Unter einem verstärkten Polymer wird in diesem Fall im Unterschied zu einem Organoblech ein Polymer verstanden, das mit Kurzfasern oder mit Langfasern verstärkt ist. Um eine Verstärkung des Felgenbandes 7 zu erhalten, weist das verstärkte Polymermaterial, aus dem das ringförmige Verstärkungselement 33 gebildet ist, dabei eine höhere Festigkeit auf als das Polymermaterial, aus dem das Felgenband 7 gefertigt ist.
In allen in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Ausführungsformen weist die Blende 5 eine Opferrippe 27 auf. Die Opferrippe 27 dient zum Schutz des Rades 1 vor Beschädigungen, z. B. durch Kontakt mit einem Bordstein. Die Opferrippe 27 ist dabei vorzugsweise ringförmig um die Achse des Rades 1 angeordnet. Alternativ zu den hier dargestellten Ausführungsformen, bei denen die Opferrippe 27 an der Blende 5 ausgebildet ist, ist es auch möglich, eine Opferrippe am Radkörper 3, z. B. im Bereich des Felgenbandes 7, auszubilden.
Bezugszeichenliste
Rad
Radkörper
Blende
Felgenband
Felgenstern
Durchgangsbohrung
Hülse
Einleger
Radschraube
äußeres Felgenbett
Felgenhorn
Hump
Verbindungsstelle
Opferrippe
Seil
Faden
ringförmiges Verstärkungselement

Claims

Patentansprüche
Rad für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Radkörper (3) mit Felgenband (7) zur Aufnahme eines Reifens sowie einen Felgenstern (9) oder eine Radscheibe, wobei in dem Felgenstern (9) oder in der Radscheibe Durchgangsöffnungen (13) für Befestigungsmittel zur Befestigung des Rades an einer Nabe am Kraftfahrzeug ausgebildet sind, wobei das Rad (1 ) aus einem Polymermaterial gefertigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Felgenband (7) zur Verstärkung mindestens ein Verstärkungselement (29;33) aufgenommen ist.
Rad gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Verstärkungselemente Seile (29) in Umfangsrichtung im Felgenband (7) aufgenommen sind.
Rad gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material, aus dem die Seile (29) gefertigt sind, ausgewählt ist aus Stahl, Titan, Aluminium, Aramid, Kohlenstoff, Glas, Cellulose, Basalt, Mineral, Bor, Kaliumtitanat oder Kunststoff oder einer Kombination aus diesen.
Rad gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Seile (29) mit in axialer Richtung ausgerichteten Fäden (31 ) zu einem Gewebe miteinander verbunden sind.
Rad gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement (33) ein an die Form des Felgenbandes (7) angepasster Einleger ist.
Rad gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Einleger ein Metallblech oder ein Organoblech ist oder Ringe aus einem Metall, einem verstärkten Polymer oder einer Keramik umfasst.
Rad gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Einleger Ringe aus einem verstärkten Polymer umfasst, wobei die Ringe in einem Wickelverfahren, in einem Tapelegeverfahren, in einem Polyamid-RIM-Verfahren, in einem Pressverfahren, in einem Spritzgussverfahren, in einem Spritzprägeverfahren, in einem Extrusionsverfahren, in einem Harzinfusionsverfahren, in einem Harzinjektionsverfahren oder durch Blasformen hergestellt werden.
8. Rad gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Einleger Ringe aus einem endlosfaserverstärkten Polymer umfasst, wobei die Ringe in einem Webverfahren, in einem Strickverfahren, in einem Flechtverfahren oder in einem Faserablegeverfahren und einem anschließenden Harzinfusionsverfahren oder in einem anschließenden Harzinjektionsverfahren oder in einem anschließenden
Polyamid-RIM-Verfahren hergestellt werden.
Rad gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall des Metallblechs oder der Ringe ausgewählt ist aus Stahl, Titan, Aluminium oder Magnesium.
10. Rad gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial ausgewählt ist aus Polybutylenterephthalat, Polyethylensulfon, Polysulfon, Polypropylen oder Polyamid.
1 1 . Rad gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial verstärkt ist.
12. Rad gemäß Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Verstärkung des Polymermaterials Kurzfasern, Langfasern oder Endlosfasern eingesetzt werden.
13. Rad gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern zur Verstärkung des Polymermaterials Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Kaliumtitanatfasern, Borfasern, Basaltfasern, Mineralfasern oder Metallfasern sind.
Rad gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in den Durchgangsöffnungen (13) zur Aufnahme von Befestigungsmitteln (17) jeweils eine Hülse (15) aus einem Metall oder einer Keramik aufgenommen ist, die mit dem Polymermaterial des Radkörpers (3) formschlüssig verbunden ist.
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