DE19831875A1 - Druckgußrad mit Einlegeteilen und Verfahren zur Herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Laufrad aus einer Leichtmetallegierung mit einer Felge 2, einem Nabenabschnitt und zwischen der Felge 2 und dem Nabenabschnitt angeordneten Speichen, wobei das Laufrad von einem im Druckgußverfahren in einer Hohlform gefertigten Grundkörper 3 und wenigstens einem vor dem Druckgießen in den Hohlraum eingelegten Einlegeteil 2 gebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laufrad aus einer Leichtmetallegierung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Fertigung eines solchen Laufrades und eine Felge als Einlegeteil zur Verwendung bei diesen Verfahren.

Neben den herkömmlichen Drahtspeichenrädern für Fahrräder und Motorräder sind einstückige Räder aus Aluminium- oder Magnesiumdruckguß sowie aus Kunststoff im Spritzgußverfahren bekannt. Verbundräder sind bekannt aus Aluminiumfelgen, die mit einem Grundkörper aus Kohlefaser zusammengefügt sind oder auch aus Stahlfelgen, die mit speichenartigen Stanzbiegeteilen vernietet sind.

Als bislang vorteilhafteste Ausführungsform hat sich das Druckgußrad aus Magnesiumlegierung insbesondere für Fahrräder herausgestellt, weil hier die Fertigungspräzision, die Stabilität und das Gewicht für zahlreichen Anwendungen ein optimales Verhältnis zueinander erreichen. Aluminiumräder sind in der Praxis ausgesprochen schwer, insbesondere bei der Verwendung für Fahrräder. Verbundräder aus Aluminiumfelgen und Kohlefaserkomponenten zeigen in der Praxis Festigkeitsprobleme im Verbindungsbereich, sofern Felgenbremsen verwendet werden. Der Verbindungsbereich wird dabei derart heiß, daß geklebte Verbindungen sich lösen. Einstückige Räder aus Magnesiumdruckguß sind demgegenüber in der Fertigung relativ aufwendig, weil der Nabenflansch und die für Felgenbremsen vorgesehenen Felgenflanken nach dem Druckgießen überarbeitet werden müssen. Aus Präzisionsgründen sollte dies in einer Aufspannung erfolgen. Der Bearbeitungsvorgang ist relativ aufwendig.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Laufrad aus einer Leichtmetallegierung zu schaffen, das in Gewicht und Festigkeit den bekannten Rädern zumindest entspricht, das jedoch einen geringeren Nacharbeitungsaufwand erfordert und thermischen Belastungen widersteht.

Diese Aufgabe wird von einem Laufrad mit den Merkmalen des Anspruchs 1, mit einem Fertigungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs W sowie von einer Felge mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.

Weil das Laufrad von einem im Druckgußverfahren in einer Hohlform gefertigten Grundkörper und wenigstens einem vor dem Druckgießen in den Hohlraum eingelegten Einlegeteil gebildet ist, kann das Einlegeteil einerseits unlösbar mit dem Grundkörper verbunden werden und andererseits bereits vorgefertigte Oberflächen aufweisen, die keiner Nachbehandlung bedürfen.

Dabei ist zur Vereinfachung der Fertigung insbesondere von Vorteil, wenn das Einlegeteil die Felge des Laufrades bildet. Es kann auch vorgesehen sein, daß das Einlegeteil den Nabenabschnitt als Gehäuse der Laufradnabe bildet.

Mit Vorteil ist die Felge ein in an sich bekannter Weise gefertigtes Stranggußprofil mit Felgenhörnern und Felgenflanken, wobei in dem der Radachse zugewandten Bereich Hinterschneidungen vorgesehen sind. Dieses Bauelement kann dann mit bekannten Verfahren in guter Präzision vorgefertigt sein. Aus Gewichtsgründen und Stabilitätsgründen ist es von Vorteil, wenn die Felge wenigstens eine umlaufende Hohlkammer enthält. Dies ist an sich aus Speichenradfelgen bekannt, konnte aber bislang bei druckgegossenen Rädern nicht nachvollzogen werden.

Für die dauerhafte Stabilität ist es vorteilhaft, wenn der Grundkörper und das wenigstens eine Einlegeteil aus Materialien mit im wesentlichen gleichem Wärmeausdehnungskoeffizienten gefertigt sind. Die im Betrieb zu erwartenden Temperaturbereiche liegen etwa zwischen -20°C und 140°C bei Benutzung von Felgenbremsen. Je geringer die Unterschiede im Wärmeausdehnungskoeffizienten sind, desto besser.

Weil bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen ist, daß zumindest ein Einlegeteil in den Formhohlraum eingelegt wird, sodann der Formhohlraum geschlossen wird und schließlich der nicht von dem Einlegeteil ausgefüllte Bereich des Formhohlraums im Druckguß mit Leichtmetall gefüllt wird, kann das Einlegeteil mit dem zu bildenden Grundkörper eine innige und feste Verbindung eingehen, wobei das Einlegeteil seine ursprüngliche Fertigungspräzision nicht verliert. Es ist vorteilhaft, wenn das Einlegeteil als Laufradfelge mit Felgenflanken und einem Felgenbett gestaltet ist, wobei zumindest die Felgenflanken bei dem Druckgießen nicht mit Leichtmetall beaufschlagt werden. Die Felgenflanken sind für einen guten Bremskomfort und eine gleichmäßige Bremswirkung in Verbindung mit Felgenbremsen diejenigen Bauteile, deren Präzision insbesondere im Bezug auf Seitenschlag des Rades besonders hoch sein muß. Wenn das Einlegeteil im wesentlichen zu einer Achse rotationssymmetrisch ist und vor dem Druckgießen derart in dem Formhohlraum positioniert wird, daß die Achse mit einer Symmetrieachse des Hohlraums zusammenfällt, ist eine gute Rundlaufpräzision gewährleistet.

Weil bei einer Felge der Radachse zugewandte Befestigungsbereiche vorgesehen sind, die Hinterschneidungen aufweisen, kann eine derartige Felge als Einlegeteil im Druckgußverfahren mit dem erstarrenden Grundkörper eine innige und feste Verbindung eingehen. Dabei können die Befestigungsbereiche von einer zu der Radachse hin offenen und im Querschnitt im wesentlichen T-förmigen Nut gebildet sein. In diese Nut hineingepreßtes flüssiges Leichtmetall wird dort eine formschlüssige und feste Verbindung eingehen. Ähnliches gilt, wenn die Befestigungsbereiche von einem zu der Radachse hinweisenden, T-förmigen Steg gebildet sind. Dann kann der Steg von dem Leichtmetall umfaßt und ebenso fest umschlossen werden. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich, wenn die Befestigungsbereiche von einem zu der Radachse hinweisenden und mit insbesondere parallel zu der Radachse orientierten Ausnehmungen oder Öffnungen versehenen Steg gebildet sind. In diesem Fall kann der Verbindungsbereich zwischen dem druckgegossenen Grundkörper und der Felge besonders schlank gestaltet werden.

Sowohl bei den Fertigungsverfahren als auch bei den Vorrichtungen ist von Vorteil, wenn das Leichtmetall sowohl des Grundkörpers als auch des wenigstens einen Einlegeteils eine Magnesiumlegierung ist. Diese Legierungen zeichnen sich für den vorliegenden Anwendungsfall durch ein außerordentlich gutes Verhältnis von Gewicht zu Stabilität aus. Weiter sind derartige Legierungen besonders gut geeignet, Hinterschneidungen oder Durchbrüche zu füllen.

Im folgenden werden drei Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 Einen Querschnitt durch die Felge und den Grundkörper eines erfindungsgemäßen Laufrades in einer abgebrochenen Darstellung;

Fig. 2 einen Querschnitt entsprechend Fig. 1 durch eine anders gestaltete Felge mit einer Hohlkammer; sowie

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Felge entsprechend Fig. 1 und Fig. 2 mit einem T-förmigen Verbindungssteg.

In der Fig. 1 ist ein Querschnitt durch den Felgenbereich eines Laufrades 1 dargestellt, wobei eine im Stranggußverfahren hergestellte Felge 2 mit einem Grundkörper 3 zusammengefügt ist. Die Felge 2 weist zwei Felgenflanken 4 sowie zwei Felgenhörner 5 auf, die ein Felgenbett 6 umgeben. Die Felgenhörner 5 und das Felgenbett 6 sind im Betrieb dem Schlauchreifen eines Zweirades, hier insbesondere eines Fahrrades zugewandt. An der dem Felgenbett 6 abgewandten Seite trägt die Felge eine T-förmige Nut 7, die symmetrisch bezüglich der durch eine Linie 8 angedeuteten Radmittenebene angeordnet ist. Die Nut 7 weist einen Nutengrund 10 sowie von der Radmittenebene 8 wegweisende Hinterschneidungen 11 auf. Im übrigen trägt die Felge 2 noch zwei umlaufende, ringförmige Kanäle 12 mit kreisrundem Querschnitt, die zur Aufnahme von Paßstiften beim Zusammenfügen des Felgenstoßes vorgesehen sind.

Die Fig. 2 zeigt ein Laufrad 20, das im wesentlichen im Aufbau demjenigen aus Fig. 1 entspricht. Die Felge 2 weist hier jedoch eine Hohlkammer 21 auf, die parallel zum Felgenbett 6 umlaufend im Material der Felge 2 vorgesehen ist. Wiederum mittig in der Radmittenebene 8 ist ein umlaufender, auf die Radachse weisender Steg 22 mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt vorgesehen. Der Steg 22 trägt eine Anzahl von Durchbrüchen 23, die quer zu der Radmittenebene 8 orientiert sind.

Die Fig. 3 zeigt wiederum einen Querschnitt durch ein Laufrad 30, das im wesentlichen den Darstellungen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 entspricht. Die Felge 2 trägt hier einen zur Radmittenebene 8 symmetrischen Steg 31 mit etwa pfeilförmigem Querschnitt, der beidseits der Radmittenebene 8 von dieser wegweisende, umlaufende Ringnuten 32 definiert. Die Nuten 32 sind bezüglich der (nicht dargestellten) Radachse als Hinterschneidungen ausgeführt.

Die insoweit beschriebenen Laufräder werden folgendermaßen gefertigt. Zunächst wird die Felge 2, die als Stranggußprofil in an sich bekannter Weise gefertigt ist, in den Formhohlraum einer Druckgußform angelegt. Dabei liegt die Felge 2 mittig bezüglich der späteren Radachse und symmetrisch bezüglich der Radmittenebene 8 in der Form. Die Felgenflanken 8 und das Felgenbett 6 sind so in den Formhohlraum eingebettet, daß sie bei geschlossener Form gegenüber dem Formhohlraum abgeschlossen sind. Sodann wird die Form geschlossen und mit hohem Druck von der Mitte her das Leichtmetall zur Bildung des Grundkörpers 3 eingeschossen. Hierbei fließt die Leichtmetallegierung in die T-förmige Nut 7 und füllt die Hinterschneidungen 11 aus, bevor sie erstarrt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 umfließt das Leichtmetall des Steg 22 und durchdringt die Durchbrüche oder Ausnehmungen 23. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 umfließt das Leichtmetall des Steg 31 und dringt in die Nuten 32 ein. Nach dem Erstarren des Leichtmetalls zum Grundkörper 3 ist eine innige, formschlüssige Verbindung zu der Felge 2 geschaffen. Die erreichbare Präzision, mit der die Felge 2 bezüglich der Radmittenebene 8 und der Radachse 8 positioniert ist, reicht in der Praxis für den gewünschten Rundlauf eines Fahrradlaufrades aus. Eine Nachbearbeitung ist nicht erforderlich, da durch den Sitz im Formhohlraum sowohl eine Verlagerung der Felge 2 vor dem Erstarren des Grundkörpers 3 als auch eine Beeinträchtigung der Felgenflanken 4 ausgeschlossen werden kann. Die aufwendige Nachbearbeitung der Felgenflanken, die bei den bekannten Druckgußrädern erforderlich ist, kann entfallen.

In ähnlicher Weise können andere Einlegeteile im Formhohlraum positioniert werden. So kann beispielsweise ein im wesentlichen rohrförmiges Gehäuse zur Aufnahme der Bauelemente der Radnabe als vorgefertigtes Teil eingelegt werden, so daß Bundflächen und Gewinde der Radnabe nicht nachträglich angefertigt und eingeschnitten werden müssen. Außerdem können im Bereich der gegossenen Speichen, die im wesentlichen radial von der Nabe zu der Felge verlaufen, Rohre oder Hohlkörper eingelegt werden, die umspritzt werden und dadurch bei gleicher Festigkeit ein abgesenktes Gewicht ermöglichen.

Als Legierungen für die Felge 2 und den Grundkörper 3 werden derzeit an sich bekannte Magnesiumlegierungen bevorzugt, wobei die Legierungen eine identische oder zumindest sehr ähnliche Zusammensetzung aufweisen.

Dadurch ergeben sich geringe oder gar keine Unterschiede in der Wärmeausdehnung. Es kann aber auch vorgesehen sein, eine Aluminiumfelge mit einem Grundkörper aus Magnesiumlegierung zu kombinieren. Derartige heterogene Systeme sind bei entsprechender Wahl der zusammenzufügenden Legierungen technisch machbar und auf Dauer haltbar.

Die insoweit beschriebenen Laufräder und das insoweit beschriebene Fertigungsverfahren sind in der Praxis besonders gut ausführbar, wenn hierfür spezielle Felgen vorgesehen werden. Diese Felgen weisen ein im wesentlichen geschlossenes umlaufendes Felgenbett 6 auf, das keine Durchbrüche hat. Die für Luftreifen erforderliche Bohrung für ein Ventil kann nachträglich gebohrt werden. Bei derartigen Felgen ist insbesondere vorteilhaft, daß ohne besondere Maßnahmen schlauchlose Reifen Verwendung finden können. Dies ist bei herkömmlichen Rädern wie auch bei Verbundrädern nicht ohne weiteres möglich.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß mit der vorliegenden Erfindung die Fertigung von Gußrädern mittels Einlegeteilen ermöglicht wird, so daß die Einlegeteile bereits fertig bearbeitete Oberflächen aufweisen und keine Nacharbeitung erforderlich ist. Hierdurch lassen sich die Produktionskosten gegenüber den bekannten Rädern deutlich senken. Die Festigkeit ist den bekannten Laufrädern mindestens ebenbürtig. Es ergeben sich außerdem gestalterische Möglichkeiten, die bei gleicher Festigkeit eine weitere Gewichtsreduzierung möglich machen.

Claims (14)

1. Laufrad aus einer Leichtmetallegierung mit einer Felge (2), einem Nabenabschnitt und zwischen der Felge (2) und dem Nabenabschnitt angeordneten Speichen, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad von einem im Druckgußverfahren in einer Hohlform gefertigten Grundkörper (3) und wenigstens einem vor dem Druckgießen in den Hohlraum eingelegten Einlegeteil gebildet ist.

2. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlegeteil die Felge (2) bildet.

3. Laufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlegeteil den Nabenabschnitt bildet.

4. Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Felge (2) ein in an sich bekannter Weise gefertigtes Stranggußprofil mit Felgenhörnern (5) und Felgenflanken (4) ist, wobei in dem der Radachse zugewandten Bereich Hinterschneidungen (11, 23, 32) vorgesehen sind.

5. Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Felge (2) wenigstens eine umlaufende Hohlkammer (21) enthält.

6. Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (3) und das wenigstens eine Einlegeteil aus Materialien mit im wesentlichen gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten gefertigt sind.

7. Verfahren zum Fertigen eines Laufrades aus Leichtmetall im Druckgußverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Einlegeteil in den Formhohlraum eingelegt wird, sodann der Formhohlraum geschlossen wird und schließlich der nicht von dem Einlegeteil ausgefüllte Bereich des Formhohlraums im Druckguß mit Leichtmetall gefüllt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlegeteil als Laufradfelge (2) mit Felgenflanken (4) und einem Felgenbett (6) gestaltet ist, wobei zumindest die Felgenflanken (4) bei dem Druckgießen nicht mit Leichtmetall beaufschlagt werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlegeteil im wesentlichen zu einer Achse rotationssymmetrisch ist und vor dem Druckgießen derart in dem Formhohlraum positioniert wird, daß die Achse mit einer Symmetrieachse des Hohlraums zusammenfällt.

10. Felge für ein Laufrad mit einen bezüglich einer Laufradachse nach außen weisenden Felgenbett (6) sowie mit im wesentlichen parallel zu einer Laufradachse orientierten Felgenflanke (4) und einer umlaufenden, der Laufradachse zugewandten und zwischen den Felgenflanken (4) angeordneten Innenseite, dadurch gekennzeichnet, daß der Radachse zugewandte Befestigungsbereiche (7, 22, 31) vorgesehen sind, die Hinterschneidungen (11, 23, 31) aufweisen.

11. Felge nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsbereiche (7) von einer zu der Radachse hin offenen und im Querschnitt im wesentlichen T- förmigen Nut (7, 10, 11) gebildet sind.

12. Felge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsbereiche (22, 31) von einem zu der Radachse hin weisenden im wesentlichen T-förmigen Steg (31) gebildet sind.

13. Felge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsbereiche von einem zu der Radachse hin weisenden und mit insbesondere parallel zu der Radachse orientierten Ausnehmungen oder Öffnungen (23) versehenen Steg (22) gebildet sind.

14. Verfahren oder Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Leichtmetall sowohl des Grundkörpers (3) als auch des wenigstens einen Einlegeteils (2) eine Magnesiumlegierung ist.