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Die Erfindung betrifft ein Rad für Kraftfahrzeuge.
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Die Räder von Kraftfahrzeugen sind im allgemeinen von zwei Stahlteilen, der Scheibe
und der Felge, gebildet, die durch Pressen oder durch Verformung von Profilen
hergestellt sind und dann durch Schweißen zusammengebaut sind. Die Verwendung von
Stahl gestattet es, sehr gute mechanische und thermische Leistungen zu erzielen, aber
mit schweren Rädern. Bei der Betonung, die gegenwärtig auf Energieeinsparungen
gelegt wird, ist es nun eine große Sorge von Kraftfahrzeugkonstrukteuren, die Masse der
Kraftfahrzeugelemente zu verringern, wie der Räder, zum Zweck, den
Benzinverbrauch zu mindern und die Manövrierfähigkeit der Fahrzeuge zu verbessern.
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Es wurde die Benutzung von Verbundmaterial vorgeschlagen, um einen erheblichen
Massenvorteil zu verwirklichen, aber es kann schwierig sein, in den erhaltenen Rädern
ausreichende mechanische Eigenschaften zu erzielen, und außerdem ergeben sich
Probleme bei der Abfuhr von Wärmeenergie, die durch die Bremsscheiben übertragen
wurde.
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Aus diesem Grund wurden andere Lösungen entwickelt, wie Räder, die man im
folgenden "Hybridräder" nennen wird, und die eine Metallscheibe aufweisen, die gleichzeitig
die Eigenschaften der Beständigkeit und der Wärmeleitung sicherstellen, sowie eine
Felge aus Verbundmaterial, die es gestattet, einen Gewichtsvorteil zu erreichen.
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Ein Rad, das die Merkmale des Oberbegriffes des Anspruchs 1 aufweist, ist im
Dokument AU-B-524 458 beschrieben.
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Die Herstellung solcher Räder hat aber ein neues Problem in Erscheinung gebracht,
das in der Verformung der Felgengruppe unter Wirkung des Aufpumpdruckes des
Reifens und äußerer Spannungen liegt, die im Verlauf des Abrollens auftreten, die
erheblich bedeutender ist, wenn die Felge aus einem Verbundmaterial hergestellt ist,
als aus einem Metall.
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Die Anmelderin hat überraschenderweise festgestellt, daß es eine spezifische
Aufteilung der Massen in der Felge gestatten wird, diesen Nachteil zu mildern.
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Das erfindungsgemäße Rad, das eine Felge aus Verbundmaterial und eine
Metallscheibe aufweist, die miteinander zusammengebaut sind, ist dadurch gekennzeichnet, daß
die Felge Ankoppelungsränder trägt, von denen mindestens einer einen axialen
Querschnitt aufweist, der mindestens einen U-förmigen Hohlraum bietet.
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Dieser neue Aufbau eines Ankoppelungsrandes verleiht dem Rad auf Höhe dieses
Endes eine größeres Beharrungsvermögen und einen axialen Querschnitt mit größerer
Oberfläche, was es gestattet, eine bessere Steifigkeit zu erzielen. Dieser neue Aufbau
kann vorteilhafterweise bei jedem Ankoppelungsrand ralisiert werden.
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Um einen solchen Aufbau genau herzustellen, ist die Felge durch Abformen
hergestellt.
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Andere Merkmale und Vorzüge der Erfindung werden aus der Lektüre eines
Ausführungsbeispiels eines Rades nach der Erfindung ersichtlich, unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen, in welchen:
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- Fig. 1 ein Axialschnitt des erfindungsgemäßen Rades ist,
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- Fig. 2 eine Vergrößerung der Einzelheit A der Fig. 1 nach einer ersten
Ausführungsvariante des Rades ist, das in der genannten Fig. 1 dargestellt ist, und
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- Fig. 3 eine Vergrößerung der Einzelheit A der Fig. 1 nach einer zweiten
Ausführungsvariante des Rades ist, das in der genannten Fig. 1 dargestellt ist.
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Nach Fig. 1 weist das Rad 1 eine Felge 2 und eine Scheibe 3 auf die miteinander
zusammengebaut sind.
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Die Scheibe 3 weist in ihrem mittigen Teil Löcher bzw. Bohrungen 4 auf, die zur
Befestigung des Rades auf einer Achse (nicht gezeigt) bestimmt sind, sowie eine Öffnung 5
zur Zentrierung des Rades 1 bezüglich der genannten Achse Die Scheibe 3 weist auch
einen Umfangsrand 6 zum Zusammenfügen mit der Felge 2 auf.
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Die hohlzylinderförmige Felge 2 weist an ihren Umfangsenden Ankoppelungsränder 8
und 9 für die Wülste eines Reifenmantels (nicht gezeigt) auf.
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Die Felge 2 weist auch in herkömmlicher Weise einen Sitz 11 zur Aufnahme des einen
der Wülste auf, der zwischen dem Rand 9 und einer Ausstülpung 10 zum Halten des
genannten Wulstes in seiner Lage gelegen ist, die üblicherweise mit dem englischen
Wort "hump" bezeichnet wird, sowie eine Nut bzw. Auskehlung 13, die mit dem Sitz
11 durch ein kreisringförmiges Felgenstück 12 verbunden ist.
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In der Folge der Beschreibung wird man die gemeinsamen Elemente in den
verschiedenen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnen.
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Die Verformung aufgrund des Aufpumpdruckes der Reifen verteilt sich beiderseits des
Stücks 12, auf dessen Höhe die Verbindung zwischen der Felge 2 und der Scheibe 3
gelegen ist. Diese Verformung ist, wie man schon vorher genau ausgeführt hat, größer,
wenn die Felge aus einem Verbundmaterial hergestellt ist, und dies besonders im Fall
thermoplastischer Materialien, als bei einem Metall. Nun gestatten es die zwingenden
Bedingungen des Raumbedarfes der Bremsscheiben, der Radgewichte und der
Auswuchtung, die Hybridräder beachten müssen, nicht, eine Vergrößerung der Dicke der
Felge herbeizuführen.
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Diese Verformung wirkt sich besonders durch ein Einsinken der Ränder 8 und 9 und
des Teils der Felge 2 aus, der jeweils zwischen dem Stück 12 und dem Rand 8 sowie
zwischen dem Stück 12 und dem Rand 9 gelegen ist. Es wird ausdrücklich darauf
hingewiesen, daß das Einsinken für den Rand 8 und die Zone der Felge 2 wesentlicher ist,
die zwischen dem genannten Rand und dem Stück 12 gelegen ist, und zwar in dem
Maße, in dem dieser Rand 8 weiter vom Stück 12 entfernt ist. Zum Zweck, zu
vermeiden, daß dieses Einsinken zu erheblich wird, ist es notwendig, eine größere Steifigkeit
des Randes 8 zu haben.
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Eine zu große Steifigkeit der Ankoppelungsränder läuft jedoch Gefahr, während des
Aufbringens der Spannung, die vom Aufpumpdruck der Reifen gebildet ist, auf die
Felge 2 eine Verformung der Felge 2 herbeizuführen, die einem Einsinken des mittigen
Teils der Felge 2 zur Mitte des Rades 1 hin entspricht, was nicht wünschenswert ist.
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So besitzt, damit die Felge 2 eine ausreichend steife Unterstützung für den
Reifenmantel bildet, der Rand 8 einen axialen U-Querschnitt, der sich über den gesamten Umfang
der Felge erstreckt. Diese spezielle Form gestattet es, während die Masse auf Höhe des
Ankoppelungsrandes 8 und demnach die Steifigkeit erhöht wird, gleichzeitig die
Wahrung einer gewissen Flexibilität des Randes. Außerdem hat die Anmelderin
überraschend festgestellt, daß zum Sicherstellen der Steifigkeit keinerlei ergänzende
Verstärkung bei diesem U-förmigen Aufbau nötig ist.
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Wie man bereits vorangehend gesehen hat, liegt die Erscheinung des Einsinkens auch
auf Höhe des Ankoppelungsrandes 9 vor, wenn auch in geringerer Stärke als für den
Ankoppelungsrand 8, und es ist zweckmäßig, auch die Steifigkeit des Randes 9 zu
verstärken.
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Im übrigen wirkt sich die Verformung aufgrund des Aufpumpdrucks der Reifen auch
in einer gleichmäßigen Einziehung der Felge 2 im Durchmesser aus. Um diese
Einziehung zu begrenzen, ist es wesentlich, daß der axiale Querschnitt der
Ankoppelungsränder 8, 9 ausreichend groß ist.
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Die Verstärkung, die es gestattet, diesen beiden Bedingungen zu entsprechen, stimmt
zum Beispiel mit dem Ausführungsbeispiel überein, das in Fig. 1 gezeigt ist und in
dem die beiden Ankoppelungsränder 8 und 9 einen axialen U-Querschnitt haben. Man
könnte aber auch ins Auge fassen, Ankoppelungsränder 8 und 9 herzustellen, die an
Stelle eines U-Querschnitts eine massive Form mit einer Dicke aufweisen, die viel
größer ist als der Rest der Felge 2. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, daß eine
solche Lösung aus dem Blickpunkt der Einziehung im Umfang von Interesse ist, aber
wegen der Gefahr, eine zu große Steifigkeit zu erzielen, wie schon vorher erläutert,
erhebt eine solche Ausführung andere Probleme.
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Tatsächlich ist aus Gründen der Kosten, der schnellen Ausführung und der Einfachheit
das interessanteste Herstellungsverfahren der Felge der Spritzguß. Nun ist es, damit
dieser ordnungsgemäß durchgeführt wird, wesentlich, daß die Geschwindigkeit der
Vorwärtsbewegung des Materials in der Form an jeder Stelle im wesentlichen dieselbe
ist, um die Homogenität des hergestellten Stücks zu garantieren. Im Falle sehr dicker
Ankoppelungsränder erhält man entsprechend der Höhe sehr unterschiedliche
Geschwindigkeiten im Rand, in dem sich das auslaufende Material absetzt. Außerdem ist
die Erscheinung des Einsinkens, die während der Abkühlung des Materials auftritt,
dann im Inneren des Bauteils viel erheblicher als an der Oberfläche, was sich als ein
Fehler auf das Bauteil auswirkt.
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Für jeden Ankoppelungsrand ist die U-Form seines axialen Querschnitts durch einen
äußeren U1 und inneren U3 Arm des U gebildet, die durch ein Segment U2 verbunden
sind. Die Arme U1 und U3 eines jeden U sind im wesentlichen parallel zur Achse des
Rades 1 öffnen sich zur Außenseite des genannten Rades. So entsprechen die
ringförmigen Wände 81 und 82 des Ankoppelungsrandes 8, die jeweils den äußeren Arm U1
und das Segment U2 zum Axialschnitt haben, im wesentlichen der Form eines
herkömmlichen Ankoppelungsrandes, während die ringförmige Wand 83, die den inneren
Arm U3 zum Querschnitt hat, eine radiale, ringförmige Verstärkungsrippe bildet.
Dasselbe gilt für den Ankoppelungsrand 9, dessen Wände mit den Nummern 91, 92 und
93 bezeichnet sind, analog zu denen des Randes 8.
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Dank dieses U-förmigen Axialschnitts der Ankoppelungsränder 8 und 9 kann die
Wirkung des Aufpumpdrucks des Reifens nur eine kleine Verformung auf der Felge 2
hervorrufen, die gleichwohl das Profil der genannten Felge bewahrt.
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Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die Ankoppelungsränder 8 und 9 einen
Axialschnitt aufweisen können, der mehrere U-förmige Höhlungen aufweist. Man
kann Ankoppelungsränder 8 und 9 anstreben, deren Axialschnitt eine Rechenform
aufweist und somit mehrere U-förmige Höhlungen bildet, wie ihn die Fig. 2 und 3 zeigen,
die Axialschnitte mit zwei U-förmigen Höhlungen aufweisen.
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Die Lage dieser Höhlungen in Bezug auf den Sitz 11 und genauer des Armes des U,
der zur Außenseite der Felge 2 hin gelegen ist, ist eine Funktion der Höhe der Ränder,
die notwendig ist, um eine optimale Ankoppelung der Wülste des Reifenmantels zu
gestatten. Die Anordnung der anderen Arme, die die beiden U-förmigen Höhlungen
begenzen, kann entsprechend mehrerer Varianten ausgeführt werden, wie sie
beispielsweise in den Fig. 2 und 3 dargestellt sind:
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- die eine (Fig. 2) bedeutet eine Aufteilung einer U-förmigen Höhlung, wie sie in Fig.
1 dargestellt ist, in zwei, und
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- die andere (Fig. 3) bedeutet eine Verdoppelung einer U-förmigen Höhlung, wie sie
in Fig. 1 dargestellt ist, zur Innenseite der Felge 2 hin.
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Im übrigen können diese neuen Bauweisen des Ankoppelungsrandes auch für Aspekte
vorteilhaft sein, die von der Verformung völlig veschieden sind, wie zum Beispiel das
Gestatten des Einrastens einer Zierleiste in eine betreffende Ankoppelungshöhlung.
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Der Zusammenbau von Felge 2 und Scheibe 3 kann durch unterschiedliche Techniken
bewirkt werden, doch die Erfindung eignet sich ganz besonders gut zur Durchführung
eines Zusammenbaus, bei dem die Scheibe 3 in die Felge 2 aus Verbundmaterial eingeschlossen
ist. Ein solcher Zusammenbau wird durch Aufformen der Felge 2 auf den
Anbaurand 6 gebildet, der von der Scheibe 3 getragen wird, und zwar derart, daß der
genannte Rand in das ringförmige Stück 12 eingelassen wird. Um im Stück 12 keine
Bruchstellen zu erzeugen, erstreckt sich der Anbaurand 6 im Inneren des genannten
Stückes 12 über dessen gesamte Länge.
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So besitzt das Rad 1 nach der Erfindung gleichzeitig die notwendigen mechanischen
und thermischen Eigenschaften, ohne eine Zone großer Brüchigkeit zu bieten. Dieses
Rad stellt eine solide und zuverlässige Verbindung zwischen der Felge und der
Scheibe her.
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Man wird nun kurz das Verfahren zur Herstellung eines Rades nach der Erfindung
beschreiben. Es besteht in einem ersten Schritt in der Herstellung der Metallscheibe 3.
Diese Herstellung kann herkömmlich durch Prägen oder durch jede andere, bekannte
Technik erfolgen.
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Die Scheibe 3 kann aus einem Metall gebildet sein, wie einem Stahl, Aluminium,
Magnesium oder einer Legierung aus Aluminium und Magnesium. Die Dicke der
Scheibe 3 sowie die anderen Merkmale des Materials sind in Abhängigkeit von den
Eigenschaften des Fahrzeugs gewählt, an dem das Rad angebracht werden soll.
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Die erhaltene Scheibe 3 wird dann in einer Form angeordnet, die ihren Anbaurand 6
umgibt und die Abdichtung zwischen dem Teil der Scheibe 3, auf den aufzuformen ist,
und dem Rest der Scheibe 3 sicherstellt.
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In einem zweiten Schritt wird das Verbundmaterial, das die Felge 2 bildet, in die Form
bevorzugt an mehreren Stellen eingespritzt, um eine homogene Materialverteilung in
der Felge 2 zu erhalten. Das Material verteilt sich so in der gesamten Felge 2.
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Verschiedene Verbundmaterialien können zweckmäßig sein, wie zum Beispiel ein
Harz, das mit langen Fasern verstärkt ist, oder ein thermoplstisches Material, das mit
kurzen Fasern verstärkt ist. Indessen sind verstärkte oder nichtverstärkte
thermoplastische Materialien besonders geeignet, weil die Zeit eines Zyklus, der zum Vorgang des
Aufformens erforderlich ist, kürzer ist als im Fall eines warmaushärtenden Materials.
Zahlreiche thermoplastische Materialien können zur Herstellung dieser Felge benutzt
werden, und als Beispiel wird Polyamid 6.6 genannt, das mit Glasfasern verstärkt ist.
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Dieses einfache und wenig kostspielige Herstellungsverfahren gestattet es, Räder in
einer sehr kurzen Zykluszeit herzustellen, und ist daher auf industrieller Ebene sehr
interessant.
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Außerdem gestattet dieses Verfahren bei Felgen mit derselben Abmessung, Räder mit
einer großen Vielfalt angebotener Kombinationen herzustellen, indem man die
Konstruktion der Scheibe ändert, aber gleichzeitig für den Anbaurand dieselbe Geometrie
bewahrt.