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Title:
LIGHTWEIGHT RIM FOR A MOTOR VEHICLE WITH A SUPPORTING SPOKE CONSTRUCTION
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2006/039878
Kind Code:
A1
Abstract:
lightweight rims for motor vehicles are increasingly replacing steel rims for motor vehicles. In order to achieve the required strength, the rim body is configured with a thick wall and is heavy. A weight reduction is desired, as rims in their capacity of unsuspended masses must be as light as possible, in order to maintain the contact with the ground. Light metal rims with varying constructions and designs are known in prior art. The inventive lightweight rim is characterised by a highly symmetrical and particularly delicate construction, which requires a small amount of material, but guarantees a high strength by the high degree of crosslinking. The spokes fall into two categories, radial spokes and ring spokes. The radial spokes have a high aspect ratio in terms of the width of the ribs to their depth with an intersecting overlay of the radial spokes with the ring spokes, so that all the spokes support one another reciprocally. Especially advantageous is a configuration of 16 radial spokes and 6 ring spokes. The form of the lightweight rim thus resembles that of the diatom Arachnoidiscus.

Inventors:
Hamm, Christian (Auf der Geest 9, Bremerhaven, 27580, DE)
Application Number:
PCT/DE2005/001543
Publication Date:
April 20, 2006
Filing Date:
September 03, 2005
Export Citation:
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Assignee:
Stiftung, Alfred-wegener-institut Für Polar- Und Meeresforschung (Columbusstrasse, Bremerhaven, 27568, DE)
Hamm, Christian (Auf der Geest 9, Bremerhaven, 27580, DE)
International Classes:
B60B3/10; B60B1/08; B60B5/02
Domestic Patent References:
2005-06-09
Foreign References:
US1479066A1924-01-01
US3884527A1975-05-20
DE19821168A11999-11-25
DE8106289U11981-08-13
DE10356682A12005-07-07
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Claims:
Patentansprüche
1. Leichtbaufelge (LF) für ein Kraftfahrzeug mit einem einseitig an einer Achse befestigten inneren Felgenkörper (FK) und mit einem damit verbundenen äußeren Felgenbett (FB), wobei der Felgenkörper (FK) einen tragenden Speichenaufbau (SA) aufweist, gekennzeichnet durch eine hochsymmetrische Ausprägung des Speichen aufbaus (SA) aus mehreren rippenartigen Radialspeichen (RAS) mit einem hohen Aspektverhältnis von Breite zu Tiefe und mehreren konzentrischen rippenartigen Ringspeichen (RIS), wobei sich einige radiale Radialspeichen (RAS) nur jeweils über ein Drittel des Felgenkörpers (FB) vom Felgenbett (FB) her erstrecken und an einer Ringspeiche (RIS) enden.
2. Leichtbaufelge (LF) nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch ein geringeres Aspektverhältnis der Ringspeichen (RIS) gegenüber dem Aspektverhältnis der Radialspeichen (RAS), wobei die Ringspeichen (RIS) mit den Radialspeichen (RAS) auf der Felgenvorderseite bündig oder nahezu bündig verlaufen.
3. Leichtbaufelge (LF) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch 16 Radialspeichen (RAS) und 6 Ringspeichen (RIS), wobei jede zweite Radialspeiche (RAS) nur bis zur zweiten Ringspeiche (RIS) vom Felgenbett (FB) aus verläuft.
4. Leichtbaufelge (LF) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Abrundungen (AB) zwischen den Radialspeichen (RAS) auf der Seite des Felgenbettes (FB).
5. Leichtbaufelge (LF) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine konzentrische Kreisplatte (KP) im Bereich der Achsbefestigung des Felgenkörpers (FK), in die die Radialspeichen (RAS) auslaufen.
6. Leichtbaufelge (LF) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Aufbau aus einem Kunststoffmaterial.
7. Leichtbaufelge (LF) nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Aufbau aus einem faserverstärkten Kunststoff mit anisotropen Materialeigenschaften.
Description:
Leichtbaufelge für ein Kraftfahrzeug mit einem tragenden Speichen¬ aufbau

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Leichtbaufelge für ein Kraftfahrzeug mit einem einseitig an einer Achse befestigten inneren Felgenkörper und mit einem damit verbundenen äußeren Felgenbett, wobei der Felgenkörper einen tragenden Speichenaufbau aufweist.

Stand der Technik

Leichtbaufelgen für Kraftfahrzeuge lösen in steigendem Maße Stahlfelgen ab, nicht zuletzt wegen ihres eleganten Erscheinungsbildes. Dieses wird aber wesentlich durch die Konstruktion der Felge bestimmt: Zur Erzielung der notwendigen Festigkeit wird der Felgenkörper verhältnismäßig dickwandig und schwer ausgeführt, wodurch sich das hohe Gewicht besonders bei Sportwagen unangenehm bemerkbar macht. Eine Gewichtsreduzierung ist insbesondere deshalb gewünscht, weil Felgen als ungefederte Massen möglichst leicht sein müssen, um besonderen Bodenkontakt zu halten und auch auf unebener Fahrbahn effektiv zu haften. Eine besondere Herausforderung ist auch das Material der Leichtbaufelge, dessen Eigenschaften Einfluss auf die Auswahl geeigneter Geometrien hat. Dabei sind Verbesserungen vor allem im Bereich des Felgenkörpers, insbesondere durch die Ausprägung von Speichen, zu erzielen. Als zusätzliche Forderung ist hier jedoch eine gute Luftdurchlässigkeit des Felgenkörpers zu nennen, um eine effektive Kühlung von Scheibenbremsen zu ermöglichen.

Aus dem Stand der Technik sind Leichtbaufelgen in der Ausführung als Leichtmetallfelgen in unterschiedlichsten Konstruktions- und Designformen bekannt. Klassische Drahtspeichenfelgen, wie sie insbesondere Anfang des 20. Jahrhunderts im Luxussegment des Automobilbaus eingesetzt wurden, sind formschön, aber sehr teuer und aufwändig bei der Herstellung und im Unterhalt, da die zahlreichen Speichen einzeln unter definierter Zugspannung stehen müssen. Speichen kommen in der Regel auch bei gepressten Stahl - und Alufelgen vor. Dabei sind Leichtmetallfelgen mit einem tragenden Speichenaufbau, d.h. mit konkret als Speichen ausgeformten Elementen im Felgenkörper, von solchen mit einem nichttragenden Speichenaufbau, bei dem der Felgenkörper aus einer Scheibe mit einem Speichenrelief besteht, zu unterscheiden. Aus der DE 198 21 168 A1 ist beispielsweise eine Leichtmetall¬ felge mit fünf konkret ausgeformten und die Lauflast aufnehmenden Speichen bekannt, von der die vorliegende Erfindung als nächstliegendem Stand der Technik ausgeht. Die einzelnen Speichen sind relativ breit und bringen dadurch immer noch einen hohen Gewichtsanteil ein. Sie zeigen keinen eigentlichen Speichencharakter und erzeugen keinen hochsymmetrischen Gesamteindruck. Insgesamt zeigt die bekannte Leichtmetallfelge aber eine hohe Festigkeit und Stabilität. Aus der DE 6 81 06 289 U1 ist eine nichttra- gende Zierfelge zum Vorsatz vor eine einfache Autofelge bekannt, die aus einer Vielzahl von konkret ausgeformten Speichen besteht, aber als Vorsatz keinen Beitrag zur Festigkeit der Felge leistet. Diese Zierfelge lehnt aber eng an die bekannten tragenden Speichenfelgen der ersten Automobile an und hat ein sehr elegantes Erscheinungsbild.

Aufgabenstellung

Die Aufgabe für die vorliegende Erfindung ist daher darin zu sehen, eine Leichtbaufelge mit einem tragenden Speichenaufbau der eingangs genannten

Art anzugeben, die in optimaler Weise ein geringes Gewicht mit einer hohen Festigkeit und darüber hinaus noch mit einem besonders ansprechenden optischen Gesamteindruck kombiniert. Als Lösung für diese Aufgabe ist die vorliegende Erfindung gekennzeichnet durch eine hochsymmetrische Ausprägung des Speichenaufbaus aus mehreren rippenartigen Radialspeichen mit einem hohen Aspektverhältnis von Breite zu Tiefe und mehreren konzen¬ trischen rippenartigen Ringspeichen, wobei sich einige radiale Radialspeichen nur jeweils über ein Drittel des Felgenkörpers vom Felgenbett her erstrecken und an einer Ringspeiche enden.

Die Leichtbaufelge nach der Erfindung zeichnet sich durch einen hochsymme¬ trischen und besonders filigranen Aufbau aus, der einen geringen Material¬ einsatz ermöglicht und trotzdem durch den hohen Vernetzungsgrad eine hohe Festigkeit garantiert. Im Speichenaufbau werden Radial- und Ringspeichen unterschieden. Dabei sind die Speichen rippenartig ausgeformt, sodass sie von der Felgenvorderseite her betrachtet nur einen geringen Raum einnehmen und eine optimale Belüftung der hinter der Leichtbaufelge liegenden Bremsen, insbesondere Scheibenbremsen, ermöglichen. Die Radialfelgen haben ein hohes Aspektverhältnis in der Breite der Rippen zu ihrer Tiefe. Die Form der Rippe ist damit schmal, aber tief, wodurch sich bereits ein Festigkeitsaspekt ergibt. Der zweite Festigkeitsaspekt ergibt sich aus der kreuzenden Überlage¬ rung der Radialspeichen mit den Ringspeichen, sodass sich alle Speichen gegenseitig abstützen. Es entsteht in Abhängigkeit von der Anzahl der Speichen ein hochsymmetrischer Gesamteindruck der Felge nach der Art eines karierten Papiers mit einem durch die gewählte Rippengeometrie festlegbaren Maschenbild. Dabei wird dieses insbesondere auch dadurch geprägt, dass nicht alle Radialspeichen bis zur Felgenachse durchlaufen, sondern sich einige radiale Radialspeichen nur jeweils über ein Drittel des Felgenkörpers vom Felgenbett her erstrecken. Diese enden dann gemeinsam an einer der äußeren Ringspeichen. Diese Maßnahme, die sich auf symme-

trisch angeordnete Radialspeichen, beispielsweise jede dritte Radialspeiche, bezieht, erbringt eine weitere Verringerung des Felgengewichts, ohne dass die Felge dabei an Festigkeit einbüßt. Das Erscheinungsbild des Speichenaufbaus wird aufgelockert, ohne dass dabei jedoch eine Unruhe entsteht.

Der Speichenaufbau kann völlig symmetrisch sein, wenn die Radial- und die Ringspeichen gleichberechtigt ausgeprägt sind. Eine Ausführungsform der Erfindung kann aber auch durch ein geringeres Aspektverhältnis der Ring¬ speichen gegenüber dem Aspektverhältnis der Radialspeichen gekennzeichnet sein, wobei die Ringspeichen mit den Radialspeichen auf der Felgenvorder¬ seite bündig oder nahezu bündig verlaufen. Somit ergibt sich ein spaltendomi¬ nierter Speichenaufbau, der eine besonders hohe radiale Festigkeit aufweist, trotzdem aber auch umlaufend ausreichend unterstützt ist. Dabei wird der optische Gesamteindruck nicht gestört, wenn die flacheren Ringspeichen an der Vorderseite des Felgenkörpers angeordnet sind, sodass sie bündig oder nahezu bündig mit den Radialspeichen verlaufen und nicht nach hinten versetzt sind.

Theoretische und praktische Untersuchungen haben eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der beanspruchten Leichtbaufelge ergeben, die durch 16 Radialspeichen und 6 Ringspeichen gekennzeichnet ist, wobei jede zweite Radialspeiche nur bis zur zweiten Ringspeiche vom Felgenbett aus verläuft. Das sich hierbei ergebende Erscheinungsbild der Leichtbaufelge ähnelt dem der Kieselalgenart Arachnoidiscus. Kieselalgen haben bekannter- maßen eine ungeheure Vielfalt im Aufbau ihres Silikatskeletts entwickelt. Dabei ist die Ähnlichkeit keine Zufälligkeit, sondern beruht auf der Tatsache, dass die vorliegende Erfindung als vom Anmelder durchgeführte Anwendung des Verfahrens zur Ermittlung von konstruktiven Erstmodelldaten für eine tech¬ nische Leichtbaustruktur entstanden ist, das mit Datum vom 30.11.2003 unter der Nummer DE 103 56 682.1 vom Anmelder zum deutschen Patent ange-

meldet worden ist. Mit diesem Verfahren können verschiedenste Geometrien aus der Natur auf Gebrauchsgegenstände aller Art und Größe des täglichen Lebens einfach übertragen und angepasst werden.

Weitere Modifikationen der Leichtbaufelge nach der Erfindung sind gekennzeichnet durch Abrundungen zwischen den Radialspeichen auf der Seite des Felgenbettes und durch eine konzentrische Kreisplatte im Bereich der Achsbefestigung des Felgenkörpers, in die die Radialspeichen auslaufen. Derartige Modifikationen dienen der weiteren Steigerung der Felgenfestigkeit und können beispielsweise durch Belastungssimulationsprogramme ermittelt werden. Außerdem verbessern sie den optischen Gesamteindruck und die Handhabbarkeit der Leichtbaufelge. Durch die Abrundung der Zwischenräume ist eine bessere Säuberung und durch die konzentrische Kreisplatte eine bessere Montage gewährleistet.

Die Leichtbaufelge nach der Erfindung kann, wie bekannte Felgen, aus einem Leichtmetall, beispielsweise Aluminium, hergestellt sein. Der besonders ergo¬ nomische Aufbau der Leichtbaufelge ermöglicht aber auch den Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen, wodurch völlig neue Wege im Felgenbau für die Automobilindustrie beschriften werden können. Insbesondere bietet sich der Einsatz von einem faserverstärkten Kunststoff mit anisotropen Materialeigen¬ schaften an. Durch die nach dem unter besonderen Stabilitätskriterien ausge¬ suchten Vorbild der Natur konzipierte Konstruktionsform ist eine optimale Spannungsverteilung bei maximaler Festigkeit gewährleistet. Wie in der Natur können die Faserverstärkungen entlang der auftretenden Spannungsverläufe eingebracht werden. Dieses Vorgehen kann durch Anwendung numerischer Simulationsprozesse unter Spannungsbedingungen und durch optische Spannungsaufnahmen am Modell noch optimiert werden. Die Materialeigen¬ schaften des Kunststoffs können also nach dem Verlauf der Spannungsbe- lastungen anisotrop ausgelegt werden. In Richtung der tragenden Radialspei-

chen beispielsweise wird eine besonders hohe Festigkeit gefordert, die bei den versteifenden Ringspeichen nicht ganz so kritisch ist. Entsprechend können die Faserverstärkungen eingebracht werden. Durch die Verwendung von Kunststoff ergeben sich besonders einfache und kostengünstige Herstellungs- verfahren, die eine besondere Formenvielfalt bis in das Detail ermöglichen. Eine weitere bedeutsame Gewichtsreduzierung ist möglich, ohne dabei auf Festigkeit verzichten zu müssen. Durch geeignete Oberflächenbehandlungs¬ verfahren, beispielsweise durch Beschichten mit einem Lotuseffektlack, kann eine schmutzabweisende Oberfläche und damit eine leichte Reinigung des relativ komplexen Speichenaufbaus ermöglicht werden. Durch andere Verfahren, beispielsweise elektrochemisches Verchromen, kann bei Verwendung eines Kunststoffs trotzdem der Eindruck einer Leichtmetallfelge erhalten bleiben.

Ausführungsbeispiel

Ausbildungsformen der beanspruchten Leichtbaufelge werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:

Figur 1 eine frontale Vorderansicht mit einem Ausschnitt,

Figur 2 eine perspektivische Rückansicht mit einem Ausschnitt und

Figur 3 eine perspektivische Seitenansicht.

Die Figur 1 zeigt eine Leichtbaufelge LF für ein Kraftfahrzeug mit einem inneren Felgenkörper FK und einem damit verbundenen äußeren Felgenbett FB. Dabei kann die Leichtbaufelge LF bevorzugt aus einem faserverstärkten Kunststoff mit anisotropen Materialeigenschaften bestehen. Auf das Felgenbett FB wird im Betrieb ein Reifen aufgezogen, der Felgenkörper FK weist eine

zentrale Bohrung ZB auf, mit der er einseitig auf die Autoachse aufgeschoben und mit mehreren Radbolzen durch dafür vorgesehen Bohrungen BO befestigt. Der Felgenkörper FK weist einen tragenden Speichenaufbau SA auf.

Der Speichenaufbau SA ist hochsymmetrisch ausgeprägt und besteht aus einer Vielzahl von Radialspeichen RAS und Ringspeichen RIS. Beide Speichenformen sind als rechteckige Rippen ausgebildet und sind relativ schmal, aber lang und tief. Die rippenartigen Radialspeichen RAS haben ein besonders hohes Aspektverhältnis. Sie sind sehr schmal ausgebildet und haben eine solche Tiefe, dass eine für den Betrieb ausreichende Festigkeit und Stabilität der Leichtbaufelge LF erreicht werden kann. Die Tiefe der Radialspeichen RAS kann beispielsweise im Bereich von einem Sechstel der Breite des Felgenbetts FB liegen.

Gekreuzt werden die Radialspeichen RAS von mehreren konzentrischen Ringspeichen RIS. Diese sind umlaufend geschlossen und in einem konstanten radialen Abstand zueinander angeordnet. Im gewählten Ausführungsbeispiel werden 16 Radialspeichen RAS von 6 Ringspeichen gekreuzt. Es entsteht ein engmaschiges Gitter hoher Stabilität. Die Ring- Speichen weisen ein geringeres Aspektverhältnis auf als die Radialspeichen RAS und dienen in der Hauptsache zu deren Aussteifung. Um ein von der Vorderseite der Leichtbaufelge LF her einheitliches Bild zu schaffen, liegen die Ringspeichen RIS an der Vorderseite des Felgenbetts FB und schließen bündig mit den Radialspeichen RAS ab.

Die Hauptlast wird von den Radialspeichen RAS getragen. Dabei ist jedoch eine Durchgängigkeit aller Radialspeichen RAS bis zur zentralen Bohrung ZB nicht erforderlich. Es reicht eine maximale Aussteifung im Bereich des Felgen¬ bettes FB aus, weshalb im gewählten Ausführungsbeispiel jede zweite Radial- Speiche RAS nur bis zur zweiten Ringspeiche RIS vom Felgenbett FB aus

ausgeführt ist. Dadurch ergibt sich zusätzlich noch ein sehr symmetrischer Eindruck eines Felgenkranzes. Dieser wird noch unterstützt durch Abrundun¬ gen AB zwischen den Radialspeichen RAS auf der Seite des Felgenbettes FB. Weiterhin ist im Bereich der Achsbefestigung des Felgenkörpers FK eine konzentrische Kreisplatte KP vorgesehen, in die die Radialspeichen RAS auslaufen und die das Gittermuster harmonisch abschließt. Die konzentrische Kreisplatte KP nimmt die Bohrungen BO für die Radbolzen auf und garantiert eine hohe Stabilität des belasteten Achsbereichs der Leichtbaufelge LF.

Die Figuren 2 und 3 zeigen das Ausführungsbeispiel einer Leichtbaufelge LF gemäß Figur 1 in der Ansicht von hinten mit einem Ausschnitt und von der Seite. Die Bezugszeichen sind entsprechend der Figur 1 zu entnehmen. In der Figur 2 ist zu erkennen, dass die Radialspeichen RAS und die Ringspeichen RIS nur an der vorderen Seite des Felgenbettes FB angeordnet sind. Zu erkennen ist auch das gegenüber den Ringspeichen RIS höhere Aspekt¬ verhältnis bei den Radialspeichen RAS. In der Figur 3 sind deutlich die stabile Ausprägung des Felgenbettes FB und die rippenartige Ausprägung der Ringspeichen RIS zu erkennen.

Bezugszeichenliste

AB Abrundung

BO Bohrung

FB Felgenbett

FK Felgenkörper

KP Kreisplatte

LF Leichtbaufelge

RAS Radialspeiche

RIS Ringspeiche

SA Speichenaufbau

ZB zentrale Bohrung