Fahrzeuqrad und Verwendung

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugrad umfassend eine Felge aus einem Stahlwerkstoff zur Aufnahme eines Reifens und eine an die Felge Stoff-, kraft- und/oder formschlüssig angebundene Radschüssel aus einem Stahlwerkstoff mit einem integralen Anbindungsbereich zur lösbaren Anbindung an einen Radträger, mit einer zumindest bereichsweisen Polymerstruktur, welche mit der Felge und/oder der Radschüssel verbunden ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung des Fahrzeugrades.

Der in den letzten Jahren gestiegene Druck auf die Automobilhersteller den CGyAusstoß in ihrer Fahrzeugflotte zu reduzieren, rückt nun neben den bisher betrachteten Karosseriebauteile auch Fahrwerksteile, insbesondere rotierende Fahrwerksteile wie Fahrzeugräder in den Fokus, Gewicht weiter zu reduzieren. Um eine weitere Gewichtsreduzierung erreichen zu können, sind zum einen Materialien mit höherer Festigkeit bzw. Schwingfestigkeit zur sicheren Aufnahme der Betriebsbelastungen erforderlich. Die Gewichtsreduzierung führt aber ohne Kompensationsmaßnahmen zu einem Verlust an Steifigkeit, welche für Fahrzeugräder nur in begrenztem Maß tolerierbar ist.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2013 202 271 AI ist ein Fahrzeugrad bekannt, welches eine metallische Grundstruktur aufweist. Die Lehre schlägt vor, einen Kohlefaserverbundwerkstoff mit der Radscheibe oder dem Radstern untrennbar so miteinander zu verbinden, dass die beim Betrieb entstehenden Kräfte aufgenommen und weitergeleitet werden, wobei sich die Kraftanteile der Betriebskräfte parallel auf den metallischen Werkstoff der Schüssel oder des Sterns und den Kohlefaserverbundwerkstoff aufteilen sollen. Durch die Verwendung der Kohlefaser kann die Steifigkeit und Festigkeit des Radsterns oder Radscheibe verbessert werden und zeitgleich der Metallanteil reduziert werden, was sich positiv auf das Gesamtgewicht des Fahrzeugrades auswirken kann, allerdings deutlich zu Lasten der Fertigungskosten gehen kann.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 21 08 754 ist zudem ein Stahlrad bekannt, welches durch Formprofile aus Kunststoff optisch aufgewertet wird . Diese Lösung ist zwar fertigungs- und kostentechnisch einfach umsetzbar, führt aber zu Einschränkungen beim Design.

In Bezug auf den Stand der Technik besteht weiteres Verbesserungspotential insbesondere hinsichtlich der Schwingfestigkeit und/oder der Sicherheit, der Optik sowie der Fertigung und der Bauteilkosten .

Der Erfindung lag somit die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeugrad bereitzustellen, welches im Vergleich zum bekannten Stand der Technik bezogen auf die Schwingfestigkeit und/oder die Sicherheit, Ästhetik sowie Fertigung besser und gewichtsoptimierter ausgelegt werden kann, sowie eine entsprechende Verwendung anzugeben .

Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe hinsichtlich des erfindungsgemäßen Fahrzeugrades mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist ein Fahrzeugrad mit einer waben- und/oder rippenartigen Polymerstruktur versehen und die Felge und/oder Radschüssel besteht aus einem Stahlwerkstoff mit einer resultierenden Zugfestigkeit über 700 MPa, wodurch das Fahrzeugrad hinsichtlich der Schwingfestigkeit und/oder der Sicherheit sowie Kosten besser und gewichtsoptimierter als die bekannte Ausführung aus dem Stand der Technik ausgelegt werden kann. Die Betriebslasten werden im Vergleich zum Stand der Technik weiterhin im Wesentlichen von der Radschüssel aufgenommen und weitergeleitet. Durch die zumindest bereichsweise vorgesehene Polymerstruktur kann gezielt Einfluss auf die belastungsgerechte und gewichtsoptimierte Auslegung des Fahrzeugrades genommen werden . Der Einsatz von Stahlwerkstoffen mit höheren Festigkeiten, mit Zugfestigkeiten über 700 MPa, insbesondere über 800 MPa, vorzugsweise über 900 MPa, besonders bevorzugt über 1000 MPa beispielsweise bei Warmumform-Stahllegierungen, kann die Wanddicke des Rades im Wesentlichen reduziert werden, führt jedoch in der Regel zu einem Verlust an Struktursteifigkeit. Durch die Polymerstruktur kann der Steifigkeitsverlust lokal und/oder global durch geringen Materialeinsatz auf ein ausreichendes Maß abgemildert werden.

Als Stahlwerkstoff für die Radschüssel, kommen insbesondere Mehrphasenstahllegierungen in Frage, wie beispielsweise Dualphasenstahl-, Complexphasenstahl-, Ferrit-Bainit- Stahl- oder Martensitphasenstahllegierungen mit einer Zugfestigkeit von mindestens 500 MPa, vorzugsweise mindestens 600 MPa und besonders bevorzugt mindestens 700 MPa, wobei das Gefüge der Mehrphasenstahllegierung aus mindestens zwei der Phasen Ferrit, Bainit, Austenit oder Martensit besteht. Auch vergütbare (härtbare) Stahllegierungen können verwendet werden, wie beispielsweise Warmumformstahl- oder lufthärtende Stahllegierungen mit einer Zugfestigkeit von mindestens 700 MPa, vorzugsweise mindestens 800 MPa und besonders bevorzugt mindestens 900 MPa, wobei das Gefüge überwiegend aus Martensit, insbesondere mehr als 90 % des Gefüges aus Martensit besteht. Mit zunehmender Festigkeit kann bei im Wesentlichen gleichbleibender Performance die jeweilige Materialdicke reduziert werden und dadurch das Gewicht weiter herabgesetzt werden. Auch manganhaltige Stahllegierungen können verwendet werden, welche eine hohe Umformbarkeit haben und dadurch komplexe Ausgestaltungen möglich sind, so dass die Steifigkeit erhöht werden kann und der Designfreiheit im Wesentlichen keine Grenzen gesetzt sind.

Gemäß einer Ausgestaltung des Fahrzeugrades kann die Polymerstruktur unverstärkt und/oder verstärkt sein und ist kraft-, form- und/oder stoffschlüssig angebunden. Unter unverstärkter Polymerstruktur ist zu verstehen, dass in der Polymerstruktur keine Stoffe, wie beispielsweise Füllstoffe enthalten sind. Die Eigenschaften der unverstärkten Polymerstruktur richten sich nach bzw. hängen von dem verwendeten Polymer ab. Die verstärkte Polymerstruktur hingegen enthält Stoffe, insbesondere Füllstoffe, die Einfluss auf die Eigenschaften der Polymerstruktur haben, insbesondere können sie die Festigkeit der Polymerstruktur erhöhen. Als Füllstoffe eignen sich alle Materialien, die insbesondere eine höhere Zugfestigkeit aufweisen als das verwendete Polymer selbst. So kommen pigmentartige, pulverförmige und/oder faserförmige Materialien in Frage, vorausgesetzt die Dimensionierung (Breite, Höhe, Länge etc.) des Füllstoffs überschreitet nicht die Dimensionierung der jeweiligen und individuell, angepassten Polymerstruktur. Besonders bevorzugt werden Fasern als Füllstoffe verwendet, wobei insbesondere Kohle-, Glas-, Aramid-, Borfasern oder Mischungen daraus eingesetzt werden können.

Gemäß einer Ausgestaltung des Fahrzeugrades ist die Polymerstruktur mit Kurzfasern verstärkt. Kurzfasern eignen sich hervorragend zur individuellen Gestaltung der Form der Polymerstruktur, so dass insbesondere der Designfreiheit keine Grenzen gesetzt sind und insbesondere filigrane Strukturen aufgrund der„kurzen " Länge der Fasern erzeugt werden können. Wird insbesondere eine variierende Faserkonzentration über die Höhe und/oder die Erstreckung der Polymerstruktur eingestellt, kann eine weitere Optimierung insbesondere mit Blick auf eine „maßgeschneiderte" Ausgestaltung der Polymerstruktur erfolgen.

Gemäß einer Ausgestaltung des Fahrzeugrades ist die Polymerstruktur mittels Spritzgussverfahren hinterspritzt. Spritzgießen ist ein bereits seit Jahren etabliertes Verfahren, welches kostengünstig zur Herstellung von Massenprodukten eingesetzt wird . Das Hinterspritzen der Polymerstruktur erfolgt bevorzugt am zusammengebauten Fahrzeugrad, d . h. das die Radschüssel bereits mit der Felge verbunden ist, bevor die Polymerstruktur zumindest bereichsweise angebunden wird . Dies hat den Vorteil, dass zum einen die Polymerstruktur nicht den Verbindungsprozess negativ beeinflussen kann, beispielsweise indem sie einen Verbindungsbereich versperrt, und zum anderen der Verbindungsprozess sich nicht nachteilig auf die Polymerstruktur auswirken kann, beispielsweise durch das Verbinden zerstört wird . Vorzugsweise wird auf die zu hinterspritzenden Bereiche der Felge und/oder Radschüssel ein Haftvermittler zur Verbesserung insbesondere der stoffschlüssigen Anbindung aufgetragen. Ausklinkungen und/oder andere Öffnungen in der Felge und/oder Radschüssel können einen Hinterschnitt zur Verbesserung insbesondere der formschlüssigen Anbindung bereitstellen.

Gemäß einer Ausgestaltung des Fahrzeugrades ist die Polymerstruktur zumindest bereichsweise auf der sichtbaren und/oder der nicht-sichtbaren Seite der Radschüssel und/oder der Felge angebunden. Unter sichtbare Seite der Radschüssel ist die dem Radträger abgewandte und unter sichtbare Seite der Felge die dem Radträger zugewandte Seite im an einem Fahrzeug montierten Zustand zu verstehen. Unter nicht-sichtbare Seite der Radschüssel ist die dem Radträger zugewandte und unter nichtsichtbare Seite der Felge die dem Radträger abgewandte Seite im an einem Fahrzeug montierten Zustand zu verstehen . Die nicht-sichtbare Seite der Felge ist zudem durch einen montierten Reifen abgedeckt, wodurch in vorteilhafter Weise die zumindest bereichsweise angebundene Polymerstruktur vor äußeren Einflüssen geschützt ist. Ist die Polymerstruktur beispielsweise auf der sichtbaren Seite der Felge und/oder nicht-sichtbaren Seite der Radschüssel vorgesehen, sollte darauf geachtet werden, dass die Geometrie der Radschüssel und/oder Felge mit der Polymerstruktur derart angepasst ist, dass eine Montage auf dem Radträger mit einer angeordneten Bremsvorrichtung problemlos möglich ist. Vorzugsweise ist das Polymer ein Thermoplast, vorzugsweise ein temperaturbeständiger Thermoplast, welcher beständig gegen thermische Einflüsse wie beispielsweise Bremswärme und/oder Sonneneinstrahlung ist.

Gemäß einer Ausgestaltung des Fahrzeugrades weist die Radschüssel mindestens drei Speichen, welche integral ausgebildet sind, auf. Unter Radschüssel sind nicht nur die klassischen Radschüssel- Ausführungen zu verstehen, sondern auch Ausführungen im Sterndesign mit mindestens drei Speichen, insbesondere mindestens 4 Speichen, vorzugsweise mindestens 5 Speichen . Das Sterndesign ist im Vergleich zur klassischen Radschüssel hinsichtlich der Optik variationsreicher ausstattbar, beispielsweise durch eine individuelle Dimensionierung der Speichen.

Gemäß einer Ausgestaltung weist die Radschüssel am äußeren Rand im Wesentlichen einen abstehenden umlaufenden Ringbereich auf, welcher integral ausgebildet ist und zur Anbindung an die Felge dient und stoffschlüssig mittels Lichtbogenschweißen, Laserstrahlschweißen, Widerstandspressschweißen oder Löten an der Felge über mehrere Punkte und/oder eine Naht bzw. abschnittsweise verlaufende Nähte angebunden ist. Vorzugsweise wird die Radschüssel zumindest bereichsweise verlaufende, insbesondere vollständig umlaufende von innen auf der sichtbaren Seite im sogenannten Tiefbett oder Felgenschulter der Felge über eine Fügenaht, welche als MIG-, MAG-, Laser-, Schweiß- oder Lötnaht ausgeführt sein kann, angebunden . Alternativ kann die Radschüssel auch über vorzugsweise mehrere Fügepunkte mittels Widerstandspressschweißen im Tiefbett oder Felgenschulter der Felge oder mechanische Fügeverfahren angebunden sein.

Gemäß einer Ausgestaltung können die Radschüssel und/oder die Felge mittels Druckumformen, Zugumformen, Zugdruckumformen, Biegeumformen, Schubumformen, Drückwalzen oder Tiefziehen, insbesondere mittels direkter oder indirekter Warmumformung mit optional zumindest teilweiser (Press-) Härtung, oder mittels einer Kombination der genannten Herstellungsverfahren geformt sein .

Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft eine Verwendung des erfindungsgemäßen Fahrzeugrades in Personenfahrzeugen, Nutzfahrzeugen, Lastkraftwagen, Sonderfahrzeugen, Bussen, Omnibussen, ob mit Verbrennungsmotor und/oder elektrischem Antrieb, Anhänger oder Trailer. Je nach Fahrzeugtyp ist das Fahrzeugrad mit seiner Radschüssel und seiner Felge mit entsprechenden Materialdicken, welche entlang des jeweiligen Querschnitts auch variieren können, mit einer Polymerstruktur belastungs- und/oder gewichtsoptimiert ausgelegt.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt eine schematische, perspektivische Darstellung einer ersten Ausführung eines Fahrzeugrades und ein Schnitt entlang der Linie I in der ersten Ausführung, eine schematische, perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführung eines Fahrzeugrades, eine schematische, perspektivische Darstellung einer dritten Ausführung eines Fahrzeugrades, eine schematische, perspektivische Darstellung einer vierten Ausführung eines Fahrzeugrades und ein schematischer Schnitt durch eine angebundene, verstärkte Polymerstruktur.

In Figur la) ist eine schematische, perspektivische Darstellung einer ersten Ausführung eines Fahrzeugrades (1) sowie in Figur lb) ein Schnitt entlang der Linie I im Fahrzeugrad (1) für beispielsweise ein Personenkraftwagen gezeigt. Das Fahrzeugrad (1) umfasst eine Felge (2), die beispielsweise profiliert sein kann, zur Aufnahme eines nicht dargestellten Reifens und eine an die Felge (2) stoff-, form- und/oder kraftschlüssig angebundene Radschüssel (3). Die Radschüssel (3) ist scheibenförmig ausgebildet und weist am äußeren Rand einen abstehenden umlaufenden Ringbereich (3.1) auf, welcher integral ausgebildet ist und zur Anbindung an die Felge (2) dient und vorzugsweise stoffschlüssig mittels Lichtbogenschweißen vorzugsweise über eine vollständig umlaufende MAG- Schweißnaht (4) im Tiefbett (2.1) der Felge (2) angebunden ist. Die Radschüssel (3) umfasst einen integralen Mittenbereich (3.2), welcher beispielsweise den Anbindungsbereich zur lösbaren Anbindung an einen Radträger bildet, in welchem Öffnungen (5) zur Aufnahme von nicht dargestellten Verbindungsmitteln (Bolzen/ Schrauben) vorgesehen sind . Im Mittenbereich (3.2) ist eine Zentralöffnung (7) vorgesehen, welche beispielsweise der Zentrierung des Fahrzeugrades (1) an eine nicht dargestellte Radnabe dient, welche eine Komponente eines nicht dargestellten Radträgers ist. Sowohl die Radschüssel (3) als auch die Felge (2) können aus einer mehrphasigen Stahllegierung, beispielsweise einer Dualphasenstahllegierung mit einer Zugfestigkeit von ca. 780 MPa bestehen . Die Verwendung von anderen Stahllegierungen, insbesondere mit höheren Zugfestigkeiten ist ebenfalls denkbar. Eine belastungsgerechte und gewichtsoptimierte Auslegung des Fahrzeugrades kann durch eine zumindest bereichsweise vorgesehene Polymerstruktur (6) bereitgestellt werden, welche auf der nicht-sichtbaren Seite der Felge (2) angebunden ist, wobei die angebundene rippenartige Polymerstruktur (6) vor äußeren Einflüssen geschützt ist, da die nicht-sichtbare Seite im Betrieb von einem montierten Reifen (nicht dargestellt) abdeckt ist. Die rippenartige Polymerstruktur (6) ist beispielsweise umlaufend und bereichsweise im Bereich der dem Tiefbett (2.1) abgewandten Seite der Felge (2) angebunden. Es ist beispielsweise eine verstärkte Polymerstruktur (6), welche Kurzfasern (8), beispielsweise Kohlefasern aufweist, die von einer Matrix aus einem thermoplastischen Kunststoff umgeben sind, wobei die Polymerstruktur (6) im Spritzgussverfahren hinterspritzt bzw. hergestellt ist. Zur Verbesserung der Anbindung kann vor dem Hinterspritzen vorzugsweise ein Haftvermittler aufgetragen werden. Die Radschüssel (3) entspricht der klassischen Ausführung .

In Figur 2) ist eine schematische, perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführung eines Fahrzeugrades (Γ) dargestellt. Das Fahrzeugrad (Γ) umfasst eine Felge (2), die beispielsweise profiliert sein kann, zur Aufnahme eines nicht dargestellten Reifens und eine an die Felge (2) Stoff-, form- und/oder kraftschlüssig angebundene Radschüssel (3 '). Die Radschüssel (3 ') ist im Sterndesign mit 5 Speichen (3 ' .3) ausgebildet und weist am äußeren Rand einen abstehenden umlaufenden Ringbereich (3 ' .1) auf, welcher integral ausgebildet ist und zur Anbindung an die Felge (2) dient und vorzugsweise stoffschlüssig mittels Lichtbogenschweißen vorzugsweise über eine vollständig umlaufende MAG-Schweißnaht im Tiefbett der Felge (2) angebunden ist. Die Radschüssel (3') umfasst einen integralen Mittenbereich (3 ' .3), welcher beispielsweise den Anbindungsbereich zur lösbaren Anbindung an einen Radträger bildet, in welchem Öffnungen (5) zur Aufnahme von nicht dargestellten Verbindungsmitteln (Bolzen/Schrauben) vorgesehen sind . Im Mittenbereich (3 ' .3) ist eine Zentralöffnung (7) vorgesehen, welche beispielsweise der Zentrierung des Rades an eine nicht dargestellte Radnabe dient. Eine belastungsgerechte und gewichtsoptimierte Auslegung des Fahrzeugrades kann durch eine zumindest bereichsweise vorgesehene Polymerstruktur (6) bereit gestellt werden, welche auf der nicht-sichtbaren Seite der Radschüssel (3') angebunden ist. Die rippenartige Polymerstruktur (6) ist an den Speichen (3 ' .3) angebunden und bedeckt diese beispielsweise vollständig . Die vorzugsweise verstärkte Polymerstruktur (6) enthält Kurzfasern, beispielsweise Kohlefasern, die von einer Matrix aus einem thermoplastischen Kunststoff umgeben sind, wobei die Polymerstruktur (6) im Spritzgussverfahren hinterspritzt bzw. hergestellt ist.

Figur 3) zeigt eine alternative Ausgestaltung einer Polymerstruktur (6.1) im Vergleich zu Figur 2), welche wabenartig ausgebildet ist. Die wabenartige Polymerstruktur (6.1) ist an den Speichen (3' .3) angebunden und bedeckt diese beispielsweise nur bereichsweise. Die vorzugsweise verstärkte Polymerstruktur (6) enthält Kurzfasern, beispielsweise Kohlefasern, die von einer Matrix aus einem thermoplastischen Kunststoff umgeben sind, wobei die Polymerstruktur (6) im Spritzgussverfahren hinterspritzt bzw. hergestellt ist.

Das Fahrzeugrad (Γ) in Figur 4) zeigt im Vergleich zu den Figuren 2) und 3) eine wabenartige Polymerstruktur (6.1), welche auf der nicht-sichtbaren Seite der Felge (2) angebunden ist. Die wabenartige Polymerstruktur (6.1) ist vollständig umlaufend an der Felge (2) angebunden und bedeckt diese beispielsweise vollständig . Die vorzugsweise verstärkte Polymerstruktur (6.1) enthält Kurzfasern, beispielsweise Kohlefasern, die von einer Matrix aus einem thermoplastischen Kunststoff umgeben sind, wobei die Polymerstruktur (6) im Spritzgussverfahren hinterspritzt bzw. hergestellt ist.

In Figur 5) ist beispielsweise eine variierende Faserkonzentration über die Höhe (H) der mit Kurzfasern (8) verstärkten Polymerstruktur (6, 6.1), unabhängig davon ob sie rippen- und/oder wabenförmig ausgebildet und an der Felge (2) und/oder Radschüssel (3, 3 ') angebunden ist, dargestellt. In Richtung der Anbindung zur Felge (2) und/oder Radschüssel (3, 3') sind wenig bis keine Kurzfasern (8) vorhanden. In entgegengesetzter Richtung zu der freien Oberfläche der verstärkten Polymerstruktur (6, 6.1) nimmt die Konzentration der Kurzfasern (8) zu, so dass eine gradierte Verteilung entlang der Höhe (8) der Polymerstruktur (6, 6.1) vorliegt. Durch die variierende Anordnung der Fasern kann eine weitere Optimierung insbesondere mit Blick auf eine „maßgeschneiderte" Ausgestaltung der Polymerstruktur erfolgen. Alternativ oder kumulativ kann die Faserkonzentration entlang der Erstreckung der Polymerstruktur (6, 6.1) variieren, wobei bereichsweise die Konzentration der Fasern höher sein kann und bereichsweise auch faserfreie Bereiche vorliegen können .

Die Felge und/oder Radschüssel können auch aus einer mikrolegierten Stahllegierung, einer überwiegend einphasigen Stahllegierung, einer Mehrphasenstahllegierung oder einer vergütbaren Stahllegierung bestehen.

Die Erfindung ist nicht auf die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele sowie auf die Ausführungen in der allgemeinen Beschreibung beschränkt, vielmehr können auch die Felge (2) und/oder die Radschüssel (3, 3') aus einem Tailored Product, beispielsweise einem Tailored Blank und/oder Tailored Roiled Blank gebildet sein . Je nach Fahrzeugtyp ist das Fahrzeugrad (1, Γ) mit seiner Radschüssel (3, 3') und Felge (2) mit entsprechenden Materialdicken, welche entlang des jeweiligen Querschnitts auch variieren können, insbesondere mit einer Polymerstruktur (6, 6.1) belastungs- und/oder gewichtsoptimiert ausgelegt sind . Besonders vorteilhaft ist die Erfindung auch bei Nutzfahrzeugrädern anwendbar. Bezugszeichenliste

1 , Γ Fahrzeugrad

2 Felge

2.1 Tiefbett der Felge

3, 3' Radschüssel

3.1, 3' .1 umlaufender Ring

3.2, 3' .2 Anbindungsbereich

3 ' .3 Speichen

4 Schweißnaht

5 Öffnung

6 Polymerstruktur, rippenartige Polymerstruktur

6.1 wabenartige Polymerstruktur

7 Zentralöffnung

8 Kurzfasern

H Höhe der verstärkten Polymerstruktur

K Kontaktbereich