Das Rad neu erfunden ...

Durch ein geringeres Fahrzeuggewicht wird bei vergleichbaren Fahrleistungen eine geringere Antriebsleistung erforderlich. Es entstehen geringere Schadstoffemissionen. Leichtbau stellt demnach eine Schlüsseltechnologie in der Automobilentwicklung dar. Darüber hinaus macht das hohe Batteriegewicht bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen Leichtbaubestrebungen letztlich unumgänglich.

Faserverbundrad mit integriertem Elektromotor

Kohlenstofffaserverbund (CFK) Rad - Motorglocke und Radnabenmotor - Schnitt

Bearbeitung der Radformen bei der Fertigung

Kohlenstofffaserverbund (CFK) Rad mit integriertem Elektromotor

Bei Elektrofahrzeugen wird der konventionelle Verbrennungsmotor durch einen oder mehrere Elektromotoren ersetzt. Um die Möglichkeit dieses alternativen Fahrzeugantriebs aufzuzeigen, wurde am Fraunhofer LBF im Rahmen des Verbundprojekts Systemforschung Elektromobilität ein Faserverbund-Leichtbaurad mit integriertem Elektromotor entwickelt und gebaut.

Das CFK-Leichtbaurad mit der Radgröße 6,5 x 15“ hat ein Gewicht von ca. 3,5 kg. Somit ergibt sich im Vergleich zu einem Stahlrad gleicher Größe je nach Radkonstruktion eine Gewichtsersparnis von bis zu 60%, die Gewichtsersparnis gegenüber einem Aluminium-Gussrad beträgt je nach betrachteter Konstruktion bis zu 56%.

Hierbei ist die Motorglocke nicht direkt mit dem Felgenbett verbunden. Somit wird verhindert, dass eine radial oder lateral wirkende Kraft direkt auf den Elektromotor übertragen wird. Für eine kraftflussgerechte, kontinuierlichere Faserführung und zur Vermeidung von Spannungsspitzen durch scharfe Ecken oder Steifigkeitssprünge, wurden im Bauteil werkstoffgerechte Radien und fließende Übergänge realisiert. Die Motorglocke ist mit dem inneren Bereich der Radachse verbunden. Zur Reduzierung der Masse und zur Erhöhung der Biegesteifigkeit wurden Schaumkerne in die Speichen eingebracht. Als Elektromotor wurde ein kleiner, kommerziell verfügbarer Radnabenmotor verwendet. Der aus einem Ring mit Permanentmagneten (Außenläufer) und aus einem Jochring mit Elektromagneten (Stator) bestehende Rollermotor hat eine Motorleistung von 4kW und eine Ansteuerspannung von 2 x 24,5 V.

Weniger Gewicht – höhere Festigkeit.

Richtig konstruiert, werden durch den Einsatz von FKV (Faser-Kunststoff-Verbunde) bei geringerem Gewicht höhere Steifigkeiten, Materialdämpfungen und eine höhere Schadenstoleranz im Vergleich zu Metallen erzielt. Im Bereich der Anbindung zwischen E-Motor und FKV-Rad (Motorglocke) ist so zum Beispiel durch den Einsatz hochmoduliger Fasern eine höhere Eigenfrequenz bei höherer Dämpfung erreichbar, was neben dem Leichtbaupotenzial eine geringe Schallabstrahlung ermöglicht. Ein weiterer Vorteil der Leichtbauweise mit Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) ist neben der hohen Designfreiheit die Funktionsintegration. Im Gegensatz zu metallischen Leichtbaumaterialien bieten Faser-Kunststoff-Verbunde auch einige Freiheitsgrade mehr, über die die Material- und Bauteileigenschaften beeinflusst werden können. Die Art der Matrix und der Faser beeinflussen die Eigenschaften ebenso wie deren Mengenverhältnis zueinander und die Orientierung der Fasern im Bauteil. Die Faktoren Gewicht, Betriebsfestigkeit und Herstellungsaufwand können je nach Anforderungsprofil optimal ausbalanciert werden.

Preisträger im Wettbewerb 365 Orte im Land der Ideen