CN109789746A - 具有热固性基质材料的纤维塑料复合单体结构形式的底盘构件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种呈纤维塑料复合结构形式的底盘构件(100)，特别是车轮引导控制臂，底盘构件在用热固性基质材料一体式构造的情况下具有至少一个用连续纤维形成的增强结构(110)、至少一个用短纤维和/或长纤维形成的加固结构(120)和多个整合在增强结构(110)和/或加固结构(120)中的用于容纳轴承元件(141、142、143)的轴承容纳部(131、132、133)。本发明还涉及用于制造该底盘构件(100)的方法。

Description

具有热固性基质材料的纤维塑料复合单体结构形式的底盘构 件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种纤维塑料复合结构方式的底盘构件，特别是车轮引导控制臂。
本发明还涉及一种用于制造这种底盘构件的方法。
背景技术
由现有技术中已知底盘构件，其全部或部分地由纤维塑料复合物形成。与纯金属变型方案相比，尤其是得到较低的重量、较高的设计自由度、降低的易腐蚀性并且通常还得到较简单的可制造性。
从DE 10 2007 015 616 A1中已知一种以混合结构方式实施的三角形控制臂，它具有由金属板形成的基体和与基体固定连接的塑料部件。塑料部件用于增强基体并且优选地具有格栅结构，该格栅结构尤其布置在基体的壳形凹陷部中。塑料优选地用纤维例如玻璃纤维增强。作为塑料，可以使用聚酰胺(热塑性塑料)。
DE 10 2011 003 971 A1描述了一种控制臂元件，该控制臂元件由具有连续纤维增强部的基本上深拉成盒状的型材载体和布置在其中的由注塑塑料制成的填充体形成。对于深拉的型材载体，可以使用由可固化塑料如环氧树脂制成的连续纤维增强的预浸料。然而，优选地，型材载体的材料是由连续纤维增强的热塑性塑料制成的深拉板形半成品。填充体可以由短纤维增强或长纤维增强的热塑性材料组成。
发明内容
本发明的任务是提供另一种基本上仅由纤维塑料复合材料形成的底盘构件，该底盘构件可以承受载荷并且可以有利地制造。
该任务通过具有权利要求1的特征的根据本发明的底盘构件解决。通过并列独立权利要求，本发明还扩展到其制造方法。对于两个发明主题，优选的改进和设计方案类似地由从属权利要求、以下描述和附图给出。
根据本发明的底盘构件的特征在于，它在(仅)用热固性基质材料一体式构造的情况下具有至少一个用连续纤维形成的增强结构(连续纤维增强结构)，至少一个用短纤维和/或长纤维形成的加固结构(短纤维/长纤维加固结构)和多个整合在增强结构和/或加固结构中的用于容纳轴承元件的轴承容纳部。
底盘构件优选地是车轮引导控制臂，并且特别是具有2点控制臂几何形状或3点控制臂几何形状的横向控制臂，例如Y、A、L或U结构方式。例如，它也可以是支柱轮架。
整合的轴承容纳部用于将轴承元件例如球头关节或球头销、轴承螺栓、橡胶或弹性体轴承以及类似物紧固在底盘构件上，用于将底盘构件在结构上接入到机动车、特别是客车中。通常，它是具有不同关节功能的关节(例如转动关节、球头关节等)。因此，轴承容纳部在底盘构件中形成力引入点或力作用点(运动点)。有利地，在构造底盘构件时，整合的轴承容纳部的布置和它们的取向(水平、竖直或倾斜)在很大程度上可以自由地确定。
根据本发明的底盘构件具有至少三个不同的功能区域(增强结构、加固结构和轴承容纳部)并且仍然构造为一体的，即作为单件制造，特别是采用模型制造方法制造，例如并列独立权利要求所要求保护的那样。连续纤维增强部可以在很大程度上自由设计，以适应底盘构件的载荷特性，并且于是相应该载荷特性地提供突出的针对性的机械性能。不仅可以改变连续纤维增强结构的几何形状，而且可以改变连续纤维增强结构的数量。加固结构的短纤维和/或长纤维增强部用于增强结构的加固并且实现高设计自由度(几何结构可以针对载荷情况在轻量化技术上自由设计)以及通过合并多个工艺步骤来缩短工艺链。通过具有不同功能区域的结构化一体式结构，尽管重量轻但仍最佳地实现了对底盘构件的机械要求。另外，各个功能区域之间的增附剂等以及形状锁合的连接设计不是绝对必要的，这简化了制造和结构构成。
根据本发明的底盘构件基本上完全或整体由纤维塑料复合材料(FKV)形成，这也可以称为FKV单体结构形式(与例如由金属和FKV制成的混合结构相对)或全FKV结构形式。由此得到基本上均匀的机械性能。基本上不出现由于不同的弹性模量或拉伸/压缩强度导致的刚度和强度突变。膨胀系数也基本相同，因此得到了良好的耐温度交变性和耐气候交变性。由于整体性的纤维塑料复合结构形式，在回收方面也产生优势。
作为增强纤维，优先使用具有不同纤维长度的碳纤维或玻璃纤维。短纤维可具有最高达约1毫米的长度。长纤维可具有最高达50毫米的长度。进而，连续纤维具有大于50毫米的长度。作为基质材料，仅使用热固性塑料或热固性塑料材料，例如环氧树脂、乙烯基酯树脂或聚氨酯，其中热固性基质材料相对于热塑性基质材料具有更好的耐热性(即刚度和强度两者)和形状稳定性。
增强结构可以由具有多个连续纤维层的针对负载情况优化的层结构形成。层结构可以在考虑相应的边界条件的情况下自由选择。在一层内，纤维优选以相同的取向布置(单向无屈曲织物)。然后可以构建具有相同纤维取向(即0°)或逐层不同纤维取向(例如，0°、+45°、-45°、90°、90°、-45°、+45°、0°)的层结构。
由短纤维和/或长纤维形成的加固结构优选地构造为肋结构或具有至少一个肋结构。用短纤维和/或长纤维增强的肋结构重量轻且稳定。此外还有大的设计自由度。
增强结构可具有适合于载荷和/或构件几何形状的任何合适的形状。增强结构也可以只是一个板。增强结构可以是由多个连续纤维层形成的半壳，并且加固结构可以是构造在该半壳中的肋结构。于是半壳由肋结构支撑并加固。结果，实现了突出的刚度，特别是弯曲和扭转刚度。
根据本发明的底盘构件可以具有至少一个(整体式)模制上去的功能元件，该功能元件优选地模制到短纤维和/或长纤维增强的加固结构上或模制到其中。功能元件例如是密封波纹管槽、紧固夹、挡风板、防碎石打击板或类似物。
根据本发明的底盘构件可以具有至少一个载荷传感器，该载荷传感器可以在底盘构件的模型制造时已经引入。载荷传感器可以直接嵌入加固结构和/或增强结构的纤维塑料复合材料中。借助于这种载荷传感器，可以探测纤维复合结构的变化，特别是可以检测到过载或超负荷。
根据本发明的底盘构件可以具有至少一个整合的弹性体的元件或弹性体元件，其可以尤其在底盘构件的模型制造时已经引入。弹性体元件可是内部的、即嵌入纤维塑料复合物中的弹性体层，其用于声学阻尼和/或振动阻尼。这种内部弹性体元件可以例如是增强结构的层构造的组成部分，或者可以嵌入加固结构中，或者可以布置在增强结构和加固结构之间。弹性体元件也可以是外部弹性体层，其例如用作冲击保护或破碎保护和/或减少声辐射。
用于制造根据本发明的底盘构件的方法具有以下步骤：
-准备或预制至少一个含有连续纤维的置入件；
-将置入件放置在打开的压制模具的腔体中；
-必要时还将至少一个载荷传感器、弹性体元件和/或轴承元件放置在打开的压制模具的腔体中；
-在添加含有短纤维和/或长纤维的按照腔体轮廓在腔体中分布的热固性塑料材料的情况下，关闭压制模具并实施压制过程；
-固化塑料材料，其通常通过加温(热固化)并在压力下进行；打开压制模具；并对底盘构件进行脱模或移除。
这样，底盘构件通过模型制造一体地制造，即通过原型过程并且必要时还通过改型过程在具有相应构造的腔体的压制模具中制造。这种生产方式也可以称为一次性方法，并且具有相对很短的工艺链。将通常预热的压制模具安装在压机或类似物中。压制模具的腔体可以构造有腔体区段，以生产模制上去的功能元件。
在从压制模具脱模之后，所生产的底盘构件基本上是完工的。在安装到机动车辆中之前，必要时还必须将轴承元件置入或接入到整合的轴承容纳部中。备选地，轴承元件可以在底盘构件的模型制造时已经整合到轴承容纳部中，然后使其牢固地嵌在纤维塑料复合物中。
所述至少一个置入件是预制的并且可以由干燥的连续纤维纺织品半成品(例如梭织物、无屈曲织物特别是单向无屈曲织物、刺绣物、编织物、非织造物或类似物)或预浸渍的连续纤维半成品(所谓的预浸料或丝束浸渍料)形成，并且可以由单纤维层或由多个纤维层、特别是具有不同纤维取向的多个纤维层组成。预制置入件还可具有至少一个载荷传感器和/或至少一个弹性体元件，例如弹性体层。置入件可以构造成平的，并且例如在闭合压制模具时进行改型。但是置入件也可以已经预成形(所谓的预成形件)。例如，可以用RTM工艺(树脂传递模塑)或PCM工艺(预浸料压缩模塑)生产预成形件。在压制过程中，置入件中所含的塑料熔化或置入件被添加的塑料渗透(即连续纤维嵌入已经含有和/或添加的热固性塑料材料中)或添加的塑料与置入件以材料锁合方式结合(取决于使用哪种初产品)，其中，然后由置入件形成增强结构。
含有短纤维和/或长纤维的热固性塑料材料可以在压制过程之前就已经被引入压制模具的腔体中，例如以SMC(片状模塑料)或BMC(块状模塑料)的形式。然而，含有短纤维和/或长纤维的热固性塑料材料也可以在压制过程中才通过注塑成型或类似方式引入腔体中。在进一步的压制过程期间(必要时在后压制阶段)，最初仍为液态的热固性塑料材料(通常为树脂，参见上文)固化并形成加固结构。优选地，整合的轴承容纳部也由含有短纤维和/或长纤维的塑料形成或至少由其参与形成。可能的功能元件也优选由这种含有短纤维和/或长纤维的塑料形成。可能的弹性体元件、传感器和/或轴承元件也优选地嵌入这些含有短纤维和/或长纤维的塑料中。
至少一个轴承容纳部可以通过将置入件切成条带状、将条带成形为衬套以及通过含有短纤维和/或长纤维的热固性塑料材料加固衬套来生产。以这种方式制造的轴承衬套特别稳定。
附图说明
下面将参考附图更详细地解释本发明。附图中示出和/或下面说明的特征是本发明的一般特征并且进一步改进本发明，这些一般特征甚至可以脱离具体特征组合。
图1示出了一种根据本发明的底盘构件。
图2示出了另一种根据本发明的底盘构件。
图3说明了根据图1和2的底盘构件的制造。
图4示意性地说明了根据本发明的底盘构件中的增强结构和加固结构的可能布置。
图5示出了用于根据本发明的底盘构件上的轴承衬套的连续纤维增强部的两种方案。
图6示意性地说明了根据本发明的在底盘构件上的具有连续纤维增强部以及短纤维和/或长纤维增强部的轴承衬套的不同实施例。
具体实施方式
图1示出了基本上仅由具有热固性基质材料的纤维塑料复合材料形成的呈L型结构形式的3点控制臂100。在一体式构造的情况下，控制臂100具有形成为半壳或壳体的、具有连续纤维增强部的增强结构110，并且具有构造为肋结构的具有短纤维和/或长纤维增强部的加固结构120。增强结构110和加固结构120是整体的，即一体式构造。控制臂100还具有整合到增强结构110和加固结构120中的三个轴承容纳部131、132和133以用于容纳轴承元件。轴承容纳部131和133构造为轴承座，而轴承容纳部132构造为轴承衬套。轴承元件是球头销141、第一橡胶轴承142和第二橡胶轴承143。轴承元件141、142和143能够以后安装，或在控制臂100的模型制造时已经嵌入(见图3)。控制臂100还具有嵌入到肋结构120中的载荷传感器150。控制臂100还可具有未示出的弹性体层，如上所述。
图2中所示的3点控制臂100a具有U型结构形式。类似于图1中所示的控制臂100，在一体式构造的情况下，控制臂100a具有成形为半壳的具有连续纤维增强部的增强结构110，以及构造为肋结构的具有短纤维和/或长纤维增强部的加固结构120。控制臂100还具有三个轴承容纳部131、132和134。中间的轴承容纳部131构造为轴承座并且具有布置在其中的球头销141。布置在支腿端部的轴承容纳部132和134构造为用于容纳橡胶轴承(未示出)的轴承衬套。控制臂100还具有嵌入到肋结构120中的载荷传感器150。
如图3所示，控制臂100和100a借助压制工艺(热压)一体式制造。针对制造，需要并提供以下组件(成分)：
-至少一个由多个连续纤维层形成的置入件10，所述多个连续纤维层特别是具有不同的纤维取向。如上所述，置入件10可以是预成形的。此外，置入件10可以构造有用于构成轴承座的孔。
-含有短纤维和/或长纤维的热固性塑料材料，特别是纤维-基质半成品(例如SMC或BMC)20。
-轴承元件，例如球头销141和橡胶轴承142/143。
-至少一个载荷传感器150。
-任选地，至少一个弹性体层160(针对于此参见上面的解释)。
将组件布置在打开的压制模具200的腔体210中。代替预制置入件10，也可以直接在压制模具200的腔体210中产生层结构(所谓的打皱)。随后，关闭压制模具200。在关闭压制模具200时，可以使置入件10改型。现在在闭合的压制模具200中实施压制过程P。由含有连续纤维的置入件10形成壳状增强结构110，并且由含有短纤维和/或长纤维的热固性塑料材料20以原型方式形成肋状加固结构120。相应地构造压制模具200的腔体210。在下文中，参考上述说明。在热固性塑料材料固化之后，打开压制模具200并且移除一体式制造的底盘构件100或100a。
控制臂100和100a的一体式制造也可以通过注塑成型或类似方式完成。于是，方法流程基本上类似于图3中所示的方法流程，其中在压制模具200闭合时才将含有短纤维和/或长纤维的热固性塑料材料20注入腔体210中。
图4示意性地示出了通过连续纤维增强的增强区域或连续纤维增强结构110以及短纤维和/或长纤维增强的加固区域或短纤维/长纤维加固结构120的各种布置实现的一体式底盘构件的可能构造方案或变型方案。图4a中所示的变型方案Var.1对应于图1和图2中所示的底盘构件100/100a的实施方案，其具有连续纤维增强的增强结构110和短纤维和/或长纤维增强的加固结构120。图4b中所示的变型方案Var.2具有三明治构造，该三明治构造具有两个外部增强结构110和一个内部加固结构120。两个外部增强结构110可以组合成一个完整壳。图4c中所示的变型方案Var.3也具有三明治构造，但具有两个外部加固结构120和一个内部增强结构110。其他变型方案是可能的。
图5示出了用于轴承衬套132和134的连续纤维增强部的两种优选方案。含有连续纤维的置入件10被切成条带状。在图5a所示的实施方案中，条带12构造有自由的条带端部。在图5b所示的实施方案中，条带12在其端部仍通过横向带13连接。条带12以相反的隆起部或半圆形弯曲交替地预成形为衬套。然后，将以这种方式通过含有连续纤维条带12形成的增强笼或者增强套在压制工艺P期间在压制模具200中通过含有短纤维和/或长纤维的热固性塑料材料20加固，如图6a中示意性所示。在这种情况下，轴承衬套132/134也可以构造有特别是外壁式的肋，如图1和图2所示。布置在衬套壁中的连续纤维条带12近似环绕衬套钻孔或衬套内部空间并改善力流。该构造特别适用于具有水平取向的轴承衬套(参见图1和图2中的轴承容纳部或轴承衬套132/134)。
图6b和6c示出了轴承衬套132/134的另外的实施方案，其没有将置入件10切成条带状。对于图6c中所示的变型方案，使用两个置入件10，类似于图4b中所示的变型方案。其他设计方案或变型方案也是可能的。
附图标记列表
10 置入件
12 条带
13 横向带
20 塑料材料
100 控制臂(底盘构件)
110 增强结构
120 加固结构
131 轴承容纳部
132 轴承容纳部
133 轴承容纳部
134 轴承容纳部
141 球头销
142 橡胶轴承
143 橡胶轴承
150 载荷传感器
160 弹性体层
200 压制模具
210 腔体
P 压制过程

Claims (10)

1.呈纤维塑料复合结构形式的底盘构件(100)，特别是车轮引导控制臂，其特征在于，所述底盘构件在用热固性基质材料一体式构造的情况下具有至少一个用连续纤维形成的增强结构(110)、至少一个用短纤维和/或长纤维形成的加固结构(120)和多个整合在增强结构(110)和/或加固结构(120)中的用于容纳轴承元件(141、142、143)的轴承容纳部(131、132、133、134)。
2.根据权利要求1所述的底盘构件(100)，其特征在于，所述增强结构(110)具有多个连续纤维层，所述多个连续纤维层特别是具有不同的纤维取向。
3.根据权利要求1或2所述的底盘构件(100)，其特征在于，所述加固结构(120)构造为肋结构。
4.根据以上权利要求中任一项所述的底盘构件(100)，其特征在于，所述增强结构(110)是由多个连续纤维层形成的半壳，并且所述加固结构(120)是构造在所述半壳中的肋结构。
5.根据以上权利要求中任一项所述的底盘构件(100)，其特征在于，所述底盘构件具有至少一个模制上去的功能元件。
6.根据以上权利要求中任一项所述的底盘构件(100)，其特征在于，所述底盘构件具有至少一个整合的载荷传感器(150)。
7.根据以上权利要求中任一项所述的底盘构件(100)，其特征在于，所述底盘构件具有至少一个整合的弹性体元件(160)。
8.用于制造由具有热固性基质材料的纤维塑料复合物制成的一体式的底盘构件(100)的方法，所述底盘构件具有至少一个用连续纤维形成的增强结构(110)、至少一个用短纤维和/或长纤维形成的加固结构(120)和多个整合在增强结构(110)和/或加固结构(120)中的用于容纳轴承元件(141、142、143)的轴承容纳部(131、132、133、134)，所述方法包括以下步骤：
-准备至少一个含有连续纤维的置入件(10)；
-将置入件(10)放置在打开的压制模具(200)的腔体(210)中；
-在添加含有短纤维和/或长纤维的热固性塑料材料(20)的情况下，关闭压制模具(200)并实施压制过程(P)；
-固化塑料材料(20)，打开压制模具(200)并移除底盘构件(100)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过将置入件(10)切成条带状、将条带(12)成形为衬套以及以含有短纤维和/或长纤维的热固性塑料材料(20)加固衬套来生产至少一个轴承容纳部(132、134)。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，将至少一个轴承元件(141、142、143)放置在打开的压制模具(200)的腔体(210)中，使所述轴承元件然后在压制过程(P)中嵌在轴承容纳部(131、132、133)中。
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