DE102006031546A1

DE102006031546A1 - Lenkrad

Info

Publication number: DE102006031546A1
Application number: DE102006031546A
Authority: DE
Inventors: Martin Kreuzer; Matthias Helmstetter; Werner Radde
Original assignee: TRW Automotive Safety Systems GmbH
Current assignee: ZF Automotive Safety Systems Germany GmbH
Priority date: 2006-07-07
Filing date: 2006-07-07
Publication date: 2008-01-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lenkrad für ein Kraftfahrzeug, mit einem Lenkradkranz, einer Nabe und wenigstens einer den Lenkradkranz und die Nabe verbindenden Speiche, wobei der Lenkradkranz und/oder die Speiche ein Skelett und eine das Skelett umgebende Umspritzung aus einem vorzugsweise abriebfesten und UV-beständigen, geschäumten thermoplastischen Elastomer mit einer kompakten Außenhaut aufweisen. Das thermoplastische Elastomer ist aus der Gruppe der thermoplastischen Polyurethan-Elastomere (TPE-U) und thermoplastischen Styrol-Blockcopolymere (TPE-S) ausgewählt. Die Umspritzung und die Außenhaut sind einstückig miteinander durch Schaumspritzgießen aus dem thermoplastischen Elastomer unter Verwendung mindestens eines chemischen und/oder physikalischen Treibmittels gebildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lenkrad für ein Kraftfahrzeug, ein Verfahren zur Herstellung des Lenkrads sowie die Verwendung eines thermoplastischen Elastomers zur Herstellung des Lenkrads.
Kraftfahrzeuglenkräder bestehen normalerweise aus einem Lenkradkranz, einer Nabe und wenigstens einer den Lenkradkranz und die Nabe verbindenden Speiche. Der Lenkradkranz und/oder die Speiche weisen ein Skelett und eine das Skelett umgebende Umschäumung oder Umspritzung auf. Die Umschäumung oder Umspritzung ist üblicherweise aus einem weichen Polyurethanschaum gebildet, der anschließend beledert oder mit einer weiteren Kunststoffschale als Außenhülle versehen wird. Ein solches Lenkrad ist beispielsweise aus der DE 200 13 706 U1 bekannt.
Vor dem Umschäumen des Lenkradskeletts mit dem Polyurethanschaum muss auf das Formwerkzeug ein Trennmittel aufgetragen werden, um den Lenkradrohling aus dem Werkzeug entnehmen zu können. Im Anschluss an das Umspritzen wird das Lenkrad zur Fertigstellung in weiteren Arbeitsgängen entgratet und gegebenenfalls lackiert. Außerdem muß das Formwerkzeug vor jedem neuen Zyklus gesäubert werden. Alle diese Arbeitsschritte tragen zu den Herstellungskosten der Lenkräder bei.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der kostengünstigen Herstellung eines im wesentlichen graffreien Lenkrads in einem Arbeitsgang ohne aufwendige Vorarbeit und mit nur geringfügiger Nacharbeit.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Lenkrad für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, mit einem Lenkradkranz, einer Nabe und wenigstens einer den Lenkradkranz und die Nabe verbindenden Speiche, wobei der Lenkradkranz und/oder die Speiche ein Skelett und eine das Skelett umgebende Umspritzung aus einem geschäumten thermoplastischen Elastomer mit einer kompakten Außenhaut aufweisen, wobei das thermoplastische Elastomer aus der Gruppe der thermoplastischen Polyurethan-Elastomere (TPE-U) und thermoplastischen Styrol-Blockcopolymere (TPE-S) ausgewählt ist, und wobei die Umspritzung und die Außenhaut einstückig miteinander durch Schaumspritzgießen aus dem thermoplastischen Elastomer unter Verwendung mindestens eines chemischen und/oder physikalischen Treibmittels gebildet sind.
Durch die Verwendung von mit chemischen und/oder physikalischen Treibmitteln aufgeschäumten, vorzugsweise abriebfesten und UV-beständigen, thermoplastischen Elastomeren ist eine einfache und kostengünstige Herstellung des erfindungsgemäßen Lenkrads möglich, da das geschäumte thermoplastische Elastomer eine geschlossenzellige Struktur mit einer kompakten, d.h. porenarmen oder im wesentlichen porenfreien, Außenhaut aufweist, welche die Narbung der Form gut nachzeichnet und an der dicht schließenden Formtrennung ein im wesentlichen gratfreies Lenkrad ergibt. Die Arbeitsschritte des Entgratens und Lackierens nach der Herstellung des Lenkrads können somit weitgehend entfallen. Lediglich die Angüsse des Formteils und gegebenenfalls der Überlauf sind zu entfernen. Da das thermoplastische Elastomer durchgefärbt ist, können auf diese Weise auch Lenkräder in hellen Farben hergestellt werden, da bei der Entfernung der Angüsse keine Farbänderungen auftreten. Das erfindungsgemäß durch Schaumspritzgießen von thermoplastischen Polyurethan-Elastomeren (TPE-U) und thermoplastischen Styrol-Blockcopolymeren (TPE-S) hergestellte Lenkrad weist außerdem ein gutes optisches und haptisches Erscheinungsbild auf, so dass auf eine zusätzliche Ummantelung des Lenkrads mit Leder oder anderen Kunststoffen verzichtet werden kann. Da die ausgewählten thermoplastischen Elastomere weiterhin die Anforderungen der Fahrzeugindustrie an Abriebfestigkeit und UV-Beständigkeit erfüllen, kann auch ein zusätzliches Lackieren des spritzgegossenen Lenkrads entfallen.
Die Erfindung betrifft daher auch ein Verfahren zur Herstellung eines Lenkrads welches die folgenden Schritte umfasst:

– Einbringen eines Lenkradskeletts in ein Formwerkzeug und Schließen des Formwerkzeugs;
– Plastifizieren eines thermoplastischen Elastomers zusammen mit mindestens einem chemischen und/oder physikalischen Treibmittel und Einspritzen des plastifizierten thermoplastischen Elastomers in das Formwerkzeug; und
– Aufschäumen und Aushärten des thermoplastischen Elastomers unter Bildung des erfindungsgemäßen Lenkrads.

Des weiteren betrifft die Erfindung die Verwendung eines schäumbaren, vorzugsweise abriebfesten und UV-beständigen, thermoplastischen Elastomers zur Herstellung des erfindungsgemäßen Lenkrads Das geschäumte thermoplastische Elastomer weist vorzugsweise nach DIN 53 516 einen Abrieb von < 80 mm³ auf.
Als thermoplastische Styrol-Blockcopolymere (TPE-S) eignen sich insbesondere Blockcopolymere von Polystyrol und Polyolefinen. Diese sind durch ihren Dreiblock-Aufbau aus zwei thermoplastischen Polystyrol-Endblöcken und einem elastomeren Mittelblock aus Polyolefin gekennzeichnet. Vorzugsweise werden als TPE-S die Styrol-Butadien-Styrol-Blockcopolymere, Styrol-Isopren-Styrol-Blockcopolymere oder Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol-Blockcopolymere sowie deren hydrierte Derivate verwendet. In diesen „TPE-S"-Blockcopolymeren bilden die harten Polystyrolsegmente Bereiche mit einheitlicher Stoffcharakteristik (Domänen) aus, die als räumliche, physikalische Vernetzungsstellen für die flexiblen, weichen Polyolefinsegmente wirken. Die geschäumten thermoplastischen Elastomere können nach den bekannten Verfahren der dynamischen Vulkanisation voll- oder teilvernetzt sein. Als Vernetzer eignen sich insbesondere Schwefel oder Schwefel enthaltende Verbindungen wie Dischwefeldichlorid, Peroxide und auf Silizium basierende Vernetzer.
Besonders bevorzugt ist das thermoplastische Styrol-Blockcopolymer ein Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol-Blockcopolymer, das beispielsweise von der Fa. ALLOD Werkstoff GmbH & Co. KG unter der Bezeichnung ALLRUNA W 45 DU 403 erhältlich ist. ALLRUNA W 45 DU 403 hat eine Dichte von 1,24 g/cm³, eine Shore-Härte von 55 D sowie eine Reißdehnung (nach DIN 53 504) von 386% (längs) und 134% (quer).
Ein thermoplastisches Polyurethan-Elastomer mit guter Abriebfestigkeit und UV-Beständigkeit ist von der Fa. Elastogran unter der Bezeichnung Elastollan SP 9213 erhältlich. Elastollan SP 9213 hat eine Shore-Härte von 80 A, eine Dichte von 1,11 g/cm³ (nach DIN EN ISO 83-1-A), eine Reißdehnung von 700% (nach DIN 53 504) und einen Abrieb von 70 mm³ (nach DIN 53 516).
Das physikalische Treibmittel ist vorzugsweise Stickstoff, Kohlenstoffdioxid oder ein niedrig siedender Kohlenwasserstoff. Bei physikalischen Treibmitteln wird die Schäumung des thermoplastischen Elastomers durch Änderung des Aggregatszustands des Treibmittels erreicht, d.h. durch Verdunsten einer Flüssigkeit, bzw. wenn das Treibmittel ein Gas ist, durch dessen Expansion.
Das chemische Treibmittel ist vorzugsweise Ammoniumbicarbonat, ein Azodicarbonsäureamid, eine N-Nitrosoverbindung oder ein Sulfonylhydrazid. Diese Verbindungen zeichnen sich dadurch aus, daß sie sich bei erhöhter Temperatur zersetzen oder durch chemische Reaktion umwandeln. Die dabei entstehenden Reaktionsprodukte bilden das zum Schäumen erforderliche Treibgas. Als Treibmittel zum Schäumen von thermoplastischen Elastomeren eignen sich außerdem die aus der EP 1 090 065 A1 bekannten Verbindungen, die bei Erwärmen Wasser abspalten, wie beispielsweise kristallwasserhaltige Metallsalze oder Metallhydroxide. Diese Verbindungen werden üblicherweise zusammen mit den oben beschriebenen chemischen oder physikalischen Treibmitteln eingesetzt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben, die in der beigefügten Zeichnung dargestellt ist. In der Zeichnung zeigen:
1 in einer schematischen Ansicht ein Lenkrad; und
2 in einer schematischen Schnittansicht ein Lenkrad gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
In den 1 und 2 ist schematisch ein Lenkrad 10 gezeigt, das eine Nabe 12, einen Lenkradkranz 14 sowie Speichen 16 umfaßt, die den Lenkradkranz 14 mit der Nabe 12 verbinden. Der Lenkradkranz weist ein Skelett 18, vorzugsweise aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung, und eine das Skelett 18 umgebende Umspritzung 20 aus einem geschäumten thermoplastischen Elastomer mit einer kompakten, d.h. im wesentlichen porenfreien, Außenhaut 22 auf. Das thermoplastische Elastomer der Umspritzung 20 ist aus der Gruppe der thermoplastischen Polyurethan-Elastomere (TPE-U) und thermoplastischen Styrol-Blockcopolymere (TPE-S) ausgewählt, und die Umspritzung 20 und die Außenhaut 22 sind einstückig miteinander durch Schaumspritzgießen aus dem thermoplastischen Elastomer unter Verwendung mindestens eines chemischen und/oder physikalischen Treibmittels gebildet.
Zur Herstellung des Lenkrads 10 wird das Lenkradskelett 18 in ein geeignetes Formwerkzeug (hier nicht dargestellt) eingelegt und das Werkzeug wird dicht geschlossen. In einer an das Formwerkzeug angeschlossenen Spritzgießmaschine wird ein thermoplastisches Elastomer, beispielsweise Elastolan SP 9213 oder ALLRUNA W 45 DU 403 bei zwischen 210 und 260°C plastifiziert und gleichzeitig etwa 4 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des thermoplastischen Elastomers, eines oder mehrerer chemischer Treibmittel beigemischt. Das thermoplastische Elastomer kann darüber hinaus noch weitere Additive, wie beispielsweise Pigmete, UV-Stabilisatoren und Abriebsverbesserer, enthalten. Das auf der Spritzgießmaschine homogen mit dem chemischen Treibmittel vermischte und plastifizierte thermoplastische Elastomer wird anschließend in das Formwerkzeug mit dem darin eingelegten Lenkradskelett 18 eingespritzt, so daß etwa 70 bis 80% des Formhohlraums mit dem plastifizierten thermoplastischen Elastomer gefüllt sind. In dem Formwerkzeug expandiert das chemische Treibmittel aufgrund des fehlenden Gegendrucks und schäumt das thermoplastische Elastomer auf. Durch diesen Aufschäumprozeß wird die Werkzeugform komplett ausgefüllt, so daß das in die Form eingelegte Skelett 18 vollständig von dem geschäumten thermoplastischen Elastomer umgeben ist. Im Randbereich der Werkzeugform bildet sich eine nahezu porenfreie kompakte Außenhaut, welche die Narbung der Form gut nachzeichnet und an der dicht schließenden Formtrennung im wesentlichen gratfrei bleibt. Nach dem Aushärten des geschäumten thermoplastischen Elastomers kann das Lenkrad aus der Form entnommen werden.
Das Einspritzen der plastifizierten Formmasse erfolgt vorzugsweise im hinteren Nabenbereich, so daß die Angüsse des spritzgegossenen Lenkrads außerhalb des Sichtbereiches liegen. Bei gegebenenfalls durchzuführenden Nacharbeiten treten keine Farbänderungen auf, da das thermoplastische Elastomer durchgefärbt ist. Das oben beschriebene Verfahren eignet sich somit auch zur Herstellung heller Lenkräder.
Die erfindungsgemäßen Lenkräder wurden sowohl einer Belichtungsprüfung (Xeno-Test) als auch einem Abrieb nach Veslic (ISO 11640, ISO 105-A03) unterzogen und zeigen sowohl ein gutes optisches als auch ein gutes haptisches Erscheinungsbild.
Nachfolgend sind die Prüfmethoden sowie deren Ergebnisse detailliert angegeben.
Belichtungsprüfung (Xeno-Test)
Zunächst wurden Prüfkörper aus geschäumtem Elastollan SP 9213 hergestellt.

Die Belichtungsprüfung der Proben wurde im Xenotestgerät Beta LM (Fa. Atlas) durchgeführt. Vor und nach einem Prüfzyklus wurde ein Blaumaßstab, Typfärbung 6 (DIN 54003/54004) mit einem Farbmessgerät (Microflash 600 der Fa. Datacolor) gemessen. Die in Probenhalterungen befestigten Teile und der Blaumaßstab rotieren im Gleichlauf um die Strahler. Die Bestrahlungszeit eines Prüfzyklus wird beendet, wenn der Blaumaßstab eine Verfärbung von DE 4.3 ± 0.3 erreicht hat. Anschließend wurden die Teile mit dem Graumaßstab DIN EN ISO 105-A02 in einer Lichtkabine (Fa. Macbeth) unter Tageslicht visuell beurteilt. Als Sollvorgabe diente eine Graumaßstabstufe von ≥ 4. Die Ergebnisse der Belichtungsprüfung sind in der nachfolgenden Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1: Ergebnisse des Belichtungstests

Beurteilung	Bewertung
Graumaßstabstufe 4 Gegenüber dem Anlieferzustand war die belichtete Oberfläche etwas heller. Gegenüber dem Anlieferzustand war die belichtete Oberfläche härter und poröser.	i.O.

i.O. = in Ordnung

Abrieb nach Veslic
Versuchsaufbau/Durchführung:
Der Abrieb wurde an Proben aus geschäumtem Elastollan SP 9213 gemäß ISO 11640 mit dem Veslic-Reibechtheitstester (Fa. Kueny) trocken und mit verschiedenen Medien bei Raumtemperatur geprüft.
Sollvorgaben:
Pos. 11.1.1:

Abrieb mit schwarzem Filz und Filzwechsel nach je 1000 Hüben; visuelle Beurteilung der Probenoberfläche: Kein Verlust der Narbung oder Öffnen der Oberfläche

Pos. 11.1.3:

Abrieb mit weißem Filz, ohne Filzwechsel und Beurteilung des Filzes mit Graumaßstab ISO 105-A03: Graumaßstabstufe ≥ 4

Die Ergebnisse des Abriebtests sind nachfolgend in der Tabelle 2 angegeben. Filz und Filzhärte beziehen sich auf DIN 61200-F4. Tabelle 2:

Pos.	Hübe	Prüfmedium	Visuelle Beurteilung		Bewertung
11.1.1	5000	Trocken	Die Oberfläche ist nicht beschädigt. Es ist kein Materialabrieb sichtbar.		i.O.
Pos.	Hübe	Prüfmedium		Filz	Bewertung
11.1.3	2000	Trocken		GM 4	i.O.
11.1.3	1000	Nass		GM 4/5	i.O.
11.1.3	100	Ammoniakalkalische alkoholische Waschlösung		GM 5	i.O.
11.1.3	100	Wässrige Lösung mit 0,5% Tensid		GM 5	i.O.
11.1.3	100	Essigreiniger		GM 5	i.O.
11.1.3	10	Waschbenzin		GM 5	i.O.

Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, daß mit den ausgewählten thermoplastischen Elastomeren in einem Arbeitsgang durch Schaumspritzgießen hergestellte Lenkräder erhältlich sind, die alle Anforderungen an Wärme- und UV-Beständigkeit sowie Abriebfestigkeit erfüllen.

Claims

Lenkrad für ein Kraftfahrzeug, mit einem Lenkradkranz, einer Nabe und wenigstens einer den Lenkradkranz und die Nabe verbindenden Speiche, wobei der Lenkradkranz und/oder die Speiche ein Skelett und eine das Skelett umgebende Umspritzung aus einem geschäumten thermoplastischen Elastomer mit einer kompakten Außenhaut aufweisen, wobei das thermoplastische Elastomer aus der Gruppe der thermoplastischen Polyurethan-Elastomere (TPE-U) und thermoplastischen Styrol-Blockcopolymere (TPE-S) ausgewählt ist, und wobei die Umspritzung und die Außenhaut einstückig miteinander durch Schaumspritzgießen aus dem thermoplastischen Elastomer unter Verwendung mindestens eines chemischen und/oder physikalischen Treibmittels gebildet sind.
Lenkrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das geschäumte thermoplastische Elastomer abriebfest und UV-beständig ist.
Lenkrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das geschäumte thermoplastische Elastomer nach DIN 53516 einen Abrieb von < 80 mm³ aufweist.
Lenkrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Styrol-Blockcopolymer ein Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol-Blockcopolymer ist.
Lenkrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass thermoplastische Elastomer ein Polyether-Polyurethan-Elastomer ist.
Lenkrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Skelett aus Stahl, Aluminium, Magnesium oder deren Legierungen besteht.
Lenkrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umspritzung das Lenkradkranzskelett umgibt.
Verfahren zur Herstellung eines Lenkrads welches die folgenden Schritte umfasst: – Einbringen eines Lenkradskeletts in ein Formwerkzeug und Schließen des Formwerkzeugs; – Plastifizieren eines thermoplastischen Elastomers zusammen mit mindestens einem chemischen und/oder physikalischen Treibmittel und Einspritzen des plastifizierten thermoplastischen Elastomers in das Formwerkzeug; und – Aufschäumen und Aushärten des thermoplastischen Elastomers in dem Formwerkzeug unter Bildung des Lenkrads gemäß Anspruch 1.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen 70 und 80% des Formhohlraums mit dem plastifizierten thermoplastischen Elastomer gefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das plastifizierte thermoplastische Elastomer hinter der Lenkradnabe in das Formwerkzeug eingespritzt wird.
Verwendung eines schäumbaren thermoplastischen Elastomers zur Herstellung eines Lenkrads gemäß Anspruch 1.
Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Elastomer einen Abrieb von < 80 mm³ nach DIN 53516 aufweist.
Verwendung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein thermoplastisches Polyether-Polyurethan-Elastomer verwendet wird.
Verwendung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol-Blockcopolymer verwendet wird.