-
Die
Erfindung betrifft ein Bauteil für einen Kraftwagen, insbesondere
im Bereich eines Antriebsstrangs, der im Oberbegriff des Patentanspruchs
1 angegebenen Art.
-
Derartige
Bauteile sind beispielsweise bereits aus der
DE 20 2007 002 676 U1 als
bekannt zu entnehmen. Diese umfassen jeweils einen Stab, eine Platte
oder eine sonstige Geometrie aus Naturstein, Kunststein, Beton,
Keramik, gebranntem Steingut, glashaltigem Material, Korallenbaustoff,
Perlmut, auf Basis von verflüssigtem Stein oder Magma hergestelltem
Steingut, welches durch ein einseitig, beidseitig oder vollständig
umhüllend angebrachtes stabilisierendes Fasermaterial versehen
ist. Das Fasermaterial besteht dabei aus pflanzlichen oder pflanzlich
carbonisierten Fasern.
-
Durch
die Naturfasern soll dabei das Steingut auf umweltfreundliche Weise
stabilisiert werden. Insbesondere soll dabei eine hohe Druckfestigkeit des
Steinguts erreicht werden.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Bauteil der eingangs genannten
Art zu schaffen, welches insbesondere verbesserte Eigenschaften hinsichtlich
von Schwingungen aufweist.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bauteil
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen
Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Patentansprüchen
angegeben.
-
Um
ein Bauteil zu schaffen, welches insbesondere hinsichtlich von eingetragenen
Schwingungen verbesserte Eigenschaften aufweist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen,
dass das wenigstens eine Faserverstärkungselement, mit
welchem das zugehörige wenigstens eine Steinelement verstärkt
ist, aus synthetischen Fasern besteht. Derartige synthetische Fasern,
insbesondere synthetische Kohlenstofffasern, haben gegenüber
den aus der
DE
20 2007 002 676 U1 beschriebenen pflanzlichen Fasern den
Vorteil, dass diese ein verbessertes Schwingungsdämpfungsvermögen
haben und zum Erreichen höherer Zugfestigkeiten innerhalb
des Bauteils geeignet sind. Mit anderen Worten unterscheiden sich
die mechanischen Eigenschaften zwischen den aus der
DE 20 2007 002 676 U1 erläuterten
pflanzlichen Fasern und den erfindungsgemäßen
synthetischen Fasern grundlegend.
-
Synthetische
Verstärkungsfasern, insbesondere synthetische Kohlenstofffasern,
zeichnen sich dabei durch ein äußerst gutes Dämpfungsverhalten und
durch eine hohe Zugfestigkeit aus. Ein weiterer Vorteil besteht
darin, dass der Elastizitätsmodul des Verbundwerkstoffs – bestehend
aus dem wenigstens einen Steinelement und dem wenigstens einen Faserverstärkungselement – über
das Verhältnis der synthetischen Verstärkungsfaser
beziehungsweise des gesamten Faserverstärkungselements
bezogen auf das Steinelement einstellbar ist. Mit anderen Worten
ist der Elastizitätsmodul insbesondere dadurch günstig
einstellbar, dass die Anzahl der synthetischen Fasern, Faserlagen,
oder dergleichen im Verhältnis zur Materialdicke des Steinelements
besonders günstig eingestellt werden kann.
-
Das
Faserverstärkungselement wird insbesodnere durch Kohlenstofffaserverstärkte
Polymere (CFRP) gebildet, welche durch Laminiertechnik oder Prepregtechnik
auf das Steinelement aufgetragen sind. Hierzu sind beispielsweise
durch HT-Carbonfasern verstärkte Polyesterharze geeignet.
-
In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Faserverstärkungselement
Aramidfasern und/oder ein Mischgewebe beziehungsweise Rovings aus
Aramid-/Kohlenstofffasern. Fasern aus Aramid zeichnen sich dabei
insbesondere durch eine sehr hohe Festigkeit, hohe Schlagzähigkeit,
hohe Bruchdehnung, sehr gute Schwingungsdämpfung sowie
Beständigkeit gegen Säuren und Laugen aus. Sie
sind darüber hinaus sehr hitze- und feuerbeständig.
Die Fasern weisen dabei – wie auch Kohlenstofffasern – einen
negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, so dass diese
bei Erwärmung kürzer werden.
-
Das
Steinelement besteht bevorzugt aus Kunststein, Keramik, Steingut
oder Granit.
-
Als
Kunststein sind neben den Zement-gebundenen, insbesondere die Kunststoff-
oder Harz-gebundenen Werkstoffe von Bedeutung. Der Kunststoff bzw.
Harz-Binder verbessert die Dämpfungseigenschaften des Steinelements
weiter.
-
Granit
hat dabei insbesondere den Vorteil, dass es mit 2,5 bis 3 g/cm3 eine ähnliche Dichte aufweist
wie Aluminium mit etwa 2,7 g/cm3. Gegenüber Stahl
mit einer Dichte von etwa 7,85 g/cm3 ergibt
sich somit ein hohes Gewichtseinsparungspotenzial, so dass insgesamt
Verbundwerkstoffe geschaffen werden können, welche bei
hoher Zugfestigkeit und gutem Schwingungsdämpfungsvermögen äußerst leicht
gestaltet sind. Die Druckfestigkeit von Granit ist dabei mit derjenigen
von Stahlwerkstoffen vergleichbar. Dies ist besonders für
die Anwendung als Träger für Getriebeteile oder
Motoren in Kraftfahrzeugen von Vorteil. Granit zeichnet sich auch
durch eine sehr gute Schwingungsdämpfung aus, was insbesodnere die
Schallleitung bzw. Vibrationsübertragung von Getriebe oder
Motor auf die Kraftfahrzeugkarosserie verringert.
-
Das
Steinelement kann dabei ein oder mehrstückig ausgebildet
sein. In mehrstückiger Ausgestaltung ist es besonders bevorzugt,
dass sich die einzelnen Steinelemente gegenseitig überlappen.
Die Überlappungsbereiche sind bevorzugt durch Verklebung
fest aneinander gefügt.
-
Da
Granit ein Naturprodukt ist, lässt sich eine nahezu CO2-neutrale Herstellung bezogen auf den Primärenergieeinsatz
zur Rohstoffgewinnung von Aluminium beziehungsweise Stahl realisieren.
-
Des
Weiteren ist das Steinelement aus Granit besonders einfach bearbeitbar.
Die Bearbeitung – beispielsweise das Fräsen und
die Fertigbearbeitung – des Granitrohlings kann dabei auf üblichen CNC-Bearbeitungsmaschinen
mit gängigen Steinbearbeitungswerkzeugen erfolgen.
-
In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung lässt sich ein kraftschlüssiger
Verbund des Steinelements und des Faserverstärkungselements
insbesondere dadurch erreichen, dass das Faserverstärkungselement
als auf das Steinelement aufgebrachtes Laminat ausgebildet ist.
Das kraftschlüssige Laminieren der Faserstruktur in beliebiger
Lagenzahl und Faserrichtung auf dem Steinelement, beispielsweise
dem Granitrohling, lässt sich dabei äußerst
einfach und leicht reproduzierbar handhaben.
-
Schließlich
hat es sich als vorteilhaft gezeigt, ein solch gestaltetes Bauteil
bei einer Halter- oder Tragarmkonstruktion eines Motors oder Getriebes einzusetzen,
da hierdurch die positiven Eigenschaften des Bauteils beziehungsweise
des Verbundwerkstoffes, nämlich das günstige Schwingungsdämpfungsvermögen
und das günstige Gewicht, voll zum Tragen kommt.
-
Die
Faserausrichtung des Mantels aus faserverstärktem Kunststoff
ist dabei bevorzugt an den Lastpfad des Bauteils in der späteren
Gesamtkonstruktion angepasst.
-
Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
sowie anhand der Zeichnungen.
-
Dabei
zeigen:
-
1 eine
Prinzipdarstellung eines Bauteils für einen Kraftwagen,
insbesondere im Bereich eines Antriebsstrangs, bestehend aus einem
Verbundwerkstoff mit einem als Kern ausgebildeten Steinelement, welches
außenumfangsseitig durch ein Faserverstärkungselement
in Form eines aufgebrachten Laminats verstärkt ist, wobei
das Faserverstärkungselement aus einem Faserverbundwerkstoff
mit synthetischen Verstärkungsfasern besteht; und in
-
2a, 2b jeweils
ein schematischer Längsschnitt beziehungsweise Querschnitt
entlang der Linie Iib-Iib in 2a durch
einen Getriebetragarm für ein Getriebe eines Antriebsstrangs
eines Kraftwagens, welches einen Kern aus einem Steinelement – vorliegend
Granit – umfasst, welcher außenseitig mit einem
Faserverstärkungselement in Form eines Laminats aus synthetischen
Fasern umgeben ist.
-
In 1 ist
in einer schematischen Schnittansicht ein als Stangenware ausgebildetes
Bauteil für einen Kraftwagen dargestellt. Dieses Bauteil
besteht aus einem Verbundwerkstoff 10, welcher ein als leistenförmiger
Kern ausgebildetes Steinelement 12 umfasst, welches von
einem im Weiteren noch näher beschriebenen Faserverstärkungselement 14 in Form
eines Laminats umgeben beziehungsweise mit diesem verbunden ist.
-
Das
Steinelement 12 besteht im vorliegenden Fall aus einem
Granit mit einer Dichte von etwa 2,5 bis 3 g/cm3.
Die Druckfestigkeit des Granits beträgt dabei gemäß DIN
52105 > 160 N/mm2.
-
Das
Faserverstärkungselement 14 besteht aus einem
mit synthetischen Verstärkungsfasern verstärkten
Kunststoff, insbesodnere einem CFRP (Carbon fiber reinforced polymer),
welche im Weiteren noch näher beschrieben werden. Das Verbinden
des Faserverstärkungselements 14 mit dem Steinelement 12 erfolgt
vorliegend durch kraftschlüssiges Laminieren der Faserstruktur
in beliebiger Lagenzahl und Faserrichtung auf dem Granitrohling
beziehungsweise Steinelement 12. Das Laminieren erfolgt entweder
durch Aufbringen verschiedener Harz-, bzw. Kunststoff-getränkter
Mattenlagen oder durch Wickeln endloser Faserlagen in beliebiger
Anzahl, beliebiger Faserdicke, beliebigen Faserlagen und beliebigen
Faserrichtungen. Dabei wird beispielsweise ein handelsüblicher
Kunstharz zum Verbinden der synthetischen Fasern beziehungsweise
Mattenlagen oder dergleichen verwendet. Nach dem Aufbringen beziehungsweise
Laminieren des Faserverstärkungselements 14, welches
demzufolge einen faserverstärkten Kunststoff darstellt,
wird der Verbundwerkstoff 10 entsprechend ausgehärtet.
-
Insgesamt
stellt somit der Verbundwerkstoff 10 ein so genanntes CFS-Komposit
(Carbon Fibre Stone) dar.
-
Der
besondere Vorteil eines derartigen Verbundwerkstoffes 10 besteht
darin, dass dieser durch die Verstärkung mittels des Faserverstärkungselements 14 ein
besonders gutes Dämpfungsverhalten aufweist. Mit anderen
Worten weist somit auch das Steinelement 12 beziehungsweise
dessen Steinstruktur ein gutes Dämpfungsverhalten durch
die Faserverstärkung auf. Die Druckfestigkeit des Steinelements 12 beziehungsweise
des Granits ist mit derjenigen von Stahl vergleichbar. Die Zugkräfte
auf die Verbundkonstruktion beziehungsweise den Verbundwerkstoff 10 werden
dabei im Wesentlichen durch die synthetischen Fasern beziehungsweise
das Faserverstärkungselement 14 aufgenommen.
-
Ein
weiterer Vorteil eines derartigen Verbundwerkstoffes 10 besteht
darin, dass dessen Elastizitätsmodul über das
Verhältnis des Faserverstärkungselements 14 zu
dem Steinelement 12 – also beispielsweise des
Verhältnisses der Anzahl der Faserlagen in der Stärke
der Granitschicht – einstellbar ist. Ein weiterer Vorteil
eines derartigen Verbundwerkstoffes 10 besteht darin, dass
ein nahezu CO2-neutrales Herstellpotenzial
bezogen auf den Primärenergieeinsatz für Rohstoffgewinnung
gegeben ist, wenn man die Aluminium- beziehungsweise Stahlerschmelzung
mit dem Naturprodukt Granit vergleicht. Der Granitrohling beziehungsweise
das Steinelement 12 sind dabei beispielsweise auf konventionellen
CNC-Bearbeitungsmaschinen mit gängigen Steinbearbeitungswerkzeugen
auf Endkontur fräsbar und fertig bearbeitbar.
-
2a zeigt
in einer Querschnittsansicht ein Bauteil für einen Kraftwagen
in Form eines Getriebearms 16 eines Getriebes eines Antriebsstrangs. 2b zeigt überdies
in einer schematischen Längsschnittansicht entlang einer
durch die Linie IIb-IIb in 2a repräsentierten
Schnittebene den Getriebearm 16.
-
Analog
zur Ausführungsform gemäß 1 besteht
der Getriebearm 16 aus einem Verbundwerkstoff 10,
welcher ein als Kern ausgebildetes zentrales Steinelement 12 und
ein dieses außenumfangsseitig umgebendes Faserverstärkungselement 14 umfasst. Das
Steinelement 12 ist dabei wiederum als Granitrohling ausgebildet
und weist die bereits im Zusammenhang mit 1 erläuterten
Eigenschaften auf. Das Faserverstärkungselement 14,
welches wiederum als Laminat auf der Steinelement 12 aufgebracht ist,
weist ebenfalls die im Zusammenhang mit 1 beschriebenen
Eigenschaften auf. Demzufolge besteht das Faserverstärkungselement 14 beziehungsweise
der faserverstärkte Kunststoff insbesondere aus synthetischen
Fasern. Diese synthetischen Fasern können insbesondere
als Kohlenstofffasern ausgebildet sein. Das Faserverstärkungselement 14 kann
darüber hinaus Aramidfasern und/oder ein Mischgewebe beziehungsweise
Rovings aus Aramid-/Kohlenstofffasern umfassen.
-
Die
Kohlenstofffasern basieren vorliegend auf dem Grundstoff Polyacrylnitril
(PAN).
-
Aus
den 2a und 2a ist überdies
erkennbar, dass in den Verbundwerkstoff 10 eine Mehrzahl
von Bohrungen 18 eingebracht sind. Diese Bohrungen sind
vorliegend nicht mit entsprechenden Faserverstärkungselementen
versehen. Gleichfalls wäre es jedoch auch denkbar, die
Bohrungen innenumfangsseitig zu laminieren. Die Bohrungen dienen als
Aufnahmen für Befestigungselemente, beispielsweise Schrauben,
zum Verbinden des Bauteils mit einem Kraftfahrzeugrahmen.
-
Schließlich
sind in 2a entsprechende Verstärkungen 20 erkennbar,
welche beispielsweise aus dem Faserverstärkungselement 14 selbst
gebildet sein können oder aber als separate Teile ausgebildet
sind, welche dann beispielsweise mit dem Faserverstärkungselement 14 verbunden
oder in dieses einlaminiert sind. Diese Verstärkungen 20 beziehungsweise
Aussteifungen sind optional.
-
Als
im Rahmen der Erfindung liegend ist es zu betrachten, dass das Faserverstärkungselement 14 auch
lediglich an einer oder mehreren Seiten des Steinelements 12 – nach
Art eines Sandwiches – aufgebracht sein kann.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 202007002676
U1 [0002, 0006, 0006]