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Die
Erfindung betrifft einen verbesserten Motorträger für
ein Kraftfahrzeug, der zur Befestigung eines Verbrennungsmotors
zwischen demselben und einem Lagerelement für den Motor
angeordnet ist.
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Bekannt
ist aus dem Stand der Technik, dass Motorträger aus Stahl-
oder Aluminium-Druckguss gefertigt werden, um der hohen mechanischen
und thermischen Belastung standzuhalten.
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Um
einen Platz sparenden Motorträger mit einer gewichtsminimierten
Struktur zu schaffen, der nur eine minimale spanende Bearbeitung
erfordert, ist in der
DE
10 2005 014 938 A1 ein Motorhalter aus Grauguss beschrieben,
bei dem sich von einer Lagerverbindung, das an einem Gummilager
befestigt wird, zwei Befestigungsflansche, an denen der Motor aufgehängt
wird, V-förmig erstrecken.
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Die
DE 10 2005 032 919
A1 offenbart einen Motorträger, der mit einem
Hohlraum eine Blasform für die Herstellung eines Kunststoffbehälters
bereitstellt, der fest mit dem Motorträger verbunden ist.
Damit wird ein einfacher, Platz sparender, gegossener Motorträger
in kostengünstiger Herstellung und Montage geschaffen,
der korrosionsunempfindlich und druckdicht ist.
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Die
Schaffung eines Tragarms zur Befestigung eines Maschinenelements,
der kostengünstig und einfach hergestellt werden kann und
zur Reduktion akustisch störender Schwingungen beiträgt,
ist die Aufgabe der
DE
102 62 059 B4 . Diese wird durch einen Tragarm gelöst,
der zwei Halter aufweist, die jeweils an einem Maschinenelement
festlegbar sind. Beide Halter sind über einen Federkörper
aus einem elastomeren Werkstoff schwingungsentkoppelt miteinander
verbunden, so dass akustische Schwingungen eines Maschinenelements
isoliert werden.
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Schließlich
sind aus dem Stand der Technik teilkristalline, thermoplastisch-verarbeitbare
Polyamide bekannt, die aufgrund ihrer guten mechanischen Eigenschaften
und der thermischen und chemischen Beständigkeit für
die Verwendung im Maschinenbau, in der Elektrotechnik sowie im Automobilbereich
geeignet sind. So werden aus dem Polyamid Ultramid® (erhältlich
bei BASF SE, Ludwigshafen, Deutschland) Motorkomponenten wie beispielsweise
Motorabdeckungen, Drosselklappengehäuse, Ansaugmodule,
Kühler- und Lüfterkomponenten sowie Ölwannen
hergestellt.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es wünschenswert, einen
hinsichtlich seines Gewichts verbesserten Motorträger zur
Befestigung eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug zu schaffen,
der zur Verbesserung der Lebensdauer der an den Motorträger
angrenzenden Motorlager eine geringere Wärmeleitung und
durch eine Verbesserung der Dämpfungseigenschaften von
Schallwellen einen reduzierten Schallpegel im Fahrgastraum bereitstellt.
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Diese
Aufgabe wird durch den Motorträger mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen
ausgeführt.
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Eine
erste Ausführungsform bezieht sich auf einen Motorträger,
mit Hilfe dessen ein Verbrennungsmotor in einem Kraftfahrzeug befestigt
wird. Dazu weist der Motorträger einen Anschlussbereich auf,
mit dem der Motorträger an einem Lagerelement angebunden
wird. Der Anschlussbereich verfügt über eine oder
mehrere Durchtrittsöffnungen, in die ein Verbindungsmittel
zur Anbindung des Anschlussbereichs an das Lagerelement eingeführt
werden kann. An den Anschlussbereich schließt sich ein
Verbindungsbereich an, der sich bis zu einem Anflanschbereich des
Motorträgers erstreckt, an welchem der Motor befestigt
wird. Diese wird mittels mehrerer in dem Anflanschbereich vorliegender
Durchtrittsöffnungen für Verbindungsmittel zur
Befestigung des Motors realisiert.
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Anschlussbereich
und Anflanschbereich sind dabei über den Verbindungsbereich
derart angeordnet, dass der Motor seine vorgesehene Positionierung
in dem Kraftfahrzeug einnehmen kann, wenn er über den Motorträger
an dem Lagerelement befestigt wird. Der Anschlussbereich und der
Anflanschbereich werden durch flächige Abschnitte gebildet
die durch eine Struktur aus einer Mehrzahl von Streben aufgespannt
werden. Der gesamte Motorträger einschließlich
des Anschlussbereichs und des Anflanschbereichs ist dabei vorteilhaft
aus einem spritzgießbaren Thermoplastwerkstoff rasch und
auf einfache Weise herstellbar. Die Kombination der Streben-Struktur
und der Werkstoffwahl bietet den Vorteil einer erheblichen Gewichtseinsparung
gegenüber einem Motorträger aus Aluminium nach
dem Stand der Technik, ferner wird die Lebensdauer der Elastomerbestandteile
von angrenzenden Motorlagerelementen durch die geringe Wärmeleitfähigkeit
des Thermoplastwerkstoffs verbessert.
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Überraschend
hat sich zudem erwiesen, dass ein solcher Motorträger hervorragende
akustische Eigenschaften aufweist, weil die von dem Verbrennungsmotor
erzeugten Schallwellen in hohem Maße durch die Struktur
gedämpft werden, so dass im Fahrgastraum der Schallpegel
erheblich reduziert werden kann und damit der Fahrkomfort verbessert wird.
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Eine
weitere Ausführungsform der Erfindung bezieht sich darauf,
dass sich die Streben-Struktur des Anschlussbereichs daraus ergibt,
dass die darin vorhandene Durchtrittsöffnung als eine röhrenförmige
Durchtrittsöffnung gestaltet ist, wobei sich von einem äußeren
Umfang der röhrenförmigen Durchtrittsöffnung
die Streben radial weg erstrecken und die Durchtrittsöffnung
wie Speichen umgeben. Sie werden nach außen von einer Wandung
begrenzt. Der Verbindungsbereich, der sich an den Anschlussbereich
anschließt, grenzt ebenfalls die speichenartigen Streben
des Anschlussbereichs ab, und weitet sich zum Anflanschbereich wieder
mit der erfindungsgemäßen fachwerkartigen Struktur
auf.
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In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Anflanschbereich
des Motorträgers eine polygonale Grundfläche aufweisen,
in deren Ecken sich eine Mehrzahl von röhrenförmigen
Durchtrittsöffnungen zur Aufnahme der Verbindungsmittel befindet.
Die ringförmigen Durchtrittsöffnungen in den Ecken
sind dabei teilweise von der Außenwand des Anflanschbereichs
umgeben, während sich nach innen speichenartige Streben
radial von der Durchtrittsöffnung weg erstrecken. Damit
wird um die Durchtrittsöffnungen des Anflanschbereichs
ein Abschnitt aus speichenartigen Streben gebildet, der von einer
Wandung umgeben ist. Zwischen den Wandungen erstrecken sich zusätzlich
stabilisierende Streben, die eine „fachwerkartige” Struktur
bereitstellen.
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Zusätzlich
können an der Außenwand des Anflanschbereichs
für weitere Befestigungsmittel zusätzliche röhrenförmige
Durchtrittsöffnungen vorgesehen sein, die über
Streben, die sich von der Außenwand des Anflanschbereichs
erstrecken, mit dieser verbunden sind.
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Erfindungsgemäß besteht
der Motorträger aus einem spritzgießbaren Thermoplastwerkstoff, der
in einer Ausführungsform ein Polyamid, insbesondere ein
Ultramid® sein kann.
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In
einer noch weiteren Ausführungsform kann der Motorträger
aus einem faserverstärkten Verbund-Thermoplastwerkstoff
hergestellt sein. Die Verstärkungsfasern dazu können
Glasfasern und/oder Mineralfasern sein.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Hybrid-Bauteil hergestellt.
Hierunter ist eine Kombination zwischen Metall- und Kunststoffkomponente oder
verschiedenen Kunststoffkomponenten zu verstehen. Dabei ist es besonders
vorteilhaft, Einlegeteile aus Metall- oder Faserverbundkunststoff
mit dem Thermoplastwerkstoff in einem Arbeitsgang in einem Spritzgusswerkzeug
zu umspritzen, beziehungsweise einzuspritzen. Bevorzugt ist hierbei
der Motorträger als Hybrid-Bauteil aufgebaut, bei dem der
Thermoplastwerkstoff an ein Bauteil oder Einlegeteil aus Metall
oder Kunststoff, insbesondere aus einem lang- bzw. endlosfaserverstärkten
Kunststoff, angespritzt ist.
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Der
erfindungsgemäß mit Fachwerkstrukturen ausgestattete
Motorträger kann vorteilhaft im Spritzguss ohne spanende
Verarbeitungsschritte hergestellt werden. In vorteilhafter Weise
können die Verbindungsmittel selbst schneidende und gewindeprägende
Schrauben sein, die sich ihr Gewinde in den Durchtrittsöffnungen
selbst formen. Solche speziellen, für Kunststoff geeigneten
Schrauben sind im Stand der Technik bekannt. Alternativ können
in die Durchtrittsöffnungen auch Metallgewindebuchsen eingefügt
werden, die beim Herstellungsprozess umspritzt werden oder nachträglich
mittels Ultraschall oder Warmeinbetten in die Durchtrittsöffnungen
eingefügt werden.
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Diese
und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung
und die Figuren weiter verdeutlicht. Der Bezug auf die Figuren in
der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung
und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Gegenstände
oder Teile von Gegenständen, die im Wesentlichen gleich
oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen
versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer
Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei
zeigt:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen
rechten Motorträgers,
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2 eine
perspektivische Teilansicht eines erfindungsgemäßen
linken Motorträgers,
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3 eine
perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen
rechten Motorträgers, der an seinem Anschlussbereich mit
einem Motorlager verbunden ist,
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4 eine
der 3 entsprechende Ansicht eines Motorträgers
aus Aluminium nach dem Stand der Technik,
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5 ein
Diagramm zur Innendruckfestigkeit eines erfindungsgemäßen
Motorträgers,
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6 drei Darstellungen von Luftschallmessungen
im Fahrzeug, wobei die Lautstärke in Abhängigkeit
der Frequenz und des Motordrehmoments mit einem seriellen Motorträger,
einem A3-befüllten Motorträger und einem erfindungsgemäßen
Thermoplast-Motorträgers steht.
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Grundsätzlich
bezieht sich die erfindungsgemäße Vorrichtung
auf einen Motorträger, der zur Befestigung eines Verbrennungsmotors
in einem Kraftfahrzeug dient. Ein erfindungsgemäßer
Motorträger 1 ist in 1 in seiner
rechten Ausführungsform und in 2 in seiner
linken Ausführungsform dargestellt.
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Dabei
weisen sowohl der rechte als auch der linke Motorträger 1 einen
Anschlussbereich 2 mit einer Durchtrittsöffnung 6 auf,
durch die ein Verbindungsmittel zur Befestigung des Motorträgers 1 an einem
Lagerelement eingeführt werden kann. Ein solches Lagerelement
kann ein Motorlager sein, das Elastomerbestandteile aufweist, und über
welches der Motorträger mit einem Fahrzeugrahmen verbunden
wird. Der Anflanschbereich 3 des Motorträgers 1 weist
eine Anzahl von vorliegend vier Durchtrittsöffnungen 7 auf,
die sich in ihrer Orientierung von der Orientierung der Durchtrittsöffnung 6 des
Anschlussbereichs 2 unterscheiden können, und
in die entsprechende Verbindungsmittel eingeführt werden,
um den Anflanschbereich 3 an einem Motor zu befestigen.
Anflanschbereich 3 und Anschlussbereich 2 werden
durch den Verbindungsbereich 4 verbunden, der gleichzeitig
durch seine Formgebung die Anordnung des Anschlussbereichs 2 und
des Anflanschbereichs 3 zueinander in Bezug zu deren Befestigungsstellen
an Lagerelement und Motor bereitstellt, so dass der Motor mit Hilfe
der Motorträger seine vorgesehene Positionierung im Kraftfahrzeug
einnehmen kann.
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Wie
aus 1 und 2 ersichtlich wird, weisen der
Anschlussbereich 2 und der Anflanschbereich 3 durchbrochene,
aus Streben gebildete Strukturen auf, die dem aus einem Thermoplastwerkstoff in
einem Spritzgießverfahren hergestellten Motorträger 1 die
notwendige Festigkeit bei gleichzeitiger Gewichtseinsparung verleihen.
Die Formgebung des Verbindungsbereichs 4 dient in erster
Linie zur Erfüllung der geometrischen Gegebenheiten, um
den Motor in Bezug auf die Lagerelemente korrekt zu positionieren,
er kann allerdings auch mit Streben-Strukturen versehen sein. Der
Anschlussbereich 2 weist ebenfalls eine Strebenstruktur
auf, die im Wesentlichen eine Radspeichenform bildet. Dabei entspricht die
röhrenförmige Durchtrittsöffnung 6 einer
Nabenposition, von der sich radial speichenartige Streben 8' bis
zu einer Außenwandung 9, beziehungsweise bis zum
Verbindungsbereich 4 erstrecken.
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Der
Anflanschbereich 3 des rechten und des linken Motorträgers 1 können
sich, wie in 1 und 2 dargestellt,
unterscheiden, und sind auf den zur Befestigung dienenden Abschnitt
des Motors angepasst. Der rechte Motorträger 1 aus 1 hat
einen Anflanschbereich 3 mit einer Grundfläche
eines unregelmäßigen Vierecks näherungsweise,
wobei in jeder Ecke die Durchtrittsöffnungen 7 zur
Befestigung des Motors mit entsprechenden Befestigungsmitteln angeordnet
sind. Das unregelmäßige Viereck des Anflanschbereichs 3 ist
von einer Außenwand 9 umgeben, die auch die Durchtrittsöffnungen 7 umgibt. Ausgehend
von den Durchtrittsöffnungen 7 ins Innere der
Grundfläche des Anflanschbereichs 3 erstrecken sich ähnlich
dem Anschlussbereich 2 in einem Teilbereich um die Durchtrittsöffnungen 7 radial
angeordnete Speichenstrebenabschnitte 8', die von einer
einen Teilring 12 bildenden Wandung begrenzt werden, wobei
sich die radialen Speichenstreben 8' nach dem Teilring 12 in
längs- und quer verlaufende Streben 8 fortsetzen,
die zwischen den Durchtrittsöffnungen 7 verlaufen
und die die Teilring-Wandungen 12 verbinden. Der in 1 dargestellte
rechte Motorträger weist an der Außenwand 9 des
Anflanschbereichs 3 zusätzliche Durchtrittsöffnungen 11 für
weitere Befestigungsmittel auf, die über Streben, die sich
von der Außenwand 9 erstrecken, mit derselben
verbunden sind.
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Der
in 2 dargestellte Anschlussbereich 3 des
linken Motorträgers 1 unterscheidet sich von dem Anschlussbereich 3 des
rechten Motorträgers 1 aus 1 durch
eine unregelmäßige pentagonale Grundfläche,
die in vier Ecken röhrenförmige Durchtrittsöffnungen 7 aufweist.
Diese Durchtrittsöffnungen 7 weisen wiederum die
nach innen weisenden speichenartigen Streben 8', die sich
radial in Richtung des Inneren des Anflanschbereichs erstrecken,
und die wiederum von einer Teilringwandung 12 begrenzt werden.
Auch hier bilden linear zwischen den Durchtrittsöffnungen 7 verlaufende
Streben 8 die fachwerkartige Struktur, jedoch bestehen
hier auf Grund der pentagonalen Grundfläche mehrere Verkreuzungen
zwischen den Streben 8.
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In 3 ist
der rechte Motorträger 1 aus 1 dargestellt,
der mittels einer Schraube 10 an seinem Anschlussbereich 2 mit
einem Motorlager 5 verbunden ist. In dieser Ausführungsform
sind die Durchtrittsöffnungen 7 des Anflanschbereichs 3 mit Metallgewindebuchsen 13 ausgestattet.
Deutlich wird hier auch die Streben-Struktur des Anflanschbereichs 3 im
Vergleich mit einem Aluminiummotorträger 1', dargestellt
in 4.
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In 4 ist
ein Aluminiummotorträger 1' nach Stand der Technik
dargestellt, dessen Struktur wesentlich einfacher gestaltet ist
und keine den Bereich 3' stabilisierenden Querstreben oder
Radialstreben aufweist.
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Liegt
eine Motortemperatur von beispielsweise 120°C, so leitet
der Motorträger 1' aus 4 nach Stand
der Technik die Wärme an das Motorlager 5 weiter,
so dass dort eine Temperatur von 113°C herrscht, was zu
einem höheren Verschleiß der Elastomerbestandteile
des Motorlagers 5 führt.
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Hingegen
herrscht bei einem erfindungsgemäßen Motorträger 1,
wie in 3 dargestellt, eine Temperatur am Motorlager 5 von
lediglich 70°C, wenn die Temperatur des Motors bei 120°C
liegt, was auf die geringere Wärmeleitung des Thermoplastwerkstoffes
zurückzuführen ist. Damit wird durch die niedrigere
Temperatur die Lebensdauer des Motorlagers 5 deutlich verlängert.
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Im
Vergleich zu einem Aluminiummotorträger ist auch die Montage
des Thermoplastmotorträgers im Fahrzeug vereinfacht, indem
ein Verbindungsmittel mit geringerer Länge gewählt
werden kann, was zum Einen weniger Umdrehungen beim Einschrauben
benötigt, zum Anderen einen Drehmomentschlüssel überflüssig
macht.
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Bevorzugt
wird als Werkstoff zur Herstellung des erfindungsgemäßen
Motorträgers ein Polyamid und zwar insbesondere ein Ultramid®, welches verschiedene Polyamide
(PA6, PA66, PA6/6T, sowie spezielle Co-Polyamide, beispielsweise
PA66/6) umfasst. Ultramid® (erhältlich
bei BASF SE Ludwigshafen, Deutschland) zeichnet sich durch hohe
Festigkeit und Steifigkeit und geringer Kriechneigung auch bei hohen
Temperaturen aus, es weist eine sehr gute Zähigkeit mit
guten Federeigenschaften bei hoher Maßhaltigkeit und hervorragenden
Gleitreibungseigenschaften auf. Zudem bietet Ultramid® bei
hervorragender chemischer Beständigkeit eine einfache Verarbeitung.
In vorteilhafter Weise kann der Motorträger als faserverstärktes
Verbund-Thermoplastbauteil ausgeführt sein, wobei die Verstärkungsfaser eine
Glasfaser und/oder eine Mineralfaser ist. Eine Glasfaserorientierung
ist dabei über 10 μm mittels Röntgentomografie
nicht auflösbar.
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Um
den Anforderungen der Auslegungskriterien zur Festigkeitsabsicherung
von Motorträgern zu entsprechen, wird die Innendruckfestigkeit
des Motorträgers überprüft, wobei die
im Fahrbetrieb auftretenden dynamischen Belastungen im Pulsversuch simuliert
werden. Ein Motorträger aus dem Ultramid® A3WG10CR
erfüllt dabei bei Raumtemperatur die Anforderungen von
20 kN, beziehungsweise 24 kN in z-Richtung (Einfederrichtung Motorlager).
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Die
Vorgabe der dauerhaft zu tragenden Biegelast in z-Richtung konnte,
wie in 5 ersichtlich wird, für den rechten Motorträger
mit fast 30 kN deutlich erfüllt werden, und es ist anzunehmen,
dass der linke Motorträger, der eine in Bezug auf die Festigkeit noch
günstigere Konfiguration als der rechte Motorträger
aufweist, entsprechend gut im Abdrückversuch abschneidet.
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In 6a,
b, c sind Luftschallmessungsdiagramme dargestellt, die im Kraftfahrzeug
in Abhängigkeit der Frequenz aufgenommen wurden sowie abhängig
sind von einem Drehmoment T des Motors. Je dunkler die Farbgebung,
desto geringer die Lautstärke. In 6a ist
ein serienmäßiger Aluminiummotorträger
zum Einsatz gekommen, während in 6b ein
mit Polyamid befüllter Motorträger getestet wurde.
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Die
Schallmessungen zwischen dem befüllten Motorträger
aus 6b und dem seriellen Motorträger aus 6a unterscheiden
sich nur unwesentlich, lediglich im oberen Frequenzbereich zwischen 1,8
kH und 2 kH deutet sich ab einem Drehmoment von 300 nm eine geringere
Lautstärke an. Hingegen ist in 6c mit
dem Luftschallmessdiagramm bei Verwendung eines erfindungsgemäßen
Motorträgers durch die deutlich dunklere Färbung
vor allem oberhalb von 1,2 kH und schon ab 100 nm Drehmoment eine
deutliche Verdunklung, respektive geringere Lautstärke
ersichtlich, auch im Vergleich zu dem Polyamid gefüllten
Motorträger aus 6a.
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Dies
zeigt, dass die Schalldämpfung nicht nur eine Folge des
Werkstoffs, sondern auch der speziellen Streben-Struktur mit radialen
und Querstreben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005014938
A1 [0003]
- - DE 102005032919 A1 [0004]
- - DE 10262059 B4 [0005]
