DE102011083226A1

DE102011083226A1 - Gelenk für Fahrwerke aus Faserkunststoffverbund

Info

Publication number: DE102011083226A1
Application number: DE102011083226A
Authority: DE
Inventors: Daniel Wolf; Fabian Burmann
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2011-09-22
Filing date: 2011-09-22
Publication date: 2013-03-28

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Gelenk (1) für Fahrwerke, welches Gelenk (1) im Wesentlichen aus Faser-Kunststoff-Verbund ausgebildet ist und mehrere Faserlagen (2) umfasst, welche Faserlagen (2) in einem Schichtaufbau angeordnet sind, welches Gelenk (1) sich dadurch auszeichnet, dass der Schichtaufbau mindestens eine erste Faserlage (2a, 2b, 2c) umfasst, welche in ihrer Längserstreckung durch mindestens eine Klebschicht (3a, 3b, 3c) unterbrochen ist, und dass der Schichtaufbau mindestens eine zweite Faserlage (2d) aufweist, welche in ihrer Längserstreckung im Bereich der Klebschicht (3a, 3b, 3c) durchgängig als Faserlage ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gelenk für Fahrwerke, welches Gelenk aus Faser-Kunststoff-Verbund ausgebildet ist und mehrere Faserlagen umfasst, welche Faserlagen in einem Schichtaufbau angeordnet sind, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Automobilindustrie ist bestrebt, Bauteile bzw. Baugruppen mit möglichst geringem Gewicht zur Verfügung zu stellen, wobei die Bauteile dennoch den typischerweise auftretenden mechanischen Belastungen standhalten müssen. Einerseits müssen die Bauteile eine genügend hohe Festigkeit aufweisen, andererseits sollen sie jedoch in ausreichendem Maße elastisch sein, um beispielsweise Verformungen bei einem Ein- und Ausfedern der Räder zu ermöglichen.
Aus der WO 2009/028942 ist eine Mehrlenkerachse aus Faserverbund bekannt, welche in den Übergangsbereichen starrer Bauteile elastische Gelenke aus Faserverbund vorschlägt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elastisches und zugleich den Festigkeitsanforderungen genügendes Gelenk aus Faserverbund zur Verfügung zu stellen, welches Gelenk gegenüber dem vorbekannten Stand der Technik einen alternativen Aufbau aufweist.
Gelöst ist diese Aufgabe mittels eines Gelenks für Fahrwerke gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Gelenks finden sich in den Unteransprüchen 2 bis 14. Hiermit wird der Wortlaut dieser Unteransprüche durch ausdrückliche Bezugnahme in die Beschreibung aufgenommen, um unnötige Textwiederholungen zu vermeiden.
Das erfindungsgemäße Gelenk für Fahrwerke ist aus Faserkunststoffverbund ausgebildet und umfasst mehrere Faserlagen, welche Faserlagen in einem Schichtaufbau angeordnet sind. Das erfindungsgemäße Gelenk ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtaufbau mindestens eine erste Faserlage umfasst, welche in ihrer Längserstreckung durch mindestens eine Klebschicht unterbrochen ist, und dass der Schichtaufbau mindestens eine zweite Faserlage aufweist, welche in ihrer Längserstreckung zumindest im Bereich der Klebschicht durchgängig als Faserlage ausgebildet ist.
Das erfindungsgemäße Gelenk umfasst folglich mehrere Faserlagen, welche Faserlagen schichtweise angeordnet sind, wobei die erste Faserlage in ihrer Längserstreckung durch eine Klebschicht unterbrochen ist. Die Klebschicht bewirkt die geforderte Elastizität des Gelenks.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gelenks zeichnet sich dadurch aus, dass die zweite Faserlage die Klebschicht in ihrer Längserstreckung überdeckt, vorzugsweise vollständig. Dies bedeutet, dass die erste, in ihrer Längserstreckung durch wenigstens eine Klebschicht unterbrochene Faserlage in dem Bereich der Klebschicht von einer zweiten Faserlage, welche zumindest in dem genannten Bereich ununterbrochen ausgebildet ist, überdeckt bzw. überlappt wird.
Vorteilhafterweise weist das Gelenk mindestens zwei, durch jeweils eine Klebschicht unterbrochene Faserlagen auf, wobei eine der Klebschichten in der Längserstreckung der Faserlagen länger ist als die andere Klebschicht. Vorzugsweise ist die längere Klebeschicht in oder zumindest in der Nähe einer neutralen Faserlage des Gelenks angeordnet.
Im Rahmen dieser Beschreibung bezeichnet der Begriff „neutrale Faserlage“ diejenige Zone oder Faserlage des Gelenkquerschnittes, deren Länge bei einem Biegen des Gelenks unverändert bleibt. Die vorhergehend beschriebene Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gelenks ermöglicht eine noch höhere Elastizität bei gleichzeitig ausreichender Festigkeit.
Die Enden der Klebschichten sind bei der zuletzt beschriebenen Ausgestaltung folglich zueinander versetzt angeordnet, und im Schichtaufbau weiter innen angeordnete Klebschichten sind vorzugsweise länger ausgebildet, verglichen mit im Schichtaufbau weiter außen angeordneten Klebschichten.
Vorteilhafterweise ist der Schichtaufbau des erfindungsgemäßen Gelenks hinsichtlich der Länge der Klebschichten symmetrisch ausgebildet, insbesondere nimmt die Länge der Klebschichten vorzugsweise ausgehend von einer oder mehreren mittig angeordneten Klebschichten nach außen hin ab.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gelenks sieht vor, dass die Klebschicht in einer Aussparung der Faserlage angeordnet ist, welche Aussparung erzeugt ist mittels eines Prepregverfahrens, wobei die Klebschicht anstelle einer Prepreglage angeordnet ist, und/oder mittels mechanischer Entfernung der Faserlage, und/oder mittels eines Platzhalters
Hierdurch kann die Klebschicht, welche die erste Faserlage unterbricht, direkt bei Herstellung des Schichtaufbaus der Faserlagen erzeugt werden. Vorteilhafterweise wird hierbei ein so genanntes Prepregverfahren als Fertigungsverfahren angewendet, bei dem vorimprägnierte Gelege aus Fasern aufeinander drapiert und in einem Autoklav oder durch ein Heißpressverfahren konsolidiert und ausgehärtet werden. Anstelle einer Prepreglage wird die Klebschicht, z. B. als Filmklebstoff angeordnet.
Alternativ hierzu liegt es ebenfalls im Rahmen der Erfindung, die Klebschicht erst im Anschluss an die Herstellung der unterbrochen auszubildenden Faserlage einzubringen. Dies kann dadurch erfolgen, dass zur Ausbildung der für die Klebstoffschicht vorgesehenen Aussparung die Faserlage mechanisch, bevorzugt durch Spanen, entfernt wird und dass diese Aussparung dann mit Klebstoff gefüllt wird. Die Aussparung kann auch im Verlauf des Herstellungsprozesses des Gelenks mittels Platzhaltern erzeugt und anschließend mit Klebstoff gefüllt werden. Die Platzhalter können wieder verwertbare oder verlorene Kernteile umfassen.
Vorteilhafterweise ist die Klebschicht in einem elastischen Klebstoff ausgebildet. Der Klebstoff weist eine Elastizität auf, so dass die Klebschicht geringere Steifigkeiten und höhere zulässige Dehnungen aufweist als der Faser-Kunststoff-Verbund des Gelenks.
Vorteilhafterweise kann die Klebschicht faserfrei ausgebildet sein. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gelenks sieht vor, dass das Gelenk nach Art einer geschäfteten Klebung ausgebildet ist.
Eine andere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gelenks sieht vor, dass das Gelenk eine Überwachungsvorrichtung aufweist, welche Überwachungsvorrichtung mindestens einen Sensor zur Überwachung von Dehnungen der Klebschicht umfasst. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der Sensor als zweiteiliger Sensor ausgebildet ist, wobei ein erstes und ein zweites Sensorteil auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Klebschicht angeordnet sind, insbesondere auf zwei senkrecht zur Längserstreckung der Faserlagen gegenüberliegenden Seiten. Dies ermöglicht es, bei Anwendung des Gelenks in Fahrwerken die Dehnungen kontinuierlich zu überwachen, um Beschädigungen und Ausfälle frühzeitig zu erkennen.
So kann aus den Dehnungen auf die Verformungen in dem Fahrwerk geschlossen werden und so die Sensoranordnung als Hohenstandssensor genutzt werden.
Eine konstruktiv einfache Ausgestaltung ergibt sich, indem der Sensor als Hallsensor mit einem Gegenmagnet ausgebildet ist.
Dem Sensor kann dabei eine Auswerteeinheit zugeordnet sein, welche die Sensorsignale verstärkt und/ oder weiter verarbeitet. Eine solche Auswerteeinheit kann zumindest teilweise am Chassis angeordnet und/ oder an dem Sensor bzw. dem Gelenk angeordnet sein.
Die Auswerteeinheit kann dabei über ein oder mehrere Datenaustauschsysteme, wie einem CAN- oder Flexray-System, anderen Datenverarbeitungssystemen Daten zukommen lassen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gelenks zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens ein Teil des Gelenks eine balkenförmige und/ oder gekrümmte Form und/oder eine Schalenform aufweist. Der Schichtaufbau mit eingelagerten Klebschichten gewährleistet, insbesondere bei gekrümmten Bauteilen, eine ausreichende Festigkeit bei gleichzeitig hoher Elastizität. Durch die verschiedenen durch die Erfindung ermöglichten geometrischen Ausgestaltungsformen des Gelenks können beispielsweise auch elastische Membrane oder gleichwirkende Elemente ausgebildet werden.
Vorteilhafterweise ist das Gelenk als ein Scharniergelenk ausgebildet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf spezielle Gelenkarten beschränkt und kann folglich als beliebiger Gelenktyp ausgebildet sein.
Eine wieder andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gelenks ist dadurch gekennzeichnet, dass die Klebschicht in einem Einkomponentenklebstoff ausgebildet ist, vorzugsweise einem Polyurethanklebstoff.
Dem Sensor kann dabei eine Auswerteeinheit zugeordnet sein, welche die Sensorsignale verstärkt und/ oder weiter verarbeitet. Eine solche Auswerteeinheit kann zumindest teilweise am Chassis angeordnet und/ oder an dem Sensor bzw. dem Gelenk angeordnet sein.
Die Auswerteeinheit kann dabei über ein oder mehrere Datenaustauschsysteme, wie einem CAN- oder Flexray-System, anderen Datenverarbeitungssystemen Daten zukommen lassen.
Vorzugsweise ist die Klebschicht in einem Mehrkomponentenklebstoff ausgebildet, insbesondere auf Epoxidharzbasis oder Polyurethanharzbasis.
In einer anderen Weiterbildung ist die Klebschicht aus einem Harzsystem auf Acrylatbasis oder Methylmeth-Acrylatbasis ausgebildet.
Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Gelenk einen Schichtaufbau mit alternierend angeordneten unterbrochenen und ununterbrochenen Faserlagen auf. Es liegt jedoch im Rahmen der Erfindung eine andere Schichtenabfolge vorzusehen.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der Figur und des Ausführungsbeispiels erläutert. Dabei zeigt die einzige
1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Gelenks umfassend einen Schichtaufbau aus Klebschichten und Faserlagen.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Gelenks 1, welches einen mehrlagigen Schichtaufbau aufweist. Der Schichtaufbau umfasst Faserlagen 2, welche entweder als durchgängige Faserlagen 2d oder als unterbrochene Faserlagen 2a, 2b, 2c ausgebildet sind. Die durchgängigen Faserlagen 2d unterscheidet sich von den unterbrochenen Faserlagen 2a, 2b, 2c darin, dass die unterbrochene Faserlagen 2a, 2b, 2c in ihrer Längserstreckung durch vorsehen von Aussparungen mindestens einfach unterteilt ausgebildet sind. Die durchgängige Faserlagen 2d sind hingegen ununterbrochen ausgebildet. Die Längserstreckung der Faserlagen liegt bei der Darstellung gemäß 1 in der Zeichenebene.
Im Bereich der Aussparungen der Faserlagen 2a, 2b, 2c ist jeweils eine elastische Klebschicht 3a, 3b, 3c angeordnet, welche die unterbrochenen Faserlagen miteinander verbindet und dem Gelenk die erforderliche Elastizität gibt. Die Klebschichten 3a, 3b, 3c komplettieren die unterbrochenen Faserlagen 2a, 2b, 2c in ihrer Längserstreckung.
Benachbart zu den unterbrochenen Faserlagen 2a, 2b, 2c sind ununterbrochene Faserlagen 2d angeordnet, welche die Klebschichten 3a, 3b, 3c überdecken. Hierbei weist der Schichtaufbau des Gelenks alternierend unterbrochene und ununterbrochene Faserlagen auf.
Die Klebschichten 3a, 3b, 3c weisen unterschiedliche Längen auf: Die mittig angeordnete Klebschicht 3b ist länger als die äußeren Klebschichten 3a und 3c. Die längere Klebschicht 3b ist in der neutralen Faserlage des Gelenks angeordnet.
Bezugszeichenliste

1: Gelenk
2: Faserlage
2a, b, c: erste Faserlage
2d: zweite Faserlage
3a, b, c: Klebschicht

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

WO 2009/028942 [0003]

Claims

Gelenk (1) für Fahrwerke, welches Gelenk (1) im Wesentlichen aus Faser-Kunststoff-Verbund ausgebildet ist und mehrere Faserlagen (2) umfasst, welche Faserlagen (2) in einem Schichtaufbau angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtaufbau mindestens eine erste Faserlage (2a, 2b, 2c) umfasst, welche in ihrer Längserstreckung durch mindestens eine Klebschicht (3a, 3b, 3c) unterbrochen ist, und dass der Schichtaufbau mindestens eine zweite Faserlage (2d) aufweist, welche in ihrer Längserstreckung im Bereich der Klebschicht (3a, 3b, 3c) durchgängig als Faserlage ausgebildet ist.
Gelenk (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Faserlage (2d) die Klebschicht (3a, 3b, 3c) in ihrer Längserstreckung überdeckt, vorzugsweise vollständig.
Gelenk (1) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenk mindestens zwei, durch jeweils eine Klebschicht (3a, 3b, 3c) unterbrochene Faserlagen (2a, 2b, 2c) aufweist, wobei eine der Klebschichten (3b) in der Längserstreckung der Faserlagen länger ist als die andere Klebschicht (3a), vorzugsweise, dass die längere Klebeschicht (3b) in oder zumindest in der Nähe einer neutralen Faserlage (2b) des Gelenks angeordnet ist.
Gelenk (1) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebschicht (3a, 3b, 3c) in einer Aussparung der Faserlage (2a, 2b, 2c) angeordnet ist, welche Aussparung erzeugt ist mittels eines Prepregverfahrens, wobei die Klebschicht (3a, 3b, 3c) anstelle einer Prepreglage angeordnet ist, und/oder mittels mechanischer Entfernung der Faserlage (2a, 2b, 2c), und/ oder mittels eines Platzhalters.
Gelenk (1) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebschicht (3a, 3b, 3c) in einem elastischen Klebstoff ausgebildet ist.
Gelenk (1) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebschicht (3a, 3b, 3c) faserfrei ist oder ein geringes Faservolumengehalt, insbesondere eine textile Trägerschicht, aufweist.
Gelenk (1) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenk (1) nach Art einer geschäfteten Klebung ausgebildet ist.
Gelenk (1) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Überwachungsvorrichtung, welche Überwachungsvorrichtung mindestens einen Sensor zur Überwachung von Dehnungen der Klebschicht aufweist, insbesondere, dass der Sensor ein zweiteiliger Sensor ist, wobei ein erstes und ein zweites Sensorteil auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Klebschicht (3a, 3b, 3c) angeordnet sind, insbesondere auf zwei senkrecht zur Längserstreckung der Faserlagen (2) gegenüberliegenden Seiten.
Gelenk (1) zumindest nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor als Hallsensor mit einem Gegenmagnet ausgebildet.
Gelenk (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Sensor eine Auswerteeinheit zugeordnet ist, welche im Fahrwerk und/ oder am Fahrzeugaufbau befestigt ist, wobei die Auswerteeinheit, insbesondere mit dem Fahrzeugdatenbus, verbunden ist.
Gelenk (1) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil des Gelenks (1) eine balkenförmige und/oder gekrümmte Form und/oder Schalenform aufweist.
Gelenk (1) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenk (1) als ein Scharniergelenk ausgebildet ist.
Gelenk (1) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebschicht (3a, 3b, 3c) in einem Einkomponentenklebstoff ausgebildet ist, vorzugsweise einem Polyurethanklebstoff.
Gelenk (1) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebschicht (3a, 3b, 3c) in einem Mehrkomponentenklebstoff ausgebildet ist, vorzugsweise auf Epoxidharzbasis oder Polyurethanharzbasis.
Gelenk (1) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebschicht (3a, 3b, 3c) aus einem Harzsystem auf Acrylatbasis oder Methylmeth-Acrylatbasis ausgebildet ist.