DE102013111701A1

DE102013111701A1 - Verbindungselement und Verfahren zum Herstellen eines Verbindungselements

Info

Publication number: DE102013111701A1
Application number: DE201310111701
Authority: DE
Inventors: Eric BEGENAU; Boris Schmidt
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2013-10-24
Filing date: 2013-10-24
Publication date: 2015-04-30

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbindungselement (10) für ein Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs, mit: einem langgestreckten Grundkörper (12), der aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet ist, zwei Lagern (16, 30), die an gegenüberliegenden Enden (14, 26) des Grundkörpers (12) ausgebildet sind, wobei der Grundkörper (12) die Lager (16, 30) mechanisch miteinander verbindet, wobei eines der Lager (16) ein Kugelgelenk (18) aufweist, das in einem Kugelgelenkkäfig (22) gelagert ist, wobei der Kugelgelenkkäfig (22) wenigstens teilweise in dem Grundkörper (12) integriert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbindungselement für ein Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs, mit einem langgestreckten Grundkörper, der aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet ist, zwei Lagern, die an gegenüberliegenden Enden des Grundkörpers ausgebildet sind, wobei der Grundkörper die Lager mechanisch miteinander verbindet.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Verbindungselements für ein Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs mit den Schritten: Bereitstellen eines Lagers und Bereitstellen eines Formkerns, Formen eines Grundkörpers des Verbindungselements mittels Fasern, Versetzen der Fasern mit einem Vergussharz, und Auslösen des Formkerns aus dem Grundkörper.
Derartige Verbindungselemente dienen im Allgemeinen dazu bewegliche Teile eines Fahrwerks eines Kraftfahrzeugs zu lagern.
Aus dem Stand der Technik ist es allgemein bekannt Verbindungsgestänge und insbesondere eine Vorderachs-Koppelstange als ein metallisches Gussteil zu fertigen. Ebenso ist es bekannt, Vorderachs-Koppelstangen aus metallischem Werkstoff zu fügen, zu schweißen, zu umformen oder zu schmieden, Nachteilig dabei ist es, dass derartige Koppelstangen ein hohes Gewicht aufweist und somit das Gesamtgewicht des Kraftfahrzeugs erhöhen.
Es ist weiterhin bekannt Bauteile von Kraftfahrzeugen im Allgemeinen aus Kohlefaserverbundwerkstoff (CFK) zu fertigen, um das Gewicht des Kraftfahrzeugs entsprechend zu reduzieren. Dabei werden üblicherweise die Faserbauteile mit Öffnungen ausgebildet, um Anschlusselemente an den Faserbauteilen festzulegen und so die Faserbauteile mit anderen Elementen des Kraftfahrzeugs fest zu verbinden. Ein derartiges Bauteil ist bspw. bekannt aus der DE 102 153 78 A1 . Nachteilig dabei ist es, dass zusätzliche Anschlusselemente montiert werden müssen und die Stabilität dieser Verbindungen begrenzt sind.
Aus der EP 1 005 697 B1 ist eine Verbindungsstange mit zwei gegenüberliegende Lagerbuchsen bekannt, die mittels einer metallischen Stange fest miteinander verbunden sind und wobei das gesamte Verbindungselement beschichtet mit Kohlefasern umwickelt ist. Nachteilig dabei ist es, dass das Verbindungselement durch die metallische Verbindungsstange, die die Lagerbuchsen mechanisch miteinander verbindet, ein erhöhtes Gewicht aufweist, so dass das Gesamtgewicht des Kraftfahrzeugs nicht signifikant reduziert werden kann. Die unterschiedliche Wärmeausdehnung von Kohlefasern und Metall stellt dabei ebenfalls ein Problem dar.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verbindungselement für ein Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, das eine hohe Stabilität und gleichzeitig ein reduziertes Gewicht aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei dem eingangs genannten Verbindungselement dadurch gelöst, dass eines der Lager ein Kugelgelenk aufweist, das in einem Kugelgelenkkäfig gelagert ist, wobei der Kugelgelenkkäfig wenigstens teilweise in dem Grundkörper integriert ist.
Diese Aufgabe wird ferner bei dem eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst, dass das bereitgestellte Lager als Kugelgelenk mit einem Kugelgelenkkäfig ausgebildet ist und der Grundkörper durch Umflechten des Kugelgelenkkäfigs und des Formkerns mit Fasern geformt wird.
Dadurch, dass der Kugelgelenkkäfig in dem Grundkörper aus Faserverbundwerkstoff integriert ist, kann zwischen dem Kugelgelenk und dem Grundkörper eine feste Verbindung gebildet werden, so dass die notwendige Stabilität des Verbindungselements im Allgemeinen gewährleistet werden kann und der Grundkörper zum Verbinden der beiden Lager aus Faserverbundwerkstoff zur Gewichtsreduzierung ohne zusätzliche Metallteile gebildet werden kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird somit vollständig gelöst. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verbindungselements ist eine äußere Umfangsfläche des Kugelgelenkkäfigs von dem Grundkörper wenigstens teilweise umschlossen.
Dadurch kann die mechanische Stabilität der Verbindung zwischen dem Kugelgelenk und dem Grundkörper erhöht werden, wobei gleichzeitig Querkräfte durch den Grundkörper aufgenommen werden können.
Es ist dabei besonders bevorzugt, wenn die äußere Umfangsfläche einen Verbindungsabschnitt aufweist, dessen Oberfläche dazu ausgebildet ist, mit dem Grundkörper eine feste Verbindung zu bilden.
Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn der Verbindungsabschnitt aufgeraut oder mit Hinterschnitten ausgeführt ist, um die Kontakteigenschaft des Grundkörpers an dem Kugelgelenkkäfig zu verbessern.
Dadurch kann mit geringem Aufwand eine feste Verbindung zwischen dem Kugelgelenk und dem Grundkörper gebildet werden.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn der Verbindungsabschnitt Verbindungselemente aufweist, die gegenüber der Umfangsfläche hervorstehen, um den Grundkörper mit dem Kugelgelenkkäfig zu verbinden.
Dadurch kann die Verbindung zwischen dem Kugelgelenk und dem Grundkörper verbessert werden, da die Verbindungsabschnitte von den Fasern umflochten werden können und dadurch mit geringem technischen Aufwand eine besonders stabile Verbindung bilden.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn der Faserverbundwerkstoff mit dem Verbindungsabschnitt eine haftende Verbindung bildet.
Dadurch kann auf gesonderte Arbeitsschritte zum mechanischen Verbinden des Grundkörpers mit dem Kugelgelenk verzichtet werden.
Es ist im Allgemeinen bevorzugt, wenn das zweite Lager als Dämpfungslager ausgebildet ist.
Dadurch kann das Verbindungselement auch zur Schwindungsdämpfung oder zur Komfortsteigerung eingesetzt werden.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn der Grundkörper hohl ausgebildet ist. Dadurch kann das Gewicht des Verbindungselements weiter reduziert werden, wobei größere Axialkräfte aufgenommen werden können.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn das Dämpfungslager in einer radialen Öffnung des Grundkörpers festgelegt ist.
Dadurch können Vibrationen in einer radialen Richtung gedämpft werden und das Dämpfungslager gleichzeitig mit geringem technischem Aufwand in axialer Richtung des Grundkörpers fixiert werden.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn das Dämpfungselement als Gummilager ausgebildet ist und in den Grundkörper einvulkanisiert ist.
Dadurch kann mit geringem technischen Aufwand das Dämpfungslager in dem Grundkörper festgelegt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es besonders bevorzugt, wenn der Kugelgelenkkäfig mit Fasern umflochten wird, bevor der Formkern umflochten wird. Mit anderen Worten wird der Kugelgelenkkäfig als Ausgangspunkt für das Fasergeflecht verwendet.
Dadurch kann eine besonders stabile Verbindung zwischen dem Kugelgelenk und dem Grundkörper gebildet werden und gleichzeitig der Grundkörper mit geringem technischen Aufwand produziert werden.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn an einem dem Kugelgelenk gegenüberliegenden Ende des Grundkörpers eine radiale Öffnung in dem Grundkörper gebildet wird. Dabei wird vorzugsweise an einem Austritt oder Ende des Formkerns ein Auge geflochten, um die radiale Öffnung zu bilden.
Dadurch kann mit geringem technischen Aufwand ein stabiler Lagerpunkt für ein zweites Lager in den Grundkörper gebildet werden.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn in der Öffnung ein Dämpfungslager festgelegt wird. Dadurch können mit einfachen Mitteln Schwingungen gedämpft werden.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn der Formkern mittels eines Lösungsmittels aus dem Grundkörper ausgelöst bzw. ausgeschwemmt wird.
Dadurch kann der Formkern mit geringem technischen Aufwand aus dem Grundkörper entfernt werden, um so einen Hohlkörper zu bilden.
Bevorzugt wird als Faserverbundwerkstoff ein Kohlefaserverbundwerkstoff verwendet sowie Kohlefasern als Fasern.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Verbindungselements für ein Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs mit zwei Lagern; und
2a, b Schnittdarstellungen durch den Grundkörper des Verbindungselements.
In 1 ist ein Verbindungselement, insbesondere eine Vorderachs-Koppelstange schematisch dargestellt und allgemein mit 10 bezeichnet.
Das Verbindungselement 10 weist einen langgestreckten Grundkörper 12 auf, der aus einem Faserverbundwerkstoff wie etwa Kohlefaserverbundwerkstoff (CFK) gebildet ist. Der Grundkörper 12 ist gebogen ausgebildet, um den Bauraumverhältnissen in einem Kraftfahrzeug zu genügen. Der Grundkörper ist an einem ersten Ende 14 mit einem Kugelgelenk 16 verbunden. Das Kugelgelenk 16 weist einen Kugelkopf 18 auf, der mit einem Anschlussabschnitt 20 verbunden ist. Der Anschlussabschnitt 20 dient dazu, das Kugelgelenk 16 mit dem Fahrwerk des Kraftfahrzeugs zu verbinden. Das Kugelgelenk 16 weist ferner einen Kugelgelenkkäfig 22 auf, der dazu dient, den Kugelkopf 18 aufzunehmen und drehbar bzw. verschwenkbar zu lagern. Der Kugelgelenkkäfig 22 ist an dem Endabschnitt 14 in dem Grundkörper 12 aufgenommen und so mit dem Grundkörper 12 ggf. auch durch einen Hinterschnitt fest verbunden.
Der Kugelgelenkkäfig 22 weist eine äußere Umfangsfläche 24 auf, die als Verbindungsabschnitt 24 zwischen dem Kugelgelenkkäfig 22 und dem Grundkörper 12 dient. Die äußere Umfangsfläche 24 weist eine aufgeraute Oberfläche auf und/oder angeschweißte Zapfen oder Nadeln, die gegenüber der äußeren Umfangsfläche 24 erhaben ausgebildet sind, oder eine andere Art der Verzahnung, so dass der Faserverbundwerkstoff des Grundkörpers 12 an der äußeren Umfangsfläche 24 verklebt bzw. verflochten werden kann, um so eine feste Verbindung zwischen dem Grundkörper 12 und dem Kugelgelenk 16 zu bilden. Der Kugelgelenkkäfig 22 bzw. die äußere Umfangsfläche 24 ist somit von einem Endabschnitt des Grundkörpers 12 umgeben. Der Kugelkopf 18 und der Kugelgelenkkäfig 22 können jeweils aus Aluminium oder Stahl gebildet sein. Die äußere Umfangsfläche 24 des Kugelgelenkkäfig 22 kann beispielsweise mittels Sandstrahlen aufgeraut werden.
An einem dem ersten Ende 14 gegenüberliegenden zweiten Ende 26 des Grundkörpers 12 ist eine Ausnehmung 28 gebildet, die sich in radialer Richtung des Grundkörpers 12 erstreckt. Die Öffnung 28 ist ein Auge des Grundkörpers 12 und bildet eine Aufnahme für ein Dämpfungslager 30, das vorzugsweise als Gummilager 30 ausgebildet ist. Das Gummilager 30 kann in die Öffnung 28 einvulkanisiert sein, um eine besonders feste und stabile Verbindung zu bilden. Das Dämpfungslager 30 weist einen Verbindungsabschnitt 32 auf, der dazu dient das Dämpfungslager 30 mit entsprechenden Bauteilen des Kraftfahrzeugs, insbesondere Stabilisatoren zu verbinden. Der Verbindungsabschnitt 32 ist vorzugsweise für eine Schraubverbindung 32 ausgebildet.
Im Bereich des ersten Endes 14 des Grundkörpers 12 ist das Verbindungselement 10 teilweise in einer Schnittdarstellung dargestellt, wobei die geschnittenen Flächen schraffiert dargestellt sind. Zur Herstellung des Grundkörpers 12 aus Faserverbundwerkstoff wird ein Formkern 34 verwendet, um den herum Fasern – vorzugsweise Kohlefasern – geflochten oder drapiert werden, die mit einem Vergussharz vergossen werden oder vorab mit einem Vergussharz imprägniert sind, um den Grundkörper 12 aus Faserverbundwerkstoff bzw. Kohlefaserverbundwerkstoff zu bilden.
Zur Fertigung des Verbindungselements 10 wird dabei vorzugsweise der Kugelgelenkkäfig 22 als Ausgangspunkt für das Fasergeflecht (bevorzugt CFK-Geflecht) verwendet. Dabei werden die Fasern bzw. Kohlefasern zunächst um die äußere Umfangsfläche 24 geflochten und danach direkt um den Formkern 34 geflochten, um eine feste Verbindung zwischen dem Kugelgelenk 16 und dem Grundkörper 12 zu bilden. Die feste Verbindung zwischen dem Kugelgelenk 16 und dem Grundkörper 12 ist dadurch bedingt, dass die Oberfläche der äußeren Umfangsfläche 24 entsprechend rau oder mit Verbindungselementen bzw. Verzahnungen ausgebildet ist und der Grundkörper 12 aus einem einzigen Stück geflochten wird und mit dem Vergussharz vergossen wird.
Der Formkern 34 erstreckt sich durch den gesamten Grundkörper 12 bis zu der Öffnung 28. Wenn der Formkern 34 vollständig umflochten ist, wird an dem zweiten Ende 26 das Auge 28 geflochten, in das das Gummilager 30 eingebracht wird. Das Gummilager 30 dient im Allgemeinen zur Anbindung von Stabilisatoren, und zwar mittels des Verbindungsabschnitts 32.
Nachdem der Formkern 34 umflochten oder umwickelt ist, wird das Fasergeflecht mittels des Vergussharzes vergossen, so dass ein fester Faserverbundwerkstoff entsteht. Alternativ können auch mit Vergussharz getränkte Zuschnitte um den Formkern 34 gelegt werden, sodass ebenfalls ein fester Faserverbundwerkstoff entsteht. Nachdem der Grundkörper 12 bzw. das Vergussharz des Grundkörpers 12 vollständig ausgehärtet ist, wird der Formkern 34, der vorzugsweise aus einem Hartschaum gebildet ist, mittels einer speziellen chemischen Lösung aus dem Inneren des Grundkörpers 12 ausgelöst bzw. ausgeschwemmt. Auf diese Weise entsteht der Grundkörper 12 als Hohlbauteil, das eine hohe Steifigkeit und ein geringes Gewicht aufweist. Die mechanische Verbindung zwischen dem Kugelgelenk 16 und dem Dämpfungslager 30 wird somit lediglich durch den Faserverbundwerkstoff des Grundkörpers 12 gebildet.
Der Querschnitt des Grundkörpers 12 kann unterschiedliche Formen aufweisen und entspricht im Wesentlichen der ursprünglichen Form des Formkerns 34. Unterschiedliche Querschnittsformen sind in den 2a und 2b schematisch dargestellt.
In 2a ist ein Querschnitt entlang der Linie A-A schematisch dargestellt. An dieser Position in der Nähe des ersten Endes 14 weist der Grundkörper 12 eine im Wesentlichen runde Querschnittsfläche auf, wohingegen der Grundkörper 12 an einer Position B-B aus 1 eine ovale Querschnittsfläche aufweist, wie es in 2b schematisch dargestellt ist.
Somit kann jede beliebige Form des Grundkörpers 12 entsprechend der Form des Formkerns 34 gebildet werden, wobei in dieser speziellen Ausführungsform die schematisch dargestellte Koppelstange in dem gekrümmten Abschnitt im Bereich der Linie B-B eine ovale Form aufweist, um größere Biegekräfte aufnehmen zu können.
Das Verbindungselement 10 kann als Koppelstange für sämtliche Fahrwerkskomponenten dienen.
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 10215378 A1 [0005]
EP 1005697 B1 [0006]

Claims

Verbindungselement (10) für ein Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs, mit: – einem langgestreckten Grundkörper (12), der aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet ist, – zwei Lagern (16, 30), die an gegenüberliegenden Enden (14, 26) des Grundkörpers (12) ausgebildet sind, wobei der Grundkörper (12) die Lager (16, 30) mechanisch miteinander verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Lager (16) ein Kugelgelenk (18) aufweist, das in einem Kugelgelenkkäfig (22) gelagert ist, wobei der Kugelgelenkkäfig (22) wenigstens teilweise in dem Grundkörper (12) integriert ist.
Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine äußere Umfangsfläche (24) des Kugelgelenkkäfigs (22) von dem Grundkörper (12) wenigstens teilweise umschlossen ist.
Verbindungselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Umfangsfläche (24) einen Verbindungsabschnitt (24) aufweist, dessen Oberfläche dazu ausgebildet ist, mit dem Grundkörper (12) eine feste Verbindung zu bilden.
Verbindungselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsabschnitt (24) Verbindungselemente aufweist, die gegenüber der Umfangsfläche (24) hervorstehen, um den Grundkörper (12) mit dem Kugelgelenkkäfig (22) zu verbinden.
Verbindungselement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff mit dem Verbindungsabschnitt (24) eine haftende Verbindung bildet.
Verbindungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Lager (30) als Dämpfungslager ausgebildet ist.
Verbindungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (12) hohl ausgebildet ist.
Verbindungselement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungslager (30) in einer radialen Öffnung (28) des Grundkörpers (12) festgelegt ist.
Verbindungselement nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (30) als Gummilager (30) ausgebildet ist und in den Grundkörper (12) einvulkanisiert oder eingeklebt ist.
Verfahren zum Herstellen eines Verbindungselements (10) für ein Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs, mit den Schritten: – Bereitstellen eines Kugelgelenks (16) mit einem Kugelgelenkkäfig (22), – Bereitstellen eines Formkerns (34), – Formen eines Grundkörpers (12) des Verbindungselements (10) durch Umflechten oder Umwickeln des Kugelgelenkkäfigs (22) und des Formkerns (34) mit Fasern oder durch umlegen des Kugelgelenkkäfigs (22) und des Formkerns (34) mit Fasergeflechtzuschnitten, – Versetzen der Fasern oder Fasergeflechtzuschnitten mit einem Vergussharz, und – Auslösen des Formkerns (34) aus dem Grundkörper (12).
Verfahren nach Anspruch 10, wobei zunächst der Kugelgelenkkäfig (22) mit Fasern umflochten wird, bevor der Formkern (34) umflochten wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei eine äußere Oberfläche (24) des Kugelgelenkkäfigs (22) mit den Fasern umflochten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei an einem dem Kugelgelenk (16) gegenüberliegenden Ende (26) des Grundkörpers (12) mittel des Formkerns (34) in dem Grundkörper (12) eine radiale Öffnung (28) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei in der Öffnung ein Dämpfungslager (30) festgelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei der Formkern (34) mittels eines Lösungsmittels aus dem Grundkörper (12) ausgelöst wird.