DE102015107005A1

DE102015107005A1 - Ausdehnungsverringerung von Metallkomponentenbaugruppen unter Verwendung von Kompositen

Info

Publication number: DE102015107005A1
Application number: DE102015107005.7A
Authority: DE
Inventors: Hamid G. Kia; William E. TREIB
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2014-05-15
Filing date: 2015-05-05
Publication date: 2015-11-19
Also published as: US20150330446A1; US9284981B2; CN105090448A; CN105090448B

Abstract

Es werden Verfahren zur Minimierung der Wärmeausdehnung in einer Baugruppe, zum Beispiel einer Lagerbaugruppe, für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt. Die Baugruppe hat wenigstens zwei Komponenten mit beträchtlich unterschiedlichen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CLTEs). Die Baugruppe hat ein Polymerkomposit mit einem ersten CLTE, eine leichtgewichtige Metallkomponente (z. B. ein Gehäuse) mit einem zweiten CLTE und eine dritte Komponente (z. B. eine Lagerkomponente) mit einem dritten CLTE. Der zweite CLTE ist ≥ 25% größer als der dritte CLTE. Der erste CLTE ist gleich dem dritten CLTE oder kleiner, sodass die Polymerkompositstruktur, die an die erste Oberfläche gekoppelt ist, eine radiale Wärmeausdehnung der ersten Metallkomponente verringert und eine Trennung der zweiten Oberfläche der ersten Metallkomponente von der zweiten Komponente minimiert.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft die Minimierung der unterschiedlichen Wärmeausdehnung leichtgewichtiger Metallkomponenten durch Verwendung eines strategischen Einbaus von Polymerkompositen, zum Beispiel durch Einbau von Polymerkompositen in Kraftfahrzeug-Lagerbaugruppen, die leichtgewichtige Metallkomponenten haben.
HINTERGRUND
Dieser Abschnitt stellt Hintergrund-Informationen bereit, die die vorliegende Erfindung betreffen, die nicht notwendigerweise Stand der Technik sind.
Eine Gewichtsverringerung zur Kraftstoffeinsparung in Kraftfahrzeugen hat die Verwendung verschiedener leichtgewichtiger Metallkomponenten, zum Beispiel Aluminium und Magnesium, vorangetrieben. Während eine Verwendung derartiger leichtgewichtiger Metalle dazu dient, das Gesamtgewicht zu verringern, und im Allgemeinen die Kraftstoffeffizienz verbessert, haben diese Metalle im Vergleich zu herkömmlichen Stahl- oder Keramikmaterialien relativ hohe lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten. In Komponentenbaugruppen kann die Verwendung solcher leichtgewichtiger Metalle eine ungleichmäßige volumetrische Wärmeausdehnung unter bestimmten thermischen Betriebsbedingungen relativ zu angrenzenden Komponenten, die niedrigere lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, wie Stahl- oder Keramikmaterialien, verursachen.
Für bestimmte Anwendungen, speziell in Antriebseinheiten und Lagerbaugruppen, hält ein geeignete Vorspannung und ein geeignetes Spiel bzw. ein geeigneter Abstand in der Lagerbaugruppe die Leistungseffizienz aufrecht, während eine ungleichmäßige Wärmeausdehnung Rotationsverlust verursachen kann und somit die Leistung und die Treibstoffeffizienz vermindern kann. In der Vergangenheit wurden verschiedene Komponenten in Lagerbaugruppen, einschließlich des Gehäuses und der Lager selbst, aus ähnlichen Materialien wie Stahl oder Keramik geformt, welche ähnliche lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten teilen. Somit resultieren Temperaturschwankungen während eines Betriebs des Kraftfahrzeugs für herkömmliche Systeme mit Materialien, die ähnliche lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, nicht in signifikanten Volumenänderungen, die eine Vorspannung oder einen Abstand in Lagerbaugruppen oder anderen Komponentenbaugruppen nachteilig beeinflussen.
Obwohl die Verwendung der leichtgewichtigen Metallkomponenten das Potential hat, Kraftstoffeinsparungsvorteile zu verringern, die einer Gewichtsverringerung zuzuschreiben sind, kann die Schwankung und Inkonsistenz von Lagerabständen bzw. Lagerspiel infolge der beträchtlichen Unterschiede bei den linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu einem signifikanten Rotationsverlust und anderer verminderter Leistungseffizienz führen. Somit wäre ein System und ein Verfahren zur Verminderung der Wärmeausdehnung in Kraftfahrzeugsystemen, die Komponenten haben, die sowohl leichtgewichtige Metalle (mit relativ hohen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten) als auch traditionelle Materialien (mit niedrigerem Wärmeausdehnungskoeffizienten) umfassen, wünschenswert, um eine solche Wärmeausdehnung zu regulieren und außerdem die Arbeitseffizienz und die Kraftstoffeffizienz zu verbessern.
ZUSAMMENFASSUNG
Dieser Abschnitt stellt eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung bereit und ist keine umfassende Offenlegung ihres vollen Umfangs oder all ihrer Merkmale.
Nach bestimmten Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung Verfahren zur Minimierung der Wärmeausdehnung in einer Komponentengruppe für ein Kraftfahrzeug, die wenigstens zwei Komponenten mit beträchtlich unterschiedlichen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, bereit. Das Verfahren kann Koppeln einer Polymerkompositstruktur, die einen ersten linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CLTE) und einen Modul von etwa 40 GPa oder größer hat, an eine erste Oberfläche einer ersten Metallkomponente, die einen zweiten CLTE hat, umfassen. Die erste Metallkomponente definiert außerdem eine der ersten Oberfläche gegenüberliegende zweite Oberfläche. Die zweite Oberfläche ist benachbart zu einer zweiten Komponente, die einen dritten CLTE hat, angeordnet. Der zweite CLTE ist etwa 25% oder mehr größer als der dritte CLTE, während der erste CLTE kleiner als der oder gleich dem dritten CLTE ist. Die Polymerkompositstruktur, die mit der ersten Oberfläche gekoppelt ist, verringert eine radiale Wärmeausdehnung der ersten Metallkomponente und minimiert eine Trennung der zweiten Oberfläche der ersten Metallkomponente von der zweiten Komponente.
Nach anderen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine Komponentenbaugruppe für ein Kraftfahrzeug, die wenigstens zwei Komponenten mit beträchtlich unterschiedlichen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, bereit. Die Komponentenbaugruppe umfasst eine Polymerkompositstruktur, die an eine erste Oberfläche einer ersten Metallkomponente gekoppelt ist. Die Polymerkompositstruktur hat einen ersten linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CLTE), der etwa 10 × 10^–6/°C oder kleiner ist, und einen Modul von etwa 40 GPa oder größer.
Die erste Metallkomponente definiert die erste Oberfläche und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche. Die erste Metallkomponente hat einen zweiten CLTE von etwa 20 × 10^–6/°C oder größer. Eine zweite Komponente ist benachbart zu der gegenüberliegenden zweiten Oberfläche angeordnet und hat einen dritten CLTE von etwa 20 × 10^–6/°C oder kleiner. Die Polymerkompositstruktur, die an die erste Oberfläche gekoppelt ist, verringert eine radiale Wärmeausdehnung der ersten Metallkomponente und minimiert eine Trennung der zweiten Oberfläche der ersten Metallkomponente von der zweiten Komponente.
Nach bestimmten Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung Verfahren zur Minimierung der Wärmeausdehnung in einer vorgespannten Lagerbaugruppe für ein Kraftfahrzeug, die wenigstens zwei Komponenten mit beträchtlich unterschiedlichen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, bereit. Das Verfahren kann Koppeln einer Polymerkompositstruktur, die einen ersten linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CLTE) und einen Modul von etwa 40 GPa oder größer hat, an eine erste Oberfläche eines Gehäuses, das aus einem leichtgewichtigen Metall geformt ist, das eine zweite CLTE hat, umfassen. Das Gehäuse definiert außerdem eine der ersten Oberfläche gegenüberliegende zweite Oberfläche. Die zweite Oberfläche ist benachbart zu einer Lagerkomponente, die einen dritten CLTE hat, angeordnet. Die Lagerkomponente ist unter statischer Vorspannung gegen die zweite Oberfläche angeordnet. Der zweite CLTE ist etwa 25% oder mehr größer als der dritte CLTE. Der erste CLTE ist gleich dem ersten oder kleiner als der erste CLTE. Die Polymerkompositstruktur, die an die erste Oberfläche gekoppelt ist, verringert eine radiale Wärmeausdehnung des Gehäuses und minimiert eine Trennung der zweiten Oberfläche des Gehäuses von der Lagerkomponente.
Nach bestimmten Aspekten zieht die vorliegende Offenbarung eine vorgespannte Lagerbaugruppe für ein Kraftfahrzeug, die wenigstens zwei Komponenten mit beträchtlich unterschiedlichen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, in Betracht. Die vorgespannte Lagerbaugruppe kann eine Polymerkompositstruktur umfassen, die an eine erste Oberfläche eines Gehäuses, das aus einem leichtgewichtigen Metall gebildet ist, gekoppelt ist. Die Polymerkompositstruktur hat einen ersten linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CLTE) und einen Modul von etwa 40 GPa oder größer. Das Gehäuse hat einen zweiten CLTE. Eine Lagerkomponente ist unter statischer Vorspannung benachbart zu einer zweiten Oberfläche des Gehäuses, die der ersten Oberfläche gegenüberliegt, angeordnet. Die Lagerkomponente hat einen dritten CLTE. Der zweite CLTE ist etwa 25% oder mehr größer als der dritte CLTE. Der erste CLTE ist kleiner oder gleich dem dritten CLTE. Die Polymerkompositstruktur, die an die erste Oberfläche gekoppelt ist, verringert eine radiale Wärmeausdehnung des Gehäuses und minimiert eine Trennung der zweiten Oberfläche des Gehäuses von der Lagerkomponente.
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hierin angeführten Beschreibung ersichtlich werden. Die Beschreibung und spezifische Beispiele in dieser Zusammenfassung sind lediglich zur Veranschaulichungszwecken gedacht und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht beschränken.
ZEICHNUNGEN
Die hierin beschriebenen Zeichnungen sind lediglich zu Veranschaulichungszwecken ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller Implementationen bestimmt, und sie sollen den Rahmen der vorliegenden Offenbarung nicht beschränken.
1 zeigt eine Schnittdarstellung einer beispielhaften Lagerbaugruppe in einer hinteren Kraftfahrzeug-Transfereinheit.
2 zeigt eine Detaildarstellung, aufgenommen entlang der Linie 2-2 in 1, die eine Polymerkompositmaterialkomponente zur Verringerung der Wärmeausdehnung eines leichtgewichtigen Metalls in der Lagerbaugruppe gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt;
3 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Polymerkompositmaterialkomponente in der Form eines Rings zur Verringerung der Wärmeausdehnung eines leichtgewichtigen Metalls gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung, und
4 zeigt eine detaillierte Schnittdarstellung einer alternativen Variante einer Polymerkompositmaterialkomponente zur Verringerung der Wärmeausdehnung eines leichtgewichtigen Metalls in der Lagerbaugruppe gemäß anderen bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
Entsprechende Bezugszeichen geben entsprechende Teile in verschiedenen Darstellungen der Zeichnungen an.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden werden Beispiel-Ausführungsformen vollständiger anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben werden.
Es werden Beispiel-Ausführungsformen bereitgestellt, sodass diese Offenbarung umfassend sein wird und dem Fachmann auf diesem Gebiet den Umfang vollständig vermitteln wird. Es werden zahlreiche spezifische Details angegeben, z. B. Beispiele spezifischer Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein umfassendes Verständnis von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung bereitzustellen. Dem Fachmann auf diesem Gebiet wird klar sein, dass spezifische Details nicht verwendet werden müssen, dass Beispiel-Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden können und keine konstruiert sein sollte, um den Rahmen der Offenbarung zu beschränken. In einigen Beispiel-Ausführungsformen werden gut bekannte Verfahren, gut bekannte Vorrichtungsstrukturen und gut bekannte Technologien nicht im Einzelnen beschrieben.
Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich dem Zweck der Beschreibung bestimmter Beispiel-Ausführungsformen und soll nicht beschränkend sein. Die Singularformen ”ein” bzw. ”eine” und ”der”/”die”/”das”, wie sie hierin verwendet werden, sollen auch die Pluralformen umfassen, es sei denn, der Kontext gibt klar etwas anderes vor. Die Ausdrücke ”umfasst”, ”umfassend”, ”enthaltend” und ”aufweisend” sind inklusive und spezifizieren daher das Vorliegen von angegebenen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Arbeitsgängen, Elementen und/oder Komponenten, schließen aber das Vorliegen oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Arbeitsgänge, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht aus. Die Verfahrensschritte, Verfahren und Arbeitsgänge, die hierin beschrieben sind, sollen nicht so konstruiert sein, dass ihre Durchführung notwendigerweise in der bestimmten diskutierten oder dargestellten Reihenfolge verlangt wird, es sei denn, sie sind spezifisch als Leistungsreihenfolge spezifiziert. Es sollte auch einzusehen sein, dass zusätzliche oder alternative Schritte verwendet werden können.
Wenn ein Element oder eine Schicht als ”auf”/”an”, ”im Eingriff mit”, ”verbunden mit” oder ”gekoppelt an” einem anderen Element/ein anderes Element oder einer anderen Schicht/eine andere Schicht bezeichnet wird, kann es direkt an/auf, im Eingriff mit dem anderen Element oder der anderen Schicht, verbunden mit oder gekoppelt an das andere Element oder die andere Schicht sein, oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wenn dagegen ein Element als ”direkt auf”/”direkt an”, ”direkt im Eingriff mit”, ”direkt verbunden mit” oder ”direkt gekoppelt an” einem anderen Element/ein anderes Element oder einer anderen Schicht/eine andere Schicht bezeichnet wird, brauchen keine dazwischenliegenden Elemente oder Schichten vorzuliegen. Andere Wörter, die verwendet werden, um die Beziehung zwischen Elementen zu beschreiben, sollten in ähnlicher Art interpretiert werden (z. B. ”zwischen” versus ”direkt zwischen”, ”angrenzend” versus ”direkt angrenzend”, usw.). Der Ausdruck ”und/oder” wie er hierin verwendet wird, umfasst eine beliebige und alle Kombination(en) eines oder mehrerer der assoziierten aufgelisteten Gegenstände bzw. Punkte.
Obgleich die Ausdrücke erst(er, e, es), zweiter, e, es), dritt(er, e, es), usw. hierin verwendet werden können, um verschiedene Elemente, Komponenten, Regionen, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollen diese Elemente, Komponenten, Regionen, Schichten und/oder Abschnitte durch diese Ausdrücke nicht beschränkt werden. Diese Ausdrücke können nur verwendet werden, um ein Element, eine Komponente, eine Region, eine Schicht oder einen Abschnitt von einer anderen Region, Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Ausdrücke wie zum Beispiel ”erst(er, e, es)”, ”zweit(er, e, es)” und andere numerische Ausdrücke implizieren, wenn sie hierin verwendet werden, keine Sequenz oder Reihenfolge, es sei denn, es wird klar durch den Kontext angezeigt. Somit könnte ein erst(er, e, es) Element, Komponente, Region, Schicht oder Abschnitt, die unten diskutiert werden, als zweit(er, e, ex) Element, Komponente, Region, Schicht oder Abschnitt bezeichnet werden, ohne von den Lehren der Beispiel-Ausführungsformen abzuweichen.
Eine räumliche Beziehung angebende Ausdrücke, z. B. ”inner(er, e, es)”, ”äußer(er, e, es)”, ”unterhalb”, ”unten”, ”niedrig(er, e, es)”, ”oben”, ”ober(er, e, es)” und dergleichen, können hierin zur Beschreibungseinfachheit verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem anderen Element oder Merkmal, wie sie in den Figuren dargestellt sind, zu beschreiben. Eine räumliche Beziehung angebende Ausdrücke können verschiedene Orientierungen der Vorrichtung in Verwendung oder im Betrieb zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung umfassen. Wenn die Vorrichtung in den Figuren beispielsweise umgedreht wird, werden dann Elemente, die als ”unter” oder ”unterhalb” anderer Elemente oder Merkmale beschrieben sind, dann ”über” anderen Elementen oder Merkmalen orientiert sein. Somit kann der Beispielausdruck ”unter” sowohl eine Orientierung über als auch unter umfassen. Die Vorrichtung kann anders orientiert werden (um 90° gedreht werden oder andere Orientierungen haben) und die eine räumliche Beziehung angebende beschreibenden Ausdrücke, die hierin verwendet werden, können entsprechend interpretiert werden.
Es sollte zu verstehen sein, dass jede Nennung eines Verfahrens, einer Zusammensetzung, einer Vorrichtung oder eines Systems, das/die bestimmte Schritte, Ingredienzien oder Merkmale ”umfasst”, das/die in bestimmten alternativen Varianten auch in Betracht gezogen werden, in Betracht zieht, dass ein derartiges Verfahren, eine derartige Zusammensetzung, eine derartige Vorrichtung oder ein derartiges System auch ”im Wesentlichen” aus den aufgezählten Schritten, Ingredienzien oder Merkmalen ”bestehen” kann, sodass andere Schritte, Ingredienzien oder Merkmale, welche die grundlegenden und neuen Charakteristika der Erfindung materiell verändern würden, davon ausgeschlossen sind.
Durch diese Offenbarung hindurch stellen die numerischen Werte genäherte Messgrößen oder Grenzen für Bereiche unter Umfassung geringer Abweichungen von den gegebenen Werten und Ausführungsformen, die etwa den genannten Wert haben, sowie solchen, die genau den genannten Wert haben, dar. Anders als in den am Ende der detaillierten Beschreibung angeführten Arbeitsbeispielen sind alle numerischen Werte von Parametern (z. B. von Mengen oder Bedingungen) in dieser Beschreibung so zu verstehen, als wären sie in jedem Fall durch den Ausdruck ”etwa” modifiziert, unabhängig davon, ob ”etwa” tatsächlich vor dem numerischen Wert steht oder nicht. ”Etwa” zeigt an, dass der angegebene numerische Wert eine gewisse leichte Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an Exaktheit beim Wert; ungefähr der Wert oder vernünftig nahe an dem Wert; nahe). Wenn die von ”etwa” bereitgestellte Ungenauigkeit auf dem Fachgebiet nicht anders als in dieser gängigen Bedeutung verstanden wird, dann zeigt ”etwa”, wie es hierin verwendet wird, zumindest Schwankungen an, die aus üblichen Verfahren zur Messung und Verwendung solcher Parameter herrühren.
Außerdem umfasst eine Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter aufgeteilter Bereiche innerhalb des genannten Bereichs, einschließlich Endpunkten und Unterbereichen, die für die Bereiche angegeben sind.
In einem Kraftfahrzeug, zum Beispiel einem Automobil, ist ein Motor eine Energiequelle, die ein Drehmoment für den Antrieb produziert. Eine Kraftübersetzungs- oder Energie-Transfereinheit (Power Transfer Unit, PTU) überträgt selektiv die Rotationskraft (das Drehmoment) auf Vorder- und/oder Hinterwellen oder -achsen des Kraftfahrzeugs. Die Übersetzungs- oder PTU ist eine Baugruppe von Teilen, einschließlich die Geschwindigkeit ändernden Zahnrädern, Wellen und Lagern, die Energie von einem Motor zu einer lebenden Achse überträgt. In Vierrad-angetriebenen oder Allrad-angetriebenen Kraftfahrzeugen überträgt das Getriebe oder die PTU das Drehmoment zu Vorder- und Hinterachsen. Jede Achse, die ein Rotationsdrehmoment aufnimmt, überträgt das Drehmoment auf ein damit verbundenes Rad des Kraftfahrzeugs, um das Kraftfahrzeug anzutreiben.
Was 1 betrifft, so ist eine Teilschnittdarstellung gezeigt, die ein Beispiel für ein Getriebe 10 für einen Hinterradantrieb darstellt, um bestimmte Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu veranschaulichen. So sollte erkannt werden, dass die vorliegenden Lehren nicht auf ein derartiges Getriebe 10 beschränkt sind, das Typ, Aufbau und Design, die in 1 gezeigt sind, lediglich beispielhaft und nicht beschränkend sind, um bestimmte Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu veranschaulichen. Das Getriebe 10 umfasst eine erste Lagerbaugruppe 20, die ein Baugruppengehäuse 14 und eine drehbare Welle 22 umfasst. Eine Vielzahl von Lagern 30 ist im Eingriff mit der Welle 22 positioniert. Wie gezeigt ist, ist in der ersten Lagerbaugruppe 20 ein erstes Lager 32 mit einem zweiten Lager 34 gegenüberliegend gepaart.
Das erste Lager 32 und das zweite Lager 34 sind winkelige oder kegelförmige Rollenlager, die innerhalb von Stützregionen oder -taschen 36, 38, die durch das Gehäuse 14 definiert werden, angeordnet sind und gestützt werden. Kegelförmige Rollenlager und winkelige Kontaktkugellager werden häufig verwendet, um drehbare Wellen oder Zahnräder in Getriebebaugruppen zu tragen bzw. zu stützen. Rollenlager behalten üblicherweise bei Betrieb einen gewissen inneren Abstand (Spiel) bei, allerdings ist es in bestimmten Anwendungen wünschenswert, ein negatives Spiel bzw. einen negativen Abstand bereitzustellen, indem sie unter innerer Spannung gehalten werden oder ”vorgespannt” werden. Eine statische Vorspannung für ein Lager kann ein geeignetes Funktionieren möglich machen, um die Haltbarkeit von Komponenten zu maximieren, und zwar durch Minimieren von axialem und radialem Spiel, von Rotationsverlust und Geräuschen unter verschiedenen Betriebsbedingungen. Eine Vorspannung wird üblicherweise auf Lager angewandt, bei denen der radiale Abstand während der Montage eingestellt werden kann, zum Beispiel winkelige Kontaktkugellager oder kegelförmige Rollenlager. Üblicherweise sind zwei Lager (z. B. Vorderseite an Vorderseite oder Rückseite an Rückseite montiert, um ein Paar von Lagern wie erstes Lager 32 und zweites Lager 34 zu bilden) unter einer Vorspannung.
Wie gezeigt ist, umfassen das erste oder zweite kegelförmige Rollenlager 32, 34 einen inneren Konus oder Innenring 50, eine Außenschale oder einen Außenring 52 und Rollenlagerelemente 54. Solche Lagerkomponenten (50, 52 oder 54) können aus einem Stahllegierungsmaterial oder einem Keramikmaterial geformt sein. Der Außenring 52 ist angrenzend an das und/oder in Kontakt mit dem Gehäuse 14, um so eine erste Grenzflächenregion 56 dazwischen zu definieren. Der Innenring 50 befindet sich angrenzend an die und/oder in Kontakt mit der Welle 22, um eine zweite Grenzflächenregion 58 dazwischen zu definieren. Die Welle 22 kann aus einem herkömmlichen Material, z. B. Stahl, geformt sein.
Wie oben diskutiert wurde, kann das Gehäuse 14 nach bestimmten Aspekten gemäß den vorliegenden Lehren aus einem Material geformt sein, das einen beträchtlich unterschiedlichen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (a) im Vergleich zu einem linearen Vergleichs-Wärmeausdehnungskoeffizienten (a) für das Material, das das Lager 30 bildet, welches an das Gehäuse 14 an der ersten Grenzflächenregion 56 anschließt, hat. Bei bestimmten bevorzugten Varianten kann das Gehäuse 14 aus einem leichtgewichtigen Metall, z. B. Aluminium oder Magnesium, gebildet sein. Nach bestimmten Aspekten sind die vorliegenden Lehren nützlich, wenn es einen beträchtlichen Unterschied oder eine Fehlanpassung beim linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (a) (CLTE) zwischen aneinander angrenzenden Materialien in einer Baugruppe, speziell einer Lagerbaugruppe für ein Kraftfahrzeug, gibt. Eine derartige ”beträchtliche Fehlanpassung” oder ein derartiger ”beträchtlicher Unterschied” beim CLTE kann größer als oder gleich etwa 10%, gegebenenfalls größer als oder gleich etwa 25%, gegebenenfalls größer als oder gleich etwa 50%, gegebenenfalls größer als oder gleich etwa 75%, gegebenenfalls größer als oder gleich etwa 100%, gegebenenfalls größer als oder gleich etwa 125%, gegebenenfalls größer als oder gleich etwa 150%, gegebenenfalls größer als oder gleich etwa 175% sein, und ist bei bestimmten Varianten größer als oder gleich etwa 200%. In solchen Fällen kann eine Fehlanpassung zwischen benachbarten Materialien in der Lagerbaugruppe Unterschiede bei einer radialen Ausdehnung verursachen, welche tendenziell die vorherrschende Richtung ist, die Lagervorspannungen beeinträchtigt. Es wird betont, dass die Prinzipien der vorliegenden Erfindung auch umfangreich auf andere Systeme als nur Lagerbaugruppen angewandt werden können, in denen Materialien, die mit einem anderen verbunden sind, eine beträchtliche CLTE-Fehlanpassung oder Unterschiede haben, oder bei denen Dimensionstoleranz und Vorspannungen wichtig sind.
Als Beispiel hat Aluminium (Al) einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CLTE) von etwa 24 × 10⁶/°C. Dazu ist anzumerken, dass jeder aufgelistete Parameter oder jeder gemessene Wert, der in der detaillierten Beschreibung beschrieben wird, um ±10% schwanken kann. Wie der Fachmann auf dem Fachgebiet erkennen wird, sind solche Werte außerdem im Allgemeinen repräsentativ, aber nicht beschränkend, da Legierungen verschiedener Metalle differierende Legierungsbestandteile enthalten können und sich daher etwas von den reinen Metall- oder Basislegierungsmessungen unterscheiden können. Magnesium (Mg) hat einen repräsentativen CLTE von etwa 26 × 10^–6/°C. Zum Vergleich haben Stahllegierungen, die für diese Anwendungen als Lagerkomponenten verwendet werden, typischerweise einen durchschnittlichen CLTE von etwa 12 × 10^–6/°C bis 13 × 10^–6/°C. Wenn demnach das Gehäuse 14 Aluminium oder ein anderes leichtgewichtiges Metall umfasst und der entsprechende Außenring 52 des Lagers 30 eine Stahllegierung umfasst, ist der Unterschied beim CLTE wenigstens eine etwa 85% Erhöhung im Vergleich zu einem Vergleichssystem, in dem das Gehäuse 14 aus einem herkömmlichen Stahl (anstatt aus dem neuen leichtgewichtigen Aluminiummetall) hergestellt ist. Ähnlich ist, wenn das Gehäuse 14 Magnesium umfasst und der entsprechende Außenring 52 des Lagers 30 eine Stahllegierung umfasst, der Unterschied im CLTE eine wenigstens etwa 100% Erhöhung im Vergleich zu einem Vergleichssystem, in dem das Gehäuse 14 aus herkömmlichem Stahl hergestellt ist. Wie oben diskutiert wurde, können solche Unterschiede beim CLTE beträchtliche Probleme bei höheren Betriebstemperaturen verursachen, speziell in Lagerbaugruppen, in denen der Grad der Vorspannung bei dem Lager durch ungleichmäßige Ausdehnungsraten benachbarter Materialien vermindert werden kann, was möglicherweise zu einem Rotationsverlust und einer weniger effizienten Leistung führt.
Gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung werden Verfahren bereitgestellt, um den Ausdehnungsgrad eines Materials mit höherem CLTE, das mit Material mit niedrigerem CLTE verbunden ist, zu verringern oder diesem entgegenzuwirken (z. B. um die Aufrechterhaltung eines Grads der vorbestimmten Vorspannung in einem Lagersystem mit bezüglich CLTE fehlgepaarten Materialien über einen Bereich typischer Arbeitsbedingungen zu unterstützen).
Demnach befasst sich die vorliegende Offenbarung mit Verfahren zur Minimierung der Wärmeausdehnung in Komponentenbaugruppen für Kraftfahrzeuge, die wenigstens zwei Komponenten mit beträchtlich unterschiedlichen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben. Bei bestimmten Varianten kann ein derartiges Verfahren ein Koppeln einer Polymerkompositstruktur, die einen ersten linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CLTE) und einen Modul von etwa 50 GPa oder größer hat, an eine erste Oberfläche einer ersten Metallkomponente, die einen zweiten CLTE hat, umfassen. Bei bestimmten Varianten ist der Zugmodul des Polymerkompositmaterials etwa 50 GPa oder größer, gegebenenfalls etwa 60 GPa oder größer, gegebenenfalls etwa 64 GPa oder größer, gegebenenfalls etwa 70 GPa oder größer, gegebenenfalls etwa 75 GPa oder größer, gegebenenfalls etwa 100 GPa oder größer, gegebenenfalls etwa 150 GPa oder größer, gegebenenfalls etwa 200 GPa oder größer, und bei bestimmten Varianten gegebenenfalls etwa 250 GPa oder größer. Ein derartiger relativ hoher Zugmodul für die Polymerkompositstruktur stellt die notwendige Starrheit und Struktur bereit, um eine radiale Ausdehnung der ersten Metallkomponente zu beschränken. Die erste Metallkomponente definiert außerdem eine der ersten Oberfläche gegenüberliegende zweite Oberfläche, die benachbart zu der zweiten Komponente angeordnet ist, welche einen dritten CLTE hat.
Nach bestimmten Aspekten ist der zweite CLTE der ersten Metallkomponente etwa 25% oder mehr größer als der dritte CLTE der zweiten Komponente, gegebenenfalls etwa 40% größer, gegebenenfalls etwa 100% größer als ein beliebiger der Werte, die oben im Kontext des beträchtlich unterschiedlichen CLTE (CLTE-Inkompatibilität) diskutiert wurden.
Wie oben angegeben ist, unterscheidet sich der zweite CLTE von dem dritten CLTE um einen beliebigen der oben vorher aufgelisteten Werte. Nach bestimmten Aspekten ist der zweite CLTE der ersten Metallkomponente etwa 40% oder mehr größer als der dritte CLTE der zweiten Komponente. Nach anderen Aspekten kann der zweite CLTE etwa 100% oder mehr größer als der dritte CLTE der zweiten Komponente sein.
Bei bestimmten Varianten kann die Polymerkompositstruktur einen ersten linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CLTE) von etwa 10 × 10^–6/°C oder weniger und einen Modul von etwa 40 GPa oder größer haben. Nach bestimmten Aspekten ist der erste CLTE gegebenenfalls etwa 8 × 10^–6/°C oder kleiner, gegebenenfalls etwa 6 × 10^–6/°C oder kleiner, gegebenenfalls etwa 4 × 10^–6/°C oder kleiner und in bestimmten Varianten gegebenenfalls etwa 2 × 10^–6/°C oder kleiner. Die erste Metallkomponente definiert die erste Oberfläche und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche. Die erste Metallkomponente hat einen zweiten CLTE von etwa 20 × 10^–6/°C oder größer, gegebenenfalls etwa 24 × 10^–6/°C oder größer und in bestimmten Ausführungsformen gegebenenfalls von etwa 26 × 10^–6/° oder größer. Die Komponentenbaugruppe umfasst auch eine zweite Komponente, die benachbart zu der gegenüberliegenden zweiten Oberfläche angeordnet ist und die einen dritten CLTE von etwa 20 × 10^–6/°C oder kleiner, gegebenenfalls von etwa 15 × 10^–6/°C oder kleiner, gegebenenfalls von etwa 12 × 10^–6/°C oder kleiner, gegebenenfalls von etwa 10 × 10^–6/°C oder kleiner, gegebenenfalls von etwa 7 × 10^–6/°C oder kleiner, gegebenenfalls von etwa 5 × 10^–6/°C oder kleiner und bei bestimmten Varianten gegebenenfalls von etwa 4 × 10^–6/°C hat. Die Polymerkompositstruktur, die an die erste Oberfläche gekoppelt ist, verringert eine radiale Wärmeausdehnung der ersten Metallkomponente und minimiert die Trennung der zweiten Oberfläche der ersten Metallkomponente von der zweiten Komponente. Bei bestimmten Varianten ist der erste CLTE des Polymerkompositmaterials vorzugsweise etwa 10 × 10^–6/°C oder kleiner, ist der zweite CLTE der ersten Komponente etwa 20 × 10^–6/°C oder größer und ist der dritte CLTE der zweiten Komponente etwa 20 × 10^–6/°C oder kleiner.

Nach bestimmten Aspekten der vorliegenden Lehren stellt Tabelle 1 eine nichtbeschränkende Liste unterschiedlichen CLTE- und Zugmodulwerte für geeignete Materialien bereit, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Tabelle 1

Komponente	Material	CLTE, 10^–6/°C	Zugmodul, GPa
Erste Metallkomponente (z. B. Gehäuse)
	Aluminium	24	75
	Magnesium	26	45
Zweite Komponente (z. B. Lager)
	Stahl	12	200
	Keramik (Aluminiumoxid)	7	360
	Keramik (Siliciumcarbid)	4	440
Polymerkomponente
	KEVLAR^TM Polyparaphenylenterephthalamid	4	75
	KEVLAR^TM Polyparaphenylenterephthalamid-Komposite, unidirektional (53 Gew.-% in Epoxy)	8	64
	Kohlenstofffaser-verstärktes wärmegehärtetes Komposit (axiale Richtung)	–0,3	250
	Kohlenstofffaser-verstärktes unidirektionales (z. B. 60 Gew.-% Beladung mit wärmegehärteter Epoxymatrix)	2	150
	Glasfaser-verstärktes Komposit (z. B. Typ E)	6	40
	Glasfaser-verstärkte Komposite, unidirektional (z. B. 50 Gew.-% Beladung mit wärmegehärteter Epoxymatrix)	10	40

So wird gemäß bestimmten Verfahren der vorliegenden Offenbarung die Polymerkompositstruktur an die erste Metallkomponente gekoppelt, die dazu dient, eine radiale Wärmeausdehnung der ersten Metallkomponente zu verringern und die Trennung der zweiten Oberfläche der ersten Metallkomponente von der zweiten Komponente zu minimieren. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die erste Metallkomponente und die zweite Metallkomponente eine thermische Fehlanpassung haben, noch wünschenswerter unter Vorspannungsstress durch einen weiten Bereich von Arbeitstemperaturen gehalten werden, um die Leistung zu erhöhen.
Nach bestimmten Aspekten kann der Schritt des Koppelns ein Befestigen des Polymerkompositmaterials an der ersten Metallkomponente durch eine oder mehrere mechanische Verzahnungsfunktionen umfassen. Wie es am besten in der Detailansicht in 2 gezeigt ist, ist zum Beispiel eine Polymerkompositstruktur 60 an eine erste äußere Oberfläche 62 des Gehäuses 14 gekoppelt. Das Gehäuse 14 hat auch eine zweite innere Oberfläche 64, die der ersten äußeren Oberfläche 62 gegenüberliegt. Die zweite innere Oberfläche 74 ist benachbart zu einer zweiten Komponente (hier Außenring 52 des Lagers 30). Es sollte betont werden, dass, obgleich es einen Abstand oder ein Spiel zwischen der zweiten inneren Oberfläche 64 und der Außenring-52-Oberfläche geben kann, wo die Lagerbaugruppe unter einer statischen Vorspannung ist, wird vorzugsweise ein Kontakt entwickelt werden (idealerweise durch alle Betriebszustands-Temperaturbereiche). Das Gehäuse 14 umfasst eine Vielzahl erster Verzahnungsfunktionen 66, die Poren an der ersten äußeren Oberfläche 62 definieren. Die Polymerkompositstruktur 60 umfasst eine Vielzahl zweiter Verzahnungsfunktionen 68, die komplementär zu der Form der ersten Verzahnungsfunktionen 66 sind, und somit greifen die Polymerkompositstruktur 60 und das Gehäuse 14 ineinander und verbinden sich mechanisch.
Nach verschiedenen Aspekten definiert so die äußere Oberfläche 62 des Gehäuses 14 wenigstens eine mechanische Verzahnungsfunktion, um mit der Polymerkompositstruktur 60 zu Wechselwirken und sie festzuhalten. Wie in 2 gezeigt ist, kooperieren die ersten Verzahnungsfunktionen 66 und komplementären zweiten Verzahnungsfunktionen 68 unter Definition einer Schwalbenschwanzkonfiguration; allerdings können andere mechanische Verzahnungsformen und -designs eingesetzt werden, um die Komponenten miteinander zu koppeln. Beispielsweise könnten komplementäre Flansche, Rillen, Kanäle, Sperrflügel unterschiedlicher Formen als mechanische Verzahnungsfunktionen verwendet werden. So ist bei bestimmten Varianten die Polymerkompositstruktur 60 in eine Schwalbeschwanzrille an der ersten äußeren Oberfläche 62 des Gehäuses 14, das aus einem leichtgewichtigen Metallmaterial geformt ist, integriert, sodass das Komposit und das leichtgewichtige Metall bei allen Temperaturen, die beim Betrieb erfahren werden, fest integriert bleiben werden. Die Polymerkompositstruktur 60 kann demnach eine Manschette, einen Ring oder ein Band bilden, die/der/das Verstärkung bereitstellt und eine Ausdehnung der angrenzenden Komponente (z. B. des Gehäuses 14), an die sie/er/es gekoppelt ist, beschränken.
Polymerkompositmaterialien, die eine Polymerkompositstruktur 60 bilden, wie Kohlenstofffaser-verstärkte Polymere, haben einen niedrigen CLTE und einen hohen Zugmodul, wie es oben in Tabelle 1 angegeben ist. Leichtgewichtige Metalle, zum Beispiel Aluminium und Magnesium, die zur Formung des Gehäuses 14 verwendet werden, haben einen hohen CLTE und einen relativ moderaten Zugmodul. Durch Koppeln der Polymerkompositstruktur 60 machen die Materialeigenschaften des Komposits es möglich, die Effekte, die durch das leichtgewichtige Metallgehäuse 14, das sich mit einer höheren Rate als die angrenzende Lagerkomponente (z. B. Stahllageraußenring 52) thermisch ausdehnt, verursacht werden, zu löschen. Wie oben angegeben wurde, verursacht in Abwesenheit der Polymerkompositstruktur 60 der Unterschied bei der Wärmeausdehnung zwischen dem leichtgewichtigen Metall und dem angrenzenden Stahl- oder Keramiklager, dass sich die Lagervorspannungen ändern. Durch Einführen der Polymerkompositstruktur 60 an die erste äußere Oberfläche 62 des Gehäuses 14 angrenzend an das innere Stahllager (z. B. Lageraußenring 52) beschränkt jedoch die Polymerkompositstruktur 60 eine Wärmeausdehnung in der radialen Richtung (die vorherrschende Richtung, die Lagervorspannungen beeinträchtigt).
Der Kopplungsschritt kann Auftragen des Prepreg-Komposit-Vorläufers auf die erste äußere Oberfläche 62 des Gehäuses 14, gefolgt von einem Härten des Prepreg-Kompositmaterials unter Bildung der Polymerkompositstruktur umfassen. Polymerkomposite können durch Verwendung von Streifen des Komposit-Vorläufer-Materials, zum Beispiel eines Faser-basierten Materials (z. B. Gewebe oder Graphitband), gebildet werden. Das Komposit kann mit einer Schicht oder mehreren Schichten gebildet werden, wobei jede Schicht aus in Kontakt stehenden und/oder überlappenden Streifen des Faser-basierten Materials gebildet werden kann. Das Faser-basierte Substratmaterial umfasst auch ein Harz. Das Harz kann gehärtet werden, nachdem das Faser-basierte Material auf die Arbeitsoberfläche (hier die erste äußere Oberfläche 62 des Gehäuses 14) aufgetragen wurde, und kann so dazu dienen, einzelne oder mehrere Schichten in der Polymerkompositstruktur 60 aneinander zu binden.
Zur Einführung von Harz zur Imprägnierung von Faser-basierten Substratkompositmaterial-Systemen werden typischerweise zwei Verfahren verwendet: Nasswicklung (oder Auflegen) oder Vorimprägnierung (als ”Prepreg” bezeichnet). Zur Nasswicklung kann ein trockenes Faserverstärkungsmaterial mit dem Harz, so wie es ist, befeuchtet werden, üblicherweise durch Eintauchen in ein Bad. Zur Vorimprägnierung (Prepreg) wird das Faser-basierte Material im Voraus mit dem Harz befeuchtet, und dies umfasst üblicherweise einen Schritt des partiellen Härtens des Harzes, um eine viskose oder klebrige Konsistenz zu haben (auch bekannt als B-Stufen-Partialhärtung), und danach Aufwickeln des Faser-basierten Prepreg-Materials zur späteren Verwendung. Prepreg-Kompositmaterial-Systeme haben die Tendenz, wärmehärtende Harzsysteme zu verwenden, welche durch erhöhte Temperaturen mit Härtungszeiten im Bereich von etwa 30 Minuten bis etwa 2 Stunden (abhängig von den Härtungstemperaturen) gehärtet werden können. Allerdings können einige Prepreg-Materialien Harze verwenden, die mit aktinischer Strahlung (z. B. Ultraviolettstrahlung (UV)) härten.
Nach bestimmten anderen Aspekten ziehen die vorliegenden Lehren auch einen Kopplungsschritt, in dem ein Verstärkungsmaterial zum Beispiel durch Filamentwicklung nahe, in und/oder über den ersten Verzahnungsfunktionen 66 aufgetragen wird, in Betracht. Das Verfahren kann gegebenenfalls Auftragen oder Einführen einer ungehärteten Harzzusammensetzung in oder auf das Faser-basierte Verstärkungsmaterial umfassen. Mit Auftragen ist gemeint, dass die ungehärtete Harzzusammensetzung nass auf das Faser-basierte Material aufgebracht wird und so auf einer Oberfläche des Faser-basierten Materials aufgeschichtet werden kann oder in das Faser-basierte Verstärkungsmaterial absorbiert/imprägniert werden kann (z. B. in die Poren oder Öffnungen in dem Faser-basierten Verstärkungsmaterial). Nachdem das Harz in die Regionen, die das Verstärkungsmaterial haben, eingeführt worden ist, erfolgt ein Härten unter Bildung der Polymerkompositstruktur, die die zweiten Verzahnungsfunktionen 68 umfasst.
Bei anderen Varianten kann ein Kompositvorläufermaterial auf die erste äußere Oberfläche 62 und die ersten Verzahnungsfunktionen 66 spritzgeformt oder in anderer Weise aufgetragen werden, worauf ein Härten unter Bildung der Polymerkompositstruktur 60 folgen kann.
Wie in 2 gezeigt ist, wird die Polymerkompositstruktur 60 in den ersten Verzahnungsfunktionen 66 angewandt, um die zweiten Verzahnungsfunktionen 68 zu definieren; allerdings hat sie auch eine fortlautende obere Körperregion 70, die von einer entsprechenden zweiten Verzahnungsfunktion 68 zu einer benachbarten Verzahnungsfunktion verbrückt. Wenn demnach die erste äußere Oberfläche 62 des Gehäuses 14 am Umfang ist und die Polymerkompositstruktur 60 um die erste äußere Oberfläche 62 angeordnet ist, kann die Polymerkompositstruktur 60 als ein Ring- oder Banddesign angesehen werden, wie es in 3 gezeigt ist.
Nach bestimmten Aspekten ist die Dicke der Polymerkompositstruktur 60, die der oberen Körperregion 70 entspricht, kleiner als oder gleich etwa 10 mm, gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 9 mm, gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 8 mm, gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 7 mm, gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 6 mm, gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 5 mm, gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 4 mm, gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 3 mm, gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 2 mm und bei bestimmten Varianten gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 1 mm.
Bei bestimmten alternativen Varianten wie die in 4 ist die Polymerkompositstruktur 60A entlang getrennter, diskontinuierlicher Regionen 72 der ersten äußeren Oberfläche 62, die Regionen der ersten Verzahnungsfunktionen 66 entsprechen, angeordnet. Demnach definiert die Polymerkompositstruktur 60A die zweiten Verzahnungsfunktionen 68A, die komplementär zu den ersten Verzahnungsfunktionen 66 sind; allerdings erstreckt sich die Polymerkompositstruktur 60A nicht über die erste äußere Oberfläche 62 wie bei der Ausführungsform, die in 2 und 3 gezeigt ist.
Wie oben angegeben ist, ist bei bestimmten Varianten die erste Metallkomponente (z. B. Gehäuse 14) aus einem Metall geformt, das aus der Gruppe, bestehend aus Aluminium, Magnesium und Legierungen davon, ausgewählt ist, das leicht maschinenbearbeitet oder gegossen werden kann. Die Verfahren der vorliegenden Offenbarung ziehen somit auch die Bildung einer mechanischen Verzahnungsfunktion bzw. mechanischen Verbindungsfunktion wie die Vielzahl erster Verzahnungsfunktionen 66 bzw. erster Verbindungsfunktionen 66 in 2 bis 4 durch Maschinenbearbeitung der äußeren Oberfläche (z. B. 62) unter Bildung der mechanischen Verzahnungsfunktion in Betracht. Bei derartigen Varianten umfasst die zweite Komponente (z. B. Lageraußenring 52) ein Material, das aus der Gruppe, bestehend aus Stahl und Keramik, ausgewählt ist, während die Polymerkompositstruktur (z. B. 60 oder 60A) ein thermoplastisches Harz und eine Vielzahl von Verstärkungsmaterialien, die aus der Gruppe, bestehend aus Kohlenstoff, Glas und Kombinationen davon, ausgewählt sind, umfassen kann. Bei bestimmten Varianten sind die Verfahren besonders nützlich, wenn die erste Metallkomponente ein Lagerbaugruppengehäuse ist und die zweite Komponente ein Teil einer vorgespannten Lagerkomponente ist. Durch Bereitstellen einer konsistenteren und gleichmäßigeren Vorspannung wird dies in einer konsistenteren Steifigkeit für die Zahnräder resultieren, was ein konsistenteres Zahnradmuster ermöglicht, das in einem feineren Ineinandergreifen der Zahnräder resultiert, was ein Zurückspringen reduziert. Durch Bereitstellen einer konsistenteren und gleichmäßigen Vorspannung kann die Kraftstoffsparsamkeit in Folge Rückgangs des Reibungswiderstands in den Lagern verbessert werden. Entsprechend können bedingt durch den verringerten effektiven Arbeitszyklus kleinere Lager eingesetzt werden. Dies ergibt den Vorteil, die Masse zu verringern und Widerstandsverluste weiter zu verringern.
Die vorliegende Offenbarung betrifft auch eine verbesserte Komponentenbaugruppe für ein Kraftfahrzeug, die wenigstens zwei Komponenten mit beträchtlich unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat. Die Komponentenbaugruppe kann eine Polymerkompositstruktur umfassen, die an eine erste Oberfläche einer ersten Metallkomponente (z. B. ein Lagergehäuse) gekoppelt ist. Die Polymerkompositstruktur kann einen ersten linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CLTE) von etwa 10 × 10^–6/°C oder kleiner und einen Modul von etwa 40 GPa oder größer haben. Nach bestimmten Aspekten ist der erste CLTE gegebenenfalls etwa 8 × 10^–6/°C oder kleiner, gegebenenfalls etwa 6 × 10^–6/°C oder kleiner, gegebenenfalls etwa 4 × 10^–6/°C oder kleiner und in bestimmten Varianten gegebenenfalls etwa 2 × 10^–6/°C oder kleiner. Die erste Metallkomponente definiert die erste Oberfläche und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche. Die erste Metallkomponente hat einen zweiten CLTE von etwa 20 × 10^–6/°C oder größer, gegebenenfalls von etwa 24 × 10^–6/°C oder größer und bei bestimmten Varianten von etwa 26 × 10^–6/°C oder größer. Die Komponentenbaugruppe umfasst auch eine zweite Komponente, die benachbart zu der gegenüberliegenden zweiten Oberfläche angeordnet ist und einen dritten CLTE von etwa 20 × 10^–6/°C oder kleiner hat, gegebenenfalls von etwa 15 × 10^–6/°C oder kleiner, gegebenenfalls von etwa 12 × 10^–6/°C oder kleiner, gegebenenfalls von etwa 10 × 10^–6/°C oder kleiner, gegebenenfalls von etwa 7 × 10^–6/°C oder kleiner, gegebenenfalls von etwa 5 × 10^–6/°C oder kleiner und bei bestimmten Varianten gegebenenfalls von etwa 4 × 10^–6/°C oder kleiner hat. Die Polymerkompositstruktur, die an die erste Oberfläche gekoppelt ist, verringert eine radiale Wärmeausdehnung der ersten Metallkomponente und minimiert eine Trennung der zweiten Oberfläche der ersten Metallkomponente von der zweiten Komponente. Wie oben angegeben wurde, umfasst bei bestimmten bevorzugten Varianten die erste Metallkomponente Aluminium, Magnesium oder Legierungen davon, umfasst die zweite Komponente Stahl oder Keramik und umfasst die Polymerkompositstruktur ein thermoplastisches Harz und eine Vielzahl von Verstärkungsmaterialien, die aus der Gruppe, bestehend aus Kohlenstofffasern, Glasfasern und Kombinationen davon, ausgewählt sind.
Nach anderen Aspekten zieht die vorliegende Offenbarung eine vorgespannte Lagerbaugruppe für ein Kraftfahrzeug in Betracht, die wenigstens zwei Komponenten mit beträchtlich unterschiedlichen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat. Eine Polymerkompositstruktur ist an eine erste Oberfläche eines Gehäuses gekoppelt. Die Polymerkompositstruktur hat einen ersten linearen Ausdehnungskoeffizienten (CLTE) und einen Modul von etwa 40 GPa oder größer. Das Gehäuse hat einen zweiten CLTE. Eine Lagerkomponente ist unter statischer Vorspannung benachbart zu einer zweiten Oberfläche des Gehäuses gegenüber der ersten Oberfläche angeordnet, wobei die Lagerkomponente einen dritten CLTE hat. Der zweite CLTE ist etwa 25% oder mehr größer als der dritte CLTE oder kann einen beliebigen der vorher oben spezifizierten Werte haben.
Die Polymerkompositstruktur kann einen ersten linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CLTE) von etwa 10 × 10^–6/°C oder kleiner und einen Modul von etwa 40 GPa oder größer haben. Nach bestimmten Aspekten ist der erste CLTE gegebenenfalls etwa 8 × 10^–6/°C oder kleiner, gegebenenfalls etwa 6 × 10^–6/°C oder kleiner, gegebenenfalls etwa 4 × 10^–6/°C oder kleiner und bei bestimmten Varianten gegebenenfalls etwa 2 × 10^–6/^C oder kleiner. Die erste Metallkomponente definiert die erste Oberfläche und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche. Die erste Metallkomponente hat einen zweiten CLTE von etwa 20 × 10^–6/°C oder größer, gegebenenfalls von etwa 24 × 10^–6/°C oder größer und in bestimmten Varianten von etwa 26 × 10^–6/°C oder größer. Die Komponentenbaugruppe umfasst auch eine zweite Komponente, die benachbart zu der gegenüberliegenden zweiten Oberfläche angeordnet ist und einen dritten CLTE von etwa 20 × 10^–6/°C oder kleiner, gegebenenfalls von etwa 15 × 19^–6/°C oder kleiner, gegebenenfalls von etwa 12 × 10^–6/°C oder kleiner, gegebenenfalls von etwa 10 × 10^–6/°C oder kleiner, gegebenenfalls von etwa 7 × 10^–6/°C oder kleiner, gegebenenfalls von etwa 5 × 10^–6/°C und bei bestimmten Varianten gegebenenfalls von etwa 4 × 10^–6/°C oder kleiner hat. Die Polymerkompositstruktur, die an die erste Oberfläche gekoppelt ist, verringert eine radiale Wärmeausdehnung des Gehäuses und minimiert eine Trennung der zweiten Oberfläche des Gehäuses von der Lagerkomponente.
Nach bestimmten Aspekten umfasst das Gehäuse Aluminium, Magnesium oder Legierungen davon. Die Lagerkomponente kann Stahl oder Keramik umfassen. Die Polymerkompositstruktur umfasst ein thermoplastisches Harz und eine Vielzahl von Verstärkungsmaterialien, die aus der Gruppe, bestehend aus Kohlenstofffasern, Glasfasern und Kombinationen davon, ausgewählt sind. Bei anderen Varianten ist die Lagerkomponente Teil einer kegelförmigen Rollenlagerbaugruppe. Nach bestimmten Aspekten ist die Lagerkomponente ein winkeliges Kontaktkugellager.
Die vorangehende Beschreibung der Ausführungsformen wurde zu Zwecken der Veranschaulichung und Beschreibung angeführt. Es ist nicht beabsichtigt, dass sie erschöpfend ist oder die Offenbarung beschränkt. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform werden im Allgemeinen nicht auf die bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern sind, wenn anwendbar, austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform eingesetzt werden, selbst wenn diese nicht spezifisch gezeigt oder beschrieben ist. Dieselbe kann auch auf viele Arten verändert werden. Solche Varianten werden nicht als Abweichung von der Offenbarung angesehen, und alle derartigen Modifikationen sollen im Umfang der Offenbarung eingeschlossen sein.

Claims

Verfahren zur Minimierung der Wärmeausdehnung in einer Komponentenbaugruppe für ein Kraftfahrzeug, die wenigstens zwei Komponenten mit beträchtlich unterschiedlichen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, wobei das Verfahren umfasst: Koppeln einer Polymerkompositstruktur, die einen ersten linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (coefficient of linear thermal expansion, CLTE) und ein Modul von etwa 40 GPa oder größer aufweist, an eine erste Oberfläche einer ersten Metallkomponente, die einen zweiten CLTE aufweist, wobei die erste Metallkomponente außerdem eine der ersten Oberfläche gegenüberliegende zweite Oberfläche definiert, die benachbart zu einer zweiten Komponente mit einem dritten CLTE angeordnet ist, wobei der zweite CLTE etwa 25% oder mehr größer ist als der dritte CLTE, wobei der erste CLTE gleich dem dritten CLTE oder kleiner ist, sodass die Polymerkompositstruktur, die an die erste Oberfläche gekoppelt ist, eine radiale Wärmeausdehnung der ersten Metallkomponente verringert und eine Trennung der zweiten Oberfläche der ersten Metallkomponente von der zweiten Komponente minimiert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste CLTE etwa 10 × 10^–6/°C oder kleiner ist, der zweite CLTE etwa 20 × 10^–6/°C oder größer ist und der dritte CLTE etwa 20 × 10^–6/°C oder kleiner ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kopplung das Befestigen der Polymerkompositstruktur an der ersten Metallkomponente über eine oder mehrere mechanische Verzahnungsfunktion(en) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem Bilden einer mechanischen Verzahnungsfunktion in der ersten Oberfläche der ersten Metallkomponente durch Maschinenbearbeitung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kopplung das Auftragen eines Prepreg-Kompositmaterials auf die erste Oberfläche der ersten Metallkomponente, gefolgt von einem Härten des Prepreg-Kompositmaterials unter Bildung der Polymerkompositstruktur umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Oberfläche der ersten Metallkomponente am Umfang ist und die polymere Kompositstruktur eine Band- oder Ringstruktur ist, die um die erste Oberfläche angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Polymerkompositstruktur entlang getrennter diskontinuierlicher Regionen der ersten Oberfläche angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Metallkomponente ein Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Magnesium und Legierungen davon umfasst, die zweite Komponente ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Stahl und Keramik umfasst und die Polymerkompositstruktur ein thermoplastisches Harz und eine Vielzahl von Verstärkungsmaterialien ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstofffasern, Glasfasern und Kombinationen davon umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Metallkomponente ein Lagerbaugruppengehäuse ist und die zweite Komponente ein Teil einer vorgespannten Lagerkomponente ist.
Komponentenbaugruppe für ein Kraftfahrzeug, die wenigstens zwei Komponenten mit beträchtlich unterschiedlichen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, umfassend: eine Polymerkompositstruktur, die an eine erste Oberfläche einer ersten Metallkomponente gekoppelt ist, wobei die Polymerkompositstruktur einen ersten linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CLTE) von etwa 10 × 10^–6/°C oder kleiner und ein Modul von etwa 40 GPa oder größer aufweist; die erste Metallkomponente, die die erste Oberfläche und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche definiert, wobei die erste Metallkomponente einen zweiten CLTE von etwa 20 × 10^–6/°C oder größer aufweist, und eine zweite Komponente, die benachbart zu der gegenüberliegenden zweiten Oberfläche angeordnet ist und einen dritten CLTE von etwa 20 × 10^–6/°C oder kleiner aufweist, wobei die Polymerkompositstruktur, die an die erste Oberfläche gekoppelt ist, eine radiale Wärmeausdehnung der ersten Metallkomponente verringert und eine Trennung der gegenüberliegenden zweiten Oberfläche der ersten Metallkomponente von der zweiten Komponente minimiert.