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Die Erfindung betrifft einen Getriebeträger für einen Kraftwagen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Getriebeträgers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
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Derartige Getriebeträger sind bisher insbesondere als Metalldruckgussbauteile, Metallschmiedeteile oder Metallumformteile ausgebildet, um einerseits den statischen und dynamischen Kräften – auch im Falle einer unfallbedingten Kraftbeaufschlagung – und andererseits der thermischen Belastung in Folge der Anordnung im Bereich unterhalb jeweiliger Abgasrohre gerecht zu werden. Die steigenden Anforderungen bezüglich des Kraftstoffverbrauches und der Abgasemissionen bei gleichzeitig steigenden Komfort- und Sicherheitsanforderungen führen jedoch zur Notwendigkeit der Gewichtsreduktion und damit zur Umsetzung eines konsequenten Leichtbaus aller Fahrzeugkomponenten.
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Aus diesem Grund ist es aus der
DE 10 2012 213 663 A1 bereits bekannt, einen Getriebeträger aus einem faserverstärkten Kunststoff, beispielsweise einem Organoblech, einzusetzen, der mit einem Füllkörper aus Kunststoff versehen ist. An dem Getriebeträger sind dabei durch Verstärkungselemente verstärkte Kunststoffbereiche beziehungsweise Kunststoffelemente zur zumindest mittelbaren Aufnahme und Halterung des Getriebes sowie jeweilige, durch Verstärkungselemente verstärkte Befestigungselemente zur zumindest mittelbaren Befestigung des Getriebeträgers am Rohbau des Kraftwagens vorgesehen.
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Allerdings erfordert dieser bekannte Getriebeträger eine Vielzahl von Herstellungsschritten, welche das endgültige Produkt entsprechend teuer werden lassen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Getriebeträger sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Getriebeträgers zu schaffen, die eine hinsichtlich des Zeit- und Energieaufwands sowie hinsichtlich der Kostenoptimierung Lösung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Getriebeträger sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Getriebeträgers mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 beziehungsweise 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Um einen Getriebeträger der eingangs genannten Art zu schaffen, der hinsichtlich des Zeit- und Energieverbrauchs zu seiner Herstellung und hinsichtlich der sich dadurch ergebenen Kosteneinsparung optimiert ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Trägerelement durch Innenhochdruckumformen gebildet ist, wobei an dem Innenhochdruckumformteil Kunststoffelemente in einem mit dem Innenhochdruckumformen kombinierten Kunststoffspritzgussverfahren angespritzt sind. Durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen lässt sich ein Getriebeträger realisieren, welcher im Wesentlichen in einem einzigen Fertigungsschritt realisiert und demzufolge äußerst kostengünstig und energiesparend hergestellt werden kann.
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Das Halbzeug des Trägerelements kann dabei entweder durch eine Metalllegierung, insbesondere eine Aluminiumlegierung, oder aber aus einem faserverstärkten Kunststoffhohlprofil gebildet sein. Beim Einsatz eines faserverstärkten Kunststoffhohlprofils kommt dabei insbesondere ein dreidimensionales Gewebe oder ein Verzweigungsgeflecht zum Einsatz, wobei das Gewebe beziehungsweise Geflecht nicht nur im Bereich des Trägerelements vorgesehen ist, sondern auch gleichzeitig die Verstärkungselemente jeweiliger Kunststoffelemente bildet, mittels welchen das Getriebe aufgenommen beziehungsweise gehalten ist. Aus Kosten-, Gewichts- und Recyclinggründen ist dabei insbesondere eine Einstofflösung sowohl hinsichtlich des Gewebes beziehungsweise Geflechts als auch hinsichtlich des anschließend verwendeten Kunststoffs bevorzugt. Generell ist jedoch anzumerken, dass jede Art von geschlossenem Hohlprofil für das Halbzeug des Trägerelements verwendet werden kann, so insbesondere jedwede dreidimensionalen Gewebe beispielsweise mit trockenen Textilien oder jedwede dreidimensionale Verzweigungsgeflechte.
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Das Innenhochdruckumformen des Halbzeugs des Trägerelements erfolgt dabei insbesondere mit einem Gas als Druckmedium, da dieses gegenüber einer Wasseremulsion den Vorteil hat, dass der bei dem mit dem Innenhochdruckumformen kombinierten Kunststoffspritzgussverfahren eingesetzte flüssige Kunststoff nicht allzu sehr gekühlt wird. Beim Anspritzen der Kunststoffelemente im Kunststoffspritzgussverfahren während des Innenhochdruckumformprozesses entsteht somit – je nach Werkstoff des Trägerelements – eine Verbundhaftung zwischen einem aus einem Metallprofil hergestellten Trägerelement oder eine Schweißverbindung bei einem aus einem faserverstärkten Kunststoff hergestellten Trägerelement und den jeweiligen Kunststoffelementen. Diese verleihen dem so geschaffenen Hybridteil eine zusätzliche, hohe Stabilität. Auf diese Art und Weise können das Trägerelement und die daran befestigten Kunststoffelemente im beschriebenen, überlagerten Innenhochdruckumform- und Kunststoffspritzgussprozess hergestellt werden, was zu einem insgesamt schnellen, einfachen und kostengünstigen Verfahren führt. Die dem Einsatz entsprechender Kunststoffe, beispielsweise einem hochglasgefüllten PPA oder dergleichen Thermoplast, wird das Bauteilgewicht zudem reduziert. Dabei ist gegebenenfalls auch ein simultanes Innenhochdruckumformen und gleichzeitiges Umspritzen mit Kunststoff denkbar.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das Trägerelement aus einem Metallprofil oder einem faserverstärkten Halbzeugumformen gebildet ist. Ein Metallprofil als Halbzeug hat dabei insbesondere hinsichtlich der Kosten Vorteile. Ein faserverstärktes Halbzeug hingegen, hat den Vorteil, dass auf die Verstärkungselemente der jeweiligen Kunststoffelemente in den Bereichen des faserverstärkten Halbzeugs gebildet sein können. Hierbei bietet sich insbesondere ein dreidimensionales Gewebe mit trockenen Textilien oder ein dreidimensionales Verzweigungsgeflecht an.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Trägerelement über eine jeweilige Verbundhaftung mit dem jeweiligen Kunststoffelement verbunden ist. Eine derartige Verbundhaftung kann beispielsweise eine entsprechende Profilierung der Oberfläche des Metallprofils verbessert werden.
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Ist das Trägerelement hingegen aus einem faserverstärkten Halbzeug gebildet, so ist es vorzugsweise über eine Schweißverbindung mit dem jeweiligen Kunststoffelement verbunden. Eine derartige stoffschlüssige Verbindung zeichnet sich durch eine besonders hohe Festigkeit beziehungsweise einen besonders stabilen Verbund aus. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Kunststoffelemente durch Organobleche und/oder entsprechende Kunststoffstrukturen als Verstärkungselemente verstärkt sind. Durch derartige Kunststoffstrukturen lässt sich auf einfache Weise die Stabilität der Kunststoffelemente deutlich erhöhen.
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Weiterhin hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Kunststoffelemente aus einem durch Kurzfasern verstärkten Kunststoff gebildet sind. Ein derartiges Material ist einfach zu verarbeiten und gewährleistet eine hohe Stabilität der Kunststoffelemente.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Befestigungselemente in jeweilige stirnseitige Aufnahmeöffnungen des Trägerblechs eingesteckt und mit diesem fest verbunden sind. Auf diese Art und Weise lässt sich die Anbindung des Getriebeträgers am Rohbau des Kraftwagens besonders einfach realisieren.
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Zur Befestigung der Befestigungselemente sind dabei vorzugsweise jeweilige Buchsen in das Trägerelement eingepresst. Über diese Buchsen erfolgt dann vorzugsweise die Fixierung des Getriebeträgers am Rohbau des Kraftwagens.
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Die vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Getriebeträger genannten Vorteile gelten in ebensolcher Weise für das Verfahren gemäß Patentanspruch 9. Dieses zeichnet sich des Weiteren dadurch aus, dass das Innenhochdruckumformen vorzugsweise mittels eines Gases anstelle einer Emulsion als Druckmedium verwendet wird. Während nämlich gerade derartige Wasseremulsionen das Bauteil beziehungsweise den flüssigen Kunststoff zu sehr abkühlen, gilt dies für entsprechende Gase als Druckmedien nicht.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung.
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Dabei zeigen:
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1 eine Perspektivansicht auf einen erfindungsgemäßen Getriebeträger mit einem Trägerelement und jeweiligen, durch Verstärkungselemente verstärkten Kunststoffelemente zur zumindest mittelbaren Aufnahme eines Getriebes;
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2a, b eine Unteransicht auf den an einem Kraftwagen befestigten Getriebeträger sowie eine ausschnittsweise Schnittansicht entlang einer in Fahrzeughochrichtung beziehungsweise in Fahrzeugquerrichtung verlaufenden Schnittebene durch die Anordnung des Getriebeträgers inklusive des Getriebes am Kraftwagen;
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3 eine Perspektivansicht auf eine mögliche Ausgestaltung eines Halbzeugs des Trägerelements, welches vorliegend aus einem dreidimensionalen Gewebe gebildet ist;
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4 eine schematische Darstellung des Werkzeugs zum kombinierten Innenhochdruckumformen und Kunststoffspritzgießen zur Herstellung des Trägerelements beziehungsweise der Kunststoffelemente des Getriebeträgers;
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5 eine schematische Darstellung eines der am Trägerelement befestigten Kunststoffelemente, welches durch ein Verstärkungselement verstärkt und vorliegend innerhalb eines Werkzeugs angeordnet ist;
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6 eine ausschnittsweise Perspektivansicht auf den Getriebeträger gemäß
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5, an dessen Endbereich jeweilige Buchsen in das Trägerelement eingepresst werden, zu welchen der am Getriebeträger rohbauseitig am Kraftwagen festlegbar ist; und in den
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7a, b eine Perspektivansicht auf ein jeweiliges Befestigungselement des Getriebeträgers, welches stirnseitig in das Trägerelement einsteckbar ist und welches wenigstens in eine Buchse integriert ist, mittels welcher die Festlegung am Kraftwagen erfolgt, sowie eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform dieser in das Befestigungselement integrierten Buchse.
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In 1 ist in einer Perspektivansicht ein Getriebeträger 10 für einen in 2a in einer Unteransicht dargestellten Kraftwagen gezeigt. Der Getriebeträger 10 dient dabei – wie dies aus 2b in einer schematischen Schnittansicht entlang einer in Fahrzeughochrichtung beziehungsweise in Fahrzeugquerrichtung verlaufenden Schnittebene erkennbar ist – zur Halterung eines Getriebes 12 unterhalb eines Fahrzeugbodens 14 des Kraftwagens. Dabei ist zu berücksichtigen, dass nahe des Getriebeträgers 10, welcher gegebenenfalls auch als Getriebetraverse bezeichnet wird, ein Abgasrohr 16 im Bereich eines Mitteltunnels 18 des Fahrzeugbodens 14 verläuft. Aus diesem Grund ist der Getriebeträger 10 entsprechend robust zu bauen, da beispielsweise die größte Erwärmung am Bauteil bei rund 150°C liegen kann. Überdies sind bei der Gestaltung des Getriebeträgers 10 jeweilige Anforderungen hinsichtlich unfallbedingter Kraftbeaufschlagungen, variable Positionierungen für verschiedene Motorisierungen sowie hinsichtlich des NVH-Verhaltens (Geräusch-, Vibrations- und Rauheitsverhalten) zu berücksichtigen. Zudem soll insbesondere im Hinblick auf den Energieverbrauch und die Abgasemissionen dem Leichtbau große Aufmerksamkeit geschenkt werden.
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Wie nun aus 1 erkennbar ist, umfasst der Getriebeträger 10 zunächst ein Trägerelement 20, welches – wie in 1 gezeigt – aus einem Metallprofil 22 oder aber aus einem in 3 dargestellten, im Weiteren noch näher erläuterten faserverstärkten Halbzeugs 24 gebildet ist. Wird hierbei ein Metallprofil 22 als Halbzeug eingesetzt, so handelt es sich insbesondere um ein Aluminium-Strangpressprofil. Wird hingegen ein faserverstärktes Kunststoff-Halbzeug 24 eingesetzt, so kann dieses beispielsweise als dreidimensionales Gewebe mit trockenen Textilien oder als dreidimensionales Verzweigungsgeflecht ausgebildet sein. Hierbei können zwei in 3 an das – das Trägerelement 20 bildende – Haupthohlprofil 26 jeweilige, im Wesentlichen zylinderförmige Dome 28 angeformt sein. Diese werden ebenfalls aus trockenen Kohlestofffaser-Hybridrovings oder dergleichen hergestellt. Insbesondere ist dabei der Einsatz der Jacquardtechnik denkbar, bei der Gewebelagen in der Gewebefläche frei gewählt werden können. Durch nachfolgende Prozessschritte wie das Zuschneiden und Ausformen können gewebte dreidimensionale Geometrien sowie in einfacher Weise gefertigt werden. Dabei ist es zudem denkbar, die Webgarne miteinander durch Verschlingen zu verbinden. Bei dieser Webtechnik können verschiedene Faserkonstruktionen realisiert werden, wobei die dreidimensionale Struktur durch Anheben der einzelnen Kettfäden erzeugt wird.
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Dabei kann das faserverstärkte Halbzeug 24 einteilig oder mehrteilig ausgebildet und in verschiedenen Prozessschritten zusammengefügt werden. So ist es beispielsweise denkbar, jeweilige T-Elemente mit jeweils einem Dom 28 und einer Teillänge des Haupthohlprofils 26 durch Schweißen oder dergleichen stoffschlüssig miteinander zu verbinden. Ebenfalls ist es alternativ oder zusätzlich denkbar, die einzelnen Teile miteinander zu vernähen. Dies hat den Vorteil, dass die vorhandenen Fasern mit eingebunden werden und es entsteht somit keine Sollbruchstelle.
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Die fertigen dreidimensionalen Gewebe können dabei beispielsweise imprägniert und konsolidiert werden, und zwar beispielsweise unter Zuhilfenahme eines Silikonschlauchs bei der Innenhochdruckumformung.
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Wie des Weiteren aus 4 in einer ausschnittsweisen und schematischen Schnittdarstellung erkennbar wird, wird das Halbzeug des Trägerelements 20 beispielsweise zunächst vorgewärmt und anschließend dann in einem entsprechenden Werkzeug 30 zunächst unter Beaufschlagung eines mit Pfeilen 32 angedeuteten Innenhochdrucks umgeformt. Gegebenenfalls ist es dabei auch denkbar, jeweilige Halbzeuge des Trägerelements 20 vor dem Innenhochdruckumformen in einem separaten Werkzeug vorab umzuformen, um hierdurch das Innenhochdruckumformen zu vereinfachen.
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Wie nun des Weiteren aus 4 erkennbar ist, wird in dem Werkzeug 30 nicht nur das Innenhochdruckumformen durchgeführt, sondern zudem auch ein kombiniertes Kunststoffspritzgussverfahren, mittels welchem jeweilige, in 1 erkennbare Kunststoffelemente 36 zur zumindest mittelbaren Aufnahme des Getriebes 12 befestigt gespritzt werden. Um dabei einem in 4 durch jeweilige Pfeile 34 angedeuteten Spritzdruck beim Kunststoffspritzgießen der jeweiligen Kunststoffteile 36 entgegenzuwirken, wird dabei das Innenhochdruck umgeformte Trägerelement 20 mit einem Stützdruck gemäß den Pfeilen 32 beaufschlagt, damit dieses beim Kunststoffspritzgussverfahren nicht verformt wird.
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Als Kunststoff für die jeweiligen Kunststoffelemente 36 wird vorzugsweise ein hochleistungsfähiger Polyamid-Werkstoff verwendet, der die entsprechend hohen Temperaturanforderungen erfüllt. Insbesondere ist dabei ein PPA-Granulat vorgesehen, welches mit Kurzfasern oder gegebenenfalls auch mit Langfasern versehen ist. Im vorliegenden Fall wird insbesondere ein hochglasgefülltes Kunststoffmaterial für die Kunststoffelemente 36 eingesetzt.
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Wie des Weiteren aus 5 in einer schematischen Schnittansicht dargestellt ist, weist jedes der Kunststoffelemente 36 ein jeweiliges Verstärkungselement 38 auf. Dieses Verstärkungselement ist auch in 1 entsprechend erkennbar. Im vorliegenden Fall handelt es sich um einen lokalen Einleger aus Organoblech, welches entsprechend crashbelastbar ist und mit Edelstahl- beziehungsweise Aramidfäden verstärkt ist. Dabei besteht das Verstärkungselement 38 aus zwei flächigen und einem trockenen Hohlprofileinleger auf Basis von trockenen Hybridrovings, also nicht aus vollständig imprägnierten und konsolidierten Einlegern. Vielmehr werden die faserverstärkten Kunststofftextilien im Vorformwerkzeug imprägniert und konsolidiert.
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In 5 ist dabei außerdem das Werkzeug 30 erkennbar, in welches das Organoblech beziehungsweise Verstärkungselement 38 eingesetzt wird. Dabei wird das Verstärkungselement 30 zunächst umgeformt und geht mit dem Trägerelement 20, wenn dies aus einem faserverstärkten Kunststoffelement besteht – eine stoffschlüssige Schweißverbindung ein, die durch den nachfolgenden Kunststoffspritzguss noch verstärkt wird.
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Besteht das Trägerelement 20 aus einer Aluminiumlegierung oder dergleichen Metalllegierung, so entsteht zwischen diesem und dem Kunststoff des jeweiligen Kunststoffelements 36 eine Verbundhaftung, welche tribologisch in dessen Struktur realisiert wird. Eine Unterstützung dieser Verbundhaftung kann das Trägerelement 20 im Bereich des jeweiligen Kunststoffelements 36 mit einer Oberflächenstruktur versehen sein, die die Haftung des Kunststoffs verbessert.
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Weiterhin ist aus 1 erkennbar, dass die Kunststoffelemente 36 jeweilige Kunststoffstrukturen 40 beispielsweise in Form von Rippen oder dergleichen umfassen, um die Kunststoffelemente 36 einerseits leicht und andererseits hinreichend steif zur Halterung des Getriebes auszubilden. Die Kunststoffstruktur in Form der Rippenstruktur ist dabei hinsichtlich entsprechender Unfallkräfte optimiert.
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6 zeigt in einer ausschnittsweisen und vergrößerten Perspektivansicht nochmals den Getriebeträger 10, welcher an einem Endbereich nach dem Innenhochdruckumformen und Anspritzen der jeweiligen Kunststoffelemente 36 Befestigungselementen 42 in Form von Buchsen versehen wird, mittels welchen der Getriebeträger 10 am Rohbau des Kraftwagens – wie in 2a dargestellt – festgelegt werden kann. Hierbei können beispielsweise unidirektionale Wickelbuchsen die Befestigungselemente 42 zum Einsatz kommen, welche durch entsprechende Verstärkungselemente in Form jeweiliger Textilien oder Geflechte als Fasermaterial aufweisen können.
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Zur Befestigung des Getriebeträgers 10 sind jedoch alternativ oder zusätzlich jeweilige Befestigungselemente 44 vorgesehen, wie diese in 7a in einer Perspektivansicht gezeigt sind. Dieses Befestigungselement 44 ist vorzugsweise aus einem ähnlichen oder identischen Kunststoff gebildet, wie dieser für die Kunststoffelemente 36 zum Einsatz kommt. Hierbei wird in den Kunststoff des Befestigungselements 44 ein Verstärkungselement 46 in Form einer unidirektionalen Wickelbuchse integriert, welche auch aus einem Fasermaterial beziehungsweise aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt ist. Die Wickelbuchse 46 ist dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass diese kriechfest ausgebildet ist, sodass das Befestigungselement 44 beziehungsweise der Getriebeträger 10 kriechfest rohbauseitig festgelegt werden kann. Hierbei kommt beispielsweise für die unidirektionale Wickelbuchse ein PPA-Glas-Material zum Einsatz.
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Das jeweilige Befestigungselement 44 wird nach seiner Herstellung in eine jeweilige stirnseitige Aufnahmeöffnung 48 (1) des Trägerelements 20 eingesteckt und fest mit diesem verbunden. Somit können die jeweiligen Befestigungselemente 44 beziehungsweise deren jeweilige Verstärkungselemente 46 genutzt werden, um den Getriebeträger 10 rohbauseitig festzulegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012213663 A1 [0003]
