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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lüfterzarge für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen die Lüfterzarge begrenzenden äußeren Zargenrand, welcher eine erste größere Fläche umschreibt, und einen Lüfterausschnittsrand, welcher eine die Zarge durchsetzende Öffnung begrenzt und eine zweite kleinere Fläche umschreibt, wobei sich das die Lüfterzarge bildende Material zwischen dem Zargenrand und dem Lüfterausschnittsrand erstreckt.
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Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Lüfterzarge.
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Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Lüfterzarge.
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Lüfterzargen sind allgemein bekannt. Sie dienen in der Regel zur Einfassung eines Gasströmungswegs zwischen einem Lüfter und einem von dem Lüfter durch die erzeugte Gasströmung beeinflussten weiteren Gegenstand.
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An Kraftfahrzeugen sind Lüfterzargen bekannt, welche den Strömungsweg zwischen einem Kühlmittel-Wärmetauscher und einem Kühlerlüfter einfassen, um mit dem Kühlerlüfter möglichst effizient Wärme aus dem Kühlmittel-Wärmetauscher an die Außenumgebung abzuführen.
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Die Lüfterzarge weist in der Regel zwei Ränder auf. Der eine ist der Zargenrand, welcher grobschematisch einer orthogonal zum Lüfterstrom orientierten Fläche des Kühlmittel-Wärmetauschers entspricht. Der andere ist der Lüfterausschnittsrand, welcher unter Zugabe einer radialen Sicherheitsmarge einem geringfügig vergrößerten Durchmesser des rotierenden Lüfterblatts entspricht.
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Da die meisten Kühlmittel-Wärmetauscher eine rechteckige Fläche aufweisen, die von dem vom Kühlerlüfter erzeugten Gasstrom zur Wärmeabfuhr vom Wärmetauscher durchströmt wird, und da weiter die rotierenden Lüfterblätter aufgrund ihrer Rotation üblicherweise eine kreisförmige Einhüllende aufweisen, dienen die Lüfterzargen auch zur Überführung einer Lüfterströmung von einem rechteckigen Strömungsquerschnitt zu einem kreisrunden Strömungsquerschnitt.
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Bekannte Lüfterzargen werden üblicherweise als Spritzgussbauteile hergestellt, was eine hohe konstruktiv-gestalterische Freiheit ermöglicht.
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Allerdings weisen die spritzgegossenen Lüfterzargen häufig thermischen Verzug auf und sind als massiv spritzgegossene Bauteile verhältnismäßig schwer. Da der thermoplastische Kunststoff beim Spritzgießen bis über seinen Schmelzpunkt erwärmt werden muss, sind außerdem die Zykluszeiten bei der Herstellung unerwünscht lang.
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Hinzu kommt, dass die Lüfterzarge als thermisch höher belastetes Bauteil im Motorraum im Laufe ihres Betriebslebenszyklus an Elastizität verliert, versprödet und häufig zerbricht und somit ersetzt werden muss.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine technische Lehre anzugeben, welche es ermöglicht, die eingangs genannte Lüfterzarge derart zu verbessern, dass sie die oben genannten Nachteile nicht mehr oder wenigstens in geringerem Umfang aufweist als bisher.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine gattungsgemäße Lüfterzarge, welche als Pressformteil gebildet ist, wobei das die Lüfterzarge bildende Material ein LWRT-Material mit thermoplastisch gebundenen Fasern umfasst.
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Durch die Ausbildung als Pressformteil kann der thermische Verzug verringert werden, da für eine Pressumformung in einer Pressform üblicherweise niedrigere Verarbeitungstemperaturen ausreichen als zum Spritzgießen desselben thermoplastischen Materials.
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Aufgrund der niedrigeren Verarbeitungstemperatur beim Pressumformen, im Vergleich zum Spritzgießen, kann nicht nur der thermische Verzug verringert werden, sondern auch die Zykluszeit verkürzt werden, da das pressumgeformte Bauteil aufgrund der niedrigeren Verarbeitungstemperatur weniger Abkühlzeit benötigt, um einen für die Entformung ausreichend festen Zustand einzunehmen.
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Darüber hinaus kann durch die Verwendung von LWRT-Material (LWRT = "Low Weight Reinforced Thermoplast" = verstärkter Thermoplast mit geringem Gewicht) das Bauteilgewicht ohne Festigkeitsverlust herabgesetzt werden. Außerdem haben sich LWRT-Materialien in der Vergangenheit bereits als akustisch wirksam herausgestellt, sodass sich mit einer wenigstens teilweise aus LWRT-Material gebildeten Lüfterzarge auch die vom Bereich des Kühlmittellüfters ausgehende Schallemission reduzieren lässt.
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Das LWRT-Material weist Fasern auf, nachfolgend auch als "Verstärkungsfasern" bezeichnet, die thermoplastisch gebunden sind. Der thermoplastische Binderkunststoff weist dabei einen niedrigeren Schmelzpunkt auf als das Material der Verstärkungsfasern. Möglich ist auch, dass das Material der Verstärkungsfasern keinen Schmelzpunkt aufweist, sondern ohne schmelzflüssige Phase thermisch oberhalb einer Grenztemperatur schlicht zerstört wird, beispielsweise durch verkohlen. Daher kommt es maßgeblich darauf an, dass die Verstärkungsfasern des LWRT-Materials bei einer Temperatur formbeständig sind, bei welcher der thermoplastische Binderkunststoff bereits zu fließen beginnt.
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Grundsätzlich kann es ausreichen, wenn die Lüfterzarge wenigstens abschnittsweise aus LWRT-Material gebildet ist. Dies kann bedeuten, dass ein Dickenabschnitt der Lüfterzarge aus LWRT-Material gebildet ist und ein weiterer Dickenabschnitt aus einem abweichenden Material. Zusätzlich oder alternativ kann dies auch bedeuten, dass bestimmte Flächenbereiche der Lüfterzarge vollständig aus LWRT-Material gebildet sind und andere Flächenbereiche der Lüfterzarge aus anderem Material.
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Bevorzugt ist jedoch zur Erzielung möglichst passgenauer Bauteile bei geringem Gewicht, hoher Festigkeit und in kurzer Zykluszeit, wenn das die Lüfterzarge bildende Material ein LWRT-Material mit thermoplastisch gebundenen Fasern ist.
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Grundsätzlich kann bei einfach aufgebauten Lüfterzargen daran gedacht sein, dass diese aus einer Lage LWRT-Material gebildet sind. Zur Erzielung hoher Festigkeiten bei geringer Bauteildicke und gleichzeitiger akustischer schallabsorbierender Wirksamkeit kann das die Lüfterzarge bildende Material ein mehrlagiges LWRT-Material umfassen – sofern noch weitere Materialien an der Bildung der Lüfterzarge beteiligt sind – oder kann ein solches Material sein.
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Die Lagen des die Lüfterzarge bildenden mehrlagigen LWRT-Materials können sich hinsichtlich ihres Flächengewichts unterscheiden oder/und hinsichtlich ihrer Porosität, beispielsweise erzeugt durch ein unterschiedlich starkes Kompaktieren eines LWRT-Halbzeugs. Weiterhin können sich die Lagen hinsichtlich des in der jeweiligen Lage verwendeten Fasermaterials für die Verstärkungsfasern unterscheiden.
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LWRT-Material weist üblicherweise ein thermoplastisches Verstärkungsfasergewirr als Faserlage auf, wobei aus Gründen einer möglichst einfachen Fertigung die unterschiedlichen Lagen eines LWRT-Materials in der Regel identische Werkstoffe für Verstärkungsfasern und thermoplastischen Binderkunststoff verwenden und sich im Wesentlichen hinsichtlich des Flächengewichts oder/und hinsichtlich ihrer Porosität unterscheiden.
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Durch Verwendung eines einheitlichen oder wenigstens kompatiblen thermoplastischen Binderkunststoffs über mehrere oder alle Lagen des LWRT-Materials hinweg wird insbesondere eine Verbindung der einzelnen Lagen mit ihrer jeweiligen Nachbarlage erleichtert. Zusätzlich oder alternativ können die Lagen auch durch Vernadeln miteinander verbunden sein.
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Beispielsweise kann das mehrlagige LWRT-Material eine Kernschicht und eine Deckschicht aufweisen, wobei die Deckschicht dann auf einer Seite der Kernschicht mit dieser verbunden ist. Bevorzugt weist das mehrlagige LWRT-Material eine zwischen zwei Deckschichten angeordnete Kernschicht auf. Die Deckschichten können gleich sein, was die Produktion erheblich erleichtert, da das Risiko einer fehlerhaften Beschickung der Pressform bei symmetrischer Lagenwahl in Dickenrichtung erheblich verringert ist. Die Deckschichten können je nach Anforderung jedoch auch unterschiedlich aufgebaut sein.
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Bevorzugt wird als Fasermaterial Glasfaser oder Mineralfaser oder ein Kunststoff mit hoher Schmelztemperatur, bevorzugt von 200 °C oder mehr, verwendet, wie etwa Polyethylenterephthalat. Andere Kunststoffe oder Werkstoffe sind als Faserwerkstoffe ebenso denkbar.
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Als thermoplastischer Binderkunststoff wird wegen seiner geringen Kosten und seiner einfachen Verarbeitbarkeit bevorzugt ein Polyolefin, besonders bevorzugt Polypropylen, verwendet.
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Zur Bereitstellung einer Lüfterzarge mit hoher Formstabilität ist es vorteilhaft, wenn die Kernschicht keinen niedrigeren Gewichtsanteil von Fasermaterial an ihrem Flächengewicht aufweist als die wenigstens eine ihr benachbarte Deckschicht.
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Vorteilhaft ist eine Kernschicht, die zu 60 bis 40 Gew.-% aus Verstärkungsfasern und 40 bis 60 Gew.-% aus thermoplastischem Binderkunststoff besteht. Ebenso können die Deckschichten zu 20 bis 40 Gew.-% aus Verstärkungsfasern und zu 80 bis 60 % aus thermoplastischem Binderkunststoff bestehen.
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Weiter kann das LWRT-Material als außen liegende Schicht entweder auf einer oder auf beiden Seiten der Lüfterzarge ein Fasergewirr oder/und eine massive Folie aufweisen. Fasergewirre, wie Vliese, können beispielsweise als Aufprallschutz vorgesehen sein, was je nach Anbringungsort und Zugänglichkeit der Lüfterzarge im Motorraum sinnvoll sein kann. Folien als außen liegende Schichten können verhindern, dass Fasern aus der Kern- oder/und der Deckschicht aus dem Lagenverbund austreten.
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Beispielsweise kann die Kernschicht ein Flächengewicht von 400 bis 1200 g/m2 aufweisen, insbesondere 500 bis 700 g/m2. Die Deckschichten können ein Flächengewicht von 400 bis 500 g/m2 aufweisen und liegen in der Regel – auch wenn sich die genannten Flächengewichtsbereiche überschneiden – niedriger in ihrem Flächengewicht als die Kernschicht.
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Durch die Verwendung von LWRT-Material zur Herstellung einer Lüfterzarge wird bereits ein sehr steifes Bauteil erreicht. Dieses kann noch weiter dadurch ausgesteift werden, dass es wenigstens eine Versteifungssicke, vorzugsweise eine Mehrzahl von Versteifungssicken, aufweist, welche zwischen dem Zargenrand und dem Lüfterausschnittsrand verläuft. Bevorzugt weist die Lüfterzarge eine Mehrzahl von Versteifungssicken auf, wobei die Versteifungssicken bevorzugt strahlenförmig von einem der die Lüfterzarge innerhalb des Lüfterausschnittsrands durchsetzenden Öffnung näher gelegenen Startpunkt ausgehend nach außen zum Zargenrand hin verlaufen.
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Da die wie vorliegend vorgestellt als Pressformteil hergestellte Lüfterzarge einem Kraftfahrzeug einen besonderen Wert verleiht, betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer wie oben beschriebenen und weitergebildeten Lüfterzarge.
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Weiterhin wird die eingangs genannte Aufgabe auch gelöst durch ein Herstellungsverfahren zur Herstellung einer Lüfterzarge, wie sie oben beschrieben und weitergebildet ist, welches die folgenden Schritte umfasst:
- – Einlegen eines Halbzeugs, umfassend ein thermoplastisches Bindermaterial und Fasern aus einem Material, das eine höhere thermische Formstabilität aufweist als das Bindermaterial, in eine Pressform,
- – Schließen der Pressform,
- – Umformen des Halbzeugs zu einem Zargenrohling unter Erweichen oder Aufschmelzen des Bindermaterials,
- – Öffnen der Pressform und Entnehmen des Zargenrohlings und
- – Ausbilden einer die Zarge unter Bildung des Lüfterausschnittsrands durchsetzenden Öffnung.
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Somit kann zunächst ein mehr oder weniger vollflächiger Zargenrohling durch Pressumformen in einer Pressform erzeugt werden, an welchem dann die die endgültige Zarge im Bereich des Lüfterausschnittsrands durchsetzende Öffnung ausgebildet wird. Das Ausbilden umfasst daher eine Materialwegnahme, bevorzugt durch Stanzen.
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Als Halbzeug kann eine Fasermatte in die Pressform eingelegt werden, bei welcher nicht nur die auch nach dem Pressvorgang noch vorhandenen Verstärkungsfasern, sondern auch der thermoplastische Binderkunststoff vor dem Pressen in Faserform vorliegen. Beim Pressumformen wird dabei das Halbzeug so weit erwärmt, dass der zunächst in Faserform bereitgestellte thermoplastische Binderkunststoff aufgeschmolzen oder wenigstens erweicht wird, die Verstärkungsfasern jedoch ihre grundsätzliche Fasergestalt behalten, wenngleich die konkrete Faserform durch die Pressverarbeitung verändert werden dürfte.
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Bei der Verwendung mehrlagiger LWRT-Materialien kann für jede Lage ein LWRT-Halbzeug in die Pressform eingelegt werden.
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Zusätzlich kann in die Pressform wenigstens ein Einlegebauteil mit dem Halbzeug eingelegt werden. Das Einlegebauteil weicht hinsichtlich Material oder/und Struktur vom Halbzeug ab.
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Durch die Verwendung des wenigstens einen Einlagebauteils kann gezielt ein Bereich der Lüfterzarge verstärkt werden, beispielsweise ein Rand der Lüfterzarge oder ein zur Anbringung weiterer Bauteile, wie etwa Lüfterantrieb und dgl., genutzter Bereich. Dementsprechend kann die erfindungsgemäße Lüfterzarge wenigstens ein Einlegebauteil umfassen, welches aus einem anderen Material als LWRT gebildet ist.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnung näher beschrieben werden. Es stellt dar:
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1 eine grobschematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Lüfterzarge.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Lüfterzarge allgemein mit 10 bezeichnet. Die Lüfterzarge 10 weist einen die Lüfterzarge nach radial außen begrenzenden Zargenrand 12 und einen bevorzugt kreisförmigen Lüfterausschnittsrand 14 auf. Der Lüfterausschnittsrand 14 umschreibt eine die Lüfterzarge 10 in Dickenrichtung vollständig durchsetzende Öffnung 16, in welcher oder in deren unmittelbarer Nähe an einem Kraftfahrzeug ein Kühlerlüfter (in 1 nicht dargestellt) angeordnet ist.
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Der Kühlerlüfter erzeugt üblicherweise einen Gasstrom, welcher orthogonal zur Öffnungsfläche der Öffnung 16 strömt, wie beispielsweise durch die Strömungsachse 18 angedeutet.
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In Richtung der Achse 18 hinter der Öffnung 16 befindet sich in der Regel ein Kühlmittel-Wärmetauscher im Kraftfahrzeug, von dem Wärme mittels des durch den Lüfter erzeugten Gasstroms abgeführt wird. So wird das Kühlmittel im Wärmetauscher vor einem erneuten Durchlauf durch den Motorblock gekühlt.
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Der Zargenrand 12 und der Lüfterausschnittsrand 14 liegen jeweils bevorzugt in einer Ebene, wobei die beiden Ebenen ebenfalls bevorzugt zueinander parallel sind. Zwischen den beiden Ebenen besteht ein längs der Achse 18 verlaufender axialer Abstand.
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Die Lüfterzarge 10 weist im dargestellten Beispiel ein sie bildendes Material ausschließlich zwischen dem Zargenrand 12 und dem Lüfterausschnittsrand 14 auf.
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Die Lüfterzarge 10 in 1 ist aus LWRT-Material durch Pressumformen gebildet. Dabei wurde zunächst ein Zargenrohling aus LWRT-Material durch Pressumformen erzeugt, bei dem allerdings die Öffnung 16 durch LWRT-Material verschlossen war, sodass noch kein Lüfterausschnittsrand 14 gebildet war. Die Öffnung 16 wurde nach dem Pressen bevorzugt durch Ausstanzen erzeugt.
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Ebenso kann die Außenkontur des Zargenrands 12 durch eine Stanz- oder ähnliche Schneidverarbeitung gebildet sein.
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Zur Versteifung der Lüfterzarge 10 kann diese Versteifungssicken, im dargestellten Beispiel die Versteifungssicken 20 und 22, aufweisen, welche bevorzugt strahlenförmig von einem der Öffnung 16 näher gelegenen Startpunkt zum Zargenrand 12 hin verlaufen.
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Die Lüfterzarge 10 kann an einer oder beider ihrer Außenflächen durch eine massive Folie oder/und durch ein Fasergewirr bedeckt sein.
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Das zur Bildung der Lüfterzarge 10 verwendete LWRT-Material ist ein thermoplastisch gebundenes Fasergewirr mit bevorzugt Verstärkungsfasern aus Glasfaser, die thermoplastisch durch Polypropylen gebunden sind.
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Durch die Verwendung von LWRT-Material in einem Pressumformverfahren kann die Verarbeitungstemperatur des Materials zur Herstellung der Lüfterzarge 10, verglichen mit einer gleichgestaltigen spritzgegossenen Lüfterzarge, erheblich herabgesetzt werden, was nicht nur den zu erwartenden thermischen Verzug reduziert, sondern auch die Zykluszeit verkürzt, die zur Herstellung eines Bauteils benötigt wird.
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Außerdem kann das LWRT-Material beim Pressen mit einer vorbestimmten Porosität hergestellt werden, sodass aufgrund der Faserverstärkung ein leichtgewichtiges Bauteil bei hoher Bauteilfestigkeit erhalten werden kann.
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Schließlich kann das LWRT-Material, gerade bei einer gewissen Materialporosität, als akustisch wirksames Bauteil schallabsorbierend eingesetzt werden und kann somit die Minderung der Schallemission aus dem Motorraum eines Kraftfahrzeugs unterstützen.
