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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Lenkers, insbesondere eines Lenkers für eine Radaufhängung, wobei der Lenker mit zumindest zwei Gelenkpunkten, einer Stützstruktur aus einem endlosfaserverstärktem Kunststoffhalbzeug und zumindest einer Verbindungsstruktur aus einem kurz- oder langfaserverstärktem Kunststoffhalbzeug hergestellt wird, und wobei die Gelenkpunkten durch die Stützstruktur zumindest teilweise umgriffen werden und durch die zumindest eine Verbindungsstruktur eine Verbindung zwischen der Stützstruktur und dem jeweiligen Gelenkpunkt hergestellt wird.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Lenker mit zumindest zwei Gelenkpunkten, zwischen welchen sich eine Stützstruktur aus einem Endlosfaser-Kunststoff-Verbund erstreckt, wobei die Stützstruktur die Gelenkpunkte zumindest teilweise umgreift und dabei mit den Gelenkpunkten über zumindest eine zwischenliegende Verbindungsstruktur verbunden ist, welche aus einem Kurzfaser- oder Langfaser-Kunststoff-Verbund besteht. Schließlich hat die Erfindung noch eine Radaufhängung für ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem vorgenannten Lenker zum Gegenstand.
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Bei Radaufhängungen werden Radträger über zwischenliegende Lenker und Gelenke mit dem Fahrzeugaufbau verbunden, wobei die Lenker dabei die starren Verbindungen der Gelenke bilden. Neben Radführungsaufgaben dienen Lenker dabei häufig auch der Realisierung aufbautragender Aufgaben, indem Feder- und Dämpferkräfte übertragen werden. Schließlich sind Lenker auch Teil der Lenkung und Wankfederung eines Kraftfahrzeuges, wo sie dann eine Verbindung zu einem Lenkgetriebe bzw. einem Stabilisator herstellen. Je nach Anzahl der zu verbindenden Gelenkpunkte kann ein Lenker als 2-Punkt-Lenker, als 3-Punkt-Lenker oder auch als 4-Punkt-Lenker verwirklicht sein.
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Klassischerweise werden Lenker dabei aus Metall in Form von Gusseisen, Stahl oder auch Aluminium gefertigt, wobei sich insbesondere die Stahlvariante durch eine hohe Festigkeit, Steifigkeit und Duktilität auszeichnet. Ein wesentlicher Nachteil von Lenkern aus Metall ist jedoch, dass diese ein hohes Gewicht aufweisen, zumeist eine zusätzliche Nachbearbeitung im Rahmen der Herstellung notwendig ist und zudem Maßnahmen gegen Korrosion zu treffen sind. Das höhere Gewicht steigert dabei den Anteil der ungefederten Massen, was sich negativ hinsichtlich der Fahreigenschaften und auch dem Verbrauch des jeweiligen Kraftfahrzeuges niederschlägt. Des Weiteren erhöhen die notwendige Nachbearbeitung und die zusätzlichen Maßnahmen hinsichtlich des Korrosionsschutzes den Herstellungsaufwand. Aus diesem Grund werden Lenker vermehrt auch in Hybridbauweise, also einer Kombination eines metallischen Werkstoffes mit einem Faserverbundwerkstoff, oder auch rein aus Faserverbundwerkstoffen ausgeführt, um eine besonders leichte, tragfähige und auch von der Geometrie her gut anpassbare Bauweise zu verwirklichen.
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Aus der
DE 10 2011 003 971 A1 geht ein Lenker hervor, bei welchem es sich insbesondere um einen Lenker für eine Radaufhängung handelt. Der Lenker verfügt über zwei Gelenkpunkte, welche über eine Stützstruktur aus einem Endlosfaser-Kunststoff-Verbund miteinander verbunden sind. Hierbei umgreift die Stützstruktur die Gelenkpunkte teilweise, indem sie mit hakenähnlichen Enden um die Gelenkpunkte herumgeführt ist. Zudem ist der Lenker in einem fertiggestellten Zustand noch mit einer Verbindungsstruktur versehen, welche aus einem Kurzfaser-oder Langfaser-Kunststoff-Verbund besteht und die Verbindung der Stützstruktur mit den Gelenkpunkten herstellt. Die Verbindungsstruktur ist dabei rippenartig gestaltet und versteift die Stützstruktur, welche einen kastenartigen Aufbau aufweist. Sowohl die Stützstruktur, als auch die Verbindungsstruktur sind dabei aus einem thermoplastischen Kunststoffhalbzeug hergestellt. Der Lenker wird dabei gefertigt, indem die im Vorfeld hergestellte und gegebenenfalls noch nicht vollständig ausgehärtete Stützstruktur in eine Spritzgussform eingelegt wird, wobei im Folgenden dann die Verbindungsstruktur gefertigt und die Verbindung zu den Gelenkpunkten hergestellt wird.
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Der US 2005 / 0 281 610 A1 ist die Herstellung eines Lenkers mit einer Stützstruktur und einer Verbindungsstruktur aus einem duoplastischen Kunststoff zu entnehmen. Hierbei bildet die Stützstruktur Aufnahmen aus, die jeweils zangenartig mit den jeweiligen Gelenkpunkt gemeinsam umgreifende Schenkel gestaltet.
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Ausgehend vom vorstehend beschriebenen Stand der Technik ist es nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Lenker zu schaffen, welcher sich bei geringem Gewicht durch eine hohe Belastbarkeit auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird aus verfahrenstechnischer Sicht ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Aus vorrichtungstechnischer Sicht erfolgt eine Lösung der Aufgabe ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 9 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen. Die hierauf jeweils folgenden, abhängigen Ansprüche geben jeweils vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder. Eine Radaufhängung, bei welcher zumindest ein erfindungsgemäßer Lenker zur Anwendung kommt, ist ferner Gegenstand von Anspruch 13.
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Gemäß der Erfindung wird bei einem Verfahren ein Lenker mit zumindest zwei Gelenkpunkten, einer Stützstruktur aus einem endlosfaserverstärkten Kunststoffhalbzeug und zumindest einer Verbindungsstruktur aus einem kurz- oder langfaserverstärkten Kunststoffhalbzeug hergestellt. Dabei werden die zumindest zwei Gelenkpunkte zumindest teilweise durch die Stützstruktur umgriffen, wobei durch die zumindest eine Verbindungsstruktur eine Verbindung zwischen der Stützstruktur und dem jeweiligen Gelenkpunkt hergestellt wird.
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Es wird also ein Lenker mit zumindest zwei Gelenkpunkten gefertigt, zwischen welchen sich eine Stützstruktur aus einem Endlosfaser-Kunststoff-Verbund erstreckt. An den Gelenkpunkten umgreift die Stützstruktur die Gelenkpunkten zumindest teilweise und ist dabei mit den Gelenkpunkten über zumindest eine zwischenliegende Stützstruktur verbunden, welche aus einem Kurzfaser- oder Langfaser-Kunststoff-Verbund besteht.
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Ein erfindungsgemäßer Lenker ist also aus einem Faser-Kunststoff-Verbund hergestellt, wobei hierbei eine Stützstruktur aus Endlosfasern mit zumindest einer Verbindungsstruktur aus Kurz- oder Langfasern kombiniert wird. So kann hierdurch ein Lenker verwirklicht werden, welcher sich durch ein geringes Gewicht und eine gute Belastbarkeit auszeichnet. Denn durch die Endlosfasern der Stützstruktur können durch entsprechende Ausrichtung der Fasern hohe Belastungen aufgenommen werden, während die zumindest eine Verbindungsstruktur durch ihre Kurz - oder Langfasern die Stabilität durch Versteifung der Stützstruktur erhöht. Insgesamt können hierdurch Zug- und Druckkräfte, sowie auch Biegebelastungen und Torsionsbelastungen problemlos durch den aus einem Faser-Kunststoff-Verbund hergestellten Lenker aufgenommen werden.
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Der erfindungsgemäße Lenker ist bevorzugt als 2-Punkt- Lenker ausgeführt, verbindet also in diesem Fall 2 Gelenkpunkte miteinander. Alternativ dazu ist es jedoch auch denkbar, dass der erfindungsgemäße Lenker mit drei oder mehr Gelenkpunkten ausgestattet ist, zwischen welchen die Stützstruktur verläuft. Ferner ist der erfindungsgemäße Lenker insbesondere für eine Radaufhängung konzipiert und hier als Führungslenker, Traglenker oder auch als Hilfslenker vorgesehen. Alternativ dazu könnte ein erfindungsgemäß gestalteter Lenker aber auch in einer Lenkung oder einer Wankfederung eines Kraftfahrzeuges als Spurstange/Spurlenker oder als Stabilisatorlenker zur Anwendung kommen.
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Der Lenker kann zudem mit einer Sensorik versehen sein, über welche eine Veränderung der Faserverbundstruktur des Lenkers erkennbar und/oder Belastungen bzw. Überlastungen oder auch Überbeanspruchungen erfassbar sind. Des Weiteren könnte auch ein Elastomermaterial unter Ausbildung eines Laminats mit integriert sein, um in dem entsprechenden Bereich eine Verbesserung von akustischen Eigenschaften im Sinne einer akustischen Dämpfung zu verwirklichen. Zudem kann in dem jeweiligen Bereich durch Integration von Elastomeren in den Faser-Kunststoff-Verbund auch ein Einschlag- und Splitterschutz realisiert werden.
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Die zumindest eine Verbindungsstruktur wird erfindungsgemäß an kinematisch wichtigen Punkten vorgesehen, also zumindest im Bereich der Gelenkpunkte. Darüber hinaus kann aber auch in anderen Bereichen eine Verbindungsstruktur aus einem Kurzfaser- oder Langfaser-Kunststoff-Verbund vorgesehen sein, wo eine Versteifung der Stützstruktur oder eine sonstige Funktionsintegration notwendig ist. So kann der Lenker entweder mit einer zusammenhängenden Verbindungsstruktur oder auch mit mehreren voneinander getrennten Verbindungsstrukturen ausgestattet sein.
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Eine Ausführungsform umfasst die technische Lehre, dass die Stützstruktur und die zumindest eine Verbindungsstruktur jeweils aus je einem duroplastischen Kunststoffhalbzeug hergestellt werden kann. Bei einem derartig hergestellten Lenker bestehen also die Stützstruktur und die zumindest eine Verbindungsstruktur jeweils aus je einem duroplastischen Faser-Kunststoff-Verbund. Eine derartige Ausgestaltung hat dabei den Vorteil, dass sich aufgrund der Verwendung duroplastischer Materialien ein belastbarer Lenker verwirklichen lässt, dessen Belastbarkeit nicht von der Einsatztemperatur abhängig ist. Denn bei einem duroplastischen Material kommt es nach Aushärtung nicht mehr zu temperaturbedingten Formänderungen, während bei thermoplastischen Materialien temperaturbedingte Verformungen auftreten können. Da ein Lenker eine Radaufhängung eine starre Verbindung bilden soll und dementsprechend ungewollte Verformungen zu vermeiden sind, lässt sich durch Herstellung des Lenkers aus duroplastischen Kunststoffhalbzeugen ein geeigneter Lenker verwirklichen.
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Hingegen kommen bei dem Lenker der
DE 10 2011 003 971 A1 thermoplastische Materialien zur Anwendung, so dass hier die Gefahr besteht, dass in bestimmten Temperaturbereichen ungewollte Verformungen des Lenkers auftreten.
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Im Rahmen der Erfindung kann das endlosfaserverstärkte Kunststoffhalbzeug insbesondere in Form vorimprägnierter Fasern (Towpreg), als textiles Halbzeug (Prepreg), in Form trockener Fasern oder als textiles Halbzeug (Preforms) oder als im Vorfeld per Resin Transfer Moulding (RTM) oder Prepreg-Compression Moulding (PCM) hergestelltes Halbzeug vorliegen. Dagegen liegt das Kunststoffhalbzeug der zumindest einen Verbindungsstruktur bevorzugt entweder als kurzfaserverstärktes Halbzeug in Form von Bulk Moulding Compound (BMC) oder als Duroplast-Spritzguss vor oder ist als langfaserverstärktes Halbzeug in Form von Sheet Moulding Compund (SMC) gestaltet.
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Als Fasern können dabei bei der Stützstruktur und der zumindest einen Verbindungsstruktur unterschiedliche Fasertypen zur Anwendung kommen, wie Carbon, Glas, Aramid, Basalt, etc. Auch die umgebende Kunststoffmatrix kann prinzipiell aus unterschiedlichen duroplastischen Materialien ausgewählt sein, wie Epoxid, Polyurethan, Vinylester, etc. Dabei können die verwendeten Materialien zwischen der Stützstruktur und der Verbindungsstruktur oder, bei mehreren Verbindungsstrukturen, auch zwischen den Verbindungsstrukturen abweichen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die Stützstruktur mit der zumindest einen Verbindungsstruktur in einem noch nicht gänzlich ausgehärteten Zustand stoffschlüssig verbunden. Mit anderen Worten ist also die Stützstruktur zum Zeitpunkt der Verbindung mit der mindestens einen Verbindungsstruktur noch nicht vollständig durchgehärtet, sondern besteht als Vorformling. Hierdurch kann sich eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Stützstruktur und Verbindungsstruktur ausbilden, wodurch die Belastbarkeit des Lenkers erhöht wird. Dabei wird die Stützstruktur als „nasses“ Halbzeug insbesondere als vorimprägnierte Fasern (Towpreg) oder textiles Halbzeug (Prepreg) oder als trockene Fasern oder textile Halbzeuge (Preforms) ausgeführt und mit dem als Halbzeug in Form von Sheet Moulding Compund (SMC) oder Bulk Moulding Compound (BMC) oder als Duroplast Spritzguss vorliegenden Verbindungsstruktur im Rahmen von Prepreg-Compression Moulding (PCM) oder einer Kombination (RTM-PCM) von Resin Transfer Moulding (RTM) und Prepreg-Compression Moulding (PCM) gefügt. Alternativ dazu ist es aber auch denkbar, eine vollständig ausgehärtete Stützstruktur mit der zumindest einen Verbindungsstruktur zu verbinden, wobei dann aber eine weniger belastbare Verbindung erhalten wird.
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Entsprechend einer weiteren Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung wurde die Stützstruktur rohrförmig gestaltet. In Weiterbildung dieser Ausgestaltungsmöglichkeit wurde die Stützstruktur gewickelt oder geflochten oder gerollt. Im erstgenannten Fall wird die Stützstruktur dabei aus Fasern gewickelt, wobei diese entweder vorimprägniert sein können (Towpreg) oder während des Wickelprozesses benetzt werden (Nass-Wickelverfahren). Des Weiteren können auch trocken Fasern genutzt werden. Um den Lastfall vollständig abzudecken, kann der Lagenaufbau der gewickelten Stützstruktur dem Lastfall angepasst werden. So kann bei hohen Torsionsbeanspruchungen vermehrt in +/-45° Orientierung aufgewickelt und bei hohem Zug- und Druckbelastungen zusätzlich mit einer 0° Orientierung gewickelt werden.
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Dagegen werden bei einem Flechtverfahren trockene Fasern genutzt, wobei auch hier der Lagenaufbau an den jeweiligen Lastfall angepasst werden kann, indem bei hohen Torsionsbeanspruchungen vermehrt in +/-45° Orientierung geflochten und bei hohen Zug- und Druckbelastungen zusätzliche 0° Orientierungen eingesetzt werden.
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Wird die Stützstruktur hingegen gerollt, so werden zunächst die Endlosfaserhalbzeuge auf eine Ebene zu einem definierten Lagenaufbau gestapelt, wobei die Endlosfaserhalbzeuge als Prepreg oder als trockene Fasern vorliegen können. Auch hier kann je nach Lastfall ein entsprechender Lagenaufbau gewählt werden, wie bei hohen Torsions- und Beanspruchungen vermehrt in +/-45° Orientierungen, sowie bei hohen Zug - und Druckbelastungen mit einer zusätzlichen 0° Orientierung. Darauffolgend wird der so geschichtete Lagenaufbau auf einer Walze aufgewickelt und damit der rohrförmige Aufbau verwirklicht.
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Alternativ zu einer Rohrform kann die Stützstruktur im Rahmen der Erfindung aber auch einen anderen Aufbau aufweisen, wie beispielsweise eine Kastenform.
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Es ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung, dass das Kunststoffhalbzeug der Stützstruktur im Vorfeld der Verbindung mit der zumindest einen Verbindungsstruktur im Bereich der Gelenkpunkte an einzelnen Fasersträngen unter Ausbildung zangenartige Aufnahmen gekürzt wurde. Die Stützstruktur des erfindungsgemäßen Lenkers bildet also Aufnahmen aus, die jeweils zangenartig mit dem jeweiligen Gelenkpunkt gemeinsam umgreifenden Schenkeln gestaltet sind. Diese zangenartigen Aufnahmen werden dabei gefertigt, indem einzelne Faserlagen der Stützstruktur gezielt gekürzt und damit die gewünschte Geometrie erzeugt wird. Innenliegend zu diesen klammerartigen Aufnahmen wird dann jeweils der jeweilige Gelenkpunkt ausgestaltet, wobei dabei erfindungsgemäß jeweils die Verbindung der Stützstruktur zum jeweiligen Gelenkpunkt über die zumindest eine Verbindungsstruktur hergestellt wird. In vorteilhafter Weise können hierdurch belastbare Aufnahmebereiche für die Gelenkpunkte seitens der Stützstruktur gestaltet werden. Denn durch die zangenähnliche Gestaltung der Stützstruktur im Bereich der Gelenkpunkte werden die Gelenkpunkte weitestgehend von der Stützstruktur umgriffen, sodass eine geeignete Krafteinleitung in die Stützstruktur stattfinden kann.
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Um die Belastbarkeit im Bereich der Gelenkpunkte des Lenkers weiter zu steigern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass an den Schenkeln der zangenartigen Aufnahmen jeweils mindestens ein in Richtung des jeweiligen Gelenkspunktes vorstehender Steg ausgebildet ist. Dabei werden bevorzugt mehrere Stege an den Aufnahmen der Stützstruktur definiert, wodurch sich eine Art Formschluss mit der zumindest einen Verbindungsstruktur ausbilden lässt, sodass die Verbindung in diesem Bereich belastbarer wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die Kunststoffhalbzeuge der Stützstruktur und der zumindest einen Verbindungsstruktur im Rahmen eines Heißpressvorganges miteinander verbunden. Dazu werden die Kunststoffhalbzeuge der Stützstruktur und der zumindest einen Verbindungsstruktur in ein Werkzeug eingelegt und das beheizte Werkzeug geschlossen, um den Pressvorgang (PCM) zu starten. Aufgrund der Temperatur und eines Drucks in der Kavität beginnt die zumindest eine Verbindungsstruktur, sich der werkzeuggegebenen Kontur anzugleichen und auszuhärten. Gegebenenfalls wird das Heißpressen dabei mit einem Resin Transfer Moulding (RTM) kombiniert (RTM-PCM), wobei hierbei zusätzlich die Injektion eines Harzsystems und dessen Aushärtung im Werkzeug stattfindet. Insbesondere findet dabei eine Kombination mit der im Vorfeld beschriebenen Ausführungsform statt, nach welcher die Stützstruktur noch nicht gänzlich ausgehärtet ist und als Vorformling vorliegt.
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In Weiterbildung der vorgenannten Variante werden im Rahmen des Heißpressvorganges auch Gelenke an den Gelenkpunkten vorgesehen. Im Zuge der umformenden bzw. urformenden Verbindung von Stützstruktur und Verbindungsstruktur werden also auch gleichzeitig entsprechende Gelenke an den hierfür vorgesehenen Punkten platziert, so dass der letztendliche Lenker im Zuge eines einzelnen Fertigungsvorganges zusammengesetzt wird. Mit anderen Worten werden also gleichzeitig mit dem Zusammenfügen der Stützstruktur und der zumindest einen Verbindungsstruktur auch zugleich entsprechende Gelenke eingesetzt und befestigt. Hierdurch lässt sich der Fertigungsaufwand für einen erfindungsgemäßen Lenker deutlich reduzieren.
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Alternativ dazu ist es im Rahmen der Erfindung aber auch denkbar, dass entsprechende Gelenke erst nach einem Zusammenfügen der Stützstruktur und Verbindungsstruktur in einem separaten Prozess montiert werden. Gegebenenfalls ist es dabei erforderlich, bei dem Zusammenfügen der Stützstruktur und der Verbindungsstruktur Hülsen im Bereich der späteren Gelenke vorzusehen, welche als metallische Hülsen ausgestaltet sein können. Diese Hülsen werden dann wiederum im Rahmen des Heißpressvorganges bereits an den entsprechenden Stellen platziert. Zudem kann bereits im Rahmen des Heißpressvorganges auch eine entsprechende Sensorik mit integriert werden.
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Es ist eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit eines Lenkers, dass an dem jeweiligen Gelenkpunkt ein Kugelgelenk oder ein Gummilager vorgesehen ist. So ist es bei einem erfindungsgemäßen 2-Punkt-Lenker denkbar, an beiden Gelenkpunkten Gummilager, an beiden Gelenkpunkten Kugelgelenke oder an einem Gelenkpunkt ein Gummilager sowie an dem anderen Gelenkpunkt ein Kugelgelenk vorzusehen. Wie bereits im Vorfeld beschriebenen können diese Gelenke, sofern möglich, bereits im Rahmen des Heißpressvorgang vorgesehen oder auch erst nachträglich montiert werden.
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Ein erfindungsgemäß gestalteter Lenker ist insbesondere Teil einer Radaufhängung eines Kraftfahrzeuges und ist hier dann als Führungslenker, als Traglenker oder auch als Hilfslenker vorgesehen. Besonders bevorzugt umfasst eine Radaufhängung dabei aber mehrere erfindungsgemäß gestaltete Lenker.
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Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale der nebengeordneten oder der hiervon abhängigen Ansprüche beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus Möglichkeiten, einzelne Merkmale, auch soweit sie aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung oder unmittelbar aus den Zeichnungen hervorgehen, miteinander zu kombinieren.
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Die Bezugnahme der Ansprüche auf die Zeichnungen durch Verwendung von Bezugszeichen soll den Schutzumfang der Ansprüche nicht beschränken.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung, die nachfolgend erläutert werden, sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt:
- 1 Ansichten eines Lenkers entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
- 2 ein schematisierter Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung des Lenkers aus 1;
- 3 Einzelansichten einer Herstellung einer Stützstruktur des Lenkers aus 1;
- 4 ein schematisierter Ablauf eines Verfahrens zur Fertigung der Stützstruktur entsprechend einer ersten Möglichkeit;
- 5 ein schematisierter Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung der Stützstruktur entsprechend einer zweiten Möglichkeit;
- 6 ein schematisierter Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung der Stützstruktur gemäß einer dritten Möglichkeit;
- 7 Einzelansichten von Enden des Lenkers aus 1 im Zuge der Herstellung desselbigen;
- 8 Einzelansichten einer alternativen Herstellung einer Stützstruktur des Lenkers aus 1;
- 9 Ansichten eines Lenkers gemäß einer zweiten Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung.
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In 1 sind Ansichten eines Lenkers 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Wie zu erkennen ist, ist der Lenker 1 dabei als 2-Punkt-Lenker mit zwei Gelenkpunkten 2 und 3 gestaltet, zwischen welchen sich eine Stützstruktur 4 erstreckt. An dem einen Gelenkpunkt 2 ist dabei ein Gelenk in Form eines Gummilagers 5 vorgesehen, während an dem anderen Gelenkpunkt 3 ein Gelenk in Form eines Kugelgelenks 6 ausgestaltet ist.
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Die Stützstruktur 4 besteht als Rohr aus einem duroplastischen Endlosfaser-Kunststoff-Verbund, insbesondere in Form von CFK oder GFK, und umgreift die Gelenkpunkte 2 und 3 - wie im Ansatz in 1 zu erkennen ist - an Enden 7 und 8 mit jeweils hier ausgestalteten zangenartigen Aufnahmen 9 und 10. Dabei wird die Verbindung der Stützstruktur 4 mit den Gelenkpunkten 2 und 3 und damit auch mit dem Gummilager 5 und dem Kugelgelenk 6 über je eine Verbindungsstruktur 11 bzw. 12 hergestellt, welche aus einem duroplastischen Kurzfaser-Kunststoff-Verbund, bevorzugt in Form von CFK oder GFK, gefertigt ist. Der Lenker 1 ist also insgesamt als Lenker aus einem Faser-Kunststoff-Verbund realisiert.
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In 2 ist ein Verfahren zur Fertigung des Lenkers 1 aus 1 schematisiert dargestellt. Wie zu erkennen ist, werden im Vorfeld ein Kunststoffhalbzeug 13 für die Stützstruktur 4, Kunststoffhalbzeuge 14 für die Verbindungsstrukturen 11 und 12, das Gummilager 5 und das Kugelgelenk 6, eine Sensorik 15 und eine Elastomerschicht 16 vorbereitet. Diese Komponenten werden dann in einem Werkzeug 17 entsprechend zueinander positioniert, wobei das Kunststoffhalbzeug 13 für die Stützstruktur 4 dabei in einem noch nicht gänzlich ausgehärteten Zustand vorliegt. Anschließend wird das vorbeheizte Werkzeug 17 verschlossen und ein Heißpressvorgang (PCM) gestartet, wobei aufgrund der Temperatur und des Drucks in der Kavität die Kunststoffhalbzeuge 14 beginnen, sich der werkzeuggegebenen Kontur anzugleichen und auszuhärten.
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Die Kunststoffhalbzeuge 14 der Verbindungsstrukturen 11 und 12 liegen dabei als BMC-Masse (Bulk Moulding Compound) vor. Im Zuge der Aushärtung werden auch das Gummilager 5 und das Kugelgelenk 6, sowie die Sensorik 15 direkt miteingebettet. Im Zuge des Heißpressens härtet dann auch das Kunststoffhalbzeug 13 vollständig zu der Stützstruktur 4 aus, wobei sich hierbei eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Stützstruktur 4 und den Verbindungsstrukturen 11 und 12 ausbildet. Zudem wird das Elastomer der Elastomerschicht 16 in den entsprechenden Bereichen mit integriert, wodurch sich an diesen Stellen Materialkombinationen aus dem Elastomer und dem Faser-Kunststoff-Verbund einstellen. Anschließend wird das fertiggestellte Bauteil als Lenker 1 aus dem Werkzeug 17 entnommen.
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In 3 ist zudem ein Teil der der eigentlichen Herstellung des Lenkers 1 vorgelagerte Fertigung des Kunststoffhalbzeuges 13 für die Stützstruktur 4 schematisch dargestellt. Wie in der linken Ansicht aus 3 zu erkennen ist, wird hierbei zunächst ein rohrförmiger Körper 34 als Endlosfaser-Kunststoff-Verbundrohr gefertigt. In den weiteren 4 bis 6 sind dabei drei Möglichkeiten zur Fertigung des Körpers 34 schematisch dargestellt:
- So wird dieser entsprechend einer ersten in 4 gezeigten Variante durch Aufrollen hergestellt. Dazu werden mehrere Endlosfaser-Halbzeuge als Prepregs auf eine Ebene zu einem definierten Lagenaufbau 18 gestapelt, wobei dieser Lagenaufbau 18 dem späteren zu erwartenden Lastfall angepasst wird. So kann bei hohen Torsionsbeanspruchungen vermehrt in +/- 45° Orientierung aufgeschichtet und bei hohen Zug-und Druckbelastungen zusätzliche 0° Orientierungen vorgesehen werden. Darauffolgend wird der Lagenaufbau 18 auf einer Walze 19 aufgewickelt und damit die Rohrform gebildet.
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Dagegen ist in 5 eine alternative Möglichkeit in Form eines Wickelverfahrens schematisch dargestellt, bei welchem Fasern als vorimprägniertem Fasern (Towpreg) oder als zunächst trockene und im Rahmen des Prozesses zu benetzende Fasern (Nasswickelverfahren) zu dem rohrförmigen Körper 34 gewickelt werden. Auch hierbei wird ein Lagenaufbau der später zu erwartenden Belastung angepasst. So kann bei hohen zu erwartenden Torsionsbeanspruchungen vermehrt in plus/-45° Orientierung aufgewickelt und bei hohen Zug-und Druckbelastungen noch zusätzliche 0° Orientierungen gewickelt werden.
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Schließlich zeigt 6 eine dritte Möglichkeit zur Herstellung des Körpers 34 mittels eines Flechtverfahrens, bei welchen der Körper 34 aus einzelnen Fasern geflochten wird. Wie schon bei den vorhergehenden Varianten wird ein Lagenaufbau dabei entsprechend der später zu erwartenden Belastung gewählt. So kann auch hier bei hohen Torsionsbeanspruchungen vermehrt in +/- 45° Orientierung geflochten und bei hohen Zug-und Druckbelastungen zusätzliche 0° Orientierungen vorgesehen werden.
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Um die späteren Aufnahmen 9 und 10 der Stützstruktur 4 zu bilden, wird der Körper 34 anschließend zugeschnitten, indem einzelne Faserstränge entsprechend gekürzt werden, wie im Endergebnis in der rechten Ansicht in 3 für die Aufnahme 10 zu erkennen ist. Dabei wird die Geometrie der zangenähnlichen Aufnahmen 9 und 10 durch entsprechende Definition von Schenkeln 20 und 21 definiert, wie in 3 beispielhaft für die spätere Aufnahme 10 zu sehen ist.
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7 zeigt dann, wie ausgehend von dem Kunststoffhalbzeug 13 mit den jeweiligen, zangenförmigen Aufnahmen 9 und 10 die letztendlichen Gelenkpunkte 2 und 3 des Lenkers 1 gestaltet werden. Über die im Zuge der Herstellung des Lenkers 1 zugefügte - vorliegend nicht weiter zu sehende - Elastomerschicht 16 werden Schwächen der Faserverbundwerkstoffe gezielt an einzelnen Stellen durch Bildung eines Laminats reduziert, um beispielsweise einer Verbesserung der akustischen Eigenschaften und/oder einen Einschlag-und Splitterschutz abzubilden.
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In 8 ist zudem eine alternative Ausführung eines Kunststoffhalbzeuges 22 für die Stützstruktur 4 schematisch dargestellt. Wie zu erkennen ist, werden dabei an Schenkeln 23 und 24 zusätzliche Stege 25 bis 28 definiert, über welche auch eine Art Formschluss mit den jeweiligen Verbindungsstrukturen hergestellt werden soll. Diese Stege 25 bis 28 werden dabei durch entsprechende Kürzungen der Faserlagen ausgebildet.
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Schließlich sind in 9 noch Ansichten eines Lenkers 29 gemäß einer zweiten Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung dargestellt. Dieser entspricht dabei von seinem Aufbau und seiner Herstellung her im Wesentlichen der vorhergehenden Variante, wobei im Unterschied dazu an Gelenkpunkten 30 und 31 Gummilager 32 und 33 vorgesehen sind. Im Übrigen entspricht die Ausführung nach 9 der vorhergehenden Variante, so dass auf das hierzu Beschriebene Bezug genommen wird.
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Mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltungen eines Lenkers, sowie eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung desselbigen kann ein belastbarer Lenker aus einem Faser-Kunststoff-Verbund verwirklicht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lenker
- 2
- Gelenkpunkt
- 3
- Gelenkpunkt
- 4
- Stützstruktur
- 5
- Gummilager
- 6
- Kugelgelenk
- 7
- Ende
- 8
- Ende
- 9
- Aufnahme
- 10
- Aufnahme
- 11
- Verbindungsstruktur
- 12
- Verbindungsstruktur
- 13
- Kunststoffhalbzeug
- 14
- Kunststoffhalbzeuge
- 15
- Sensorik
- 16
- Elastomerschicht
- 17
- Werkzeug
- 18
- Lagenaufbau
- 19
- Walze
- 20
- Schenkel
- 21
- Schenkel
- 22
- Kunststoffhalbzeug
- 23
- Schenkel
- 24
- Schenkel
- 25
- Steg
- 26
- Steg
- 27
- Steg
- 28
- Steg
- 29
- Lenker
- 30
- Gelenkpunkt
- 31
- Gelenkpunkt
- 32
- Gummilager
- 33
- Gummilager
- 34
- Körper
