DE102016225332A1

DE102016225332A1 - Verbundbauteil, insbesondere Betätigungspedal für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE102016225332A1
Application number: DE102016225332.8A
Authority: DE
Inventors: Tobias Lahrmann; Arnold Blanke
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2016-12-16
Filing date: 2016-12-16
Publication date: 2018-06-21

Abstract

Verbundbauteil, insbesondere Betätigungspedal für Kraftfahrzeuge wobei das Rohmaterial für das Verbundbauteil eine Gewebeeinlage aus einem endlos Fasermaterial und einen Matrixwerkstoff umfasst, wobei das Verbundbauteil einen festigkeitssteigernde Körperbereich aufweist, der von einem mit dem Matrixwerkstoff verträglichen Kunststoff gebildet wird, wobei der festigkeitssteigernde Körperbereich von mindestens einem aus einer Grundebene erhabenen Teilbereich gebildet wird, der eine Wandstärke aufweist wie das Rohmaterial.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbundbauteil gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Im Hinblick auf eine deutliche Gewichtsreduzierung gibt es schon praktische Anwendungen, bei denen ein Fahrzeugpedal aus einem Verbundwerkstoff besteht. Dabei wird eine sehr einfache Pedalgrundform angestrebt, die sich aus einem Plattenmaterial durch einfache Biegearbeitsschritte erzeugen lässt. Das Plattenmaterial besteht aus einer Gewebeschicht, die mit einem Matrixwerkstoff zu einer Plattenform aufgefüllt ist. Die Gewebeschicht selbst kann ein- oder mehrlagig sein, wobei einzelne Gewebefäden als Teil der Gewebeschicht auf vielfältige Art und Weise miteinander verbunden sein können.
Dieses Plattenmaterial wird in Umformwerkzeugen, insbesondere mit einer geeigneten Temperatur oder in einem geeigneten Temperaturbereich, in die angestrebte Grundform gebracht, wobei ein Vorteil darin besteht, dass die Oberfläche des Plattenmaterials keinerlei optische Nachbearbeitung, wie z. B. eine Lackierung bedarf. Aufgrund der einfachen Grundform werden alle Funktionsbereiche, die von der Grundform nicht erfüllt werden können, durch Zusatzwerkstoff erzeugt, der mit dem Matrixwerkstoff verträglich ist und eine feste Verbindung eingeht.
Die einfache Grundform genügt in vielen Fällen nicht den Festigkeitsanforderungen. Deshalb werden Versteifungsrippen eingesetzt, die ein Profil bilden, das z. B. in einen U-förmigen Grundkörper eingespritzt wird. Auch hier ist auf die Verträglichkeit des Zusatzwerkstoffs für die Rippenstruktur auf den Matrixwerkstoff abzustimmen. Beispielhaft wird in diesem Zusammenhang auf die DE 10 2013 215 067 A1 , die DE 10 2011 003 222 A1 oder die DE 10 2014 109 276 A1 verwiesen.
Der zusätzliche Einsatz von Zusatzwerkstoff verringert den angestrebten Gewichtsvorteil. Des Weiteren sind vergleichsweise komplexe Spritzwerkzeuge notwendig, um die erforderliche Rippenstruktur zu fertigen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine weitere Möglichkeit zur Festigkeitssteigerung von Bauteilen aus Verbundmaterial bereitzustellen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der festigkeitssteigernde Körperbereich von mindestens einem aus einer Grundebene erhabenen Teilbereich gebildet wird, der eine Wandstärke aufweist wie das Rohmaterial.
Demnach ist ein Verbundbauteil vorgesehen, insbesondere ein Betätigungspedal für Kraftfahrzeuge, wobei das Rohmaterial für das Verbundbauteil eine Gewebeeinlage aus einem endlos Fasermaterial und einen Matrixwerkstoff umfasst, wobei das Verbundbauteil einen festigkeitssteigernden Körperbereich aufweist. Insbesondere wird der festigkeitssteigernde Körperbereich von einem mit dem Matrixwerkstoff verträglichen Kunststoff gebildet.
Durch die Ausformungen von erhabenen Teilbereichen aus der Grundebene des Bauteils wird das Flächenträgheitsmoment vergrößert. Ein erhöhtes Flächenträgheitsmoment wirkt sich festigkeitssteigernd aus, so dass auf eine übliche Verrippung verzichtet oder zumindest reduziert werden kann. Zusätzliche Rippenstrukturen sind zwar weiterhin möglich, können jedoch vielfach reduziert werden.
Im Hinblick auf eine intakte Gewebeschicht liegt zwischen der Grundebene und dem dazu erhabenen Teilbereich ein ausgerundeter Übergangsbereich vor.
Eine weitere Möglichkeit der Festigkeitssteigerung wird darin gesehen, dass bezogen auf die Grundebene mindestens zwei erhabene Teilbereiche mit diametraler Ausrichtung ausgeführt sind. Damit wird die Höhe des Gesamtprofils gesteigert. In der Berechnung des Biegewiderstandsmoments fließt die Profilhöhe bezogen auf die Biegelinie in der dritten Potenz ein, so dass schon eine geringe Bauteilerhöhung eine spürbare Festigkeitssteigerung mit sich bringt.
In einer besonders einfachen Ausführungsform wird der erhabene Teilbereich von einer Prägung gebildet. Die Prägung kann z. B. kalottenförmig sein.
Bevorzugt wird die Prägung als eine Sicke ausgeführt, die sich auch über eine größere Bauteillänge einfach herstellen lässt.
Bei tieferen Sicken ist es vorteilhaft, wenn die Sicke einen u-förmigen Querschnitt aufweist, da dann ein größerer Steg entgegen der Biegebelastung verläuft.
Insbesondere flachere Sicken werden bevorzugt mit einem v-förmigen Querschnitt ausgeführt, da bei flacheren Sicken der Biegewinkel kleiner ist und damit auch kleinere Radien herstellbar sind, ohne das die Gewebeschicht zur stark belastet wird.
Um z. B. neben einer Biegebelastung auch noch eine Torsionsbelastung zuverlässig aufnehmen zu können, ist vorgesehen, dass die mindestens eine Sicke schräg zu einer Hauptbelastungsachse, Längsachse und/oder Längsrichtung des Verbundbauteils verläuft.
Eine besonders festigkeitssteigernde Maßnahme wird darin gesehen, wenn mehrere Prägungen vorliegen, deren Hauptachsen sich schneiden.
Um einen Schmutzeintrag in die Sicken oder Prägungen zu verhindern kann man vorsehen, dass das Verbundbauteil zumindest teilweise mit einer Deckschicht zum Ausgleich eines Höhenunterschieds zwischen dem erhabenen Teilbereich und der Grundebene versehen ist. Folglich kann sich kein Schmutz fangen und die Beschichtung bietet die Möglichkeit, dass die Oberfläche partiell stumpfer wird, um eine Abrutschen zu vermeiden.
Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden.
Es zeigt:

1 Rohbauteil des Verbundbauteils
2 Verbundbauteil mit einer axial verlaufenden Sicke
3 Verbundbauteil mit u-förmiger Sicke
4 Verbundbauteil mit zwei diametral ausgerichteten Teilbereichen
5 Verbundbauteil mit schrägverlaufenden sich schneiden Sicken
6 Verbundbauteil nach 5 mit einer Deckschicht
7 Verbundbauteil mit mehrere tellerförmigen Prägungen.

Die 1 zeigt ein Verbundbauteil 1, das mindestens eine Gewebeeinlage 3 aus Endlosfasern 5 und einen diese umschließenden Matrixwerkstoff wie z. B. einen Thermoplastkunststoff aufweist. Die Gewebeeinlage 3 dient der Festigkeitssteigerung und kann in mehreren Lagen oder auch in unterschiedlichen Winkelausrichtungen angeordnet sein. Dieser Grundaufbau wird in den folgenden Figuren stets vorausgesetzt.
Die 2 zeigt das Verbundbauteil 1 gemäß der Erfindung, bei der ein festigkeitssteigernde Körperbereich 9 von mindestens einem aus einer Grundebene 11 erhabenen Teilbereich 13 gebildet wird, der eine Wandstärke aufweist wie das Rohmaterial. In diesem Ausführungsbeispiel wird der erhabene Teilbereich von einer axial verlaufenden Sicke 13 gebildet, so dass dieses Verbundbauteil insbesondere für eine Biegebelastung um eine Biegeachse quer zur Längsachse des Verbundbauteils 1 optimiert ist. Dabei wird kein Zusatzwerkstoff eingesetzt. Grundsätzlich wäre es jedoch auch weiterhin möglich zusätzlich eine Rippenversteifung wie aus dem Stand der Technik einzusetzen. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Sicke 13 einen v-förmigen Querschnitt auf, wobei zwischen der Sicke 13 und der Grundebene 11 ein ausgerundeter Übergangsbereich 17 vorliegt. Der ausgerundete Übergangsbereich 17 soll eine möglichst gleichmäßig Fadenverteilung im Gewebeverbund erhalten.
Die 3 zeigt wie die 2 ein Verbundteil mit einer in Längsrichtung verlaufende Sicke 13. Abweichend ist die Sicke 13 mit einem u-förmigen Querschnitt ausgeführt, weist jedoch ebenfalls ausgerundete Übergangsbereiche 17 auf. Tendenziell ist der Sickengrund tiefer ausgeführt als in der 2.
Mit der 4 soll an dem Verbundbauteil 1 exemplarisch dargestellt werden, dass bezogen auf die Grundebene 11 mindestens zwei erhabene Teilbereiche mit diametraler Ausrichtung ausgeführt sein können. Eine erste Sicke 13a erstreckt sich entgegengesetzt zu parallelen Stegen 19 des Verbundbauteils und eine zweite Sicke 13b weist in dieselbe Richtung wie die Stege 19. Dadurch ergibt sich eine deutlich Steigerung der für die Biegebelastungsgrenze maßgeblichen Profilhöhe.
In der Ausführung nach 5 sind zwei zusätzliche Merkmale im Vergleich zur Ausführung nach 2 realisiert. Zum einen verläuft mindestens eine Sicke 13 schräg zu einer Hauptbelastungsachse des Verbundbauteils und zum anderen liegen mehrere Prägungen bzw. Sicken vor, deren Hauptachsen sich unter einem frei wählbaren Winkel α < 180° schneiden. Dabei wird eine Sicke als eine Prägung angesehen. Diese Form eines festigkeitssteigernden Körperbereichs 9 kann auch Kräfte mit verschiedenen Wirkrichtungen zuverlässig aufnehmen, z. B. eine Biegebelastung und eine Torsionsbelastung.
In der Anwendung des Verbundbauteils 1 als Bestandteil einer Pedalarie ist das Verbundbauteil einem erhöhten Schmutzeintrag ausgesetzt. Dieser Schmutz könnte sich in den Prägungen bzw. Sicken 13 sammeln und das optische Erscheinungsbild beeinträchtigen. Um diesen möglichen optischen Mangel zu beheben, ist das Verbundbauteil 1 gemäß 6 zumindest teilweise mit einer Deckschicht 21 zum Ausgleich eines Höhenunterschieds zwischen dem erhabenen Teilbereich und der Grundebene 3 versehen. Man kann lediglich die Prägungen bzw. Sicken 13 auffüllen, jedoch das Prägemuster optisch erhalten oder eine vollständige Überdeckung vornehmen. Die Deckschicht könnte dabei einen hohen Reibungskoeffizienten aufweisen, um z. B. ein Abrutschen von einem Pedal zu verhindern.
Mit der 7 soll verdeutlicht werden, dass die Prägungen bzw. der erhabene Teilbereich 13 nicht unbedingt als Sicke ausgeführt sein müssen. Dazu sind beispielhaft tellerförmige Vertiefungen und/oder Erhebungen aus der Grundebene 11 des Verbundbauteils 1 ausgeformt. Diese Prägungen 13 können auf einen bestimmten Flächenbereich des Verbundbauteils 1 beschränkt sein, sich jedoch auch grundsätzlich über die gesamte Oberfläche des Verbundbauteils 1 erstrecken.
Unabhängig von der Erfindung besteht weiterhin die Möglichkeit der Verwendung von Versteifungsrippen wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Beide Technogien zur Versteifung eines Verbundbauteils schließen sich grundsätzlich nicht aus.
Bezugszeichenliste

1: Verbundbauteil
3: Gewebeeinlage
5: Endlosfaser
7: Matrixwerkstoff
9: Körperbereich
11: Grundebene
13: erhabener Teilbereich
13a: erste Sicke
13b: zweite Sicke
15: Biegeachse
17: Übergangsbereich
19: Steg
21: Deckschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013215067 A1 [0004]
DE 102011003222 A1 [0004]
DE 102014109276 A1 [0004]

Claims

Verbundbauteil (1), insbesondere Betätigungspedal für Kraftfahrzeuge wobei das Rohmaterial für das Verbundbauteil eine Gewebeeinlage (3) aus einem endlos Fasermaterial (5) und einen Matrixwerkstoff (7) umfasst, wobei das Verbundbauteil (1) einen festigkeitssteigernden Körperbereich (9) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der festigkeitssteigernde Körperbereich (9) von mindestens einem aus einer Grundebene (11) erhabenen Teilbereich (13) gebildet wird, der eine Wandstärke aufweist wie das Rohmaterial.
Verbundbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Grundebene (11) und dem dazu erhabenen Teilbereich (13) ein ausgerundeter Übergangsbereich (17) vorliegt.
Verbundbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bezogen auf die Grundebene (11) mindestens zwei erhabene Teilbereiche (13a; 13b) mit diametraler Ausrichtung ausgeführt sind.
Verbundbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erhabene Teilbereich (13) von einer Prägung gebildet wird.
Verbundbauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Prägung als eine Sicke (13) ausgeführt ist.
Verbundbauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicke (13) einen u-förmigen Querschnitt aufweist.
Verbundbauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicke (13) einen v-förmigen Querschnitt aufweist.
Verbundbauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Sicke (13) schräg zu einer Hauptbelastungsachse, Längsachse und/oder Längsrichtung des Verbundbauteils (1) verläuft.
Verbundbauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, das mehrere Prägungen (13a; 13b) vorliegen, deren Hauptachsen sich schneiden.
Verbundbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundbauteil (1) zumindest teilweise mit einer Deckschicht (21) zum Ausgleich eines Höhenunterschieds zwischen dem erhabenen Teilbereich (13) und der Grundebene (11) versehen ist.