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Die Erfindung betrifft ein Federbeinlager, umfassend einen Führungsring bestehend aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial, in das wenigstens ein Verstärkungselement eingebracht ist.
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Federbeinlager dienen zur Lagerung einer Feder-Dämpfer-Einheit eines Kraftfahrzeugs. Sie umfassen üblicherweise einen eine Schraubenfeder aufnehmenden oder auflagernden Führungsring sowie eine über ein Gleit- oder Wälzlager angebundene Kappe. Der Führungsring besteht bei bekannten Federbeinlagern aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial und wird in einem Spritzgussverfahren hergestellt. Zur Erhöhung der Belastbarkeit wird mitunter zusätzlich ein metallisches Verstärkungselement, zumeist in Ringform, in den Kunststoffführungsring integriert. Dieses metallische Verstärkungselement dient der Versteifung des Führungsrings und als Schutz vor einem Versagen bei hoher Last. Das Verstärkungselement ist in einem separaten Prozess herzustellen, üblicherweise wird es gestanzt und umgeformt. Im Rahmen der Herstellung des Führungsrings wird das Verstärkungselement in die Spritzgussform eingesetzt und anschließend mit dem thermoplastischen Kunststoffmaterial umspritzt. Alternativ wird das Verstärkungselement nach dem Spritzgussprozess mit der Komponente gefügt. Neben einer Erhöhung des Bauteilgewichts durch ein solches metallisches Verstärkungselement, oft auch Einleger genannt, stellen auch die vorzusehenden Maßnahmen zur Korrosionsvermeidung dieses Verstärkungselements einen Nachteil dar.
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein demgegenüber verbessertes Federbeinlager anzugeben.
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Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Federbeinlager der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Verstärkungselement aus einer Thermoplastmatrix mit darin eingebrachten Endlosfasern besteht.
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Das Verstärkungselement besteht, wie der Führungsring selbst, aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial, weist also eine Thermoplastmatrix auf. In diese sind Endlosfasern eingebracht, das heißt lange Verstärkungsfasern, die sich im Wesentlichen linear über den ganzen Führungsringquerschnitt erstrecken, also von einem Ende des Führungsrings zum anderen laufen. Während kurze Fasern eine Länge im 10tel mm-Bereich und lange Fasern eine Länge von ca. 1 cm aufweisen, haben Endlosfasern eine quasi beliebige Länge, im vorliegenden Fall von mehreren Zentimetern abhängig vom Durchmesser des Führungsrings. Die Endlosfasern liegen zumeist in Form von Faserbündeln, sog. Rovings im Material vor. Über die Endlosfasern bzw. deren Art, Anzahl und/oder Orientierung können die Steifigkeit- und Festigkeitseigenschaften bzw. -kennwerte des Verstärkungselements in weitem Umfang beeinflusst werden. Es kann sich bei dem Verstärkungselement beispielsweise um ein sogenanntes Organoblech, das biaxial verstärkt ist, oder ein Tape, das unidirektional verstärkt ist, handeln. Durch Variation der Faserorientierung, beispielsweise beim Stapeln von Tapes oder Organoblechen, kann die Belastbarkeit der Komponente an die Belastung angepasst werden.
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Durch die Verwendung von einem mit Fasern verstärkten Kunststoff mit, für den Belastungsfall, besseren spezifischen Eigenschaften ist eine Reduzierung des Bauteilgewichts möglich. Die Verwendung eines thermoplastischen Materials ermöglicht des Weiteren die bestmögliche Anbindung des Verstärkungselements in das thermoplastische Kunststoffmaterial des Führungsrings, das heißt, dass im Rahmen des Spritzvorgangs ein stoffschlüssiger Verbund zwischen dem eingespritzten Kunststoffmaterial und der Thermoplastmatrix, also dem Thermoplastmaterial des Verstärkungselements, entsteht. Hierzu ist es zweckmäßig, wenn die Matrix aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial besteht, das identisch mit dem oder kompatibel zu dem eingespritzten Kunststoffmaterial ist.
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Da das endlosfaserverstärkte Thermoplast-Verstärkungselement aufgrund der enthaltenen Endlosfasern deutlich höhere Steifigkeits- und Festigkeitswerte aufweist als das Spritzgussmaterial respektive das Thermoplastmaterial des Führungsrings selbst, ist durch Einbettung dieses Verstärkungselements eine lokale Verstärkung an den höchst belasteten Stellen möglich, wobei das Bauteilgewicht nur geringfügig zunimmt. Als weiterer Vorteil entfallen Maßnahmen zur Korrosionsvermeidung.
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Das Verstärkungselement selbst ist bevorzugt ringförmig, der Kontur des Führungsrings folgend. Eine tellerförmige Grundform mit kreisrundem Durchbruch in der Mitte ist denkbar, wobei die Ausgangsgeometrie gegebenenfalls in Abhängigkeit der Geometrie des Führungsrings in dem Abschnitt, in den das Verstärkungselement eingebracht werden soll, gewählt wird.
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Die Formgebung des Verstärkungselements kann grundsätzlich auf zwei verschiedenen Weisen erfolgen. Zum einem ist ein zweistufiger Prozess denkbar, in dem der verstärkende Einleger in einem ersten Teilschritt unter Verwendung von Temperatur und Druck in die benötigte Form überführt und anschließend im Spitzgießwerkzeug als Einlegeteil umspritzt wird. Es ist jedoch nicht in jedem Fall erforderlich zwei getrennte Prozessschritte durchzuführen, das heißt, es ist nicht zwingend, das Verstärkungselement von Haus aus bereits in eine bestimmte Grundform zu bringen respektive eine bestimmte Geometrie aufzuprägen. Vielmehr ist es denkbar, dass das Verstärkungselement, das, aus einer Thermoplastmatrix bestehend, entweder direkt vor dem Einspritzen des thermoplastischen Kunststoffmaterials in der Form erwärmt wird oderim erwärmten Zustand in die Spritzgussform eingebracht wird, wodurch die Formgebung im Werkzeug durch die Schließbewegung erfolgen kann . Denkbar ist es auch, dass die Erwärmung und damit eine mögliche Formanpassung durch das temperierte Werkzeug und das eingespritzte thermoplastische Kunststoffmaterial selbst erfolgt, das mit entsprechendem Druck und entsprechender Temperatur eingebracht wird. Da das Verstärkungselement relativ dünnwandig ist, wärmt es sehr schnell durch und kann sich in seiner Geometrie anpassen. Bei der Formgebung ist es nicht zwingend erforderlich, dass das Einlegeteil der Kontur des Werkzeugs vollständig folgt, da dahinterliegende Kavitäten aufgrund der Durchlässigkeit des Einlegers mit dem flüssigen Kunststoff gefüllt werden können.
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Die einfache Umformbarkeit durch einen Erwärmungsvorgang und beispielsweise durch das sich schließende Werkzeug oder das eingespritzte Kunststoffmaterial selbst ermöglicht es, auch ein relativ breites ringförmiges Verstärkungselement zu integrieren, da sich diese problemlos der zum Teil komplexeren Querschnittsgeometrie des Führungsrings anpassen kann.
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Als Endlosfasern können Glasfasern oder Kohlenstofffasern verwendet werden. Denkbar ist auch die Verwendung von Aramidfasern oder Naturfasern. Das heißt, dass unterschiedliche thermoplastische Halbzeuge, also Verstärkungselemente verwendet werden können, wobei sich die verwendete Faserart und Fasermenge nach den geforderten Steifigkeits- und Festigkeitskennwerten richtet.
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Insgesamt bietet das erfindungsgemäße Federbeinlager die Möglichkeit, die hoch belasteten Bereiche des Führungsrings im Bereich der Krafteinleitung der Feder und des Dämpfers gezielt zu verstärken, so dass sich aufgrund der höheren Festigkeiten des Verstärkungselements höhere Lasten ertragen lassen..Bei dem Anwendungsfall des Bump-Stops, also bei einer stoßartigen Belastung des Führungsrings durch das Dämpferelement, kann durch die Integration der Endlosfaserverstärkung eine höhere Energieabsorption erreicht werden, wodurch ein gutmütigeres Versagensverhalten erreicht wird. Auch ist mit der Integration des Verstärkungselements eine vernachlässigbare Gewichtszunahme verbunden, da das Verstärkungselement aus dem gleichen oder einem kompatiblen Kunststoffmaterial wie das Führungsringmaterial besteht und die eingebrachten Endlosfasern keinen nennenswerten Gewichtszuschlag bedeutet.
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Neben dem Federbeinlager selbst betrifft die Erfindung ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Führungsrings für ein Federbeinlager der beschriebenen Art. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens ein Verstärkungselement aus einer Thermoplastmatrix mit darin eingebrachten Endlosfasern in eine Form eingebracht und anschließend ein den Führungsring bildendes thermoplastisches Kunststoffmaterial in die Form, dabei das Verstärkungselement einbettend, eingespritzt wird. Das Verstärkungselement wird hierbei mit dem eingespritzten Kunststoffmaterial stoffschlüssig gefügt und befindet sich im fertig gespritzten Führungsring exakt an den zu verstärkenden Stellen des Führungsrings.
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Selbstverständlich ist es denkbar, in den Führungsring nicht nur ein solches, vorzugsweise ringförmiges Verstärkungselement einzubetten, sondern gegebenenfalls auch zwei oder mehr, wenn dies aufgrund der Geometrie des Führungsrings erforderlich oder zweckmäßig ist.
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Die Thermoplastmatrix des verwendeten Verstärkungselements besteht bevorzugt aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial, das identisch oder kompatibel zu dem eingespritzten thermoplastischen Kunststoffmaterial ist, so dass sich eine stoffschlüssige Verbindung ergibt.
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Weiterhin kann ein Verstärkungselement verwendet werden, das für das eingespritzte Kunststoffmaterial beim Einspritzen durchlässig ist oder durchlässig wird. Denkbar ist es beispielsweise, dass diese Durchdringbarkeit beim Einspritzen erreicht wird, nämlich dann, wenn sich die Thermoplastmatrix entweder durch den Einspritzvorgang selbst respektive durch das heiße thermoplastische Kunststoffmaterial erwärmt, oder bereits im vorerwärmten Zustand in die Spritzgießform eingebracht wird. Die Thermoplastmatrix wird dann weich und kann durch das eingespritzte Kunststoffmaterial entsprechend verformt respektive durchdrungen werden. Daneben ist es denkbar,das Verstärkungselement, das als Halbzeug aus der Thermoplastmatrix mit der eingebrachten Endlosfaser vorgefertigt ist, bereits hinreichend durchlässig herzustellen, mithin also zum Beispiel kleine lokale Löcher oder Öffnungen vorzusehen, durch die von Haus aus ein Durchtritt möglich ist, so dass das eingespritzte Kunststoffmaterial durch das ringscheibenförmige Verstärkungselement treten kann.
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Wie bereits beschrieben ist es denkbar, das Verstärkungselement vor dem Einbringen in die Form zu erwärmen, oder es durch die beheizte Werkzeugform und das eingespritzte thermoplastische Kunststoffmaterial zu erwärmen. In diesem Fall wird es in Folge der Erwärmung weich und kann sich resultierend aus dem Spritzdruck und der Geometrie der Spritzgießform entsprechend verformen und anpassen. Das heißt, dass das Verstärkungselement ein einfaches ringscheibenförmiges Halbzeug sein kann, nachdem es während des Herstellvorgangs des Führungsrings in seiner Geometrie entsprechend umgeformt und angepasst werden kann. Denkbar ist es aber auch, das Verstärkungselement in einem ersten Schritt vor dem Spritzgießprozess in eine bestimmte dreidimensionale Geometrie zu bringen,
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Als Verstärkungselement wird bevorzugt ein solches mit Endlosfasern in Form von Glas-, Kohlenstoff-, Aramid- oder Naturfasern oder andere technische Verstärkungsfasern verwendet.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
- 1 eine geschnittene Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Federbeinlagers mit zwei möglichen Einbettungsvarianten von Verstärkungselementen, und
- 2 eine Prinzipdarstellung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Federbeinlager 1, umfassend einen Führungsring 2, der zur Aufnahme und Abstützung einer Schraubenfeder und eines Dämpfers in an sich bekannter Weise dient. Der Führungsring ist ein Kunststoffspritzgussteil aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial.
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Vorgesehen ist des Weiteren eine Kappe 3, ebenfalls ein Kunststoffbauteil, die im gezeigten Beispiel über ein Wälzlager 4 mit dem Führungsring 2 gekoppelt ist. Über das Wälzlager 4 ist eine relative Verdrehbarkeit zwischen Führungsring 2 und Kappe 3 gegeben.
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Der Führungsring 2 ist wie beschrieben ein Bauteil aus einem thermoplastischen Kunststoff, das in einem Spritzverfahren hergestellt wird. Es ist denkbar, kurze Fasern (Glas, Kohlenstoff, Aramid, Natur) in das Kunststoffmaterial einzubetten, um dessen Steifigkeit und Festigkeit zu erhöhen.
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Erfindungsgemäß wird nun ein oder werden mehrere Verstärkungselemente in den Verstärkungsring eingebettet, in 1 sind zwei verschiedene Ausführungsvarianten gezeigt.
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In der linken Bildhälfte sind zwei Verstärkungselemente 5a, 5b gezeigt, die der Geometrie des zu versteifenden Abschnitts des Führungsrings 2 folgen. Das Verstärkungselement 5a befindet sich in dem Bereich, in dem eine Schraubenfeder abgestützt wird. Das Verstärkungselement 5b befindet sich im Bereich der Abstützung eines Dämpfers.
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Jedes der Verstärkungselemente 5a, 5b besteht aus einer Thermoplastmatrix mit darin bevorzugt in Form von Rovings eingebetteten Endlosfasern 6a, 6b, die hier vereinfachend schematisch durch Punkte dargestellt sind. Die Endlosfasern 6a, 6b sind beispielsweise eine Glas-, oder Kohlenstofffasern, können aber auch Aramid- oder Naturfasern sein. Die Orientierung der Endlosfasern ist dabei vorzugsweise so zu wählen, dass die Verstärkungswirkung bestmöglichst erreicht wird.
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Jedes Verstärkungselement 5a, 5b besteht aus einer Thermoplastmatrix 7a, 7b, wobei diese Thermoplastmatrix bevorzugt identisch zu dem Thermoplastmaterial, aus dem der Führungsring 2 gespritzt wird, ist, so dass sich ein guter stoffschlüssiger Verbund ergibt.
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Im Rahmen der Herstellung, worauf nachfolgend noch eingegangen wird, wird jedes Verstärkungselement 5a, 5b bevorzugt vor dem Einbringen einer Spritzgießform erwärmt, so dass die Thermoplastmatrix 7a, 7b weich wird und sich jedes Verstärkungselement 5a, 5b beim Schließen der Form bereits in seiner Geometrie anpasst. Beim Einspritzen des Kunststoffmaterials zur Bildung des Führungsrings 2 wird jedes Verstärkungselement 5a, 5b sodann. stoffschlüssig mit dem Spritzguss-Führungsring verbunden.
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In der rechten Hälfte von 1 ist nur ein Verstärkungselement 5 gezeigt, wiederum bestehend aus einer Thermoplastmatrix 7 mit darin eingebrachten Endlosfasern 6, wobei auch hier die oben erwähnten Fasertypen verwendet werden können. Auch hier ist die Thermoplastmatrix bevorzugt identisch oder wenigstens verbindungs- oder stoffmäßig kompatibel zum Thermoplastmaterial des Führungsrings 2, so dass sich ein stoffschlüssiger Verbund ergibt.
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Ersichtlich erstreckt sich das hier deutlich breitere Verstärkungselement 5 in die beiden Bereiche, in denen die im linken Bildteil gezeigten Verstärkungselemente 5a, 5b vorgesehen sind. Es wird hier also nur ein einziges ringförmiges Verstärkungselement eingelegt. Aufgrund der Erwärmung, wie oben beschrieben, kann sich das ring- oder scheibenförmige Verstärkungselement 5 der entsprechenden Geometrie anpassen und verformt sich entsprechend.
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2 zeigt lediglich einen möglichen exemplarischen Ablauf des Herstellungsverfahrens. Gezeigt ist das Verstärkungselement 5, das im Figurenteil a) zunächst aufgenommen und, siehe Figurenteil b), in eine Erwärmungseinrichtung 8 eingebracht, wo es temperiert wird, so dass die Thermoplastmatrix 7 weich wird.
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Anschließend wird das Verstärkungselement 5 in eine Spritzgießform 9, siehe Figurenteil c), eingebracht, die anschließend, siehe Figurenteil d), geschlossen wird, wodurch sich eine Umformung des Verstärkungselements 5 einstellt, es folgt der Form der Kavität der Spritzgießform 9.
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Im nächsten Schritt, Figurenteil e), wird sodann das thermoplastische Kunststoffmaterial 10 in die Spritzgießform 9 eingespritzt, worüber der Führungsring 2 gebildet wird. Hierbei wird das Verstärkungselement 5stoffschlüssig in dem vorgesehenen Bereich gefügt.
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Im letzten Schritt, Figurenteil f), wird sodann die Spritzgießform geöffnet und der fertig gespritzte Führungsring 2 entnommen.
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Alternativ kann auch ein zweistufiger Herstellprozess, wie einleitend beschrieben, zur Herstellung des Führungsrings 2 durchgeführt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Federbeinlager
- 2
- Führungsring
- 3
- Kappe
- 4
- Wälzlager
- 5
- Verstärkungselement
- 5a
- Verstärkungselement
- 5b
- Verstärkungselement
- 6
- Endlosfaser
- 6a
- Endlosfaser
- 6b
- Endlosfaser
- 7
- Thermoplastmatrix
- 7a
- Thermoplastmatrix
- 7b
- Thermoplastmatrix
- 8
- Erwärmungseinrichtung
- 9
- Spritzgießform
- 10
- Kunststoffmaterial
