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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines aus zumindest zwei Bauteilen zusammengesetzten und faserverstärkten Kunststoffverbund-Maschinenteils. Die Erfindung betrifft außerdem ein nach diesem Verfahren hergestelltes Kunststoffverbund-Maschinenteil.
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Aus der
DE 10 2014 226 408 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffverbund-Bauteils mit gewickelten Verstärkungsfasern bekannt, umfassend ein Erzeugen einer Kernstruktur, wozu Buchsen, die im herzustellenden Bauteil als Krafteinleitungspunkte fungieren, in der Kavität eines Spritzgießwerkzeugs positioniert und derart mit Kunststoff umspritzt werden, dass diese mit definierten Positionen und Ausrichtungen fixiert sind. Anschließend erfolgt das Umwickeln der Kernstruktur mit Endlosfasern sowie das Einlegen der umwickelten Kernstruktur in die Kavität und das Einbetten in eine Matrixmasse.
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Aus der
DE 30 04 575 C2 ist ein Pleuelstange mit einem quer zu ihrer Längsachse geteilten und durch eine Verschraubung zusammengehaltenen Pleuelauge bekannt. Zur Verstärkung der Pleuelstange sind dabei Kohlefasern eingesetzt, wobei die Pleuelstange an sich aus Kunststoff ausgebildet ist.
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Aus der
DE 33 17 046 A1 ist ebenfalls eine Pleuelstange bekannt, die bis auf die Lagerbuchsen aus faserverstärktem Kunstharz besteht. Der Kern dieser Pleuelstange ist einteilig und weist mehrere Faserlagen auf, wobei die Fasern abwechselnd in Richtung der Längsachse der Pleuelstange und in einem Winkel von +10° bis +30° und -10° bis -30° verlaufen.
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Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Pleuelstangen bzw. generell faserverstärkten Kunststoffverbund-Maschinenteilen ist jedoch, dass diese, sofern sie aus zumindest zwei Bauteilen bestehen, üblicherweise über Schrauben miteinander verbunden und zueinander ausgerichtet werden. Dies verhindert jedoch einen einfachen Zusammenbau.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für ein Verfahren zur Herstellung eines aus zumindest zwei Bauteilen zusammengesetzten und faserverstärkten Kunststoffverbund-Maschinenteils eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine deutlich vereinfachte Montage eines zudem gewichtsoptimierten und belastungsfähigen Kunststoffverbund-Maschinenteils auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein Kunststoffverbund-Maschinenteil als faserverstärktes Verbundbauteil auszubilden und zugleich Positionierelemente einzusetzen, die einen Zusammenbau des aus zumindest zwei Bauteilen bestehenden Kunststoffverbund-Maschinenteils in nur einer einzigen Position erlauben und dadurch deutlich vereinfachen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines aus zumindest zwei Bauteilen zusammengesetzten und faserverstärkten Kunststoffverbund-Maschinenteils, werden zumindest zwei Bauteile des Kunststoffverbund-Maschinenteils verwendet, die jeweils Führungselemente, wie beispielsweise Buchsen, für beispielsweise eine Befestigungsschraube, aufweisen. Bei zumindest einem dieser Bauteile wird zumindest ein Führungselement mit zumindest einer unter vordefinierter Zugspannung stehenden Faser gehalten, die ähnlich einem Spannbetonbauteil eine vordefinierte Zugspannung in das Bauteil einbringt und dadurch dessen Belastungsfähigkeit steigert. Die Führungselemente und die zumindest eine unter Zugspannung stehende Faser werden anschließend mit Kunststoff umspritzt, wobei der Kunststoff - verglichen mit einem Spannbetonbauteil - die Aufgabe besitzt, Druckkräfte zu übernehmen, ähnlich wie der Beton im Spannbetonbauteil, während dort die Zugstähle die Zugkräfte übernehmen. Dabei werden die Führungselemente der beiden Bauteile vor dem Umspritzen mit Kunststoff derart ausgerichtet, dass nach dem Herstellen der beiden Bauteile ein exakt ausgerichtetes Fügen der beiden Bauteile einzig und allein über die Führungselemente möglich ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit bei zumindest einem Bauteil zumindest eine solche Verstärkungsfaser bzw. generell Faser eingesetzt, während das andere Bauteil ebenso eine solche Faser aufweisen kann, nicht jedoch muss. Die beiden Bauteile können dabei separat zueinander hergestellt werden oder aber als einstückiges Bauteil, beispielsweise sofern das Kunststoffverbund-Maschinenteil als Pleuel ausgebildet ist, wobei anschließend ein Brechen des Pleuels im Bereich eines Pleuelauges in einer Bruchebene erfolgt. Nach dem Einlegen beispielsweise der Kurbelwelle wird das zweite Bauteil des Kunststoffverbund-Maschinenteils über die Bruchebene und über die Führungselemente wieder mit dem ersten Bauteil des Kraftstoffverbund-Maschinenteils verbunden und anschließend beispielsweise über eine Schraube, die durch die beiden koaxial zueinander ausgerichteten Führungselemente geführt ist, fixiert. Die Bruchebene verläuft dabei im Bereich einer Trennebene der beiden Führungselemente, wobei die beiden Führungselemente, beispielsweise über eine entsprechend ausgebildete und ineinander eingreifende Geometrie dafür sorgen, dass ein vergleichsweise einfaches und exakt ausgerichtetes Verbinden der beiden Bauteile miteinander möglich ist. Dabei ist selbstverständlich denkbar, dass beide Bauteile faserverstärkt sind, wobei selbstverständlich klar ist, dass zum problemlosen Brechen des einstückig hergestellten Kunststoffverbund-Maschinenteils die Fasern die Bruchebene nicht kreuzen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit erstmals möglich, derartige Kraftstoffverbund-Maschinenteile durch die Faserverstärkung nicht nur hinsichtlich ihres Gewichts und ihrer Leistungsfähigkeit zu optimieren, sondern zugleich auch eine Montage zu vereinfachen, da ein exaktes Ausrichten der zumindest zwei Teile zueinander ausschließlich über die zuvor in dem Kunststoff eingebetteten Führungselemente erfolgen kann.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zumindest ein Halterahmen für zumindest eines der Bauteile bereitgestellt, wobei die Führungselemente, wie beispielsweise Buchsen, an jeweils vordefinierten Stellen in den Halterahmen eingelegt und dort fixiert werden. Anschließend wird zumindest eine harz- oder klebstoffgetränkte Faser, die beispielsweise zunächst als Endlosfaser ausgebildet und später abgelängt wird, unter vordefinierter Zugspannung mit den Führungselementen verbunden, wobei die harz- und klebstoffgetränkte Faser üblicherweise entlang eines bei der Benutzung des herzustellenden Kunststoffverbund-Maschinenteils auftretenden Zugspannungsverlaufs angeordnet wird. Nach dem Aushärten des Klebstoffs bzw. des Harzes der harz- oder klebstoffgetränkten Fasern werden die Führungselemente und die Fasern mit Kunststoff umspritzt, wobei der nunmehr verwendete Kunststoff im später fertiggestellten Kunststoffverbund-Maschinenteil die Druckkräfte aufnehmen soll. Mittels des Einsatzes des erfindungsgemäßen Halterahmens lassen sich die Fasern zwischen den Führungselementen und beispielsweise anderen Punkten bzw. Umlenkpunkten vergleichsweise einfach vorspannen und dadurch die vordefinierte Zugspannung, analog zu einem Spannbetonteil, aufbringen. Nach dem späteren Umspritzen der Fasern und der Führungselemente bzw. weiterer Elemente, ist durch die Fasern eine vordefinierte Eigenzugspannung im Bauteil implementiert, wodurch dieses entlang der Fasern auftretende Zugspannungen besser aufnehmen kann. Selbstverständlich ist dabei denkbar, dass lediglich eines der zumindest zwei Bauteile des Kunststoffverbund-Maschinenteils faserbewehrt ist, oder aber auch zwei oder sämtliche Bauteile des Kunststoffverbund-Maschinenteils.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung wird zum Umspritzen der Führungselemente und der zumindest einen unter Zugspannung stehenden Faser ein Thermoplast oder ein Duroplast verwendet. Thermoplaste, auch Plastomere genannt, sind Kunststoffe, die sich in einem bestimmten Temperaturbereich verformen lassen. Duroplaste hingegen sind Kunststoffe, die nach ihrer Aushärtung durch Erwärmung oder andere Maßnahmen nicht mehr verformt werden können. Duroplaste enthalten üblicherweise harte, amorphe und daher unlösliche Polymere.
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Zweckmäßig werden als Fasern Glasfasern, Kohlefasern oder Aramidfasern verwendet. Bereits diese nicht abschließende Aufzählung lässt erahnen, welch mannigfaltiger Einsatz an Fasern rein theoretisch denkbar ist, wobei diese Fasern in der Lage sind, bei äußerst geringem Gewicht äußerst hohe Zugkräfte aufnehmen und dadurch die Zugbelastungsfähigkeit des damit armierten Bauteils deutlich steigern zu können.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein nach diesem Verfahren hergestelltes Kunststoffverbund-Maschinenteil anzugeben, wobei dieses als Pleuel oder als Lagerrahmen, insbesondere für eine Nockenwelle oder eine Kurbelwelle, ausgebildet ist. Selbstverständlich sind auch weitere Anwendungen denkbar, wobei insbesondere die Ausbildung als Pleuel oder als Lagerrahmen, insbesondere auch für eine Ausgleichswelle, besonders vorteilhaft sind, da beispielsweise Ausgleichswellen oder Kurbelwellen oder auch Nockenwellen üblicherweise geteilte Lagerschalen bedürfen. In diesem Fall ist es somit möglich, das Kunststoffverbund-Maschinenteil zunächst einstückig mit geschlossenem Lagerauge herzustellen und anschließend - wie bei bisher gängigen Pleuel oder Lagerrahmen auch - entlang einer Bruchebene bzw. entlang einer Bruchgeometrie, in welcher ausschließlich Kunststoff, nicht jedoch Fasern angeordnet sind, zu brechen. Hierdurch kann eine exakt verzahnte Bruchgeometrie erzeugt werden, die ein späteres Zusammensetzen erleichtert. Durch die in beiden Bauteilen in vordefinierter Position eingegossenen Führungselemente kann ein nachträgliches Bohren zur Aufnahme von beispielsweise Fixierschrauben, gänzlich vermieden werden. Ein Zusammensetzen der beiden Teile des Kunststoffverbund-Maschinenteils, beispielsweise eines bruchgetrennten Pleuels, wobei durch das Bruchtrennen ebenso wie durch das Vorsehen der zumindest zwei miteinander zusammenwirkenden Führungselemente begünstigt, da beide ein formschlüssiges und damit eindeutiges Fügen ermöglichen bzw. erzwingen. Ein Trennen der beiden Bauteile des zunächst einstückig ausgebildeten Kunststoffverbund-Maschinenteils kann dabei in üblicher Weise mittels eines hydraulischen Spreizdorns erreicht werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist das Kunststoffverbund-Maschinenteil als Anlenkpleuel ausgebildet. Derartige Anlenkpleuel werden beispielsweise zur Verkürzung der Baulänge von V-Motoren und zur Unterbringung eines Zylinderbankversatzes verwendet. Dabei ist selbstverständlich klar, dass die zur Verstärkung eingesetzten Fasern eine Bruchebene zwischen den beiden Bauteilen des Kunststoffverbund-Maschinenteils nicht kreuzen, so dass diese beim Bruchtrennen nicht extra getrennt werden müssen.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondem auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Darstellung eines nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten und als Koppelpleuel ausgebildeten faserverstärkten Kunststoffverbund-Maschinenteils,
- 2 eine Darstellung der in dem Kunststoffverbund-Maschinenteil der 1 eingebetteten Fasern und Führungselemente,
- 3 eine Seitenansicht auf das Koppelpleuel gemäß der 1 sowie eine Detaildarstellung A,
- 4 ein als Lagerrahmen ausgebildetes und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Kraftstoffverbund-Maschinenteil.
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Entsprechend den 1 bis 4, ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffverbund-Maschinenteil 1 aus zumindest zwei Bauteilen 2, 3 zusammengesetzt und zudem mittels Fasern 4, beispielsweise Endlosfasern, verstärkt. Gemäß den 1 bis 3 ist dabei das erfindungsgemäße Kunststoffverbund-Maschinenteil 1 als Pleuel 5, insbesondere als sogenanntes Koppelpleuel 6, ausgebildet, während es gemäß der 4 als Lagerrahmen 7 für beispielsweise eine nicht gezeigte Nockenwelle, Ausgleichswelle oder Kurbelwelle ausgebildet ist. Die Fasern 4 bzw. Endlosfasern können dabei Glasfasern, Kohlefasern oder Aramidfasern enthalten bzw. als solche ausgebildet sein, wobei selbstverständlich auch eine Mischung derartiger Fasern denkbar ist.
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Wie den 1 bis 4 weiter zu entnehmen ist, sind an den beiden Bauteilen 2, 3 des Kunststoffverbund-Maschinenteils 1 Führungselemente 8a, 8b vorgesehen, die beim montierten Kunststoffverbund-Maschinenteil 1 formschlüssig ineinander greifen bzw. formschlüssig miteinander zusammenwirken und dadurch eine exakte Ausrichtung des einen Bauteils 2 relativ zum anderen Bauteil 3 des Kunststoffverbund-Maschinenteils 1 bewirken und ermöglichen. Die Fasern 4 sind dabei unter Zugspannung eingebracht und von Kunststoff 9, beispielsweise einem Duroplast oder einem Thermoplast, umspritzt, wobei der Kunststoff 9 der Aufnahme von Druckkräften und die Fasern 4 der Aufnahme von Zugkräften dienen, so dass das zugbewährte und faserverstärkte Kunststoffverbund-Maschinenteil 1 analog zu einem Spannbetonbauteil ausgebildet ist. Die Fasern 4 können dabei als Endlosfasern ausgebildet sein und entsprechend einer vorberechneten Zugspannung beim Betrieb des Kunststoffverbund-Maschinenteils 1 in demselben angeordnet werden, wodurch das erfindungsgemäße Kunststoffverbund-Maschinenteil 1 in der Lage ist, bei vergleichsweise geringem Gewicht, vergleichsweise hohe Belastungen aufzunehmen.
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Die beiden Bauteile 2, 3 des erfindungsgemäßen Kunststoffverbund-Maschinenteils 1 können dabei separat zueinander ausgebildet und anschließend aneinander montiert bzw. über Fixierelemente 10, beispielsweise Schrauben 11, miteinander verbunden werden. Dabei ist selbstverständlich klar, dass in beiden Bauteilen 2, 3 eine Faserbewehrung mit Fasern 4 vorgesehen sein kann, oder aber in lediglich einem der beiden Bauteile 2 oder 3. Gemäß den 1 und 2 sind dabei in beiden Bauteilen 2, 3 Fasern 4 vorhanden, während bei dem erfindungsgemäßen Kunststoffverbund-Maschinenteil 1 gemäß der 4 lediglich im Bauteil 2 derartige Fasern 4 vorgesehen sind.
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Das formschlüssige Zusammenwirken der beiden Führungselemente 8a, 8b kann beispielsweise durch ein Ineinandergreifen erfolgen, wie dies beispielsweise bei den Führungselementen 8a, 8b gemäß der 4 gezeigt ist, wobei es alternativ auch denkbar ist, dass das Führungselement 8a eine Außenstufe 12 und/oder das Führungselement 8b eine Innenstufe 13 aufweisen, wodurch ebenfalls ein formschlüssiges und lagedefiniertes Ineinandergreifen ermöglicht wird. Die Führungselemente 8a, 8b sind dabei üblicherweise aus Metall ausgebildet. Die Fasern 4 selbst können rein theoretisch auch Naturfasern organischer Art sein, wodurch eine besonders ökologische Fertigung möglich ist.
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Hergestellt wird das erfindungsgemäße Kunststoffverbund-Maschinenteil 1 dabei wie folgt: Zunächst wird zumindest ein Halterahmen für zumindest eines der beiden Bauteile 2, 3 bereitgestellt, wobei anschließend die Führungselemente 8a, 8b, wie beispielsweise Buchsen, oder auch weitere Führungselemente oder weitere Elemente an sich an jeweils vordefinierten Stellen in den Halterahmen eingelegt und dort fixiert werden. Anschließend wird bei zumindest einem Bauteil 2, 3 zumindest eines der Führungselemente 8a, 8b mit zumindest einer unter vordefinierter Zugspannung stehenden Faser 4, beispielsweise einer Endlosfaser, gehalten bzw. belastet. Die Faser 4 kann dabei harz- oder klebstoffgetränkt sein und wird mittels einer vordefinierten Zugspannung eingebracht, wodurch eine Vorspannung des späteren Kunststoffverbund-Maschinenteils 1 entsteht. Vor oder nach dem Einbringen der Fasern 4 werden die Führungselemente 8a, 8b der zumindest zwei Bauteile 2, 3 vor einem Umspritzen mit Kunststoff 9 derart ausgerichtet, dass nach dem Herstellen der beiden Bauteile 2, 3 ein exakt ausgerichtetes Fügen der beiden Bauteile 2, 3 über die Führungselemente 8a, 8b möglich ist. Nach dem Ausrichten der Führungselemente 8a, 8b bzw. nach dem Aushärten des Klebstoff bzw. des Harzes werden die Führungselemente 8a, 8b und die Fasern 4 mit Kunststoff 9 umspritzt und damit das Kunststoffverbund-Maschinenteil 1 hergestellt. Durch das Umspritzen der Führungselemente 8a, 8b und der Fasern 4 mit Kunststoff 9 sind sowohl die Fasern 4 als auch die Führungselemente 8a, 8b lagefixiert in das Kunststoffverbund-Maschinenteil 1 eingebunden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann der die Fasern 4 aufnehmende Halterahmen zugleich als ein Teil bzw. eine Hälfte einer Gussform, wie etwa einer Spritzgussform, ausgebildet sein. Dafür kommen solche Bereiche der Gussform in Frage, die in einer durch das Einlegen der Führungselemente 8a, 8b in die Gussform vorgegebenen Richtung entformt werden können. Dadurch kann die Anzahl der Teile minimiert und das Herstellungsverfahren vereinfacht werden.
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Generell können - wie bereits eingangs erwähnt - die beiden Bauteile 2, 3 separat zueinander hergestellt werden, wobei alternativ auch denkbar ist, dass das Kunststoffverbund-Maschinenteil 1 zunächst als Ganzes, insbesondere einstückig, hergestellt und anschließend einer vordefinierten Bruchebene 14 gebrochen wird. Der Begriff „Bruchebene“ soll dabei lediglich für eine Bruchgeometrie stehen, die selbstverständlich keine Ebene an sich darstellt, sondern eine Bruchgeometrie wie beim aus dem Stand der Technik bekannten „Cracken“ von Pleueln. Wird dabei das erfindungsgemäße Kunststoffverbund-Maschinenteil 1 zunächst als einstückiges Bauteil hergestellt und anschließend gecrackt, d.h. gebrochen, so ist selbstverständlich darauf zu achten, dass die Fasern 4 die Bruchebene 14 nicht kreuzen, wie dies gemäß den 1 und 2 dargestellt ist. Nach dem Brechen kann beispielsweise eine in einem Lagerauge 15 zu lagernde Welle, beispielsweise eine Ausgleichswelle, eine Kurbelwelle oder eine Nockenwelle, eingebracht und anschließend das zweite Bauteil 3 mit dem ersten Bauteil 2 verbunden werden. Sowohl über die Bruchebene bzw. Bruchgeometrie 14 als auch über die beiden erfindungsgemäß vorgesehenen und formschlüssig miteinander zusammenwirkenden Führungselemente 8a, 8b kann dabei ein vergleichsweise einfaches Zusammensetzen der beiden Bauteile 2, 3 in eindeutiger Lage sowie ein anschließendes Verschrauben derselben mittels beispielsweise einer Schraube 11 erfolgen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kunststoffverbund-Maschinenteil 1 entfällt insbesondere ein nachträgliches Bohren von den die Schraube 11 aufnehmenden Öffnungen. Mittels der Fasern 4 lässt sich dabei ein gewichtsoptimiertes und dadurch sehr leichtes Kunststoffverbund-Maschinenteil 1 schaffen, welches aufgrund der Bewährung, d.h. den Fasern 4, in der Lage ist, deutlich höhere Belastungen aufzunehmen. Mittels der in den Kunststoff 9 eingebetteten Führungselemente 8a, 8b lässt sich nicht nur das Zusammenbauen des erfindungsgemäßen Kunststoffverbund-Maschinenteils 1 erleichtern, sondern zudem auch ein bislang erforderliches Bohren für entsprechende Aufnahmen zur Aufnahme von Schrauben 11 vermeiden. Durch das Vermeiden eines derartigen Nachbearbeitungsaufwandes lassen sich die Fertigungs- und Montagekosten deutlich reduzieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014226408 A1 [0002]
- DE 3004575 C2 [0003]
- DE 3317046 A1 [0004]
