DE102018104019B4

DE102018104019B4 - Achsgehäuse und Achsgehäusegruppe jeweils aus Verbundstoff für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102018104019B4
Application number: DE102018104019.9A
Authority: DE
Inventors: Bradley A. Newcomb; Hamid G. Kia
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-02-27
Filing date: 2018-02-22
Publication date: 2021-07-08
Anticipated expiration: 2038-02-23
Also published as: DE102018104019A1; CN108506455B; CN108506455A; US20180245681A1; US10436307B2

Abstract

Achsgehäuse (10) für ein Fahrzeug, umfassend:einen polymeren Verbundkörper (12), umfassend ein Polymer und eine Vielzahl von Verstärkungsfasern, wobei der polymere Verbundkörper (12) einen Modulo von mehr als oder gleich etwa 10 GPa aufweist und der polymere Verbundkörper (12) Folgendes definiert:eine innere Oberfläche (14), die einen inneren Hohlraum (18) definiert, der konfiguriert ist, um einen Innenzahnradsatz (210) aufzunehmen, der ein Lager umfasst; undmindestens einen Lagerbereich (26), der eine Bohrung (24) aufweist und so gestaltet ist, dass dieser um das Lager des Innenzahnradsatzes (210) angeordnet ist;wobei das Achsgehäuse (10) eine Auskleidung (40) umfasst, die zu mindestens einem Teil der inneren Oberfläche (14) des polymeren Verbundkörpers (12) benachbart angeordnet ist, wobei die Auskleidung (40) ein Metall umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminium (Al), Magnesium (Mg), Eisen (Fe), Stahl und Kombinationen hiervon besteht.

Description

Einleitung
Der folgende Abschnitt bietet Hintergrundinformationen zur vorliegenden Offenbarung, wobei es sich nicht notwendigerweise um den Stand der Technik handelt.
Achsgehäusegruppen für Fahrzeuge können einen Innenzahnradsatz, ein zweiteiliges Metallgehäuse und Achsrohre beinhalten. Der Innenzahnradsatz kann einen Differenzialzahnradsatz, ein Hohlrad, ein Ritzel, ein Ritzellager und ein Seitenlager beinhalten. Der Innenzahnradsatz ist innerhalb des zweiteiligen Achsgehäuses angeordnet. Das zweiteilige Achsgehäuse kann aus einem Metall, wie Aluminium oder Stahl, geformt sein und es beinhaltet einen Mittelabschnitt, eine Kappe und eine Dichtung, die zwischen dem Hauptkörper und der Kappe angeordnet ist, um eine Flüssigkeitsdichtung bereitzustellen und Geräusch, Vibrationen und Rauheit zu reduzieren („NVH“ - Noise, Vibration and Harshness). Die Achsrohre sind mit dem Achsgehäuse verbunden. Die Achsrohre können in Bohrungen im Achsgehäuse eingepresst, mit dem Achsgehäuse verschweißt oder anderweitig mit dem Achsgehäuse verbunden sein.
Die zweiteilige Konstruktion des Achsgehäuses ermöglicht den Zugang zum Innenzahnradsatz, wenn die Kappe vom Hauptgehäuse entfernt wird. Auf den Innenzahnradsatz wird zugegriffen, um den Zahnradsatz zu installieren, die Zahnräder auszurichten, die Zahnradvorspannungen einzustellen und den internen Zahnradsatz zu ersetzen. Beim Ausrichten und Vorspannen können Abstandsscheiben oder Abstandshalter verwendet werden, um einen effizienten Getriebebetrieb zu erreichen.
Die DE 600 01 754 T2 beschreibt ein Gehäuse für ein Winkelgetriebe eines Antriebsmotors eines Schiffs, das dazu bestimmt ist, untergetaucht zu werden und ein Winkelgetriebe zu enthalten. Das Gehäuse umfasst zwei Wellen, die sich in Bezug auf zwei zueinander senkrechte Achsen drehen, von denen eine erste Welle durch den Motor in Drehung versetzt wird und eine zweite Welle wenigstens eine Schraube in Drehung versetzt. Das Gehäuse umfasst zudem mechanische Elemente mit Zahnrädern und Kugellagern, die eine Übertragung der Drehbewegung der ersten Welle auf die zweite Welle ermöglichen. Das Gehäuse umfasst zwei zusammengefügte, komplementäre Halbschalen aus einem synthetischen, verstärkten, thermoplastischen Polymerwerkstoff. Die Halbschalen wirken entlang einer von den Drehachsen der drehbaren Wellen definierten Verbindungsebene miteinander zusammen. Die Halbschalen weisen jeweils in dieser Verbindungsebene einen hohlen Aufnahmebereich für das Winkelgetriebe sowie eine ebene Auflagefläche, die sich außerhalb dieses hohlen Bereichs befindet und zur Abstützung an der komplementären Halbschale dient, auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein leichtes Achsgehäuse zu formen, um die Leistungseffizienz zu verbessern.
Beschreibung der Erfindung
Dieser Teil stellt eine allgemeine Kurzdarstellung der Offenbarung bereit und ist keine vollständige Offenbarung des vollen Schutzumfangs oder aller Merkmale.
Die vorliegende Offenbarung betrifft Achsgehäuse aus Verbundstoff für Fahrzeuge und Verfahren zu deren Herstellung.
Gemäß der Erfindung wird ein Achsgehäuse für ein Fahrzeug bereitgestellt. Das Achsgehäuse beinhaltet einen polymeren Verbundkörper. Der polymere Verbundkörper beinhaltet ein Polymer und eine Vielzahl von Verstärkungsfasern. Der polymere Verbundkörper hat einen Modulo von größer oder gleich ungefähr 10 GPa. Der polymere Verbundkörper definiert eine innere Oberfläche und mindestens einen Lagerbereich. Die innenliegende Oberfläche definiert einen innenliegenden Hohlraum. Der innenliegende Hohlraum ist dazu konfiguriert, einen Innenzahnradsatz einschließlich eines Lagers aufzunehmen. Der mindestens eine Lagerbereich beinhaltet eine Bohrung. Der mindestens eine Lagerbereich ist um das Lager des Innenzahnradsatzes herum angeordnet.
In einigen Ausführungsformen hat der polymere Verbundkörper einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als oder gleich etwa 14×10^-6/°C in dem mindestens einen Lagerbereich.
Gemäß der Erfindung beinhaltet das Achsgehäuse zusätzlich eine Auskleidung, die neben mindestens einem Teil der inneren Oberfläche des polymeren Verbundkörpers angeordnet ist.
Gemäß der Erfindung beinhaltet die Auskleidung ein Metall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium (Al), Magnesium (Mg), Eisen (Fe), Stahl und Kombinationen davon.
In bestimmten Ausführungsformen beinhaltet die Auskleidung eine erste Dicke an dem mindestens einen Lagerbereich und eine zweite Dicke in einem Verbindungsbereich. Die erste Dicke ist größer als die zweite Dicke.
In bestimmten anderen Ausführungsformen definiert der polymere Verbundkörper eine einheitliche Struktur, die frei von Nähten oder Verbindungen ist.
In noch anderen Ausführungsformen beinhaltet der polymere Verbundkörper einen Mittelabschnitt, eine Dichtung und eine Abdeckung. Der Mittelabschnitt weist einen Umfang auf, der eine Differenzialöffnung definiert. Die Dichtung ist um den Umfang angeordnet. Die Abdeckung greift in die Dichtung ein, um das Achsgehäuse zu umschließen und eine Flüssigkeitsdichtung zu erzeugen.
In einigen Ausführungsformen ist das Achsgehäuse ein Salisbury-Achsgehäuse.
Gemäß der Erfindung beinhaltet eine Achsgehäusegruppe für ein Fahrzeug einen Innenzahnradsatz, ein Achsgehäuse und Achsrohre. Der Innenzahnradsatz beinhaltet einen Differenzialzahnradsatz, ein Ritzel- und Ritzellager, ein Seitenlager und ein Hohlrad. Das Achsgehäuse beinhaltet einen polymeren Verbundkörper. Der polymere Verbundkörper beinhaltet ein Polymer und eine Vielzahl von Verstärkungsfasern. Der polymere Verbundkörper definiert eine innere Oberfläche, die einen inneren Hohlraum und mindestens einen Lagerbereich mit einer Bohrung definiert. In dem inneren Hohlraum ist der Innenzahnradsatz befestigt. Die Achsrohre sind an dem Achsgehäuse befestigt oder integral mit diesem geformt.
In bestimmten Variationen ist ein Abstand zwischen einer inneren Oberfläche des Achsgehäuses und einer äußeren Oberfläche des Innenzahnradsatzes definiert. Der Abstand ist größer oder gleich etwa 0,5 mm bis kleiner oder gleich etwa 25 mm sein.
Gemäß der Erfindung beinhaltet der polymere Verbundkörper der Achsgehäusegruppe mindestens einen Lagerbereich mit einer Bohrung, die so konfiguriert ist, dass diese um ein Lager des Innenzahnradsatzes herum angeordnet ist. Das Achsgehäuse beinhaltet ferner eine Auskleidung, die um mindestens einen Teil einer Oberfläche des mindestens einen Lagerbereichs herum angeordnet ist.
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hierin bereitgestellten Beschreibung ersichtlich. Die Beschreibung und speziellen Beispiele in dieser Kurzdarstellung dienen ausschließlich zum Veranschaulichen und sollen keinesfalls den Umfang der vorliegenden Offenbarung einschränken.
Figurenliste
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen ausschließlich dem Veranschaulichen ausgewählter Ausführungsformen und stellen nicht die Gesamtheit der möglichen Realisierungen dar und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.

1A-1B zeigen ein Unibody-Achsgehäuse gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung. 1A ist eine perspektivische Ansicht des Achsgehäuses mit einer inneren Auskleidung; 1B ist eine perspektivische Ansicht der inneren Auskleidung des Achsgehäuses;
2 zeigt eine perspektivische Ansicht ein anderes Unibody-Achsgehäuse gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
3A-3B zeigen ein zweiteiliges Achsgehäuse gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung. 3A ist eine Draufsicht auf das Achsgehäuse, wobei die Abdeckung entfernt ist, um einen Innenzahnradsatz in dem Achsgehäuse zu zeigen; 3B ist eine Draufsicht auf das Achsgehäuse, wobei die Abdeckung angebracht ist, um die Innenzahnradgruppe in dem Achsgehäuse zu umschließen;
4 ist eine Querschnittsansicht einer anderen Achsgehäusegruppe mit einer lokalen Wärmeausdehnungskontrolle gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung; und
5A-5F zeigen Verfahren zur Fertigung einer Achsengruppe gemäß bestimmter Gesichtspunkte der vorliegenden Offenbarung. 5A zeigt eine Innenzahnradgruppe; 5B zeigt eine Innenzahnradgruppe an einer Befestigungsstruktur; 5C zeigt eine Auskleidung, die um die Innenzahnradgruppe angeordnet ist; 5D zeigt einen polymeren Verbundkörpervorläufer, der um die Auskleidung herum angeordnet ist; 5E zeigt Wärme, die an den Vorkörper des polymeren Verbundkörpers angelegt wird und 5F zeigt ein Achsgehäuse aus Verbundstoff.

Detaillierte Beschreibung
Es werden exemplarische Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Offenbarung gründlich ist und den Fachleuten deren Umfang vollständig vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, wie beispielsweise Beispiele für spezifische Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, beschrieben, um ein gründliches Verständnis von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu ermöglichen. Fachleute werden erkennen, dass spezifische Details möglicherweise nicht erforderlich sind, dass exemplarische Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden können und dass keine der Ausführungsformen dahingehend ausgelegt werden soll, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. In manchen exemplarischen Ausführungsformen sind wohlbekannte Verfahren, wohlbekannte Vorrichtungsstrukturen und wohlbekannte Techniken nicht ausführlich beschrieben.
Die hier verwendete Terminologie dient ausschließlich der Beschreibung bestimmter exemplarischer Ausführungsformen und soll in keiner Weise einschränkend sein. Wie hierin verwendet, schließen die Singularformen „ein/eine“ und „der/die/das“ gegebenenfalls auch die Pluralformen ein, sofern der Kontext dies nicht klar ausschließt. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „beinhalteten“ und „aufweisen“ sind einschließend und geben daher das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Elemente, Zusammensetzungen, Schritte, ganzen Zahlen, Vorgänge, und/oder Komponenten an, schließen aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen von einer oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen hiervon aus. Obwohl der offen ausgelegte Begriff „umfasst“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der zum Beschreiben und Beanspruchen verschiedener, hier dargelegter Ausführungsformen verwendet wird, kann der Begriff unter bestimmten Gesichtspunkten alternativ verstanden werden, etwa stattdessen ein mehr begrenzender und einschränkender Begriff zu sein, wie „bestehend aus“ oder „bestehend im Wesentlichen aus“. Somit beinhaltet jegliche Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, ganze Zahlen, Operationen, und/oder Verfahrensschritte aufführt, der vorliegenden Offenbarung ausdrücklich auch Ausführungsformen bestehend aus, oder bestehend im Wesentlichen aus, so aufgeführte Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Funktionen, Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte. Bei „bestehend aus“ schließt die alternative Ausführungsform jegliche zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, Zahlen, Operationen, und/oder Verfahrensschritte aus, während bei „bestehend im Wesentlichen aus“ jegliche zusätzliche Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte, die stoffschlüssig die grundlegenden und neuen Eigenschaften beeinträchtigen, von einer solchen Ausführungsform ausgeschlossen sind, jedoch jegliche Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, ganze Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte, die materialmäßig nicht die grundlegenden und neuen Eigenschaften beeinträchtigen, können in der Ausführungsform beinhaltet sein.
Alle hierin beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht dahingehend auszulegen, dass die beschriebene oder dargestellte Reihenfolge unbedingt erforderlich ist, sofern dies nicht spezifisch als Reihenfolge der Ausführung angegeben ist. Es sei außerdem darauf hingewiesen, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können, sofern nicht anders angegeben.
Wenn eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „an/auf, „in Eingriff mit“, „verbunden mit“ oder „gekoppelt mit“ einer anderen Komponente bzw. einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben wird, kann es/sie sich entweder direkt an/auf der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht befinden, damit in Eingriff stehen, damit verbunden oder damit gekoppelt sein oder es können dazwischen liegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wenn im Gegensatz dazu ein Element als „direkt an/auf, „direkt im Eingriff mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben wird, können keine dazwischenliegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen verwendet werden, sind in gleicher Weise zu verstehen (z. B. („zwischen“ und „direkt zwischen“, „angrenzend“ und „direkt angrenzend“ usw.). Wie hier verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen aus einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.
Obwohl die Begriffe erste, zweite, dritte usw. hier verwendet werden können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollen diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Ausdrücke einschränkt werden. Diese Begriffe werden nur verwendet, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, einem anderen Element, einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe, wie „erste“, „zweite“ und andere Zahlenbegriffe, wenn hier verwendet, implizieren keine Sequenz oder Reihenfolge, es sei denn, dies wird eindeutig durch den Kontext angegeben. Somit könnte ein nachstehend erläuterter erster Schritt, diskutiertes erstes Element, diskutierte Komponente, diskutierter Bereich, diskutierte Schicht oder diskutierter Abschnitt als ein zweiter Schritt, ein zweites Element, eine zweite Komponente, ein zweiter Bereich, eine zweite Schicht oder ein zweiter Abschnitt bezeichnet werden, ohne von der Lehre der exemplarischen Ausführungsformen abzuweichen.
Raumbezogene oder zeitbezogene Begriffe, wie „davor“, „danach“, „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen, können hier zur besseren Beschreibung der Beziehung von einem Element oder einer Eigenschaft zu anderen Element(en) oder Eigenschaft(en), wie in den Figuren dargestellt, verwendet werden. Raumbezogene oder zeitbezogene Begriffe können dazu bestimmt sein, verschiedene in Anwendung oder Betrieb befindliche Anordnungen der Vorrichtung oder des Systems zu umschreiben, zusätzlich zu der auf den Figuren dargestellten Ausrichtung.
In dieser Offenbarung repräsentieren die numerischen Werte grundsätzlich ungefähre Messwerte oder Grenzen von Bereichen, etwa kleinere Abweichungen von den bestimmten Werten und Ausführungsformen, die ungefähr den genannten Wert aufweisen, sowie solche mit genau dem genannten Wert zu umfassen. Im Gegensatz zu den am Ende der ausführlichen Beschreibung bereitgestellten Anwendungsbeispielen sollen alle numerischen Werte der Parameter (z. B. Größen oder Bedingungen) in dieser Spezifikation einschließlich der beigefügten Ansprüche in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ verstanden werden, egal ob oder ob nicht „ungefähr“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint. „Ungefähr“ weist darauf hin, dass der offenbarte numerische Wert eine gewisse Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Exaktheit im Wert; ungefähr oder realistisch nahe am Wert; annähernd). Falls die Ungenauigkeit, die durch „ungefähr“ bereitgestellt ist, in Fachkreisen nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verständlich ist, dann gibt „ungefähr“, wie hierin verwendet, zumindest Variationen an, die sich aus gewöhnlichen Messverfahren und der Verwendung derartiger Parameter ergeben. So kann beispielsweise „etwa“ eine Variation von weniger als oder gleich 5 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 4 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 3 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 2 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 1 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 0,5 % und unter bestimmten Gesichtspunkten gegebenenfalls weniger als oder gleich 0,1 % umfassen.
Darüber hinaus beinhaltet die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilter Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich den für die Bereiche angegebenen Endpunkten und Unterbereichen.
Es werden nun exemplarische Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Eine Achsgehäusegruppe beinhaltet im Allgemeinen einen Innenzahnradsatz, ein Achsgehäuse oder -ummantelung und Achsrohre. Beispielhafte Achsgehäusearten umfassen ein Salisbury-Achsengehäuse, ein Banjo-Achsgehäuse und ein Heckantriebsmodul als nicht einschränkendes Beispiel. Ein traditionelles Salisbury-Achsgehäuse beinhaltet einen gegossenen Mittelabschnitt, eine Abdeckung und Einpressachsenrohre. Ein Banjoachsgehäuse beinhaltet ein gegossenes Mittelteil mit integrierten Achsröhren und einer Abdeckung. Die Abdeckung kann entfernt werden, um den Zugang zum Innenzahnradsatz zu ermöglichen. Es kann notwendig sein, auf den Innenzahnradsatz zuzugreifen, um beispielsweise den Innenzahnradsatz zu installieren, die Zahnradvorspannungen einzustellen, Wartungsarbeiten durchzuführen oder den Innenzahnradsatz zu ersetzen. Eine zweiteilige Achsgehäusekonstruktion kann allgemein als „Einsteckgehäuse“ bezeichnet werden, da der gesamte Zahnradsatz durch eine Differenzialöffnung in das Achsgehäuse eingesetzt wird, wenn die Abdeckung entfernt wird. Ein Ritzel und Ritzellager werden zuerst in das Gehäuse eingesetzt. Seitenlager, ein Differenzialradsatz und ein Hohlrad werden gleichzeitig in das Gehäuse eingesetzt. Dies erfordert üblicherweise das Aufbringen einer großen auswärtsgerichteten Kraft auf die gegenüberliegenden Seiten der Differenzialöffnung, um das Gehäuse zu öffnen, damit die Seitenzahnräder in Gleitlager eingesetzt werden können. Die Abdeckung wird dann angeschraubt, um das Gehäuse zu schließen und den Innenzahnradsatz zu umschließen.
Ein Heckantriebsmodul ist ein Beispiel für ein „Tip-In-Gehäuse“. In einem Tip-In-Gehäuse werden Ritzel und Ritzellager zuerst in das Gehäuse eingesetzt. Als Nächstes werden Seitenlager, Differenzialradsätze und ein Hohlrad gleichzeitig in das Gehäuse geneigt. Dieses Verfahren beseitigt die Notwendigkeit, Gleitlager innerhalb des Achsgehäuses sowie ihre zugehörigen Lagerschalen und Bolzen zu bearbeiten. Nach dem Einsetzen der Seitenlager werden die seitlichen Lagerschalen platziert. Zuletzt wird der Gehäusedeckel auf den Mittelabschnitt geschraubt, um den Innenzahnradsatz zu umschließen.
Die Komponenten des Innenzahnradsatzes bestehen in der Regel aus Stahl. Achsgehäuse sind typischerweise aus einem Metall wie Gusseisen oder Aluminium hergestellt. Gussachsengehäuse sind schwer und eine Gewichtsreduzierung könnte zu einer verbesserten Kraftstoffwirtschaftlichkeit beitragen. Die Kraftstoffwirtschaftlichkeit kann durch Verwendung von Materialien mit geringerer Dichte, wie Aluminium, für das Achsgehäuse verbessert werden. Aluminium hat jedoch im Vergleich zu Stahl relativ hohe Wärmeausdehnungskoeffizienten. Somit dehnt sich ein Aluminiumachsgehäuse mit einer höheren Rate aus als eine Innenzahnradgruppe aus Stahl, beispielsweise in einem Bereich, der die Ritzellager umgibt. Der Unterschied in der Wärmeausdehnung führt zu einem verringerten Eingriff der Zahnräder, einer verminderten Leistung und einem erhöhten NVH.
Einige Fahrzeuge können Achsgehäuse verwenden, die nicht gewartet werden müssen. Wenn die Achsgehäusegruppe als beschädigt angesehen wird, wird diese durch eine neue Achsgehäusegruppe ersetzt, die ein Achsgehäuse und einen Innenzahnradsatz beinhaltet. Da die gesamte Achsgehäusegruppe ersetzt wird, wenn diese beschädigt ist, besteht keine Notwendigkeit, nach der Installation auf die Innenzahnradgruppe zuzugreifen. Somit ist es möglich, ein Achsgehäuse ohne eine abnehmbare Abdeckung zu verwenden. Solche Achsgehäuse können eine einteilige oder einheitliche Struktur umfassen, die frei von Verbindungen oder Nähten innerhalb des Körpers selbst ist. Da die Innenzahnradgruppe in einer Unibody-Achsgehäusegruppe unzugänglich ist, besteht ein Bedarf für ein hohes Maß an Wiederholbarkeit bei der Herstellung. Unter bestimmten Gesichtspunkten stellt die vorliegende Offenbarung einen zusammengesetzten Unibody bereit, während unter anderen Gesichtspunkten mehrteilige Achsgehäuse und -gruppen vorgesehen sind. Die vorliegende Offenbarung zieht auch Verfahren zur Herstellung von Achsgehäusen aus Verbundstoff in Betracht.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Unibody-Achsgehäuse aus Verbundstoff oder Gehäuse für eine Achsgehäusegruppe mit einem Innenzahnradsatz bereit. Polymere Verbundstoffe sind hochfest und leicht. Der Verbundstoff kann ein geeignetes Polymer und eine Vielzahl von geeigneten Verstärkungsfasern umfassen. Zum Beispiel weisen kohlenstofffaserverstärkte Polymer(CFRP)-Verbundstoffe einen Zugmodulo auf, der größer als oder gleich etwa 2 und kleiner oder gleich etwa 8-mal höher als der von Aluminium ist. CFRPs besitzen eine maximale Zugfestigkeit, die fast 12,5-mal höher ist als die Streckgrenze von Aluminium und eine Dichte von fast der Hälfte von Aluminium. Die relativ geringe Dichte von Verbundstoffen im Vergleich zu metallischen Materialien ermöglicht eine Gewichtsreduzierung, wenn Verbundstoffe in Fahrzeugkomponenten verwendet werden, was zu einer verbesserten Kraftstoffwirtschaftlichkeit führen kann.
Beispiele für geeignete Polymere für den Verbundstoff umfassen Duroplast-Harz, ein thermoplastisches Harz, Elastomer und Kombinationen hiervon, ohne darauf beschränkt zu sein. Insbesondere können Polymere umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Epoxide, Phenolikverbindungen, Vinylester, Bismaleimide, Polyetheretherketon (PEEK), Polyamide, Polyimide und Polyamidimide. Beispiele für geeignete Verstärkungsfasern umfassen Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Polyethylenfasern, organische Fasern, metallische Fasern und Kombinationen hiervon, sind aber nicht beschränkt darauf.
Ein Achsgehäuse kann eine einteilige oder Unibody-Struktur sein, wenn der Innenzahnradsatz nach der Installation nicht zugänglich sein muss. Die Verwendung einer Unibody-Struktur führt zu einer Teilreduktion, da die Abdeckung, die Dichtung und die Befestigungselemente im Vergleich zu einem zweiteiligen Achsgehäuse eliminiert sind. Die Unibody-Struktur ist auch vorteilhaft beim Beseitigen einer Getriebeschmiermittelleckage, die aus einer schlechten Dichtung in einer zweiteiligen Konstruktion resultieren kann.
Bezugnehmend auf die 1A-1B ist ein exemplarisches Unibody-Achsgehäuse 10 gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Unter Bezugnahme auf 1A beinhaltet das Unibody-Achsgehäuse 10 einen polymeren Verbundkörper 12. Der oben beschriebene polymere Verbundkörper 12 beinhaltet ein Polymer und eine Vielzahl von Verstärkungsfasern. Der polymere Verbundkörper 12 verfügt über einen Modulo von größer oder gleich ungefähr 10 GPa. Der polymere Verbundkörper 12 begrenzt eine innere Oberfläche 14 und eine äußere Oberfläche 16. Die innere Oberfläche 14 definiert einen innenliegenden Hohlraum 18. Der innenliegende Hohlraum 18 ist dazu konfiguriert, eine Innenzahnradgruppe (nicht gezeigt) aufzunehmen oder zu umschließen. Eine Wandstärke zwischen der inneren Oberfläche 14 und der äußeren Oberfläche 16 kann größer als oder gleich etwa 2 mm, gegebenenfalls größer oder gleich etwa 5 mm, gegebenenfalls größer oder gleich etwa 50 mm sein.
Der polymere Verbundkörper 12 erstreckt sich zwischen einem ersten Ende 20 und einem zweiten Ende 22. Das erste Ende 20 beinhaltet eine Ritzellagerbohrung 24 und einen Ritzellagerbereich 26, der um die Ritzellagerbohrung 24 herum angeordnet ist. Der polymere Verbundkörper 12 beinhaltet auch gegenüberliegende Seitenbohrungen 28 und entsprechende Seitenbohrungsbereiche 30, die um jede Seitenbohrung 28 angeordnet sind. Jede der Lagerbohrungen 24, 28 ist dazu konfiguriert, ein jeweiliges Lager der Innenzahnradgruppe aufzunehmen. Das Lager kann direkt in der Bohrung und in Kontakt mit einer Oberfläche angeordnet sein, die die Bohrung 24, 28 definiert. Alternativ kann das Lager indirekt in der Bohrung 24, 28 angeordnet sein, sodass ein anderes Material zwischen dem Lager und der Bohrung 24, 28 angeordnet ist. Der polymere Verbundkörper 12 kann auch einen Flansch 32 an dem ersten Ende 20 umfassen. Der Flansch 32 ist dazu konfiguriert, Achsrohre (nicht gezeigt) aufzunehmen.
Das Unibody-Achsgehäuse aus Verbundstoff 10 kann optional eine Innenschale oder - auskleidung 40 umfassen, wie am besten in 1B gezeigt. Der polymere Verbundkörper 12 ist zumindest teilweise um die Auskleidung 40 herum angeordnet. Die Auskleidung 40 kann so bemessen und geformt sein, dass diese die innere Oberfläche 14 des polymeren Verbundkörpers 12 ergänzt. Die Auskleidung 40 beinhaltet ein erstes Ende 42 und ein zweites Ende 44, die an jeweiligen ersten und zweiten Enden 20, 22 des polymeren Verbundkörpers 12 angeordnet sind. Die erste Auskleidung 40 beinhaltet eine Ritzellagerbohrung 46 an dem ersten Ende 42 und einen Ritzellagerbereich 48, der um die Ritzellagerbohrung 46 herum angeordnet ist. Die Auskleidung 40 beinhaltet auch gegenüberliegende Seitenbohrungen 50 und entsprechende Seitenbohrungsbereiche 52, die um die Seitenbohrungen 50 angeordnet sind. Die Auskleidung 40 kann eine oder mehrere Verbindungswände 54 in einem Verbindungsbereich 55 aufweisen, der sich zwischen den Bohrungen 46, 50 erstreckt. Die Auskleidung 40 kann einen Flansch 56 ähnlich dem Flansch 32 des polymeren Verbundkörpers 12 aufweisen.
Der Ritzelbohrungsbereich 48 weist eine erste Dicke auf, der Seitenbohrungsbereich 52 eine zweite Dicke und der Verbindungsbereich 55 eine dritte Dicke. In einigen Ausführungsformen können die erste, zweite und dritte Dicke gleich sein. Zum Beispiel können die erste, zweite und dritte Dicke weniger als oder gleich etwa 5 mm sein. In einigen Ausführungsformen können die erste und die zweite Dicke gleich sein und die dritte Dicke kann unterschiedlich sein. Zum Beispiel können die erste und die zweite Dicke weniger als oder gleich etwa 5 mm, optional weniger als oder gleich etwa 1 mm sein. Die dritte Dicke kann weniger als oder gleich ungefähr 1 mm sein. In anderen Ausführungsformen kann jede der ersten, zweiten und dritten Dicke unterschiedlich sein. Zum Beispiel kann die erste Dicke weniger als oder gleich etwa 5 mm, optional weniger als oder gleich etwa 1 mm sein. Die zweite Dicke kann weniger als oder gleich etwa 5 mm, optional weniger als oder gleich etwa 1 mm sein. Die dritte Dicke beträgt weniger als oder gleich etwa 1 mm.
Die Auskleidung kann metallisch oder polymer sein. Geeignete Metalle umfassen Aluminium (Al), Magnesium (Mg), Eisen (Fe), Stahl und Kombinationen hiervon. Geeignete Polymere können Polyimide, Polyamide (z. B., Nylon (C₁₂H₂₂N₂O₂)_n)) Hochtemperaturpolymere und wasserlösliche Polymere umfassen. Wasserlösliche Polymere können umfassen: Polyvinylacetat ((C₄H₆O₂)_n), Polyacrylamid (C₃H₅NO)_n, Polyacrylsäure (PAA) ((C₃H₄O₂)n) und deren Derivate, Polyethylenoxid (PEO) (C_2nH_4n+2O_n+1) und Polyhydroxyethylmethacrylat (PHEMA) ((C₆H₁₀O₃)_n).
Die Auskleidung 40 kann eine Vielzahl von unterschiedlichen Geometrien aufweisen. Zum Beispiel kann die Auskleidung eine kontinuierliche Struktur sein, die so geformt und bemessen ist, dass diese die innere Oberfläche 14 des polymeren Verbundkörpers 12 ergänzt, wie in 1B gezeigt. In einem anderen Beispiel kann die Auskleidung eine mehrteilige Struktur aufweisen, wie z. B. unterschiedliche zylindrische Auskleidungen an jedem Lagerbereich 26, 30 des polymeren Verbundkörpers 12 (nicht gezeigt). In noch einem anderen Beispiel kann die Auskleidung zylindrische Auskleidungen an jedem Lagerbereich 26, 30 und eine Vielzahl von Verbindungswänden oder -lamellen umfassen, die sich zwischen den zylindrischen Auskleidungen (nicht gezeigt) erstrecken.
Die Verwendung einer Auskleidung 40 ist besonders vorteilhaft, wenn die Oberflächenqualität wichtig ist. Zum Beispiel kann eine Aluminiumauskleidung 40 eine Oberflächenrauhigkeit von größer als oder gleich etwa 0,1 µm und kleiner als oder gleich etwa 25 µm aufweisen. Eine geringe Oberflächenrauhigkeit ist zum Einsetzen der Presspasslager in die jeweiligen Bohrungen 46, 50 nützlich. Obwohl das Achsgehäuse 10 von 1A eine Auskleidung beinhaltet, sollte klar sein, dass ein Achsgehäuse gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung ohne Auskleidung bereitgestellt werden kann.
Zurück zu 1A kann die Wärmeausdehnung des polymeren Verbundkörpers strategisch kontrolliert werden. So ist es beispielsweise vorteilhaft, die thermische Ausdehnung des polymeren Verbundkörpers 12 am Ritzellagerbereich 26 an die thermische Ausdehnung des Ritzellagers (nicht dargestellt) anzupassen. Ist beispielsweise das Ritzellager aus Stahl und weist das Achsgehäuse 10 keine Auskleidung an dem Lagerbereich 26 auf, kann der Wärmeausdehnungskoeffizient des Ritzellagerbereiches 26 größer oder gleich etwa 10×10^-6/°C bis weniger als oder gleich etwa 14×10^-6/°C, optional größer als oder gleich etwa 10×10^-6/°C bis weniger als oder gleich etwa 14×10^-6/°C, gegebenenfalls größer als oder gleich etwa 10×10^-6/°C bis weniger als oder gleich etwa 12×10^-6/°C sein. Umfasst der Ritzellagerbereich 26 die Auskleidung 12, die einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist (z. B. Aluminium (Al)), ist der Koeffizient der Wärmeausdehnung des polymeren Verbundkörpers 12 wünschenswerterweise niedriger, sodass die gesamte Wärmeausdehnung des Ritzellagerbereiches 26 kleiner oder gleich dem von Stahl ist, um das Auskleidungsmaterial an dem Ritzellagerbereich 26 zu beschränken. Zum Beispiel kann der Wärmeausdehnungskoeffizient des polymeren Verbundkörpers 12 weniger als oder gleich etwa 12×10^-6/°C, optional weniger als oder gleich etwa 10×10^-6/°C sein. Die thermische Ausdehnung kann durch die Faserorientierung, den Faservolumenanteil oder die Auswahl des Fasermaterials als nicht einschränkendes Beispiel kontrolliert werden.
Bezugnehmend auf 2 wird ein weiteres exemplarisches Achsgehäuse 60 gezeigt. Das Achsgehäuse 60 kann ein Salisbury-Achsgehäuse sein. Das Achsgehäuse 60 beinhaltet einen polymeren Verbundkörper 62, der sich zwischen einem ersten Ende 64 und einem zweiten Ende 66 erstreckt. Der polymere Verbundkörper 62 weist eine Ritzelbohrung 68 und einen entsprechenden Ritzelbohrungsbereich 70 auf, der an dem ersten Ende 64 angeordnet ist. Der polymere Verbundkörper 62 beinhaltet auch gegenüberliegende Seitenbohrungen 72 und entsprechende Seitenbohrungsbereiche 74. Der polymere Verbundkörper 62 ist dazu konfiguriert, Achsrohre an den Seitenbohrungen 72 aufzunehmen. Das Unibody-Achsengehäuse 60 kann auch eine Auskleidung oder Schale (nicht gezeigt) ähnlich der Auskleidung 40 von 1B aufweisen, die so bemessen und geformt ist, dass diese zumindest einen Teil einer inneren Oberfläche des Unibody-Achsgehäuses 60 ergänzt. Die thermische Expansionskontrolle kann, wie diese in Verbindung mit 1A erläutert wurde, in dem Ritzelbohrungsbereich 70 angewendet werden.
Unter anderen Gesichtspunkten stellt die vorliegende Offenbarung ein zweiteiliges Achsgehäuse aus Verbundstoff für eine Achsgehäusegruppe bereit, die einen Innenzahnradsatz beinhaltet. Jetzt ist unter Bezugnahme auf die 3A-3B eine zweiteilige Verbundwerkstoff-Achsgehäusegruppe 80 dargestellt. Die Achsgehäusegruppe 80 beinhaltet einen Mittelabschnitt 82 und einen Deckel 84. Sowohl der Mittelabschnitt 82 als auch die Abdeckung 84 sind aus einem Polymerverbundstoff geformt. Der Mittelabschnitt 82 weist eine Ritzellagerbohrung und einen Ritzellagerbereich an einem ersten Ende (nicht gezeigt), ähnlich der Ritzellagerbohrung 68 und dem Ritzellagerbereich des Achsgehäuses 70 von 2, auf. Der Mittelabschnitt 82 beinhaltet auch Seitenlagerbohrungen 86 und jeweilige Seitenlagerbereiche 88. Die Abdeckung ist an einem zweiten Ende 90 des Mittelabschnitts 82 ähnlich des zweiten Endes 66 des polymeren Verbundkörpers 62 des Achsgehäuses 60 von 2 angeordnet.
Wie am besten in 3A gezeigt, beinhaltet der Mittelabschnitt 82 eine innere Oberfläche 92, die einen inneren Bereich 94 definiert. Der Innenbereich 94 ist so konfiguriert, dass dieser einen Innenzahnradsatz 96 aufnimmt oder hält. Der Mittelabschnitt beinhaltet eine Wand 98, die den Innenzahnradsatz 96 zumindest teilweise umgibt. Ein Abstand oder Spalt 100 zwischen der inneren Oberfläche 92 und dem Innenzahnradsatz 96 kann variabel sein. Der Abstand 100 kann weniger als oder gleich etwa 100 mm, optional weniger als oder gleich etwa 25 mm, optional weniger als oder gleich etwa 5 mm, optional weniger als oder gleich etwa 1 mm sein. In einigen Beispielen variiert dieser Abstand zwischen ungefähr 0,5 mm und ungefähr 25 mm. In einigen Ausführungsformen hat die Wand 98 einen im Wesentlichen gleichmäßigen Abstand 100 von dem Innenzahnradsatz 96.
Der Mittelabschnitt 82 beinhaltet einen Umfang 102, der eine Differenzialöffnung 104 definiert. Wie in 3B gezeigt, kann die Abdeckung 84 in die Differenzialöffnung 104 gedrückt werden, sodass eine obere Fläche 106 des Mittelabschnitts 82 mit einer oberen Fläche 108 der Abdeckung 84 bündig ist. Eine Dichtung oder ein Dichtungsring (nicht gezeigt) kann zwischen dem Mittelabschnitt 82 und der Abdeckung 84 angeordnet sein und kann in den Mittelabschnitt 82 und die Abdeckung 84 eingreifen, um ein Austreten von Getriebeschmiermittel zu verhindern. Befestigungsmittel (nicht gezeigt) können auch verwendet werden, um die Abdeckung 84 in der Differenzialöffnung 104 zu halten.
In noch anderen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine Achsgehäusegruppe bereit, die eine lokale Wärmeausdehnungskontrolle aufweist. Bezugnehmend auf 4 ist ein Achsgehäuse 120 mit einer lokalen Wärmeausdehnungssteuerung gezeigt. Das Achsgehäuse 120 beinhaltet einen metallischen Körper 122, der aus Aluminium (Al) bestehen kann. Ein Achsgehäuse 120 beinhaltet eine innenliegende Oberfläche 124, die einen innenliegenden Hohlraum 126 dazu konfiguriert, einen Innenzahnradsatz (nicht dargestellt) aufzunehmen. Achsgehäuse 120 beinhaltet ein erstes Ende 128 und ein zweites Ende 130. Das erste Ende beinhaltet Ritzelbohrungen 132 an dem ersten Ende 128. Entsprechende Ritzelbohrungsbereiche 134 sind um die Ritzelbohrungen 132 herum angeordnet. Das Achsgehäuse beinhaltet auch gegenüberliegende Seitenbohrungen 136 und Seitenbohrungsbereiche 138.
Eine lokale Wärmeausdehnungskontrolle kann durch Verwendung eines zweiten Materials, wie eines polymeren Verbundstoffs, der einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Material des metallischen Körpers 122 aufweist, bereitgestellt werden. Wie zum Beispiel in 4 gezeigt, sind Umhüllungen 140 aus Kohlenstofffaserverbundstoff um die Ritzellagerbereiche 134 herum vorgesehen, um die Wärmeausdehnung des Aluminiumkörpers 122 einzuschränken.
In anderen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung einer Unibody-Achsgehäusegruppe für ein Fahrzeug bereit. Das Verfahren wird in den 5A-5F gezeigt. Das Verfahren beinhaltet im Allgemeinen das Erhalten einer Innenzahnradgruppe, optional ein externes Einstellen von Vorspannungen, Formen einer Auskleidung um die Innenzahnradanordnung, Formen eines polymeren Verbundkörpervorläufers, Vernetzen oder Aushärten des polymeren Verbundkörpervorläufers, um das Unibody-Achsgehäuse aus Verbundstoff zu formen, und ein optionales Entfernen der Auskleidung. Jeder der Schritte wird nachfolgend detaillierter erläutert.
Bezugnehmend auf 5A wird ein Innenzahnradsatz 210 für ein Fahrzeug zur Verfügung gestellt. Der Innenzahnradsatz 210 beinhaltet im Allgemeinen ein Metallmaterial wie Stahl. Der Innenzahnradsatz 210 beinhaltet ein erstes Ende 212 und ein zweites Ende 214. Der Innenzahnradsatz 210 beinhaltet Komponenten wie einen Differenzialzahnradsatz 216, ein Hohlrad 218, ein Ritzel 220 (am besten in 5B gezeigt) und ein oder mehrere Ritzellager (nicht gezeigt).
Unter Bezugnahme auf 5B, kann der Innenzahnradsatz 210 optional ausgerichtet werden und Vorspannungen können vor der Installation des Zahnradsatzes 210 in einem Achsgehäuse eingestellt werden. Bei anderen Verfahren können die Zahnräder ausgerichtet und vorgespannt werden, nachdem der Innenzahnradsatz 210 in eine Auskleidung eingesetzt wurde. In einem Beispiel werden Vorspannungen unter Verwendung einer Befestigungsstruktur 230 festgelegt. Die gesamte Befestigungsstruktur ist auf einer Antivibrationsplatte 232 angeordnet. Das Ritzel 220 beinhaltet Ritzellager, die auf eine gewünschte axiale Vorspannung eingestellt sind. Der Differenzialzahnradsatz 216 und das Hohlrad 218 können auf einer temporären Achse montiert sein, die erste und zweite temporäre Halterungen 234, 236 beinhaltet. Das Ritzel 220 wird durch eine dritte temporäre Halterung 238 an Ort und Stelle gehalten. Somit steht das Ritzel 220 mit dem montierten Hohlrad 218 in Eingriff. Die externen temporären Halterungen können eine Geometrie aufweisen, die zu den Achsröhren passt, die anschließend an der Achsgehäusegruppe installiert werden. Jede der temporären Halterungen ist auf einem Block oder einer Halterung 240 angeordnet.
Eine Kraft kann auf irgendeine oder alle der ersten, zweiten und dritten externen temporären Halterungen 234, 236, 238 aufgebracht werden, um das Ausmaß des Eingriffs der Zahnrädersätze 216, 218, 220 zu kontrollieren. Zum Beispiel kann, wie auf der dritten externen temporären Halterung 238 gezeigt, eine Kraft in x-Richtung 242, y-Richtung 244 oder z-Richtung 246 angelegt werden, um Vorspannungen einzustellen. Somit kann die Ausrichtung und Vorspannung der Innenzahnradgruppe 210 mit einem hohen Grad an Wiederholbarkeit vor der Installation des Innenzahnradsatzes 210 in einem Achsgehäuse erzielt werden.
Bezugnehmend auf 5C wird eine Hülle oder Auskleidung 250 um den Innenzahnradsatz 210 geformt. Die Auskleidung kann aus einem Polymer, wie einem Formgedächtnispolymer (SMP) oder einem wasserlöslichen Polymer, hergestellt werden. Die Auskleidung 250 kann alternativ und als nicht einschränkendes Beispiel aus einem Metall wie Aluminium (Al), Magnesium (Mg), Eisen (Fe) oder Stahl gefertigt werden. Eine polymere Auskleidung kann auf eine Vielzahl von Arten geformt werden. Zum Beispiel kann eine polymere Auskleidung durch Auswahl eines die folgende Gruppe von Verfahren umfassenden Verfahrens gefertigt werden: Additive Fertigung, Lay-up-Bildung, Dornbildung, Blasformen oder Rotationsformen. Eine metallische Auskleidung kann als nicht einschränkendes Beispiel in Metallformtechniken, wie Gießen, maschinelle Bearbeitung, Pressgießen hergestellt werden.
Die additive Herstellung ist ein Verfahren, bei dem eine dreidimensionale Struktur schichtweise aufgebaut wird, in der Regel über einen Druckauftragsprozess, oder bei dem Energie oder Wärme selektiv einem pulverförmigen Ausgangswerkstoff zugeführt werden, der verfestigt, geschmolzen oder gesintert wird, um eine feste Werkstoffschicht zu bilden. Die additive Herstellung wird oftmals auch als dreidimensionales Drucken bezeichnet. Nicht einschränkende Beispiele von additiven Fertigungsverfahren umfassen Schmelzauftragsmodellieren und selektives Polymer-Lasersintern mit warmaushärtenden und thermoplastischen Kunststoffen; Stereolithografie, Continuous Liquid Interface Production oder andere neueste Techniken, die auf UV-härtbaren Polymeren beruhen; Schmelzauftragsmodellieren mit Polymer-Verbundstoffen, gerichtetes Metall-Lasersintern, elektronenstrahlgerichtete Metallschmelzsysteme, Blown Powder Directed Energy Deposition, Wire Fed Directed Energy Deposition sowie Flüssigmetall-3D-Drucksysteme mit „MagnetJet“-Technik mit Metallen, wie Aluminium, Titanlegierungen und Stahllegierungen. Außerdem können mehrere Werkstoffe an verschiedenen Stellen eines Objekts, das durch eine einzige Maschine gefertigt wird, aufgetragen werden.
Ein digitales dreidimensionales Modelliersystem kann verwendet werden, um ein digitales Modell der Struktur auszubilden. Die physische Struktur kann dann mit einer additiven Fertigungsanlage nach dem digitalen Modell hergestellt werden. Das System kann Scanner zum Abtasten einer Oberflächenstruktur und zum Entwickeln einer dreidimensionalen Ansicht der Oberflächenstrukturgeometrie beinhalten. Das System bietet zudem eine Vielzahl von Köpfen zum Auftragen von Kunstharzen und/oder Fasern auf die Strukturflächen. In verschiedenen Ausführungsformen wird das System als eine Vielzahl von Geräten oder als einzelne multifunktionale Vorrichtung bereitgestellt.
Die additive Fertigung kann verwendet werden, um die Auskleidung 250 zu formen. In einem Beispiel verbleibt der Innenzahnradsatz 210 an der Befestigungsstruktur 230, während die Auskleidung 250 um den Innenzahnradsatz 210 und die temporären Halterungen 234, 236, 238 der Befestigungsstruktur 230 herum gedruckt wird. In einem anderen Beispiel wird ein Mittelabschnitt der Auskleidung 250 mit Ritzellagerbohrungen, Seitenlagerbohrungen und einer Differenzialöffnung gedruckt. Ein Innenzahnradsatz 210 wird durch eine Differenzialöffnung eingesetzt oder eingeneigt. Der Innenzahnradsatz wird anschließend mit dem durch 5B beschriebenen Verfahren ausgerichtet und vorgespannt. Ein integraler Abdeckungsabschnitt kann gedruckt werden, um die Differenzialöffnung zu schließen.
In einem alternativen Dornbildungsverfahren zum Fertigen der Auskleidung 250 verbleibt der Innenzahnradsatz 210 während der Formung der Auskleidung 230 an der Montagestruktur 250. Zum Beispiel kann der Innenzahnradsatz 210 von SMP unterhalb seiner Übergangstemperatur umgeben werden, um einen Dorn zu erzeugen. Die externen temporären Halterungen 234, 236, 238 stellen eine Schablone für die Form des Achsrohrs bereit, die nachfolgend angebracht wird. Als Nächstes wird die Geometrie des Dorns definiert. In einigen Beispielen beinhaltet das Definieren der Geometrie des Dorns das Anlegen von Wärme und Druck auf den Dorn, um die Auskleidung 250 zu formen. Zum Beispiel kann der Dorn auf eine Temperatur von größer als oder gleich etwa 30 °C bis weniger als oder gleich etwa 220 °C erwärmt werden. Ein Druck von mehr als oder gleich etwa 5 kPa bis weniger als oder gleich etwa 500 kPa kann auf den Dorn ausgeübt werden, um die Auskleidung 250 zu formen. In anderen Beispielen wird die Auskleidung ohne die Anwendung von Wärme oder Druck geformt. Die Auskleidung 250 kann sich an die Form des Innenzahnradsatzes 210 anpassen.
Blasformen kann alternativ verwendet werden, um die Auskleidung 250 zu formen. Ein Blasformverfahren erfordert eine Form, die aus Metall sein kann und eine innere Geometrie aufweist, um die gewünschte äußere Oberflächengeometrie der Auskleidung 250 zu ergänzen. Eine polymere Vorform wird in die Form platziert. Wenn Wärme zugeführt und Luft in die Vorform geblasen wird, streckt ein Kernstab die Vorform, und die Vorform nimmt die endgültige Form der Form an. Die Vorform wird gekühlt oder verfestigt, um eine feste Hülle zu bilden. Als Nächstes werden Ritzel und Seitenzahnradbohrungen in den Vorformling eingearbeitet. Eine Kappe wird von der Vorform abgeschnitten, um das Einsetzen des Innenzahnradsatzes 210 zu ermöglichen. Der Innenzahnradsatz 210 wird eingesetzt oder an Ort und Stelle geneigt. Der Innenzahnradsatz 210 kann zum Beispiel unter Verwendung des in Verbindung mit 5B beschriebenen Verfahrens oder mit traditionellen Vorspannverfahren ausgerichtet und vorgespannt werden. Die Kappe wird zu der Vorform zurückgeführt, um den Zahnradsatz zu umschließen und die Auskleidung 250 zu bilden.
Rotationsformen können alternativ verwendet werden, um die Auskleidung 250 zu erzeugen. Rotationsformen erfordert eine zweiteilige Form mit einem unteren Hohlraum und einem oberen Hohlraum. Die Form sollte eine innere Geometrie aufweisen, die die gewünschte äußere Oberflächengeometrie der Auskleidung 250 ergänzt. Die Form ist mit Polymerpellets gefüllt und der Innenzahnradsatz 210 wird eingesetzt. Der Innenzahnradsatz kann an der Befestigungsstruktur 230 aufgehängt werden, wie in Verbindung mit 5B beschrieben. Der Innenzahnradsatz 210 bleibt stationär, während sich die erwärmte Form dreht. Durch Erwärmen der Polymerpellets wird eine Hülle entlang der inneren Oberfläche der Form erzeugt. Zum Formen der Auskleidung 250 wird die Form abgekühlt und geöffnet, um die Auskleidung 250 zu entfernen.
Unter Bezugnahme auf die 5D-5E wird ein polymerer Verbundkörpervorläufer 260 hergestellt und dann wird Wärme 270 zugeführt, um den polymeren Verbundkörpervorläufer 260 zu vernetzen oder zu härten. Vernetzung oder Aushärtung ist notwendig, wenn duroplastische Matrizen verwendet werden. Werden jedoch thermoplastische Matrizen verwendet, entfällt der Erwärmungsschritt von 5E und der polymere Verbundkörpervorläufer 260 wird stattdessen verfestigt, gekühlt oder kristallisiert. Der polymere Verbundkörper kann direkt auf einer äußeren Oberfläche der Auskleidung geformt werden, sodass eine innere Oberfläche des polymeren Verbundkörpervorläufers 260 mit der äußeren Oberfläche der Auskleidung 250 übereinstimmt. Somit kann der polymere Verbundkörpervorläufer 260 mit einem hohen Grad an Präzision hergestellt werden. Der polymere Verbundkörpervorläufer 260 kann in einem Kompositformverfahren hergestellt werden, wie zum Beispiel Faserwickeln, Bandwickeln oder trockenes Karbonfaserwickeln mit Harzinfusion, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird.
Polymerkörper aus Verbundstoff lassen sich aus Streifen des Verbundstoffgrundmaterials aufbauen, wie beispielsweise ein faserbasiertes Material (z. B. Gewebe oder Grafitband). Der Verbundstoff kann aus einer oder mehreren Schicht(en) bestehen, dabei kann jede Schicht aus von im Stoß- und/oder Überlappungsverfahren angeordneten Streifen des faserbasierten Materials bestehen. Das Trägermaterial auf Faserbasis kann auch ein Harz umfassen. Das Harz kann nach der Aufbringung des faserbasierten Materials auf die Auskleidung 250 erhärtet (z. B. vernetzt, ausgehärtet oder reagiert) werden und somit zur Bindung von einer oder mehreren Schichten dienen, die zusammen den Polymerverbundstoff ergeben.
Üblicherweise kommen zwei Verfahren zum Einsatz, um Harz bei Systemen von Verbundstoffmaterial mit Trägern auf Faserbasis einzusetzen: Laminierung (Lay-up), Vorimprägnierung (als „Prepreg“ bezeichnet) und Harzinjektion. Bei der Laminierung wird das trockene faserverstärkte Material mit dem Harz durchfeuchtet, üblicherweise durch ein Tauchbad. Bei der Vorimprägnierung (Prepreg) wird das faserbasierte Material vorab mit dem Harz getränkt und beinhaltet üblicherweise einen Schritt, bei dem das Harz teilweise zu einer viskosen oder klebrigen Konsistenz aushärtet, um dann für eine spätere Verwendung aufgewickelt zu werden. Systeme mit Verbundstoff und Prepreg verwenden für gewöhnlich Duroplast-Harze, die durch erhöhte Temperaturen mit Aushärt- oder Reaktionszeiten von unter einer (1) Stunde bis zu einem (1) oder mehreren Tagen (je nach Aushärt- oder Reaktionszeiten und Verfahren), wahlweise von ungefähr zwei (2) Stunden ausgehärtet oder reagiert werden können. Einige Prepreg-Materialien können jedoch Harze verwenden, die durch aktinische Strahlung aushärten oder reagieren (z. B. ultraviolette Strahlung (UV)).
Für das Harzinjektionsverfahren (RTM) kann trockenes Faserverstärkungsmaterial in eine Form gebracht werden, und Harz kann unter Druck (z. B. um 10 bar bis etwa 40 bar für Niederdruck-Harzinjektionsverfahren und bis zu 200 bar für Hochdruck-Harzinjektionsverfahren) in die Form infundiert werden. Spritzgießtechniken können ebenfalls verwendet werden, um Harz in das Verstärkungsmaterial einzubringen, insbesondere dort, wo das Verstärkungsmaterial Spinnfasern umfasst. So kann beispielsweise ein Vorläufermaterial, das ein Harz und das Verstärkungsmaterial umfasst, in einen definierten Raum oder eine bestimmte Form eingespritzt oder diffundiert werden, gefolgt durch das Erstarren des Vorläufermaterials, um den Polymerverbundstoff zu formen. Der Begriff „Spritzgießen“ beinhaltet auch Reaction Injection Molding mit Duroplast-Harz.
Ein Verstärkungsmaterial kann beispielsweise auch über Faserwickeln, Flechten oder Weben nahe, innerhalb und/oder über der Auskleidung 250 aufgebracht werden. Das Verfahren kann optional das Auf- bzw. Einbringen einer ungehärteten oder unreagierten Harzzusammensetzung in oder auf das Verstärkungsmaterial auf Faserbasis einschließen. Mit Aufbringen ist die Befeuchtung des faserbasierten Materials mit der ungehärteten oder unreagierten Harzzusammensetzung gemeint, was eine oberflächliche Beschichtung oder eine Durchtränkung des Fasermaterials bedeutet (beispielsweise in die Poren oder Zwischenräume des Fasermaterials). Nach Einbringung des Harzes auf das Fasermaterial folgt die Aushärtung (z.B., Vernetzung, Aushärten oder Reagieren), um so den Polymerverbundstoff auszubilden. PrePreg-faserbasiertes Material kann auch über Faserwicklung, Flechten oder Weben aufgebracht werden.
Unter Bezugnahme auf 5F ist ein Achsgehäuse aus Verbundstoff 280 dargestellt, das einen polymeren Verbundkörper 282 beinhaltet. Die Auskleidung 250 (in 5C gezeigt) kann optional entfernt werden. Ist die Auskleidung zum Beispiel SMP, kann diese über die Übergangstemperatur von SMP zur Entfernung erwärmt werden. Das entfernte Auskleidungsmaterial kann für eine nachfolgende temporäre Auskleidung wiederverwendet werden. In einem anderen Beispiel kann die Auskleidung 250 im Falle einer wasserlöslichen Auskleidung durch Säure oder in Wasser weggeätzt werden.
In noch anderen Aspekten wird ein Verfahren zur Fertigung eines mehrteiligen Achsgehäuses bereitgestellt. Das Verfahren kann, ähnlich dem in den 5A - 5F beschriebenen Verfahren, ein zur Fertigung eines Unibody-Achsgehäuses Verwendetes sein. Es können jedoch zusätzliche Verfahren verwendet werden, um einen polymeren Verbundkörpervorläufer zu formen und diesen an einer Auskleidung zu befestigen. Zum Beispiel können obere und untere Hälften eines polymeren Verbundkörpers separat formgepresst werden. Die obere und die untere Hälfte können an der Auskleidung befestigt sein, zum Beispiel durch Kleben oder mechanisches Befestigen, wobei der polymere Verbundkörper die Auskleidung und den Innenzahnradsatz einkapselt. Der polymere Verbundkörper kann auch in mehr als zwei Teilen geformt sein, beispielsweise einer unteren Hälfte, einer oberen Hälfte mit einer Differenzialöffnung und einer Abdeckung.
Eine Abdeckung kann alternativ als zusätzlicher Schritt geformt werden. Werden beispielsweise Verfahren, die in Verbindung mit 5D erläutert werden, zur Fertigung des polymeren Verbundkörpervorläufers verwendet, kann nach dem Vernetzen in 5E eine Abdeckung aus dem Körper geschnitten oder herausgearbeitet werden. Eine Dichtung oder ein Dichtungsring kann hinzugefügt werden, um einen Innenzahnradsatz zu umschließen.
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient lediglich der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie ist nicht erschöpfend und soll die Offenbarung in keiner Weise beschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern gegebenenfalls gegeneinander austauschbar und in einer ausgewählten Ausführungsform verwendbar, auch wenn dies nicht gesondert dargestellt oder beschrieben ist. Auch diverse Variationen sind denkbar. Diese Variationen stellen keine Abweichung von der Offenbarung dar, und alle Modifikationen dieser Art verstehen sich als Teil der Offenbarung und fallen in ihren Schutzumfang.

Claims

Achsgehäuse (10) für ein Fahrzeug, umfassend: einen polymeren Verbundkörper (12), umfassend ein Polymer und eine Vielzahl von Verstärkungsfasern, wobei der polymere Verbundkörper (12) einen Modulo von mehr als oder gleich etwa 10 GPa aufweist und der polymere Verbundkörper (12) Folgendes definiert: eine innere Oberfläche (14), die einen inneren Hohlraum (18) definiert, der konfiguriert ist, um einen Innenzahnradsatz (210) aufzunehmen, der ein Lager umfasst; und mindestens einen Lagerbereich (26), der eine Bohrung (24) aufweist und so gestaltet ist, dass dieser um das Lager des Innenzahnradsatzes (210) angeordnet ist; wobei das Achsgehäuse (10) eine Auskleidung (40) umfasst, die zu mindestens einem Teil der inneren Oberfläche (14) des polymeren Verbundkörpers (12) benachbart angeordnet ist, wobei die Auskleidung (40) ein Metall umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminium (Al), Magnesium (Mg), Eisen (Fe), Stahl und Kombinationen hiervon besteht.
Achsgehäuse (10) nach Anspruch 1, wobei der polymere Verbundkörper (12) einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als oder gleich etwa 14×10^-6/°C in dem mindestens einen Lagerbereich (48) aufweist.
Achsgehäuse (10) nach Anspruch 1, wobei die Auskleidung (40) eine erste Dicke in dem mindestens einen Lagerbereich (26) und eine zweite Dicke in einem Verbindungsbereich (55) aufweist, wobei die erste Dicke größer als die zweite Dicke ist.
Achsgehäuse (10) nach Anspruch 1, wobei der polymere Verbundkörper (12) eine einheitliche Struktur definiert, die frei von Nähten oder Verbindungen ist.
Achsgehäuse (10) nach Anspruch 1, wobei der polymere Verbundkörper (12) Folgendes beinhaltet: Einen Mittelabschnitt (82) mit einem Umfang (102), der eine Differenzialöffnung (104) definiert; eine Dichtung, die um den Umfang (102) herum angeordnet ist; und eine Abdeckung (84) für die Differenzialöffnung, wobei die Abdeckung in die Dichtung eingreift, um das Achsgehäuse (10) zu umschließen und um eine Flüssigkeitsdichtung zu erzeugen.
Achsgehäuse (10) nach Anspruch 1, wobei das Achsgehäuse (10) ein Salisbury-Achsgehäuse ist.
Achsgehäusegruppe (80) für ein Fahrzeug, umfassend: einen Innenzahnradsatz (210), der einen Differenzialzahnradsatz (216), ein Ritzel und Ritzellager, ein Seitenlager und ein Hohlrad (218) umfasst; ein Achsgehäuse (10), das einen polymeren Verbundkörper (12) umfasst, wobei der polymere Verbundkörper (12) ein Polymer und eine Vielzahl von Verstärkungsfasern umfasst, wobei der polymere Verbundkörper (12) eine innenliegende Oberfläche (14) definiert, die einen innenliegenden Hohlraum (18) definiert, und mindestens einen Lagerbereich (26) mit einer Bohrung (24), wobei der innenliegende Hohlraum (18) den Innenzahnradsatz (210) hält; und ein oder mehrere Achsrohre, die an dem Achsgehäuse (10) befestigt oder einteilig mit diesem geformt sind; wobei der polymere Verbundkörper (12) wenigstens einen Lagerbereich (26) umfasst, der eine Bohrung (24) aufweist, die so konfiguriert ist, dass diese um ein Lager des Innenzahnradsatzes (210) herum angeordnet ist; und wobei das Achsgehäuse (10) ferner eine Auskleidung (40) umfasst, die um wenigstens einen Teil der Oberfläche des mindestens einen Lagerbereichs (26) angeordnet ist.
Achsgehäusegruppe (80) nach Anspruch 7, wobei ein Zwischenraum (100) zwischen einer inneren Oberfläche (92) des Achsgehäuses (10) und einer äußeren Oberfläche des Innenzahnradsatzes (210) definiert ist und wobei der Zwischenraum (100) im Bereich größer oder gleich ungefähr 0,5 mm bis weniger als oder gleich ungefähr 25 mm variiert.