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Die Erfindung betrifft einen Spannarm einer Zugmittelspannvorrichtung eines Zugmitteltriebs eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Spannarms gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
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Auf dem Gebiet der Fahrzeugtechnik und insbesondere der Verbrennungsmotoren ist es bekannt, eine Bewegung der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors zum Antrieb anderer Komponenten des Verbrennungsmotors zu nutzen. So wird etwa sehr häufig eine Steuerkette, beispielsweise in Form einer Rollenkette, oder ein Zahnriementrieb eingesetzt, um eine Nockenwelle des Verbrennungsmotors anzutreiben und mit der Bewegung der Kurbelwelle zu synchronisieren. Ferner werden verbreitet Riementriebe verwendet, um Nebenaggregate des Verbrennungsmotors wie etwa Lichtmaschine, Kühlpumpe, Servolenkungspumpe und/oder Klimakompressor durch die Bewegung der Kurbelwelle antreiben zu lassen.
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Die Riemen- oder Kettentriebe sind in Verbrennungsmotoren starken Temperaturschwankungen ausgesetzt, die mit Längenänderungen verbunden sind. Um daraus resultierende Änderungen der mechanischen Spannung innerhalb des Riemens oder der Kette auszugleichen, die insbesondere zu einer starken Erhöhung der Reibung und dadurch erzeugter unerwünschter Abnutzung führen kann, ist es bekannt, Spannvorrichtungen einzusetzen. Derartige Spannvorrichtungen übernehmen mehrere Funktionen: sie stellen eine Lagerfunktion zur Führung des Riemens oder der Kette bereit, sorgen für eine konstante mechanische Spannung innerhalb des Riemens oder der Kette und dämpfen ein Schwingen des Lasttrums (des antriebskräftefreien Teils) des Riemens oder der Kette, um eine Geräuschbildung und eine übermäßige Abnutzung zu vermeiden.
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Das Aufbringen einer mechanischen Spannung auf einen Riemen- oder Kettentrieb durch Beaufschlagung mit einer quer zum Riemen oder zur Kette wirkenden Querkraft ist in der Antriebstechnik auch auf anderen Gebieten bekannt.
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So beschreibt etwa die
CN 105570406 A ein Heizkraftantriebssystem, das zwei Leerlaufräder beinhaltet, wobei ein Leerlaufrad mit einem unidirektionalen Drehmechanismus versehen ist; d.h. dass mindestens ein Leerlaufrad ein unidirektionales Rad ist. Die zwei Leerlaufräder sind durch einen Treibriemen gekoppelt. Der Treibriemen wird durch einen langen Gummischlauch gebildet. Der lange Gummischlauch wird von einer Vielzahl von abgedichteten, kurzen Gummischlauchabschnitten gebildet, in denen Luft enthalten ist. Ein Abschnitt des langen Gummischlauchs ist von einem Wärmeisolierbehälter ummantelt in diesem angeordnet. Eine Hochtemperaturflüssigkeit ist in dem Wärmeisolierbehälter enthalten. Der Abschnitt des langen Gummischlauchs steht in thermischem Kontakt mit der Hochtemperaturflüssigkeit, so dass die Luft in den kurzen Gummischlauchabschnitten, die sich im Wärmeisolierbehälter befinden, expandiert und den langen Gummischlauch außerhalb des Wärmeisolierbehälters bewegt. Durch den unidirektionalen Drehmechanismus wird eine Bewegung des langen Gummischlauchs in eine Richtung erreicht. Eine Riemenscheibe ist derart zwischen den Leerlaufrädern angeordnet, dass sie den langen Gummischlauch spannt und umfänglich von der Bewegung des langen Gummischlauchs angetrieben ist.
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Zur Erreichung einer langen Standzeit werden Teile der Spannvorrichtung, wie etwa der Spannarm, bevorzugt aus Metall, etwa aus Aluminium, hergestellt.
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Vorschläge zur Ersetzung metallischer Spannarme in Spannvorrichtungen für Riemen- oder Kettentriebe durch Spannarme aus Kunststoff zur Einsparung von Kosten und Gewicht sind im Stand der Technik bekannt.
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So ist etwa in der
US 2016/0312863 A1 ein Verbund-Spannarm oder eine -Führung für Steuerantriebsanwendungen beschrieben. Ein Körper eines Spannarms oder einer Führung beinhaltet eine Vielzahl von Schichten aus Endlos-Fasermaterial, wobei die Schichten in einer Matrix aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial gehalten sind. Jede Schicht weist Fasern auf, die in einer einzelnen Richtung (unidirektional) orientiert sind und sich über den Großteil einer Länge oder Breite des Materials erstrecken. Die Fasern einer jeden der Vielzahl von Schichten sind in einer anderen Richtung orientiert als die Fasern angrenzender Schichten der Vielzahl von Schichten.
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Das unidirektionale Band oder das Endlos-Fasermaterial kann Fasern aufweisen, die beispielsweise von Glas- oder Kohlenstofffasern gebildet sind, in denen ein Großteil der Fasern in einer einzigen Richtung verläuft und in einem thermoplastischen Substrat gehalten wird.
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Direkt an dem Körper des Spannarms können eine Kettengleitfläche, ein Kolbenpolster und eine Lagernabe zur Aufnahme eines Drehzapfens angebracht sein. Die Kettengleitfläche, der Kolbenboden und die Lagernabe können aus thermoplastischem Kunstharz bestehen und können auf den Körper aufgeformt oder umspritzt sein. Die Verbindung zwischen dem Körper und der Kettengleitfläche, dem Kolbenboden und der Lagernabe kann durch Schmelz- und/oder chemische Haftung oder durch mechanische Verriegelung durch Verriegelungsschnitte im Körper erfolgen.
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Es ist weiterhin bekannt, Ketten- oder Riemenspannvorrichtungen mit steuerbarer Spannung der Kette oder des Riemens einzusetzen.
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Aus der
US 4,854,922 A ist beispielsweise eine Spannvorrichtung für Riemen, Ketten und ähnliche Bauteile, insbesondere für den Nockenwellenantrieb eines Verbrennungsmotors, bekannt, die eine an einem beweglichen Träger gelagerte Spannrolle und ein Steuerelement beinhaltet, mit dem der Träger durch einen Betätigungsmechanismus in Entspannungsrichtung des Riemens gegen die Wirkung einer Druckfeder bewegbar ist, wenn das Steuerelement erwärmt wird. Dabei weist das Steuerelement einen Hohlraum zur Aufnahme einer Druckflüssigkeit auf, deren Volumen in Abhängigkeit von der Temperatur variiert. Der Hohlraum ist durch eine Membran verschlossen, die mit dem Betätigungsmechanismus verbunden ist. Eine Erwärmung des Steuerelements erfolgt indirekt durch die Eigenerwärmung des in Betrieb genommenen Verbrennungsmotors.
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Ferner schlägt die
US 6,953,407 B2 eine Riemenübertragungsvorrichtung vor, die eine eingestellte Spannung eines automatischen Riemenspanners zwischen einem ersten optimalen, höheren Wert, der zum Starten des Motors geeignet ist, und einem zweiten optimalen Wert ändern kann, der zum Antreiben eines Nebenaggregats geeignet ist, nachdem der Motor gestartet wurde. Die Riemenübertragungsvorrichtung beinhaltet eine rotierende Maschinenriemenscheibe einer rotierenden elektrischen Maschine zum Übertragen einer Startleistung zum Motor, eine Motorriemenscheibe zum Übertragen der Startleistung an den Motor und auch zum Übertragen einer Rotationsleistung des Motors an Nebenaggregate. Ferner weist die Riemenübertragungsvorrichtung Nebenriemenscheiben auf, die durch die Leistung der Motorriemenscheibe angetrieben werden, um den Nebenaggregate-Riemen anzutreiben, der um die rotierende elektrische Maschinenscheibe, die Motorriemenscheibe und die Nebenriemenscheiben gewickelt ist. Ein Riemenspannungseinsteller ist zum Drücken des Riemens vorgesehen, um eine Spannung des Riemens in einer Vielzahl von Stufen einzustellen. Der Riemenspannungseinsteller dient dazu, die Spannung des Riemens in einer solchen Weise einzustellen, dass die Riemenspannung größer eingestellt wird, wenn der Motor durch die rotierende elektrische Maschine gestartet wird, als wenn die Zubehörteile angetrieben werden, nachdem der Motor gestartet wurde.
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Der automatische Riemenspanner kann mittels einer Heizeinheit gesteuert werden. Dabei wird bei Aktivierung der Heizeinheit eine von einem PTC-Keramikheizelement erzeugte Wärme auf einen zentralen Bereich einer Wachskammer übertragen. Als Resultat steigen die Temperatur des Wachses und ein Volumen des Wachses an, wodurch eine Spannung des Riemens auf einen Wert eingestellt wird, der für einen Start des Motors geeignet ist.
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Im Stand der Technik sind auch Lösungen vorgeschlagen worden, die darauf abzielen, eine durch starke Erhöhung der Reibung und dadurch erzeugte unerwünschte Wärme besser abführen zu können, um eine thermische Belastung und das Risiko einer potentiellen Überhitzung des Riemen- oder Kettenspanners zu reduzieren.
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Beispielsweise ist in der
WO 2017/046246 A1 ein Zubehörantriebsriemenspanner zur Verwendung in einem Motor für Kraftfahrzeuge vorgeschlagen, der gute Dämpfungseigenschaften zeigt, weniger Dämpfungsenergie und weniger Motorleistung erfordert als ein entsprechendes Teil aus Metall, und auch eine sehr gute langfristige Leistungsfähigkeit aufweist, sowohl hinsichtlich der Beibehaltung geringer Reibung als auch eines hohen Lastvermögens. Der Zubehörantriebsriemenspanner beinhaltet eine Basis, einem Spannarm und einer an dem Spannarm angebrachten Riemenscheibe, wobei die Basis und der Spannarm in einer Schwenkanordnung angeordnet sind. Die Basis und der Spannerarm sind kraftbelastet. Die Schwenkanordnung begrenzt einen Raum, der zu einer Aufnahme einer Generatorriemenscheibe vorgesehen ist. Dabei ist der Spannerarm aus einer speziellen wärmeleitenden Kunststoffzusammensetzung hergestellt, die ein thermoplastisches Polymer, ein faserförmiges Verstärkungsmittel und einen wärmeleitenden Füllstoff beinhaltet. Geeignete faserförmige Verstärkungsmittel sind Glasfasern, Kohlenstofffasern und Keramikfasern. Hierin sind Glasfasern oder Kohlenstofffasern oder eine Kombination davon bevorzugt. Kohlenstofffasern können verwendet werden, um entweder die mechanischen Eigenschaften oder die Wärmeleitfähigkeitseigenschaften oder beides zu verbessern. Der wärmeleitende Füllstoff kann in Form von körnigem Pulver, Teilchen, Whisker, Kurzfasern oder jeder anderen geeigneten Form vorliegen. Der wärmeleitende Füllstoff beinhaltet geeigneter Weise einen oder mehrere metallische Füllstoffe oder Metallfasern (zum Beispiel Aluminium, Kupfer, Magnesium, Messing), anorganische wärmeleitende Komponenten (zum Beispiel Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Zinkoxid, Glimmer, Keramikfaser) und Kohlenstoff oder Kohlenstoff-Komponenten (z. B. Graphit, expandierter Graphit, Ruß, Kohlenstofffasern) und dergleichen. Bei Verwendung von wärmeleitenden Füllstoffen, die ein gewisses Maß an elektrischer Leitfähigkeit aufweisen, kann eine statische Aufladung des Antriebsriemens verhindert werden. Der Zubehörantriebsriemenspanner weist Kühlrippen auf, wobei die Kühlrippen in der Nähe des oder zumindest teilweise in dem durch die Schwenkanordnung begrenzten Raum angeordnet sind. Ferner beinhaltet der Zubehörantriebsriemenspanner einen aus Metall bestehenden Lagerflächenteil zum Gleitkontakt mit der Basis innerhalb der Schwenkanordnung. Der Lagerflächenteil ist bevorzugt zumindest teilweise mit der Kunststoffzusammensetzung umspritzt.
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Des Weiteren ist aus der
US 2017/0082176 A1 eine Riemenspannvorrichtung für einen Riementrieb bekannt, der eine gute Wärmeabfuhr ermöglicht und insbesondere den technischen Anforderungen für den Einsatz in einem Riementrieb mit Startergenerator über eine lange Lebensdauer standhält, bei der es zu hohen Reibleistungen und entsprechenden thermischen Belastungen des Riemenspanners kommen kann. Die Riemenspannvorrichtung weist ein Basiselement, mindestens einen Spannarm, der relativ zum Basiselement um eine Schwenkachse schwenkbar gelagert ist, eine Spannrolle zum Spannen des Riemens, eine Feder zum federnden Abstützen des Spannarms und eine Verbindungseinrichtung zum Verbinden des Spannarms mit dem Basiselement auf.
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Die Herstellung des Spannarms und/oder des Basiselements aus Kunststoff beinhaltet insbesondere die Möglichkeit, dass das Grundmaterial Kunststoffe sind, in die weitere aus einem unterschiedlichen Material bestehende Elemente integriert sein können. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind das Basisteil und/oder der Spannarm aus mehreren Kunststoffmaterialien hergestellt, die unterschiedliche Materialeigenschaften aufweisen. Insbesondere kann die Herstellung unter Verwendung eines Mehrkomponenten-Spritzgießverfahrens erfolgen, bei dem unterschiedliche Kunststoffmaterialien in einem Werkzeug in einem Arbeitsgang hergestellt werden. Um eine hervorragende Wärmeabfuhr aus dem Lagerbereich zu gewährleisten, können dem Grundmaterial Zusätze zugesetzt werden, deren Wärmeleitfähigkeit höher ist als die des Grundmaterials. Das Grundmaterial für das Basiselement und/oder den Spannarm können faserverstärkte Kunststoffe sein, beispielsweise glasfaserverstärkte und/oder kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet der Bereich der Zugmittelspannvorrichtungen von Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren noch Raum für Verbesserungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spannarm einer Spannvorrichtung für einen Zugmitteltrieb eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors bereitzustellen, der ein geringes Eigengewicht aufweist, zugleich eine erforderliche mechanische Festigkeit besitzt und ein möglichst geringes Einbauvolumen erfordert, und der eine Lösung zur Reduzierung oder Verhinderung von stark erhöhter Reibung und daraus resultierender, unerwünscht hoher Abnutzung beinhaltet.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Spannarm einer Zugmittelspannvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe wird ferner durch ein Fertigungsverfahren zur Herstellung eines solchen Spannarms gemäß Anspruch 9 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die abhängigen Unteransprüche.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Der erfindungsgemäße Spannarm einer Zugmittelspannvorrichtung eines Zugmitteltriebs eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors ist aus einem ersten thermoplastischen Kunststoffmaterial hergestellt und beinhaltet einen Faserverbundkunststoff (FVK). Der Spannarm ist in einem betriebsbereiten Zustand mit dem Zugmittel zur Übertragung einer Querkraft auf dasselbe wirkverbunden. Dabei beinhaltet der Faserverbundkunststoff z.B. Kohlenstofffasern, und der Spannarm weist zumindest zwei voneinander beabstandete, elektrisch leitfähige Anschlüsse auf, die mit den beispielhaften Kohlenstofffasern elektrisch verbunden und mit einer Stromquelle elektrisch verbindbar sind.
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Die in dieser Anmeldung verwendeten Begriffe „erster“, „zweiter“, usw. dienen nur zum Zwecke der Unterscheidung. Insbesondere soll durch ihre Verwendung keine Reihenfolge oder Priorität der im Zusammenhang mit diesen Begriffen genannten Objekte impliziert werden.
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Unter einem „Kraftfahrzeug“ soll im Sinne dieser Erfindung insbesondere ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen, ein Sattelschlepper oder ein Kraftomnibus verstanden werden.
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Unter dem Begriff „wirkverbunden“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass wirkverbundene Objekte derart miteinander verbunden sind, dass eine Übertragung einer Kraft und/oder eines Drehmoments zwischen den Objekten ermöglicht ist. Die Übertragung zwischen dem Spannarm und dem Zugmittel kann dabei sowohl durch direkten Kontakt als auch mittelbar, durch ein Zwischenelement, erfolgen.
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Der Begriff „Zugmitteltrieb“ soll im Sinne der Erfindung insbesondere einen Riementrieb, einen Zahnriementrieb und einen Kettentrieb, insbesondere zur Steuerung einer Nockenwelle oder zum Antreiben von Nebenaggregaten des Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors, einschließen. Der Riementrieb kann dabei zumindest einen Riemen aufweisen, der beispielsweise, aber nicht einschränkend, als Keilriemen, formgezahnter Keilriemen oder als Keilrippenriemen ausgebildet ist.
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Da eine mechanische Belastung des Spannarms hauptsächlich durch Biegespannung erfolgt, kann mit der vorgeschlagenen Lösung eine wirksame Erhöhung der mechanischen Biegefestigkeit bei geringem Eigengewicht und geringem erforderlichem Einbauvolumen erreicht werden. Der erfindungsgemäße Spannarm kann ferner den Einsatz von Kunststoff-Spannarmen auch für höhere mechanische Belastungen ermöglichen.
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Durch die Verwendung der elektrisch leitfähigen Fasern, also z.B. zielführend von elektrisch leitfähigen Kohlenstofffasern kann der Spannarm nach Herstellen einer elektrischen Verbindung mit der Stromquelle und Versorgung mit elektrischem Strom kontrolliert erwärmt werden, beispielsweise auf eine vorgegebene Soll-Betriebstemperatur. Infolge der absichtlich herbeigeführten Erwärmung können Temperaturänderungen und die damit einhergehenden Längenänderungen während eines Betriebs des Verbrennungsmotors weitgehend vermieden werden. Auch die durch mögliche Längenänderungen bewirkte Änderung, insbesondere Erhöhung, der mechanischen Spannung des Zugmittels und eine infolgedessen potentielle Erhöhung der Reibung und erhöhte Abnutzung können verhindert werden.
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Des Weiteren kann durch die kontrollierte Erwärmung des Spannarms die Viskosität eines verwendeten Schmieröls verringert werden. Aufgrund der verringerten Viskosität und der Verhinderung einer Erhöhung der Reibung kann eine Erhöhung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors erreicht werden.
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In bevorzugten Ausführungsformen des Spannarms sind die beispielhaften Kohlenstofffasern als unidirektional angeordnete Kohlenstofffasern ausgebildet. Auf diese Weise kann mit einem sehr geringen Materialaufwand und damit einer sehr geringen Erhöhung des Eigengewichts eine erhebliche Erhöhung der mechanischen Biegefestigkeit des Spannarms erreicht werden.
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Bevorzugt weist der Faserverbundkunststoff Endlosfasern (Filamentgarne) z.B. aus Kohlenstoff auf. Weiterhin bevorzugt ist der Faserverbundkunststoff bandförmig ausgebildet, wobei das Band als unidirektionales Band (UD-Band), als biaxiales Band oder als multiaxiales Band ausgebildet sein kann, das aus verschiedenen Arten von Schichten und Kombinationen der genannten Bandtypen hergestellt ist. Das faserverstärkte Band kann auch als Gewebeband oder als Multiaxialgelege vorliegen.
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Bevorzugt beinhaltet das erste thermoplastische Kunststoffmaterial, ohne darauf beschränkt zu sein, zumindest ein Material aus einer Materialgruppe, die von Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Polyoxymethylen (POM), Polycarbonat (PC) und Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) und geschäumten Versionen der genannten Materialien gebildet ist. Für die leicht und in großer Menge verfügbaren Materialien dieser Materialgruppe steht eine Fülle an Erfahrungen und eine große Anzahl von anwendungsspezifischen Herstellungsverfahren zur Verfügung, auf die zurückgegriffen werden kann.
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Das erste thermoplastische Kunststoffmaterial kann neben den zuvor genannten Materialien der Materialgruppe auch Füllstoffe enthalten, die beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, Talk und/oder kurzfaserige Glasfasern und/oder langfaserige Glasfasern beinhalten.
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In bevorzugten Ausführungsformen beinhaltet das erste thermoplastische Kunststoffmaterial in einem Bereich nahe der elektrisch leitfähigen Anschlüsse zumindest einen elektrisch leitfähigen Füllstoff. Auf diese Weise kann ein elektrischer Übergangswiderstand der elektrischen Verbindung zwischen jedem der elektrisch leitfähigen Anschlüsse und den mit dem betreffenden elektrisch leitfähigen Anschluss verbundenen beispielhaften Kohlenstofffasern vorteilhaft reduziert werden.
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Beispiele für geeignete Füllstoffe sind Kohlenstoffpartikel und kurze Kohlenstofffasern.
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Eine besonders einfache Herstellung des Spannarms kann erreicht werden, wenn die Matrix des Faserverbundwerkstoffs als ein zweites thermoplastisches Kunststoffmaterial ausgebildet ist. Bei einer geeigneten Ausgestaltung des Herstellverfahrens kann der Spannarm in einem einzigen Prozess gefertigt werden. In bevorzugten Ausführungsformen des Spannarms sind das erste thermoplastische Kunststoffmaterial und das zweite thermoplastisches Kunststoffmaterial das gleiche Material. Auf diese Weise kann auf besonders einfache Weise eine besonders feste und haltbare Verbindung zwischen dem Faserverbundkunststoff und einem übrigen Teil des Spannarms erreicht werden.
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Bevorzugt sind die Kohlenstofffasern des Faserverbundkunststoffs in einem oberflächennahen Bereich des Spannarms angeordnet. Während der Durchführung eines geeigneten Fertigungsverfahrens des Spannarms kann dadurch auf eine besonders einfache Weise eine Verbindung des Faserverbundkunststoffs mit dem übrigen Teil des Spannarms hergestellt werden.
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In bevorzugten Ausführungsformen des Spannarms ist zumindest eine der zumindest zwei elektrisch leitfähigen Anschlüsse als Buchse, insbesondere als metallische Buchse, ausgebildet. Indem die zumindest eine Buchse beispielsweise zur schwenkbaren Lagerung des Spannarms und gleichzeitig zur elektrischen Verbindung der Kohlenstofffasern mit einer Stromquelle genutzt werden kann, kann bei dem erfindungsgemäßen Spannarm ein Aufwand für zusätzliche Bauteile, und damit Kosten und Gewicht, relativ gering gehalten werden.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Zugmittelspannvorrichtung eines Zugmitteltriebs eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors vorgeschlagen, die zumindest einen erfindungsgemäßen Spannarm aufweist. Ferner beinhaltet die Zugmittelspannvorrichtung eine ansteuerbare elektrische Stromquelle, deren Ausgänge mit den zwei elektrisch leitfähigen Anschlüssen elektrisch verbunden sind, zumindest einen in der Nähe des Spannarms angeordneten Temperatursensor und eine elektronische Steuerungseinheit. Die elektronische Steuerungseinheit ist dazu vorgesehen, Ausgangssignale des Temperatursensors zu empfangen und die elektrische Stromquelle basierend zumindest auf den empfangenen Ausgangssignalen anzusteuern.
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Unter dem Begriff „dazu vorgesehen“ soll im Sinne dieser Erfindung insbesondere speziell dafür programmiert, ausgelegt oder angeordnet verstanden werden.
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Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Spannarm beschriebenen Vorteile gelten in vollem Umfang auch für eine derartige Zugmittelspannvorrichtung. Zudem können mittels der Zugmittelspannvorrichtung der Spannarm und das Zugmittel unabhängig von einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors und insbesondere auch zu Beginn einer Warmlaufphase des Verbrennungsmotors auf eine vorbestimmte Temperatur oberhalb einer Außentemperatur erwärmt werden.
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In einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Fertigungsverfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Spannarms bereitgestellt. Das Fertigungsverfahren beinhaltet zumindest die folgenden Schritte:
- - Öffnen einer Spannarm-Spritzgussform,
- - Platzieren und Fixieren einer Vielzahl von Abschnitten eines bandförmig ausgebildeten, kohlenfaserverstärkten Faserverbundkunststoffs, der ein zweites thermoplastisches Kunststoffmaterial beinhaltet, an vorbestimmten Positionen in der Spannarm-Spritzgussform,
- - Platzieren und Fixieren der zumindest zwei elektrisch leitfähigen Anschlüsse an voneinander beabstandeten Positionen in der Spannarm-Spritzgussform,
- - Herstellen von elektrischen Verbindungen zwischen jedem der zumindest zwei elektrisch leitfähigen Anschlüsse und Enden der Kohlenstofffasern des Faserverbundwerkstoffes,
- - Schließen der Spannarm-Spritzgussform,
- - Überspritzen der Vielzahl von bandförmig ausgebildeten Abschnitten des Faserverbundkunststoffs und Füllen der Spannarm-Spritzgussform mit einem ersten thermoplastischen Kunststoffmaterial,
- - Öffnen der Spannarm-Spritzgussform nach Abkühlen des Spannarms, und
- - Auswerfen des Spannarms aus der Spannarm-Spritzgussform.
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Unter dem Begriff „Vielzahl“ soll im Sinne der Erfindung insbesondere eine Anzahl von zumindest zwei verstanden werden.
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Auf diese Weise kann der erfindungsgemäße Spannarm schnell, präzise und zuverlässig hergestellt werden.
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Verfahren zum Überspritzen von Abschnitten eines bandförmig ausgebildeten, faserverstärkten Faserverbundkunststoffs, die in einer Spritzgussform gehaltert sind, sind im Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der Internetseite http://www8.basf.us//PLASTICSWEB/displayanyfile?id=0901a5e1803c4de3, auf der ein Produkt (Ultracom™) der Fa. BASF, Ludwigshafen, beschrieben ist.
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Das zweite thermoplastische Kunststoffmaterial kann eine Füllung aus einem Material beinhalten, deren Wärmeleitfähigkeit größer als die des zweiten thermoplastischen Kunststoffmaterials ist. Beispielsweise kann die Füllung Kohlenstoffpartikel und kurze Kohlenstofffasern aufweisen. Dadurch kann vorteilhaft eine Erhöhung einer Wärmeleitfähigkeit des Spannarms erzielt werden, die durch die erhöhte Temperaturleitfähigkeit ein schnelleres Erreichen einer vorgegebenen Betriebstemperatur des Spannarms ermöglichen kann.
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Eine bevorzugte Weitergestaltung des Fertigungsverfahrens beinhaltet folgenden zusätzlichen Schritt, der vor dem Schritt des Überspritzens der Vielzahl von bandförmig ausgebildeten Abschnitten auszuführen ist:
- - Überspritzen der elektrisch leitfähigen Anschlüsse mit einem thermoplastischen Kunststoffmaterial, das einen Anteil eines elektrisch leitfähigen Füllstoffes beinhaltet.
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Auf diese Weise kann ein elektrischer Übergangswiderstand der elektrischen Verbindung zwischen jedem der elektrisch leitfähigen Anschlüsse und den mit dem betreffenden elektrisch leitfähigen Anschluss verbundenen Kohlenstofffasern vorteilhaft reduziert werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Zugmittelspannvorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Spannarm in einer Seitenansicht, und
- 2 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Spannarms.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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1 zeigt eine Zugmittelspannvorrichtung 10 mit einer möglichen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spannarms 12 in einer Seitenansicht. Der Spannarm 12 ist Teil der Zugmittelspannvorrichtung 10 eines Zugmitteltriebs eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors, wobei der Zugmitteltrieb von einem Kettentrieb mit als Rollenkette ausgebildeter Kette zum Antrieb einer Nockenwelle des Verbrennungsmotors durch eine Kurbelwelle des Verbrennungsmotors gebildet ist (nicht dargestellt). Die Zugmittelspannvorrichtung 10 ist demnach als Kettenspannvorrichtung ausgebildet. Der Spannarm 12 ist in einem betriebsbereiten Zustand in an sich bekannter Weise mit dem Zugmittel, d.h. der Kette, zur Übertragung einer Querkraft auf dieselbe durch gegenseitige Anlage wirkverbunden.
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Der Spannarm 12 weist eine grundsätzlich längliche Form mit zwei ebenen, parallel zueinander ausgerichteten Seitenflächen 14, einer konvex gekrümmten, oberen Anlagefläche 16 und einer in einem Abschnitt konkav gekrümmten, unteren Fläche 18 auf.
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In voneinander beabstandeten Endbereichen 20, 22 der länglichen Form angeordnet weist der Spannarm 12 jeweils eine Buchse 24, 26 aus Metall auf, wobei Symmetrieachsen der Buchsen 24, 26 parallel zueinander verlaufen und senkrecht zu den Seitenflächen 14 des Spannarms 12 ausgerichtet sind. Die Buchsen 24, 26 bilden im Spannarm 12 Durchgangslöcher aus, die mit Befestigungselementen bzw. Lagerelementen der Kettenspannvorrichtung korrespondieren, so dass der Spannarm 12 je nach Verwendung der Zugmittelspannvorrichtung 10 fest bzw. schwenkbar mit dem Verbrennungsmotor verbindbar ist.
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Der Spannarm 12 ist aus einem ersten thermoplastischen Kunststoffmaterial hergestellt, das z.B. von Polymid (PA) gebildet ist. In einem oberflächennahen Bereich der unteren Fläche 18 des Spannarms 12 und parallel zu dieser angeordnet beinhaltet der Spannarm 12 eine Schicht aus einem Faserverbundkunststoff (FVK) 28, der als Endlos-Faser ausgebildete Kohlenstofffasern 30 beinhaltet, die von einer Matrix aus einem zweiten thermoplastischen Kunststoffmaterial aufgenommen sind. Das zweite thermoplastische Kunststoffmaterial ist ebenfalls z.B. von Polyamid (PA) gebildet, so dass in dieser speziellen Ausführungsform das erste thermoplastische Kunststoffmaterial und das zweite thermoplastische Kunststoffmaterial vom gleichen Material gebildet sind.
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In einem Bereich rund um die Buchsen 24, 26 des Spannarms 12 beinhaltet das erste thermoplastische Kunststoffmaterial einen zusätzlichen, elektrisch leitfähigen Füllstoff, der von einer Mischung aus kurzfaserigen Kohlenstofffasern und Kohlenstoffpartikeln gebildet ist.
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Die Kohlenstofffasern 30 sind im Faserverbundkunststoff 28 unidirektional angeordnet, und zwar in einer Richtung, die im Wesentlichen parallel zu der unteren Fläche 18 und senkrecht zu den Seitenflächen 14 des Spannarms 12 verläuft.
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Die beiden Buchsen 24, 26 des Spannarms 12 sind mit den Kohlenstofffasern 30 elektrisch verbunden. Dabei wird die elektrische Verbindung durch die Anwesenheit des elektrisch leitfähigen Füllstoffs unterstützt. Die beiden Buchsen 24, 26 dienen als elektrisch leitfähige Anschlüsse und sind mit einer im Inneren des Kraftfahrzeugs angeordneten, ansteuerbaren Stromquelle 32 elektrisch verbunden.
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Über die beiden Buchsen 24, 26 des Spannarms 12 sind die Kohlenstofffasern 30 mit der Stromquelle 32 der Zugmittelspannvorrichtung 10 elektrisch verbunden und können mittels der Stromquelle 32 mit einem elektrischen Strom I beaufschlagt werden, der bei einer Aktivierung der Stromquelle 32 in den Kohlenstofffasern 30 aufgrund deren elektrischen Widerstandes eine Joulesche Wärme erzeugt. Durch die erzeugte Wärme kann eine Temperatur des Spannarms 12 und dem mit dem Spannarm 12 in gegenseitiger Anlage befindlichen Zugmittel, d.h. der Kette, gegenüber einer Außentemperatur erhöht werden.
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Die Zugmittelspannvorrichtung 10 weist ferner eine elektronische Steuerungseinheit 34 auf, die zur Ansteuerung der Stromquelle 32 vorgesehen und zu diesem Zweck mit der Stromquelle 32 datentechnisch verbunden ist. Die elektronische Steuerungseinheit 34, die ansteuerbare Stromquelle 32, die Kohlenstofffasern 30 des Faserverbundkunststoffs 28 und ein in der Nähe des Spannarms 12 angeordneter Temperatursensor 36, dessen Ausgangssignale von der elektronischen Steuerungseinheit 34 empfangbar sind, bilden eine Regelstrecke, durch die der Spannarm 12 und die Kette unabhängig von einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors und insbesondere auch zu Beginn einer Warmlaufphase des Verbrennungsmotors auf eine vorbestimmte Temperatur oberhalb einer Außentemperatur erwärmt werden können.
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Nachfolgend wird ein Fertigungsverfahren zur Herstellung eines Spannarms 12 gemäß der 1 anhand der 1 und 2 beschrieben. Ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Fertigungsverfahrens ist in der 2 dargestellt.
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In einem ersten Schritt 40 des Verfahrens wird eine Spannarm-Spritzgussform geöffnet. In einem weiteren Schritt 42 wird eine Vielzahl von Abschnitten eines bandförmig ausgebildeten, kohlenstofffaserverstärkten Faserverbundkunststoffs 28 an vorbestimmten Positionen in der Spannarm-Spritzgussform platziert und fixiert. Der Faserverbundkunststoff 28 beinhaltet ein zweites thermoplastisches Kunststoffmaterial als Matrix, in dem unidirektionale, als Endlos-Faser ausgebildete Kohlenstofffasern 30 eingebettet sind, wobei das zweite thermoplastische Kunststoffmaterial von Polyamid gebildet ist.
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In einem anderen Schritt 44 des Verfahrens werden zwei Metallbuchsen 24, 26, die zusätzlich als elektrisch leitfähige Anschlüsse vorgesehen sind, an voneinander beabstandeten Positionen in der Spannarm-Spritzgussform platziert und fixiert. Zwischen jedem der beiden elektrisch leitfähigen Anschlüsse 24, 26 und Enden der Kohlenstofffasern 30 des Faserverbundwerkstoffes 28 werden in einem weiteren Schritt 46 elektrische Verbindungen hergestellt. In einem anschließenden Schritt 48 wird die Spannarm-Spritzgussform geschlossen.
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Danach werden die elektrisch leitfähigen Anschlüsse 24, 26 in einem weiteren Schritt 50 des Verfahrens mit einem thermoplastischen Kunststoffmaterial überspritzt, das Polyamid mit einem Anteil eines elektrisch leitfähigen Füllstoffes aus einer Mischung aus kurzfaserigen Kohlenstofffasern und Kohlenstoffpartikeln beinhaltet.
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In einem nächsten Schritt 52 des Verfahrens wird die Vielzahl von bandförmig ausgebildeten Abschnitten des Faserverbundkunststoffs 28 mit einem ersten thermoplastischen Kunststoffmaterial aus Polyamid überspritzt und die Spannarm-Spritzgussform mit dem thermoplastischen Kunststoffmaterial gefüllt.
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Nach einem Abkühlen des gefertigten Spannarms wird die Spannarm-Spritzgussform in einem nächsten Schritt 54 des Verfahrens geöffnet. In einem abschließenden Schritt 56 wird der gefertigte Spannarm 12 aus der Spannarm-Spritzgussform ausgeworfen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Zugmittelspannvorrichtung
- 12
- Spannarm
- 14
- Seitenfläche
- 16
- obere Anlagefläche
- 18
- konkav gekrümmte untere Fläche
- 20
- Endbereich
- 22
- Endbereich
- 24
- Buchse, elektrisch leitfähiger Anschluss
- 26
- Buchse, elektrisch leitfähiger Anschluss
- 28
- Faserverbundkunststoffschicht
- 30
- Kohlenstofffasern
- 32
- Stromquelle
- 34
- elektronische Steuerungseinheit
- 36
- Temperatursensor Verfahrensschritte:
- 40
- Öffnen der Spannarm-Spritzgussform
- 42
- Platzieren und Fixieren von Faserverbundkunststoff-Bandabschnitten an vorbestimmten Positionen in der Spannarm-Spritzgussform
- 44
- Platzieren und Fixieren der elektrisch leitfähigen Anschlüsse in der Spannarm-Spritzgussform
- 46
- Herstellen von elektrischen Verbindungen zwischen elektrisch leitfähigen Anschlüsse und Enden der Kohlenstofffasern
- 48
- Schließen der Spannarm-Spritzgussform
- 50
- Überspritzen der elektrisch leitfähigen Anschlüsse mit thermoplastischem Kunststoffmaterial mit leitfähigem Füllstoff
- 52
- Überspritzen der Faserverbundkunststoff-Bandabschnitte und Füllen der Spannarm-Spritzgussform
- 54
- Öffnen der Spannarm-Spritzgussform nach Abkühlen des Spannarms
- 56
- Auswerfen des Spannarms aus der Spannarm-Spritzgussform
