DE10215378A1

DE10215378A1 - Faserverstärktes Aufhängungselement

Info

Publication number: DE10215378A1
Application number: DE10215378A
Authority: DE
Inventors: Douglas James Bradley; Robert Christian Lawson
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2001-04-10
Filing date: 2002-04-08
Publication date: 2002-10-24
Also published as: US6460838B1; GB0204541D0; GB2374395A; US20020149190A1; JP2003019906A; GB2374395B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein faserverstärktes Aufhängungselement mit einer integralen Drehlageröffnung. Das Aufhängungselement umfasst einen ersten Abschnitt, einen zweiten Abschnitt und einen zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt angeordneten zentralen Abschnitt. Das erfindungsgemäße Aufhängungselement ist aus Fasern gebildet, die sich ausgehend vom ersten Abschnitt zum zweiten Abschnitt in Längsrichtung erstrecken und um den zentralen Abschnitt gekrümmt verlaufen, so dass eine Öffnung in dem zentralen Abschnitt festgelegt ist. Die das Aufhängungselement bindenden Fasern umfassen typischerweise eine obere Faserschicht und eine untere Faserschicht. Die obere Faserschicht und die untere Faserschicht bilden in dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt eine Grenzfläche und sind im zentralen Abschnitt getrennt. Die obere Faserschicht und die untere Faserschicht sind im Bereich der Öffnung verstärkt durch Nähen von Verstärkungsfasern durch die Dickenerstreckung des Aufhängungselements.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein faserverstärktes Auf hängungssystem zur Verwendung in Kraftfahrzeugen. Insbesonde re betrifft sie ein faserverstärktes Aufhängungselement mit einer integralen Drehlageröffnung.

Aufhängungselemente in Kraftfahrzeugen sind typischerweise aus Stahllagen hergestellt. Das Verfahren zur Herstellung dieser Aufhängungselemente ist nicht nur aufwändig, sondern führt auch zu einer Erhöhung des Gesamtgewichts des Kraft fahrzeugs. Um leichtere Kraftfahrzeugverbundstoffmaterialien herzustellen, ist auf Glasfasern bzw. Kohlenstofffasern zu rückgegriffen worden, um Aufhängungselemente zu erzeugen. Ob wohl diese Verbundstoffmaterialien gute physikalische Eigen schaften aufweisen, sind sie jedoch teuerer als herkömmliche Metallaufhängungselemente. Ein großer Teil der Kosten dieser Aufhängungselemente rührt von der Tatsache her, dass Drehla ger bzw. Halterungslöcher üblicherweise die Form getrennter Metallelemente haben, die mit dem Verbundstoffmaterial ver nietet oder anderweitig verbunden sind. Es besteht deshalb ein Bedarf in der Autoindustrie, Aufhängungselemente herzu stellen, die leichtgewichtig und kostengünstiger als bislang sind.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb dar in, Aufhängungselemente für Kraftfahrzeuge schaffen, die leichtgewichtig und kostengünstiger als bisherige Elemente dieser Art sind.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen angegeben.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispiel haft näher erläutert; in dieser zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des glasfaserverstärk ten Aufhängungselements mit einer Öffnung bzw. einer Drehlageröffnung mit kreisförmigem Querschnitt, wobei Verstärkungsfasern entlang der Querachse versetzt sind, in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2 in Fig. 1 in Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3 eine Vorderansicht des glasfaserverstärkten Aufhän gungselements mit einer integrierten Buchse, wobei die Verstärkungsfasern entlang der Längsachse versetzt sind, in Übereinstimmung mit der bevorzugt Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des glasfaserverstärk ten Aufhängungselements mit einer Drehlageröffnung mit diamantförmigem Querschnitt, wobei die Verstärkungsfa sern entlang der Querachse versetzt sind, in Überein stimmung mit der zweiten Ausführungsform der vorliegen den Erfindung.

In den Zeichnungen ist ein Verbundstoffaufhängungselement mit einem integralen Schwenklager(punkt) in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Erfindung allgemein mit der Be zugsziffer 10 bezeichnet. Obwohl in den Zeichnungen nicht ge zeigt, wird ein Aufhängungselement 10 bevorzugt verwendet, um die Fahrzeugkarosserie mit Bestandteilen des Fahrzeugs zu verbinden, die sich im Kontakt mit dem Untergrund befinden, wie etwa Räder.

Wie in Fig. 1 gezeigt, umfasst das Aufhängungselement 10 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung einen ersten Abschnitt 14, einen zentralen Abschnitt 16 und einen zweiten Abschnitt 18. Bevorzugt ist der zentrale Abschnitt 16 zwi schen dem ersten Abschnitt 14 und dem zweiten Abschnitt 18 angeordnet. Alternativ kann der zentrale Abschnitt 16 an ei nem Ende des ersten Abschnitts 14 bzw. des zweiten Abschnitts 18 angeordnet sein. Das Aufhängungselement 10 legt eine Längsachse 25 und eine Querachse 27 fest.

Wie in Fig. 1 gezeigt, besitzt der zentrale Abschnitt 16 ei nen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt und dient dazu, ein Verbindungselement bzw. ein Schwenklagerelement aufzuneh men, welches das Aufhängungselement 10 mit weiteren Bestand teilen des Kraftfahrzeugs verbindet. Bevorzugt verläuft der zentrale Abschnitt symmetrisch um die Längsachse 25 und die Querachse 27. Alternativ kann der zentrale Abschnitt 16 läng liche Konfiguration oder einen diamantförmigen Querschnitt besitzen (siehe Fig. 4). Der zentrale Abschnitt 16 kann auch eine alternative Form aufweisen, die dazu geeignet ist, eine Öffnung festzulegen. Der erste Abschnitt 14 und der zweite Abschnitt 18 erstrecken sich bevorzugt in Längsrichtung weg von dem zentralen Abschnitt 16. Der erste Abschnitt 14 und der zweite Abschnitt 18 besitzen bevorzugt Balkenform und verlaufen im wesentlichen parallel zu der Längsachse 25 des Aufhängungselements 10. Alternativ können der erste Abschnitt 14 und der zweite Abschnitt 18 um den zentralen Abschnitt 16 derart gekrümmt verlaufen, dass sie um die Längsachse 25 schwingen bzw. oszillieren können. Alternativ können der ers te Abschnitt 14 und der zweite Abschnitt 18 einen trapezför migen hexagonalen Querschnitt aufweisen.

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist das Aufhängungselement 10 aus im wesentlichen aneinander grenzenden bzw. aneinander stoßenden Schichten von Fasern gebildet, die allgemein mit der Bezugs ziffer 20 bezeichnet sind. Um das Aufhängungselement 10 mit der gewünschten Dichte zu erhalten, sind mehrere Faserschich ten 20 übereinander angeordnet, wie in Fig. 2 gezeigt. Obwohl in den Zeichnungen lediglich acht übereinander angeordnete Faserschichten gezeigt sind, können auch weniger als acht Fa serschichten oder mehr als acht Faserschichten vorgesehen sein. Die Dicke des Aufhängungselements 10 ist allgemein mit T bezeichnet. Die zur Bildung des Aufhängungselements 10 ver wendeten Fasern 20 sind bevorzugt trockene unidirektionelle Fasern, wie etwa Kunststofffasern, Metallfasern, Fasern aus tierischem Material oder Fasern aus pflanzlichem Material. Alternativ können Prepregfasern verwendet werden, bei denen es sich um Fasern handelt, die mit einem (Kunst)harz vorbe handelt sind. Das flüssige Harz, das dabei zum Einsatz kommt, ist von herkömmlicher Art und kann als Polyester, Vinylester, Epoxidharz, Phenolharz, Cyanatester und/oder als andere Harz vorliegen.

Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, umfassen die mehreren Faser schichten 20, die das Aufhängungselement 10 bilden, typi scherweise eine obere Faserschicht 22A, 22B, 22C und 22D, die gemeinsam als obere Faserschichten 22 bezeichnet sind, und eine untere Faserschicht 24A, 24B, 24C und 24D, die gemeinsam als untere Faserschichten 24 bezeichnet sind. Die oberen Fa serschichten 22A, 22B, 22C, 22D sind übereinander angeordnet, um die gewünschte Dicke zu erhalten, die allgemein mit T1 be zeichnet ist. Ähnlich wie die oberen Faserschichten sind die unteren Faserschichten 24A, 24B, 24C, 24D übereinander ange ordnet, um die gewünschte Dicke T2 zu erhalten. Die Gesamtdi cke T des Aufhängungselements 10 besteht damit aus der Dicke T1 der oberen Faserschichten 22 und der Dicke T2 der unteren Faserschichten 24. Obwohl in der Zeichnung lediglich vier obere Faserschichten 22 und untere Faserschichten 24 gezeigt sind, wird bemerkt, dass mehr als vier Faserschichten verwen det werden können, um die Dicke T des Aufhängungselement 10 festzulegen. Alternativ kann die obere Faserschicht 22 mehr Faserschichten als die untere Faserschicht 24 aufweisen und umgekehrt.

Wie in Fig. 1 gezeigt, erstrecken sich die oberen Faser schichten 22 ausgehend vom ersten Abschnitt 14 zu dem zweiten Abschnitt 18, indem sie um den zentralen Abschnitt 18 ge krümmt bzw. gebogen verlaufen. Alternativ können einige der oberen Faserschichten 22 nicht um den zentralen Abschnitt 16 gekrümmt verlaufen, so dass sie sich ausschließlich im ersten Abschnitt 14 oder im zweiten Abschnitt 18 gerade erstrecken, ohne um den zentralen Abschnitt 16 gekrümmt zu verlaufen. In ähnlicher Weise erstreckt sich die untere Faserschicht 24 zur Bildung des ersten Abschnitts 14 zum zweiten Abschnitt 18 mittels eines gekrümmten Verlaufs um den zentralen Abschnitt 16. Alternativ können einige der unteren Faserschichten sich ausschließlich in dem ersten Abschnitt 14 oder dem zweiten Abschnitt 18 erstrecken. Diese Fasern verlaufen nicht allge mein gekrümmt um den zentralen Abschnitt 16.

Um das erfindungsgemäße Aufhängungselement 10 gemäß Fig. 1 zu erhalten, verlaufen die oberen Faserschichten 22 und die un teren Faserschichten 24 im wesentlichen parallel zueinander. Typischerweise bilden die obere Faserschicht 22A und die un tere Faserschicht 24A entlang der Längsachse 25 des Aufhän gungselements 10 am ersten Abschnitt 14 und am zweiten Ab schnitt 18 eine Grenzfläche. Am zentralen Abschnitt teilen sich die obere Faserschicht 22A und die untere Faserschicht 24A derart auf, dass die obere Faserschicht 22A entlang der Längsachse 25 gekrümmt verläuft, während die untere Faser schicht 24A unter der Längsachse 25 des Aufhängungselements 10 gekrümmt verläuft. Wie in Fig. 1 gezeigt, sind die obere Faserschicht 22A und die untere Faserschicht 24A am ersten Abschnitt 14 und am zweiten Abschnitt 18 integral verbunden bzw. vereinigt, um ein balkenartige Struktur bereitzustellen. Am zentralen Abschnitt sind die obere Faserschicht 22A und die untere Faserschicht 24 aufgeteilt, um eine Öffnung 26 festzulegen.

Alternativ kann das Aufhängungselement 10 auch so gebildet sein, dass eine Buchse oder ein Stift 32 (siehe Fig. 3) im zentralen Abschnitt 16 ausgeformt ist. In diesem Fall legt die Buchse 32 die Öffnung 26 fest. In dem Fall, dass eine Buchse 32 verwendet wird, um die Öffnung 26 festzulegen, erstrecken sich die oberen Faserschichten 22 ausgehend vom ersten Abschnitt 14 und verlaufen gekrümmt um den oberen Teil 32A der Buchse 32 zum zweiten Abschnitt 18 des Aufhängungs elements 10. In ähnlicher Weise erstrecken sich die unteren Faserschichten 24 ausgehend vom ersten Abschnitt 14 und ver laufen gekrümmt um den unteren Teil 32B der Buchse 32 zum zweiten Abschnitt 18 des Aufhängungselements 10. Bevorzugt ist die Buchse 13 nach dem Bearbeitungsprozess entfernbar. Alternativ ist die Buchse 22 nach diesem Prozess nicht ent fernbar, sondern bildet einen integralen Teil des Aufhän gungselements 10 (wie in Fig. 3 gezeigt).

Nachdem die mehreren Faserschichten 22 aufeinander angeordnet worden sind, um den ersten Abschnitt 14, den zentralen Ab schnitt 16 und den zweiten Abschnitt 18 zu bilden, wird die Struktur geformt, um das Aufhängungselement 10 zu bilden (wie in Fig. 2 gezeigt), wobei das (Kunst)harz ausgehärtet wird unter Verwendung von herkömmlichen Techniken. Während des Formvorgangs bzw. Formgebungsvorgangs werden die obere Faser schicht 22A und die untere Faserschicht 22A bevorzugt integ ral entlang der Längsachse 25 in dem ersten Abschnitt 14 und dem zweiten Abschnitt 18 des Aufhängungselements 10 integral verbunden.

Wie vorstehend ausgeführt, unterliegt das Aufhängungselement 10 typischerweise hohen Lasten und Spannungen. Da die obere Faserschicht 22A und die untere Faserschicht 24A im Bereich 28 der Öffnung 26 aufgeteilt sind, erzeugt die Öffnung 26 im Bereich 28 eine hohe Spannungskonzentration. Wenn das Aufhän gungselement 10 hohen Lasten und Spannungen ausgesetzt ist, zeigen der obere Faserstrang 22A und der untere Faserstrang 24A deshalb eine Neigung, sich entlang der Längsachse 25 zu trennen. Um eine Trennung der oberen Faserschicht 22A von der unteren Faserschicht 24A zu unterbinden, wird der Bereich 28 durch einen Verstärkungsfaser 30 verstärkt, wie in Fig. 2 ge zeigt. Bevorzugt werden als Verstärkungsfasern Glasfasern verwendet. Alternativ können Aramidfasern oder organische Fa sern verwendet werden, wie solche, die kommerziell erhältlich sind von E.I. du Pont de Nemours & Co. unter der Marke KEV LAR®, um die Verstärkungsfasern 30 zu bilden. Es ist auch möglich, Kohlenstofffasern als Verstärkungsfasern zu verwen den. Bevorzugt wird die Verstärkungsfaser bzw. werden die Verstärkungsfasern 30 durch die Dicke T des Aufhängungsele ments 10 um die Bereich 28 genäht bzw. vernäht unter Verwen dung einer industriellen Nähmaschine (nicht gezeigt). Bevor zugt wird die Verstärkungsfaser 30 mit mehreren Stichen ver näht, um die obere Faserschicht 22 und die untere Faser schicht 24 zusammenzuhalten. Wie in Fig. 2 gezeigt, wird die Verstärkungsfaser 30 bevorzugt derart genäht bzw. vernäht, dass die Verstärkungsfaser 30 im wesentlichen senkrecht zur Längsachse 25 des Aufhängungselements 10 zu liegen kommt. Be vorzugt wird die Verstärkungsfaser 30 derart genäht bzw. ver näht, dass die mehreren Stiche entlang der Querachse 27 des Aufhängungselements 10 versetzt sind. Alternativ können die mehreren Stiche der Verstärkungsfaser 10 so genäht bzw. ver näht werden, dass sie in Längsrichtung entlang der Längsachse 25 des Aufhängungselements 10 versetzt sind (wie in Fig. 3 gezeigt). Die Verstärkungsfaser 30 erstreckt sich außerdem derart, dass die obere Faserschicht 22A und die untere Faser schicht 24A im Bereich 28 um die Öffnung 26 zusammengehalten sind.

In dem Aufhängungselement 10, in welchem eine Buchse 32 die Öffnung 26 festlegt (wie in Fig. 3 gezeigt), ist ein Spalt 34 in dem Bereich 28 zwischen den Seiten der Buchse 32 und dem ersten Abschnitt 14 und dem zweiten Abschnitt 18 festgelegt. Um die obere Faserschicht 22A und die untere Faserschicht 24A zu verstärken, werden die Verstärkungsfasern 30 bevorzugt un ter Verwendung einer industriellen Maschine mit dem vorste hend erläuterten Prozess genäht bzw. vernäht. Wenn die Buchse 32 genutzt wird, um die Öffnung 26 festzulegen, sind die Ver stärkungsfasern 30 bevorzugt entlang der Längsachse 25 des Aufhängungselements 10 versetzt. Alternativ können die Ver stärkungsfasern 30 entlang der Längsachse 25 und entlang der Querachse 27 genäht bzw. vernäht werden. Der vorstehend ange führte Prozess zum Verstärken des Bereichs 28 im Bereich der Öffnung 26 wird bevorzugt durchgeführt vor dem Formgebungs prozess. Es ist jedoch auch möglich, den Verstärkungsbereich 28 zu verstärken, nachdem das Aufhängungselement 10 geformt worden ist.

Dem Fachmann auf diesem Gebiet erschließen sich anhand der vorstehenden Erläuterung und den Figuren zahlreiche Modifika tionen und Abwandlungen an der vorstehend erläuterten Ausfüh rungsform, die sämtliche im Umfang der Erfindung liegen.

Claims

1. Faserverstärktes Aufhängungselement zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug, aufweisend:
Eine obere Faserschicht,
eine untere Faserschicht,
eine erste Verstärkungsfaser, die sich durch die obere Faserschicht zur unteren Faserschicht erstreckt und dazu ausgelegt ist, die obere Faserschicht mit der unteren Faserschicht an einer ersten Stelle zu verbinden, und
eine zweite Verstärkungsfaser, die sich durch die obere Faserschicht zur unteren Faserschicht erstreckt und dazu ausgelegt ist, die obere Faserschicht mit der unteren Faserschicht in einer zweiten Stelle zu verbinden, wobei die erste Verstärkungsfaser und die zweite Verstärkungs faser eine Öffnung zwischen der ersten Stelle und der zweiten Stelle festlegen.

2. Faserverstärktes Aufhängungselement nach Anspruch 1, wo bei die Öffnung einen kreisförmigen Querschnitt fest legt.

3. Faserverstärktes Aufhängungselement nach Anspruch 1, wo bei die Öffnung einen diamantförmigen Querschnitt fest legt.

4. Faserverstärktes Aufhängungselement nach Anspruch 1, wo bei die obere Faserschicht und die untere Faserschicht aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Kunststofffa sern, Metallfasern, pflanzlichen Fasern oder tierischen Fasern besteht.

5. Faserverstärktes Aufhängungselement nach Anspruch 1, wo bei die obere Faserschicht und die untere Faserschicht mit einem Harz vorbehandelt sind, wobei dieses Harz aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polyester, Vinyles ter, Epoxidharz, Phenolharz oder Cyanatester besteht.

6. Faserverstärktes Aufhängungselement nach Anspruch 1, au ßerdem aufweisend eine Buchse, die in der Öffnung zwi schen der ersten Stelle und der zweiten Stelle in dem faserverstärkten Aufhängungselement angeordnet ist.

7. Faserverstärktes Aufhängungselement nach Anspruch 6, wo bei die Buchse einen integralen Teil des faserverstärk ten Aufhängungselements bildet.

8. Faserverstärktes Aufhängungselement nach Anspruch 1, wo bei die erste Verstärkungsfaser und die zweite Verstär kungsfaser in Form von (Näh-)stichen vorliegen, so dass die oberen Faserschichten und die unteren Faserschichten durch die Stiche an der ersten Stelle und der zweiten Stelle zusammengehalten sind.

9. Faserverstärktes Aufhängungselement nach Anspruch 1, wo bei die erste Verstärkungsfaser und die zweite Verstär kungsfaser im wesentlichen senkrecht zur Längsachse des faserverstärkten Aufhängungselements verlaufen.

10. Faserverstärktes Aufhängungselement nach Anspruch 1, wo bei die erste Verstärkungsfaser und die zweite Verstär kungsfaser aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Glas fasern, Aramidfasern und Kohlenstofffasern besteht.