WO2012107272A1

WO2012107272A1 - Faserverbund-hybridlenker

Info

Publication number: WO2012107272A1
Application number: PCT/EP2012/051039
Authority: WO
Inventors: Wolfgang Meyer; Ignacio Lobo Casanova; Peter Hofmann; Sonja Winsel
Original assignee: Zf Friedrichshafen Ag
Priority date: 2011-02-11
Filing date: 2012-01-24
Publication date: 2012-08-16
Also published as: DE102011003971A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lenkerelement beispielsweise für die Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs. Das Lenkerelement umfasst zumindest zwei Endbereiche (2, 3, 4) mit jeweils einem Lagerungsabschnitt und zumindest einen die Endbereiche verbindenden Strebenbereich, wobei die Endbereiche (2, 3, 4) und der Strebenbereich gemeinsam durch einen im Wesentlichen kastenförmig tiefgezogenen Profilträger (1) aus einem plattenförmigen Kunststoffhalbzeug mit Endlosfaserverstärkungen gebildet sind. Dabei ist im Innenraum des tiefgezogenen Profilträgers (1) ein Füllkörper (6) aus einem spritzgegossenen Kunststoff angeordnet, welcher die Innenoberflächen des Profilträgers (1) schubfest miteinander verbindet. Das Lenkerelement ist kostengünstig herstellbar, weist eine minimale Anzahl an Einzelteilen sowie eine sehr geringe Masse auf, und erfüllt gleichzeitig hohe Anforderungen bezüglich Torsions- und Biegesteifigkeit. Das Lenkerelement kann zudem einstückig diverse Zusatzfunktionen, Kraftangriffspunkte und Anschlussbauteile umfassen, zusätzliche Montageschritte und die Notwendigkeit zur Wärmebehandlung und/oder zur Oberflächenbehandlung nach der Formgebung entfallen.

Description

Faserverbund-Hy ridlenker

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Lenkerelement zur koppelnden Verbindung zweier Baugruppen, beispielsweise einen Radführungslenker eines Kraftfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Lenkerelemente wie beispielsweise Querlenker, Längslenker, Lenker von Raumlenkerachsen und dergleichen kommen bei praktisch allen

Radaufhängungen und Achsen von Kraftfahrzeugen zum Einsatz und dienen der definiert beweglichen Anbindung bzw. der Begrenzung der

Bewegungsfreiheitsgrade des Rades gegenüber dem Fahrzeugchassis .

Insbesondere im Fahrzeugbau werden dabei hohe Ansprüche an derartige Lenkerelemente gestellt, darunter vor allem hohe Belastbarkeit und Dauerfestigkeit, hohe Versagenssicherheit ebenso wie hohe

Korrosionsbeständigkeit. Gleichzeitig sollen derartige Lenkerelemente zudem möglichst wenig Bauraum in Anspruch nehmen bzw. möglichst große Freiheiten bei der Formgebung erlauben, um mögliche Kollisionen mit benachbarten Baugruppen zu vermeiden. Eine weitere Hauptanforderung an gattungsgemäße Lenkerelemente liegt in einer möglichst geringen

Bauteilmasse, wodurch einerseits das Leergewicht und damit der

Kraftstoffverbrauch eines damit ausgestatteten Kraftfahrzeugs reduziert wird, und wodurch andererseits die ungefederten Massen im Bereich der Radaufhängung reduziert werden, was entscheidende Voraussetzung für einen guten Fahrkomfort und einen sicheren Fahrbahnkontakt ist. Aufgrund dieser Erfordernisse sind die gegenwärtig aus dem Stand der Technik bekannten, insbesondere als Radführungslenker dienenden

Lenkerelemente üblicherweise aus metallischen Werkstoffen gefertigt, beispielsweise in Form von Gesenkschmiedeteilen, Gussbauteilen oder als ein- oder mehrschalige tiefgezogene Blechbauteile.

Insbesondere bei der Herstellung von Lenkerelementen als tiefgezogene oder geschmiedete Bauteile umfasst der Herstellungsvorgang typischerweise mehrere Umformprozesse. Zusätzlich werden an den bzw. die Strebenbereiche derartiger Lenkerbauteile nach der Umformung weitere Bauteile

— insbesondere im Hinblick auf die Lagerung bzw. Verbindung mit Chassis bzw. Radträger — angeschweißt, um alle Funktionen zu erfüllen und alle erforderlichen Anbindungspunkte bereitstellen zu können.

Die damit verbundene, erhebliche Anzahl separater Einzelteile sowie Bearbeitungsschritte verursacht — trotz Automatisierungstechnik bei der Herstellung — vergleichsweise hohe Kosten, auch da nach Beendigung der eigentlichen Form- und Montagevorgänge zusätzlich oft eine

Wärmebehandlung sowie eine abschließende Oberflächenbehandlung in Form einer üblicherweise galvanischen, korrosionsschützenden Behandlung bzw. Beschichtung erforderlich ist. Auch sind die zur Formgebung metallischer Lenkerelemente benötigten Tiefziehwerkzeuge vergleichsweise aufwändig und damit teuer in der Herstellung. Nicht zuletzt weisen die im Stand der Technik verwendeten, metallischen Lenkerelemente eine vergleichsweise hohe Masse auf, wodurch das Fahrzeuggewicht und insbesondere die ungefederten Massen der Radaufhängung erhöht werden.

Aus Entwicklungsprojekten sind bereits Radführungslenker aus

spritzgegossenen, thermoplastischen Kunststoffen mit Kurzfaserverstärkung oder aus endlosfaserverstärkten thermoplastischen und duroplastischen Kunststoffen bekannt, die gegenüber der metallischen Bauweise von

Lenkerelementen bedeutende Gewichtsvorteile besitzen. Spritzgegossene Lenker erreichen jedoch bisher nicht die mechanischen Anforderungen, während Prototypen aus langfaserverstärkten Kunststoffen aufwändige und damit teure Fertigungsprozesse und Werkstoffe mit sich bringen. Auch erfolgt die Integration von Kinematikpunkten bzw. Lagerstellen zumeist noch in herkömmlicher Weise z.B. durch Einpressen von Elastomerlagern bzw. Lagerschalen, was bei Lenkern aus Kunststoffen auf Dauer zum

Kriechen und damit zur Lockerung des Lagersitzes führen kann. Mit diesem Hintergrund ist es somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lenkerelement zu schaffen, mit dem die genannten, im Stand der Technik vorhandenen Einschränkungen überwunden werden. Insbesondere sollen mit der Erfindung vergleichsweise kostengünstig herstellbare Lenkerelemente dargestellt werden können, die eine besonders geringe Masse aufweisen, und die somit das Leergewicht sowie die ungefederten Massen bei einem Kraftfahrzeug, in welches sie beispielsweise eingebaut werden, dementsprechend reduzieren. Zudem soll die Anzahl der für die Lenkerelemente benötigten Einzelteile ebenso wie die Anzahl der zur Herstellung der Lenkerelemente notwendigen Prozessschritte maßgeblich reduziert werden, und es sollen Anbauteile oder Zusatzfunktionen mit möglichst geringem Aufwand bzw. möglichst einstückig in die

Lenkerelemente integriert werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Lenkerelement mit den Merkmalen des

Patentanspruchs 1 gelöst.

Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.

In für sich genommen zunächst bekannter Weise umfasst das Lenkerelement (bei dem es sich insbesondere, jedoch keineswegs ausschließlich, um einen Radführungslenker für ein Kraftfahrzeug handeln kann) gemäß der

vorliegenden Erfindung zumindest zwei Endbereiche. Dabei weist jeder Endbereich einen Lagerungsabschnitt auf, und die Endbereiche des

Lenkerelements sind mittels eines Strebenbereichs des Lenkerelements miteinander verbunden.

Erfindungsgemäß zeichnet sich das Lenkerelement jedoch dadurch aus, dass die Endbereiche und der Strebenbereich gemeinsam durch einen im

Wesentlichen kastenförmigen Profilträger gebildet sind, der aus einem endlosfaserverstärkten, plattenförmigen Kunststoffhalbzeug tiefgezogen ist. Zugleich ist im Innenraum des Profilträgers ein Füllkörper aus einem spritzgegossenen Kunststoff angeordnet, wobei der Füllkörper die

Innenoberflächen des Profilträgers schubfest miteinander verbindet.

Die erfindungsgemäßen konstruktiven Merkmale des Lenkerelements stellen — infolge der Kombination des aus einem Plattenhalbzeug tiefgezogenen (und damit grundsätzlich einseitig offenen) Profilträgers mit Endlosfaserverstärkung einerseits, und dem die Innenoberflächen des Profilträgers schubfest verbindenden Füllkörper andererseits — zunächst einmal eine sehr hohe Biege- sowie Verwindungssteifigkeit und

Bruchbelastbarkeit des Lenkerelements bei gleichzeitig geringer Masse sicher .

Dies hängt damit zusammen, dass der tiefgezogene, einseitig zunächst offene — und damit für sich genommen torsionsweiche und zunächst wenig biegesteife — Profilträger anhand der schubfesten Verbindung seiner Innenoberflächen (und damit insbesondere auch seiner offenen Längskanten) durch den Füllkörper effektiv nahezu die Eigenschaften eines

großvolumigen geschlossenen Rohrprofils, insbesondere eine sehr hohe Torsionssteifigkeit ebenso wie eine hohe Biegesteifigkeit erhält.

Darüber hinaus erlaubt die Ausführung des Profilträgers komplett aus Kunststoff eine konstruktiv weitestgehend freie und belastungsoptimierte Formgebung für den Profilträger, wobei der gesamte Herstellvorgang mittels der erfindungsgemäßen Hybridbauweise aus endlosfaserverstärktem Profilträger und spritzgegossenem Füllkörper kostengünstig gestaltet werden kann. Gleichzeitig lässt sich eine im Vergleich mit einem

Profilträger aus Metall deutlich reduzierte Bauteilmasse — mit den entsprechenden Vorteilen bei Fahrzeuggewicht und ungefederter Masse — erzielen. Zudem können im Rahmen der Produktion eine ganze Anzahl von Fertigungsschritten ebenso entfallen wie die nicht mehr notwendige abschließende Wärme- und/oder Oberflächenbehandlung (insbesondere

Korrosionsschutz bzw. Lackierung) des erfindungsgemäßen Profilträgers.

Die Erfindung wird dabei zunächst einmal unabhängig davon verwirklicht, welcher Art und Zusammensetzung das plattenförmige, endlosfaserverstärkte Kunststoffhalbzeug und/oder der spritzgegossene Füllkörper ist, solange die im Betrieb jeweils entstehenden Materialspannungen im zulässigen Bereich bleiben. So ist es beispielsweise denkbar, für den tiefgezogenen Profilträger endlosfaserverstärkte Prepregs aus aushärtbaren Kunststoffen wie beispielsweise Epoxidharz zu verwenden.

Gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung handelt es sich bei dem Material des Profilträgers jedoch um ein plattenförmiges Halbzeug aus einem endlosfaserverstärkten Thermoplasten. Derartige

endlosfaserverstärkte Halbzeuge aus thermoplastischen Kunststoffen können (nach Erwärmung) prinzipiell ähnlich wie metallische Bleche tiefgezogen werden. Die auf diese Weise gefertigten Bauteile erreichen — bei geeigneter Geometrie und Bauteilauslegung — ähnliche Steifigkeiten und ähnliche Belastbarkeiten wie entsprechende metallische Bauteile, weisen dabei jedoch eine zumeist erheblich geringere Masse als die letzteren auf .

Die Verwendung derartiger thermoplastischer sowie endlosfaserverstärkter Halbzeuge für den Profilträger des Lenkerelements hat — neben der damit erzielbaren Gewichtsersparnis und der hohen spezifischen Belastbarkeit und Steifigkeit — den zusätzlichen Vorteil, dass sich ein so gebildeter Profilträger und der im Spritzguss gefertigte Füllkörper bei der

Urformung des Lenkerelements — bzw. bei der Hinterspritzung des

Profilträgers mit dem Füllkörper — durch oberflächliches Aufschmelzen innig miteinander verbinden, da sowohl Profilträger als auch Füllkörper auf einem organischen Matrixwerkstoff in Form von thermoplastischem Kunststoff basieren. Nicht zuletzt lässt sich auf diese Weise ein

Lenkerelement erhalten, welches sich nach Ablauf seiner Lebensdauer zudem besonders einfach und vollständig rezyklieren lässt, da es einheitlich aus thermoplastischen Werkstoffen besteht.

Mit diesem Hintergrund ist es gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung daher vorgesehen, dass Profilträger und Füllkörper

Stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Dies kann insbesondere dadurch erfolgen, dass der Profilträger in eine Spritzgussform eingelegt und bei der anschließenden Urformung des Füllkörpers in der Spritzgussform so mit dem Material des Füllkörpers hinterspritzt wird, dass sich eine — an den jeweiligen Kontaktoberflächen zwischen Profilträger und Füllkörper — Stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Matrixwerkstoff des Profilträgers und dem beim Spritzguss in die Form injizierten Material des Füllkörpers ergibt. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Füllkörper aus einem kurzfaserverstärkten oder

langfaserverstärkten Thermoplastwerkstoff besteht. Hierdurch werden für den Füllkörper besonders hohe Druck- und Zugfestigkeiten erreicht, was insbesondere die Biege- und Torsionssteifigkeit des Lenkerelements weiter erhöht .

Der Profilträger kann dabei im Vorfeld der Hinterspritzung mit dem Füllkörper bereits entweder teilweise oder vollständig — entsprechend seiner endgültigen Form am Lenkerelement — vorgeformt sein. Wahlweise kann die Ausformung (das Tiefziehen) des Profilträgers jedoch auch — teilweise oder vollständig — erst beim Schließen der Spritzgussform durch deren formgebende Kontur, sowie beim nachfolgenden Injizieren des Materials des Füllkörpers durch den Einspritzdruck des

Spritzgusswerkzeugs erfolgen. Auf diese Weise lassen sich einerseits Kosten, insbesondere Werkzeugkosten sowie Fertigungszeit einsparen, und andererseits werden so besonders gute Toleranzwerte bezüglich der Form und der Maße des fertigen Lenkerelements erreicht, beispielsweise indem etwaige Ungenauigkeiten eines vorgeformten Profilträgers durch das sich schließende Spritzgusswerkzeug ausgeglichen und damit eliminiert werden.

Die Erfindung wird ferner zunächst auch unabhängig davon verwirklicht, welcher Art und aus welchem Material die Endlosfaserverstärkung des plattenförmigen Kunststoffhalbzeugs ist. Vorzugsweise enthält das plattenförmige, bevorzugt thermoplastische Kunststoffhalbzeug jedoch endlose Glasfasern, Kohlefasern und/oder Aramidfasern . Die Begriffe "endlos" oder "Endlosfasern" bedeuten dabei, dass die im

Kunststoffhalbzeug enthaltenen Verstärkungsfasern im Wesentlichen über die gesamte Länge und/oder Breite des Profilträgers ohne Unterbrechungen verlaufen, wodurch sich jeweils ein optimaler Kraftfluss und eine optimale Verstärkungswirkung für den Profilträger ergibt. Alternativ oder zusätzlich zur Verstärkung mit den genannten Endlosfasern kann das

Kunststoffhalbzeug auch Metallfasern und/oder zumindest eine

Metallfolienlage als Verstärkung enthalten.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst zumindest ein Lagerungsabschnitt des Lenkerelements eine

schwenkbewegliche Lageranordnung. Dabei verbindet der spritzgegossene Füllkörper die Lageranordnung durch Hinterspritzung mit dem Profilträger. Auf diese Weise ergibt sich — in Form eines Montagespritzgusses — eine besonders einfache Integration von Lageranordnungen wie beispielsweise von Kugelgelenken oder Elastomergelenken unmittelbar beim Spritzguss des Füllkörpers. Die Lageranordnungen werden dabei in nur einem Arbeitsgang exakt an der vorgesehenen Stelle fest mit dem Profilträger verbunden.

Gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Einpressen von

Lageranordnungen wie beispielsweise Kugelgelenken oder Elastomergelenken besitzt der Montagespritzguss insbesondere den Vorteil, dass bei der Montage keine nennenswerten Spannungen im Bereich des Lagersitzes entstehen, welche insbesondere bei Profilträgern aus Kunststoffen zu einem Kriechen des Materials und damit zur Lockerung des Lagersitzes führen können.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die zumindest eine Lageranordnung einen Elastomerkörper, wobei der Elastomerkörper durch den Füllkörper umspritzt ist. Vorzugsweise sind dabei

Elastomerkörper und Füllkörper Stoffschlüssig miteinander verbunden. Auf diese Weise lassen sich insbesondere Elastomerlager — unmittelbar bei der Hinterspritzung des Profilträgers mit dem Werkstoff des

Füllkörpers — durch Montagespritzguss in das Lenkerelement integrieren, wobei die Notwendigkeit für eine (insbesondere metallische) Außenhülse des Elastomerlagers entfällt. Auch hierdurch werden sowohl

Montageschritte als auch Bauteile eingespart, und das Gewicht des

Lenkerelements weiter reduziert. Eine besonders innige Stoffschlüssige Verbindung der Außenoberfläche des Lager-Elastomerkörpers mit dem

Füllkörper und damit mit dem Lenkerelement lässt sich zudem dadurch erhalten, dass die Oberfläche des Elastomerkörpers mit einem Primer bzw. Haftvermittler behandelt wird. Hierdurch ergibt sich bei der

Hinterspritzung eine nahezu unlösbar feste Verbindung zwischen der Elastomeroberfläche und dem Material des Füllkörpers.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Elastomerkörper der Lageranordnung durch die Umspritzung mit dem Werkstoff des Füllkörpers komprimiert wird. Auf diese Weise lässt sich insbesondere ein Elastomerlager bereits beim Montagespritzguss auf seine endgültig vorgesehene Kennlinie kalibrieren, die zumeist einen bestimmten Grad an Kompression des Lager-Elastomerkörpers erfordert.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Lenkerelement im Bereich zumindest eines Lagerungsabschnitts

biegeelastisch ausgebildet ist. Dabei ist der biegeelastisch ausgebildete Lagerungsabschnitt unmittelbar mit einer angrenzenden Baugruppe

verbindbar. Diese Ausführungsform ermöglicht mit anderen Worten die direkte, schwenkbewegliche Verbindung des Lenkerelements beispielsweise mit dem Chassis eines Kraftfahrzeugs, ohne dass hierfür Lagerelemente wie beispielsweise Elastomergelenke erforderlich sind. Stattdessen erfüllt der zumindest eine biegeelastisch ausgeführte Lagerungsabschnitt des Lenkerelements selbst die Aufgabe der schwenkbeweglichen Lagerung des Lenkerelements gegenüber der Anschlussbaugruppe, beispielsweise gegenüber dem Fahrzeugchassis . Hierdurch lassen sich in großem Umfang insbesondere Montage- und Herstellungsaufwand, ferner entsprechende Kostenumfänge ebenso wie Bauteilmasse und Bauraumbedarf einsparen.

Der biegeelastische Lagerungsabschnitt des Lenkerelements kann gemäß einer weiteren Ausführungsform insbesondere einen im Wesentlichen spiralförmig ausgebildeten Lagerbereich umfassen. Auf diese Weise lässt sich mit geringem Bauraumbedarf eine erhebliche Winkelbeweglichkeit im Bereich des biegeelastischen Lagerungsabschnitts erzielen. Vorzugsweise ist der biegeelastische Lagerungsabschnitt des Lenkerelements als Laminat ausgebildet, wobei das Laminat im Bereich des Lagerungsabschnitts — zusätzlich oder alternativ zur Endlosfaserverstärkung — zumindest eine Laminatlage aus einem Elastomerwerkstoff umfasst. Auf diese Weise lässt sich ein einstückiger Übergang zwischen den starren Bereichen des Lenkerelements und den biegeelastisch ausgebildeten Bereichen des

Lenkerelements, welche den Lagerungsabschnitt des Lenkerelements und die Verbindung zur angrenzenden Baugruppe bilden, erreichen.

Eine weitere, besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Füllkörper einstückig weitere Funktionsbereiche,

Verbindungsstellen, Lagerpunkte, Anschläge oder Kraftangriffspunkte für Anschlussbauteile oder dergleichen umfasst. Da die Formgebung des spritzgegossenen Füllkörpers aufgrund dessen Herstellungsweise nahezu keinen Beschränkungen unterliegt, können auf diese Weise zusätzliche Funktionen, Verbindungsstellen oder Kraftangriffspunkte besonders einfach und kostengünstig in das Lenkerelement integriert werden, ohne dass hierzu zusätzliche Bauteile und Montageschritte erforderlich sind.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Lenkerelement ein Mehrpunkt-Radführungslenker mit zwei chassisseitigen Lagerungsabschnitten und zumindest einem achsschenkelseitigen

Lagerungsabschnitt, umfasst mit anderen Worten also mehr als zwei

Endbereiche und somit mindestens drei Lagerungsabschnitte, wobei zwischen den mindestens drei Lagerungsabschnitten zumindest ein gekrümmt

verlaufender Lenkerabschnitt angeordnet ist, der die mindestens drei Lagerungsabschnitte miteinander verbindet. Bei einem derartigen

Radführungslenker kann es sich (lediglich beispielsweise) um einen U-förmigen, L-förmigen oder V-förmigen Querlenker handeln. Dabei ist zumindest ein Teil der Endlosfasern des Kunststoffhalbzeugs bzw.

Profilträgers entlang der gesamten Kontur des gekrümmt verlaufenden Lenkerabschnitts angeordnet. Auf diese Weise wird eine vorzugsweise alle Lagerungsabschnitte des Radführungslenkers miteinander verbindende, steifigkeits- und belastungsoptimierte Faseranordnung im fertigen

Profilträger erreicht.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Füllkörper eine Rippenstruktur aufweist. Dabei ist die Rippenstruktur im Wesentlichen prismatisch und zudem offen entlang der Entformungsrichtung des Spritzgusswerkzeugs zur Formgebung des Füllkörpers bzw. des

Lenkerelements angeordnet. Die Rippenstruktur des Füllkörpers führt dabei einerseits zu einem geringeren Gewicht des Füllkörpers sowie des

Lenkerelements, bei gleichzeitig nach wie vor hoher Torsions- und

Biegesteifigkeit . Die prismatische Ausbildung der Rippenstruktur und deren entlang der Entformungsrichtung offene Struktur andererseits führen dazu, dass das Spritzgusswerkzeug für die Formgebung des Füllkörpers kostengünstig mit wenigen Einzelteilen bzw. Trennebenen, ggf. lediglich zwei- bis dreiteilig sowie mit nur einer Trennebene, ausgeführt werden kann .

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist dabei vorgesehen, dass die Wandungen der Rippenstruktur in Bezug auf eine Längsmittelachse des Profilträgers im Wesentlichen diagonal rautenförmig angeordnet sind. Durch die rautenförmige Anordnung und den — bezüglich der

Längsmittelachse des Profilträgers — diagonalen Verlauf der Wandungen der Rippenstruktur des Füllkörpers ergibt sich anhand des Füllkörpers eine effektive schubsteife Verbindung der beiden Ränder des

endlosfaserverstärkten Profilträgers im Bereich dessen offener Längsseite (insbesondere im Hinblick auf Scher- bzw. Schubkräfte), wie sie bei Torsionsbelastung des Profilträgers im Bereich dessen offener Längsseite zwischen den beiden dortigen Rändern bzw. Längskanten auftritt.

Die Erfindung ist dabei jedoch nicht auf eine diagonale oder

rautenförmigen Ausbildung der Rippenstruktur begrenzt. Vielmehr kann die Rippenstruktur generell so festigkeits- bzw. steifigkeitsoptimiert ausgebildet werden, dass die Ausrichtung, Anzahl und Stärke der

jeweiligen Rippen an die in den unterschiedlichen Bereichen des Lenkerelements jeweils vorherrschenden Kraftverläufe bzw. Belastungen optimal angepasst sind. Dies gilt auch bei beispielsweise U-förmigem oder generell gekrümmtem bzw. konturiertem Lenkerverlauf, mit entsprechend gekrümmtem oder konturiertem Verlauf der Längsmittelachse des

Lenkerelements .

Gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die beim Tiefziehen des endlosfaserverstärkten, plattenförmigen Kunststoffhalbzeugs entstandene offene Längsseite des Profilträgers zumindest teilweise durch eine mit den dort vorhandenen Längsrändern des Profilträgers stoffschlüssig verbundene Decklage verschlossen ist. Vorzugsweise ist dabei die Decklage im Bereich der offenen Längsseite des tiefgezogenen Profilträgers zudem auch

Stoffschlüssig mit dem Füllkörper verbunden.

Die stoffschlüssige Verbindung der Decklage mit Profilträger bzw.

Füllkörper kann dabei wieder durch geeignete Prozess- und

Temperaturführung beim Aufbringen der Decklage erfolgen, wobei die Decklage selbst vorzugsweise ebenfalls aus einem plattenförmigen, thermoplastischen Kunststoffhalbzeug mit Endlosfaserverstärkung gebildet wird .

Auf diese Weise wird — in dem mit der Decklage verschlossenen Bereich des Profilträgers — ein rundum geschlossenes Hohlprofil erhalten, bei dem vorzugsweise auch der Füllkörper sowohl mit den Rändern bzw.

Innenwandungen des Profilträgers als auch mit der Decklage stoffschlüssig verbunden ist. Hierdurch lassen sich die Torsions- und Biegesteifigkeiten des Lenkerelements noch weiter erhöhen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand lediglich Ausführungsbeispiele darstellender Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 in isometrischer Darstellung den Profilträger eines

Lenkerelements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer schrägen Untersicht, mit einem Elastomerlager; in einer Fig. 1 entsprechenden Darstellung und Ansicht den Profilträger gemäß Fig. 1 einschließlich Füllkörper und mit zusätzlichem Kugelgelenk; in isometrischer Darstellung Profilträger und Elastomerlager gemäß Fig. 1 in einer schrägen Draufsicht; in einer Fig. 3 entsprechenden Darstellung und Ansicht den Profilträger gemäß Fig. 1 bis 3 einschließlich Füllkörper und Lageraufnahmen ; im Längsschnitt den Kugelzapfen und die Lageraufnahme eines Kugelgelenks an einem Lenkerelement gemäß Fig. 1 bis 4; im Längsschnitt die Lageraufnahme für ein Kugelgelenk bei einer alternativen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lenkerelements ; einen Querschnitt durch Lageraufnahme und Elastomerlager des Lenkerelements gemäß Fig. 1 bis 4; in schematischer Ansicht einen Schenkel eines erfindungsgemäßen Lenkerelements mit biegeelastischem Lagerungsabschnitt; einen Längsschnitt durch Schenkel und Lagerungsabschnitt des Lenkerelements gemäß Fig. 8; einen Fig. 9 entsprechenden Längsschnitt eines Lenkerelements mit alternativer Querschnittsform des Lagerungsabschnitts; und einen Fig. 9 und 10 entsprechenden Längsschnitt durch ein Lenkerelement mit spiralförmig ausgebildetem

Lagerungsabschnitt .

Fig. 1 zeigt den Profilträger 1 eines erfindungsgemäßen Lenkerelements, hier eines Querlenkers. Man erkennt, dass der Profilträger aus einem plattenförmigen Halbzeug tiefgezogen ist. Bei dem plattenförmigen

Halbzeug handelt es sich erfindungsgemäß um ein Kunststoffhalbzeug mit Endlosfaserverstärkung, vorzugsweise um ein endlosfaserverstärktes plattenförmiges Thermoplasthalbzeug. Anhand der Formgebung des

Profilträgers 1 werden bereits die Lageraufnahmen in den jeweiligen Endbereichen 2, 3, 4 ersichtlich, die zur Aufnahme von Elastomerlagern (Endbereiche 2, 3) bzw. eines Kugelgelenks (Endbereich 4) eingerichtet sind. Dabei ist in Fig. 1 im Endbereich 2 (der Anschauung halber) bereits ein Elastomerlager 5 angeordnet.

Fig. 2 zeigt erneut den Profilträger 1 gemäß Fig. 1, wobei der Innenraum des Profilträgers 1 hier mit dem Füllkörper 6 angefüllt bzw.

hinterspritzt ist. Der Füllkörper 6 besteht dabei aus einem in Form einer Rippenstruktur spritzgegossenen Kunststoff, wobei sich die Rippenstruktur im Wesentlichen über den Verlauf der gesamten (in Fig. 1 noch sichtbaren) Innenoberflächen des Profilträgers 1 erstreckt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel bedeckt der Füllkörper 6 die Innenoberflächen des Profilträgers 1 lediglich an den tatsächlichen Verbindungsstellen zwischen den Innenoberflächen des Profilträgers und den Rippen des Füllkörpers 6, während die zwischen den Rippen befindlichen Bereiche der Innenoberflächen des Profilträgers nicht mit dem Werkstoff des

Füllkörpers bedeckt sind. Da sowohl der Profilträger 1 als auch der Füllkörper 6 auf einer thermoplastischen Matrix basieren, ergibt sich — bei geeigneter Prozess- und Temperaturführung — bei der

Hinterspritzung des Profilträgers 1 eine Stoffschlüssige Verbindung zwischen den Innenoberflächen des Profilträgers 1 und den entsprechenden Begrenzungsflächen des Füllkörpers 6, indem die Innenoberflächen des Profilträgers 1 beim Spritzguss des Füllkörpers 6 aufgeweicht bzw.

aufgeschmolzen werden und sich somit stoffschlüssig mit dem Material des Füllkörpers 6 verbinden. Die Stoffschlüssige Verbindung zwischen den Innenoberflächen des Profilträgers 1 und den Rippen des Füllkörpers 6 lässt sich beispielsweise dadurch erreichen, dass das Material des Profilträgers 1 im Bereich seiner Innenoberflächen — unmittelbar vor der Hinterspritzung mit dem schmelzflüssigen Material des Füllkörpers 6 — mittels einer Aufheizvorrichtung, beispielsweise durch Infrarotstrahlung, erwärmt oder oberflächlich aufgeschmolzen wird.

Bereits in Fig. 2 wird erkennbar, dass auch die Elastomerlager in den Endbereichen 2, 3 sowie das Kugelgelenkgehäuse im Endbereich 4 des Querlenkers durch Montagespritzguss anhand des Füllkörpers 6

hinterspritzt bzw. mit eingespritzt sind, wodurch sich ein

dementsprechender Form- bzw. Stoffschluss auch zwischen den in den Endbereichen 2, 3, 4 angeordneten Lagereinheiten und dem Füllkörper 6 bzw. dem Profilträger 1 ergibt. Fig. 3 zeigt den Profilträger 1 des Querlenkers gemäß Fig. 1 und 2 nochmals in einer Draufsicht, hier noch ohne Hinterspritzung durch den Füllkörper 6. Man erkennt wieder die einstückig durch den Profilträger 1 umfassten Endbereiche 2, 3, 4 zur Aufnahme der jeweiligen Elastomerlager bzw. Kugelgelenke, wobei im Endbereich 3 bereits wieder ein

Elastomerlager 5 angeordnet ist.

In Fig. 4 ist der Profilträger 1 gemäß Fig. 3 nochmals im fertig hinterspritzten Zustand dargestellt. Anhand einer Zusammenschau der Fig. 2 bis 4 wird dabei ersichtlich, dass der Füllkörper 6 nicht nur den Innenraum des Profilträgers 1 ausfüllt (vgl. Fig. 2), sondern

insbesondere in den Endbereichen 2, 3, 4 auch die dort angeordneten Lagerelemente nahezu allseitig umschließt, und damit formschlüssig mit dem Profilträger 1 verbindet.

Der Einschluss bzw. die Ausbildung des Kugelgelenkgehäuses im

Endbereich 4 des Querlenkers gemäß Fig. 1 bis 4 ist in Fig. 5

dargestellt. Auch hier wird erkennbar, wie der Füllkörper 6 das

Kugelgelenk, bzw. dessen Lagerschale 7 allseitig umgibt und damit gleichzeitig das Kugelgelenkgehäuse ersetzt bzw. bildet. Zudem umschließt der Füllkörper 6 auch eine die Außenform der Lagerschale 7 teilweise formschlüssig überdeckende, vorliegend also näherungsweise

kugelschalenförmige Einstülpung 8, die am Profilträger 1 im Bereich 4 des Kugelgelenks einstückig angeordnet ist, (vgl. auch Fig. 1) . Auf diese Weise ergibt sich insgesamt eine formschlüssige (und aufgrund des

Anschmelzens der Oberfläche des Profilträgers 1 und ggf. auch der

Lagerschale 7 bei der Hinterspritzung zusätzlich Stoffschlüssige)

Verbindung zwischen dem Profilträger 1 und dem Kugelgelenk bzw. dessen Lagerschale 7.

Eine alternative Ausführungsform einer Verbindung zwischen dem

Profilträger 1 und einem Kugelgelenk bzw. einer Kugelgelenkschale ist in Fig. 6 dargestellt. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 wurde auf die zylindrische Einstülpung 8 (vgl. Fig. 5) verzichtet, wodurch sich im Bereich der Kugelgelenkaufnahme 4' ein (gegenüber der Ausführungsform gemäß Fig. 5) reduzierter Formschluss zwischen dem Füllkörper 6 und dem Profilträger 1 ergibt. Diese Ausführungsform bietet sich insbesondere an, wenn — in Bezug auf die Darstellung in Fig. 6 — die Hauptbelastungsrichtung im Bereich der Lageraufnahme 4 ' zeichnungsbezogen nach unten erfolgt.

Fig. 7 zeigt einen Querschnitt durch Endbereich bzw. Lagerungsabschnitt 2 und Elastomerlager 5 des Querlenkers gemäß Fig. 1 bis 4. Man erkennt, dass der Elastomerkörper 9 des Elastomerlagers 5 allseitig durch die spritzgegossene Struktur des Füllkörpers 6 eingeschlossen und damit gleichzeitig form- sowie Stoffschlüssig mit dem Profilträger 1 verbunden ist. Eine insbesondere metallische Hülse um den Elastomerkörper 9 kann auf diese Weise ebenso entfallen wie das beim Stand der Technik

notwendige Einpressen des Elastomerlagers in eine entsprechende

Aussparung des Lenkerelements. Zusätzlich kann der Elastomerkörper 9 durch den Spritzdruck beim Spritzguss des Füllkörpers 6 komprimiert und das Elastomerlager 5 damit auf seine endgültige Kennlinie kalibriert werden .

Die Fig. 8 bis 11 zeigen verschiedene Varianten der Schenkel bzw.

Lagerungsabschnitte 2, 3 alternativer Ausführungsformen eines

erfindungsgemäßen Lenkerelements 1, wobei in Fig. 8 der Schnittverlauf A - A der Längsschnitte gemäß Fig. 9 bis 11 durch einen Schenkel des Lenkerelements 1 dargestellt ist. Die Lenkerelemente gemäß Fig. 8 bis 11 unterscheiden sich dabei von dem Lenkerelement bzw. Querlenker gemäß Fig. 1 bis 7 insbesondere dadurch, dass die Lagerung in den

Endbereichen 2, 3 (bzw. die Verbindung mit einer jeweiligen

Anschlussbaugruppe) bei den Lenkerelementen 1 gemäß Fig. 8 bis 11 in Form biegeelastisch ausgebildeter Endbereiche 2, 3 vorliegt. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die Endbereiche 2, 3 bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 8 bis 11 unmittelbar schwenkbeweglich mit einer angrenzenden

Baugruppe (beispielsweise mit dem Chassis eines Kraftfahrzeugs) verbunden werden können, ohne dass hierfür bewegliche Lagerelemente wie

beispielsweise Elastomergelenke 5, 9 (vgl. Fig. 7) erforderlich sind.

Stattdessen erfüllen die biegeelastisch ausgeführten Endbereiche 2, 3 des Lenkerelements 1 selbst die Aufgabe der schwenkbeweglichen Verbindung des Lenkerelements 1 beispielsweise mit einem Fahrzeugchassis . Um dabei eine genügende Winkelbeweglichkeit des Lenkerelements 1 gegenüber seiner festen Verbindung beispielsweise mit dem Fahrzeugchassis im

Endbereich 2, 3 zu erlauben, kann insbesondere vorgesehen sein, den jeweiligen Endbereich 2, 3 des Lenkerelements 1 spiralförmig verlängert auszuführen (vgl. Fig. 11) und/oder im Bereich der Schenkel bzw. in den Endbereichen 2, 3 Laminatlagen aus einem Elastomerwerkstoff in die Wandung des Lenkerelements 1 zu integrieren, wodurch sich jeweils eine entsprechende Biegeelastizität in den Endbereichen 2, 3 des

Lenkerelements 1 erreichen lässt.

Im Ergebnis wird somit deutlich, dass mit der Erfindung ein Lenkerelement aus Kunststoff geschaffen wird, das mit einer minimalen Anzahl an

Prozessschritten kostengünstig herstellbar ist und eine sehr geringe Masse aufweist, wobei gleichzeitig hohe Anforderungen an die Steifigkeit und damit auch an die Betriebssicherheit erfüllt werden. Die ungefederten Massen beispielsweise einer Kraftfahrzeug-Radaufhängung können dank der Erfindung somit erheblich reduziert und der Fahrkomfort entscheidend erhöht werden. Das erfindungsgemäße Lenkerelement kann zudem einstückig diverse Zusatzfunktionen, Kraftangriffspunkte und Anschlussbauteile umfassen, zusätzliche Montageschritte und die Notwendigkeit zur

nachträglichen Wärme- und/oder Oberflächenbehandlung können entfallen.

Faserverbund-Hy ridlenker

Bezugs zeichenliste

Profilträger

Profilträger-Endbereich, Lageraufnahme, Lagerungsabschnitt

Elastomerlager

Füllkörper

Kugelschale

Einstülpung

Elastomerkörper

Claims

Patentansprüche

Lenkerelement, insbesondere Radführungslenker, zur koppelnden Verbindung zweier Baugruppen, das Lenkerelement umfassend zumindest zwei Endbereiche mit jeweils einem Lagerungsabschnitt (2, 3, 4) sowie zumindest einen die Endbereiche verbindenden Strebenbereich, dadurch gekennzeichnet,

dass Endbereiche und Strebenbereich durch einen aus einem

plattenförmigen Kunststoffhalbzeug mit Endlosfaserverstärkung im Wesentlichen kastenförmig tiefgezogenen Profilträger (1) gebildet sind, in dessen Innenraum ein Füllkörper (6) aus einem

spritzgegossenen Kunststoff angeordnet ist, wobei der Füllkörper (6) die Innenoberflächen des Profilträgers (1) schubfest miteinander verbindet .

Lenkerelement nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Profilträger (1) aus einem endlosfaserverstärkten

plattenförmigen Thermoplasthalbzeug gebildet ist.

Lenkerelement nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

dass Profilträger (1) und Füllkörper (6) Stoffschlüssig miteinander verbunden sind.

Lenkerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Füllkörper (6) aus einem kurzfaserverstärkten oder langfaserverstärkten Thermoplastwerkstoff besteht.

5. Lenkerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet,

dass das plattenförmige Kunststoffhalbzeug Glasfasern, Kohlefasern und/oder Aramidfasern enthält.

6. Lenkerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet,

dass das plattenförmige Kunststoffhalbzeug Metallfasern enthält.

7. Lenkerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet,

dass das plattenförmige Kunststoffhalbzeug zumindest eine

Metallfolienlage enthält.

8. Lenkerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

dadurch gekennzeichnet,

dass zumindest ein Lagerungsabschnitt (2, 3, 4) des Lenkerelements eine schwenkbewegliche Lageranordnung umfasst, wobei der

Füllkörper (6) die Lageranordnung mit dem Profilträger (1) durch Hinterspritzung verbindet.

9. Lenkerelement nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Lageranordnung einen Elastomerkörper (9) umfasst, der durch den Füllkörper (6) umspritzt ist.

10. Lenkerelement nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Elastomerkörper (9) und der Füllkörper (6) Stoffschlüssig verbunden sind.

11. Lenkerelement nach Anspruch 9 oder 10,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Elastomerkörper (9) durch die Umspritzung mittels des Füllkörpers (6) komprimiert ist.

12. Lenkerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Lenkerelement im Bereich zumindest eines

Lagerungsabschnitts (2, 3) biegeelastisch ausgebildet ist, wobei der Lagerungsabschnitt (2, 3) unmittelbar mit einer angrenzenden

Baugruppe verbindbar ist.

13. Lenkerelement nach Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet,

dass der zumindest eine biegeelastische Lagerungsabschnitt (2, 3) des Lenkerelements einen im Wesentlichen spiralförmig ausgebildeten Lagerbereich umfasst.

14. Lenkerelement nach Anspruch 12 oder 13,

dadurch gekennzeichnet,

dass der biegeelastische Lagerungsabschnitt (2, 3) des

Lenkerelements als Laminat ausgebildet ist, wobei das Laminat zumindest eine Laminatlage aus einem Elastomerwerkstoff umfasst.

15. Lenkerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Füllkörper (6) einstückig weitere Funktionsbereiche, Verbindungsstellen, Lagerpunkte, Anschläge bzw. Kraftangriffspunkte für Anschlussbauteile oder dergleichen umfasst.

16. Lenkerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Lenkerelement ein Mehrpunkt-Radführungslenker mit zwei chassisseitigen Lagerungsabschnitten (2, 3), zumindest einem achsschenkelseitigen Lagerungsabschnitt (4) und zumindest einem zwischen den Lagerungsabschnitten (2, 3, 4) gekrümmt verlaufenden Lenkerabschnitt ist, wobei zumindest ein Teil der Endlosfasern des Kunststoffhalbzeugs entlang der gesamten Kontur des gekrümmt verlaufenden Lenkerabschnitts angeordnet ist.

17. Lenkerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Füllkörper (6) eine Rippenstruktur aufweist, die im

Wesentlichen prismatisch und offen entlang der Entformungsrichtung des Spritzgusswerkzeugs für den Füllkörper (6) ausgebildet ist.

18. Lenkerelement nach Anspruch 17,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Wandungen der Rippenstruktur in Bezug auf eine

Längsmittelachse des Profilträgers (1) im Wesentlichen diagonal rautenförmig angeordnet sind.

19. Lenkerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 18,

dadurch gekennzeichnet,

dass die offene Längsseite des im Wesentlichen kastenförmig tiefgezogenen Profilträgers (1) zumindest teilweise durch eine mit den Längsrändern des Profilträgers (1) stoffschlüssig verbundene Decklage verschlossen ist.

20. Lenkerelement nach Anspruch 19,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Decklage im Bereich der offenen Längsseite des

tiefgezogenen Profilträgers (1) stoffschlüssig mit dem

Füllkörper (6) verbunden ist.