WO2016015934A1 - Kugelgelenk für ein fahrwerk - Google Patents

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WO2016015934A1
WO2016015934A1 PCT/EP2015/064630 EP2015064630W WO2016015934A1 WO 2016015934 A1 WO2016015934 A1 WO 2016015934A1 EP 2015064630 W EP2015064630 W EP 2015064630W WO 2016015934 A1 WO2016015934 A1 WO 2016015934A1
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ball
housing
structural component
ball joint
fiber
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Wolfgang Meyer
Ignacio Lobo Casanova
Martin WACHTEL
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Zf Friedrichshafen Ag
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    • F16C2326/05—Vehicle suspensions, e.g. bearings, pivots or connecting rods used therein

Definitions

  • the invention relates to a ball joint with a ball stud and a
  • the invention further relates to a method for producing such a ball joint.
  • the EP 1 953 012 A2 shows a joint rod for use in vehicles, with a struts body, which is formed from an open profile and wherein the end of the strut body is at least partially encapsulated with a plastic sheath.
  • the strut body may be formed of sheet metal, plastic or a fiber composite material and serves to reinforce the otherwise made of plastic housing, so that this reaches the desired stability in order to provide a secure fit in the housing for the ball stud.
  • the articulated rod forms a two-point link, in the chassis of a motor vehicle as
  • Connecting component between the body and another chassis component or between two suspension components can be used.
  • plastic for the housing, this can have a significantly lower weight compared to steel.
  • the cited publication shows an overall component which does not allow integration to form a handlebar which is formed without an additional reinforcing structure.
  • An object of the invention is achieved by a ball joint, in particular for integration into a handlebar made of fiber composite material, with a ball stud and a housing, wherein the ball of the ball stud is rotatably and pivotally received in the housing, wherein the ball at least partially from a
  • Is surrounded structural component characterized in that the structural component substantially of a fiber-plastic composite structure, in particular without a reinforcing structure, is formed and at least partially forms the housing.
  • the ball stud has at its one end a ball which allows the ball stud to rotate and pivot about the To execute the ball center.
  • a conical seat is usually provided, which allows a highly resilient positive connection with a connection component or the body.
  • the ball stud usually made of steel to be connected to a light metal handlebar, so can improve the connection between
  • Ball stud and the connection component a in particular conical, intermediate ring may be provided, which allows an improved connection between light metal and steel.
  • the housing of the ball joint may also be made of steel or plastic, wherein the plastic may be encapsulated around the ball.
  • the ball is at least partially surrounded by a structural component.
  • Structural component is part of the housing and surrounds or surrounds this. It surrounds the ball when in the structural component a hole or a shot or a
  • Recess is formed. It surrounds the ball at least partially, if the structural component instead of the hole or the receptacle or the recess has a spherical recess, wherein the trough is formed such that the ball in this directly or with the interposition of a bearing shell rotatably and pivotally received can be.
  • the structural component is essentially designed as a planar component.
  • the flat or planar structural component can have an overall uniform wall thickness.
  • the structural component can have a higher wall thickness in the region of the connection to the ball joint than in the end region that is part of the ball joint
  • the structural component can decrease evenly in the material cross-section and become smaller until the end region facing away from the housing, until the
  • the structural component a, in particular essential, part of Housing forms.
  • the structural component reinforces the housing and is connected to the
  • the housing is encapsulated in plastic, as a result of the encapsulation on at least parts of the structural component, at least in the region of the ball, a bonded connection between encapsulated plastic and the structural component is produced.
  • the structural component does not have a separate reinforcing structure known from the prior art, e.g. B. in the form of injections or injections on.
  • the additional step for introducing a gain is thus eliminated. It is obvious that this results in a more favorable end product with regard to throughput times and thus also with regard to costs.
  • the absence of a reinforcing structure is also expected to result in a lower weight than a component with reinforcement.
  • the structural component is preferably produced from a preform structure, in particular TFP structure or organic sheet.
  • Organic sheet is to be understood as a semi-finished product made of thermoplastic material reinforced with continuous fibers, which is usually produced in sheet form.
  • Organo sheets can be plastically deformed under the influence of temperature (for example, by the forming process thermoforming).
  • a preform structure is understood to mean a blank which consists of at least one flat textile material and is brought into its final shape under the influence of pressure and temperature within the manufacturing process of the structural component by means of a shaping tool. Due to the component requirements z. B. by means of finite element method (FEM), which loads or stresses the manufactured handlebar component, for example. in a car chassis subject. Due to the then known, later acting on the finished component loads or stresses (in terms of intensity and direction) a flat textile is created by machine, so that a preform structure with load-adapted
  • Fiber orientation is present. Simply stated, fiber compaction is provided at positions in the component where higher stress is expected. In less polluted places, the fibers are less dense. Since it is unfavorable to use fiber To interrupt plastic composite structures or their fibers (for example, by a hole that would destroy fibers in the area of the bore), the fibers of the textile are placed so that, for example, later intended recesses or holes for receiving be guided around other suspension components.
  • the sheet-like textiles can be produced in one or more layers, in particular starting from a single layer, using methods such as tailored fiber placement (TFP), jacquard methods, fiber-matrix mixing methods, commingling methods and / or film stacking Methods are used.
  • the preform structure created by these methods already shows the shape of the later structural component. In particular, however, it can be recognized by the load-adapted fiber orientation at which point the component will be exposed to a higher load during later use. Since, as stated above, the structural component to be part of the housing of the ball joint, at least one recess or hole or recess is provided in the preform structure, in which at least the ball pin is inserted before an encapsulation with plastic to create the housing can be made. In a structural component of a preform structure according to the above-mentioned method (in particular TFP), the preform structure is within a shaping
  • Consolidated tool by supplying pressure and / or temperature.
  • consolidation or consolidation process by increasing pressure and temperature and keeping these parameters for a certain time, which is dependent on the base material of the preform structure, a solidification of the starting material or the fiber-plastic composite structure is accomplished .
  • the consolidation or the consolidation process is also known by the term "hot pressing" or “pressing and hardening".
  • the starting material of the preform structure connects to a matrix material already present in or on the preform structure prior to introduction into the tool (eg in the form of so-called hybrid yarns).
  • the matrix material is supplied to the preform structure in the tool, in particular in the form of a resin. This results in the consolidation of such a homogeneous fiber-plastic composite.
  • Matrix materials in the form of resin also called “infiltrating” or in the form of hybrid yarns will be commented on later.
  • Downstream of the consolidation can be carried out a cooling in the tool, which is possible with the tool closed or open and can be done depending on the material within a certain period of time.
  • a controlled active cooling within the tool can be done by in the
  • the thus created largely flat structural component has a hole or a receptacle or a recess into which the ball stud can be introduced with its ball.
  • organic sheet can be used as an alternative to a preform structure of TFP structure or a structure. It is possible to subject the organic sheet in a separate, in particular previous process step, a deformation by deep drawing under the influence of temperature, if the structural component is not flat, but should be provided with a certain shape. By deep drawing thus also the above-described recess or trough for receiving the ball of the ball stud can be created.
  • the organo sheet can be brought to a temperature close to the melting temperature of the matrix before being placed in a mold, in particular in a separate apparatus, and placed in the mold immediately after heating.
  • the structural component in a side facing away from the ball
  • holes wherein the holes, in particular substantially, are arranged concentrically around the ball center.
  • the holes in the structural component can serve as bolt-on points for integration into a handlebar.
  • a small number, in particular three, holes are assumed to be of their diameter are configured such that screws can be used with a corresponding diameter for screwing with the connection component for the screw.
  • Embodiment formed with another fiber-plastic composite structure to form a handlebar so cause the holes or interruptions in the structural support of the joint forming a positive connection between the joint with the structural component and the rest of the link part.
  • Through the holes or interruptions in the structural support of the joint this can be connected by encapsulation in an advantageous manner with the rest of the handlebar component.
  • injection-molded material for connecting the bearing or joint with the handlebar encloses not only the structural support
  • the breaks or holes are designed such that they have circular and / or elliptical and / or polygonal shapes.
  • the holes or interruptions in the structural component are advantageously already introduced during the production of the structural component of the preform structure in this.
  • the holes or interruptions are created in particular by thinning and / or drilling and / or by designing the fiber structures during the production of the preform structure.
  • the housing of the ball joint is designed in several parts, wherein at least a first part, in particular housing lower part, is formed from the structural component and an at least further part, in particular housing upper part, of a fiber composite material or a light metal, in particular aluminum, is formed.
  • the at least two housing parts by means of gluing and / or by spraying and / or riveting and / or
  • thermoplastic or thermosetting Overmolding may be performed during consolidation as previously described within the forming tool.
  • a joint cartridge which is then joined or consolidated within the molding tool by thermoplastic or thermoset encapsulation with the structural component.
  • a joint cartridge is a
  • Ball joint for itself, so with ball stud and housing and possibly a bearing shell, which still has to be joined to the structural component at this point.
  • the ball and the structural component and / or at least one of the housing parts one, in particular mounted on the ball or by means
  • bearing shell in particular made of plastic, available.
  • plastic housing it may be necessary to achieve the required sliding properties of the ball stud within the housing that a bearing shell is to be used.
  • the bearing shell can
  • a bearing cage in particular formed of a metal, is formed between the ball and the structural component and / or at least one of the housing parts.
  • the bearing cage can be advantageously used to increase the pull-out force, if it is necessary that the hinge is provided for higher pull-out forces that can act on the ball stud.
  • the hinge is provided for higher pull-out forces that can act on the ball stud.
  • thermoplastic or thermosetting plastic is injected or encapsulated between the bearing shell and / or the bearing cage and at least one of the housing parts or the structural part.
  • the invention further relates to a method for producing a ball joint, as described above.
  • the ball joint is manufactured with the following steps, whereby the sequence of the steps does not necessarily have to be made as shown here in succession. In particular, steps may be omitted, which are listed below.
  • Injection and / or riveting and / or encapsulation in particular by means of a thermoplastic or thermoset encapsulation.
  • Preload be created so that a breakaway torque between ball stud and joint housing can be adjusted.
  • a bearing shell is usually necessary that the ball joint heated after manufacture for a certain period of time, also called annealed, so that the bearing shell material can relax or flow to the final setting of the breakaway torque.
  • a structural component having a preform structure is used from TFP or similar flat textile, so can be dispensed with the annealing of a ball joint thus produced.
  • work is done by means of a relatively high temperature within the tool so that this heat causes annealing. For annealing, a temperature below the melting temperature of the
  • bearing shell material necessary. Therefore, a material for the bearing shell is selected, which is compatible with the consolidation process as a function of the material
  • Preform structure is compatible. This results in considerable cost advantages, since a subsequent annealing of the ball joint can be avoided.
  • Ball bearing provided a bearing cage, which may be necessary for the stability of the ball joint depending on the application.
  • holes or interruptions facing away from the seat of the ball are preferably introduced, which are created in particular by spiking and / or by drilling and / or by designing the fiber structure during the production of the preform structure become.
  • the structural component is preferably made of a load-matched or
  • the preform structure as, in particular flat, textile TFP and / or produced by the jacquard process and / or fiber-matrix mixing and / or commingling and / or the film stacking material is formed, in particular multi-layered, is formed.
  • Properties of a structural component to produce as this is also known from metal or a formed from fiber-plastic composite structure with reinforcing structure form.
  • the preferred load adjustment by fiber orientation on the preform structure in the form of single and / or multiple superimposed and / or side by side
  • hybrid yarn is a yarn in which a
  • Hybrid yarns are made of a textile
  • Carrier thread with thermoplastic matrix such as e.g. Polyamide (PA), polyetheretherketone (PEEK), polypropylene (PP) or similar.
  • the textile carrier thread can be twisted with the matrix material.
  • the matrix material may surround the carrier thread, e.g. in which it comprises the carrier thread, in particular when it runs within the matrix material.
  • the thermoplastic matrix is formed by the shape and the texture similar to a wool thread.
  • the two-dimensional textile preform structure can be made wholly or partly from these
  • Hybrid yarns may be provided with a reinforcing fiber of glass fiber or carbon fiber or similar known materials.
  • thermoplastic TFP constructions based on polypropylene (PP), polyamide (PA), partially aromatic PA (PPA) or other thermoplastic hybrid yarns and dry (without matrix material) are conceivable as matrix materials for the fiber-matrix system to be used ) textile semi-finished products or constructions produced in the TFP process, which are impregnated or infiltrated with resin in the thermoplastic RTM or T-RTM process or thermoset HD-RTM process.
  • At least one sensor is integrated in the fiber composite structure of the structural component or in the ball joint, which detects a change in the fiber composite structure to the load or an overload and / or
  • the senor is preferably with a
  • the load is preferably displayed to the driver in the cockpit of the vehicle, in particular optically and / or acoustically.
  • the evaluation unit in particular via a
  • Vehicle bus system eg CAN bus
  • a control device in the vehicle, so that load values can be kept retrievable in a memory.
  • the control device can influence the onward travel or prevent a restart, so that driving with a faulty joint or handlebar or chassis can be effectively avoided.
  • a ball joint is preferably used in a link of a fiber-plastic composite structure, in particular if this is made of a textile preform structure.
  • the ball joint is preferably used in a steering device for an axle system, preferably for an axle system with a rear-wheel steering.
  • the ball joint is integrated into the handlebar of an adjusting device, wherein the handlebar may be variable in length or the handlebar has a displaceable tie rod, which is adjustable by the adjusting device, in particular linear, in relation to the handlebar.
  • Fig. 1 is a perspective view of a ball joint installed in a multi-point link
  • Fig. 1 a is a partially sectioned view of a ball joint gem.
  • Fig. 1 is a partial sectional view through a ball joint
  • Fig. 3 is a detail view of the ball joint with a structural component
  • Fig. 4a is an illustration of an embodiment of the ball joint
  • Fig. 4b is an illustration of another embodiment of the ball joint
  • Fig. 5 shows a sequence of the method steps according to the invention
  • Fig. 1 shows a control arm of a motor vehicle in the form of a
  • the wishbone 1 is made of a multilayer preform structure, which has been brought by folding about the axis A shown in Figure 1 in its illustrated form.
  • a ball joint 1 is introduced at the one end of the arm 12.
  • a structural part 4 which surrounds the ball stud 3 and the bearing shell 5.
  • the structural part 4 and the bearing shell 5 are encompassed by a housing 2.
  • the ball joint 1, consisting of the aforementioned components is introduced here as a preassembled ball joint cartridge 1.
  • the housing 2 may consist of plastic or is encapsulated in plastic and takes the ball stud 3 with the ball
  • the structural part 4 surrounds the cartridge or the ball stud and is also held by the extrusion coating with plastic.
  • the ball joint 1 is protected on the pin side by a sealing bellows 3, both the ball stud 3 and the
  • housing 2 positively engages around.
  • the structural part 4 is provided, which is completely enclosed by the fiber-plastic composite structure.
  • the structural part 4 has an approximately planar configuration which flattens out (wedge-shaped) towards the end remote from the ball joint 1 towards the end of the structural part.
  • Structural part 4 is also permeated with holes 9, which are arranged approximately concentrically with different radii about the longitudinal axis of the ball joint 1.
  • the structural part 4 itself can be made of a metal material or likewise of a fiber-plastic composite material. The fact that the structural part 4 is completely enclosed by the fiber-plastic composite structure, resulting in a homogeneous bond between the ball joint 1 and the control arm 12 itself. Through the holes 9 a particularly strong bond is achieved in the consolidation process, as the handlebar material and / or the matrix material penetrates into the holes 9 during consolidation and thus the structural part 4 is additionally held in a form-fitting manner. Depending on the material, which is provided for the structural part, in addition to the positive connection also a cohesive bond between the preform structure and the. Depending on the material of the structural part or the housing 2 if necessary Fiber-plastic composite structure and the structural part can be provided.
  • a ball joint 1 consisting of at least one ball stud 3 and a housing 2 or a ball of the ball stud 3 enclosing bearing shell 5 is a during the manufacture of the
  • Ball joint or the manufacturing process downstream annealing process required downstream annealing process required.
  • the ball joint is heated for a certain period of time, so that the bearing shell material or the structure between
  • Fig. 2 shows the integration of a ball joint 1 in a preformed fiber-plastic composite structure 2b.
  • a housing made of metal preferably an upper housing part made of aluminum 2a, a ball stud 3 with preassembled bearing shell 5 and the preformed fiber-plastic composite structure 2b (eg a preform structure made of TFP) in an injection mold be inserted, and thermoplastic encapsulation (T-RTM) or thermosetting (HD-RTM).
  • T-RTM thermoplastic encapsulation
  • HD-RTM thermosetting
  • Figures 4a and 4b show further variants of ball joints, which are also suitable for integration in a fiber-plastic composite handlebars.
  • Fig. 4a shows a ball joint 1 with a ball stud 3 and a bearing shell 5, wherein the ball stud 3 is embedded with enclosing bearing shell 5 in a metal housing 2 and bearing cage 6. Also visible is a structural component 4, which encloses the metal housing or the bearing cage 6. In other words that's it
  • the housing 2 encloses the aforementioned components in such a way that the ball stud 3 has the usual pivot and rotational mobility with ball joints.
  • the housing 2 is introduced by encapsulation or surrounds the structural component 4 and the bearing cage 6 to a solid composite.
  • the structural part may be made of organic sheet or also by a preform structure, which is produced for example in the TFP process. When made of organic sheet this can be thermoformed for shaping.
  • FIG. 4b shows a slightly modified alternative to FIG. 4a.
  • the housing 2 is in this case made in two parts.
  • the lower part 2b of the housing is designed as the structural part 4 according to Figure 4a, wherein no hole is provided, but a spherical recess or bead 14 is provided, which is the
  • Bearing shell 5 or the ball 3a of the ball stud 3 at least partially,
  • the journal-side part 2a of the housing 2 is formed by a conical ring 2a, which is connected to the lower housing part 2b in a form-fitting or cohesive manner.
  • the ball stud 3 is held with the bearing shell 5 in the ball joint 1.
  • the conical ring can be made of a deep-drawn
  • preassembled component is inserted for the production of the handlebars in the forming tool, so that housing upper and lower part are then enclosed in the consolidation process by the fiber composite material or the structure and the injected plastic matrix.
  • upper part 2a and lower part 2b can be joined together by an encapsulation 7 shown in FIG. 4b.
  • FIG. 5 shows a sequence of the method steps according to the invention.
  • a preform structure is created, for example a flat semifinished textile product or construction made by the TFP method using hybrid yarns by sewing them onto the flat textile.
  • PS-> W the workpiece is introduced by means of a handling robot into a shaping tool. A ball stud with mounted on it
  • Bearing shell is also introduced and positioned in the tool in this step.
  • the tool is then closed.
  • the component is consolidated. It is injected to form the housing, a plastic.
  • a matrix material in the form of a resin is injected into the tool which encloses the textile knitted fabric.
  • a temperature adapted to the materials used and a predetermined pressure in or with the tool is generated and held for a certain time. This creates the housing and the composite housing with structural component. Subsequently, the ball joint
  • step F / W-> K completed and can be removed from the tool, which in turn takes place by means of a handling robot.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk (1), mit einem Kugelzapfen (3) und einem Gehäuse (2), wobei der Kugelzapfen (3) mit der Kugel dreh- und schwenkbeweglich in dem Gehäuse (2) aufgenommen ist, wobei die Kugel (3a) zumindest teilweise von einem Strukturbauteil (4) umgeben ist. Das Strukturbauteil (4) besteht im Wesentlichen aus einer Faser-KunststoffVerbund-Struktur und bildet zumindest partiell das Gehäuse (2) aus.

Description

Kugelgelenk für ein Fahrwerk
Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk mit einem Kugelzapfen und einem
Gehäuse, wobei der Kugelzapfen mit der Kugel dreh- und schwenkbeweglich in dem Gehäuse aufgenommen ist, wobei die Kugel zumindest teilweise von einem
Strukturbauteil umgeben ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Kugelgelenks.
Die EP 1 953 012 A2 zeigt eine Gelenkstange zum Einsatz in Fahrzeugen, mit einem Streben körper, der aus einem offenen Profil gebildet ist und wobei das Ende des Streben körpers zumindest teilweise mit einer Kunststoffummantelung umspritzt ist. Der Strebenkörper kann aus Blech, Kunststoff oder auch aus einem Faserverbund- Werkstoff gebildet sein und dient der Verstärkung des ansonsten aus Kunststoff gebildeten Gehäuses, so dass dieses die gewünschte Stabilität erreicht, um für den Kugelzapfen einen sicheren Halt in dem Gehäuse zu bieten. Die Gelenkstange bildet einen Zweipunktlenker aus, der im Fahrwerk eines Kraftfahrzeuges als
Verbindungsbauteil zwischen der Karosserie und einem weiteren Fahrwerksbauteil oder auch zwischen zwei Fahrwerksbauteile verwendet werden kann. Durch den Einsatz von Kunststoff für das Gehäuse kann dieses im Vergleich mit Stahl ein erheblich geringeres Gewicht aufweisen. Die genannte Offenlegungsschrift zeigt ein Gesamtbauteil, welches keine Integration zur Bildung eines Lenkers ermöglicht, der ohne eine zusätzliche Verstärkungsstruktur ausgebildet ist.
Eine Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Kugelgelenk, insbesondere zur Integration in einen Lenker aus Faserverbund-Werkstoff, mit einem Kugelzapfen und einem Gehäuse, wobei die Kugel des Kugelzapfens dreh- und schwenkbeweglich in dem Gehäuse aufgenommen ist, wobei die Kugel zumindest teilweise von einem
Strukturbauteil umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturbauteil im Wesentlichen aus einer Faser-Kunststoff-Verbund-Struktur, insbesondere ohne eine Verstärkungsstruktur, gebildet ist und zumindest partiell das Gehäuse ausbildet.
Wie bei Kugelgelenken üblich, weist der Kugelzapfen an seinem einen Ende eine Kugel auf, die es dem Kugelzapfen erlaubt, Dreh- und Schwenkbewegungen um den Kugelmittelpunkt auszuführen. Auf der von der Kugel abgewandten Seite des Zapfens ist z. B. ein Gewinde angebracht, womit der Kugelzapfen mit einem Anschlussbauteil, einem weiteren Fahrwerksbauteil oder der Karosserie eines Fahrzeugs verschraubt werden kann. Zwischen Gewinde und Kugel ist zumeist ein kegeliger Sitz vorgesehen, der eine hochbelastbare formschlüssige Verbindung mit einem Anschlussbauteil oder der Karosserie zulässt.
Wenn der zumeist aus Stahl gefertigte Kugelzapfen mit einem Leichtmetalllenker verbunden werden soll, so kann zur Verbesserung der Verbindung zwischen
Kugelzapfen und dem Anschlussbauteil ein, insbesondere kegelförmiger, Zwischenring vorgesehen sein, der eine verbesserte Verbindung zwischen Leichtmetall und Stahl zulässt. Das Gehäuse des Kugelgelenkes kann ebenfalls aus Stahl oder auch aus Kunststoff gefertigt sein, wobei der Kunststoff um die Kugel umspritzt sein kann. Die Kugel ist dabei zumindest teilweise von einem Strukturbauteil umgeben. Das
Strukturbauteil ist Teil des Gehäuses und umringt bzw. umgibt dieses. Es umringt die Kugel, wenn in dem Strukturbauteil ein Loch bzw. eine Aufnahme bzw. eine
Ausnehmung ausgebildet ist. Es umgibt die Kugel zumindest teilweise, wenn das Strukturbauteil statt des Loches bzw. der Aufnahme bzw. der Ausnehmung eine ballige Mulde aufweist, wobei die Mulde derart ausgebildet ist, dass die Kugel in dieser direkt bzw. unter Zwischenschaltung einer Lagerschale dreh- und schwenkbeweglich aufgenommen werden kann. Abgesehen von dem Loch bzw. von der Mulde ist das Strukturbauteil im Wesentlichen als ein ebenes Bauteil ausgebildet. Das ebene oder flächige Strukturbauteil kann eine insgesamt gleichmäßige Wandstärke aufweisen. Ebenso kann das Strukturbauteil eine im Bereich der Verbindung mit dem Kugelgelenk höhere Wandstärke aufweisen, als im Endbereich, der von dem Kugelgelenk
abgewandt ist. Das Strukturbauteil kann gleichmäßig im Materialquerschnitt abnehmen und bis zum vom Gehäuse abgewandten Endbereich geringer werden, bis der
Materialquerschnitt gegen Null geht.
Das Kugelgelenk zeichnet sich dadurch aus, dass das Strukturbauteil im
Wesentlichen aus einer Faser-Kunststoff-Verbund-Struktur ausgebildet ist und zumindest partiell das Gehäuse ausbildet. Mit der partiellen Gehäuseausbildung ist gemeint, dass das Strukturbauteil einen, insbesondere wesentlichen, Teil des Gehäuses ausbildet. Das Strukturbauteil verstärkt das Gehäuse und ist mit dem
Gehäuse derart verbunden, dass zwischen Strukturbauteil und Gehäuse eine
zumindest formschlüssige Verbindung existiert. Ist das Gehäuse aus Kunststoff umspritzt, so entsteht durch die Umspritzung an zumindest Teilen des Strukturbauteils zumindest im Bereich der Kugel eine stoffschlüssige Verbindung zwischen umspritztem Kunststoff und dem Strukturbauteil.
Das Strukturbauteil weist keine separate, aus dem Stand der Technik bekannte Verstärkungsstruktur, z. B. in Form von Hinterspritzungen oder Anspritzungen auf. Der zusätzliche Schritt zum Einbringen einer Verstärkung entfällt somit. Es ist offensichtlich, dass sich dadurch hinsichtlich Durchlaufzeiten und somit auch bezüglich Kosten ein günstigeres Endprodukt ergibt. Durch das Ausbleiben einer Verstärkungsstruktur ist im Ergebnis zudem ein geringeres Gewicht als bei einem Bauteil mit Verstärkung zu erwarten.
Bevorzugt ist das Strukturbauteil aus einer Preform-Struktur, insbesondere TFP- Struktur oder Organoblech, hergestellt. Unter Organoblech ist ein Halbzeug aus thermoplastischem Kunststoff verstärkt mit Endlosfasern zu verstehen, der zumeist in Plattenform hergestellt ist. Organobleche können untern Temperatureinfluss plastisch verformt werden (z.B. durch den Umformprozess Tiefziehen).
Unter einer Preform-Struktur wird ein Rohteil verstanden, welches aus zumindest einem flächigen Textilmaterial besteht und innerhalb des Herstellungsverfahrens des Strukturbauteils mittels eines formgebenden Werkzeugs unter dem Einfluss von Druck und Temperatur in seine Endform gebracht wird. Aufgrund der Bauteilanforderungen wird z. B. mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) ermittelt, welchen Belastungen bzw. Beanspruchungen das herzustellende Lenkerbauteil z.B. in einem Pkw-Fahrwerk unterliegt. Aufgrund der dann bekannten, später auf das fertige Bauteil wirkenden Lasten bzw. Beanspruchungen (hinsichtlich Intensität und Richtung) wird ein flächiges Textil maschinell erstellt, so dass eine Preform-Struktur mit lastangepasster
Faserorientierung vorliegt. Einfach gesagt, wird an Positionen im Bauteil, an denen eine höhere Belastung zu erwarten ist, eine Faserverdichtung vorgesehen. An weniger belasteten Orten verlaufen die Fasern weniger dicht. Da es ungünstig ist, Faser- Kunststoff-Verbund-Strukturen bzw. deren Fasern zu unterbrechen (z. B. durch eine Bohrung, die Fasern im Bereich der Bohrung zerstören würden), werden die Fasern des Textils so gelegt, dass diese beispielsweise um später beabsichtigte Aussparungen oder Löcher zur Aufnahme von weiteren Fahrwerksbauteilen herumgeführt werden. Die flächigen Textilien können ein- oder mehrschichtig, insbesondere ausgehend von einer einzigen Schicht erstellt werden, wobei Verfahren wie tailored fibre placement (TFP), Jacquard-Verfahren, Faser-Matrix-Misch-Verfahren, Commingling-Verfahren und/oder das Film-Stacking-Verfahren verwendet werden. Mittels dieser bekannten Verfahren kann nahezu jede erdenkliche Struktur und somit auch jede geforderte lastangepasste Faserorientierung erzeugt werden. Die durch diese Verfahren erstellte Preform-Struktur lässt bereits die Form des späteren Strukturbauteils erkennen. Insbesondere lässt sich aber durch die lastangepasste Faserorientierung erkennen, an welcher Stelle das Bauteil im späteren Gebrauch einer höheren Belastung ausgesetzt sein wird. Da, wie zuvor gesagt, das Strukturbauteil Teil des Gehäuses des Kugelgelenks sein soll, ist bei der Preform-Struktur zumindest eine Aussparung bzw. Loch bzw. Ausnehmung vorgesehen, in die zumindest der Kugelzapfen eingesetzt wird, bevor eine Umspritzung mit Kunststoff zur Erstellung des Gehäuses vorgenommen werden kann. Bei einem Strukturbauteil aus einer Preform-Struktur gemäß der oben genannten Verfahren (insbesondere TFP), wird die Preform-Struktur innerhalb eines formgebenden
Werkzeuges mittels Zuführen von Druck und/oder Temperatur konsolidiert. Bei diesem Prozessschritt, genannt Konsolidieren oder auch Konsolidierungsprozess wird durch Erhöhen von Druck und Temperatur und Halten dieser Parameter für eine bestimmte Zeit, die abhängig vom Grundwerkstoff der Preform-Struktur ist, eine Verfestigung des Ausgangsmaterials bzw. der Faser-Kunststoff-Verbund-Struktur bewerkstelligt. Das Konsolidieren bzw. der Konsolidierungsprozess ist auch unter dem Ausdruck„heißes Verpressen" bzw.„Verpressen und Aushärten" bekannt. Hierbei verbindet sich das Ausgangsmaterial der Preform-Struktur mit einem in oder auf der Preform-Struktur vor dem Einbringen in das Werkzeug bereits vorhandenes Matrixmaterial (z. B. in Form von sogenannten Hybridgarnen). Alternativ wird das Matrixmaterial der Preform-Struktur in dem Werkzeug, insbesondere in Form eines Harzes, zugeführt. Es entsteht beim Konsolidieren so ein homogener Faser-Kunststoff-Verbund. Zum Zuführen von
Matrixmaterialien in Form von Harz, auch„Infiltrieren" genannt bzw. in Form von Hybridgarnen wird später noch Stellung genommen. Dem Konsolidieren nachgeschaltet kann eine Abkühlung im Werkzeug erfolgen, die bei geschlossenem oder geöffnetem Werkzeug möglich ist und je nach Material innerhalb einer bestimmten Zeitspanne erfolgen kann. Alternativ kann auch eine gesteuerte aktive Abkühlung innerhalb des Werkzeuges erfolgen, indem in dem
Werkzeug über ein Fluid, insbesondere einem Gas oder einer Flüssigkeit eine aktive Abkühlung erfolgt. Hiernach kann das fertige Strukturbauteil dem formgebenden
Werkzeug entnommen und einer Weiterbearbeitung zugeführt werden, insofern diese notwendig sein sollte. Das so erstellte weitgehend flächige Strukturbauteil weist ein Loch bzw. eine Aufnahme bzw. eine Ausnehmung auf, in die der Kugelzapfen mit seiner Kugel eingebracht werden kann.
Die anschließende Umspritzung mit einem Kunststoff bedingt, dass Kugelzapfen- und Strukturbauteil zueinander hinsichtlich ihrer Position gefestigt sind und ein Gehäuse für das Kugelgelenk entsteht, welches durch das Strukturbauteil verstärkt ist.
Alternativ zu einer Preform-Struktur aus TFP-Struktur oder einer Struktur, gemäß den oben genannten Verfahren, kann auch Organoblech verwendet werden. Es ist möglich, das Organoblech in einem separaten, insbesondere vorherigen Prozessschritt, einer Verformung durch Tiefziehen unter Temperatureinfluss zu unterziehen, wenn das Strukturbauteil nicht flächig, sondern mit einer gewissen Form versehen werden soll. Durch das Tiefziehen kann somit auch die oben schon beschriebene Ausnehmung bzw. Mulde zur Aufnahme der Kugel des Kugelzapfens erstellt werden. Alternativ kann das Organoblech vor dem Einlegen in ein Formwerkzeug, insbesondere in einer separaten Vorrichtung, auf eine Temperatur nahe der Schmelztemperatur der Matrix gebracht werden und unmittelbar nach der Erwärmung in das Formwerkzeug eingelegt werden.
Bevorzugt weist das Strukturbauteil in einem von der Kugel abgewandten
Bereich Löcher auf, wobei die Löcher, insbesondere im Wesentlichen, konzentrisch um den Kugelmittelpunkt herum angeordnet sind. Die Löcher in dem Strukturbauteil können zur Integration in einen Lenker als Anschraubpunkte dienen. In diesem Fall ist von einer geringen Anzahl, insbesondere drei, Löchern auszugehen, die von ihrem Durchmesser derart ausgestaltet sind, dass für den Schraubfall Schrauben mit einem entsprechenden Durchmesser zur Verschraubung mit dem Anschlussbauteil verwendet werden können.
Soll das Gelenk mit dem Strukturbauteil gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform mit einer weiteren Faser-Kunststoff-Verbund-Struktur zur Ausbildung eines Lenkers ausgebildet werden, so bewirken die Löcher bzw. Unterbrechungen in dem Strukturträger des Gelenks die Ausbildung einer formschlüssigen Verbindung zwischen Gelenk mit Strukturbauteil und dem übrigen Lenkerteil. Durch die Löcher bzw. Unterbrechungen in dem Strukturträger des Gelenks kann dieser durch Umspritzung in vorteilhafter Weise mit dem restlichen Lenkerbauteil verbunden werden. Der
beispielsweise in dem Montage-Spritzguss eingebrachte Werkstoff zur Verbindung des Lagers oder Gelenks mit dem Lenker umschließt nicht nur den Strukturträger
insgesamt, sondern fließt beim Montage-Spritzguss-Prozess auch in die Löcher bzw. Unterbrechungen und ergibt somit eine hochbelastbare stoffschlüssige Verbindung.
Bevorzugt sind die Unterbrechungen bzw. Löcher derart ausgestaltet, dass sie kreisrunde und/oder elliptische und/oder polygone Formen aufweisen. Die Löcher bzw. Unterbrechungen in dem Strukturbauteil werden vorteilhafter Weise bereits bei der Herstellung des Strukturbauteils aus der Preform-Struktur in dieses eingebracht. Die Löcher bzw. Unterbrechungen werden insbesondere durch Aufdornen und/oder Bohren und/oder durch Auslegung der Faserstrukturen bei der Herstellung der Preform-Struktur erstellt.
Bevorzugt ist das Gehäuse des Kugelgelenkes mehrteilig ausgeführt, wobei wenigstens ein erstes Teil, insbesondere Gehäuseunterteil, aus dem Strukturbauteil ausgebildet ist und ein zumindest weiteres Teil, insbesondere Gehäuseoberteil, aus einem Faserverbund-Werkstoff oder einem Leichtmetall, insbesondere Aluminium, gebildet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die zumindest zwei Gehäuseteile mittels Verklebung und/oder durch Spritzung und/oder Vernietung und/oder
Umspritzung, insbesondere mittels einer thermoplastischen oder duroplastischen Umspritzung, miteinander gefügt. Die thermoplastische bzw. duroplastische Umspritzung kann während des Konsolidierens, wie zuvor bereits beschrieben, innerhalb des formgebenden Werkzeugs ausgeführt werden. So ist es möglich, eine Gelenkkartusche zu verwenden, die dann innerhalb des formgebenden Werkzeuges durch thermoplastische bzw. duroplastische Umspritzung mit dem Strukturbauteil gefügt wird bzw. konsolidiert wird. Bei einer Gelenkkartusche handelt es sich um ein
Kugelgelenk für sich, also mit Kugelzapfen und Gehäuse und ggf. einer Lagerschale, welches an dieser Stelle noch mit dem Strukturbauteil gefügt werden muss.
Bevorzugt ist zwischen der Kugel und dem Strukturbauteil und/oder wenigstens einem der Gehäuseteile eine, insbesondere auf die Kugel montierte oder mittels
Einspritzen eingebrachte, Lagerschale, insbesondere aus Kunststoff, vorhanden. Je nach verwendeten Werkstoffen für das Kunststoffgehäuse kann es zur Erreichung der benötigten Gleiteigenschaften des Kugelzapfens innerhalb des Gehäuses notwendig sein, dass eine Lagerschale verwendet werden soll. Die Lagerschale kann
beispielsweise zusammen mit dem Kugelzapfen vormontiert sein, wobei die Kugel oder die Lagerschale zuvor mit einem Schmierstoff versehen wurde.
Bevorzugt ist zwischen der Kugel und dem Strukturbauteil und/oder wenigstens einem der Gehäuseteile ein, insbesondere aus einem Metall gebildeter, Lagerkäfig ausgebildet. Der Lagerkäfig kann vorteilhafterweise zur Erhöhung der Auszugskraft eingesetzt werden, wenn es erforderlich ist, dass das Gelenk für höhere Auszugskräfte vorgesehen ist, die auf den Kugelzapfen wirken können. Vorzugsweise ist der
Lagerkäfig vor dem Umspritzen mit Kunststoff zur Erzeugung des Gehäuses
formschlüssig mit dem Strukturbauteil verbunden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zwischen der Lagerschale und/oder dem Lagerkäfig und wenigstens einem der Gehäuseteile oder dem Strukturteil ein thermoplastischer oder duroplastischer Kunststoff eingespritzt oder umspritzt.
Hierdurch wird eine gesamthaft bessere Formgebung bzw. Umschließung der Kugel bzw. der Kugel mit der Lagerschale erreicht. Des Weiteren ergibt sich insbesondere bei einem mehrteiligen Gehäuse eine noch bessere Verbindung zwischen Gehäuseober- und unterteil, weil diese mittels des thermoplastischen bzw. duroplastischen Kunststoffs miteinander verbunden werden. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen eines Kugelgelenkes, wie dieses zuvor beschrieben wurde. Das Kugelgelenk wird mit den nachfolgend aufgeführten Schritten hergestellt, wobei die Reihenfolge der Schritte nicht zwingend, wie hier aufeinanderfolgend dargestellt, erfolgen muss. Insbesondere können Schritte weggelassen bzw. eingefügt werden, die nachfolgend aufgeführt werden.
Grundsätzlich werden folgende Schritte benötigt:
- Herstellen und Bereitstellen eines Strukturteils aus einer Preform-Struktur, insbesondere TFP-Struktur oder Organoblech unter Ausbildung eines Loches oder einer kugelpfannenartigen Ausnehmung zur Aufnahme eines
Kugelzapfens,
- Bereitstellen eines Kugelzapfens,
- Positionieren der bereitgestellten Bauteile zueinander,
- Fügen der bereitgestellten Bauteile mittels Verklebung und/oder
Durchspritzung und/oder Vernietung und/oder Umspritzung, insbesondere mittels einer thermoplastischen oder duroplastischen Umspritzung.
Bevorzugt wird zur Ausbildung eines mehrteiligen Gehäuses vor dem
Positionieren der Bauteile zueinander ein zumindest weiteres Gehäusebauteil bereitgestellt.
Bevorzugt wird nach dem Bereitstellen des Kugelzapfens auf diesen eine
Lagerschale montiert oder auf den Kugelzapfen vor dem Bereitstellen eine Lagerschale montiert. Bei Kugelgelenken ist es bekannt, dass diese mit einer gewissen
Vorspannung erstellt werden, damit ein Losbrechmoment zwischen Kugelzapfen und Gelenkgehäuse eingestellt werden kann. Hierzu ist bei Verwendung einer Lagerschale zumeist notwendig, dass das Kugelgelenk nach der Herstellung für einen gewissen Zeitraum erwärmt, auch genannt getempert, wird, so dass das Lagerschalenmaterial sich entspannen bzw. zur endgültigen Einstellung des Losbrechmomentes fließen kann. Wenn beim Herstellen des Kugelgelenks ein Strukturbauteil mit einer Preform-Struktur aus TFP- oder ähnlichem flächigen Textil verwendet wird, so kann auf das Tempern eines so hergestellten Kugelgelenks verzichtet werden. Beim Konsolidieren innerhalb eines Werkzeuges wird, wie oben beschrieben, mittels einer relativ hohen Temperatur innerhalb des Werkzeuges gearbeitet, so dass diese Wärme das Tempern bewirkt. Für das Tempern ist eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des
Lagerschalenmaterial notwendig. Es wird daher ein Material für die Lagerschale gewählt, die mit dem Konsolidierungsprozess in Abhängigkeit vom Material der
Preform-Struktur kompatibel ist. Es entstehen so erhebliche Kostenvorteile, da ein nachgeschaltetes Tempern des Kugelgelenkes vermieden werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform wird nach dem Bereitstellen eines
Kugelzapfens ein Lagerkäfig bereitgestellt, der zur Stabilität des Kugelgelenks je nach Einsatzfall notwendig sein kann.
Bevorzugt werden bei der Herstellung des Strukturbauteils aus der Preform- Struktur in diese weitere vom Sitz der Kugel abgewandte Löcher bzw. Unterbrechungen eingebracht, die insbesondere durch Aufdornen und/oder durch Bohren und/oder durch Auslegung der Faserstruktur bei der Herstellung der Preform-Struktur erstellt werden.
Das Strukturbauteil ist bevorzugt aus einer lastangepassten bzw.
beanspruchungsgerechten Preform-Struktur hergestellt, wobei, wie oben bereits gesagt, die Preform-Struktur als, insbesondere flächiges, Textil-TFP- und/oder im Jacquard- Verfahren hergestellt und/oder aus Faser-Matrix-Misch- und/oder Commingling- und/oder das Film-Stacking-Material ausgebildet ist, insbesondere mehrschichtig, ausgebildet ist. Durch die vorgenannten Verfahren ist hinsichtlich Form und
Eigenschaften ein Strukturbauteil herstellbar, wie dieses auch aus Metall oder einer aus Faser-Kunststoff-Verbund-Struktur mit Verstärkungsstruktur gebildeten Form bekannt ist.
Mit der Auslegung der Faserstruktur bei der Herstellung der Preform-Struktur ist die bevorzugte Lastanpassung durch Faserorientierung auf der Preform-Struktur in Form von einfach und/oder mehrfach übereinander und/oder nebeneinander
eingebrachten, insbesondere ein- oder aufgenähten Hybridgarnen ausgebildet. Bei der Verwendung von Hybridgarn handelt es sich um ein Garn, bei dem eine
thermoplastische Matrix integriert ist. Hybridgarne bestehen aus einem textilen
Trägerfaden mit thermoplastischer Matrix, wie z.B. Polyamid (PA), Polyetheretherketon (PEEK), Polypropylen (PP) o.a. Der textile Trägerfaden kann mit dem Matrixmaterial verdrillt sein. Alternativ kann das Matrixmaterial den Trägerfaden umgeben, z.B. in dem es den Trägerfaden umfasst, wenn dieser insbesondere innerhalb des Matrixmaterials verläuft. Die thermoplastische Matrix ist dabei von der Form und der Beschaffenheit ähnlich wie ein Wollfaden ausgebildet.
Die flächige textile Preform-Struktur kann ganz oder teilweise aus diesen
Hybridgarnen bestehen, die mit einer Verstärkungsfaser aus Glasfaser oder Kohlefaser oder ähnlichen bekannten Materialien versehen sein kann. Als Matrix-Materialien für das zu verwendende Faser-Matrix-System sind sowohl thermoplastische TFP- Konstruktionen auf Basis von Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Teilaromatischen PA (PPA) oder anderen thermoplastischen Hybridgarnen denkbar als auch trockene (ohne Matrix-Material) im TFP-Verfahren hergestellte textile Halbzeuge bzw. Konstruktionen, die im thermoplastischen RTM- oder T-RTM-Verfahren oder duroplastischen HD-RTM- Verfahren mit Harz getränkt bzw. infiltriert werden.
Bevorzugt ist in die Faser-Verbund-Struktur des Strukturbauteils bzw. in das Kugelgelenk zumindest ein Sensor integriert, der eine Veränderung der Faser-Verbund- Struktur detektiert, um die Belastung bzw. eine Überlastung und/oder
Überbeanspruchung anzuzeigen. Der Sensor ist vorzugsweise mit einer
Erfassungseinrichtung und/oder einer Auswerteeinrichtung verbunden. Bevorzugt wird die Belastung dem Fahrer im Cockpit des Fahrzeuges, insbesondere optisch und/oder akustisch, angezeigt. Alternativ ist die Auswerteeinheit, insbesondere über ein
Fahrzeug-Bussystem (z.B. CAN-Bus), mit einer Steuereinrichtung im Fahrzeug vernetzt, so dass Belastungswerte in einem Speicher abrufbar gehalten werden können. Bei Überschreiten eines Belastungswertes kann die Steuereinrichtung die Weiterfahrt beeinflussen oder einen Neustart verhindern, so dass eine Fahrt mit einem fehlerhaften Gelenk bzw. Lenker bzw. Fahrwerk wirkungsvoll vermieden werden kann. Ein Kugelgelenk findet vorzugsweise in einem Lenker einer Faser-Kunststoff- Verbund-Struktur Verwendung, insbesondere wenn dieser aus einer textilen Preform- Struktur gefertigt ist.
Das Kugelgelenk findet bevorzugt Verwendung in einer Lenkvorrichtung für ein Achssystem, vorzugsweise für ein Achssystem mit einer Hinterradlenkung.
Weiter bevorzugt ist das Kugelgelenk in den Lenker einer Stellvorrichtung integriert, wobei der Lenker längenveränderlich sein kann oder der Lenker eine verschiebbare Spurstange aufweist, die durch die Stellvorrichtung, insbesondere linear, in Relation zu dem Lenker verstellbar ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Kugelgelenks verbaut in einem Mehrpunktlenker
Fig. 1 a eine teilgeschnittene Darstellung eines Kugelgelenks gem. Fig. 1 Fig. 2 eine teilweise Schnittdarstellung durch ein Kugelgelenk
Fig. 3 eine Detailansicht des Kugelgelenks mit einem Strukturbauteil
Fig. 4a eine Darstellung einer Ausführung des Kugelgelenks
Fig. 4b eine Darstellung einer weiteren Ausführung des Kugelgelenks
Fig. 5 zeigt einen Ablauf der Verfahrensschritte gemäß der Erfindung
Fig. 1 zeigt einen Querlenker eines Kraftfahrzeuges in Form eines
Dreipunktlenkers, der aus einer Faser-Kunststoff-Verbund-Struktur hergestellt ist. Der Querlenker 1 ist aus einer mehrlagigen flächigen Preform-Struktur erstellt, der durch Falten etwa um die in der Figur 1 dargestellte Achse A in seine dargestellte Form gebracht wurde. An dem einen Ende des Lenkers 12 ist ein Kugelgelenk 1 eingebracht. Wie zur Verdeutlichung in der Figur 1 a in Schnittdarstellung dargestellt, weist das Kugelgelenk ein Strukturteil 4 auf, welches den Kugelzapfen 3 und die Lagerschale 5 umgreift. Das Strukturteil 4 und die Lagerschale 5 sind von einem Gehäuse 2 umgriffen. Das Kugelgelenk 1 , bestehend aus den vorgenannten Bauteilen ist hier als vormontierte Kugelgelenk-Kartusche 1 eingebracht. Das Gehäuse 2 kann aus Kunststoff bestehen bzw. ist aus Kunststoff umspritzt und nimmt den Kugelzapfen 3 mit die Kugel
umschließender Lagerschale 5 auf. Das Strukturteil 4 umgreift die Kartusche bzw. den Kugelzapfen und wird ebenfalls durch die Umspritzung mit Kunststoff gehalten. Zum Schutz vor äußeren Einflüssen und Korrosion ist das Kugelgelenk 1 zapfenseitig durch einen Dichtungsbalg 3 geschützt, der sowohl den Kugelzapfen 3 als auch das
Gehäuse 2 formschlüssig umgreift. Für den Verbund zwischen Kugelgelenk 1 und Lenker 12 ist das Strukturteil 4 vorgesehen, welches vollständig von der Faser- Kunststoff-Verbund-Struktur umschlossen ist. Wie der Figur 3 zu entnehmen ist, weist das Strukturteil 4 eine etwa flächige Ausbildung auf, die zu der von dem Kugelgelenk 1 abgewandten Seite zum Ende des Strukturteils hin (keilförmig) abflacht. Das
Strukturteil 4 ist zudem mit Löchern 9 durchsetzt, die in etwa konzentrisch mit unterschiedlichen Radien um die Längsachse des Kugelgelenks 1 angeordnet sind. Das Strukturteil 4 selbst kann aus einem Metall -Werkstoff oder ebenfalls aus einem Faser- Kunststoff-Verbund-Werkstoff gefertigt sein. Dadurch, dass das Strukturteil 4 vollständig von der Faser-Kunststoff-Verbund-Struktur umschlossen ist, ergibt sich ein homogener Verbund zwischen Kugelgelenk 1 und dem Querlenker 12 selbst. Durch die Löcher 9 wird beim Konsolidierungsprozess ein besonders fester Verbund erreicht, da das Lenkermaterial und/oder das Matrixmaterial beim Konsolidieren in die Löcher 9 eindringt und so das Strukturteil 4 zusätzlich formschlüssig gehalten wird. Bei der Fertigung ist je nach Material des Strukturteils bzw. des Gehäuses 2 ggfs. ein Primer oder dergleichen vorzusehen, so dass je nach Material, welches für das Strukturteil vorgesehen wird, zusätzlich zum Formschluss ebenfalls ein stoffschlüssiger Verbund zwischen der Preform-Struktur bzw. der Faser-Kunststoff-Verbund-Struktur und dem Strukturteil vorgesehen werden kann.
Bei der Herstellung eines Kugelgelenkes 1 , bestehend aus zumindest einem Kugelzapfen 3 und einem Gehäuse 2 bzw. eine die Kugel des Kugelzapfens 3 umschließende Lagerschale 5 ist an sich ein während der Herstellung des
Kugelgelenks oder des Herstellungsprozesses nachgeschalteter Temperprozess erforderlich. Beim Tempern wird das Kugelgelenk über einen gewissen Zeitraum erwärmt, so dass sich das Lagerschalenmaterial bzw. das Gefüge zwischen
Kugelzapfen und Gehäuse setzen kann. Dieses ist erforderlich, um das
Losbrechmoment des Kugelzapfens innerhalb des Gehäuses einzustellen. Dieses kann entfallen, da bei der Herstellung des Lenkers in dem Werkzeug Temperaturen anfallen, die für das Tempern des Kugelgelenks ausreichend sind. Somit ergibt sich ein weiteres Einsparpotential, da bei der Herstellung des Kugelgelenks bzw. der Kartusche dieses nicht getempert werden muss, sondern das Tempern in dem formgebenden Werkzeug bei der Herstellung des Lenkers mit bewerkstelligt werden kann.
Fig. 2 zeigt die Integration eines Kugelgelenks 1 in eine vorgeformte Faser- Kunststoff-Verbund-Struktur 2b. Diese erfolgt derart, dass ein Gehäuse aus Metall, vorzugsweise ein Gehäuseoberteil aus Aluminium 2a einen Kugelzapfen 3 mit vormontierter Lagerschale 5 und die vorgeformte Faser-Kunststoff- Verbund-Struktur 2b (z. B. eine Preform-Struktur erstellt aus TFP) in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt werden, und thermoplastisch (T-RTM) oder duroplastisch (HD-RTM) umspritzt werden. Die Verbindung des Gehäuses 2 kann dabei sowohl stoffschlüssig über eine Verklebung 1 1 als auch stoff- bzw. formschlüssig über durch Umspritzungen 8, die einen Niet ausbilden oder einer Kombination von beiden Möglichkeiten, erfolgen. Durch die Integration des AluminiumTeilgehäuses in die Faser-Kunststoff-Verbund-Struktur zu einem MultiMaterial-Design wird sichergestellt, dass hohe auf den Kugelzapfen wirkende Kräfte, wie die in der Figur 2 gezeigten Kräfte FA (Auszug) bzw. FD (Druck), bei einem Querlenker aus Faser-Kunststoff-Struktur realisiert werden können, die alternativ durch ggfs. aufwendige, schwer herstellbare Faserorientierung erreichbar wären.
Die Fig. 4a und 4b zeigen weitere Varianten von Kugelgelenken, die sich ebenfalls für die Integration in einem Faser-Kunststoff-Verbund-Lenker eignen.
Fig. 4a zeigt ein Kugelgelenk 1 mit einem Kugelzapfen 3 und einer Lagerschale 5, wobei der Kugelzapfen 3 mit umschließender Lagerschale 5 in ein Metallgehäuse 2 bzw. Lagerkäfig 6 eingebettet ist. Ebenfalls erkennbar ist ein Strukturbauteil 4, das das Metallgehäuse bzw. den Lagerkäfig 6 umschließt. Mit anderen Worten ist das
Metallgehäuse bzw. der Lagerkäfig in das Strukturbauteil 4 formschlüssig eingesetzt, so dass der umlaufende Rand an dem Loch in dem Strukturbauteil 4 anliegt. Das Gehäuse 2 umschließt die vorgenannten Bauteile in der Weise, dass der Kugelzapfen 3 die bei Kugelgelenken übliche Schwenk- und Drehbeweglichkeit hat. Das Gehäuse 2 ist durch Umspritzen eingebracht bzw. umschließt Strukturbauteil 4 und Lagerkäfig 6 zu einem festen Verbund. Das Strukturteil kann aus Organoblech oder ebenfalls durch eine Preform-Struktur, die beispielsweise im TFP-Verfahren hergestellt ist, ausgeführt sein. Bei Ausführung aus Organoblech kann dieses zur Formgebung tiefgezogen sein.
In Fig. 4b ist eine im Vergleich zur Figur 4a leicht veränderter Alternative gezeigt. Das Gehäuse 2 wird hierbei zweiteilig ausgeführt. Das Unterteil 2b des Gehäuses ist ausgeführt wie das Strukturteil 4 gemäß Figur 4a, wobei kein Loch vorgesehen ist, sondern eine kugelförmige Einbuchtung bzw. Sicke 14 vorgesehen ist, die die
Lagerschale 5 bzw. die Kugel 3a des Kugelzapfens 3 zumindest teilweise,
vorzugsweise zur Hälfte aufnimmt. Der obere Teil 2a des Gehäuses 2 bzw.
zapfenseitige Teil 2a des Gehäuses 2 ist durch einen konischen Ring 2a gebildet, der mit dem Gehäuseunterteil 2b form- bzw. stoffschlüssig verbunden ist. Dadurch wird der Kugelzapfen 3 mit der Lagerschale 5 in dem Kugelgelenk 1 gehalten. Die Verbindung zwischen Gehäuseoberteil 2a und Gehäuseunterteil 2b kann, wie schon zu Figur 2 beschrieben, durch eine Verklebung oder wie hier ebenso gezeigt durch eine
Umspritzung gegeben sein. Der konische Ring kann aus einem tiefgezogenem
Organoblech oder ebenfalls aus einer TFP-Struktur hergestellt sein. Das so
vormontierte Bauteil wird zur Herstellung des Lenkers in das formgebende Werkzeug eingelegt, so dass Gehäuseober- und unterteil dann im Konsolidierungsprozess durch den Faserverbund-Werkstoff bzw. die Struktur und der eingespritzten Kunststoff-Matrix umschlossen werden. Alternativ können Oberteil 2a und Unterteil 2b durch eine in Figur 4b gezeigte Umspritzung 7 miteinander gefügt sein.
Für das Kugelgelenk ergibt sich somit hinsichtlich der durch den Kugelzapfen einwirkenden Druckkräfte (FD) bzw. Zugkräfte (FA) eine hinreichende Festigkeit, so dass der Auszug des Kugelzapfens durch diese Kräfte nicht gegeben ist.
Figur 5 zeigt einen Ablauf der Verfahrensschritte gemäß der Erfindung. In einem ersten Schritt PS wird eine Preform-Struktur erstellt, z.B. ein flächiges textiles Halbzeug bzw. Konstruktion, das mittels des TFP Verfahrens unter Verwendung von Hybridgarnen mittels Aufnähen dieser auf das flächige Textil hergestellt wird. In einem weiteren Schritt PS->W wird das Werkstück mittels eines Handhabungsroboters in ein formgebendes Werkzeug eingebracht. Ein Kugelzapfen mit darauf montierter
Lagerschale wird in diesem Schritt ebenfalls in das Werkzeug eingebracht und positioniert. Das Werkzeug wird dann geschlossen. In einem nachfolgenden Schritt wird das Bauteil konsolidiert. Es wird zur Bildung des Gehäuses ein Kunststoff eingespritzt. Ebenso wird ein Matrixwerkstoff in Form eines Harzes in das Werkzeug eingespritzt, der das Textilgewirke umschließt. Dabei wird eine auf die verwendeten Werkstoffe angepasste Temperatur sowie ein vorbestimmter Druck im bzw. mit dem Werkzeug erzeugt und für eine bestimmte Zeit gehalten. Es wird so das Gehäuse und der Verbund aus Gehäuse mit Strukturbauteil erzeugt. Anschließend ist das Kugelgelenk
fertiggestellt und kann dem Werkzeug entnommen werden, welches wiederum mittels eines Handhabungsroboters erfolgt (Schritt F/W->K).
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, eine mechanische Umkehr der Funktionen der einzelnen mechanischen Elemente der Erfindung zu bewirken.
Bezuqszeichen Kugelgelenk, Kartusche
Gehäuse
a Gehäuseoberteil
b Gehäuseunterteil
Kugelzapfen
a Kugel
Strukturbauteil
Lagerschale
Lagerkäfig
Kunststoff, Umspritzung
Nietverbindung, Umspritzung Loch, Aufnahme, Ausnehmung
10 Loch
1 1 Verklebung
12 Querlenker
13 Dichtungsbalg
14 Sicke
FA Auszugskraft
FD Druckkraft

Claims

Patentansprüche
1 . Kugelgelenk, mit einem Kugelzapfen und einem Gehäuse, wobei der Kugelzapfen mit der Kugel dreh- und schwenkbeweglich in dem Gehäuse aufgenommen ist, wobei die Kugel zumindest teilweise von einem Strukturbauteil umgeben ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Strukturbauteil im Wesentlichen aus einer Faser-Kunststoff-Verbund- Struktur ausgebildet ist und zumindest partiell das Gehäuse ausbildet.
2. Kugelgelenk nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturbauteil aus einer Preform-Struktur, insbesondere TFP-Struktur oder Organob- lech, hergestellt ist.
3. Kugelgelenk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturbauteil in einem von der Kugel abgewandten Bereich Löcher aufweist, wobei die Löcher insbesondere im Wesentlichen konzentrisch um den Kugelmittelpunkt angeordnet sind.
4. Kugelgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher eine kreisrunde und/oder elliptische und/oder poly- gone Form aufweisen.
5. Kugelgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse mehrteilig ausgeführt ist und wenigstens ein erstes Teil, insbesondere Gehäuseunterteil, aus dem Strukturbauteil ausgebildet ist und ein zumindest weiteres Teil, insbesondere Gehäuseoberteil, aus einem Faserverbundwerkstoff oder einem Leichtmetall, insbesondere Aluminium, gebildet ist.
6. Kugelgelenk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Gehäuseteile mittels Verklebung und/oder Durchspritzung und/oder Ver- nietung und/oder Umspritzung, insbesondere mittels einer thermoplastischen oder duroplastischen Umspritzung, miteinander gefügt sind.
7. Kugelgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Kugel und dem Strukturbauteil und/oder wenigstens einem der Gehäuseteile eine, insbesondere auf die Kugel montierte oder mittels Einspritzen eingebrachte, Lagerschale, insbesondere aus Kunststoff vorhanden ist.
8. Kugelgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Kugel und dem Strukturbauteil und/oder wenigstens einem der Gehäuseteile ein, insbesondere aus einem Metall gebildeter, Lagerkäfig ausgebildet ist.
9. Kugelgelenk nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Lagerschale und /oder dem Lagerkäfig und wenigstens einem der Gehäuseteile oder dem Strukturteil ein thermoplastischer oder duroplastischer Kunststoff eingespritzt ist.
10. Verfahren zum Herstellen eines Kugelgelenks nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit den Schritten
- Herstellen und Bereitstellen eines Strukturteils aus einer Preform-Struktur, insbesondere TFP-Struktur oder Organoblech unter Ausbildung eines Loches oder einer kugelpfannenartigen Aufnahme für einen Kugelzapfen
- Bereitstellen eines Kugelzapfens
- Positionieren der bereitgestellten Bauteile
- Fügen der bereitgestellten Bauteile mittels Verklebung und/oder Durch- spritzung und/oder Vernietung und/oder Umspritzung, insbesondere mittels einer thermoplastischen oder duroplastischen Umspritzung
1 1 . Verfahren nach Anspruch 10, wobei zur Ausbildung eines mehrteiligen Gehäuses vor dem Positionieren der Bauteile ein zumindest weiteres Gehäuse- teil bereitgestellt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 1 1 , dass nach dem Bereitstellen des Kugelzapfens auf diesen eine Lagerschale montiert wird oder auf den Kugelzapfen vor dem Bereitstellen eine Lagerschale montiert wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche von 10 bis 12, dass nach dem Bereitstellen eines Kugelzapfens ein Lagerkäfig bereitgestellt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche von 10 bis 13, wobei bei der Herstellung des Strukturbauteils aus der Preform-Struktur in diese weitere vom Sitz der Kugel abgewandte Löcher eingebracht werden, die insbesondere durch Aufdornen und/oder durch Bohren und/oder durch Auslegung der Faserstruktur bei der Herstellung der Preform-Struktur erstellt werden.
15. Verwendung eines Kugelgelenks in einem Fahrwerklenker, vorzugsweise einem Lenker einer Faser-Kunststoff-Verbund-Struktur, insbesondere aus einer textilen Preform-Struktur.
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