DE102011086890A1 - Bauelement im Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauelement im Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs, insbesondere ein Rad oder einen Radträger oder einen radführender Lenker oder einen Achsträger, welches zumindest abschnittsweise aus einem faserverstärktem Kunststoffmaterial besteht, wobei neben Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff und/oder Kurzfasern aus Glas und/oder Recyclingmaterial aus einem Faserverbundwerkstoff zusätzlich dünne Stahldrähte, vorzugsweise in Form eines netzartigen Gewebes, vorgesehen sind.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Bauelement im Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs, insbesondere ein Rad oder einen Radträger oder einen radführenden Lenker oder einen Achsträger, welches bzw. welcher zumindest abschnittsweise aus einem faserverstärktem Kunststoffmaterial besteht.
• Der Einsatz von sog. Faserverbundmaterialien (= faserverstärktes Kunststoffmaterial) in Fahrwerksbauteilen von Kraftfahrzeugen ist grundsätzlich bekannt. Dabei ist als Werkstoff für die in Kunststoffmaterialien zur Verstärkung vorzusehenden Verstärkungsfasern insbesondere an Kohlefasern (Carbonfasern) gedacht, die entweder unidirektional (d. h. sich nur in eine Richtung erstreckend) oder quasiisotrop (sich in mehreren Lagen in verschiedenen Richtungen erstreckend) gelegt sind. Aufgrund der relativ geringeren Dichte im Vergleich zu den üblicherweise für diese Fahrwerks-Bauelemente verwendeten metallischen Werkstoffen zeigen solche Faserverbundmaterialien Vorteile hinsichtlich Gewicht und gegebenenfalls auch Steifigkeit gegenüber üblichen Metall-Werkstoffen.
• Als nachteilig bei der Verwendung üblicher Faserverbundmaterialien mit Kohlefasern hat sich jedoch die geringe Schadenstoleranz bei stoßartiger Belastung und somit die geringe Schlagzähigkeit dieser Faserverbundmaterialien herausgestellt. Insbesondere im Fahrwerksbereich von Kraftfahrzeugen können jedoch solche stoßartigen Belastungen häufiger auftreten, beispielsweise wenn das Fahrzeug mit einem Rad in ein größeres Schlagloch oder gegen einen Bordstein fährt. Bei extrem hoher stoßartiger Belastung kann das betroffene Bauteil oder Bauelement derart geschädigt werden, dass es seine Funktion nicht mehr sicher erfüllen kann. Eine derart intensive Schädigung ist am betroffenen Bauteil zumeist auch sichtbar.
• Es kann jedoch bei derartigen Belastungen auch der Fall auftreten, dass eine größere Anzahl von Carbonfasern geschädigt wird, ohne dass dies am Bauteil/Bauelement sichtbar wird, wonach dieses Bauelement geschädigt ist, ohne dass dies von außen erkennbar ist. Bei einer späteren höheren Belastung kann dieses Bauteil dann unkontrolliert ausfallen, bspw. brechen, wodurch sich kritische Situationen ergeben können.
• Hier eine Abhilfemaßnahme aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung. Die Lösung dieser Aufgabe liegt in einem Bauelement im Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs, welches zumindest abschnittsweise aus einem faserverstärktem Kunststoffmaterial besteht, wobei neben Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff und/oder Kurzfasern aus Glas und/oder einem Recyclingmaterial aus einem Faserverbundwerkstoff zusätzlich dünne Stahldrähte (als Verstärkungsfasern im Kunststoffmaterial) vorgesehen sind. Letztere sind vorzugsweise als Gewebe und dabei insbesondere in Form eines Netzes im faserverstärkten Kunststoffmaterial enthalten.
• Es wurde erkannt, dass bei Verwendung der herkömmlichen Faserverbundmaterialien mit üblicherweise in Form gerichteter Endlosfasern vorliegenden Carbonfasern oder auch mit Kurzfasern, bei denen es sich auch um Glasfasern handeln kann, in einer Kunststoffmatrix aufgrund der zumeist mehraxialen Belastung der Fahrwerks-Bauteile oder -Bauelemente die hohe Zugfestigkeit der Carbonfasern üblicherweise nicht optimal ausgenutzt werden kann. Bekanntlich sind Carbonfasern sehr gut für eine Zugkraftübertragung in Längsrichtung der Fasern geeignet, weisen jedoch (ebenso wie Glasfasern) eine erhebliche Schwäche bei einer Lasteinleitung quer zur Faser-Längsrichtung und unter Schub-Belastung auf. Letztere können jedoch bei stoßartiger Belastung besonders intensiv auftreten und als Folge hiervon können die Carbonfasern oder andere im Faserverbundmaterial vorgesehene Kurzfasern beschädigt werden, wobei durchaus das Bauteil unverformt bleiben kann, so dass diese Schädigung von außen nicht sichtbar wird.
• Anders ist dies jedoch, wenn erfindungsgemäß ein gewisser Anteil der Fasern durch Fäden oder Drähte aus einem Stahlwerkstoff und somit aus einem anderem Werkstoff als üblich im Faserverbundmaterial vorgesehen ersetzt wird. Dabei kann der aus einer geringeren Menge von Carbonfasern theoretisch resultierende Festigkeitsverlust des Faserverbundmaterials durch die anstelle dieses reduzierten Carbonfaser-Anteils hinzugefügten dünnen Stahldrähte ausgeglichen werden. Für die übliche Belastung eines aus einem solchen Faserverbundmaterial mit Stahldrähten als Ersatz für einen Teil der quasi fehlenden Carbonfasern oder Kurzfasern ergibt sich damit praktisch kein Unterschied zu einem in einem „üblichen” Faserverbundmaterial ausgeführten Bauteil. Im Falle einer außergewöhnlich hohen stoßartigen Belastung hingegen ist ein in einem erfindungsgemäßen faserverstärktem Kunststoffmaterial ausgeführtes Bauteil tendenziell mehr plastisch verformbar als ein in üblichem faserverstärktem Kunststoffmaterial ausgeführtes Bauteil. Eine durch eine außergewöhnlich hohe stoßartige Belastung hervorgerufene plastische Verformung des Bauteils kann nämlich sichtbar werden, so dass hierauf geeignet reagiert werden kann, vorzugsweise durch Austausch dieses Bauteils. Damit sind die Verhältnisse ebenso wie bei den heute üblichen in Metall-Werkstoffen ausgeführten Bauteilen im bzw. am Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs, wo eine außergewöhnliche hohe Belastung durch plastische Verformung des Bauteils sichtbar wird.
• Eingegangen sei noch auf den im Patentanspruch enthaltenen Begriff der Kurzfasern aus Glas oder aus einem Recyclingmaterial. Grundsätzlich bekannt ist es, neben Langfasern, deren Länge üblicherweise im Bereich bis 100 Millimetern liegt, und sog. Endlosfasern, die signifikant länger als Langfasern sind, zusätzlich Kurzfasern mit einer Länge zwischen 0,1 und wenigen Millimetern vorzusehen. Letztere können dabei vorzugsweise aus Recyclingmaterial stammen, d. h. aus nach insbesondere mechanischem Zerkleinern und Schmelzen von Halbzeug oder fertigen Teilen der Wiederverwendung zugeführtem faserverstärkten Kunststoffmaterial. Auch in vorzugsweise Langfasern oder Endlosfasern aus Carbon enthaltenden faserverstärktem Kunststoffmaterial können Kurzfasern aus Recyclingmaterial enthalten sein. Auch auf diesem Wege, aber auch gezielt zur Erzeugung gewisser Material-Eigenschaften können Kurzfasern aus Glas in einem erfindungsgemäßen faserverstärktem Kunststoffmaterial enthalten sein, wobei auch hier der zusätzliche Einbau von dünnen Stahldrähten zum beschriebenen für Fahrwerks-Bauteile günstigen Materialverhalten führt.
• Der grundlegende Gedanke vorliegender Erfindung soll in anderen Worten nochmals anhand von Beispiels-Zahlen erläutert werden. Beispielsweise besitze ein übliches mit gerichteten Endlosfasern aus Kohlenstoff/Carbon verstärktes Kunststoffmaterial einen Faser-Volumenanteil von 60%. Anstelle eines solchen bisher üblichen Faserverbundwerkstoffs mit einem hohen Anteil von Langfasern oder Endlosfasermaterial aus Kohlenstoff/Carbon kann ein erfindungsgemäßes faserverstärktes Kunststoffmaterial nur noch einen Volumenanteil von Carbonfasern in der Größenordnung von 30% enthalten und daneben Stahldrähte, deren Volumenanteil beispielsweise in der Größenordnung von 40% liegt. Diese Stahldrähte besitzen vorzugsweise eine Länge von zumindest 50 Millimetern und sind somit unter der Verwendung der Längen-Klassifizierung von Verstärkungsfasern quasi als Langfasern zu betrachten. Vorzugsweise jedoch liegen diese Stahldrähte quasi als „Endlosfasern” in Form eines Gewebes und insbesondere in Form eines Netzes vor.
• Metallische Drahtgewebe besitzen vorzügliche mechanische Festigkeitseigenschaften. Sie zeichnen sich aus durch unproblematische Weiterverarbeitbarkeit und sehr lange Lebensdauer aus. Durch Vorsehen eines Stahldrahtgewebes oder zumindest einer Vielzahl von gegebenenfalls ungeordnet vorliegenden dünnen Stahldrähten in einem faserverstärkten Kunststoffmaterial erhält man aufgrund der Duktilität des Drahtgewebes am Bauteil eine klarer Anzeige von Überbeanspruchung durch Verformung des Bauteils. Darüber hinaus ist das Ausfallverhalten im Crash in gezielter positiver Richtung beeinflussbar, denn während Carbon und somit auch ein Verbund aus Carbonfasern zum Splittern neigt, tritt bei einem erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoff mit einem gewissen Anteil von Stahldrähten, der sinnvollerweise in der Größenordnung von 20%–50% (Volumenanteil) liegt, bei Überlastung eine sichtbare Verformung ein. Nun gilt wie weiter oben erläutert im Bereich von Fahrzeug-Fahrwerken aus Sicherheitsgründen die generelle Anforderung „Verformung vor Bruch”, so dass ein Überlastung zunächst sichtbar werden sollte, ehe das Bauteil zu Bruch geht. Mit dem zusätzlichen Einsatz von Stahldrähten oder Stahlgeweben in Fahrzeug-Fahrwerks-Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoffmaterial ergibt sich somit eine verbesserte Schadenstoleranz eines erfindungsgemäßen Bauelements bei Impact oder Crash, d. h. bei stoßartiger Belastung. Für den Einsatz in Personenkraftwagen haben sich dabei Stahldrähte mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 250 μm bis 2 mm als gut geeignet herausgestellt und ein Netz oder Gewebe aus solchen Drähten kann eine Machweite in der Größenordnung von 0,05 mm bis 5 mm besitzen.
• Bei einem Fahrzeug-Rad, welches vorzugsweise vollständig, insbesondere jedoch dessen Felge und/oder Speichen in einem erfindungsgemäßen Faserverbundmaterial ausgeführt ist bzw. sind, kommen dessen Vorteile nicht nur bei der Schadenstoleranz hinsichtlich stoßartiger Belastungen zum Tragen, sondern auch bezüglich der Spannungskorrosion sowie der relativen hohen Temperaturen, denen ein Fahrzeug-Rad insbesondere bei Bremsvorgängen ausgesetzt ist. Auch bei einem Fahrzeug-Rad kann aufgrund der mehraxialen Belastung die eigentliche Stärke von Carbonfasern als Verstärkungsfasern nicht ausgenutzt werden, so dass man trotz des ungünstigeren Gewichts im Hinblick auf die weiteren Anforderungen zusätzlich dünne Stahldrähte als Verstärkungsfasern verwendet. Im Vergleich zu reinen metallischen Werkstoffen stellt sich bei einem erfindungsgemäßen Bauelement trotz Verwendung von Stahl für die Verstärkungsfasern eine signifikante Gewichtsreduktion ein.

Claims (2)

1. Bauelement im Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs, insbesondere Rad oder Radträger oder radführender Lenker oder Achsträger, welches zumindest abschnittsweise aus einem faserverstärktem Kunststoffmaterial besteht, wobei neben Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff und/oder Kurzfasern aus Glas und/oder Recyclingmaterial aus einem Faserverbundwerkstoff zusätzlich dünne Stahldrähte vorgesehen sind.
2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im faserverstärkten Kunststoffmaterial ein Stahldraht-Gewebe insbesondere in Form eines Netzes vorgesehen ist.