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Die Erfindung betrifft ein Kunststoff-Bauteil für eine Betätigungseinrichtung eines Kraftfahrzeug-Gangwechselgetriebes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Gattungsgemäße Bauteile sind als Komponenten von Kfz-Schaltvorrichtungen verbreitet, beispielsweise als Gehäusebestandteile, Kraftübertragungsmittel oder funktionale Bauteile. Dabei besteht insbesondere eine Anforderungskombination aus möglichst geringer Masse und hoher Belastbarkeit bzw. Bauteilsteifigkeit. Diese Anforderungen sollen häufig zudem in unterschiedlichen Temperaturbereichen, insbesondere auch bei besonders niedrigen ebenso wie bei hohen Temperaturen erfüllt werden.
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Aus dem Stand der Technik sind Kunststoff-Strukturbauteile bekannt, bei denen versucht wird, die genannten Anforderungen beispielsweise durch belastungsoptimierte Verrippungen, oder durch eingeformte Einleger zu erfüllen.
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Die
DE 10 2008 032 202 A1 beschreibt Gehäuseteile einer Kraftfahrzeug-Schaltvorrichtung, die aus glasfaserverstärktem Polyamid hergestellt sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kunststoff-Bauteil für eine Betätigungseinrichtung eines Kraftfahrzeug-Gangwechselgetriebes bereitzustellen, das eine hohe Steifigkeit und Belastbarkeit bei gleichzeitig geringer Bauteilmasse bietet.
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Diese Aufgabe wird durch ein Kunststoff-Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung sieht ein Kunststoff-Bauteil für eine Betätigungseinrichtung eines Kraftfahrzeug-Gangwechselgetriebes vor, wobei das Kunststoff-Bauteil einen Kunststoff-Grundkörper und ein, aus einem Kunststoff mit Faserverstärkung gebildetes, Verstärkungsteil aufweist und der Kunststoff-Grundkörper starr mit dem der Verstärkung desselben dienenden Verstärkungsteil verbunden ist.
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Kunststoff-Bauteile für Betätigungseinrichtungen von Kraftfahrzeug-Gangwechselgetrieben sind beispielsweise Schalt- bzw. Wählhebel, Gehäuseteile, Abdeckungen, Konsolen mit oder ohne Lagereinrichtungen und Bauteile, die für die Rastierung der Schalt- bzw. Wählhebel erforderlich sind. Die Gehäuseteile und Abdeckungen können mit Durchbrüchen versehen sein, beispielsweise zur Durchführung der Schalt- bzw. Wählhebel.
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Das Kunststoff-Bauteil ist durch die starre Verbindung des Verstärkungsteils und des Kunststoff-Grundkörpers vorzugsweise in denjenigen Bereichen verstärkt, in denen Kräfte eingeleitet, übertragen bzw. ausgeleitet werden müssen.
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Unter einem Kunststoff mit Faserverstärkung ist in Bezug auf die vorliegende Erfindung eine Matrix aus thermoplastischem Kunststoff zu verstehen, in die Verstärkungsfasern eingebettet sind. Die Fasern können dabei nur in einer Richtung orientiert oder rechtwinklig zueinander als Gewebe angeordnet sein. Bei den Fasern kann es sich um als Glasfasern, Aramidfasern oder Carbonfasern handeln.
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Der Kunststoff-Grundkörper und die Matrix des Verstärkungsteils bestehen vorzugsweise aus dem gleichen Material. Es eignen sich hierfür beispielsweise Polyamide (PA), insbesondere Polyamid 6, Polypropylen (PP), Polyetheretherketon (PEEK) und Polyethersulfon (PES).
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Als Ausgangsmaterial bzw. Rohling für das Verstärkungsteil kann beispielsweise ein in Form von faserverstärkten Platten aus thermoplastischen Kunststoffen vorliegendes Halbzeug, sogenannte Prepegs, verwendet, welche nach Erwärmung umgeformt werden können, und die anschließend aufgrund der Faserverstärkung ähnliche Steifigkeiten und eine ähnliche Belastbarkeit wie metallische Bauteile erreichen, dabei jedoch eine erheblich niedrigere Masse als die letzteren aufweisen. Ohne Verlust an notwendiger Verwindungssteifigkeit können durch die Erfindung Kunststoff-Bauteile für Betätigungseinrichtungen in Leichtbauweise bereitgestellt werden, die eine weitere Gewichtsreduzierung im Vergleich zum Einsatz von Vollmaterial, d.h. beispielsweise reine Kunststoff-Spritzgussteile, gestatten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Verstärkungsteil aus einem Kunststoff mit Endlosfaserverstärkung gebildet.
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Unter dem Begriff „Endlosfaserverstärkung“ ist gemäß der Erfindung eine Verstärkung mit Fasern zu verstehen, deren ununterbrochene Länge dieselbe Größenordnung bzw. Längenerstreckung wie das Verstärkungsteil selbst aufweist. Dies dient zur Unterscheidung des Begriffs der "Endlosfaserverstärkung" von der sogenannten "Kurzfaserverstärkung" oder "Langfaserverstärkung", bei der die Länge der Fasern üblicherweise nur Bruchteile von Millimetern bis maximal einige Millimeter beträgt.
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Auf diese Weise ergibt sich eine Verstärkung für das Kunststoff-Bauteil, welche aufgrund der Herstellung des Verstärkungsteils aus einem endlosfaserverstärkten Kunststoffhalbzeug einerseits kostengünstig hergestellt werden kann, und andererseits zu einem geringen Bauteilgewicht des Kunststoff-Bauteils führt. Dies hängt damit zusammen, dass die zuvor beschriebenen plattenförmigen Kunststoffhalbzeuge aus faserverstärktem thermoplastischem Kunststoff ein sehr gutes Verhältnis aus Festigkeit und Steifigkeit jeweils bezogen auf ihr Gewicht bzw. ihre Dichte aufweisen, insbesondere, wenn die Fasern als Endlosfasern ausgeführt sind.
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Gemäß einer ersten Alternative ist das Verstärkungsteil vollständig in den Kunststoff-Grundkörper eingebettet. Auf diese Weise ist keine besondere Behandlung der Schnittkanten des Verstärkungsteils, beispielsweise zur Vermeidung von Schnittverletzungen, die aufgrund von aus dem Kunststoff-Grundkörper herausragenden Teilen des Verstärkungsteils entstehen könnten, erforderlich. Darüber hinaus gestaltet sich die Fertigstellung der Oberfläche des Kunststoff-Bauteils einfacher, weil lediglich eine Oberflächenstruktur, nämlich die des Kunststoff-Grundkörpers, zu berücksichtigen ist.
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Gemäß einer zweiten Alternative ist das Verstärkungsteil lediglich bereichsweise mit dem Kunststoff-Grundkörper verbunden. Durch diese Ausführungsform kann eine weitere Gewichtsreduzierung des Kunststoff-Bauteils erfolgen, beispielsweise indem lediglich die Randbereiche des Verstärkungsteils mit dem Kunststoff-Grundkörper verbunden sind. Die Verbindung zwischen dem Verstärkungsteil und dem Kunststoff-Grundkörper kann dabei formschlüssig erfolgen. Dies lässt sich beispielsweise über Durchbrüche oder randseitige Ausklinkungen im Verstärkungsteil, die von dem Kunststoff-Grundkörper durchgriffen werden, erreichen.
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Vorteilhaft ist es, das Verstärkungsteil stoffschlüssig mit dem Kunststoff-Grundkörper zu verbinden. Aufgrund der stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Verstärkungsteil und dem Kunststoff-Grundkörper ergibt sich ein optimaler Kraftfluss zwischen den beiden Fügepartnern. Die mechanischen Eigenschaften, die Steifigkeit und die Festigkeit des Kunststoff-Bauteils werden hierdurch deutlich verbessert. Voraussetzung für einen guten Stoffschluss ist, dass der Matrix-Werkstoff des Verstärkungsteils und das Material des Kunststoff-Grundkörpers identisch sind.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist das Verstärkungsteil durch zumindest bereichsweises Umspritzen desselben mit dem Kunststoff-Grundkörper verbunden. Auf diese Weise ist das Verstärkungsteil zusätzlich zu dem mit der Umspritzung gegebenen Formschluss auch stoffschlüssig mit dem Kunststoff-Grundkörper verbunden. Beim Spritzgießen sind die Prozessparameter, insbesondere die Temperaturführung, auf die beiden Fügepartner abzustimmen, um eine optimale Verbindung zwischen dem Verstärkungsteil und dem Kunststoff-Grundkörper zu erhalten.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Kunststoff-Grundkörper zumindest bereichsweise mit Verrippungen oder Versteifungen versehen. Die notwendige bzw. gewünschte Verwindungssteifigkeit wird durch die Formgebung des Kunststoff-Grundkörpers, beispielsweise mit Verstärkungsrippen, und / oder die Materialdicken, die über die Erstreckung des Kunststoff-Grundkörpers auch variieren können und somit quasi wie örtliche Versteifungen wirken, eingestellt. In Bereichen, in denen Bauteilbereiche winkelig aufeinander treffen, kann im Kehlbereich durch eine, im Querschnitt betrachtet, dreieckförmige Materialanhäufung eine Versteifung zur Erhöhung der Biegesteifigkeit erreicht werden. Insbesondere wenn das Kunststoff-Bauteil schalenförmig aufgebaut ist, lässt sich durch in den Kunststoff-Grundkörper eingebrachte Verstärkungsstrukturen, bevorzugt in Rippenform, eine Leichtbauweise erreichen, die in Bezug auf die Steifigkeitseigenschaften mit einer massiven Ausführung vergleichbar ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Verstärkungsteil profiliert ausgeführt. Auf diese Weise kann die Bauteilsteifigkeit des Kunststoff-Bauteils durch einen relativ geringen Materialeinsatz im Verhältnis zu der bei einer massiven Ausführung erforderlichen Materialmenge erhöht werden. Hierdurch werden Bauraumbedarf ebenso wie Materialverbrauch und Gewicht des Kunststoff-Bauteils in vorteilhafter Weise weiter minimiert. In vom Bauraum her kritischen Bereichen kann auf diese Weise erreicht werden, dass eine Umschließung des Verstärkungsteils durch den Kunststoff-Grundkörper nur in geringem Maße erforderlich ist oder sogar komplett darauf verzichtet werden kann. Durch die Profilierung lässt sich das Verstärkungsteil spezifisch an den zu erwartenden Kraftfluss im Kunststoff-Bauteil anpassen, und es lassen sich auch geometrisch komplexe Verstärkungsteile darstellen. Die Profilierung, ebenso wie der Beschnitt der Verstärkungsanordnung, kann dabei mit sehr geringem Werkzeugaufwand und damit geringen Kosten unter leichter Erwärmung des plattenförmigen Halbzeugs erfolgen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Profilierung durch einen Umformprozess hergestellt ist. Dies hat gegenüber einer durch Zerspanen aus dem Vollen hergestellten Ausführung den Vorteil, dass die maßgeblich für die Erhöhung der Bauteilsteifigkeit erforderlichen Fasern nicht durchtrennt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Profilierung durch Biegen oder Abkanten. Es ist ebenfalls vorstellbar, die gewünschte Geometrie des Verstärkungsteils durch Tiefziehen herzustellen. Dies ist allerdings vom Grad der Umformung her nur zweckmäßig, solange die Verstärkungsfasern auch nach dem Tiefziehvorgang noch regelmäßg in dem Verstärkungsteil verteilt sind. Dabei ist das möglicherweise unterschiedliche Fließverhalten des thermoplastischen Matrixmaterials des Verstärkungsteils und des Fasermaterials während des Tiefziehvorgangs zu beachten. Die Profilierung erfolgt nach vorheriger Erwärmung des plattenförmigen Ausgangsmaterials des Verstärkungsteils. Die Erwärmung kann beispielsweise in Induktionsöfen, durch Infrarotstrahlung oder durch elektrische Widerstandsheizungen erfolgen.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Material des Kunststoff-Grundkörpers Kurz- oder Langfasern zur Verstärkung enthält. Auf diese Weise erhält das Kunststoff-Bauteil insgesamt eine größere Steifigkeit, wobei gleichzeitig die Steifigkeitssprünge zwischen dem Material des Kunststoff-Grundkörpers und dem Endlosfasern enthaltenden Verstärkungsteil geringer ausfallen. Dies kommt nicht nur einer besseren Krafteinleitung in das Kunststoff-Bauteil, sondern auch einer erhöhten Lebensdauer des Kunststoff-Bauteils zugute.
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Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung des Kunststoff-Bauteils vorgeschlagen bei dem das in seiner Geometrie fertiggestellte Verstärkungsteil in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt und anschließend vollständig oder bereichsweise umspritzt wird. Das durch Biegen, Abkanten und / oder Tiefziehen zwei- bzw. dreidimensional warmumgeformte Verstärkungsteil wird dabei in die Werkzeugform, auch Kavität genannt, eingelegt und dort durch geeignete Bauteilaufnahmen fixiert. Die Einstellung der stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem eingelegten Verstärkungsteil und dem eingespritzten Material des Kunststoff-Grundkörpers erfolgt über die Prozessparameter, insbesondere Materialtemperaturen und Werkzeugtemperatur sowie die Druckverhältnisse während des Spritzvorgangs. Das Verstärkungsteil wird vorzugsweise im erwärmten Zustand in die Spritzgussform eingelegt. Hierdurch ist die Oberfläche des thermoplastischen Matrix-Werkstoffs des Verstärkungsteils beim Spritzgussvorgang bereits angeschmolzen und kann sich stoffschlüssig mit dem vorzugsweise gleichartigen Material des Kunststoff-Grundkörpers verbinden, wodurch sich ein einstückiges, hochfestes Kunststoff-Bauteil mit kraftflussgerechter Gestaltung erzeugen lässt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird zur Fertigstellung des Verstärkungsteils dieses vor dem Einlegen in das Spritzgusswerkzeug zumindest örtlich umgeformt und / oder beschnitten. Vor dem Umformen und / oder Beschneiden wird das entsprechende Ausgangsmaterial erwärmt bzw. angewärmt. Dies kann beispielsweise mittels Infrarotstrahlung erfolgen. Die Umformung in die gewünschte Bauteilgeometrie erfolgt in entsprechenden Werkzeugen. Es kann zweckmäßig sein, die Randbereiche des Ausgangsmaterials während des Umformvorgangs zur Vermeidung unerwünschter Faltenbildung durch einen Niederhalter einzuspannen. Vor einer Weiterverarbeitung des auf diese Weise entstandenen Vorformlings z.B. durch Umspritzen nach dem zuvor beschriebenen Verfahren zu dem Kunststoffteil-Bauteil kann es erforderlich sein, den Rand des Vorformlings noch zu beschneiden, um das fertige Verstärkungsteil zu erhalten. Bei Verwendung eines Niederhalters wird im Wesentlichen der während des Umformprozesses durch den Niederhalter beaufschlagte Bereich des Vorformlings den Beschnittabfall darstellen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand lediglich Ausführungsbeispiele darstellender Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
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1: in isometrischer Darstellung eine Ausführungsform für einen Kunststoff-Grundkörper mit eingeformtem Verstärkungsteil;
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2: das Verstärkungsteil für den Kunststoff-Grundkörper gemäß 1;
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3: den Kunststoff-Grundkörper gemäß 1 in einer Seitenansicht mit Schnittverläufen;
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4: den Schnitt A-A durch den Kunststoff-Grundkörper gemäß 3;
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5: den Schnitt B-B durch den Kunststoff-Grundkörper gemäß 3;
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6: eine weitere Ausführungsform eines Kunststoff-Grundkörpers mit eingeformtem Verstärkungsteil;
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7: den Schnitt A-A durch den Kunststoff-Grundkörper gemäß 6;
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8: den Schnitt B-B durch den Kunststoff-Grundkörper gemäß 6;
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9: eine weitere Ausführungsform eines Kunststoff-Grundkörpers mit eingeformtem Verstärkungsteil;
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10: den Kunststoff-Grundkörper gemäß 9 in einer Schnittdarstellung; und
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11: das Verstärkungsteil für den Kunststoff-Grundkörper gemäß 9.
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1 zeigt einen Kunststoff-Grundkörper in Form einer Gehäusehälfte 1 für die Betätigungseinrichtung eines Kraftfahrzeuggetriebes. Man erkennt, dass die Gehäusehälfte 1 im Sinne des Leichtbaus und der Steifigkeit zunächst mit einer Vielzahl von Verrippungen versehen ist. Zusätzlich enthält die dargestellte Gehäusehälfte 1 das aus 2 ersichtliche Verstärkungsteil 2, wobei das Verstärkungsteil 2 in die Wandungen der Gehäusehälfte 1 eingeformt ist.
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Das in 2, dargestellte Verstärkungsteil 2 ist aus einem zunächst flachen Zuschnitt eines plattenförmigen, thermoplastischen Kunststoffhalbzeugs entstanden. Das Kunststoffhalbzeug enthält dabei (in der Zeichnung nicht dargestellte) Endlosfasern, beispielsweise Glasfasern, Carbonfasern oder Aramidfasern, wobei die Endlosfasern zusätzlich entsprechend der im späteren Einsatz zu erwartenden Haupt-Kraftverläufe spezifisch ausgerichtet sind.
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Das Verstärkungsteil 2 gemäß 2 ist zudem dreidimensional geformt bzw. mehrfach abgekantet, so dass sich eine den Wandungen der Gehäusehälfte 1 gemäß 1 entsprechende Formgebung des Verstärkungsteils 2 ergibt.
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Aus den 3 bis 5 geht hervor, wie die verschiedenen Bereiche des Verstärkungsteils 2 gemäß 2 in die Wandungen der Gehäusehälfte 1 integriert sind. In den Schnittdarstellungen gemäß 4 und 5 erkennt man, dass Bereiche des Verstärkungsteils 2 mittels allseitiger Umspritzung in die Gehäusehälfte 1 eingeformt sind. Auf diese Weise ergibt sich ein besonders inniger Formschluss und ggf. auch Stoffschluss zwischen dem Verstärkungsteil 2 und dem Matrixwerkstoff der Gehäusehälfte 1.
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Die 6 bis 8 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kunststoff-Grundkörpers 1 mit eingeformtem Verstärkungsteil 2. In den 6 bis 8 handelt es sich bei dem Kunststoff-Grundkörper um einen Wählhebel 3 für die Betätigungseinrichtung eines Kraftfahrzeuggetriebes. Der Wählhebel 3 weist gemäß 6 einen Krafteinleitungsbereich 4, einen Verbindungsbereich 5 sowie einen Kraftausleitungsbereich 6 auf, wobei sich das gemäß 7 und 8 in den Wählhebel 3 eingeformte Verstärkungsteil 2 über Krafteinleitungsbereich 4, Verbindungsbereich 5 und Kraftausleitungsbereich 6 erstreckt, und somit einer verformungsarmen Kraftübertragung zwischen Krafteinleitungsbereich 4 und Kraftausleitungsbereich 6 dient.
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Bei der dargestellten Ausführungsform liegt das Verstärkungsteil 2 in Form eines zylindrischen Rohres vor, welches allseitig vom Matrixwerkstoff des Wählhebels 3 umspritzt ist. Auf diese Weise lässt sich ein Wählhebel 3 darstellen, welcher schlank und dünnwandig und damit bauraum- und gewichtssparend ausgeführt werden kann.
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Die 9 bis 11 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kunststoff-Grundkörpers 1 mit eingeformtem Verstärkungsteil 2 aus einem plattenförmigen, thermoplastischen Kunststoffhalbzeug mit Endlosfaserverstärkung. Der Kunststoff-Grundkörper ist in dieser Ausführungsform als Längsschieber 7 für eine Betätigungseinrichtung eines Kraftfahrzeug-Gangwechselgetriebes ausgebildet.
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Dabei zeigen 9 und 10 den Längsschieber 7 (10 im teilweisen Schnitt), während 11 das Verstärkungsteil 2 zeigt, welches in den Längsschieber 7 gemäß 9 und 10 eingeformt ist.
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Man erkennt, dass das Verstärkungsteil 2 gemäß 11 aus einem ursprünglich plattenförmigen Halbzeug besteht. Dabei handelt es sich wieder um ein thermoplastisches Kunststoffhalbzeug mit (nicht dargestellten) Endlosfasern, die in den Matrixwerkstoff des Kunststoffhalbzeugs des Verstärkungsteils 2 eingebettet sind.
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Durch die Abkantungen des Verstärkungsteils 2 ergibt sich ein optimierter Kraftfluss und eine hohe Steifigkeit zwischen den verschiedenen Bauteilbereichen des Längsschiebers 7 gemäß 9, in denen die Krafteinleitung bzw. die Kraftausleitung erfolgt. Insbesondere erfährt der gabelförmige Bereich 8 des Längsschiebers 7 durch das in diesem Bereich einen U-förmigen Biegebalken 8' bildende Verstärkungsteil 2, die gemäß der Schnittdarstellung in 10 in den gabelförmigen Bereich 8 eingeformt ist, eine erhebliche Erhöhung der Biegesteifigkeit bzw. Steifigkeit gegen Aufweitung des gabelförmigen Bereichs 8.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kunststoff-Grundkörper, Gehäusehälfte
- 2
- Verstärkungsteil
- 3
- Wählhebel
- 4
- Krafteinleitungsbereich
- 5
- Verbindungsbereich
- 6
- Kraftausleitungsbereich
- 7
- Längsschieber
- 8, 8'
- gabelförmiger Bereich, Biegebalken-Bereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008032202 A1 [0004]
