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Die Erfindung betrifft ein KFZ-Fahrwerksbauteil unter Verwendung eines Kunststoffwerkstoffes zur Kopplung von Bauteilen innerhalb eines Fahrwerks bzw. zur Kopplung an die Karosserie eines Kraftfahrzeuges.
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In zunehmendem Maße ersetzen auch im Fahrwerksbau Kunststoffteile, insbesondere Kunststoffverbundteile, übliche Metallbauteile aufgrund der günstigen Materialeigenschaften wie hohe Korrosionsbeständigkeit und geringes Gewicht. Zur Erhöhung der Festigkeit werden häufig faserverstärkte Kunststoffe (FVK) eingesetzt, insbesondere glasfaserverstärkte, kohlenstofffaserverstärkte oder aramidfaserverstärkte Kunststoffe. Insbesondere bei solchen Anwendungen, bei welchen auf das jeweilige KFZ-Fahrwerksbauteil neben dynamischen Lasteinwirkungen eine konstante Last einwirkt, beispielsweise bei der Gestaltung eines KFZ-Fahrwerksbauteils mit einem vorgespannten Lager, besteht das Problem einer zeitabhängigen, plastischen Verformung des Kunststoffes, was allgemein als Kriechen oder Retardation des jeweiligen Werkstoffes bezeichnet wird. Dieses Kriechen kann im Betrieb dazu führen, dass sich eine Anlenkung des KFZ-Fahrwerksbauteils im Laufe der Zeit löst und das Bauteil damit ausfällt.
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Eine Lösung der beschriebenen Problematik kann darin bestehen, ein Fahrwerksbauteil aus einem Kunststoff mit einem Metallkern zu versehen, über welchen auch die Lastein- bzw. Lastausleitung erfolgt, sodass ein betriebsbedingtes Kriechen des Kunststoffes trotz Vorliegen einer statischen Last über einen längeren Zeitraum im Wesentlichen vermieden werden kann. Eine solche Maßnahme nutzt jedoch nicht in vollem Maße die beschriebenen Vorteile bei der Verwendung von Kunststoffbauteilen, insbesondere in Bezug auf Gewichtsaspekte. Darüber hinaus muss der Metallkern eines solchen KFZ-Fahrwerksbauteils entsprechend der gewünschten geometrischen Gestalt des Bauteils ausgebildet bzw. angepasst werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein KFZ-Fahrwerksbauteil unter Verwendung eines herkömmlichen Kunststoffwerkstoffes bereitzustellen, das die beschriebene Problematik herkömmlicher Kunststoff-Fahrwerksbauteile nicht bzw. nur vermindert aufweist und als hochdynamisch belastbares Fahrwerksbauteil einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe löst die vorliegende Erfindung schon mit einem KFZ-Fahrwerksbauteil mit den Merkmalen von Anspruch 1. Dabei weist das erfindungsgemäße KFZ-Fahrwerksbauteil eine kernfreie, faserverstärkte Kunststoffspritzguss-Koppelstange auf mit zumindest zwei Anlenkbereichen zur jeweiligen Last- bzw. Lastausleitung, wobei die zumindest zwei Anlenkbereiche jeweils einen umfänglich durch Kunststoffumspritzung umschlossenen Metalleinleger umfassen und wobei zumindest einer der Anlenkbereiche ein durch einen der Metalleinleger in Form einer Metallhülse bereitgestelltes Lagerauge mit eingesetztem, in radialer Richtung vorgespanntes Elastomer-Metall-Buchsenlager aufweist.
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Die erfindungsgemäße Gestaltung des KFZ-Fahrwerksbauteils ermöglicht das Vorsehen von faserverstärktem Kunststoff innerhalb der Koppelstange bzw. eines Koppelbereichs zwischen zwei Anlenkabschnitten, in welchen die Lastein- bzw. Lastausleitung erfolgt, sodass in diesem Koppelbereich auf die Verwendung von verstärkenden Inlets wie einem Metallkern verzichtet werden kann. Zur Bereitstellung der notwendigen und trotz Einsatzes eines Lagers mit radialer Vorspannung zeitlich nicht nachlassenden machanischen Festigkeit kann im jeweiligen Anlenkbereich ein Metalleinleger vorgesehen sein, der durch Kunststoffumspritzung umschlossen ist und der damit für die Lasteinleitung bzw. -ausleitung in die Kunststoffspritzguss-Koppelstange bzw. in den Koppelbereich sorgt. Zumindest für einen der wenigstens zwei Anlenkbereiche kann der Metalleinleger als umfänglich geschlossene Metallhülse ausgebildet sein zur Bereitstellung eines Lagerauges, in welches ein radial vorgespanntes Buchsenlager einsetzbar ist, sodass die Metallhülse mit ihrer Innenmantelfläche ein Gegenlager für das radial vorgespannte Lager bereitstellt, ohne dass auf den umgebenden Kunststoff eine das Kriechen des Kunststoffes auslösende statische Kraft einwirkt.
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Weitere erfindungsgemäße Merkmale sind in der allgemeinen Beschreibung, der Figurenbeschreibung, den Zeichnungen sowie den Unteransprüchen angegeben.
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Zweckmäßigerweise kann das Elastomer-Metall-Buchsenlager eine äußere, axial geschlitzte Hülse, beispielsweise eine geschlitzte Metallhülse, aufweisen, welche einen inneren festen Kern, beispielsweise einen Metallkern, und ein zwischen Kern und Hülse angeordneten Elastomerkörper umgibt. Auch der Elastomerkörper kann einen axiale Ausnehmmung aufweisen, die sich radial nach innen erstreckt und die wie der Schlitz der äußeren Hülse durch Aufbringen einer radialen Kraft auf das Lager schließt, wobei das so radial vorgespannte Lager in das Lagerauge einsetzbar ist. Der Elastomerkörper selbst kann zur Einstellung einer vorgegebenen Härte Einleger aufweisen.
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Dadurch, dass der jeweilige Metalleinleger im jeweiligen Anlenkbereich des KFZ-Fahrwerksbauteils umfänglich von Kunststoff umschlossen sein kann, kann eine symmetrische Lastweiterleitung vom jeweiligen Metalleinleger in den vollständig aus Kunststoff bestehenden Koppelstangenabschnitt bzw. die Koppelstange bereitgestellt werden.
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Zur symmetrischen Weiterleitung der von einem Anlenkpunkt innerhalb des Fahrwerks aufgenommenen Last in den Kunststoffspritzguss-Koppelstangenabschnitt kann vorgesehen sein, dass zumindest einer der Metalleinleger als Rotationskörper ausgebildet ist mit einer jeweiligen Außenmantelfläche. Die Außenmantelfläche eines solchen Rotationskörpers kann durch Rotation einer erzeugenden Kurve um eine Rotationsachse gebildet sein.
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Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, dass die Außenmantelfläche eines Einlegers umfänglich über seinen gesamten Umfang, d. h. über einen Vollkreis kunststoffumspritzt ist. Vorzugsweise kann die Außenmantelfläche des Metalleinlegers vollständig kunststoffumspritzt sein, sodass der Einleger – insbesondere bis auf seine beiden Stirnseiten, vollständig im Aufnahmebereich der Kunststoffspritzguss-Koppelstange bzw. des Koppelstangenabschnitts eingebettet ist. Bei dieser Ausführungsform kann die Außenmantelfläche des Einleger über seine gesamte axiale Erstreckung kunststoffumspritzt sein.
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Zur Bereitstellung einer zuverlässigen Krafteinleitung vom jeweiligen Metalleinleger in die Kunststoffspritzguss-Koppelstange kann ein Formschluss und/oder ein Stoffschluss zwischen dem Metalleinleger und dem diesen umgebenden Kunststoff vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Kunststoffumspritzung eines Metalleinlegers, insbesondere die Kunststoffumspritzung der Metallhülse, eine Überkragung der Stirnseiten des Einlegers aufweisen, sodass ein axialer Formschluss zwischen Einleger und Kunststoffspritzguss-Koppelstange bereitgestellt ist. Darüber hinaus kann der Metalleinleger an seiner Außenmantelfläche eine Mikrostrukturierung aufweisen, beispielsweise in der Art einer Riffelung, mit einer Oberflächenstruktruierung oder -rauigkeit im Bereich von beispielsweise einigen 100 μm bis ca. 3 mm zur Bereitstellung eines Formschlusses mit der an seiner Außenmantelfläche anliegenden Kunststoffumspritzung. Eine derartige Oberflächenstrukturierung kann insbesondere bei einem zylindrischen Metalleinleger zweckmäßig sein, insbesondere in Verbindung mit einer schon beschriebenen Überkragung der Stirnseiten des Einlegers durch eine Kunststoffumspritzung.
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Zweckmäßigerweise kann der Aufbau des erfindungsgemäßen KFZ-Fahrwerksbauteils dergestalt sein, dass die Metalleinleger jeweils kunststofffreie Anlageflächen bereitstellen, über welche die Lasteinleitung in das KFZ-Fahrwerksbauteil bzw. die Lastausleitung aus dem KFZ-Fahrwerksbauteil vollständig erfolgt, sodass eine Einlenkung der Kräfte immer über die Metalleinleger in die Kunststoffspritzguss-Koppelstange erfolgt und keine Anlenkung direkt auf den Kunststoff erfolgt.
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In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass zumindest einer der Metalleinleger im Anlenkbereich der Kunststoffspritzguss-Koppelstange eingeklebt ist, insbesondere im Bereich seiner Außenmantelfläche, zweckmäßigerweise umfänglich über seinen gesamten Umfang, d. h. über einen Vollkreis.
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In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass ein Metalleinleger in Bezug auf seine Außenmantelfläche, welche dem Kunststoff der Koppelstange zugewandt ist, eine solche makroskopische Gestaltung, d. h. eine Formgestaltung, wie konkave oder konvexe Form aufweist zur Bereitstellung eines Formschlusses zwischen dem Einleger und dem diesen umgebenden Kunststoff.
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In einer besonderen Ausführungsform kann beispielsweise vorgesehen sein, dass zumindest einer der Metalleinleger die Gestalt von zwei koaxial ausgerichteten und im Bereich ihrer Deckflächen über einen koaxialen, zylindrischen Verbindungsabschnitt verbundene Kegelstümpfe mit einer mittigen Durchgangsbohrung aufweist. Dabei kann der Metalleinleger an seiner Außenmantelfläche vollständig von Kunststoff umspritzt sein, sodass axiale, radiale und kardanische Kräfte durch den beschriebenen Formschluss zwischen Metalleinleger und Kunststoff vom Metalleinleger in die Kunststoffspritzguss-Koppelstange bzw. den Koppelstangenbereich einleitbar sind. Insbesondere um tangentiale Kräfte zwischen Metalleinleger und Kunststoffspritzguss-Koppelstange durch eine Formschlussgestaltung zu übertragen, kann vorgesehen sein, dass der zylindrische Verbindungsabschnitt zwischen den beiden Kegelstümpfen des Metalleinlegers eine Außenmantelfläche mit einer Oberflächenstrukturierung aufweist, beispielsweise eine axial verlaufende Riffelung oder eine andere Mikrostruktruierung, z. B. im Bereich von beispielsweise einigen 100 μm bis ca. 3 mm zwischen.
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Die Erfindung wird im Folgenden durch das Beschreiben einiger Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert, wobei
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1 ein erfindungsgemäß gestaltetes KFZ-Fahrwerksbauteil in einer perspektivischen Ansicht,
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2 das in 1 gezeigte KFZ-Fahrwerksbauteil ohne eingesetztes Buchsenlager in einer Explosionsdarstellung,
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3 das erfindungsgemäße KFZ-Fahrwerksbauteil gemäß 1 ohne eingesetztes Buchsenlager mit einer Wegschneidung im Bereich einer Aufnahme zur Darstellung weiterer Detailgestaltungen,
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4 das KFZ-Fahrwerksbauteil gemäß 1 ohne eingesetztes Buchsenlager mit einer anderen Ausschneidung im Bereich einer weiteren Aufnahme zur Darstellung weiterer Detailgestaltungen,
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5 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen KFZ-Fahrwerksbauteils ohne eingesetztes Buchsenlager mit einer Ausschneidung im Bereich einer Aufnahme zur Darstellung von Details und
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6 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäß gestalteten KFZ-Fahrwerksbauteils ohne eingesetztes Buchsenlager mit einer Ausschneidung im Bereich einer Aufnahme zur Darstellung von Details
zeigt.
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1 stellt eine perspektivische Ansicht auf ein erfindungsgemäß gestaltetes KFZ-Fahrwerksbauteil dar, das eine kernfreie, faserverstärkte Kunststoffspritzguss-Koppelstange 2 umfasst, die jeweils endstämmig eine etwa zylinderförmige Aufnahme 21, 22 bereitstellt. Die Aufnahmen 21, 22 stellen Anlenkbereiche des Bauteils bereit, wobei in der beschriebenen Ausführungsform zwei Einleger 3, 4 in den Aufnahmen angeordnet sind. Das KFZ-Fahrwerksbauteil gemäß 1 ist ein Kunststoffspritzgussteil, bei welchem die Einleger 4, 3 bei der Herstellung der Kunststoffspritzguss-Koppelstange gleichzeitig an ihrer jeweiligen Außenmantelfläche umspritzt werden. In der in 1 angegebenen Ausführungsform sind die beiden Aufnahmen 21, 22 um etwa 90° um die Koppelachse zueinander verdreht, wobei der Einleger 4 als Metallhülse mit zylindrischer Innen- und zylindrischer Außenfläche ausgebildet ist, und wobei deren zylindrische Außenfläche sowohl in Umfangsrichtung als auch in ihrer axialen Erstreckung des Einlegers vollkommen von der Umspritzung abgedeckt ist.
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In der Ausführungsform der 1 ist in den Einleger 4 ein radial vorgespanntes Elastomer-Metall-Buchsenlager 7 eingesetzt, das einen Metallkern 7a, einen am Metallkern 7a anvulkanisierten Elastomerkörper 7b sowie eine äußere, axial geschlitzte Hülse, beispielsweise eine geschlitzte Metallhülse 7c, aufweist. Diese geschlitzte Metallhülse 7c umgreift den innenliegenden Metallkern 7a und den zwischen Kern und Hülse angeordneten Elastomerkörper 7b. Auch der Elastomerkörper weist einen axiale Ausnehmung auf, die sich radial nach innen erstreckt und die sich wie der Schlitz der äußeren Hülse durch Aufbringen einer radialen Kraft auf das Lager schließt, wobei das so radial vorgespannte Lager in das Lagerauge eingesetzt ist. Insofern liegt im zusammengesetzten Zustand des KFZ-Fahrwerksbauteils 1 die Außenmantelfläche der Metallhülse 7c kraftschlüssig an der Innenmantelfläche des hülsenartigen Einlegers 4 an, sodass die radialen Vorspannkräfte des Lagers 7 vollständig vom Einleger 4 aufgenommen werden.
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Dagegen weist in der beschriebenen Ausführungsform der Einleger 3 eine etwa zylinderförmige Gestalt mit einer Mittenbohrung auf, wobei die Außenmantelfläche des Einlegers 3 wiederum vollständig durch die Umspritzung abgedeckt ist.
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Die Kunststoffspritzguss-Koppelstange 2 selbst weist zur Verstärkung eine Rippenstrukturierung umfassend eine Mehrzahl von Längsrippen 23a und Querrippen 23b auf. Wie beschrieben, besteht das Bauteil außerhalb der Aufnahmen 21, 22 vollständig aus spritzgussfähigen faserverstärktem Kunststoff, vorliegend aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff.
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Die Befestigung des KFZ-Fahrwerksbauteils 1 an anderen KFZ-Fahrwerksbauteilen bzw. der Karosserie des KFZ erfolgt über den Metallkern 7a und den Einleger 3.
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2 zeigt das KFZ-Fahrwerksbauteil 1 gemäß 1 ohne Buchsenlager in Art einer Explosionsdarstellung, bei welcher die Einleger 3, 4 zur Darstellung weiterer Details entfernt zur Koppelstange 2 und jeweils ausgerichtet zur jeweiligen Aufnahme 21, 22 dargestellt sind. Erkennbar ist der Einleger 4 durch angespritzte Überkragungen 25a, 25b in der Aufnahme 22 in axialer Richtung formschlüssig gehalten, sodass das KFZ-Fahrwerksbauteil auch zur Aufnahme von axial, hier etwa senkrecht zur Achse der Koppelstange 2, verlaufenden Kräften ausgebildet ist.
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Die Metallhülse 4 ist ausgebildet zur Aufnahme eines in radialer Richtung, d. h. senkrecht zur Achse der Aufnahme vorgespannten Elastomer-Metall-Buchsenlagers. Dieses Buchsenlager kann in einer Ausführungsform eine äußere metallene, geschlitzte Buchsenhülse umfassen. Nach Aufbringung einer Vorspannung auf das Lager kann dieses dann in den Einleger 4 eingesetzt werden. und liegt mit seiner Außenhülse an der Innenmantelfläche 42 des Einlegers 4 an.
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In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann der als geschlossene Hülse ausgebildete Einleger 4 an seiner Außenmantelfläche 41 auch eine Strukturierung, beispielsweise eine Riffelung oder mit einer Längskomponente sich erstreckende Rillen aufweisen, sodass durch die Umspritzung des Einlegers beim Herstellvorgang der Koppelstange 2 auch in Umfangsrichtung ein Formschluss zwischen dem Einleger 4 und der die Aufnahme 22 festlegende Wandung der Koppelstange 2 ausgebildet ist.
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In der beschriebenen Ausführungsform ist der Einleger 3, welcher in der Aufnahme 21 der Koppelstange 2 kunststoffumspritzt ist, zur starren Anlenkung an ein anderes KFZ-Fahrwerksbauteil bzw. an die Karosserie des Fahrzeuges ausgebildet. Der Einleger 3 ist etwa zylinderförmig gestaltet mit konkaver Außenmantelfläche 33, sodass durch dessen Umspritzung beim Herstellvorgang der Koppelstange 2 ein besonders belastbarer Formschluss in axialer Richtung zwischen der Kunststoffspritzguss-Koppelstange und dem Einleger 3 bereitgestellt werden kann. Der Einleger 3 hat in der beschriebenen Ausführungsform etwa die Gestalt von zwei koaxial ausgerichteten und im Bereich ihrer Deckflächen über einen koaxialen, zylindrischen Verbindungsabschnitt verbundene Kegelstümpfe, wobei der Verbindungsabschnitt bzw. axiale Mittenabschnitt 32 des Einlegers 3 an seiner Außenfläche etwa axial verlaufende Rippen oder Rillen aufweist zur Vermeidung einer relativen Verdrehung des Einlegers 3 zur Koppelstange 2, sodass auch dieser beschriebene Anlenkbereich des KFZ-Fahrwerksbauteils torsionale bzw. tangential zur Aufnahme 21 verlaufende Belastungen aufnehmen kann.
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3 zeigt das KFZ-Fahrwerksbauteil 1 ohne eingesetztes Buchsenlager mit einer Ausschneidung im Bereich der Aufnahme 21, sodass die Einbettung des Einlegers 3 in der Aufnahme 21 im Detail ersichtlich ist. Die Aufnahme 21 weist im Bereich der Außenmantelfläche 33 des Einlegers durch die Umspritzung eine komplementäre Innenfläche der Wandung 26 auf. Die Umspritzung umfasst darüber hinaus an den beiden Stirnseiten des Einlegers 3 vollumfänglich umlaufende Überkragungen oder Flansche 24a, b.
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In ähnlicher Weise zeigt 4 durch eine Wegschneidung im Bereich der Aufnahme 22 die Anordnung des als Metallhülse ausgebildeten Einlegers 4 in der Aufnahme 22. Entsprechend der zylindrischen Außenmantelfläche 41 ist die Innenfläche der Wandung 22 angespritzt, wobei der Einleger 4 an seinen beiden Stirnseiten durch Überkragungen oder Flansche 25a, b übergriffen ist.
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Die 5 und 6 zeigen weitere Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen KFZ-Fahrwerksbauteils jeweils ohne eingesetztes Buchsenlager, bei welchen im Vergleich zum Fahrwerksbauteil der vorstehenden Figuren statt des Einlegers 3 andere Einleger 5, 6 in der Aufnahme 21 angeordnet sind, deren Außenmantelfläche zylinderförmig gestaltet sind. Bei der Ausführungsform gemäß 5 ist die Außenmantelfläche des Einlegers 6 zylinderförmig und nicht strukturiert, wobei zur Übertragung der Betriebskräfte zwischen dem Einleger 6 und der Koppelstange 2 beide miteinander verklebt sind, d. h. es liegt ein Stoffschluss zwischen der äußeren Mantelfläche 63 des Einlegers 6 und der dort anliegenden und geschlossenen Innenfläche der Wandung 26 der Koppelstange 2 vor. Bei der Ausführungsform gemäß 6 weist die an sich zylindrische Außenmantelfläche 53 des Einlegers 5 eine Mikrostrukturierung im Bereich von 1 mm bis ca. 3 mm auf, derart, dass durch die Umspritzung beim Herstellungsprozess der Koppelstange 2 zur Gestaltung des Fahrwerksbauteils 1 ein Formschluss zwischen dem Einleger 5 und der Wandung 26 der Koppelstange 2 sowohl in axialer als auch in tangentialer Richtung zur Aufnahme 21 ausgebildet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- KFZ-Fahrwerksbauteil
- 1'
- KFZ-Fahrwerksbauteil ohne radial vorgespanntes Buchsenlager
- 2
- Koppelstange
- 3, 4, 5, 6
- Einleger
- 7
- Elastomer-Metall-Buchsenlager
- 7a
- Lagerkern
- 7b
- Elastomerkörper
- 7c
- geschlitzte Außenhülse
- 21, 22
- Aufnahme
- 23
- Rippenstrukturierung
- 23a
- Längsrippe
- 23b
- Querrippe
- 24a, b
- Überkragung, Flansch
- 26a, b
- Überkragung, Flansch
- 26, 27
- Wandung
- 31
- Mittenloch
- 32
- Axialer Mittenabschnitt
- 33
- Konkave Mantelfläche
- 41
- Außenmantelfläche
- 42
- Innenmantelfläche
- 43
- Stirnfläche
- 51
- Mittenloch
- 53
- Außenmantelfläche
- 61
- Mittenloch
- 63
- Außenmantelfläche
