DE102017206536A1

DE102017206536A1 - Lineare Expansionsreduktion von Metallkomponent-Baugruppen unter Verwendung von Verbundstoffen

Info

Publication number: DE102017206536A1
Application number: DE102017206536.2A
Authority: DE
Inventors: Hamid G. Kia; Bradley A. Newcomb
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-04-28
Filing date: 2017-04-18
Publication date: 2017-11-02
Anticipated expiration: 2037-04-19
Also published as: US10001209B2; US20170314668A1; DE102017206536B4; CN107339325A; CN107339325B

Abstract

Es werden Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe, z. B. einer Lagerbaugruppe für ein Fahrzeug zur Verfügung gestellt, die eine reduzierte Wärmeausdehnung in eine lineare Richtung aufweist sowie Verfahren zur Minimierung linearer Wärmeausdehnung in einer Baugruppe. Die Baugruppe hat mindestens zwei Komponenten mit deutlich unterschiedlichen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CLTE). Die Baugruppe hat ein leichtgewichtiges planares Metallbauteil (z. B. ein Gehäuse) mit einer ersten CLTE, eine zweite Komponente (z. B. ein Lagerbauteil) mit einer zweiten CLTE und einen polymeren Verbundwerkstoff mit einer dritten CLTE. Die erste CLTE ist größer als die zweite CLTE. Die dritte CLTE ist kleiner als oder gleich die/der zweite(n) CLTE, sodass die am ersten planaren Metallbauteil montierte polymere Verbundstruktur die Wärmeausdehnung des ersten planaren Metallbauteils in zumindest eine lineare Richtung reduziert und die Spalttrennung der zweiten Oberfläche des ersten planaren Metallbauteils von der zweiten Komponente minimiert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf die Minimierung der unterschiedlichen Wärmeausdehnung bei Leichtmetallkomponenten in mindestens eine lineare Richtung durch die strategische Nutzung polymerer Verbundwerkstoffe, beispielsweise durch die Einbringung polymerer Verbundwerkstoffe in automobilen Lagerbaugruppen mit leichtgewichtigen Metallkomponenten.
HINTERGRUND
Der folgende Abschnitt bietet Hintergrundinformationen zur vorliegenden Offenbarung, wobei es sich nicht notwendigerweise um den Stand der Technik handelt.
Die Gewichtsreduzierung zur Kraftstoffeinsparung in Fahrzeugen hat die Verwendung verschiedener leichtgewichtiger Metalle gefördert, wie z. B. Aluminium und Magnesium. Obgleich die Verwendung solcher Leichtmetalle der Reduzierung des Gesamtgewichts dient und generell die Kraftstoffeffizienz verbessert, haben diese Metalle im Vergleich zu konventionellem Stahl oder keramischen Materialien relativ hohe lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten. In Baugruppen von Komponenten kann die Verwendung solcher Leichtmetalle unter bestimmten thermischen Betriebsbedingungen und bezogen auf benachbarte Komponenten mit niedrigeren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie Stahl oder Keramik, eine ungleiche Wärmeausdehnung verursachen.
Bei bestimmten Anwendungen, speziell bei Antriebssträngen und Lagerbaugruppen, sorgen entsprechende Vorspannung und Spielraum innerhalb der Lagerbaugruppe für die Wahrung von Wirkungsgrad der Leistungsfähigkeit, während ungleiche Wärmeausdehnung Drehverluste und somit eine Verminderung von Leistung und Kraftstoffeffizienz verursachen kann. In der Vergangenheit wurden verschiedene Komponenten von Lagerbaugruppen, darunter das Gehäuse und auch das Lager selbst, aus ähnlichen Materialien gebaut, wie Stahl oder Keramik, die ähnliche lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Dadurch führten Temperaturschwankungen beim Fahrzeugbetrieb für konventionelle Systeme mit Materialien, die ähnliche lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, in Lagerbaugruppen oder anderen Baugruppen nicht zu nennenswerten volumetrischen Änderungen mit Auswirkungen auf Vorspannung bzw. Spielraum.
Während die Verwendung leichter Metallbauteile die Möglichkeit einer verbesserten Kraftstoffeinsparung aufgrund von Gewichtsreduzierung bietet, führt die Varianz und Inkonsistenz von Lagerspielräumen durch erhebliche Unterschiede bei den linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten potenziell zu deutlichen Drehverlusten und anderen Formen verringerter Leistungsfähigkeit. Insbesondere haben Automobilsysteme verschiedene planare Bauteile aus Leichtmetall (mit relativ hohen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten) neben anderen Komponenten aus konventionellen Materialien (mit niedrigeren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten), dadurch ergibt sich eine ungleiche Wärmeausdehnung der einzelnen planaren Komponenten im Automobilsystem. Dadurch entsteht bei Systemen mit verschiedenen planaren Komponenten aus Leichtmetallen, wie auch anderen Komponenten aus konventionellen Materialien, der Wunsch nach Systemen und Verfahren zur Verminderung der Wärmeausdehnung in zumindest eine lineare Richtung, um so die lineare Wärmeausdehnung zu regulieren und Wirkungsgrad und Kraftstoffeffizienz weiter zu verbessern.
ZUSAMMENFASSUNG
Dieser Abschnitt stellt eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung bereit und ist keine vollständige Offenbarung des vollen Schutzumfangs oder aller Merkmale.
Für bestimmte Aspekte stellt die vorliegende Offenbarung Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe mit reduzierter Wärmeausdehnung in eine lineare Richtung zur Verfügung, die aus mindestens zwei Komponenten mit deutlich unterschiedlichen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht. Das Verfahren kann aus der Bildung von einer oder mehreren mechanischen Verzahnung(en) entlang einzelner, diskontinuierlicher Bereiche eines ersten planaren Metallbauteils mit einer ersten Oberfläche und einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche und einer ersten linearen Wärmeausdehnung (CLTE) bestehen. Die zweite Fläche des ersten planaren Metallbauteils befindet sich in der Nähe einer zweiten Komponente mit einer zweiten CLTE. Das Verfahren kann weiterhin die Montage einer polymeren Verbundstruktur mit einer dritten CLTE am ersten planaren Metallbauteil mittels der einen oder mehreren mechanischen Verzahnung(en) des ersten planaren Metallbauteils umfassen. Die erste CLTE ist größer als die zweite CLTE, während die dritte CLTE kleiner als die oder gleich der zweite(n) CLTE ist. Die am ersten planaren Metallbauteil montierte polymere Verbundstruktur reduziert die Wärmeausdehnung des ersten planaren Metallbauteils in zumindest eine lineare Richtung und minimiert die Spalttrennung der zweiten Oberfläche des ersten planaren Metallbauteils von der zweiten Komponente.
Für bestimmte Aspekte liefert die vorliegende Offenbarung Verfahren zur Minimierung der Wärmeausdehnung in eine lineare Richtung einer Fahrzeugbaugruppe mit mindestens zwei Komponenten mit deutlich unterschiedlichen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Das Verfahren kann die Montage einer polymeren Verbundstruktur über eine oder mehrere mechanische Verzahnung(en) entlang einzelner, diskontinuierlicher Bereiche des ersten planaren Metallbauteils enthalten. Das erste planare Metallbauteil definiert eine erste Oberfläche und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche. Die zweite Oberfläche des ersten planaren Metallbauteils befindet sich in der Nähe einer zweiten Komponente. Das erste planare Metallbauteil hat eine erste CLTE, die zweite Komponente eine zweite CLTE und die polymere Verbundstruktur eine dritte CLTE. Die erste CLTE ist größer als die zweite CLTE, während die dritte CLTE kleiner als die oder gleich der zweite(n) CLTE ist. Die am ersten planaren Metallbauteil montierte polymere Verbundstruktur reduziert die Wärmeausdehnung des ersten planaren Metallbauteils in zumindest eine lineare Richtung und minimiert die Spalttrennung der zweiten Oberfläche des ersten planaren Metallbauteils von der zweiten Komponente.
Für andere Aspekte stellt die vorliegende Offenbarung eine Baugruppe für ein Fahrzeug mit mindestens zwei Komponenten zur Verfügung, die deutlich unterschiedliche lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Die Baugruppe schließt eine polymere Verbundstruktur ein, die über eine oder mehrere mechanische Verzahnung(en) entlang einzelner, diskontinuierlicher Bereiche des ersten planaren Metallbauteils montiert ist. Das erste planare Metallbauteil definiert eine erste Oberfläche und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche. Eine zweite Komponente befindet sich in der Nähe der gegenüberliegenden zweiten Oberfläche. Das erste planare Metallbauteil weist eine erste lineare Wärmeausdehnung (CLTE) größer oder gleich ungefähr 20 × 10^–6/°C auf. Die zweite Komponente hat eine zweite CLTE weniger als oder gleich etwa 20 × 10^–6/°C. Die polymere Verbundstruktur hat eine dritte CLTE von weniger als oder gleich ungefähr 10 × 10^–6/°C und ein Modul von größer oder gleich ungefähr 40 GPa. Die polymere Verbundstruktur, die über eine oder mehrere mechanische Verzahnung(en) entlang einzelner, diskontinuierlicher Bereiche des ersten planaren Metallbauteils montiert ist, reduziert die lineare Ausdehnung des ersten planaren Metallbauteils in zumindest eine lineare Richtung und minimiert die Spalttrennung der zweiten Oberfläche des ersten planaren Metallbauteils vom zweiten Bauteil.
Für bestimmte andere Aspekte besteht die vorliegende Offenbarung aus einer vorgespannten Lagerbaugruppe für ein Fahrzeug mit mindestens zwei Komponenten, die deutlich unterschiedliche lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Die vorgespannte Lagerbaugruppe kann eine polymere Verbundstruktur enthalten, die über eine oder mehrere mechanische Verzahnung(en) entlang einzelner, diskontinuierlicher Bereiche eines planaren Leichtmetallgehäuses montiert ist. Ein Lagerbauteil ist unter statischer Vorspannung in der Nähe einer zweiten Fläche des planaren Gehäuses gegenüber der der ersten Oberfläche angeordnet. Das planare Gehäuse hat einen ersten Koeffizienten der linearen Wärmeausdehnung (CLTE). Das Lagerbauteil weist eine zweite CLTE auf. Die polymere Verbundstruktur hat eine dritte CLTE und ein Modul von größer oder gleich ungefähr 40 GPa. Die erste CLTE ist bis zu ungefähr 25 % größer als oder gleich die/der zweite(n) CLTE. Die dritte CLTE ist kleiner als oder gleich die/der zweite(n) CLTE. Die an dem planaren Gehäuse montierte polymere Verbundstruktur reduziert die Wärmeausdehnung des planaren Gehäuses in zumindest eine lineare Richtung und minimiert die Spalttrennung der zweiten Oberfläche des Gehäuses von dem Lagerbauteil.
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hierin dargebotenen Beschreibung ersichtlich. Die Beschreibung und speziellen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen ausschließlich zum Veranschaulichen und sollen keinesfalls den Umfang der vorliegenden Offenbarung einschränken.
ZEICHNUNGEN
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen ausschließlich der Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und stellen nicht die Gesamtheit der möglichen Realisierungen dar und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
1a zeigt eine Querschnittsansicht eines polymeren Verbundmaterials zur Reduzierung der Wärmeausdehnung eines Leichtmetalls in einer Komponentenbaugruppe nach bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
1b zeigt eine alternative Querschnittsansicht eines polymeren Verbundmaterials zur Reduzierung der Wärmeausdehnung eines Leichtmetalls in einer Komponentenbaugruppe nach bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
2 zeigt eine Draufsicht auf ein polymeres Verbundmaterial zur Reduzierung der Wärmeausdehnung eines Leichtmetalls in einer Komponentenbaugruppe nach bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
3 zeigt eine Draufsicht auf eine alternative Variante des polymeren Verbundmaterials zur Reduzierung der Wärmeausdehnung eines Leichtmetalls in einer Komponentenbaugruppe nach bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
4 zeigt einen Teil eines Beispiels für das Gehäuse eines Fahrzeuggetriebes, welches ein polymeres Verbundmaterial zur Reduzierung der Wärmeausdehnung des Getriebegehäuses nach bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung enthält.
Ähnliche Bezugszeichen geben in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen ähnliche Bauabschnitte an.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es werden nun exemplarische Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Es werden exemplarische Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Offenbarung gründlich ist und den Fachleuten deren Umfang vollständig vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, wie beispielsweise Beispiele für spezifische Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren beschrieben, um ein gründliches Verständnis von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu ermöglichen. Fachleute werden erkennen, dass spezifische Details möglicherweise nicht erforderlich sind, dass exemplarische Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden können und dass keine der Ausführungsformen dahingehend ausgelegt werden soll, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. In manchen exemplarischen Ausführungsformen sind wohlbekannte Verfahren, wohlbekannte Vorrichtungsstrukturen und wohlbekannte Techniken nicht ausführlich beschrieben.
Die hierin verwendete Terminologie dient ausschließlich der Beschreibung bestimmter exemplarischer Ausführungsformen und soll in keiner Weise einschränkend sein. Die hier verwendeten Singularformen „ein“ und „der/die/das“, schließen ggf. auch die Pluralformen ein, sofern der Kontext dies' nicht klar ausschließt. Die Begriffe „umfasst“, „beinhaltend“, „einschließlich“ und „hat“ sind nicht ausschließlich und geben daher das Vorhandensein der angegebenen Funktionen, ganzheitlichen Einheiten, Schritte, Vorgänge, Elemente und/oder Bauteile an, schließen aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen von weiteren Funktionen, ganzheitlichen Einheiten, Schritten, Vorgängen, Elementen, Bauteilen und/oder Gruppen hiervon aus. Die hier beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass die beschriebene oder dargestellte Reihenfolge unbedingt erforderlich ist, sofern diese nicht spezifisch als Reihenfolge der Ausführung angegeben ist. Es sei außerdem darauf hingewiesen, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können.
Wenn ein Element oder eine Ebene als „an/auf“, „in Verbindung mit“, „verbunden mit“, „befestigt an“ oder „gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Ebene beschrieben werden, können sie entweder direkt mit anderen Elementen oder Ebenen in Verbindung stehen oder gekoppelt sein, oder es können zwischenliegende Elemente oder Ebenen vorhanden sein. Wird ein Element im Gegenzug als „direkt an/auf“, „direkt in Verbindung mit“, „befestigt an“ oder „direkt gekoppelt mit“ anderen Elementen oder Ebenen beschrieben, sind ggf. keine zwischenliegenden Elemente oder Ebenen vorhanden. Andere Wörter, die zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen verwendet werden, sind in gleicher Weise zu verstehen (z. B. „zwischen“ und „direkt zwischen“, „angrenzend“ und „direkt angrenzend“ etc.). Der Begriff „und/oder“ schließt alle Kombinationen der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.
Obwohl die Begriffe erste, zweite, dritte usw. hierin verwendet werden können um verschiedene Elemente, Komponenten, Regionen, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollten diese Elemente, Komponenten, Regionen, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe beschränkt werden. Diese Begriffe können nur verwendet werden, um ein Element, eine Komponente, Region, Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Bereich, Schicht oder Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe, wie „erste“, „zweite“, und andere Zahlenbegriffe, wenn hier verwendet, implizieren keine Sequenz oder Reihenfolge, es sei denn, dies wird eindeutig durch den Kontext angegeben. Somit könnte ein weiter unten erörtertes erstes Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt als ein zweites Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt bezeichnet werden, ohne von den Lehren der exemplarischen Ausführungsformen abzuweichen.
Raumbezogene Begriffe, wie „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen können hier zur besseren Beschreibung der Beziehung von einem Element oder einer Ausrüstung zu anderen Elementen oder Eigenschaften, wie in den Figuren dargestellt, verwendet werden. Räumlich relative Begriffe können bezwecken, unterschiedliche Ausrichtungen der Vorrichtung im Gebrauch oder Betrieb neben der in den Figuren dargestellten Orientierung zu umspannen. Wird beispielsweise die Vorrichtung in den Figuren umgedreht, würden Elemente, die als „unterhalb“ von oder „unter“ anderen Elementen oder Eigenschaften beschrieben werden, dann „oberhalb“ anderer Elemente oder Eigenschaften ausgerichtet sein. Daher kann der Beispielbegriff „unterhalb“ sowohl eine Orientierung von oberhalb als auch von unterhalb beinhalten. Die Vorrichtung kann anderweitig ausgerichtet werden (um 90 Grad gedreht oder in andere Richtungen) und die hierin verwendeten räumlich bezogenen Schlagworte können dementsprechend interpretiert werden.
In seiner Verwendung hier bezieht sich der Begriff „planar“ auf eine generell zweidimensionale Struktur, die üblicherweise, aber nicht notwendigerweise, starr und nicht notwendigerweise eben ist.
Es sollte für jede Rezitation eines Verfahrens, einer Zusammensetzung, Vorrichtung oder eines Systems, welches bzw. welche bestimmte Schritte, Bestandteile oder Eigenschaften „umfasst“, in Betracht gezogen werden, dass es in bestimmten alternativen Variationen auch denkbar ist, dass diese Verfahren, eine besagte Zusammensetzung, Vorrichtung oder eine besagte Anlage auch „im Wesentlichen“ aus den aufgezählten Schritten, Bestandteilen oder Eigenschaften „bestehen kann“, sodass jegliche andere Schritte, Bestandteile oder Eigenschaften, die materialmäßig die grundlegenden und neuen Eigenschaften der Erfindung verändern, hiervon ausgeschlossen sind.
In dieser Offenbarung repräsentieren die numerischen Werte grundsätzlich ungefähre Messwerte oder Grenzen von Bereichen, etwa kleinere Abweichungen von den bestimmten Werten und Ausführungsformen, die ungefähr den genannten Wert aufweisen, sowie solche mit genau dem genannten Wert zu umfassen. Im Gegensatz zu den am Ende der ausführlichen Beschreibung bereitgestellten Anwendungsbeispielen sollen alle numerischen Werte der Parameter (z. B. Größen oder Bedingungen) in dieser Spezifikation einschließlich der beigefügten Ansprüche in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ verstanden werden, egal ob oder ob nicht „ungefähr“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint. „Ungefähr“ weist darauf hin, dass der offenbarte numerische Wert eine gewisse Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Exaktheit im Wert; ungefähr oder realistisch nahe am Wert; annähernd). Falls die Ungenauigkeit, die durch „ungefähr“ bereitgestellt ist, in Fachkreisen nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verständlich ist, dann gibt „ungefähr“, wie hierin verwendet, zumindest Variationen an, die sich aus gewöhnlichen Messverfahren und der Verwendung derartiger Parameter ergeben.
Darüber hinaus beinhaltet die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilter Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich den für die Bereiche angegebenen Endpunkten und Unterbereichen.
Bei einem Fahrzeug, beispielsweise einem Automobil, ist ein Motor die Kraftquelle zur Erzeugung von Drehmoment für den Vortrieb. Eine Kraftübertragung oder Kraftübertragungseinheit (PTU) überträgt wahlweise die rotierende Kraft (Drehmoment) auf vordere und/oder hintere Wellen oder Achsen des Fahrzeugs. Die Übertragung oder die PTU sind eine Baugruppe aus Teilen, darunter drehzahlverändernde Gänge, Wellen und Lager zur Übertragung der Kraft vom Motor auf eine Achse. Bei Fahrzeugen mit Allradantrieb wird beispielsweise das Drehmoment durch die Übertragung oder PTU auf die Vorder- und Hinterachse übertragen. Jede Achse, die Drehmoment erhält, überträgt das Drehmoment auf ein zugeordnetes Rad des Fahrzeugs für den Vortrieb des Fahrzeugs.
Typischerweise kann eine Übertragung oder PTU zumindest eine Lagerbaugruppe enthalten, die ein Gehäuse und mehrere Lager hat. Die Vielzahl der Lager kann im Dauereingriff mit einer Welle stehen. Die Lager können Schrägkugel- oder Kegelrollenlager sein, die häufig bei drehbaren Wellen oder Gängen in Getriebebaugruppen zum Einsatz kommen. Wälzlager halten beim Betrieb normalerweise einen gewissen internen Spielraum aufrecht, in bestimmten Fällen ist es jedoch wünschenswert, einen negativen Spielraum durch internen Druck oder eine „Vorspannung“ zu haben. Eine statische Vorspannung für Lager kann eine ordnungsgemäße Funktion zur maximalen Haltbarkeit der Komponenten durch die Minimierung von axialem und radialem Spiel, Drehverlusten und Geräuschen unter verschiedenen Betriebsbedingungen ermöglichen. Eine Vorspannung wird üblicherweise für Lager verwendet, bei denen das radiale Spiel während der Montage eingestellt werden kann, wie beispielsweise bei Schrägkugellagern oder Kegelrollenlagern. Üblicherweise werden zwei Lager (z. B. Front-zu-Front oder Rücken an Rücken zur Bildung eines Duplexpaares von Lagern verbaut) mit Vorspannung versehen. Solche Lagerkomponenten können aus einer Stahllegierung oder Keramikmaterial bestehen. Eine Außenfläche eines Lagerbauteils kann sich neben und/oder in Kontakt mit dem Gehäuse befinden, um eine erste Grenzfläche zwischen den beiden zu bilden. Eine gegenüberliegende innere Oberfläche eines Lagerbauteils kann sich neben und/oder in Kontakt mit der Welle befinden, um eine zweite Grenzfläche zwischen den beiden zu bilden. Die Welle kann aus einem konventionellen Material bestehen, wie Stahl.
Wie oben angesprochen, kann die Gehäusebaugruppe für bestimmte Aspekte der vorliegenden Lehren aus einem Material gebaut werden, das einen deutlich unterschiedlichen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (α) aufweist, wenn man ihn mit dem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (α) des Materials vergleicht, das an der ersten Grenzfläche zwischen Lager und Gehäuse vorhanden ist. Bei bestimmten bevorzugten Varianten kann das Gehäuse aus einem Leichtmetall hergestellt sein, z. B. Aluminium oder Magnesium. Für bestimmte Aspekte sind die vorliegenden Lehren hilfreich, wenn ein deutlicher Unterschied oder eine Abweichung bei einem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (α) (CLTE) zwischen benachbarten Materialien in einer Baugruppe besteht, insbesondere bei einer Lagerbaugruppe für ein Fahrzeug. Ein(e) solche(r) „deutliche Abweichung“ bzw. Unterschied der CLTE kann größer als oder gleich ungefähr 10 % sein, gegebenenfalls größer als oder gleich ungefähr 25 %, gegebenenfalls größer als oder gleich ungefähr 50 %, gegebenenfalls größer als oder gleich ungefähr 75 %, gegebenenfalls größer als oder gleich ungefähr 100 %, gegebenenfalls größer als oder gleich ungefähr 125 %, gegebenenfalls größer als oder gleich ungefähr 150 %, gegebenenfalls größer als oder gleich ungefähr 175 % und bei bestimmten Varianten größer als oder gleich ungefähr 200 %. Unter solchen Umständen kann eine Abweichung zwischen verschiedenen benachbarten Materialien in der Lagerbaugruppe zu unterschiedlicher Wärmeausdehnung führen. Insbesondere können diese unterschiedlichen Wärmeausdehnungen zu einer Spalttrennung der benachbarten Materialien in eine oder mehrere lineare Richtung(en) führen. Es ist zu beachten, dass die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung außer für Lagerbaugruppen auch generell für andere Systeme einsetzbar sind, bei denen zueinander in Bezug stehende Materialien deutliche Abweichungen oder Unterschiede der CLTE aufweisen, oder bei denen Maßtoleranz und Vorspannungen von Bedeutung sind.
Während die Strukturen der Baugruppen speziell für die Verwendung in Komponenten eines Automobils oder anderen Fahrzeugen geeignet sind (z. B. Motorräder, Boote, Traktoren, Busse, Wohn- und Campingmobile und Panzer), können sie auch in einer Vielzahl von anderen Industriezweigen und Anwendungen verwendet werden, darunter Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, Konsumgüter, Büroausrüstung und Möbel, industrielle Anlagen und Maschinen, Landmaschinen oder schwere Maschinen, um nur einige nicht einschränkende Beispiele zu nennen. Nicht einschränkende Beispiele von Fahrzeugen, die mit der aktuellen Technologie hergestellt werden können, beinhalten Automobile, Traktoren, Busse, Motorräder, Boote, Wohn- und Campingmobile, sowie Panzer. Weitere exemplarische Tragwerkstrukturen, die mittels der aktuellen Technologie hergestellt werden können, sind unter anderem Gebäude, wie z. B. Wohn- und Bürogebäude, Schuppen, Lagerhallen und Geräte.
Zum Beispiel hat Aluminium (Al) einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CLTE) von etwa 24 × 10^–6/°C. Es wird angemerkt, dass jeder aufgelistete Parameter oder Messwert in der detaillierten Beschreibung um ±10 % abweichen kann. Weiterhin werden Fachleute verstehen, dass solche Werte generell charakteristisch, jedoch nicht einschränkend sind, da Legierungen aus verschiedenen Metallen unterschiedlich zusammengesetzt sein können und sich die Messwerte daher von denen des reinen Metalls oder der Basislegierung unterscheiden können. Magnesium (Mg) hat eine charakteristische CLTE von etwa 26 × 10^–6/°C. Im Vergleich dazu hat eine Stahllegierung, die in diesen Anwendungsfällen für Lagerteile verwendet wird, üblicherweise eine durchschnittliche CLTE von etwa 12 × 10^–6/°C bis 13 × 10^–6/°C. Somit liegt die Differenz der CLTE um etwa mindestens 85 % höher, wenn das Gehäuse aus Aluminium oder einem anderen Leichtmetall und die entsprechenden Oberflächen des Lagers aus einer Stahllegierung bestehen, wenn man ein vergleichbares System mit einem Gehäuse aus konventionellem Stahl (anstelle des neuen leichtgewichtigen Aluminiums) betrachtet. Ebenso im Fall eines Gehäuses aus Magnesium und der entsprechenden Oberfläche des Lagers aus einer Stahllegierung, hier ist die Differenz der CLTE etwa mindestens 100 % verglichen mit einem ähnlichen System mit einem Gehäuse aus konventionellem Stahl. Typischerweise sind Gehäuse in automobilen Systeme aus Leichtmetall, haben verschiedene ebene Flächen und können sich neben anderen Metallkomponenten aus mehr konventionellen Metallen befinden (z. B. Stahl). In solchen Fällen unterliegen diese verschiedenen ebenen Flächen aufgrund der CLTE-Differenzen einer Ausdehnung in eine oder mehrere lineare Richtung(en). Derartige CLTE-Differenzen können bei höheren Betriebstemperaturen erhebliche Probleme bereiten, insbesondere bei Lagerbaugruppen, in denen durch die ungleichmäßige Ausdehnung der benachbarten Materialien in zumindest eine lineare Richtung die Vorspannung des Lagers reduziert sein kann, was möglicherweise zu Drehverlusten und verringerter Leistung führt.
In Übereinstimmung mit gewissen Aspekten der vorliegenden Offenbarung werden Verfahren zur Herstellung von Baugruppen geboten, die der Wärmeausdehnung in zumindest eine lineare Richtung eines Materials mit höherer CLTE eines Materials mit niedrigerer CLTE entgegenwirken und das Ausmaß herabsetzen, (z. B. um eine vorbestimmte Vorspannung in einem Lagersystem aufrecht zu erhalten, bei dem über einen typischen Bereich von Betriebstemperaturen mit CLTE-Abweichungen beim Material vorliegen). Derartige Verfahren können in vorteilhafter Weise stabilisierte Lagervorspannungen ermöglichen. In Bezug auf Fahrzeugkomponenten können solche stabilisierten Lagervorspannungen zu einer höheren Kraftstoffeffizienz aufgrund verringerter Schleppverluste in den Lagern führen. Zusätzlich können kleinere Lager aufgrund des verkleinerten effektiven Arbeitszyklus', der die Masse und weitere Schleppverluste reduziert, vorteilhaft genutzt werden. Weiterhin können einheitliche und stabilisierte Vorspannungen eine erhöhte Steife der Gänge verursachen, was gleichbleibendere Gangmuster erlaubt, was insgesamt zu feinerem Einspuren der Gänge, weniger Spiel und einer Verbesserung in den Bereichen Geräusch, Vibration und Rauheit führt.
Somit behandelt die vorliegende Offenbarung Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe (z. B. für ein Fahrzeug) mit reduzierter Wärmeausdehnung in eine lineare Richtung mit mindestens zwei Komponenten, die deutlich unterschiedliche lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten haben. Bei bestimmten Varianten kann ein solches Verfahren aus der Bildung von einer oder mehreren mechanischen Verzahnung(en) entlang einzelner, diskontinuierlicher Bereiche eines ersten planaren Metallbauteils mit einer ersten Oberfläche und einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche und einer ersten linearen Wärmeausdehnung (CLTE) bestehen. Die zweite Oberfläche des ersten planaren Metallbauteils kann sich in der Nähe einer zweiten Komponente mit einer zweiten CLTE befinden. Das Verfahren kann weiterhin die Montage einer polymeren Verbundstruktur mit einer dritten CLTE am ersten planaren Metallbauteil mittels der einen oder mehreren mechanischen Verzahnung(en) des ersten planaren Metallbauteils umfassen, z. B. auf einer ersten und/oder einer zweiten Oberfläche des ersten planaren Metallbauteils.
Im Hinblick auf andere Aspekte behandelt die vorliegende Offenbarung auch Verfahren zur Minimierung der Wärmeausdehnung in eine lineare Richtung einer Komponentenbaugruppe (z. B. für ein Fahrzeug) mit mindestens zwei Komponenten, die deutlich unterschiedliche lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten haben. Bei bestimmten Varianten kann ein solches Verfahren die Montage einer polymeren Verbundstruktur an einer oder mehreren mechanischen Verzahnung(en) entlang einzelner, diskontinuierlicher Bereiche des ersten planaren Metallbauteils enthalten. Das erste planare Metallbauteil kann eine erste Oberfläche und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche definieren. Weiterhin kann sich die zweite Oberfläche des ersten planaren Metallbauteils in der Nähe einer zweiten Komponente befinden.
Für verschiedene Aspekte können die eine oder mehreren der Verzahnungen auf der ersten Oberfläche, der zweiten Oberfläche oder beiden, der ersten und der zweiten Oberfläche des ersten planaren Metallbauteils eingerichtet werden.
Für verschiedene Aspekte hat das hier beschriebene erste planare Metallbauteil eine erste CLTE, die zweite hier beschriebene Komponente eine zweite CLTE und die hier beschriebene polymere Verbundstruktur eine dritte CLTE.
Zusätzlich oder alternativ kann die polymere Verbundstruktur mit einer dritten CLTE ein Modul von größer oder gleich ungefähr 40 GPa haben. Bei bestimmten Varianten ist das Zugmodul des polymeren Verbundmaterials größer oder gleich ungefähr 50 GPa, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 60 GPa, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 64 GPa, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 70 GPa, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 75 GPa, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 100 GPa, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 150 GPa, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 200 GPa und bei bestimmten Varianten gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 250 GPa. Solche relativ hohen Zugmodule für die polymere Verbundstruktur bieten die notwendige Steife und Struktur, um der Längsausdehnung des ersten planaren Metallbauteils in mindestens eine lineare Richtung und gegebenenfalls zwei lineare Richtungen zu widerstehen.
Für bestimmte Aspekte ist die erste CLTE des ersten planaren Metallbauteils größer als der zweite CLTE, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 25 % größer als die zweite CLTE der zweiten Komponente, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 40 %, gegebenenfalls größer oder gleich etwa 100 % oder einem jeden der oben erläuterten Werte im Rahmen der deutlich unterschiedlichen CLTE (CLTE-Abweichung).
Wie zuvor erwähnt, unterscheidet sich die erste CLTE von der zweiten CLTE durch einen beliebigen der zuvor gelisteten Werte. Für bestimmte Aspekte ist die erste CLTE des ersten planaren Metallbauteils größer oder gleich ungefähr 40 % der zweiten CLTE der zweiten Komponente. Für bestimmte Aspekte ist die erste CLTE des ersten planaren Metallbauteils größer oder gleich ungefähr 100 % der zweiten CLTE der zweiten Komponente.

Bei bestimmten Varianten kann die polymere Verbundstruktur eine dritte CLTE von weniger als oder gleich ungefähr 10 × 10^–6/°C und ein Modul von größer oder gleich ungefähr 40 GPa haben. Für bestimmte Aspekte ist die dritte CLTE gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 8 × 10^–6/°C, gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 6 × 10^–6/°C, gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 4 × 10^–6/°C und bei bestimmten Varianten, gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 2 × 10^–6/°C. Das erste planare Metallbauteil definiert die erste Oberfläche und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche. Das erste planare Metallbauteil hat eine erste CLTE größer oder gleich ungefähr 20 × 10^–6/°C, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 24 × 10^–6/°C und bei bestimmten Varianten, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 26 × 10^–6/°C. Die Komponentenbaugruppe hat ferner eine zweite Komponente in der Nähe der gegenüberliegenden zweiten Oberfläche und eine zweite CLTE kleiner als oder gleich etwa 20 × 10^–6/°C, gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 15 × 10^–6/°C, gegebenenfalls kleiner als oder gleich ungefähr 12 × 10^–6/°C, gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 10 × 10^–6/°C, gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 7 × 10^–6/°C, gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 5 × 10^–6/°C und bei bestimmten Varianten, gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 4 × 10^–6/°C. Die am ersten planaren Metallbauteil montierte polymere Verbundstruktur reduziert die Wärmeausdehnung der ersten Metallkomponente in zumindest eine lineare Richtung, optional zwei lineare Richtungen und minimiert die Spalttrennung der zweiten Oberfläche des ersten planaren Metallbauteils von der zweiten Komponente. Bei bestimmten Varianten ist die erste CLTE des ersten planaren Metallbauteils größer oder gleich ungefähr 20 × 10^–6/°C, die zweite CLTE der zweiten Komponente weniger als oder gleich etwa 20 × 10^–6/°C und die dritte CLTE der polymeren Verbundmaterial ist vorzugsweise kleiner als oder gleich etwa 10 × 10^–6/°C. In Übereinstimmung mit gewissen Aspekten der vorliegenden Lehren bietet die Tabelle 1 eine nicht einschränkende Liste von unterschiedlichen CLTE und Zugmodul-Werten für geeignete Materialien, die in Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung verwendet werden können. TABELLE 1

Komponente	Material	CLTE, 10^–6/°C	Zugmodul, GPa
Erste Planare Metallkomponente (z. B. Gehäuse)
	Aluminium	24	75
	Magnesium	26	45
Die zweite Komponente (z. B. Lager)
	Stahl	12	200
	Keramik (Tonerde)	7	360
	Keramik (Siliziumkarbid)	4	440
Polymere Komponente
	KEVLAR^TM Polyparaphenylenterephthalamid	4	75
	KEVLAR^TM Polyparaphenylenterephthalamid Unidirektionale Verbundwerkstoffe (53 Gew.-% im Epoxid)	8	64
	Verbundwerkstoff aus duroplastisch verstärkter Kohlefaser (axiale Richtung)	–0,3	250
	Unidirektional verstärkte Kohlefaser (z. B. 60 Gew.-% Ladung aus der duroplastischen Epoxidharz Matrix)	2	150
	Glasfaserverstärkter Verbundwerkstoff (z. B. Art E)	6	40
	Unidirektionaler glasfaserverstärkter Verbundwerkstoff (z. B. 50 Gew.-% Ladung aus der duroplastischen Epoxidharz Matrix)	10	40

Somit wird die polymere Verbundstruktur in Übereinstimmung mit gewissen Verfahren der vorliegenden Offenbarung am ersten planaren Metallbauteil montiert, um die Wärmeausdehnung des ersten planaren Metallbauteils in zumindest eine lineare Richtung, optional zwei lineare Richtungen zu reduzieren und die Spalttrennung der zweiten Oberfläche des ersten planaren Metallbauteils vom zweiten Teil zu minimieren. Das ist besonders vorteilhaft, wenn die erste planare Metallkomponente und die zweite Komponente eine thermische Abweichung haben, aber durch eine Vorspannung über einen weiten Bereich der Betriebstemperaturen wunschgemäß zur Verbesserung der Leitung eingesetzt werden können.
Es wird beispielsweise eine polymere Verbundstruktur 4 am Gehäuse 1 einer Lagerbaugruppe (z. B. zur Verwendung in einem Fahrzeug) montiert, wie am besten in der detaillierten Darstellung in 1a zu sehen ist. Es wird mindestens eine mechanische Verzahnung 5 im Gehäuse 1 eingerichtet. Die polymere Verbundstruktur 4 wird durch Nutzung der mechanischen Verzahnung 5 montiert. Das Gehäuse 1 kann eine erste Oberfläche 2 und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche 3 enthalten. Die mechanische Verzahnung 5 kann sich auf der ersten Oberfläche 2 befinden (wie in 1a), auf der zweiten Oberfläche 3 (nicht dargestellt) oder auf beiden, der ersten Oberfläche 2 und der zweiten Fläche 3 (wie in 1b). Die zweite Oberfläche 3 kann sich in Nähe einer zweiten Komponente befinden (nicht dargestellt). Obwohl es zwischen der zweiten Oberfläche 3 und der zweiten Komponente (nicht dargestellt) einen Zwischenraum oder Spiel geben kann, sollte erwähnt werden, dass im Falle einer statischen Vorspannung der Lagerbaugruppe vorzugsweise ein Kontakt hergestellt wird (idealerweise über den ganzen Betriebstemperaturbereich). Das Gehäuse 1 kann eine Vielzahl von mechanischen Verzahnungen 5 aufweisen, die Hohlräume auf der ersten Oberfläche 2, der zweiten Oberfläche 3 oder auf beiden Oberflächen, der ersten Oberfläche 2 und der zweiten Oberfläche 3 bilden können.
Somit können die erste Oberfläche 2 und/oder die zweite Oberfläche 3 des Gehäuses 1 für verschiedene Aspekte zumindest eine mechanische Verzahnung 5 zur Aufnahme und Funktion der polymeren Verbundstruktur 4 bilden.
Des Weiteren, sind die eine oder mehreren mechanische(n) Verzahnung(en) entlang einzelner, diskontinuierlicher Bereiche des Gehäuses 1 angeordnet. Wie in 2 dargestellt, ist die polymere Verbundstruktur 4 entlang einzelner, diskontinuierlicher Bereiche 6a des Gehäuses 1 angeordnet, was den Bereichen der einen oder mehreren mechanischen Verzahnung(en) 5 entspricht. Die einzelnen, diskontinuierlichen Bereiche 6a können auf der ersten Oberfläche 2 und/oder der zweiten Oberfläche 3 des Gehäuses 1 (nicht dargestellt) vorhanden sein.
Die mechanische Verzahnung 5 kann als eine Konfiguration in Form einer Schwalbenschwanznut für die polymere Verbundstruktur 4 verstanden werden, durch welche die polymere Verbundstruktur 4 in Kontakt mit dem Gehäuse 1 bleibt; es können jedoch auch andere Formen und Ausgestaltungen der mechanischen Verzahnung zur Verbindung der Komponenten miteinander verwendet werden. So können beispielsweise komplementär abstehende Flansche, Nuten, Kanäle, Sicherungsflügel unterschiedlicher Formen für die mechanische Verzahnung verwendet werden. Wie in 2 dargestellt, werden durch die Verzahnung(en) vierseitige Bereiche 6a gebildet. Zusätzlich oder alternativ könne durch die Verzahnung(en) ringförmige Bereiche 6b gebildet werden, wie in 3 dargestellt ist. Somit wird bei bestimmten Varianten die polymere Verbundstruktur 4 in eine(n) Schwalbenschwanznut, viereckigen und/oder ringförmigem Bereich auf der ersten Oberfläche 2 und/oder der zweiten Oberfläche 3 des Gehäuses 1 eingepasst, das aus einem Leichtmetall besteht, sodass der Verbundwerkstoff und das Leichtmetall über alle Betriebstemperaturen fest miteinander verbunden bleiben.
Die polymeren Verbundmaterialien, wie durch Kohlefaser-Epoxid verstärkte Polymere, welche die polymere Struktur 4 bilden, weisen eine niedrige CLTE und ein hohes Zugmodul auf, wie zuvor in Tabelle 1 aufgezeigt. Für das Gehäuse 1 verwendete Leichtmetalle, wie Aluminium und Magnesium, weisen eine hohe CLTE und ein relativ moderates Zugmodul auf. Vor allem ist das Gehäuse 1 planar. Wie zuvor erwähnt können automobile Systeme Gehäuse aus Leichtmetall mit verschiedenen planaren Flächen haben und sich neben anderen Metallkomponenten aus mehr konventionellen Metallen befinden (z. B. Stahl). Diese verschiedenen planaren Flächen unterliegen einer Ausdehnung in zumindest eine lineare Richtung, typischerweise jedoch zwei lineare Richtungen, was bei höheren Betriebstemperaturen erhebliche Probleme verursachen kann. Allerdings kann die polymere Verbundstruktur 4 die Aufhebung des Effektes der Wärmeausdehnung des Leichtmetallgehäuses 1 in zumindest eine lineare Richtung mit einer höheren Rate, als ein benachbarter Lagerkörper ermöglichen. Somit kann die polymere Verbundstruktur 4 als Verstärkung die Ausdehnung der angrenzenden Komponente (z. B. Gehäuse 1), an der sie befestigt ist, in zumindest eine lineare Richtung, oder auch zwei lineare Richtungen verringern, was zuvor nur schwer zu erreichen war. Als lineare Richtung wird in Bezug auf das Gehäuse 1 beispielsweise eine Richtung entlang der x-Achse und/oder der y-Achse verstanden, wie in 2 und 3 dargestellt ist. Es versteht sich, dass lineare Richtungen entlang der x-Achse und/oder der y-Achse lediglich als Beispiel dienen und auch diagonal, winklig usw. zueinander verlaufen können.
Wie zuvor erwähnt, verursacht die unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen dem Leichtmetall und dem benachbarten Lager aus Stahl oder Keramik bei Abwesenheit der polymeren Verbundstruktur 4 eine Veränderung der Vorspannungen des Lagers. Weiterhin kann die polymere Verbundstruktur 4 auf zahlreichen möglichen ebenen Flächen von Leichtmetallgehäusen montiert werden und ist nicht auf nur einen Abschnitt des Gehäuses beschränkt wodurch sich rundum eine Stabilisierung des Gehäuses ergibt.
Beispielsweise ist es vorstellbar, dass die hierin beschriebenen Konzepte für einen Einsatz bei einem Getriebegehäuse aus Aluminium in einem Fahrzeug geeignet sein könnten, ohne sich darauf zu beschränken. Wie in 4 gezeigt, wird ein Teil eines Getriebegehäuses aus Aluminium 10 zur Verfügung gestellt. Die polymere Verbundstruktur 4 ist an mehreren ebenen Abschnitten des Getriebegehäuses 10 über mechanische Verzahnungen entlang einzelner, diskontinuierlicher Bereiche des Gehäuses montiert, wie oben beschrieben. Die mechanische Verzahnung kann eine jede geeignete Form haben, wie hierin beschrieben.
Bei einer alternativen Ausführungsform sind die erste Oberfläche und/oder die zweite Oberfläche des ersten planaren Metallbauteils (z. B. Gehäuse 1) nicht umlaufend. In seiner Verwendung hier bedeutet der Begriff „umlaufend“ eine Ausrichtung entweder lotrecht zu einem Radius oder parallel zu einem Umfang. Somit ist eine nicht umlaufende Form nicht lotrecht zu einem Radius oder parallel zu einem Umfang, beispielsweise könnte die erste planare Metallkomponente (z. B. Gehäuse 1) eine nicht zylindrische oder röhrenförmige Form haben. Zusätzlich oder alternativ liegt die nicht umlaufende polymere Verbundstruktur nicht in der Form eines Rings oder Bands um die Umfangsfläche des ersten planaren Metallbauteils (z. B. Gehäuse 1) vor, sondern ist flach oder hat nur planare Konturen.
Die polymeren Verbundmaterialien, wie durch Kohlefaser-Epoxid verstärkte Polymere, welche die polymere Struktur 4 bilden, weisen eine niedrige CLTE und ein hohes Zugmodul auf, wie zuvor in Tabelle 1 aufgezeigt. Für das Gehäuse 1 verwendete Leichtmetalle, wie Aluminium und Magnesium, weisen eine hohe CLTE und ein relativ moderates Zugmodul auf. Durch die Anbringung der polymeren Verbundstruktur 4 kann die Aufhebung des Effektes der Wärmeausdehnung des Leichtmetallgehäuses 1 in zumindest eine lineare Richtung mit einer höheren Rate, als ein benachbarter Lagerkörper ermöglicht werden. Wie zuvor erwähnt, verursacht die unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen dem Leichtmetall und dem benachbarten Lager aus Stahl oder Keramik bei Abwesenheit der polymeren Verbundstruktur 4 eine Veränderung der Vorspannungen des Lagers. Aber durch die Einführung der polymeren Verbundstruktur 4 für die erste Oberfläche 1 und/oder die zweite Oberfläche 2 des Gehäuses 1, das sich in Nachbarschaft zu den internen Stahllagern befinden kann, wird die Wärmeausdehnung durch die polymere Verbundstruktur 4 verringert.
Die Montage der polymeren Verbundstruktur 4 kann das Aufbringen einer Prepreg-Verbundvorstufe auf die erste Oberfläche 2 und/oder zweite Oberfläche 3 des Gehäuses 1 über eine oder mehrere der mechanischen Verzahnungen 5 einschließen, gefolgt von der Aushärtung des Materials der Prepreg-Verbundvorstufe zur Bildung der polymeren Verbundstruktur. Polymere Verbundwerkstoffe lassen sich aus Streifen des Verbundgrundmaterials aufbauen, wie beispielsweise ein Material auf Faserbasis (z. B. Gewebe oder Graphitband). Der Verbund kann aus einer oder mehreren Schicht(en) bestehen, dabei kann jede Schicht aus von im Stoß- und/oder Überlappungsverfahren angeordneten Streifen des Fasermaterials bestehen. Die polymeren Verbundstoffe (z. B. das Material auf Faserbasis) können unidirektional oder multidirektional verwendet werden. Die Ausrichtung der polymeren Verbundstoffe (z. B. das Material auf Faserbasis) kann bestimmen, welche Richtung der Wärmeausdehnung des ersten planaren Metallbauteils (z. B. Gehäuse 1) gehemmt wird. Betrachten wir beispielsweise eine x- und y-Achse eines planaren Gehäuses, so würden die Fasern des polymeren Verbundwerkstoffes die Wärmeausdehnung des planaren Gehäuses in eine lineare Richtung entlang der x-Achse hemmen, wenn die polymeren Verbundfasern des planaren Gehäuses entlang der x-Achse ausgerichtet sind. Desgleichen würden die Fasern des polymeren Verbundwerkstoffes die Wärmeausdehnung des planaren Gehäuses in eine lineare Richtung entlang der y-Achse hemmen, wenn die polymeren Verbundfasern des planaren Gehäuses entlang der y-Achse ausgerichtet sind.
Das Trägermaterial auf Faserbasis kann auch ein Harz enthalten. Das Harz kann nach der Aufbringung des Fasermaterials auf die Arbeitsfläche (z. B. die erste Oberfläche 2 und/oder die zweite Oberfläche 3 des Gehäuses 1) aushärten und somit zur Bindung von einer oder mehreren Schicht(en) dienen, die zusammen die polymere Verbundstruktur 4 ergeben.
Üblicherweise kommen zwei Verfahren zum Einsatz, um Harz bei Systemen von Verbundmaterial mit Trägern auf Faserbasis einzubringen: Laminierung (Layup) oder Vorimprägnierung (als „Prepreg“ bezeichnet). Bei der Laminierung wird das trockene faserverstärkte Material mit dem Harz durchfeuchtet, üblicherweise durch ein Tauchbad. Bei der Vorimprägnierung (Prepreg) wird das Fasermaterial vorab mit dem Harz getränkt und härtet üblicherweise teilweise zu einer viskosen oder klebrigen Konsistenz aus (auch bekannt als B-Stage Teilhärtung), um dann für eine spätere Verwendung aufgewickelt zu werden. Verbundmaterial-Systeme mit Prepreg verwenden für gewöhnlich Duroplast-Harze, die durch erhöhte Temperaturen innerhalb von 30 Minuten bis zu 2 Stunden aushärten (je nach Temperatur). Einige Prepreg-Materialien können Harze verwenden, die durch aktinische Strahlung aushärten (z. B. ultraviolette Strahlung (UV)).
Für bestimmte andere Aspekte sehen die vorliegenden Lehren auch einen Schritt vor, bei dem das Verstärkungsmaterial durch Präzisionswicklung nahe, in und oder über der/den mechanischen Verzahnung(en) 5 aufgebracht wird. Das Verfahren kann optional das Auf- bzw. Einbringen einer ungehärteten Harzzusammensetzung in oder auf das Verstärkungsmaterial auf Faserbasis einschließen. Mit Aufbringen wird die Befeuchtung des Fasermaterials mit der ungehärteten Harzzusammensetzung gemeint, was eine oberflächliche Beschichtung oder eine Durchtränkung des Fasermaterials bedeutet (beispielsweise in die Poren oder Zwischenräume des Fasermaterials). Nach Einbringung des Harzes auf das Fasermaterial folgt die Aushärtung, um so die polymere Verbundstruktur 4 zu bilden.
Bei anderen Varianten kann ein Vorprodukt des Verbundwerkstoffes im Spritzgussverfahren oder anders auf die erste Oberfläche 2 und/oder zweite Oberfläche 3 des Gehäuses 1 über einer oder mehreren der mechanischen Verzahnungen 5 aufgebracht werden, um danach auszuhärten und so die polymere Verbundstruktur 4 zu bilden.
Für bestimmte Aspekte ist eine Dicke der polymeren Verbundstruktur 4 kleiner oder gleich etwa 10 mm, gegebenenfalls kleiner als oder gleich ungefähr 9 mm, gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 8 mm, gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 7 mm, gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 6 mm, gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 5 mm, gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 4 mm, gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 3 mm, gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 2 mm und bei bestimmten Varianten gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 1 mm.
Für bestimmte Aspekte liegt die polymere Verbundstruktur 4 im Gehäuse 1 in einem Prozentsatz des Gewichtsverhältnisses vor, der mindestens etwa 10 % beträgt, gegebenenfalls mindestens ungefähr 15 %, gegebenenfalls mindestens etwa 20 %, gegebenenfalls mindestens etwa 25 %, gegebenenfalls mindestens etwa 30 %, gegebenenfalls mindestens etwa 35 %, gegebenenfalls mindestens etwa 40 % oder gegebenenfalls mindestens etwa 45 % je nach den Ausmaßen des Gehäuses 1. So kann beispielsweise der Prozentsatz des Gewichtsverhältnisses in einer Relation zu der polymeren Verbundstruktur 4 für einen definierten planaren Abschnitt des Gehäuses 1 stehen, aber nicht notwendigerweise für das gesamte Gehäuse 1. Alternativ kann der Prozentsatz des Gewichtsverhältnisses in einer Relation zu der polymeren Verbundstruktur 4 für das gesamte Gehäuses 1 stehen. Genauer gesagt liegt die polymere Verbundstruktur 4 im Gehäuse 1 in einem Gewichtsverhältnis von mindestens etwa 25 % vor.
Wie oben erwähnt, kann bei bestimmten Varianten das erste planare Metallbauteil (z. B. Gehäuse 1) aus einem Metall der folgenden Gruppe sein: Aluminium, Magnesium und Legierungen aus diesen, die sich gut bearbeiten lassen oder tauglich für Druckguss sind. Die Verfahren der vorliegenden Offenbarung betrachten somit auch die Bildung der mechanischen Verzahnungen 5 in den 1a und 1b durch die Bearbeitung einer Oberfläche (z. B. die erste Oberfläche 2 und/oder die zweite Oberfläche 3) zur Herausarbeitung der mechanischen Verzahnung. Bei solchen Varianten besteht die zweite Komponente aus einem dieser Materialien: Stahl und Keramik, während die polymere Verbundstruktur (z. B. 4) aus einem Duroplast-Harz und mehreren Verstärkungsmaterialien, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Kohlenstoff, Glasfaser und einer Kombination davon, bestehen kann. Bei bestimmten Varianten sind die Verfahren besonders nützlich, wenn die erste Metallkomponente ein Gehäuse einer Lagerbaugruppe ist und die zweite Komponente ein Abschnitt eines vorgespannten Lagerbauteils.
Die vorliegende Offenbarung betrachtet ebenfalls eine verbesserte Komponentenbaugruppe für ein Fahrzeug mit mindestens zwei Komponenten, die deutlich unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Die Baugruppe kann eine polymere Verbundstruktur einschließen, die über eine oder mehrere mechanische Verzahnung(en) entlang einzelner, diskontinuierlicher Bereiche des ersten planaren Metallbauteils montiert ist (z. B. ein Lagergehäuse). Das erste planare Metallbauteil kann eine erste Oberfläche und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche definieren. Eine zweite Komponente (z. B. ein Lagerteil) kann sich in der Nähe der gegenüberliegenden zweiten Oberfläche befinden. Das erste planare Metallbauteil hat möglicherweise eine erste lineare Wärmeausdehnung (CLTE) größer oder gleich ungefähr 20 × 10^–6/°C, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 24 × 10^–6/°C und bei bestimmten Varianten gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 26 × 10^–6/°C. Die zweite Komponente hat eine zweite CLTE kleiner als oder gleich etwa 20 × 10^–6/°C, gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 15 × 10^–6/°C, gegebenenfalls kleiner als oder gleich ungefähr 12 × 10^–6/°C, gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 10 × 10^–6/°C, gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 7 × 10^–6/°C, gegebenenfalls kleiner als oder gleich ungefähr 5 × 10^–6/°C und bei bestimmten Varianten gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 4 × 10^–6/°C. Die polymere Verbundstruktur hat eine dritte CLTE kleiner als oder gleich ungefähr 10 × 10^–6/°C und ein Modul von größer oder gleich ungefähr 40 GPa. Für bestimmte Aspekte ist die dritte CLTE gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 8 × 10^–6/°C, gegebenenfalls kleiner als oder gleich ungefähr 6 × 10^–6/°C, gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 4 × 10^–6/°C und bei bestimmten Varianten gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 2 × 10^–6/°C. Die polymere Verbundstruktur, die an einer oder mehreren der mechanischen Verzahnungen entlang einzelner, diskontinuierlicher Bereiche eines ersten planaren Metallbauteils montiert ist, reduziert die Längsausdehnung des ersten planaren Metallbauteils in zumindest eine Richtung, optional zwei Richtungen und minimiert die Spalttrennung der zweiten Oberfläche des ersten planaren Metallbauteils vom zweiten Teil. Wie zuvor erwähnt, kann bei bestimmten bevorzugten Varianten das erste planare Metallbauteil aus Aluminium, Magnesium oder Legierungen aus diesen bestehen, die zweite Komponente aus Stahl oder Keramik und die polymere Verbundstruktur aus Duroplast-Harz und mehreren Verstärkungsmaterialien aus der Gruppe Kohlestofffasern, Glasfasern und Kombinationen aus diesen bestehen.
Für bestimmte andere Aspekte besteht die vorliegende Offenbarung aus einer vorgespannten Lagerbaugruppe für ein Fahrzeug mit mindestens zwei Komponenten, die deutlich unterschiedliche lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Die vorgespannte Lagerbaugruppe kann eine polymere Verbundstruktur enthalten, die über eine oder mehrere mechanische Verzahnung(en) entlang einzelner, diskontinuierlicher Bereiche eines planaren Leichtmetallgehäuses montiert ist. Ein Lagerbauteil ist unter statischer Vorspannung in der Nähe einer zweiten Oberfläche des planaren Gehäuses gegenüber der der ersten Oberfläche angeordnet. Das planare Gehäuse hat einen ersten Koeffizienten der linearen Wärmeausdehnung (CLTE). Das Lagerbauteil weist eine zweite CLTE auf. Die polymere Verbundstruktur hat eine dritte CLTE und ein Modul von größer oder gleich ungefähr 40 GPa. Die erste CLTE ist größer als der zweite CLTE, insbesondere ist die erste CLTE größer oder gleich um ungefähr 25 % als die zweite CLTE oder kann auch jeden der oben zuvor erwähnten Werte haben. Die dritte CLTE ist kleiner als oder gleich die/der zweite(n) CLTE. Das planare Gehäuse kann eine erste CLTE größer oder gleich ungefähr 20 × 10^–6/°C haben, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 24 × 10^–6/°C und bei bestimmten Varianten gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 26 × 10^–6/°C. Die Lagerkomponente hat eine zweite CLTE kleiner als oder gleich etwa 20 × 10^–6/°C, gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 15 × 10^–6/°C, gegebenenfalls kleiner als oder gleich ungefähr 12 × 10^–6/°C, gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 10 × 10^–6/°C, gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 7 × 10^–6/°C, gegebenenfalls kleiner als oder gleich ungefähr 5 × 10^–6/°C und bei bestimmten Varianten gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 4 × 10^–6/°C. Die polymere Verbundstruktur hat eine dritte CLTE kleiner als oder gleich ungefähr 10 × 10^–6/°C und ein Modul von größer oder gleich ungefähr 40 GPa. Für bestimmte Aspekte ist die dritte CLTE gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 8 × 10^–6/°C, gegebenenfalls kleiner als oder gleich ungefähr 6 × 10^–6/°C, gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 4 × 10^–6/°C und bei bestimmten Varianten gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 2 × 10^–6/°C. Die am planaren Gehäuse montierte polymere Verbundstruktur reduziert die Wärmeausdehnung des planaren Gehäuses in zumindest eine lineare Richtung, optional zwei lineare Richtungen und minimiert die Spalttrennung der zweiten Oberfläche des Gehäuses von dem Lagerbauteil.
Für bestimmte Aspekte besteht das Gehäuse aus Aluminium, Magnesium oder einer Legierung aus diesen. Das Lagerteil kann aus Stahl oder Keramik bestehen. Die polymere Verbundstruktur besteht aus einem Duroplast-Harz und mehreren Verstärkungsmaterialien aus der Gruppe Kohlestofffasern, Glasfasern und Kombinationen aus diesen. Bei anderen Varianten ist das Lagerbauteil Teil eines Kegelrollenlagers. Für bestimmte Aspekte ist das Lagerbauteil ein Schrägkugellager.
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient lediglich der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie ist nicht erschöpfend und soll die Offenbarung in keiner Weise beschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern gegebenenfalls gegeneinander austauschbar und in einer ausgewählten Ausführungsform verwendbar, auch wenn dies' nicht gesondert dargestellt oder beschrieben ist. Auch diverse Variationen sind denkbar. Diese Variationen stellen keine Abweichung von der Offenbarung dar, und alle Modifikationen dieser Art verstehen sich als Teil der Offenbarung und fallen in ihren Schutzumfang.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe mit reduzierter Wärmeausdehnung in einer linearen Richtung mit mindestens zwei Komponenten, die deutlich unterschiedliche lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, umfassend: das Bilden von einer oder mehreren mechanischen Verzahnung(en) entlang einzelner, diskontinuierlicher Bereiche eines ersten planaren Metallbauteils mit einer ersten Oberfläche und einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche und einem ersten linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CLTE), worin sich die zweite Oberfläche des ersten planaren Metallbauteils in der Nähe einer zweiten Komponente mit einer zweiten CLTE befindet; das Anbringen einer polymeren Verbundstruktur mit einer dritten CLTE am ersten planaren Metallbauteil über eine oder mehrere mechanische Verzahnung(en) des ersten planaren Metallbauteils; worin die erste CLTE größer als die zweite CLTE ist, während die dritte CLTE kleiner als oder gleich die/der zweite(n) CLTE ist, sodass die polymere Verbundstruktur am ersten planaren Metallbauteil die Wärmeausdehnung des ersten planaren Metallbauteils in zumindest eine lineare Richtung reduziert und die Spalttrennung der zweiten Oberfläche des ersten planaren Metallbauteils von der zweiten Komponente minimiert.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die polymere Verbundstruktur ein Modul größer oder gleich ungefähr 40 GPa hat und die erste CLTE größer oder gleich um ungefähr 25 % als die zweite CLTE ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die erste CLTE größer oder gleich ungefähr 20 × 10^–6/°C, die zweite CLTE kleiner als oder gleich etwa 20 × 10^–6/°C und die dritte CLTE kleiner als oder gleich etwa 10 × 10^–6/°C ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die am ersten planaren Metallbauteil montierte polymere Verbundstruktur die Wärmeausdehnung des ersten planaren Metallbauteils in zwei lineare Richtungen reduziert, worin das erste planare Metallbauteil aus einem Metall aus der folgenden Gruppe besteht: Aluminium, Magnesium und Legierungen aus diesen, die zweite Komponente aus einem Material aus der folgenden Gruppe besteht: Stahl und Keramik und die polymere Verbundstruktur ein Duroplast-Harz und mehrere Verstärkungsmaterialien aus der folgenden Gruppe enthält: Kohlestofffasern, Glasfasern und Kombinationen aus diesen.
Verfahren nach Anspruch 1, worin eine oder mehrere mechanische Verzahnung(en) auf der ersten Oberfläche gebildet werden, der zweiten Oberfläche oder sowohl der ersten und der zweiten Oberfläche der planaren Metallkomponente und die eine oder mehreren mechanische(n) Verzahnung(en) durch Zerspanen gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Montage das Aufbringen eines Prepreg-Verbundwerkstoffs auf eine oder mehrere der mechanischen Verzahnung(en) des ersten planaren Metallbauteils umfasst, auf das die Aushärtung des Prepreg-Verbundwerkstoffs folgt, um die polymere Verbundstruktur zu formen.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche des ersten planaren Metallbauteils nicht umlaufend sind.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die eine oder mehreren mechanische(n) Verzahnung(en) vierseitige Bereiche, ringförmige Bereiche oder eine Kombination aus diesen formen.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die erste planare Metallkomponente ein Gehäuse einer Lagerbaugruppe ist und die zweite Komponente ein Abschnitt eines vorgespannten Lagerbauteils.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner die Komponentenbaugruppe in einem Fahrzeug einschließend.