DE102021130919A1

DE102021130919A1 - Koppelstange und Verfahren zum Herstellen

Info

Publication number: DE102021130919A1
Application number: DE102021130919.0A
Authority: DE
Inventors: Arne Busch; Eduardo González Pérez; Christian Friedrich
Original assignee: Muhr und Bender KG
Current assignee: Muhr und Bender KG
Priority date: 2021-11-25
Filing date: 2021-11-25
Publication date: 2023-05-25
Also published as: WO2023094508A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Koppelstange umfassend: ein Verbindungselement (3), das mittels eines Pultrusionsverfahrens aus einem faserverstärkten Kunststoff hergestellt ist, wobei das Verbindungselement (3) einen Strebenabschnitt (8) mit einer Längsachse (A3) und an zumindest einem Ende einen gegenüber dem Strebenabschnitt (8) umgeformten Verbindungsabschnitt (9, 9') aufweist; ein Gelenkelement (4, 5); ein mit dem Verbindungselement (3) und dem Gelenkelement (4, 5) verbundenes Trägerelement (6, 7), das durch Umspritzen aus Kunststoff hergestellt ist, wobei ein Formschluss zwischen dem Verbindungsabschnitt (9, 9') des Verbindungselements (3) und dem Trägerelement (6, 7) gebildet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Koppelstange.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Koppelstange für ein Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Koppelstange.
Eine Koppelstange dient dazu, den Stabilisator mit dem Fahrwerk eines Fahrzeugs zu verbinden. Die während der Fahrt auftretenden Auf- und Abwärtsbewegungen eines Rades werden über die Koppelstangen an den Stabilisator weitergegeben. Wenn die Kräfte zwischen den Rädern einer Achse unterschiedlich sind, wird der Stabilisator belastet. Bei Kurvenfahrt wird das Wanken des Fahrzeugs somit reduziert und die Fahrstabilität erhöht.
Koppelstangen können an ihren Enden Kugelgelenke aufweisen, über die sie mit dem Fahrwerk beziehungsweise Stabilisator verbunden sind. Koppelstangen werden auch als Pendelstütze, Stabilisatorstrebe, Drehstabgestänge oder Achsstrebe bezeichnet.
Aus der DE 10 2017 207 164 A1 , entsprechend WO 002018197136 A1 , ist eine Achsstrebe für ein Fahrzeug bekannt, die ein Tragprofil und zwei Lasteinleitelemente aufweist. Das Tragprofil ist aus Faserkunststoffverbundmaterial ausgebildet und weist zwei endseitige Verbindungsbereiche auf, mit denen jeweils ein Lasteinleitungselement durch Klebeverbindung verbunden ist. Das Tragprofil ist endlosfaserverstärkt aus faserverstärktem Kunststoff ausgeformt. Das Tragprofil ist kontinulierlich mittels eines Pultrusionsverfahrens oder mittels eines Pulwindingverfahrens hergestellt.
Aus der EP 3 283 279 B1 ist eine Pultrusionsvorrichtung zum Erzeugen eines faserverstärkten Endlosprofils mit einem in Pultrusionsrichtung diskontinuierlichen Querschnittsverlauf, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt.
Aus der DE 10 2019 218 124 B3 ist ein Verfahren zum formschlüssigen Verbinden eines Hohlkörpers aus faserverstärktem Kunststoff mit einem Metallkörper bekannt. Der Hohlkörper wird in eine Druckgussform eingebracht, in die anschließend eine Metallschmelze mit Druck eingebracht wird. Der Druck der Metallschmelze ist größer als der Druck im Innenraum des Hohlkörpers, sodass dessen Wandung in einem Verbindungsabschnitt aufgrund des Druckunterschieds unter Ausbildung einer Vertiefung bereichsweise eingedrückt wird. In die Vertiefung dringt Metallschmelze ein, die anschließend erstarrt und im erstarrten Zustand den Metallkörper bildet.
Aus der DE 10 2010 041 791 A1 ist ein Stabilisator mit einer Gelenkaufnahme bekannt, die einen Endbereich mit einer Ausnehmung aufweist, in die ein Verbindungselement formschlüssig eingreift. Das Ausgangsmaterial des Verbindungselements kann aus Metall und/oder faserverstärktem Kunststoff bestehen.
Aus der DE 10 2013 007 284 A1 ist eine Verbindungsstrebe bekannt, mit einem Stangenabschnitt und endseitigen Lageraugen. Die Verbindungsstrebe besteht zumindest teilweise aus faserverstärktem Kunststoff, welcher durch Prepregs gebildet wird.
Aus der EP 3 385 097 A1 ist ein Stabilisator für eine Kraftfahrzeugaufhängung bekannt. Der Stabilisator umfasst einen rohrförmigen Körper, der an seinen Enden jeweils zwei abgeflachte Bereiche aufweist, zwischen denen ein dichter Hohlraum gebildet ist, und ein Ummantelungskörper aus polymerem Material, der im Formgebungsprozess mit dem jeweiligen Ende des rohrförmigen Körpers verbunden wird, so dass er die abgeflachten Bereiche umgibt. Die endseitigen Ummantelungskörper weisen jeweils eine Gelenkverbindung auf.
Aus der DE 10 2014 220 796 A1 ist eine Gelenkstange für ein Kraftfahrzeug bekannt, mit einer als offenes Profil ausgebildeten Verbindungsstange und zwei über die Verbindungsstange miteinander verbundenen Gelenken. Die Gelenke umfassen jeweils ein Gelenkgehäuse und ein bewegbar in diesem gelagertes und sich aus diesem herauserstreckendes Gelenkinnenteil. Die Verbindungsstange ist mit ihren axialen Enden jeweils in eines der Gelenkgehäuse eingebettet.
Aus der EP 1 953 012 A2 ist eine Gelenkstange für Fahrzeuge bekannt, mit einem Strebenkörper, an dessen Enden jeweils ein Gelenk angeschlossen ist. Der Strebenkörper ist aus einem offenen Profil gebildet, und das Gelenk umfasst einen Kugelzapfen, der in einer dünnwandigen Gleitschale gelenkig gelagert ist. Das Ende des Strebenkörpers und die Gleitschale sind gemeinsam mit einer Kunststoffummantelung umspritzt.
Aus der EP 1 733 859 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Anschluss- und Kraftübertragungselement für Aufhängungs- und Lenkmechanismen von Kraftfahrzeugen mittels Überspritzung bekannt. Das Anschlusselement weist ein stabförmiges Mittelteil aus einem Material hoher mechanischer Festigkeit und ein Endteil aus Kunststoffmaterial auf, das auf einem Ende des Mittelteils überspritzt wird, so dass ein einstückiges Verbindungselement gebildet wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Koppelstange für ein Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs vorzuschlagen, die einfach herstellbar ist und ein geringes Gewicht aufweist. Die Aufgabe liegt weiter darin, ein entsprechendes Verfahren vorzuschlagen, mit dem eine solche Koppelstange einfach und effizient hergestellt werden kann.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Koppelstange für ein Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen, umfassend: ein Verbindungselement, das mittels eines Pultrusionsverfahrens aus einem faserverstärkten Kunststoff hergestellt ist, wobei der faserverstärkte Kunststoff in eine Matrix eingebettete Endlosfasern umfasst, die sich in eine Längsrichtung des Verbindungselements erstrecken, wobei das Verbindungselement einen Strebenabschnitt mit einer Längsachse und an zumindest einem Ende einen gegenüber dem Strebenabschnitt umgeformten Verbindungsabschnitt aufweist; ein Gelenkelement; und ein mit dem Verbindungselement und dem Gelenkelement verbundenes Trägerelement, das durch Umspritzen aus Kunststoff hergestellt ist, wobei eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Verbindungsabschnitt des Verbindungselements und dem Trägerelement gebildet ist.
Ein Vorteil der Koppelstange ist, dass diese durch Verwendung von faserverstärktem Kunststoff ein geringes Gewicht aufweist und mittels des Pultrusionsverfahrens einfach herstellbar ist. Dabei kann der umgeformte Verbindungsabschnitt, welcher von einer kontinuierlichen Langform mit konstantem Querschnitt abweicht, im Wege des Pultrusionsverfahrens hergestellt werden. Durch den umgeformten Verbindungsabschnitt kann eine sichere Verbindung zum angespritzten Trägerelement beziehungsweise dem darin aufgenommenen Gelenkelement hergestellt werden.
Die Koppelstange weist zumindest an einem Ende einen gegenüber dem Strebenabschnitt umgeformten Verbindungsabschnitt auf, was die Möglichkeit mit einschließt, dass auch beide Enden einen umgeformten Verbindungsabschnitt aufweisen können. Im Rahmen des Umspritzens mit Kunststoff kann das Gelenkelement mit seiner Gelenkachse nach Bedarf positioniert und so mit dem Stangenelement verbunden werden. Das angespritzte Trägerelement dient zum Verbinden des Gelenkelements mit dem Stangenelement und zur Aufnahme des Gelenkelements; insofern kann das Trägerelement auch als Gelenkaufnahme bezeichnet werden. Bei Verwendung von zwei Gelenkelementen können diese entsprechend in beliebigen Winkeln zueinander positioniert werden, das heißt zwischen 0° und 180° in Bezug auf die Längsachse der Koppelstange.
Das Gelenkelement weist ein im Trägerelement aufgenommenes Lagerteil und ein mit einem Fahrwerksteil verbindbares Anschlussteil auf. Die Ausgestaltung des Gelenkelements ist beliebig und kann je nach Anforderung gewählt werden. Beispielsweise kann die Koppelstange zumindest ein aus einem metallischen Werkstoff hergestelltes Gelenkelement aufweisen, mit einem Kugelabschnitt als Lagerteil und einem Zapfenabschnitt als Anschlussteil. Dabei kann das Gelenkelement mit oder ohne Kugelschale ausgeführt werden beziehungsweise in die Gelenkaufnahme aus Kunststoff eingebettet sein. Alternativ oder ergänzend kann die Koppelstange zumindest ein aus einem elastischen Material hergestelltes Gelenkelement aufweisen. Das elastische Gelenkelement kann ein elastisches Lagerteil und eine hiermit verbundene starre Hülse als Anschlussteil aufweisen. Das elastische Lagerteil kann beispielsweise aus Gummi hergestellt sein und mit dem Trägerelement durch Umspritzen oder Einpressen verbunden werden. Die Hülse ist vorzugsweise aus Metall, beispielsweise Aluminium oder Stahl hergestellt, und kann in das Lagerteil eingesteckt werden. Alternativ kann das Lagerteil an die Hülse anvulkanisiert werden. Nach einer möglichen Ausgestaltung weist der umgeformte Verbindungsabschnitt eine kleinste Quererstreckung im Querschnitt auf, der kleiner ist als das 0,5-fache, insbesondere kleiner als das 0,75-fache des kleinsten Durchmessers des Strebenabschnitts. Ein Umformbereich ist insbesondere so gestaltet, dass damit eine formschlüssige Verbindung in axialer Richtung sowie gegen Verdrehen gegenüber dem angespritzten Trägerelement hergestellt ist. Nach einer möglichen Ausgestaltung kann eine Querschnittsfläche des umgeformten Verbindungsabschnitts von einer Querschnittsfläche des Strebenabschnitts um weniger als 25 %, insbesondere weniger als 10 % abweichen. Hierdurch wird eine homogene Struktur der Endlosfasern über die gesamte Länge des Verbindungselements erreicht, was zu einer hohen Belastbarkeit und langen Lebensdauer führt.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verbindungselement zumindest im Strebenabschnitt als Hohlprofil gestaltet, wobei eine Ausgestaltung als Vollprofil auch möglich ist. Bei Herstellung als Hohlprofil ist die Wandstärke vorzugsweise größer als 2 mm und/oder kleiner als 4 mm. Ein Verbindungsabschnitt kann durch radiales Eindrücken des Hohlprofils hergestellt werden, so dass eine Einschnürung erzeugt wird. Das Eindrücken kann derart erfolgen, dass das Hohlprofil in diesem Abschnitt geschlossen wird, insbesondere dadurch, dass im Querschnitt zwei einander gegenüberliegende Wandungsabschnitte miteinander verbunden werden. Durch das Schließen des Hohlprofils im Verbindungsabschnitt wird verhindert, dass beim Anspritzen des Gelenkelements Kunststoff ungewünscht in den Hohlraum des Verbindungselements eindringt.
Die Matrix des faserverstärkten Kunststoffs kann ein Duroplast oder ein Thermoplast sein. Die Kunststoffumspritzung wird vorzugsweise aus einem Thermoplasten hergestellt. Die Endlosfasern können Glasfasern (GF) und/oder Carbonfasern (CF) und/oder Aramidfasern (AF) und/oder Naturfasern oder Kombinationen der genannten Fasern umfassen. Die Endlosfasern sind entlang des Verbindungselements beziehungsweise zumindest des Strebenabschnitts unidirektional oder quasi-isotrop angeordnet. Sie können sich über die gesamte Länge von einem Ende zum anderen Ende des Verbindungselements erstrecken. Das Verbindungselement kann im Strebenabschnitt einen Faservolumenanteil am Gesamtvolumen von zwischen 50 % und 70 % aufweisen. Im an den Strebenabschnitt anschließenden Verbindungsabschnitt kann der Matrixanteil etwas reduziert sein, so dass der Faservolumenanteil hier beispielsweise zwischen 50 % und 80 % liegen kann.
Der Verbindungsabschnitt kann nach einer ersten Ausführungsform so gestaltet sein, dass er vor dem Gelenkkopf endet. Dabei weist der umgeformte Verbindungsabschnitt vorzugsweise mindestens eine querschnittsreduzierende Einformung auf, welche die formschlüssige Verbindung mit dem angespritzten Trägerelement bildet. Es können auch mehrere, axial voneinander beabstandete Einformungen vorgesehen sein, die beispielsweise um das 0,5 bis 2-fache des Durchmessers des Strebenabschnitts axial voneinander versetzt sein können. Bei Verwendung eines Hohlprofils ist das Ende des Verbindungsabschnitts vorzugsweise geschlossen, um beim Anspritzen des zugehörigen Gelenkelements ein Eindringen von Kunststoff zu verhindern.
Nach einer alternativen Ausführungsform kann der umgeformte Verbindungsabschnitt so gestaltet sein, dass er sich in Seitenansicht bis zum Lagerteil beziehungsweise Gelenkkopf erstreckt. Dabei kann der Verbindungsabschnitt des Verbindungselements das Lagerteil beziehungsweise den Kugelabschnitt des Gelenkkopfs über einen Winkelbereich von mindestens 90°, insbesondere mindestens 180° und/oder bis zu 360°, um die Gelenkachse umgreifen. Auf diese Weise wird eine Verstärkung des Verbindungsbereichs gewährleistet.
Das Gelenkelement kann einen Zapfenabschnitt aufweisen, der mit dem Kugelabschnitt fest verbunden ist, wobei ein Dichtbalg vorgesehen ist, welcher den Zapfenabschnitt gegenüber dem angespritzten Trägerelement abdichtet. Dabei ist der Balg mit einem ersten Bund am Zapfenabschnitt und mit einem zweiten Bund am Trägerelement abdichtend fixiert.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer Koppelstange, mit den Schritten: Herstellen eines Endlosprofils mittels Pultrusion im kontinuierlichen Verfahren aus in einer Kunststoffmatrix eingebetteten Endlosfasern, wobei das Endlosprofil zumindest teilweise gehärtet wird, wobei das Endlosprofil in zweiten Teilabschnitten mit einer höheren Duktilität beziehungsweise Umformbarkeit versehen wird als in gehärteten ersten Teilabschnitten; Umformen des Endlosprofils in den zweiten Teilabschnitten, so dass umgeformte Bereiche entstehen; Härten der zweiten Teilabschnitte nach dem Umformen, so dass das Endlosprofil vollständig gehärtet ist; Schneiden des vollständig gehärteten Endlosprofils zu einem Verbindungselement, das einen Strebenabschnitt und zumindest einen umgeformten Verbindungsabschnitt aufweist; Bereitstellen eines Gelenkelements mit einem Lagerteil und einem Anschlussteil; Einlegen und Ausrichten des Verbindungselements und des Gelenkelements in einem Spritzwerkzeug, wobei um den Verbindungsabschnitt des Verbindungselements ein Formhohlraum gebildet wird; und Einspritzen von Kunststoff in den Formhohlraum, wobei durch Aushärten des eingespritzten Kunststoffs eine formschlüssige Verbindung zwischen dem so gebildeten Trägerelement und dem Verbindungsabschnitt des Verbindungselements gebildet wird.
Mit dem Verfahren werden analog dieselben Vorteile erzielt, wie oben im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Koppelstange beschrieben. Es versteht sich, dass die bezüglich des Erzeugnisses beschriebenen Merkmale sinngemäß auf das Verfahren übertragbar sind, und umgekehrt.
Zum Erzeugen der umgeformten Bereiche sind zwei Verfahrensführungen möglich. Nach einer ersten Option, welche insbesondere für eine duroplastische Matrix gilt, wird das Endlosprofil soweit gehärtet, dass es bereits formstabil ist, aber noch so duktil, dass es in Teilbereichen durch eine äußere Kraft umgeformt werden kann. Nach dem Umformen wird das Endlosprofil dann insbesondere durch eine Wärmezufuhr vollständig gehärtet. Nach einer zweiten Option, die insbesondere für eine thermoplatische Matrix gilt, wird das Endlosprofil zunächst vollständig gehärtet und anschließend die zweiten Teilabschnitte durch Erwärmen wieder weicher gemacht, so dass sie umformbar sind. Nach dem Umformen der zweiten Teilabschnitte werden diese dann erneut abgekühlt und dadurch gehärtet, so dass das Endlosprofil vollständig gehärtet ist.
Nach einer möglichen Verfahrensführung kann der Verbindungsabschnitt des Verbindungselements vor dem Umspritzen einer strukturgebenden Oberflächenbearbeitung unterzogen werden. Hierdurch wird die Oberfläche vergrößert, womit eine verbesserte Fügeverbindung zum angespritzten Kunststoff erreicht wird. Die Oberflächenbearbeitung kann beispielsweise durch mechanisches Einbringen einer Mikroverzahnung bewerkstelligt werden. Dies kann insbesondere im Rahmen der Umformung mittels einer geeigneten formgebenden Struktur des Umformwerkzeugs erfolgen. Alternativ kann die Oberflächenbearbeitung auch durch teilweises Abtragen der oberen Kunststoffschicht erfolgen, beispielsweise durch eine Laserbearbeitung. Vorzugsweise werden mindestens 50 % der zu umspritzenden Oberfläche entsprechend strukturgebend behandelt, insbesondere mindestens 75 %. Die erzeugte Struktur kann eine Rauigkeit von beispielsweise mehr als 100 Mikrometern und weniger als 1 mm haben. Alternativ oder ergänzend zur strukturgebenden Oberflächenbearbeitung kann der Verbindungsabschnitt mit einem Haftvermittler versehen werden. So wird neben der formschlüssigen auch eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt, was zu einer besonders zuverlässigen Verbindung führt.
Bei Verwendung eines Kugelgelenks kann im Rahmen des Umspritzens optional auch eine Lagerschale für die Gelenkkugel mit eingespritzt beziehungsweise überspritzt werden.
Bevorzugte Ausführungsformen werden nachstehend anhand der Zeichnungsfiguren erläutert. Hierin zeigt:

1A eine erfindungsgemäße Koppelstange in einer ersten Ausführungsform in Seitenansicht, teilweise geschnitten;
1B ein erstes Ende der Koppelstange aus 1A als Detail in vergrößerter Darstellung, ohne Dichtung;
1C ein zweites Ende der Koppelstange aus 1A als Detail in vergrößerter Darstellung im Längsschnitt, ohne Dichtung;
1D das Verbindungselement der Koppelstange aus 1A in perspektivischer Darstellung, teilweise geschnitten;
1E das Ende des Verbindungselements aus 1D in vergrößerter Darstellung;
2 das Ende einer erfindungsgemäßen Koppelstange in einer gegenüber der in 1 gezeigten Ausführungsform leicht abgewandelten Ausführung;
3A eine erfindungsgemäße Koppelstange in einer weiteren Ausführungsform in Seitenansicht, teilweise geschnitten;
3B das Verbindungselement der Koppelstange aus 3A in perspektivischer Darstellung, teilweise geschnitten;
3C das Ende des Verbindungselements aus 3B in vergrößerter Darstellung;
4 eine erfindungsgemäße Koppelstange in einer weiteren Ausführungsform im Längsschnitt, teilweise in Explosionsdarstellung; und
5 eine erfindungsgemäße Koppelstange in einer weiteren Ausführungsform teilweise geschnitten.

Die 1 A bis 1 E, welche zusammenfassend auch als 1 bezeichnet und im Folgenden gemeinsam beschrieben werden, zeigen eine erfindungsgemäße Koppelstange 2 in einer ersten Ausführungsform. Die Koppelstange 2 kann beispielsweise für ein Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs verwendet werden, um einen Achs-Stabilisator mit dem Fahrwerk zu verbinden.
Die Koppelstange 2 umfasst ein Verbindungselement 3 aus einem faserverstärkten Kunststoff, an dessen Enden jeweils ein Gelenkelement 4, 5 mittels eines angespritzten Trägerelements 6, 7 befestigt ist.
Das Verbindungselement 3 ist mittels eines Pultrusionsverfahrens aus endlosfaserverstärktem Kunststoff hergestellt. Dabei umfasst das Verbindungselement in eine Matrix 23 eingebettete Endlosfasern 22, die sich über die Länge des Verbindungselements erstrecken. Bei der Pultrusion wird in einem kontinuierlichen Prozess durch gezielte Verbindung von Faserverstärkungen und Harzsystemen das Profil des Verbindungselements 3 hergestellt. Das Verbindungselement 3 ist vorliegend als Hohlprofil gestaltet, ohne darauf eingeschränkt zu sein, und umfasst einen Strebenabschnitt 8 und an den beiden Enden umgeformte Verbindungsabschnitte 9, 9'. Die Wandstärke des Hohlprofils kann entsprechend der technischen Anforderungen gewählt werden und beispielsweise zwischen 2 mm und 4 mm im Strebenabschnitt betragen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die umgeformten Verbindungsabschnitte 9, 9' jeweils durch Eindrücken des Hohlprofils an mehreren axial zueinander beabstandeten Stellen hergestellt. Im Längsschnitt betrachtet entsteht so ein doppelwellenförmiges Profil, mit verjüngten Bereichen 10, 11 und jeweils dazwischen liegenden erweiterten Bereich 12. Die Umformungen können im Zuge des Pultrusionsverfahrens in einem teilgehärteten Zustand erzeugt werden, das heißt, bevor diese umgeformten Bereiche vollständig gehärtet werden. Mit der Abfolge aus den verjüngten beziehungsweise abgeflachten Bereichen 10, 11 und dem dazwischen liegenden erweiterten Profilbereich 12 wird eine sichere Formschlussverbindung zum Trägerelement 6, 7 hergestellt, und zwar sowohl in axialer Richtung sowie gegen Verdrehen.
Die Matrix 23 des faserverstärkten Kunststoffs kann ein Duroplast oder ein Thermoplast sein. Die Endlosfasern 22 können Glasfasern (GF) und/oder Carbonfasern (CF) und/oder Aramidfasern (AF) und/oder Naturfasern oder Kombinationen der genannten Fasern umfassen. Die Endlosfasern sind entlang des Verbindungselements 3 beziehungsweise des Strebenabschnitts 8 vorzugsweise unidirektional oder quasi-isotrop angeordnet. Im Strebenabschnitt 8 liegt der Faservolumenanteil am Gesamtvolumen aus Fasern 22 und Matrix 23 zwischen 50 % und 70 %. Im Verbindungsabschnitt kann der Matrixanteil aufgrund der Umformung etwas reduziert sein, so dass sich hier ein Faservolumenanteil von beispielsweise zwischen 50 % und 80 % ergeben kann. Die Querschnittsfläche S9 des Verbindungsabschnitts 9, 9' kann der Querschnittsfläche S8 des Strebenabschnitts 8 im Wesentlichen entsprechen, wobei Abweichungen von weniger als 25 %, insbesondere von weniger als 10 %, möglich sind.
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform endet der Verbindungsabschnitt 9, 9' vor dem Gelenkelement 4, 5, wobei die formschlüssige Verbindung zwischen den genannten Komponenten durch das umspritzte Trägerelement 6, 7 gebildet wird. Die Gelenkelemente 4, 5 sind in der vorliegenden Ausführung in Form von Kugelzapfen gestaltet, die jeweils aus einem metallischen Werkstoff hergestellt sind, und einen Kugelabschnitt als Lagerteil 13 und einen Zapfenabschnitt als Anschlussteil 14 aufweisen. Bei der vorliegenden Ausführung wird eine Kugelschale 21 mit in das jeweilige Trägerelement 6, 7 eingespritzt, in welcher der Kugelabschnitt 13 schwenkbar gelagert ist.
Das Gelenkelement 4, 5 wird durch Umspritzen mit Kunststoff an dem Verbindungselement 3 angebracht. Dabei bildet der umspritzte Kunststoff in ausgehärtetem Zustand das Trägerelement 6, 7, das einerseits formschlüssig mit dem Verbindungselement 3 verbunden ist und andererseits eine Aufnahme für ein zugehöriges Gelenkelement bildet. Für die Kunststoffumspritzung wird vorzugsweise ein thermoplastischer Kunststoff verwendet. Im Rahmen des Umspritzens wird das jeweilige Gelenkelement 4, 5 mit seiner Gelenkachse A4, A5 nach Bedarf positioniert und so mit dem Verbindungselement 3 verbunden. Die beiden Gelenkelemente 4, 5 können in beliebigen Winkeln zueinander positioniert werden, wobei die beiden Gelenkachsen A4, A5, in Axialansicht auf die Längsachse der Koppelstange betrachtet, einen Winkel zwischen 0° und 180° miteinander einschließen können.
Der Gelenkraum kann mittels einer Dichtung 15, 15' abgedichtet werden. Am ersten Ende in 1A ist die Dichtung 15 in Explosionsdarstellung gezeigt, und am zweiten Ende ist die Dichtung 15' montiert dargestellt. Die Dichtung 15, 15' umfasst einen Dichtbalg 16, 16', der mit einem ersten Bund auf eine Ringnut 17 des Trägerelements 6, 7 aufgezogen und mittels eines Sicherungsrings 18, 18' abdichtend befestigt wird, und mit einem zweiten Bund in eine Ringnut 19 des Gelenkelements 4, 5 eingreift und mittels eines Sicherungsrings 20, 20' abdichtend befestigt wird.
Ein Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Koppelstange 2 kann folgende Schritte umfassen: Es wird ein Endlosprofil mittels Pultrusion im kontinuierlichen Verfahren aus in einer Kunststoffmatrix 23 eingebetteten Endlosfasern 22 hergestellt. Das Endlosprofil wird gehärtet, wobei zumindest Teilbereiche noch umformbar sind beziehungsweise wieder umformbar gemacht werden, welche später die Verbindungsabschnitte 9 bilden. Nach dem teilweisen Härten werden die Verbindungsabschnitte 9 durch Umformen in das Endlosprofil eingeformt. Das Endlosprofil wird vollständig gehärtet und anschließend zu einem Verbindungselement 3 mit Strebenabschnitt 8 und Verbindungsabschnitt 9 abgelängt. Das Verbindungselement 3 und ein vorgefertigtes Gelenkelement 4, 5 werden in ein Spritzwerkzeug eingelegt und zueinander in die gewünschte Position ausgerichtet. In den so gebildeten Formhohlraum wird Kunststoff eingespritzt, welcher dann zum Trägerelement 7 aushärtet. Auf diese Weise ist eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Trägerelement 7 und dem Verbindungsabschnitt 9 des Verbindungselements 3 gebildet.
Die 2 zeigt den Endabschnitt einer erfindungsgemäßen Koppelstange in einer abgewandelten Ausführungsform, bei der im Trägerelement 6, 7 keine Kugelschale vorgesehen ist. Vielmehr ist der Kugelabschnitt 13 unmittelbar in einer kugeligen Innenfläche 24 des Trägerelements 6 schwenkbar gelagert. Im Übrigen entspricht die vorliegende Ausführung nach 2 der in 1 gezeigten, auf deren Beschreibung insofern abkürzend verwiesen wird.
Die 3A bis 3C, gemeinsam auch als 3 bezeichnet, zeigen eine erfindungsgemäße Koppelstange in einer weiteren Ausführungsform. Diese entspricht weitestgehend der in 1 gezeigten Ausführung, auf deren Beschreibung insofern verwiesen wird. Dabei sind gleiche beziehungsweise einander entsprechende Einzelheiten mit gleichen Bezugszeichen versehen, wie in 1.
Eine Besonderheit der Ausführungsform nach 3 ist die Ausgestaltung der Verbindungsabschnitte 9, 9' an den Enden des Verbindungselements 3, die C-förmig umgeformt sind, so dass sie den Kugelabschnitt des jeweiligen Gelenkelements umgreifen und eine Verstärkung hierfür bilden. Die Verbindungsabschnitte 9, 9' sind dabei vorzugsweise so gestaltet, dass sie den Kugelabschnitt des Gelenkkopfs über einen Winkelbereich von mindestens 90°, insbesondere mindestens 180°, um die Gelenkachse A4, A5 umgreifen. Auf diese Weise wird eine effektive Verstärkung des Verbindungsbereichs und gute Kraftabstützung vom Gelenkelement 4, 5 in das Verbindungselement 3 gewährleistet.
Die 4 zeigt eine erfindungsgemäße Koppelstange in einer weiteren Ausführungsform. Diese entspricht weitestgehend der in 3 gezeigten Ausführung, auf deren Beschreibung insofern verwiesen wird. Dabei sind gleiche beziehungsweise einander entsprechende Einzelheiten mit gleichen Bezugszeichen versehen, wie in den obigen Figuren.
Eine Besonderheit der Ausführungsform nach 4 ist, dass die beiden Gelenkelemente 4, 5' unterschiedlich gestaltet sind. Dabei ist das eine Gelenkelement 4, hier auf der linken Seite, als Kugelgelenk so gestaltet, wie in der Ausführungsform gemäß 3 gezeigt. Das andere Gelenkelement 5', hier auf der rechten Seite, ist in Form eines elastischen Gelenks gestaltet. Das elastische Gelenkelement 5' umfasst ein elastisches Lagerteil 13" und ein hiermit verbundenes Anschlussteil 14" in Form einer starren Hülse. Das elastische Lagerteil 13" kann beispielsweise aus Gummi hergestellt sein und mit dem Trägerelement 7 durch Umspritzen oder Einpressen verbunden werden. Das elastische Lagerteil 13" kann eine umlaufende, insbesondere konkave Ausnehmung 25 aufweisen, die vom Ringabschnitt des Trägerelements 7 umgriffen wird. Das Verbindungselement 3 kann wie bei der Ausführungsform gemäß 3 mit zwei C-förmigen Verbindungsabschnitten 9, 9' gestaltet sein. Dabei ist der dem elastischen Gelenk 5' zugeordnete Verbindungsabschnitt in das Trägerelement 7 eingebettet und umgreift das elastische Lagerteil 13" weitestgehend. Die Hülse ist vorzugsweise aus Metall, beispielsweise Aluminium oder Stahl hergestellt. Die Hülse kann in das Lagerteil 13" eingesteckt werden. Alternativ kann das Lagerteil 13" an die Hülse anvulkanisiert werden.
Die 5 zeigt eine erfindungsgemäße Koppelstange in einer weiteren Ausführungsform. Diese entspricht weitestgehend der in 4 gezeigten Ausführung, auf deren Beschreibung insofern verwiesen wird. Dabei sind gleiche beziehungsweise einander entsprechende Einzelheiten mit gleichen Bezugszeichen versehen, wie in den obigen Figuren.
Die Besonderheit der Ausführungsform nach 5 ist, dass die beiden Gelenkelemente 4', 5' als elastische Gelenke wie in 4, rechte Seite, ausgestaltet sind. Beide Gelenke sind gleich gestaltet, wobei die linke Seite geschnitten dargestellt ist, mit Hülse in Explosionsdarstellung, während die rechte Seite in Seitenansicht gezeigt ist.
Bezugszeichenliste

2: Koppelstange
3: Verbindungselement
4, 4': Gelenkelement
5, 5': Gelenkelement
6: Trägerelement
7: Trägerelement
8: Strebenabschnitt
9, 9': Verbindungsabschnitt
10, 10': Bereich
11, 11': Bereich
12, 12': Bereich
13, 13', 13": Lagerteil
14, 14', 14": Anschlussteil
15, 15': Dichtung
16, 16': Dichtbalg
17: Ringnut
18, 18': Sicherungsring
19: Ringnut
20, 20': Sicherungsring
21, 21': Kugelschale
22: Fasern
23: Matrix
24: Innenfläche
25: Ausnehmung
A: Achse
D: Durchmesser
S: Fläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017207164 A1 [0004]
WO 002018197136 A1 [0004]
EP 3283279 B1 [0005]
DE 102019218124 B3 [0006]
DE 102010041791 A1 [0007]
DE 102013007284 A1 [0008]
EP 3385097 A1 [0009]
DE 102014220796 A1 [0010]
EP 1953012 A2 [0011]
EP 1733859 A1 [0012]

Claims

Koppelstange, insbesondere für ein Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs, umfassend: ein Verbindungselement (3), das mittels eines Pultrusionsverfahrens aus einem faserverstärkten Kunststoff hergestellt ist, wobei der faserverstärkte Kunststoff in eine Matrix (23) eingebettete Endlosfasern (22) umfasst, die sich in eine Längsrichtung des Verbindungselements (3) erstrecken, wobei das Verbindungselement (3) einen Strebenabschnitt (8) mit einer Längsachse (A3) und an zumindest einem Ende einen gegenüber dem Strebenabschnitt (8) umgeformten Verbindungsabschnitt (9, 9') aufweist, ein Gelenkelement (4, 4', 5, 5'), ein mit dem Verbindungselement (3) und dem Gelenkelement (4, 4', 5, 5') verbundenes Trägerelement (6, 7), das durch Umspritzen aus Kunststoff hergestellt ist, wobei ein Formschluss zwischen dem Verbindungsabschnitt (9, 9') des Verbindungselements (3) und dem Trägerelement (6, 7) gebildet ist.
Koppelstange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (23) des faserverstärkten Kunststoffs ein Duroplast oder ein Thermoplast ist.
Koppelstange nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (3) zumindest im Strebenabschnitt (8) als Hohlprofil gestaltet ist, wobei die Wandstärke des Hohlprofils insbesondere größer als 2 mm und kleiner als 4 mm ist.
Koppelstange nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Endlosfasern (22) entlang des Verbindungselements (3) unidirektional angeordnet sind.
Koppelstange nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (6, 7) aus einem thermoplastischen Kunststoff hergestellt ist.
Koppelstange nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Trägerelement (6, 7) und dem Verbindungsabschnitt (9, 9') des Verbindungselements (3) eine stoffschlüssige Verbindung vorgesehen ist, die mittels eines auf den Verbindungsabschnitt (9, 9') vor dem Umspritzen aufgebrachten Haftvermittlers erzeugt ist, und/oder der Verbindungsabschnitt (9, 9') vor dem Umspritzen mit einer Oberflächenstruktur versehen ist.
Koppelstange nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsabschnitt (9, 9') mindestens eine querschnittsreduzierende Einformung (10, 11) umfasst, wobei die kleinste Querschnittserstreckung (D9) im Bereich der Einformung (10, 11) kleiner ist als das 0,5-fache des kleinsten Durchmessers (D8) des Strebenabschnitt (8).
Koppelstange nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenkelement (4, 5) einen Kugelabschnitt (13, 13') und einen Zapfenabschnitt (14, 14') aufweist, wobei der Verbindungsabschnitt (9, 9') so gestaltet ist, dass er den Kugelabschnitt (13, 13') über einen Winkelbereich von mindestens 90°, insbesondere mindestens 180°, um die Gelenkachse (A4, A5) umgreift, und/oder dass das Gelenkelement (4', 5') ein elastisches Lagerteil (13") und ein Anschlussteil (14") aufweist, wobei der Verbindungsabschnitt (9, 9') so gestaltet ist, dass er das elastische Lagerteil (13") über einen Winkelbereich von mindestens 90°, insbesondere mindestens 180°, um die Gelenkachse (A4, A5) umgreift.
Koppelstange nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamtquerschnittsfläche (S9) des Verbindungsabschnitts (9, 9') von einer Gesamtquerschnittsfläche (S8) des Strebenabschnitts (8) um weniger als 25 % abweicht.
Koppelstange nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (3) im Strebenabschnitt (8) einen Faservolumenanteil am Gesamtvolumen aufweist, der zwischen 50 % und 70 % beträgt, wobei der Faservolumenanteil des Verbindungselements (3) im Verbindungsabschnitt (9, 9') gleich groß oder größer dem Faservolumenanteil im Strebenabschnitt (8) ist.
Koppelstange nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche des Verbindungsabschnitts (9, 9') eine höhere Rauigkeit aufweist als eine Oberfläche des Strebenabschnitts (8).
Koppelstange nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenkelement (4, 5) mittels eines Dichtbalgs (16, 16') abgedichtet ist, wobei ein erster Bund des Dichtbalgs mit dem Trägerelement (6, 7) verbunden ist, und ein zweiter Bund des Dichtbalgs mit dem Zapfenabschnitt (14, 14') des Gelenkelements (4, 5) verbunden ist.
Verfahren zum Herstellen einer Koppelstange, umfassend: Herstellen eines Endlosprofils mittels Pultrusion im kontinuierlichen Verfahren aus in einer Kunststoffmatrix (23) eingebetteten Endlosfasern (22), wobei das Endlosprofil soweit gehärtet wird, dass es mindestens in Teilabschnitten eine höhere Duktilität vorliegt, so dass diese umformbar sind; Umformen des Endlosprofils in den duktilen Teilabschnitten, so dass umgeformte Bereiche (10, 11) entstehen; Härten der umgeformten Teilabschnitte nach dem Umformen, so dass das Endlosprofil vollständig gehärtet ist; Schneiden des vollständig gehärteten Endlosprofils zu einem Verbindungselement (3), das einen Strebenabschnitt (8) und zumindest einen umgeformten Verbindungsabschnitt (9, 9') aufweist; Bereitstellen eines Gelenkelements (4, 5); Einlegen und Ausrichten des Verbindungselements (3) und des Gelenkelements (4, 5) in einem Spritzwerkzeug, wobei um den Verbindungsabschnitt (9, 9') des Verbindungselements (3) ein Formhohlraum gebildet wird; Einspritzen von Kunststoff in den Formhohlraum, wobei durch Aushärten des eingespritzten Kunststoffs eine formschlüssige Verbindung zwischen dem so gebildeten Trägerelement (6, 7) und dem Verbindungsabschnitt (9, 9') des Verbindungselements (3) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Duroplast als Matrix (23) für den faserverstärkten Kunststoff verwendet wird, wobei die Pultrusion mit den Schritten Teilhärten des Endlosprofils, Umformen der duktilen Teilabschnitte und vollständiges Härten durchgeführt wird, oder dass ein Thermoplast als Matrix (23) für den faserverstärkten Kunststoff verwendet wird, wobei die Pultrusion mit den Schritten vollständiges Härten des Endlosprofils, Erwärmen von Teilabschnitte, so dass diese umformbar werden, Umformen der erwärmten Teilabschnitte, und zweites Härten durch Abkühlen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsabschnitt (9, 9') des Verbindungselements (3) vor dem Umspritzen einer strukturgebenden Oberflächenbearbeitung unterzogen und/oder mit einem Haftvermittler versehen wird.