DE202010000305U1

DE202010000305U1 - Spindelmutter eines Spindelantriebs aus gefülltem Kunststoff

Info

Publication number: DE202010000305U1
Application number: DE202010000305U
Authority: DE
Original assignee: C Rob Hammerstein GmbH
Current assignee: Adient Luxembourg Holding SARL
Priority date: 2010-02-16
Filing date: 2010-03-03
Publication date: 2010-09-09
Anticipated expiration: 2020-03-04

Abstract

Spindelmutter eines Spindelantriebs für Kraftfahrzeuge, insbesondere für Kraftfahrzeugsitze und Lenksäulenmodule, die aus einem thermoplastischen Kunststoff im Spritzgussverfahren hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff mit Fasern (42) gefüllt ist, und dass die Fasern (42) eine Länge von mindestens 5 mm, vorzugsweise mindestens 8 mm und insbesondere nicht kürzer als 10 mm aufweisen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spindelmutter eines Spindelantriebs für Kraftfahrzeuge, insbesondere für Kraftfahrzeugsitze und Lenksäulenmodule, die aus einem thermoplastischen Kunststoff im Spritzgussverfahren hergestellt ist, und auf eine hierfür geeignete Spritzgussmasse.
Ein derartiger Spindelantrieb mit einer derartigen Spindelmutter ist beispielsweise aus der US 4,802,374 A vorbekannt. Die Kunststoffmutter ist aus einem harten Plastikmaterial hergestellt. Der Spindelantrieb betätigt eine Verstellvorrichtung; z. B. eines Kraftfahrzeugsitzes, einer Lenksäulenverstellvorrichtung oder dergl..
Bei dem aus der EP 1 103 411 B1 bekannten Spindelantrieb hat die Spindelmutter eine randseitige metallische Verstärkung durch je ein topfförmiges Verstärkungsteil, sie ist aus Kunststoff gefertigt. Sie ist im Spritzgussverfahren herstellbar.
Es ist grundsätzlich bekannt, siehe beispielsweise Saechtling, Kunststofftaschenbuch, 28. Ausgabe, Kunststoffe durch Verstärkungsfasern zu armieren bzw. zu füllen. Als Verstärkungsfasern sind Glasfasern bekannt. Glasfilamente in Form von 5 bis 25 Mikrometer dicken Elementarfäden werden im Düsenziehverfahren endlos hergestellt. Kurze Stapelfasern können durch Abblasen der aus der Düse austretenden Fasern hergestellt werden. Es gibt verschiedene Glasqualitäten, die gemeinsam mit dem Kunststoff spezielle, gewünschte Eigenschaften bilden, so beispielsweise den Elastizitätsmodul und/oder die Bruchdehnung gezielt beeinflussen.
Bei derzeit praktisch eingesetzten Serienprodukten für Sitzverstellungen ist es bekannt, Spindelmuttern ungefüllt aus POM zu verwenden. Diese haben jedoch den Nachteil einer eingeschränkten Temperaturtauglichkeit und ausdehnungs- beziehungsweise schrumpfungsbedingter Spielauslegung.
Eine Spindelmutter für den Einsatz in einem Spindelgetriebe der hier in Rede stehenden Art muss so ausgelegt sein, dass sie spielarm auf einer Gewindestange, also auf der Spindel, läuft, und zwar in einem Temperaturbereich von –35°C bis 80°C. Dabei soll sich das Drehmoment der Mutter auf der Gewindestange In diesem Temperaturbereich nicht signifikant ändern. Zudem sind auch noch die Kosten zu beachten, der Kostenrahmen ist vorgegeben von ungefüllten Standardwerkstoffen wie das genannte POM, angeboten z. B. als Delrin 100 (geschützter Markenname). Bisher bekanntgewordene Serienlösungen und aus der Literatur bekannt gewordene Spindelmuttern zeigen entweder den Nachteil auf, dass sich das Drehmomentverhalten über dem Temperaturbereich so stark ändern, dass ein Antrieb mit einem Elektromotor üblicher Größe nicht mehr möglich ist und es zu einem Funktionsausfall kam dass sich über dem Temperaturbereich für den Benutzer ein nicht akzeptables, ausdehnungsbedingtes Spiel einstellt, oder dass sehr hochwertige und kostenintensive Werkstoffe eingesetzt werden müssen, wie z. B. PEEK.
Hier setzt die Erfindung ein. Sie hat sich zur Aufgabe gemacht, die Spindelmutter der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass sie eine höhere Festigkeit aufweist, spielarm auf einer Gewindestange im Temperaturbereich von –35°C bis 80°C läuft, wobei sich ihr Drehmoment über den Temperaturbereich nicht signifikant ändert, und dass sie im Kostenrahmen von ungefüllten Standardwerkstoffen wie POM liegt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Spindelmutter eines Spindelantriebs für Kraftfahrzeuge, insbesondere für Kraftfahrzeugsitze, die aus einem thermoplastischen Kunststoff im Spritzgussverfahren hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff mit Glasfasern gefüllt ist, und dass die Glasfasern vor dem Einbringen in die Spritzgußform eine Länge von mindestens 5 mm, vorzugsweise mindestens 8 mm und insbesondere nicht kürzer als 10 mm aufweisen.
Durch die Füllung mit langen Glasfasern wird ein Betrieb im subjektiv spielfreien Bereich ermöglicht. Es werden Spindelmuttern erhalten, die besonders bei Anwendungen mit typisch hohen Zyklenforderungen, z. B. für Easy-Entry-Systeme, besonders geeignet sind. Möglich sind bei Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich Zykluszahlen von 50.000 im Gegensatz zu 15.000 bei Kraftfahrzeugsitzen ohne Easy-Entry-System.
Die erfindungsgemäße Spindelmutter erfüllt die an sie gestellten Forderungen in einem Temperaturbereich von –35°C bis 80°C. Insbesondere hat sie sich bei Tests mit Zykluszahlen von 50.000 Zyklen bewährt. Sie erfüllt die statischen und dynamischen Festigkeitsanforderungen, die an einen Spindelantrieb im Bereich von Kraftfahrzeugsitzen gestellt werden. Sie ist preisneutral im Vergleich zu unverfüllten POM-Materialien. Es wird ein geräuscharmer Lauf erreicht, da aufgrund der Verwendung von Langglasfasern keine Faserenden mit der Neigung zum Quietschen freigelegt werden, jedenfalls im Vergleich zu Kurzfasern wesentlich weniger Faserenden frei sind bzw. frei werden können. Unter Kurzfasern werden Fasern im Bereich 0,2 bis 0,6 mm verstanden.
Ein Vorteil der Erfindung liegt auch darin, dass die Spindelmutter ihre mechanischen Eigenschaften über die Lebensdauer, für die sie ausgelegt ist, beibehält.
Für die Verstärkung von Kunststoffen sind Kurzfasern aus Glas bekannt, die typischen Längen liegen unter 0,6 mm, typischerweise sogar unter 0,2 mm. Derartiger Glasfasern liegen in der Kunststoffmatrix in gestreckter Form vor. Lediglich bei einem geringen Anteil sind gelegentlich kleine Knickwinkel, die meist unter 10° liegen, zu beobachten.
Der Durchmesser der Fasern liegt im Bereich von 5–25 Mikrometer und beträgt typischerweise 10 Mikrometer. Insoweit unterscheiden sich Kurzfasern und Langfasern nicht.
Erfindungsgemäß werden nun Glasfasern eingesetzt, deren Länge deutlich größer ist, die Länge liegt bei mindestens 5 mm, vorzugsweise mindestens 8 mm und insbesondere nicht unter 10 mm. Derartige Fasern, im folgenden als Langfasern bezeichnet, liegen im fertigen Produkt, also in der Spindelmutter, nicht mehr in gestreckter Form vor, jedenfalls liegt zumindest eine Untergruppe nicht mehr in gestreckter Form vor. Zu dieser Untergruppe gehören mindestens 30%, vorzugsweise mindestens 60% und insbesondere mindestens 80% der in der Spindelmutter enthaltenen Langfasern. Diese nicht geradlinig bzw. gestreckt verlaufenden Langfasern haben vorzugsweise in ihrem Verlauf mindestens eine Biegung um mindestens 90°. Dies hat zur Folge, dass benachbarte Langfasern mit gegenläufiger Biegung sich verhaken und insgesamt benachbarte Glasfasern sich verhaken bzw. vernetzen können. Es kommt zu einem zusammenhängenden Knäuel der Langglasfasern. Man kann sich dies vorstellen, dass die Langfasern innerhalb der Spindelmutter ein Fasergerüst bzw. ein Knäuel bilden, das einen Zusammenhang hat. Derartige Zusammenhänge findet man bei Filzen. Anders ausgedrückt bilden die Langfasern innerhalb der Spindelmutter eine weitläufig verfilzte, also offen verfilzte Anordnung.
Wäre die Spindelmutter mit Kurzfasern gefüllt, würde eine derartige Nahordnung der einzelnen Fasern nicht anzutreffen sein und nicht nachweisbar sein. Die Langfasern haben den Vorteil einer wechselseitigen Verhakung und Bildung eines Knäuels.
Die Langfasern haben zudem den Vorteil, dass sie im Vergleich zu einer Füllung einer Spindelmutter mit Kurzfasern deutlich weniger Faserenden aufweisen. Es hat sich herausgestellt, dass insbesondere die Faserenden, die in Nähe der Oberfläche der Spindelmutter zu lokalisieren sind, Probleme bereiten, weil sie, wenn einmal freigelegt oder zumindest in der Oberfläche befindlich, zu Geräuschen Veranlassung geben, einen erhöhten Verschleiß der mit der Spindelmutter zusammenwirkenden Teile, beispielsweise der Spindel, hervorrufen und dadurch insgesamt nicht für hohe Zykluszahlen geeignet sind, weil sich auf Dauer größeres Spiel und/oder Geräusche einstellen.
In einem Beispiel ausgedrückt verwendet die Erfindung anstelle von 20 mal so vielen Kurzfasern der Länge 0,5 mm, nun die einfache Menge von Langfasern mit 10 mm Länge. In diesem Beispiel wird die Anzahl der Faserenden um das 20-fache reduziert. Höhere Reduktionsfaktoren lassen sich durch längere Glasfasern erreichen. Entfernt man bei der Spindelmutter nach der Erfindung die Kunststoffmatrix, verbrennt man beispielsweise den Kunststoff rückstandslos, so bleibt ein Gerüst der Glasfasern übrig, das ein offenes Vlies bildet.
Vorzugsweise liegt die Mengenzugabe in Gewichtsprozent oder Volumenprozent an Glasfasern im Bereich von 10–50%, vorzugsweise um 30% plus minus 10%, insbesondere bei etwa 30%.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen sowie der nun folgenden Beschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen der Erfindung, die unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines Spindelantriebs mit einer Spindelmutter nach der vorliegenden Erfindung,
2 eine vergrößerte Darstellung der Spindelmutter nach 1,
3 eine perspektivische Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels einer Spindelmutter,
4 eine perspektivische Darstellung zweier verhakter Paare an Langfasern in einer prinzipiellen, der Erläuterung dienenden Darstellung und
5 eine perspektivische Darstellung eines Teilstücks einer Spindelmutter mit ineinander verfilzten Langfasern.
Das erste Ausführungsbeispiel nach den 1 und 2 zeigt ein in Längsrichtung verstellbares Lenksäulenmodul. Ein Träger 20, der an der Unterseite eines Armaturenbrettes in einem Kraftfahrzeug befestigt werden kann, hat zwei vordere Seitenlappen 22, an denen ein Tragrohr 24 befestigt ist. Im Tragrohr 24 ist eine obere Lenksäule 26 in ihrer Längsrichtung verschiebbar gehalten. Sie ist mit einer unteren Lenksäule 28 in drehfester Verbindung, kann aber gegenüber dieser in axialer Längsrichtung innerhalb eines Verstellbereichs verstellt werden. Mit der oberen Lenksäule 26 ist ein Halter 30 verbunden, an dem ein Elektromotor 32 befestigt ist. Er treibt eine Spindel 34 an. Sie durchgreift eine Spindelmutter 36, die mittels eines L-förmigen Halteteils am Tragrohr 24 befestigt ist. Die Spindelmutter 36 ist um eine Achse, die quer zur Längsrichtung der Lenksäulen 26, 28 verläuft, und im Fahrzeug parallel zur y-Richtung ist, drehbar. Hierzu hat sie Lagerzapfen 43.
Die Spindelmutter ist in 2 in vergrößerter Form dargestellt. Man erkennt die beiden endseitigen Lagerzapfen 43 für die Aufnahme in dem Halteteil und im Tragrohr 24. Ansonsten hat die Spindelmutter 36 ein im Wesentlichen kubisches Gehäuse, siehe Quader 44. Sie hat eine Gewindebohrung 38 für die Spindel 34.
3 zeigt eine andere Ausbildung der Spindelmutter 36, die erfindungsgemäß hergestellt ist.
4 zeigt in gestrichelten Linien prinzipiell den Umriss des Quaders 44 einer Spindelmutter 36 wie im ersten Ausführungsbeispiel. Der Durchmesser einer typischen Spindel liegt im Bereich von 4–12 mm, entsprechend sind die Abmessungen des oben erwähnten Kubus etwa im Bereich von 2–4 cm Seitenlänge. Entsprechend ist der gestrichelt gezeichnete Rahmen in 4 bemessen. 4 zeigt zwei Paarungen von Langfasern 42. Diese sind unmaßstäblich dick dargestellt, da ihre tatsächliche Dickenabmessungen zu einem sehr dünnen Strich führen würden und somit die Verhakung, die anhand der 4 erläutert werden soll, schlecht erkennbar wäre. In ihrer Länge entsprechen die Langfasern aber der tatsächlichen Länge innerhalb der Spindelmutter 36. Man erkennt, dass die Langfasern 42 durchaus eine Länge haben, die größer als 10% einer beliebigen Längenabmessung der Spindelmutter 36 ist, insbesondere größer als 30% und vorzugsweise größer als 50%. Diese Aussagen zur Länge gelten vor dem Durchgang der Langfasern durch eine Spritzgußdüse, sie gelten auch für die Langfasern innerhalb der Spindelmutter 36.
Beim Spritzgußverfahren brechen die Langfasern. Die vor Durchgang durch eine Spritzgußdüse vorliegenden Längen der Langfasern sind danach nicht mehr erhalten. Erfahrungsgemäß bleiben insbesondere Längen größer 10 mm nicht erhalten. Es ist aber auch so, dass Kurzfasern, wie sie nach dem Stand der Technik eingesetzt werden, ihre Ausgangslänge vor dem Spritzgiessen in der Spindelmutter nicht beibehalten, sondern kürzer sind.
Wie 4 zeigt, liegen die Langfasern 42, liegt jedenfalls eine Untergruppe der Langfasern 42, in der Spindelmutter 36 nicht in gestreckter, geradliniger Form vor, sondern weist Krümmungen auf, die Krümmungen betragen mindestens 90° und können größer sein. Jede einzelne Faser 42 hat mindestens eine Krümmung, vorzugsweise sind mehrere Krümmungen vorhanden. Beliebige Formen können dabei entstehen, beispielsweise Z-förmige Verläufe, S-förmige Verläufe, schrau benlinienförmige Verläufe und dergleichen. Insoweit zeigt 4 lediglich eine Prinzipdarstellung, um das Grundprinzip der Verhakung erläutern zu können.
Wie 4 zeigt, sind die beiden Paare der gezeigten Langfasern 42 so miteinander verhakt, dass sie einen gewissen Zusammenhang haben, also mehr oder weniger eine Einheit bilden. Das oben rechts dargestellte Faserpaar erscheint in der Ansicht, die 4 gibt, als X-förmig. Dreht man die Spindelmutter, so erhält man auch eine Blickposition, in der das unten links dargestellte Faserpaar X-förmig erscheint.
5 ist ein Versuch, die Verfilzung bzw. das offene Vlies an Langfasern innerhalb der Spindelmutter 36 darzustellen. Wie die Figur zeigt, führt die anhand von 4 erläuterte Verhakung für nur ein betrachtetes Paar bei Berücksichtigung weiterer benachbarter Fasern zu einer räumlichen, also dreidimensionalen unregelmäßigen Verfilzung der Fasern. Da der Volumengehalt typischerweise 30% an Glasfasern beträgt, stehen genügend Glasfasern für eine wechselseitige Verhakung zur Verfügung. Insoweit dient 4 lediglich der Erläuterung. Tatsächlich findet eine vielfache Verhakung statt.
Kennzeichen der erfindungsgemäßen Spindelmutter ist es, dass die Verfilzung der Glasfasern unregelmäßig ist und insoweit keine Spindelmutter einer anderen gleicht. Die Ausbildung eines lockeren Vlieses innerhalb der Spindelmutter 36 und aus Glasfasern ergibt sich durch den jeweiligen Spritzvorgang. Dadurch ist jede einzelne, erfindungsgemäß hergestellte Spindelmutter 36 prinzipiell individualisierbar, sofern man die geeigneten Analysemethoden ansetzt.
Grundsätzlich ist es auch möglich, andere Fasern, beispielsweise aus Kohlenstoff, PPTA, PMPI, CF-Verstärkungsfasern, Naturfasern und dergleichen zu verwenden. Die Verwendung von Glasfasern hat sich grundsätzlich bewährt und ist kostengünstig. Siehe hierzu auch das o. g. Buch des Autors Saechtling.
Die Anmelderin behält sich vor, beliebige Merkmale und Untermerkmale aus der Beschreibung und/oder aus den Schutzansprüchen miteinander kombinieren zu können.
Als thermoplastischer Kunststoff wird ein niederpreisiges Polypropylen PP verwendet, aber auch andere thermoplastische niederpreisige Basiswerkstoffe sind möglich. Als vorteilhaft hat sich die Verwendung von PP-C, einem Copolymer, erwiesen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 4802374 A [0002]
- EP 1103411 B1 [0003]

Claims

Spindelmutter eines Spindelantriebs für Kraftfahrzeuge, insbesondere für Kraftfahrzeugsitze und Lenksäulenmodule, die aus einem thermoplastischen Kunststoff im Spritzgussverfahren hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff mit Fasern (42) gefüllt ist, und dass die Fasern (42) eine Länge von mindestens 5 mm, vorzugsweise mindestens 8 mm und insbesondere nicht kürzer als 10 mm aufweisen.
Spindelmutter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der fertigen Spindelmutter (36) eine Untergruppe der Glasfasern (42) nicht geradlinig verlaufend vorhanden ist und mindestens eine Biegung um mindestens 90° aufweist, und dass diese Untergruppe mindestens 30%, vorzugsweise mindestens 60% und insbesondere mindestens 80% der in der Spindelmutter (36) enthaltenen Glasfasern (42) beträgt.
Spindelmutter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Untergruppe der Glasfasern (42) mindestens die Hälfte dieser Glasfasern (42) so orientiert ist, dass eine beliebig herausgegriffene Glasfaser und eine dieser benachbarte Glasfaser ineinander gehakt sind und insbesondere in einer bestimmte Betrachtungsrichtung gemeinsam ein X bilden.
Spindelmutter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 50% der Untergruppe der Glasfasern (42) innerhalb der Spindelmutter (36) ein zusammenhängendes Knäuel bildet, und dass vorzugs weise die Glasfasern (42) insgesamt innerhalb der Spindelmutter (36) ein zusammenhängendes Knäuel bilden.
Spindelmutter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern Glasfasern (42) sind.
Spindelmutter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasfasern (42) als Filamente mit einem Durchmesser zwischen 5 und 25 Mikrometer vorliegen.
Spritzgussmasse für die Herstellung einer Spindelmutter eines Spindelantriebs für Kraftfahrzeuge, insbesondere für Kraftfahrzeugsitze und Lenksäulenmodule, die Spritzgussmasse weist einen thermoplastischen Kunststoff auf, der für ein Spritzgussverfahren geeignet ist und enthält Fasern (42), dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (42) in der Spritzgussmasse eine Länge von mindestens 5 mm, vorzugsweise mindestens 8 mm und insbesondere nicht kürzer als 10 mm aufweisen.
Spritzgussmasse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern Glasfasern (42) sind.