EP3523149A1 - Fahrwerksbauteil in faserkunststoffverbund-monobauweise mit duroplastischem matrixwerkstoff und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Fahrwerksbauteil in faserkunststoffverbund-monobauweise mit duroplastischem matrixwerkstoff und verfahren zu dessen herstellung

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EP3523149A1
EP3523149A1 EP17771691.7A EP17771691A EP3523149A1 EP 3523149 A1 EP3523149 A1 EP 3523149A1 EP 17771691 A EP17771691 A EP 17771691A EP 3523149 A1 EP3523149 A1 EP 3523149A1
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EP
European Patent Office
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chassis component
fiber
bearing
reinforcing structure
short
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17771691.7A
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French (fr)
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Ignacio Lobo Casanova
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ZF Friedrichshafen AG
Original Assignee
ZF Friedrichshafen AG
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Publication date
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    • B60G2206/71—Light weight materials
    • B60G2206/7101—Fiber-reinforced plastics [FRP]

Definitions

  • the invention relates to a suspension component, in particular a Rad enclosureslenker, in fiber-reinforced composite construction.
  • the invention further relates to a method for producing such a chassis component.
  • a triangular link constructed in hybrid construction having a main body formed of sheet metal and a plastic permanently connected to the main body.
  • the plastic part serves to reinforce the base body and preferably has a grid structure, which is arranged in particular in a cup-shaped recess of the base body.
  • the plastic is preferably with fibers such.
  • a polyamide (thermoplastic) can be used.
  • DE 10 2011 003 971 A1 describes a link element which is formed by a profile carrier, which is essentially deep-drawn in a box shape with continuous fiber reinforcement and has a filling body made of an injection-molded plastic arranged therein.
  • Continuous fiber-reinforced prepregs made of thermosetting plastics such as epoxy resin can be used for the deep-drawn profile carrier.
  • the material of the profile carrier is a deep-drawn plate-shaped semi-finished product made of a continuous fiber-reinforced thermoplastic.
  • the filler may consist of a short fiber reinforced or long fiber reinforced thermoplastic material.
  • the object of the invention is to provide a further chassis component formed essentially only of fiber-reinforced plastic composite material that can be produced in a load-bearing and favorable manner.
  • chassis component according to the invention having the features of patent claim 1.
  • the invention also extends to a process for its preparation. Preferred developments and refinements emerge analogously for both subject matters of the invention from the dependent claims, the following description and the figures.
  • the chassis component according to the invention is characterized in that, when integrally formed with (exclusively) thermoset matrix material, it has at least one reinforcing structure formed by continuous fibers (continuous fiber reinforcement structure), at least one stiffening structure formed with short and / or long fibers (short / long fiber stiffening structure) and a plurality of reinforcing structures the reinforcing structure and / or stiffening structure has integrated bearing receptacles for receiving bearing elements.
  • It is preferably a Rad enclosureslenker and in particular a wishbone with a 2-point linkage geometry or 3-point linkage geometry, for example.
  • Y, A, L or U design For example. it can also be a strut wheel carrier.
  • the integrated bearing mounts are used to attach bearing elements, such as. Ball joints or ball pins, bearing pins, rubber or elastomeric bearings and the like on the chassis component for the structural integration of the chassis component in the motor vehicle, especially a car. As a rule, these are joints with different joint functions (eg swivel joints, ball joints, etc.).
  • the bearing mounts thus form force application or force application points (kinematic points) in the chassis component.
  • the arrangement of the integrated bearing assembly and their orientation are largely freely defined.
  • the chassis component according to the invention has at least three different functional areas (reinforcement structure, stiffening structure and bearing receptacles) and is nevertheless formed in one piece, d. H. manufactured in one piece, in particular with a urrelienden manufacturing method, such as, for example, claimed with the independent claim.
  • the continuous fiber reinforcement can be largely freely designed to adapt to the load characteristics of the chassis component and then offers excellent directional mechanical properties according to this load characteristics. Not only the geometry of the continuous fiber reinforcement structure but also the number of continuous fiber reinforcement structures can be varied.
  • the short and / or long fiber reinforcement of the stiffening structure serves to stiffen the reinforcing structure and allows both a high freedom of design (the geometric structure can be made free belly technically for the load case) as well as a shortening of the process chain by merging several process steps. Due to the structured one-piece structure with different functional areas, the mechanical requirements of the chassis component are best achieved, despite the low weight. In addition, adhesion promoters or the like as well as positive connection concepts between the individual functional areas are not absolutely necessary, which simplifies the production and the structural design.
  • the chassis component according to the invention is substantially completely or completely formed from fiber-reinforced plastic composite material (FKV), which can also be referred to as FKV monobloc design (in contrast to the hybrid construction of, for example, metal and FKV) or full FKV construction.
  • FKV fiber-reinforced plastic composite material
  • FKV monobloc design in contrast to the hybrid construction of, for example, metal and FKV
  • full FKV construction full FKV construction.
  • FKV fiber-reinforced plastic composite material
  • the integrated fiber-reinforced plastic construction also offers advantages in terms of recycling.
  • the reinforcing fibers used are primarily carbon or glass fibers with different fiber lengths.
  • the short fibers can have a length of up to approx.
  • the long fibers can have a length of up to 50 mm.
  • the continuous fibers then have a length of more than 50 mm.
  • the matrix material used exclusively duroplastic plastic or a thermosetting plastic material, such as. Epoxy resin, vinyl ester resin or polyurethane, is used, wherein thermoset matrix materials compared to thermoplastic matrix materials have better thermal resistance (ie, both stiffness and strength) and dimensional stability.
  • the reinforcing structure may be formed from a layer structure optimized with the load case having a plurality of endless fiber layers.
  • the layer structure can be chosen freely taking into account the respective boundary conditions.
  • the fibers are preferably arranged with the same orientation (UD-scrim).
  • the ply structure may then be constructed with identical fiber orientation (i.e., 0 °) or layerwise different fiber orientation (eg, 0 °, + 45 °, -45 °, 90 °, 90 °, -45 °, + 45 °, 0 °).
  • the stiffening structure formed with short and / or long fibers is preferably formed as a rib structure or has at least one rib structure.
  • a rib structure reinforced with short and / or long fibers is lightweight and stable. In addition, there is a great deal of freedom.
  • the reinforcing structure may have any suitable shape adapted to the load and / or component geometry.
  • the reinforcing structure may also be just one plate.
  • the reinforcing structure may be a half shell formed of a plurality of endless fiber layers, and the stiffening structure may be a rib structure formed in this half shell. The half shell is then supported and stiffened by the rib structure. As a result, excellent rigidity, in particular bending and torsional stiffness is achieved.
  • the chassis component according to the invention may have at least one (integrally) molded functional element, which is preferably formed on the short and / or long fiber reinforced stiffening structure or molded therein. This is, for example, a Dichtungsbaignut, a fastening clip, a wind deflector, a stone chip protection or the like.
  • the chassis component according to the invention may comprise at least one load sensor, which can be introduced already in the urrelienden production of the chassis component.
  • the stress sensor may be embedded directly in the fibrous plastic composite material of the stiffening structure and / or the reinforcing structure. With the aid of such a load sensor, changes in the fiber-composite structure can be detected and, in particular, overloads or overstresses can be detected.
  • the chassis component according to the invention can have at least one integrated elastomeric element or elastomer element which can already be introduced during the production of the chassis component, in particular by way of example.
  • the elastomeric element may have an inner, d. H. be embedded in the fiber plastic composite elastomer layer, which serves the acoustic damping and / or vibration damping.
  • Such an inner elastomer element may for example be part of a layer structure of the reinforcing structure or may be embedded in the stiffening structure or may be arranged between reinforcing structure and stiffening structure.
  • the elastomeric element can also be an outer elastomer layer, which serves, for example, as impact or splinter protection and / or reduces the sound radiation.
  • the method for producing a chassis component according to the invention comprises the following steps:
  • the chassis component is thus integrally by urchanende production, d. H. by urformende and possibly also transforming processes, produced in a pressing tool with a correspondingly formed cavity.
  • This method of production can also be referred to as a one-shot method and has a comparatively very short process chain.
  • the typically preheated press tool is installed in a press or the like.
  • the cavity of the pressing tool can be formed with cavity sections for producing molded-on functional elements.
  • the chassis component produced is substantially verbaufertig after demoulding from the pressing tool.
  • bearing elements may still have to be inserted or inserted into the integrated bearing receptacles.
  • the bearing elements can already be integrated in the urrelienden production of the chassis component in the bearing mounts, which are then firmly embedded in the fiber-reinforced plastic composite.
  • the at least one insert is prefabricated and can be formed from a dry continuous fiber semi-finished textile product (for example a fabric, scrim, in particular UD scrim, knit, braid, fleece or the like) or a preimpregnated continuous fiber semi-finished product (so-called prepreg or towpreg), and may consist of a single fiber layer or of several fiber layers, in particular with different fiber orientation.
  • the prefabricated insert may further comprise at least one load sensor and / or at least one elastomeric element, for example an elastomer layer.
  • the insert can be designed flat and, for example, be formed when closing the pressing tool.
  • the insert may already be preformed (so-called preform).
  • a preform may, for example, with the RTM process (Resin Transfer Molding) or the PCM process (prepreg Compression molding) are generated.
  • the plastic contained in the insert melts or the insert is infiltrated by the added plastic (ie the continuous fibers are embedded in the already contained and / or added thermosetting plastic material) or the added plastic materially bonds to the insert (depending on which precursor is used), which then forms the reinforcement structure from the insert.
  • the short-fiber and / or long-fiber-containing thermosetting plastic material can be introduced into the cavity of the pressing tool before the pressing process, for example in the form of an SMC (Sheet Molding Compound) or BMC (Bulk Molding Compound).
  • the thermoset plastic material containing short and / or long fibers can also be introduced into the cavity only during the pressing process by injection molding or the like.
  • the further pressing process (optionally in a Nachpressphase) hardens the first still liquid thermosetting plastic material (usually a resin, see above) from and forms the stiffening structure.
  • the integrated bearing receptacles are formed from the short and / or long fiber-containing plastic or at least co-formed.
  • any functional elements are preferably formed from this short and / or long fiber-containing plastic.
  • any elastomeric elements, sensors and / or bearing elements are preferably embedded in these short and / or long fiber-containing plastic.
  • At least one of the bearing receivers can be produced by striping the insert, forming the strips into a bush, and stiffening the bush by the short and / or long fiber containing thermoset plastic material.
  • a bushing made in this way is particularly stable.
  • Fig. 1 shows an inventive chassis component.
  • Fig. 2 shows another suspension component according to the invention.
  • FIGS. 1 and 2 illustrates the production of a chassis component according to FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 4 schematically illustrates possible arrangements of reinforcing and stiffening structures in a chassis component according to the invention.
  • Fig. 5 shows two possibilities for continuous fiber reinforcement of a bearing bush on a chassis component according to the invention.
  • Fig. 6 illustrates schematically different embodiments of a bearing bush with continuous fiber reinforcement and short and / or long fiber reinforcement on a chassis component according to the invention.
  • Fig. 1 shows a substantially only made of fiber plastic composite material with thermosetting matrix material 3-point handlebar 100 in L-type.
  • the handlebar 100 has an integrally formed as a half-shell or shell body shaped reinforcing structure 1 10 with an endless fiber reinforcement and designed as a rib structure stiffening structure 120 with short and / or long fiber reinforcement on.
  • the reinforcing structure 110 and the stiffening structure 120 are integral, ie formed in one piece.
  • the handlebar 100 also has three integrated into the reinforcing structure 1 10 and stiffening structure 120 bearing mounts 131, 132 and 133 for receiving bearing elements.
  • the bearing mounts 131 and 133 are as bearing seats and the bearing receptacle 132 is formed as a bearing bush.
  • the bearing elements are a ball pin 141, a first rubber bearing 142 and a second rubber bearing 143.
  • the bearing elements 141, 142 and 143 can be retrofitted or already embedded in the urrelienden production of the arm 100 (see FIG. 3).
  • the handlebar 100 further includes a strain sensor 150 embedded in the fin structure 120.
  • the handlebar 100 may further include an elastomeric layer, not shown, as described above.
  • the 3-point link 100a shown in FIG. 2 has a U-type construction. Analogous to the handlebar 100 shown in FIG. 1, the handlebar 100a in one-piece construction has a reinforcing structure 110 formed as a half shell with continuous fiber reinforcement and a reinforcing structure 120 formed as a rib structure with short and / or long fiber reinforcement.
  • the handlebar 100 also has three bearing mounts 131, 132 and 134.
  • the middle bearing receptacle 131 is designed as a bearing seat and has a ball pin 141 arranged therein.
  • the arranged on the leg ends bearing receivers 132 and 134 are formed as bearing bushes for receiving rubber bearings (not shown).
  • the handlebar 100 further includes a strain sensor 150 embedded in the fin structure 120.
  • the links 100 and 100a are integrally formed by pressing (hot pressing) as illustrated in FIG.
  • hot pressing hot pressing
  • components for the production the following components (ingredients) are needed and provided:
  • At least one insert 10 formed from a plurality of endless fiber layers, in particular with different fiber orientation.
  • the insert 10 may be preformed, as described above.
  • the insert 10 may be formed with holes for the formation of bearing seats.
  • thermosetting plastic material in particular a fiber-matrix semifinished product (for example an SMC or BMC) 20.
  • At least one load sensor 150 At least one load sensor 150.
  • At least one elastomeric layer 160 (see above explanations).
  • the components are placed in the cavity 210 of an open crimping tool 200.
  • a layer structure can also be produced directly in the cavity 210 of the pressing tool 200 (so-called draping).
  • the pressing tool 200 is closed.
  • the insert 10 can be deformed when closing the pressing tool 200.
  • a pressing operation P is now carried out.
  • the shell-like reinforcing structure 1 10 forms and from the short- and / or long-fiber-containing thermosetting plastic material 20 is formed primitive the ribbed stiffening structure 120.
  • the cavity 210 of Pressing tool 200 is designed accordingly. In the following, reference is made to the above explanations.
  • the pressing tool 200 is opened and the chassis component 100 or 100a produced in one piece is removed.
  • the one-piece production of the links 100 and 100a can also be done by injection molding or the like.
  • the method sequence is then essentially analogous to the method sequence shown in FIG. 3, wherein the short-fiber and / or long fiber-containing thermoset plastic material 20 is injected into the cavity 210 only when the pressing tool 200 is closed.
  • Var shown in FIG. 1 corresponds to the embodiments of a chassis component 100 / 100a shown in FIG. 1 and FIG. 2 with an endless-fiber-reinforced reinforcing structure 110 and a short- and / or long-fiber-reinforced stiffening structure 120.
  • the Var variant shown in FIG. 4b. 2 has a Sandwichauf construction with two outer reinforcing structures 1 10 and an inner stiffening structure 120. The two outer reinforcing structures 1 10 may be combined to form a solid shell.
  • the variant shown in Fig. 4c Var. 3 has a Sandwich Stamm construction, but with two externa ßeren stiffening structures 120 and an inner reinforcing structure 1 10. Other variants are possible.
  • Fig. 5 shows two preferred possibilities for the continuous fiber reinforcement of the bearing bushes 132 and 134.
  • the insert 10 containing endless fibers is cut in strips.
  • the strips 12 are formed with free strip ends.
  • the strips 12 are still connected by a transverse band 13 at their ends.
  • the strips 12 are preformed alternately with opposite curvature or semicircular bend to a socket. This way, through the endless Fibrous strip 12 formed reinforcing cage or sheath is then stiffened during the pressing process P in the pressing tool 200 by the short and / or long fibers containing thermosetting plastic material 20, such as. Shown schematically in Fig. 6a.
  • the bearing bushes 132/134 can also be formed with a particular outer-wall ribbing, as shown in Fig. 1 and Fig. 2.
  • the arranged in the Buchsenwandung continuous fiber strips 12 virtually surround the Buchsesbohrung or the female interior and improve the power flow.
  • This structure is particularly suitable for a bushing with a horizontal orientation (see bearing receivers or bushings 132/134 in Fig. 1 and Fig. 2).
  • Fig. 6b and Fig. 6c show further embodiments of a bearing bush 132/134 without strip-shaped incision of the insert 10.
  • two inserts 10 are used, analogous to the variant shown in Fig. 4b.
  • Other design options or variants are possible.
  • Handlebar (chassis component)

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrwerksbauteil (100), insbesondere einen Radführungslenker, in Faserkunststoffverbund-Bauweise, das bei einstückiger Ausbildung mit duroplastischem Matrixwerkstoff wenigstens eine mit Endlosfasern gebildete Verstärkungsstruktur (110), wenigstens eine mit Kurz- und/oder Langfasern gebildete Versteifungsstruktur (120) und mehrere in die Verstärkungsstruktur (110) und/oder Versteifungsstruktur (120) integrierte Lageraufnahmen (131, 132, 133) zur Aufnahme von Lagerelementen (141, 142, 143) aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung dieses Fahrwerksbauteils (100).

Description

Fahrwerksbauteil in Faserkunststoffverbund-Monobauweise mit duroplastischem
Matrixwerkstoff und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Fahrwerksbauteil, insbesondere einen Radführungslenker, in Faserkunststoffverbund-Bauweise.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Fahrwerks- bauteils.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Fahrwerksbauteile bekannt, die ganz oder teilweise aus Faserkunststoffverbund gebildet sind. Gegenüber rein metallischen Varianten ergeben sich unter anderem ein niedrigeres Gewicht, eine höhere Gestaltungsfreiheit, eine verringerte Korrosionsanfälligkeit und häufig auch eine einfachere Herstellbarkeit.
Aus der DE 10 2007 015 616 A1 ist ein in Hybridbauweise ausgeführter Dreieckslenker bekannt, mit einem aus Metallblech gebildeten Grundkörper und einem fest mit dem Grundkörper verbundenen Kunststoff teil. Das Kunststoffteil dient zur Verstärkung des Grundkörpers und weist bevorzugt eine Gitterstruktur auf, die insbesondere in einer schalenförmigen Ausnehmung des Grundkörpers angeordnet ist. Der Kunststoff ist bevorzugt mit Fasern, wie z. B. Glasfasern, verstärkt. Als Kunststoff kann ein Polyamid (thermoplastischer Kunststoff) verwendet werden.
Die DE 10 2011 003 971 A1 beschreibt ein Lenkerelement, das durch einen mit Endlosfaserverstärkung im Wesentlichen kastenförmig tiefgezogenen Profilträger und einem darin angeordneten Füllkörper aus einem spritzgegossenen Kunststoff gebildet ist. Für den tiefgezogenen Profilträger können endlosfaserverstärkte Prepregs aus aushärtbaren Kunststoffen wie beispielsweise Epoxidharz verwendet werden. Bevorzugt handelt es sich bei dem Material des Profilträgers jedoch um ein tiefgezogenes plattenförmiges Halbzeug aus einem endlosfaserverstärkten Thermoplasten. Der Füllkörper kann aus einem kurzfaserverstärkten oder langfaserverstärkten Thermoplastwerkstoff bestehen. Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein weiteres im Wesentlichen nur aus Faserkunststoffverbundmaterial gebildetes Fahrwerksbauteil bereitzustellen, dass belastbar und günstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das erfindungsgemäße Fahrwerksbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 . Mit dem nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zu dessen Herstellung. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren.
Das erfindungsgemäße Fahrwerksbauteil ist dadurch gekennzeichnet, dass dieses bei einstückiger Ausbildung mit (ausschließlich) duroplastischem Matrixwerkstoff wenigstens eine mit Endlosfasern gebildete Verstärkungsstruktur (Endlosfaserverstär- kungsstruktur), wenigstens eine mit Kurz- und/oder Langfasern gebildete Versteifungsstruktur (Kurz-/Langfaserversteifungsstruktur) und mehrere in die Verstärkungsstruktur und/oder Versteifungsstruktur integrierte Lageraufnahmen zur Aufnahme von Lagerelementen aufweist.
Bevorzugt handelt es sich um einen Radführungslenker und insbesondere um einen Querlenker mit einer 2-Punkt-Lenker-Geometrie oder 3-Punkt-Lenker-Geometrie bspw. in Y-, A-, L- oder U-Bauform. Bspw. kann es sich auch um einen Federbeinradträger handeln.
Die integrierten Lageraufnahmen dienen der Befestigung von Lagerelementen, wie bspw. Kugelgelenken bzw. Kugelzapfen, Lagerbolzen, Gummi- bzw. Elastomerlagern und dergleichen am Fahrwerksbauteil für die bauliche Einbindung des Fahrwerks- bauteils in das Kraftfahrzeug, insbesondere einen PKW. In der Regel handelt es sich um Gelenke mit unterschiedlichen Gelenkfunktionen (bspw. Drehgelenke, Kugelgelenke, etc.). Die Lageraufnahmen bilden somit Krafteinleitungs- bzw. Kraftangriffspunkte (kinematische Punkte) im Fahrwerksbauteil. In vorteilhafter Weise kann bei der Konstruktion des Fahrwerksbauteils die Anordnung der integrierten Lagerauf- nahmen und deren Ausrichtung (horizontal, vertikal oder schräg) weitgehend frei festgelegt werden.
Das erfindungsgemäße Fahrwerksbauteil weist wenigstens drei verschiedene Funktionsbereiche auf (Verstärkungsstruktur, Versteifungsstruktur und Lageraufnahmen) und ist dennoch einstückig ausgebildet, d. h. in einem Stück hergestellt, insbesondere mit einem urbildenden Herstellverfahren, wie bspw. mit dem nebengeordneten Patentanspruch beansprucht. Die Endlosfaserverstärkung kann zur Anpassung an die Belastungscharakteristik des Fahrwerksbauteils weitgehend frei designt werden und bietet dann hervorragende gerichtete mechanische Eigenschaften entsprechend dieser Belastungscharakteristik. Nicht nur die Geometrie der Endlosfaser- Verstärkungsstruktur, sondern auch die Anzahl an Endlosfaser-Verstärkungsstrukturen kann variiert werden. Die Kurz- und/oder Langfaserverstärkung der Versteifungsstruktur dient der Versteifung der Verstärkungsstruktur und ermöglicht sowohl eine hohe Gestaltungsfreiheit (der geometrische Aufbau kann für den Lastfall leichtbauchtechnisch frei gestaltet werden) als auch eine Verkürzung der Prozesskette durch Zusammenführen von mehreren Prozessschritten. Durch den strukturierten einstückigen Aufbau mit unterschiedlichen Funktionsbereichen werden die mechanischen Anforderungen an das Fahrwerksbauteil bestens erreicht, trotz des geringen Gewichts. Außerdem sind Haftvermittler oder dergleichen sowie formschlüssige Verbindungskonzepte zwischen den einzelnen Funktionsbereichen nicht zwingend erforderlich, was die Herstellung und den konstruktiven Aufbau vereinfacht.
Das erfindungsgemäße Fahrwerksbauteil ist im Wesentlichen vollständig bzw. komplett aus Faserkunststoffverbundmaterial (FKV) gebildet, was auch als FKV- Monobauweise (im Gegensatz zur Hybridbauweise aus bspw. Metall und FKV) bzw. Voll-FKV-Bauweise bezeichnet werden kann. Damit ergeben sich im Wesentlichen homogene mechanische Eigenschaften. Steifigkeits- und Festigkeitssprünge durch unterschiedliche E-Module bzw. Zug-/Druckfestigkeiten treten im Wesentlichen nicht auf. Auch die Ausdehnungskoeffizienten sind im Wesentlichen identisch, so dass eine gute Temperatur- und Klimawechselbeständigkeit gegeben ist. Durch die ganzheitliche Faserkunststoffverbund-Bauweise ergeben sich auch Vorteile beim Recycling. Als Verstärkungsfasern kommen vorrangig Kohlenstoff- oder Glasfasern mit unterschiedlichen Faserlängen zum Einsatz. Die Kurzfasern können eine Länge bis zu ca. 1 mm aufweisen. Die Langfasern können eine Länge von bis zu 50 mm aufweisen. Die Endlosfasern weisen dann eine Länge von mehr als 50 mm auf. Als Matrixwerkstoff kommt ausschließlich duroplastischer Kunststoff bzw. ein duroplastisches Kunststoffmaterial, wie bspw. Epoxidharz, Vinylesterharz oder Polyurethan, zum Einsatz, wobei duroplastische Matrixwerkstoffe gegenüber thermoplastischen Matrixwerkstoffen eine bessere thermische Beständigkeit (d. h. sowohl Steifigkeit als auch Festigkeit) und Formstabilität haben.
Die Verstärkungsstruktur kann aus einem auf den Lastfall optimierten Lagenaufbau mit mehreren Endlosfaserlagen gebildet sein. Der Lagenaufbau kann unter Berücksichtigung der jeweiligen Randbedingungen frei gewählt werden. Innerhalb einer Lage sind die Fasern vorzugsweise mit gleicher Ausrichtung angeordnet (UD-Gelege). Der Lagenaufbau kann dann mit identischer Faserausrichtung (d. h. 0°) oder lagenweise unterschiedlicher Faserausrichtung (bspw. 0°, +45°, -45°, 90°, 90°, -45°, +45°, 0°) aufgebaut sein.
Die mit Kurz- und/oder Langfasern gebildete Versteifungsstruktur ist bevorzugt als Rippenstruktur ausgebildet oder weist zumindest eine Rippenstruktur auf. Eine mit Kurz- und/oder Langfasern verstärkte Rippenstruktur ist leicht und stabil. Außerdem besteht eine große Gestaltungsfreiheit.
Die Verstärkungsstruktur kann jede geeignete, an die Belastung und/oder Bauteilgeometrie, angepasste Gestalt haben. Die Verstärkungsstruktur kann auch nur eine Platte sein. Die Verstärkungsstruktur kann eine aus mehreren Endlosfaserlagen gebildete Halbschale sein und die Versteifungsstruktur kann eine in dieser Halbschale ausgebildete Rippenstruktur sein. Die Halbschale wird dann durch die Rippenstruktur abgestützt und versteift. Dadurch wird eine hervorragende Steifigkeit, insbesondere Biege- und Verwindungssteifigkeit erzielt. Das erfindungsgemäße Fahrwerksbauteil kann wenigstens ein (integral) angeformtes Funktionselement aufweisen, das bevorzugt an die kurz- und/oder langfaserverstärkte Versteifungsstruktur angeformt bzw. darin eingeformt ist. Hierbei handelt es sich bspw. um eine Dichtungsbaignut, einen Befestigungsclip, einen Windabweiser, einen Steinschlagschutz oder dergleichen.
Das erfindungsgemäße Fahrwerksbauteil kann wenigstens einen Belastungssensor aufweisen, der bereits bei der urbildenden Herstellung des Fahrwerksbauteils eingebracht werden kann. Der Belastungssensor kann direkt in das Faserkunststoffverbundmaterial der Versteifungsstruktur und/oder der Verstärkungsstruktur eingebettet sein. Mit Hilfe eines solchen Belastungssensors können Veränderungen der Faser-Verbund-Struktur detektiert und insbesondere Überlastungen bzw. Überbeanspruchungen erfasst werden.
Das erfindungsgemäße Fahrwerksbauteil kann wenigstens ein integriertes elastome- res Element bzw. Elastomerelement aufweisen, das bereits bei der insbesondere urbildenden Herstellung des Fahrwerksbauteils eingebracht werden kann. Das elastomere Element kann eine innere, d. h. in den Faserkunststoffverbund eingebettete Elastomerlage sein, die der akustischen Dämpfung und/oder der Schwingungsdämpfung dient. Ein solches inneres Elastomerelement kann bspw. Bestandteil eines Lagenaufbaus der Verstärkungsstruktur sein oder kann in die Versteifungsstruktur eingebettet sein oder kann zwischen Verstärkungsstruktur und Versteifungsstruktur angeordnet sein. Das elastomere Element kann auch eine äußere Elastomerlage sein, die bspw. als Einschlag- oder Splitterschutz dient und/oder die Schallabstrahlung vermindert.
Das Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Fahrwerksbauteils weist folgende Schritte auf:
- Vorbereiten bzw. Vorfertigen wenigstens eines Endlosfasern enthaltenden Einlegers;
- Platzieren des Einlegers in der Kavität eines geöffneten Presswerkzeugs;
- gegebenenfalls auch Platzieren wenigstens eines Belastungssensors, Elastomerelements und/oder Lagerelements in der Kavität des geöffneten Presswerkzeugs; - Schließen des Presswerkzeugs und Ausführen eines Pressvorgangs unter Zugabe eines Kurz- und/oder Langfasern enthaltenden duroplastischen Kunststoffmaterials, welches sich der Kavitätskontur folgend in der Kavität verteilt;
- Aushärten des Kunststoffmaterials, typischerweise durch Erwärmung (Heißhärtung) und unter Druck, Öffnen des Presswerkzeugs und Entformen bzw. Entnehmen des Fahrwerksbauteils.
Das Fahrwerksbauteil wird also einstückig durch urbildende Herstellung, d. h. durch urformende und gegebenenfalls auch umformende Vorgänge, in einem Presswerkzeug mit entsprechend ausgebildeter Kavität hergestellt. Diese Herstellweise kann auch als One-Shot-Verfahren bezeichnet werden und hat eine vergleichsweise sehr kurze Prozesskette. Das typischerweise vorbeheizte Presswerkzeug ist in einer Presse oder dergleichen eingebaut. Die Kavität des Presswerkzeugs kann mit Kavi- tätsabschnitten zur Erzeugung angeformter Funktionselemente ausgebildet sein.
Das hergestellte Fahrwerksbauteil ist nach dem Entformen aus dem Presswerkzeug im Wesentlichen verbaufertig. Vor dem Einbau in ein Kraftfahrzeug müssen gegebenenfalls noch Lagerelemente in die integrierten Lageraufnahmen eingesetzt bzw. eingefügt werden. Alternativ können die Lagerelemente bereits bei der urbildenden Herstellung des Fahrwerksbauteils in die Lageraufnahmen integriert werden, die dann fest im Faserkunststoffverbund eingebettet sind.
Der wenigstens eine Einleger wird vorgefertigt und kann aus einem trockenen End- losfaser-Textilhalbzeug (bspw. einem Gewebe, Gelege, insbesondere UD-Gelege, Gestick, Geflecht, Vlies oder dergleichen) oder einem vorimprägnierten Endlosfaserhalbzeug (sogenanntes Prepreg oder Towpreg) gebildet werden und kann aus einer einzelnen Faserlage oder aus mehreren Faserlagen, insbesondere mit unterschiedlicher Faserausrichtung, bestehen. Der vorgefertigte Einleger kann ferner wenigstens einen Belastungssensor und/oder wenigstens ein elastomeres Element, bspw. eine Elastomerschicht, aufweisen. Der Einleger kann eben ausgebildet sein und bspw. beim Schließen des Presswerkzeugs umgeformt werden. Der Einleger kann aber bereits auch vorgeformt sein (sogenannte Preform). Eine Preform kann bspw. mit dem RTM-Verfahren (Resin Transfer Moulding) oder dem PCM-Verfahren (Prepreg Compression Moulding) erzeugt werden. Während des Pressvorgangs schmilzt der im Einleger enthaltene Kunststoff auf oder der Einleger wird von dem zugegebenen Kunststoff infiltriert (d. h. die Endlosfasern werden in das bereits enthaltene und/oder zugegebene duroplastische Kunststoffmaterial eingebettet) oder der zugegebene Kunststoff verbindet sich stoffschlüssig mit dem Einleger (je nachdem, welches Vorprodukt verwendet wird), wobei sich dann aus dem Einleger die Verstärkungsstruktur bildet.
Das Kurz- und/oder Langfasern enthaltende duroplastische Kunststoffmaterial kann bereits vor dem Pressvorgang in die Kavität des Presswerkzeugs eingebracht werden, bspw. in Form eines SMC (Sheet Moulding Compound) oder BMC (Bulk Moulding Compound). Das Kurz- und/oder Langfasern enthaltende duroplastische Kunststoffmaterial kann aber auch erst während des Pressvorgangs durch Spritzgießen oder dergleichen in die Kavität eingebracht werden. Während des weiteren Pressvorgangs (gegebenenfalls in einer Nachpressphase) härtet das zunächst noch flüssige duroplastische Kunststoff material (in der Regel ein Harz; s. o.) aus und bildet die Versteifungsstruktur. Bevorzugt werden auch die integrierten Lageraufnahmen aus dem kurz- und/oder langfaserhaltigen Kunststoff gebildet oder zumindest mitgebildet. Auch etwaige Funktionselemente werden bevorzugt aus diesem kurz- und/oder langfaserhaltigen Kunststoff gebildet. Auch etwaige Elastomerelemente, Sensoren und/oder Lagerelemente werden bevorzugt in diesen kurz- und/oder langfaserhaltigen Kunststoff eingebettet.
Wenigstens eine der Lageraufnahmen kann durch streifenförmiges Einschneiden des Einlegers, Formen der Streifen zu einer Buchse und Versteifen der Buchse durch das Kurz- und/oder Langfasern enthaltende duroplastische Kunststoffmaterial erzeugt werden. Eine derart hergestellte Lagerbuchse ist besonders stabil.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch losgelöst von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung weiterbilden. Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Fahrwerksbauteil.
Fig. 2 zeigt ein anderes erfindungsgemäßes Fahrwerksbauteil.
Fig. 3 veranschaulicht die Herstellung eines Fahrwerksbauteils gemäß Fig. 1 und 2.
Fig. 4 veranschaulicht schematisch mögliche Anordnungen von Verstärkungs- und Versteifungsstrukturen in einem erfindungsgemäßen Fahrwerksbauteil.
Fig. 5 zeigt zwei Möglichkeiten zur Endlosfaserverstärkung einer Lagerbuchse an einem erfindungsgemäßen Fahrwerksbauteil.
Fig. 6 veranschaulicht schematisch unterschiedliche Ausführungsmöglichkeiten einer Lagerbuchse mit Endlosfaserverstärkung sowie Kurz- und/oder Langfaserverstärkung an einem erfindungsgemäßen Fahrwerksbauteil.
Fig. 1 zeigt einen im Wesentlichen nur aus Faserkunststoffverbundmaterial mit duroplastischem Matrixwerkstoff gebildeten 3-Punkt-Lenker 100 in L-Bauweise. Der Lenker 100 weist bei einstückiger Ausbildung eine als Halbschale bzw. Schalenkörper geformte Verstärkungsstruktur 1 10 mit einer Endlosfaserverstärkung und eine als Rippenstruktur ausgebildete Versteifungsstruktur 120 mit Kurz- und/oder Langfaserverstärkung auf. Die Verstärkungsstruktur 1 10 und die Versteifungsstruktur 120 sind integral, d. h. einstückig ausgebildet. Der Lenker 100 weist ferner drei in die Verstärkungsstruktur 1 10 und Versteifungsstruktur 120 integrierte Lageraufnahmen 131 , 132 und 133 zur Aufnahme von Lagerelementen auf. Die Lageraufnahmen 131 und 133 sind als Lagersitze und die Lageraufnahme 132 ist als Lagerbuchse ausgebildet. Bei den Lagerelementen handelt es sich um einen Kugelzapfen 141 , ein erstes Gummilager 142 und ein zweites Gummilager 143. Die Lagerelemente 141 , 142 und 143 können nachträglich montiert oder bereits bei der urbildenden Herstellung des Lenkers 100 (siehe Fig. 3) eingebettet werden. Der Lenker 100 weist ferner einen in die Rippenstruktur 120 eingebetteten Belastungssensor 150 auf. Der Lenker 100 kann ferner eine nicht gezeigte Elastomerlage aufweisen, wie oben beschrieben. Der in Fig. 2 gezeigte 3-Punkt-Lenker 100a hat eine U-Bauweise. Analog zu dem in Fig. 1 gezeigten Lenker 100 weist der Lenker 100a bei einstückiger Ausbildung eine als Halbschale geformte Verstärkungsstruktur 1 10 mit Endlosfaserverstärkung und eine als Rippenstruktur ausgebildete Versteifungsstruktur 120 mit Kurz- und/oder Langfaserverstärkung auf. Der Lenker 100 weist ferner drei Lageraufnahmen 131 , 132 und 134 auf. Die mittlere Lageraufnahme 131 ist als Lagersitz ausgebildet und weist einen darin angeordneten Kugelzapfen 141 auf. Die an den Schenkelenden angeordneten Lageraufnahmen 132 und 134 sind als Lagerbuchsen für die Aufnahme von Gummilagern (nicht gezeigt) ausgebildet. Der Lenker 100 weist ferner einen in die Rippenstruktur 120 eingebetteten Belastungssensor 150 auf.
Die Lenker 100 und 100a werden einstückig mittels Pressverfahren (Heißpressen) hergestellt, wie in Fig. 3 veranschaulicht. Für die Herstellung werden folgende Komponenten (Zutaten) benötigt und bereitgestellt:
- Wenigstens ein aus mehreren Endlosfaserlagen, insbesondere mit unterschiedlicher Faserausrichtung, gebildeter Einleger 10. Der Einleger 10 kann vorgeformt sein, wie oben beschrieben. Ferner kann der Einleger 10 mit Löchern zur Ausbildung von Lagersitzen ausgebildet sein.
- Ein kurz- und/oder langfaserhaltiges duroplastisches Kunststoffmaterial, insbesondere ein Faser-Matrix-Halbzeug (bspw. ein SMC oder BMC) 20.
- Lagerelemente, wie bspw. Kugelzapfen 141 und Gummilager 142/143.
- Wenigstens ein Belastungssensor 150.
- Optional wenigstens eine Elastomerlage 160 (siehe hierzu obige Erläuterungen).
Die Komponenten werden in der Kavität 210 eines geöffneten Presswerkzeugs 200 angeordnet. Anstatt eines vorgefertigten Einlegers 10 kann auch direkt in der Kavität 210 des Presswerkzeugs 200 ein Lagenaufbau erzeugt werden (sogenanntes Drapieren). Anschließend wird das Presswerkzeug 200 geschlossen. Der Einleger 10 kann beim Schließen des Presswerkzeugs 200 umgeformt werden. Im geschlossenen Presswerkzeug 200 wird nun ein Pressvorgang P wird ausgeführt. Aus dem end- losfaserhaltigen Einleger 10 bildet sich die schalenartige Verstärkungsstruktur 1 10 und aus dem kurz- und/oder langfaserhaltigen duroplastischen Kunststoff material 20 bildet sich urformend die verrippte Versteifungsstruktur 120. Die Kavität 210 des Presswerkzeugs 200 ist entsprechend ausgebildet. Im Weiteren wird auf die obenstehenden Erläuterungen verwiesen. Nach dem Aushärten des duroplastischen Kunststoffmaterials wird das Presswerkzeug 200 geöffnet und das einstückig hergestellte Fahrwerksbauteil 100 bzw. 100a entnommen.
Die einstückige Herstellung der Lenker 100 und 100a kann auch durch Spritzgießen oder dergleichen erfolgen. Der Verfahrensablauf ist dann im Wesentliche analog zu dem in Fig. 3 gezeigten Verfahrensablauf, wobei das kurz- und/oder langfaserhaltige duroplastisches Kunststoffmaterial 20 erst bei geschlossenem Presswerkzeug 200 in die Kavität 210 eingespritzt wird.
Fig. 4 zeigt schematisch mögliche Ausgestaltungen bzw. Variationen eines einstückigen Fahrwerksbauteils durch verschiedene Anordnungen von endlosfaserverstärkten Verstärkungsbereichen bzw. Endlosfaserverstärkungsstrukturen 1 10 und kurz- und/oder langfaserverstärkten Versteifungsbereichen bzw. Kurz- /Langfaserversteifungsstrukturen 120. Die in Fig. 4a gezeigte Variante Var. 1 entspricht den in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Ausführungsmöglichkeiten eines Fahrwerksbauteils 100/100a mit einer endlosfaserverstärkten Verstärkungsstruktur 1 10 und einer kurz- und/oder langfaserverstärkten Versteifungsstruktur 120. Die in Fig. 4b gezeigte Variante Var. 2 hat einen Sandwichauf bau mit zwei äußeren Verstärkungsstrukturen 1 10 und einer inneren Versteifungsstruktur 120. Die beiden äußeren Verstärkungsstrukturen 1 10 können zu einer Vollschale zusammengefasst sein. Auch die in Fig. 4c gezeigte Variante Var. 3 hat einen Sandwichauf bau, allerdings mit zwei äu ßeren Versteifungsstrukturen 120 und einer inneren Verstärkungsstruktur 1 10. Weitere Varianten sind möglich.
Fig. 5 zeigt zwei bevorzugte Möglichkeiten für die Endlosfaserverstärkung der Lagerbuchsen 132 und 134. Der Endlosfasern enthaltende Einleger 10 ist streifenförmig eingeschnitten. Bei der in Fig. 5a gezeigten Ausführungsmöglichkeit sind die Streifen 12 mit freien Streifenenden ausgebildet. Bei der in Fig. 5b gezeigten Ausführungsmöglichkeit sind die Streifen 12 an ihren Enden noch durch ein Querband 13 verbunden. Die Streifen 12 sind abwechselnd mit entgegensetzter Wölbung bzw. halbkreisförmiger Biegung zu einer Buchse vorgeformt. Der auf diese Weise durch die endlos- faserhaltigen Streifen 12 gebildete Verstärkungskäfig bzw. -mantel wird dann während des Pressvorgangs P im Presswerkzeug 200 durch das Kurz- und/oder Langfasern enthaltende duroplastische Kunststoffmaterial 20 versteift, wie bspw. schematisch in Fig. 6a gezeigt. Dabei können die Lagerbuchsen 132/134 auch mit einer insbesondere außenwandigen Verrippung ausgebildet werden, wie in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt. Die in der Buchsenwandung angeordneten Endlosfaserstreifen 12 umschließen quasi die Buchsesbohrung bzw. den Buchseninnenraum und verbessern den Kraftfluss. Dieser Aufbau eignet sich insbesondere für eine Lagerbuchse mit horizontaler Ausrichtung (siehe Lageraufnahmen bzw. Lagerbuchsen 132/134 in Fig. 1 und Fig. 2).
Fig. 6b und Fig. 6c zeigen weitere Ausführungsmöglichkeiten einer Lagerbuchse 132/134 ohne streifenförmiges Einschneiden des Einlegers 10. Für die in Fig. 6c gezeigte Variante werden zwei Einleger 10 verwendet, analog zu der in Fig. 4b gezeigten Variante. Weitere Ausführungsmöglichkeiten bzw. Varianten sind möglich.
Bezuqszeichen
Einleger
Streifen
Querband
Kunststoffmaterial
Lenker (Fahrwerksbauteil)
Verstärkungsstruktur
Versteifungsstruktur
Lageraufnahme
Lageraufnahme
Lageraufnahme
Lageraufnahme
Kugelzapfen
Gummilager
Gummilager
Belastungssensor
Elastomerlage
Presswerkzeug
Kavität
Pressvorgang

Claims

Patentansprüche
1. Fahrwerksbauteil (100), insbesondere Radführungslenker, in Faserkunststoffverbund-Bauweise, dadurch gekennzeichnet, dass dieses bei einstückiger Ausbildung mit duroplastischem Matrixwerkstoff wenigstens eine mit Endlosfasern gebildete Verstärkungsstruktur (110), wenigstens eine mit Kurz- und/oder Langfasern gebildete Versteifungsstruktur (120) und mehrere in die Verstärkungsstruktur (110) und/oder Versteifungsstruktur (120) integrierte Lageraufnahmen (131 , 132, 133, 134) zur Aufnahme von Lagerelementen (141 , 142, 143) aufweist.
2. Fahrwerksbauteil (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur (110) mehrere Endlosfaserlagen, insbesondere mit unterschiedlicher Faserausrichtung, aufweist.
3. Fahrwerksbauteil (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsstruktur (120) als Rippenstruktur ausgebildet ist.
4. Fahrwerksbauteil (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur (110) eine aus mehreren Endlosfaserlagen gebildete Halbschale ist und dass die Versteifungsstruktur (120) eine in der Halbschale ausgebildete Rippenstruktur ist.
5. Fahrwerksbauteil (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses wenigstens ein angeformtes Funktionselement aufweist.
6. Fahrwerksbauteil (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses wenigstens einen integrierten Belastungssensor (150) aufweist.
7. Fahrwerksbauteil (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses wenigstens ein integriertes elastomeres Element (160) aufweist.
8. Verfahren zur Herstellung eines einstückigen Fahrwerksbauteils (100) aus Faserkunststoffverbund mit duroplastischem Matrixwerkstoff, welches wenigstens eine mit Endlosfasern gebildete Verstärkungsstruktur (1 10), wenigstens eine mit Kurz- und/oder Langfasern gebildete Versteifungsstruktur (120) und mehrere in die Verstärkungsstruktur (1 10) und/oder Versteifungsstruktur (120) integrierte Lageraufnahmen (131 , 132, 133, 134) zur Aufnahme von Lagerelementen (141 , 142, 143) aufweist, umfassend die Schritte:
- Vorbereiten wenigstens eines Endlosfasern enthaltenden Einlegers (10);
- Platzieren des Einlegers (10) in der Kavität (210) eines geöffneten Presswerkzeugs (200);
- Schließen des Presswerkzeugs (200) und Ausführen eines Pressvorgangs (P) unter Zugabe eines Kurz- und/oder Langfasern enthaltenden duroplastischen Kunststoffmaterials (20);
- Aushärten des Kunststoffmaterials (20), Öffnen des Presswerkzeugs (200) und Entnehmen des Fahrwerksbauteils (100).
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Lageraufnahme (132, 134) durch streifenförmiges Einschneiden des Einlegers (10), Formen der Streifen (12) zu einer Buchse und Versteifen der Buchse durch das Kurz- und/oder Langfasern enthaltende duroplastische Kunststoffmaterial (20) erzeugt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass auch wenigstens ein Lagerelement (141 , 142, 143) in der Kavität (210) des geöffneten Presswerkzeugs (200) platziert wird, welches dann beim Pressvorgang (P) in einer Lageraufnahme (131 , 132, 133) eingebettet wird.
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