DE102011003971A1 - Fiber composite hybrid handlebar - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Lenkerelement beispielsweise für die Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs. Das Lenkerelement umfasst zumindest zwei Endbereiche (2, 3, 4) mit jeweils einem Lagerungsabschnitt und zumindest einen die Endbereiche verbindenden Strebenbereich. Erfindungsgemäß zeichnet sich das Lenkerelement dadurch aus, dass die Endbereiche (2, 3, 4) und der Strebenbereich gemeinsam durch einen im Wesentlichen kastenförmig tiefgezogenen Profilträger (1) aus einem plattenförmigen Kunststoffhalbzeug mit Endlosfaserverstärkungen gebildet sind. Dabei ist im Innenraum des tiefgezogenen Profilträgers (1) ein Füllkörper (6) aus einem spritzgegossenen Kunststoff angeordnet, welcher die Innenoberflächen des Profilträgers (1) schubfest miteinander verbindet. Das erfindungsgemäße Lenkerelement ist kostengünstig herstellbar, weist eine minimale Anzahl an Einzelteilen sowie eine sehr geringe Masse auf, und erfüllt gleichzeitig hohe Anforderungen bezüglich Torsions- und Biegesteifigkeit. Das Lenkerelement kann zudem einstückig diverse Zusatzfunktionen, Kraftangriffspunkte und Anschlussbauteile umfassen, zusätzliche Montageschritte und die Notwendigkeit zur Wärmebehandlung und/oder zur Oberflächenbehandlung nach der Formgebung entfallen.The invention relates to a link element, for example for the wheel suspension of a motor vehicle. The link element comprises at least two end regions (2, 3, 4), each with a bearing section and at least one strut region connecting the end regions. According to the invention, the link element is characterized in that the end areas (2, 3, 4) and the strut area are formed jointly by an essentially box-shaped deep-drawn profile carrier (1) made from a plate-shaped semi-finished plastic product with continuous fiber reinforcements. A filling body (6) made of an injection-molded plastic is arranged in the interior of the deep-drawn profile support (1) and connects the inner surfaces of the profile support (1) to one another in a shear-proof manner. The link element according to the invention is inexpensive to manufacture, has a minimal number of individual parts and a very low mass, and at the same time meets high requirements with regard to torsional and flexural strength. The link element can also comprise various additional functions, force application points and connecting components in one piece, eliminating additional assembly steps and the need for heat treatment and / or surface treatment after shaping.
Description
Die Erfindung betrifft ein Lenkerelement zur koppelnden Verbindung zweier Baugruppen, beispielsweise einen Radführungslenker eines Kraftfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The invention relates to a link element for the coupling connection of two assemblies, for example a wheel guide link of a motor vehicle, according to the preamble of
Lenkerelemente wie beispielsweise Querlenker, Längslenker, Lenker von Raumlenkerachsen und dergleichen kommen bei praktisch allen Radaufhängungen und Achsen von Kraftfahrzeugen zum Einsatz und dienen der definiert beweglichen Anbindung bzw. der Begrenzung der Bewegungsfreiheitsgrade des Rades gegenüber dem Fahrzeugchassis.Handlebar elements such as wishbones, trailing arm, handlebars of space bar axes and the like are used in virtually all wheel suspensions and axles of motor vehicles and serve the defined movable connection or the limitation of the degrees of freedom of movement of the wheel relative to the vehicle chassis.
Insbesondere im Fahrzeugbau werden dabei hohe Ansprüche an derartige Lenkerelemente gestellt, darunter vor allem hohe Belastbarkeit und Dauerfestigkeit, hohe Versagenssicherheit ebenso wie hohe Korrosionsbeständigkeit. Gleichzeitig sollen derartige Lenkerelemente zudem möglichst wenig Bauraum in Anspruch nehmen bzw. möglichst große Freiheiten bei der Formgebung erlauben, um mögliche Kollisionen mit benachbarten Baugruppen zu vermeiden. Eine weitere Hauptanforderung an gattungsgemäße Lenkerelemente liegt in einer möglichst geringen Bauteilmasse, wodurch einerseits das Leergewicht und damit der Kraftstoffverbrauch eines damit ausgestatteten Kraftfahrzeugs reduziert wird, und wodurch andererseits die ungefederten Massen im Bereich der Radaufhängung reduziert werden, was entscheidende Voraussetzung für einen guten Fahrkomfort und einen sicheren Fahrbahnkontakt ist.In particular, in vehicle high demands are placed on such handlebar elements, including above all high load capacity and fatigue resistance, high failure safety as well as high corrosion resistance. At the same time, such link elements should also take up as little installation space as possible or allow as much freedom as possible in the shaping in order to avoid possible collisions with adjacent subassemblies. Another main requirement of generic link elements is the lowest possible component mass, which on the one hand, the curb weight and thus the fuel consumption of a motor vehicle equipped with it is reduced, and on the other hand, the unsprung masses are reduced in the suspension, which is crucial for good ride comfort and a safe road contact is.
Aufgrund dieser Erfordernisse sind die gegenwärtig aus dem Stand der Technik bekannten, insbesondere als Radführungslenker dienenden Lenkerelemente üblicherweise aus metallischen Werkstoffen gefertigt, beispielsweise in Form von Gesenkschmiedeteilen, Gussbauteilen oder als ein- oder mehrschalige tiefgezogene Blechbauteile.Because of these requirements, the currently known from the prior art, in particular serving as Radführungslenker link elements are usually made of metallic materials, for example in the form of drop forged parts, cast components or as single or multi-shell deep-drawn sheet metal components.
Insbesondere bei der Herstellung von Lenkerelementen als tiefgezogene oder geschmiedete Bauteile umfasst der Herstellungsvorgang typischerweise mehrere Umformprozesse. Zusätzlich werden an den bzw. die Strebenbereiche derartiger Lenkerbauteile nach der Umformung weitere Bauteile – insbesondere im Hinblick auf die Lagerung bzw. Verbindung mit Chassis bzw. Radträger – angeschweißt, um alle Funktionen zu erfüllen und alle erforderlichen Anbindungspunkte bereitstellen zu können.In particular, in the production of handlebar elements as deep-drawn or forged components of the manufacturing process typically includes several forming processes. In addition, other components - in particular with regard to the storage or connection to the chassis or wheel carrier - welded to the or the strut areas such handlebar components after forming in order to fulfill all functions and to provide all necessary connection points can.
Die damit verbundene, erhebliche Anzahl separater Einzelteile sowie Bearbeitungsschritte verursacht – trotz Automatisierungstechnik bei der Herstellung – vergleichsweise hohe Kosten, auch da nach Beendigung der eigentlichen Form- und Montagevorgänge zusätzlich oft eine Wärmebehandlung sowie eine abschließende Oberflächenbehandlung in Form einer üblicherweise galvanischen, korrosionsschützenden Behandlung bzw. Beschichtung erforderlich ist. Auch sind die zur Formgebung metallischer Lenkerelemente benötigten Tiefziehwerkzeuge vergleichsweise aufwändig und damit teuer in der Herstellung. Nicht zuletzt weisen die im Stand der Technik verwendeten, metallischen Lenkerelemente eine vergleichsweise hohe Masse auf, wodurch das Fahrzeuggewicht und insbesondere die ungefederten Massen der Radaufhängung erhöht werden.The associated, significant number of separate items and processing steps causes - despite automation technology in the production - comparatively high cost, even as after completion of the actual molding and assembly operations often also a heat treatment and a final surface treatment in the form of a usually galvanic, corrosion-protective treatment or Coating is required. Also, the deep drawing tools required for the shaping of metallic link elements are comparatively complicated and therefore expensive to manufacture. Not least, the metallic link elements used in the prior art to a relatively high mass, whereby the vehicle weight and in particular the unsprung masses of the suspension are increased.
Aus Entwicklungsprojekten sind bereits Radführungslenker aus spritzgegossenen, thermoplastischen Kunststoffen mit Kurzfaserverstärkung oder aus endlosfaserverstärkten thermoplastischen und duroplastischen Kunststoffen bekannt, die gegenüber der metallischen Bauweise von Lenkerelementen bedeutende Gewichtsvorteile besitzen. Spritzgegossene Lenker erreichen jedoch bisher nicht die mechanischen Anforderungen, während Prototypen aus langfaserverstärkten Kunststoffen aufwändige und damit teure Fertigungsprozesse und Werkstoffe mit sich bringen. Auch erfolgt die Integration von Kinematikpunkten bzw. Lagerstellen zumeist noch in herkömmlicher Weise z. B. durch Einpressen von Elastomerlagern bzw. Lagerschalen, was bei Lenkern aus Kunststoffen auf Dauer zum Kriechen und damit zur Lockerung des Lagersitzes führen kann.From development projects already Radführungslenker injection molded thermoplastic materials with short fiber reinforcement or endless fiber reinforced thermoplastic and thermosetting plastics are known, which have significant weight advantages over the metallic construction of handlebar elements. However, injection-molded handlebars have not yet achieved the mechanical requirements, while prototypes made of long-fiber-reinforced plastics entail complex and therefore expensive manufacturing processes and materials. The integration of kinematic points or bearings is usually still in a conventional manner z. B. by pressing elastomeric bearings or bearing shells, which can lead to creep and thus to relaxation of the bearing seat in the handlebars made of plastics in the long run.
Mit diesem Hintergrund ist es somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lenkerelement zu schaffen, mit dem die genannten, im Stand der Technik vorhandenen Einschränkungen überwunden werden. Insbesondere sollen mit der Erfindung vergleichsweise kostengünstig herstellbare Lenkerelemente dargestellt werden können, die eine besonders geringe Masse aufweisen, und die somit das Leergewicht sowie die ungefederten Massen bei einem Kraftfahrzeug, in welches sie beispielsweise eingebaut werden, dementsprechend reduzieren. Zudem soll die Anzahl der für die Lenkerelemente benötigten Einzelteile ebenso wie die Anzahl der zur Herstellung der Lenkerelemente notwendigen Prozessschritte maßgeblich reduziert werden, und es sollen Anbauteile oder Zusatzfunktionen mit möglichst geringem Aufwand bzw. möglichst einstückig in die Lenkerelemente integriert werden.With this background, it is thus an object of the present invention to provide a link element with which the aforementioned existing limitations in the prior art are overcome. In particular, should be able to be represented with the invention relatively inexpensive to produce link elements, which have a particularly low mass, and thus reduce the curb weight and the unsprung masses in a motor vehicle, in which they are installed, for example, accordingly. In addition, the number of required for the link elements items as well as the number of necessary for the production of the link elements process steps should be significantly reduced, and it should be integrated or integrated with the least possible effort attachments as possible in one piece in the link elements.
Diese Aufgabe wird durch ein Lenkerelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a link element with the features of
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.Preferred embodiments are subject of the dependent claims.
In für sich genommen zunächst bekannter Weise umfasst das Lenkerelement (bei dem es sich insbesondere, jedoch keineswegs ausschließlich, um einen Radführungslenker für ein Kraftfahrzeug handeln kann) gemäß der vorliegenden Erfindung zumindest zwei Endbereiche. Dabei weist jeder Endbereich einen Lagerungsabschnitt auf, und die Endbereiche des Lenkerelements sind mittels eines Strebenbereichs des Lenkerelements miteinander verbunden.In itself initially known manner, the handlebar element (which may be in particular, but by no means exclusively, a Radführungslenker for a motor vehicle) according to the present invention comprises at least two end areas. In this case, each end region has a bearing section, and the end regions of the link element are connected to one another by means of a strut region of the link element.
Erfindungsgemäß zeichnet sich das Lenkerelement jedoch dadurch aus, dass die Endbereiche und der Strebenbereich gemeinsam durch einen im Wesentlichen kastenförmigen Profilträger gebildet sind, der aus einem endlosfaserverstärkten, plattenförmigen Kunststoffhalbzeug tiefgezogen ist. Zugleich ist im Innenraum des Profilträgers ein Füllkörper aus einem spritzgegossenen Kunststoff angeordnet, wobei der Füllkörper die Innenoberflächen des Profilträgers schubfest miteinander verbindet.According to the invention, however, the link element is characterized in that the end regions and the strut region are formed together by a substantially box-shaped profile carrier, which is deep drawn from a continuous fiber-reinforced, plate-shaped plastic semi-finished product. At the same time, a filling body made of an injection-molded plastic is arranged in the interior of the profile carrier, wherein the filler body connects the inner surfaces of the profile carrier shear-resistant.
Die erfindungsgemäßen konstruktiven Merkmale des Lenkerelements stellen – infolge der Kombination des aus einem Plattenhalbzeug tiefgezogenen (und damit grundsätzlich einseitig offenen) Profilträgers mit Endlosfaserverstärkung einerseits, und dem die Innenoberflächen des Profilträgers schubfest verbindenden Füllkörper andererseits – zunächst einmal eine sehr hohe Biege- sowie Verwindungssteifigkeit und Bruchbelastbarkeit des Lenkerelements bei gleichzeitig geringer Masse sicher.The constructive features of the link element according to the invention provide - due to the combination of a semifinished semi-finished (and thus basically open on one side) profile carrier with continuous fiber reinforcement on the one hand, and the inner surfaces of the profile support shear-resistant packing filler - on the other hand - a very high bending and torsional stiffness and breaking strength the handlebar element at the same time low mass safely.
Dies hängt damit zusammen, dass der tiefgezogene, einseitig zunächst offene – und damit für sich genommen torsionsweiche und zunächst wenig biegesteife – Profilträger anhand der schubfesten Verbindung seiner Innenoberflächen (und damit insbesondere auch seiner offenen Längskanten) durch den Füllkörper effektiv nahezu die Eigenschaften eines großvolumigen geschlossenen Rohrprofils, insbesondere eine sehr hohe Torsionssteifigkeit ebenso wie eine hohe Biegesteifigkeit erhält.This is due to the fact that the deep-drawn, unilaterally initially open - and therefore inherently torsionally soft and initially less rigid - profile carrier on the shear-resistant connection of its inner surfaces (and thus in particular its open longitudinal edges) by the filler effectively almost the properties of a large volume closed Pipe profiles, in particular a very high torsional stiffness as well as a high bending stiffness receives.
Darüber hinaus erlaubt die Ausführung des Profilträgers komplett aus Kunststoff eine konstruktiv weitestgehend freie und belastungsoptimierte Formgebung für den Profilträger, wobei der gesamte Herstellvorgang mittels der erfindungsgemäßen Hybridbauweise aus endlosfaserverstärktem Profilträger und spritzgegossenem Füllkörper kostengünstig gestaltet werden kann. Gleichzeitig lässt sich eine im Vergleich mit einem Profilträger aus Metall deutlich reduzierte Bauteilmasse – mit den entsprechenden Vorteilen bei Fahrzeuggewicht und ungefederter Masse – erzielen. Zudem können im Rahmen der Produktion eine ganze Anzahl von Fertigungsschritten ebenso entfallen wie die nicht mehr notwendige abschließende Wärme- und/oder Oberflächenbehandlung (insbesondere Korrosionsschutz bzw. Lackierung) des erfindungsgemäßen Profilträgers.In addition, the design of the profile support completely made of plastic allows a structurally largely free and stress-optimized design for the profile support, wherein the entire manufacturing process can be designed inexpensively by means of the hybrid construction of continuous fiber reinforced profile carrier and injection-molded packing according to the invention. At the same time, a significantly reduced component mass compared to a metal beam can be achieved - with the corresponding advantages in terms of vehicle weight and unsprung mass. In addition, a whole number of manufacturing steps can be omitted as part of the production as well as the no longer necessary final heat and / or surface treatment (in particular corrosion protection or painting) of the profile carrier according to the invention.
Die Erfindung wird dabei zunächst einmal unabhängig davon verwirklicht, welcher Art und Zusammensetzung das plattenförmige, endlosfaserverstärkte Kunststoffhalbzeug und/oder der spritzgegossene Füllkörper ist, solange die im Betrieb jeweils entstehenden Materialspannungen im zulässigen Bereich bleiben. So ist es beispielsweise denkbar, für den tiefgezogenen Profilträger endlosfaserverstärkte Prepregs aus aushärtbaren Kunststoffen wie beispielsweise Epoxidharz zu verwenden.The invention is first of all realized independently of what type and composition is the plate-shaped, continuous fiber-reinforced plastic semi-finished product and / or the injection-molded packing, as long as the material stresses arising during operation remain within the permissible range. Thus, it is conceivable, for example, to use continuous-fiber-reinforced prepregs made of thermosetting plastics such as epoxy resin for the deep-drawn profile carrier.
Gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung handelt es sich bei dem Material des Profilträgers jedoch um ein plattenförmiges Halbzeug aus einem endlosfaserverstärkten Thermoplasten. Derartige endlosfaserverstärkte Halbzeuge aus thermoplastischen Kunststoffen können (nach Erwärmung) prinzipiell ähnlich wie metallische Bleche tiefgezogen werden. Die auf diese Weise gefertigten Bauteile erreichen – bei geeigneter Geometrie und Bauteilauslegung – ähnliche Steifigkeiten und ähnliche Belastbarkeiten wie entsprechende metallische Bauteile, weisen dabei jedoch eine zumeist erheblich geringere Masse als die letzteren auf.According to preferred embodiments of the invention, however, the material of the profile carrier is a plate-shaped semi-finished product made of a continuous fiber-reinforced thermoplastic. Such continuous fiber reinforced semi-finished products made of thermoplastic materials can (after heating) in principle be thermoformed similar to metallic sheets. The components produced in this way achieve - with suitable geometry and component design - similar stiffness and similar load capacities as corresponding metallic components, but have a mostly much lower mass than the latter on.
Die Verwendung derartiger thermoplastischer sowie endlosfaserverstärkter Halbzeuge für den Profilträger des Lenkerelements hat – neben der damit erzielbaren Gewichtsersparnis und der hohen spezifischen Belastbarkeit und Steifigkeit – den zusätzlichen Vorteil, dass sich ein so gebildeter Profilträger und der im Spritzguss gefertigte Füllkörper bei der Urformung des Lenkerelements – bzw. bei der Hinterspritzung des Profilträgers mit dem Füllkörper – durch oberflächliches Aufschmelzen innig miteinander verbinden, da sowohl Profilträger als auch Füllkörper auf einem organischen Matrixwerkstoff in Form von thermoplastischem Kunststoff basieren. Nicht zuletzt lässt sich auf diese Weise ein Lenkerelement erhalten, welches sich nach Ablauf seiner Lebensdauer zudem besonders einfach und vollständig rezyklieren lässt, da es einheitlich aus thermoplastischen Werkstoffen besteht.The use of such thermoplastic as well as continuous fiber reinforced semifinished products for the profile carrier of the link element has - in addition to the weight savings and the high specific load capacity and rigidity - the additional advantage that a profile carrier formed in this way and the filling body produced by injection molding in the initial shaping of the link element ., in the back injection of the profile carrier with the filler - intimately connect with each other by superficial melting, since both profile carrier and filler are based on an organic matrix material in the form of thermoplastic material. Last but not least, a handlebar element can be obtained in this way, which, in addition, can be recycled particularly easily and completely at the end of its service life, since it consists of thermoplastic materials in a uniform manner.
Mit diesem Hintergrund ist es gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung daher vorgesehen, dass Profilträger und Füllkörper stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Dies kann insbesondere dadurch erfolgen, dass der Profilträger in eine Spritzgussform eingelegt und bei der anschließenden Urformung des Füllkörpers in der Spritzgussform so mit dem Material des Füllkörpers hinterspritzt wird, dass sich eine – an den jeweiligen Kontaktoberflächen zwischen Profilträger und Füllkörper – stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Matrixwerkstoff des Profilträgers und dem beim Spritzguss in die Form injizierten Material des Füllkörpers ergibt. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Füllkörper aus einem kurzfaserverstärkten oder langfaserverstärkten Thermoplastwerkstoff besteht. Hierdurch werden für den Füllkörper besonders hohe Druck- und Zugfestigkeiten erreicht, was insbesondere die Biege- und Torsionssteifigkeit des Lenkerelements weiter erhöht.With this background, it is therefore provided according to a further embodiment of the invention that profile beam and filler are materially interconnected. This can be done in particular by the fact that the profile carrier is inserted into an injection mold and in the subsequent Urformung of the filler in the injection mold is back-injected with the material of the filler that a - at the respective contact surfaces between the profile carrier and packing - cohesive connection between the matrix material of the profile carrier and the injected during injection into the mold material of the packing results. A further preferred embodiment of the invention provides that the filler body consists of a short-fiber-reinforced or long-fiber-reinforced thermoplastic material. As a result, particularly high compressive and tensile strengths are achieved for the filler, which further increases in particular the bending and torsional rigidity of the link element.
Der Profilträger kann dabei im Vorfeld der Hinterspritzung mit dem Füllkörper bereits entweder teilweise oder vollständig – entsprechend seiner endgültigen Form am Lenkerelement – vorgeformt sein. Wahlweise kann die Ausformung (das Tiefziehen) des Profilträgers jedoch auch – teilweise oder vollständig – erst beim Schließen der Spritzgussform durch deren formgebende Kontur, sowie beim nachfolgenden Injizieren des Materials des Füllkörpers durch den Einspritzdruck des Spritzgusswerkzeugs erfolgen. Auf diese Weise lassen sich einerseits Kosten, insbesondere Werkzeugkosten sowie Fertigungszeit einsparen, und andererseits werden so besonders gute Toleranzwerte bezüglich der Form und der Maße des fertigen Lenkerelements erreicht, beispielsweise indem etwaige Ungenauigkeiten eines vorgeformten Profilträgers durch das sich schließende Spritzgusswerkzeug ausgeglichen und damit eliminiert werden. The profile carrier can already be preformed in advance of the back injection with the filler either partially or completely - according to its final shape on the link element. Optionally, however, the shaping (deep-drawing) of the profile carrier can also be carried out - partially or completely - only when the injection mold is closed by its shaping contour, and during the subsequent injection of the material of the filling body by the injection pressure of the injection molding tool. In this way, on the one hand costs, in particular tooling costs and manufacturing time can be saved, and on the other hand so particularly good tolerance values are achieved with respect to the shape and dimensions of the finished link element, for example by any inaccuracies of a preformed profile carrier are compensated by the closing injection mold and thus eliminated.
Die Erfindung wird ferner zunächst auch unabhängig davon verwirklicht, welcher Art und aus welchem Material die Endlosfaserverstärkung des plattenförmigen Kunststoffhalbzeugs ist. Vorzugsweise enthält das plattenförmige, bevorzugt thermoplastische Kunststoffhalbzeug jedoch endlose Glasfasern, Kohlefasern und/oder Aramidfasern. Die Begriffe ”endlos” oder ”Endlosfasern” bedeuten dabei, dass die im Kunststoffhalbzeug enthaltenen Verstärkungsfasern im Wesentlichen über die gesamte Länge und/oder Breite des Profilträgers ohne Unterbrechungen verlaufen, wodurch sich jeweils ein optimaler Kraftfluss und eine optimale Verstärkungswirkung für den Profilträger ergibt. Alternativ oder zusätzlich zur Verstärkung mit den genannten Endlosfasern kann das Kunststoffhalbzeug auch Metallfasern und/oder zumindest eine Metallfolienlage als Verstärkung enthalten.The invention is also first realized regardless of which type and of which material is the continuous fiber reinforcement of the plate-shaped plastic semi-finished product. Preferably, however, the plate-shaped, preferably thermoplastic semi-finished plastic product contains endless glass fibers, carbon fibers and / or aramid fibers. The terms "endless" or "continuous fibers" mean that the reinforcing fibers contained in the plastic semi-finished run substantially without interruptions over the entire length and / or width of the profile carrier, resulting in each case an optimal power flow and an optimal reinforcing effect for the profile carrier. Alternatively or in addition to the reinforcement with the said continuous fibers, the semifinished plastic product may also contain metal fibers and / or at least one metal foil layer as reinforcement.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst zumindest ein Lagerungsabschnitt des Lenkerelements eine schwenkbewegliche Lageranordnung. Dabei verbindet der spritzgegossene Füllkörper die Lageranordnung durch Hinterspritzung mit dem Profilträger. Auf diese Weise ergibt sich – in Form eines Montagespritzgusses – eine besonders einfache Integration von Lageranordnungen wie beispielsweise von Kugelgelenken oder Elastomergelenken unmittelbar beim Spritzguss des Füllkörpers. Die Lageranordnungen werden dabei in nur einem Arbeitsgang exakt an der vorgesehenen Stelle fest mit dem Profilträger verbunden.According to a further preferred embodiment of the invention, at least one bearing section of the link element comprises a pivotable bearing arrangement. In this case, the injection-molded packing connects the bearing assembly by injection with the profile carrier. In this way results - in the form of a Montagespritzgusses - a particularly simple integration of bearing assemblies such as ball joints or elastomer joints directly during injection molding of the packing. The bearing assemblies are connected in a single operation exactly at the intended location fixed to the profile carrier.
Gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Einpressen von Lageranordnungen wie beispielsweise Kugelgelenken oder Elastomergelenken besitzt der Montagespritzguss insbesondere den Vorteil, dass bei der Montage keine nennenswerten Spannungen im Bereich des Lagersitzes entstehen, welche insbesondere bei Profilträgern aus Kunststoffen zu einem Kriechen des Materials und damit zur Lockerung des Lagersitzes führen können.Compared to the known from the prior art press-fitting of bearing assemblies such as ball joints or elastomer joints of the injection molding has the particular advantage that during assembly no significant stresses in the bearing seat arise, which in particular in profile carriers made of plastics to creep the material and thus to Relaxation of the bearing seat can lead.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die zumindest eine Lageranordnung einen Elastomerkörper, wobei der Elastomerkörper durch den Füllkörper umspritzt ist. Vorzugsweise sind dabei Elastomerkörper und Füllkörper stoffschlüssig miteinander verbunden. Auf diese Weise lassen sich insbesondere Elastomerlager – unmittelbar bei der Hinterspritzung des Profilträgers mit dem Werkstoff des Füllkörpers – durch Montagespritzguss in das Lenkerelement integrieren, wobei die Notwendigkeit für eine (insbesondere metallische) Außenhülse des Elastomerlagers entfällt. Auch hierdurch werden sowohl Montageschritte als auch Bauteile eingespart, und das Gewicht des Lenkerelements weiter reduziert. Eine besonders innige stoffschlüssige Verbindung der Außenoberfläche des Lager-Elastomerkörpers mit dem Füllkörper und damit mit dem Lenkerelement lässt sich zudem dadurch erhalten, dass die Oberfläche des Elastomerkörpers mit einem Primer bzw. Haftvermittler behandelt wird. Hierdurch ergibt sich bei der Hinterspritzung eine nahezu unlösbar feste Verbindung zwischen der Elastomeroberfläche und dem Material des Füllkörpers.According to a further preferred embodiment, the at least one bearing arrangement comprises an elastomeric body, wherein the elastomeric body is encapsulated by the filling body. Preferably, elastomeric body and filler are cohesively connected to each other. In this way, in particular elastomer bearings - directly in the back-injection of the beam with the material of the filler - integrate by injection molding in the handlebar element, the need for a (especially metallic) outer sleeve of the elastomer bearing deleted. This also saves both assembly steps and components, and further reduces the weight of the link member. A particularly intimate cohesive connection of the outer surface of the bearing elastomer body with the filler body and thus with the link element can also be obtained by treating the surface of the elastomer body with a primer or adhesion promoter. This results in the back injection a nearly permanent bond between the elastomeric surface and the material of the packing.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Elastomerkörper der Lageranordnung durch die Umspritzung mit dem Werkstoff des Füllkörpers komprimiert wird. Auf diese Weise lässt sich insbesondere ein Elastomerlager bereits beim Montagespritzguss auf seine endgültig vorgesehene Kennlinie kalibrieren, die zumeist einen bestimmten Grad an Kompression des Lager-Elastomerkörpers erfordert.According to a further embodiment of the invention, it is provided that the elastomeric body of the bearing assembly is compressed by the encapsulation with the material of the packing. In this way, in particular an elastomer bearing can already calibrate during assembly injection molding to its final intended characteristic, which usually requires a certain degree of compression of the bearing elastomer body.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Lenkerelement im Bereich zumindest eines Lagerungsabschnitts biegeelastisch ausgebildet ist. Dabei ist der biegeelastisch ausgebildete Lagerungsabschnitt unmittelbar mit einer angrenzenden Baugruppe verbindbar. Diese Ausführungsform ermöglicht mit anderen Worten die direkte, schwenkbewegliche Verbindung des Lenkerelements beispielsweise mit dem Chassis eines Kraftfahrzeugs, ohne dass hierfür Lagerelemente wie beispielsweise Elastomergelenke erforderlich sind. Stattdessen erfüllt der zumindest eine biegeelastisch ausgeführte Lagerungsabschnitt des Lenkerelements selbst die Aufgabe der schwenkbeweglichen Lagerung des Lenkerelements gegenüber der Anschlussbaugruppe, beispielsweise gegenüber dem Fahrzeugchassis. Hierdurch lassen sich in großem Umfang insbesondere Montage- und Herstellungsaufwand, ferner entsprechende Kostenumfänge ebenso wie Bauteilmasse und Bauraumbedarf einsparen.A further preferred embodiment of the invention provides that the link element is designed flexurally elastic in the region of at least one bearing section. In this case, the bending elastic trained storage section is directly connected to an adjacent module. In other words, this embodiment enables the direct, pivotally movable connection of the link element, for example with the chassis of a motor vehicle, without the need for bearing elements such as, for example, elastomer joints. Instead, the at least one bending elastic running bearing portion of the link element itself fulfills the task of pivotally mounting the link element relative to the terminal assembly, for example with respect to the vehicle chassis. In this way, in particular assembly and production costs can be saved on a large scale, as well as corresponding cost scopes as well as component mass and space requirement.
Der biegeelastische Lagerungsabschnitt des Lenkerelements kann gemäß einer weiteren Ausführungsform insbesondere einen im Wesentlichen spiralförmig ausgebildeten Lagerbereich umfassen. Auf diese Weise lässt sich mit geringem Bauraumbedarf eine erhebliche Winkelbeweglichkeit im Bereich des biegeelastischen Lagerungsabschnitts erzielen. Vorzugsweise ist der biegeelastische Lagerungsabschnitt des Lenkerelements als Laminat ausgebildet, wobei das Laminat im Bereich des Lagerungsabschnitts – zusätzlich oder alternativ zur Endlosfaserverstärkung – zumindest eine Laminatlage aus einem Elastomerwerkstoff umfasst. Auf diese Weise lässt sich ein einstückiger Übergang zwischen den starren Bereichen des Lenkerelements und den biegeelastisch ausgebildeten Bereichen des Lenkerelements, welche den Lagerungsabschnitt des Lenkerelements und die Verbindung zur angrenzenden Baugruppe bilden, erreichen. The flexurally elastic mounting portion of the link element may, according to another embodiment, in particular comprise a substantially spirally formed storage area. In this way, a considerable angular mobility in the region of the flexurally elastic mounting portion can be achieved with a small space requirement. Preferably, the flexurally elastic mounting portion of the link element is formed as a laminate, wherein the laminate in the region of the storage section comprises - in addition to or alternatively to the continuous fiber reinforcement - at least one laminate layer of an elastomer material. In this way, an integral transition between the rigid portions of the link member and the flexurally elastic portions of the link member forming the bearing portion of the link member and the connection to the adjacent assembly can be achieved.
Eine weitere, besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Füllkörper einstückig weitere Funktionsbereiche, Verbindungsstellen, Lagerpunkte, Anschläge oder Kraftangriffspunkte für Anschlussbauteile oder dergleichen umfasst. Da die Formgebung des spritzgegossenen Füllkörpers aufgrund dessen Herstellungsweise nahezu keinen Beschränkungen unterliegt, können auf diese Weise zusätzliche Funktionen, Verbindungsstellen oder Kraftangriffspunkte besonders einfach und kostengünstig in das Lenkerelement integriert werden, ohne dass hierzu zusätzliche Bauteile und Montageschritte erforderlich sind.A further, particularly preferred embodiment of the invention provides that the filler body integrally comprises further functional areas, connection points, bearing points, stops or force application points for connection components or the like. Since the shape of the injection-molded packing is almost unlimited due to its method of manufacture, in this way additional functions, joints or points of application can be integrated into the link element in a particularly simple and cost-effective manner without requiring additional components and assembly steps.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Lenkerelement ein Mehrpunkt-Radführungslenker mit zwei chassisseitigen Lagerungsabschnitten und zumindest einem achsschenkelseitigen Lagerungsabschnitt, umfasst mit anderen Worten also mehr als zwei Endbereiche und somit mindestens drei Lagerungsabschnitte, wobei zwischen den mindestens drei Lagerungsabschnitten zumindest ein gekrümmt verlaufender Lenkerabschnitt angeordnet ist, der die mindestens drei Lagerungsabschnitte miteinander verbindet. Bei einem derartigen Radführungslenker kann es sich (lediglich beispielsweise) um einen U-förmigen, L-förmigen oder V-förmigen Querlenker handeln. Dabei ist zumindest ein Teil der Endlosfasern des Kunststoffhalbzeugs bzw. Profilträgers entlang der gesamten Kontur des gekrümmt verlaufenden Lenkerabschnitts angeordnet. Auf diese Weise wird eine vorzugsweise alle Lagerungsabschnitte des Radführungslenkers miteinander verbindende, steifigkeits- und belastungsoptimierte Faseranordnung im fertigen Profilträger erreicht.According to a further preferred embodiment of the invention, the link member is a multi-point Radführungslenker with two chassis side storage sections and at least one axle leg bearing portion, in other words includes more than two end portions and thus at least three storage sections, wherein between the at least three storage sections at least one curved extending handlebar section is arranged, which connects the at least three storage sections together. Such a Radführungslenker may be (only for example) to a U-shaped, L-shaped or V-shaped wishbone. In this case, at least a part of the endless fibers of the plastic semi-finished product or profile carrier along the entire contour of the curved extending handlebar section is arranged. In this way, a preferably all bearing sections of the wheel control arm interconnecting stiffness and load optimized fiber arrangement is achieved in the finished profile beam.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Füllkörper eine Rippenstruktur aufweist. Dabei ist die Rippenstruktur im Wesentlichen prismatisch und zudem offen entlang der Entformungsrichtung des Spritzgusswerkzeugs zur Formgebung des Füllkörpers bzw. des Lenkerelements angeordnet. Die Rippenstruktur des Füllkörpers führt dabei einerseits zu einem geringeren Gewicht des Füllkörpers sowie des Lenkerelements, bei gleichzeitig nach wie vor hoher Torsions- und Biegesteifigkeit. Die prismatische Ausbildung der Rippenstruktur und deren entlang der Entformungsrichtung offene Struktur andererseits führen dazu, dass das Spritzgusswerkzeug für die Formgebung des Füllkörpers kostengünstig mit wenigen Einzelteilen bzw. Trennebenen, ggf. lediglich zwei- bis dreiteilig sowie mit nur einer Trennebene, ausgeführt werden kann.A further preferred embodiment of the invention provides that the filler has a rib structure. In this case, the rib structure is substantially prismatic and also open along the Entformungsrichtung of the injection molding tool for shaping the filler or the link element arranged. The rib structure of the filler body leads on the one hand to a lower weight of the filler body and the link element, while still high torsional and bending stiffness. The prismatic design of the rib structure and its open along the Entformungsrichtung structure on the other hand lead to the injection molding tool for the shaping of the packing can inexpensively with few individual parts or parting planes, possibly only two or three parts and with only one parting plane executed.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist dabei vorgesehen, dass die Wandungen der Rippenstruktur in Bezug auf eine Längsmittelachse des Profilträgers im Wesentlichen diagonal rautenförmig angeordnet sind. Durch die rautenförmige Anordnung und den – bezüglich der Längsmittelachse des Profilträgers – diagonalen Verlauf der Wandungen der Rippenstruktur des Füllkörpers ergibt sich anhand des Füllkörpers eine effektive schubsteife Verbindung der beiden Ränder des endlosfaserverstärkten Profilträgers im Bereich dessen offener Längsseite (insbesondere im Hinblick auf Scher- bzw. Schubkräfte), wie sie bei Torsionsbelastung des Profilträgers im Bereich dessen offener Längsseite zwischen den beiden dortigen Rändern bzw. Längskanten auftritt.According to a further embodiment, it is provided that the walls of the rib structure are arranged substantially diagonally diamond-shaped with respect to a longitudinal central axis of the profile carrier. Due to the diamond-shaped arrangement and - with respect to the longitudinal center axis of the profile carrier - diagonal course of the walls of the rib structure of the packing results in an effective shear stiff connection of the two edges of the continuous fiber reinforced profile carrier in the region of its open longitudinal side (in particular with respect to shear or Thrust forces), as occurs in Torsionsbelastung the profile carrier in the region of its open longitudinal side between the two local edges or longitudinal edges.
Die Erfindung ist dabei jedoch nicht auf eine diagonale oder rautenförmigen Ausbildung der Rippenstruktur begrenzt. Vielmehr kann die Rippenstruktur generell so festigkeits- bzw. steifigkeitsoptimiert ausgebildet werden, dass die Ausrichtung, Anzahl und Stärke der jeweiligen Rippen an die in den unterschiedlichen Bereichen des Lenkerelements jeweils vorherrschenden Kraftverläufe bzw. Belastungen optimal angepasst sind. Dies gilt auch bei beispielsweise U-förmigem oder generell gekrümmtem bzw. konturiertem Lenkerverlauf, mit entsprechend gekrümmtem oder konturiertem Verlauf der Längsmittelachse des Lenkerelements.However, the invention is not limited to a diagonal or diamond-shaped design of the rib structure. Rather, the rib structure can generally be made so strength-optimized or stiffness-optimized that the alignment, number and thickness of the respective ribs are optimally adapted to the respectively prevailing force profiles or loads in the different regions of the link element. This also applies to, for example, U-shaped or generally curved or contoured handlebar course, with a correspondingly curved or contoured course of the longitudinal center axis of the link element.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die beim Tiefziehen des endlosfaserverstärkten, plattenförmigen Kunststoffhalbzeugs entstandene offene Längsseite des Profilträgers zumindest teilweise durch eine mit den dort vorhandenen Längsrändern des Profilträgers stoffschlüssig verbundene Decklage verschlossen ist. Vorzugsweise ist dabei die Decklage im Bereich der offenen Längsseite des tiefgezogenen Profilträgers zudem auch stoffschlüssig mit dem Füllkörper verbunden.According to a further possible embodiment of the invention, it is provided that the open longitudinal side of the profiled carrier produced during thermoforming of the continuous fiber-reinforced, plate-shaped plastic semifinished product is at least partially closed by a cohesively connected cover layer with the longitudinal edges of the profiled carrier present there. In this case, the cover layer in the region of the open longitudinal side of the deep-drawn profile carrier is preferably also connected in a material-bonded manner to the filling body.
Die stoffschlüssige Verbindung der Decklage mit Profilträger bzw. Füllkörper kann dabei wieder durch geeignete Prozess- und Temperaturführung beim Aufbringen der Decklage erfolgen, wobei die Decklage selbst vorzugsweise ebenfalls aus einem plattenförmigen, thermoplastischen Kunststoffhalbzeug mit Endlosfaserverstärkung gebildet wird.The cohesive connection of the cover layer with profile carrier or packing can again by suitable process and Temperature control when applying the cover layer done, wherein the cover layer itself is preferably also formed from a plate-shaped thermoplastic semi-finished plastic product with continuous fiber reinforcement.
Auf diese Weise wird – in dem mit der Decklage verschlossenen Bereich des Profilträgers – ein rundum geschlossenes Hohlprofil erhalten, bei dem vorzugsweise auch der Füllkörper sowohl mit den Rändern bzw. Innenwandungen des Profilträgers als auch mit der Decklage stoffschlüssig verbunden ist. Hierdurch lassen sich die Torsions- und Biegesteifigkeiten des Lenkerelements nach weiter erhöhen.In this way, - in the closed with the top layer portion of the profile support - a completely closed hollow profile obtained, in which preferably also the filler is bonded cohesively with both the edges or inner walls of the profile support and with the cover layer. As a result, the torsional and bending stiffnesses of the link element can be further increased.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand lediglich Ausführungsbeispiele darstellender Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt:In the following the invention will be explained with reference to exemplary embodiments illustrative drawings. Showing:
Bereits in
In
Der Einschluss bzw. die Ausbildung des Kugelgelenkgehäuses im Endbereich
Eine alternative Ausführungsform einer Verbindung zwischen dem Profilträger
Die
Stattdessen erfüllen die biegeelastisch ausgeführten Endbereiche
Im Ergebnis wird somit deutlich, dass mit der Erfindung ein Lenkerelement aus Kunststoff geschaffen wird, das mit einer minimalen Anzahl an Prozessschritten kostengünstig herstellbar ist und eine sehr geringe Masse aufweist, wobei gleichzeitig hohe Anforderungen an die Steifigkeit und damit auch an die Betriebssicherheit erfüllt werden. Die ungefederten Massen beispielsweise einer Kraftfahrzeug-Radaufhängung können dank der Erfindung somit erheblich reduziert und der Fahrkomfort entscheidend erhöht werden. Das erfindungsgemäße Lenkerelement kann zudem einstückig diverse Zusatzfunktionen, Kraftangriffspunkte und Anschlussbauteile umfassen, zusätzliche Montageschritte und die Notwendigkeit zur nachträglichen Wärme- und/oder Oberflächenbehandlung können entfallen.As a result, it is clear that with the invention, a handlebar element made of plastic is created, which is inexpensive to produce with a minimum number of process steps and has a very low mass, at the same time high demands on the rigidity and thus the reliability are met. The unsprung masses, for example, a motor vehicle suspension can thus be significantly reduced thanks to the invention and the ride comfort can be significantly increased. The link element according to the invention may also comprise integrally various additional functions, force application points and connection components, additional assembly steps and the need for subsequent heat and / or surface treatment may be omitted.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Profilträgerprofile support
- 2, 3, 4, 4'2, 3, 4, 4 '
- Profilträger-Endbereich, Lageraufnahme, LagerungsabschnittProfile carrier end region, bearing support, bearing section
- 55
- Elastomerlagerelastomeric bearings
- 66
- Füllkörperpacking
- 77
- Kugelschalespherical shell
- 88th
- Einstülpunginvagination
- 99
- Elastomerkörperelastomer body
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