DE102016210077A1

DE102016210077A1 - Fahrzeugkomponente mit einem Anbindungsbereich zur elastischen Anbindung einer anderen Komponente

Info

Publication number: DE102016210077A1
Application number: DE102016210077.7A
Authority: DE
Inventors: Rainer Souschek; Friedrich Wolf-Monheim; Thomas Gerhards; Ralf Hintzen; Daniel MAINZ; Alberto Girelli Consolaro; Nicole Zandbergen; Paul Zandbergen
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-06-08
Filing date: 2016-06-08
Publication date: 2017-12-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugkomponente (1) mit einem Anbindungsbereich (3.3) zur elastischen Anbindung einer anderen Komponente, wobei die Fahrzeugkomponente auf 1) wenigstens teilweise aus faserverstärktem Kunststoff besteht und einen Basisabschnitt (2) aufweist. Um eine einfach herzustellende und gewichtssparende elastische Verbindung zwischen Fahrzeugkomponenten bereitzustellen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Anbindungsbereich (3.3) an einem wenigstens teilweise elastischen Auslenkabschnitt (3) ausgebildet ist, der an zwei einander in Richtung einer ersten Achse (A) gegenüberliegenden Enden (3.1, 3.2) mit dem Basisabschnitt (2) verbunden und dazwischen vom Basisabschnitt (2) beabstandet ist, wodurch der Anbindungsbereich (3) elastisch gegenüber dem Basisabschnitt (2) auslenkbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugkomponente mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 mit einem Anbindungsbereich zur elastischen Anbindung einer anderen Komponente, wobei die Fahrzeugkomponente wenigstens teilweise aus faserverstärktem Kunststoff besteht und einen Basisabschnitt aufweist.
Bei modernen Fahrzeugen, insbesondere bei Kraftfahrzeugen wie Pkw und Lkw, müssen in vielen Bereichen zwei Komponenten flexibel, insbesondere elastisch, miteinander verbunden werden. Dies betrifft z. B. Aufhängungskomponenten wie Längs- oder Querlenker, die an einen Radträger, einen Fahrzeugaufbau oder dergleichen angebunden sind, wobei im Bereich der Anbindung eine zumindest begrenzte Drehbarkeit oder Verschiebbarkeit der beteiligten Komponenten gegeneinander nötig ist. Dies wird beispielsweise durch Gummi-Metall-Verbundlager erreicht, die ggf. mit Kugelgelenken kombiniert werden. Derartige elastische Verbundlager ermöglichen normalerweise eine geringfügige Verschiebung in alle Richtungen sowie eine Verdrehung, weshalb sie teilweise als kostengünstige Alternative zu Kugelgelenken eingesetzt werden können. Bei einem typischen Aufbau eines Verbundlagers ist eine innere Metallhülse konzentrisch von einer äußeren Metallhülse umgeben und der Zwischenraum zwischen den Hülsen ist mit Gummi oder einem andern Elastomer gefüllt. Lagerelemente wie Verbundlager oder Kugellager werden durch bekannte Verbindungsmethoden wie Einpressen, Anschweißen o.Ä. mit den angrenzenden Komponenten verbunden. Dies verkompliziert zum einen die Montage, zum anderen wirken sich die zusätzlichen Komponenten, die üblicherweise wenigstens teilweise aus Metall bestehen, nachteilig auf das Fahrzeuggewicht aus.
In zunehmendem Maße kommen im Fahrzeugbau neben Metallteilen auch Komponenten aus Verbundwerkstoffen, wie bspw. faserverstärktem Kunststoff, zum Einsatz. Hiermit lassen sich oftmals Bauteile realisieren, die eine ähnliche Belastbarkeit wie entsprechende Metallbauteile, aber ein deutlich geringeres Gewicht aufweisen. Namentlich können bei derartigen Verbundstoffen auch ganze Bauteile oder Abschnitte eines Bauteils elastisch ausgebildet sein, was sich mit Bauteilen aus Metall nicht in gleicher Weise realisieren lässt. Der Einsatz von faserverstärktem Kunststoff und anderen Verbundwerkstoffen ist auch aus anderen Bereichen wie dem Flugzeugbau bekannt.
Die US 8,985,516 B2 offenbart eine Struktur mit zwei Komponenten, bspw. in einer Tragfläche eines Flugzeugs, die über eine Klebstoffschicht miteinander verbunden sind. Hierbei besteht prinzipiell die Gefahr, dass die vergleichsweise inelastische Klebstoffschicht sich von einer Komponente löst, wenn diese einer deutlich anderen Spannung ausgesetzt ist als die andere Komponente. Um dies zu verhindern, ist zwischen den beiden Komponenten eine flexible Zwischenkomponente vorgesehen, die dazu dient, die unterschiedlichen Spannungen auszugleichen.
Die US 4,113,910 A zeigt ein Verbindungselement aus faserverstärktem Kunststoff, das in der Luft- und Raumfahrttechnik eingesetzt werden kann, um Verbindungen abzusichern, die bspw. zwischen einer Platte und einer hieran angeklebten Verstärkungsrippe gegeben sein können. Eine solche Verstärkungsrippe kann mit einem parallel zur Platte verlaufenden Abschnitt an dieser festgeklebt sein, was bei Auftreten von Spannungen die Gefahr einer Ablösung birgt. Das Verbindungselement ist zwischen der Platte und der Rippe eingesetzt und weist eine geschwungene Flanke auf, die innen an der Rippe anliegt, wodurch auftretende Spannungen besser verteilt werden.
Die US 6,386,481 B1 zeigt einen Befestigungselement, mit welchem Stringer an Verstärkungsrippen in Flugzeugtragflächen befestigt werden können. Das langgestreckte Befestigungselement ist mit einem Flanschabschnitt an der Verstärkungsrippe befestigt. Ein senkrecht zum Flanschabschnitt verlaufender plattenförmiger Abschnitt weist eine langgestreckte Ausnehmung und einen parallel zum Flanschabschnitt verlaufenden Versteifungsabschnitt auf. Das Befestigungselement kann aus Aluminium oder faserverstärktem Kunststoff bestehen. Aufgrund seiner elastischen Eigenschaften, die durch die Ausnehmung beeinflusst werden können, kann es Positionsunterschiede zwischen der Rippe und den Stringern ausgleichen.
Die US 6,173,924 B1 zeigt ein strukturelles Übergangssystem, das einen aerodynamisch günstigen Übergang zwischen einer Flugzeugtragfläche und einem hieran angeordneten Ruder bzw. einer Klappe herstellen soll. Das Übergangssystem ist in Richtung der Schwenkachse des Ruders zwischen diesem und der Tragfläche angeordnet. Zwei flexible Stangen, die bspw. aus Leichtmetall bestehen können, sind sowohl mit der Tragfläche wie auch mit dem Ruder verbunden, so dass sie beim Verstellen des Ruders gegeneinander tordiert werden. Die Stangen sind in eine flexible Platte eingebettet. Hieran sind eine Reihe von Stützelementen angebracht, auf denen wiederum eine flexible Haut aus elastischem Material angebracht ist. Die Zwischenräume zwischen den Stützelementen können durch Schaumstoffelemente gefüllt sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach herzustellende und gewichtssparende elastische Verbindung zwischen Fahrzeugkomponenten bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Fahrzeugkomponente mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Durch die Erfindung wird eine Fahrzeugkomponente zur Verfügung gestellt, mit einem Anbindungsbereich zur elastischen Anbindung einer anderen Komponente. Der Begriff "Fahrzeugkomponente" bezeichnet hierbei eine Komponente für ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug wie einen PKW oder Lkw. Es sind aber bspw. auch Anwendungen für andere Straßenfahrzeuge wie Motorräder, Anhänger oder der gleichen denkbar. Der Begriff "Komponente" ist weit auszulegen und umfasst ein- und mehrteilige Elemente bzw. Baugruppen. Es kann sich auch um mehrere Teile handeln, die lösbar oder nicht-lösbar miteinander verbunden sind.
Der Anbindungsbereich dient zur elastischen Anbindung der anderen Komponente, was die Möglichkeit einschließt, dass dieser dazu ausgebildet ist, dort eine andere Komponente mit der Fahrzeugkomponente zu verbinden, ebenso wie die Möglichkeit, dass die andere Komponente dort mit der Fahrzeugkomponente verbunden ist. Eine solche Verbindung kann sogar einstückig gegeben sein, so dass die beiden Komponenten stofflich nicht getrennt sind, sondern sich allenfalls aufgrund ihrer unterschiedlichen Funktion unterscheiden lassen. Ansonsten kann eine form-, kraft- und/oder stoffschlüssige Verbindung vorgesehen oder gegeben sein. Die Art der Verbindung richtet sich selbstverständlich auch nach dem Material der beteiligten Komponenten. "Elastische Anbindung" bedeutet, dass die andere Komponente derart mit der Fahrzeugkomponente verbunden ist bzw. verbindbar ist, dass eine Bewegung der beiden Komponenten gegeneinander möglich ist, und zwar unter einer elastischen Verformung. Dies wird im Stand der Technik, wie oben geschildert, bspw. durch Gummi-Metall-Verbundlager realisiert, je nach Anwendung auch durch Federelemente aus Metall. Die Bezeichnung "andere Komponente" dient zur besseren begrifflichen Unterscheidung von der Fahrzeugkomponente, wobei es sich allerdings bei beiden um Komponenten eines Fahrzeugs bzw. für ein Fahrzeug handelt.
Die Fahrzeugkomponente kann in unterschiedlichsten Bereichen des Fahrzeugs vorgesehen sein. Es kann sich um eine Komponente mit wesentlicher tragender Funktion handeln, bspw. innerhalb der Karosserie bzw. des Fahrwerks. Daneben sind aber auch eine Vielzahl anderer Anwendungen denkbar, bei denen eine derartige elastische Beweglichkeit zweier Komponenten gegeneinander sinnvoll ist, bspw. bei der Klappe eines Ablagefachs im Innenraum des Fahrzeugs, einem elastisch auslenkbaren Haltegriff oberhalb einer Tür etc.
Hierbei besteht die Fahrzeugkomponente wenigstens teilweise aus einem faserverstärkten Kunststoff. Dies schließt die Möglichkeit ein, dass mehrere unterschiedliche Kunststoffe und/oder unterschiedliche Fasern bzw. unterschiedliche Faserrichtungen, also Fasern mit unterschiedlichen Orientierungen verwendet werden. Bspw. wäre denkbar, dass unterschiedliche Fasern in verschiedenen Lagen übereinander eingesetzt werden. Bspw. kann der faserverstärkte Kunststoff Carbonfasern, Glasfasern und/oder Aramidfasern umfassen. Daneben können allerdings auch andere Fasern verwendet werden. Dabei können Fasern verschiedener Art gemischt bzw. in unterschiedlichen Schichten und Richtungen eingesetzt werden. Grundsätzlich können die Fasern gewebt oder nicht gewebt, ausgerichtet oder nicht-ausgerichtet sein. Bevorzugt sind die Fasern so ausgerichtet, dass durch ihre Ausrichtung die Steifigkeit der Fahrzeugkomponente gezielt beeinflusst wird. Vorteilhaft besteht die Fahrzeugkomponente überwiegend oder vollständig aus faserverstärktem Kunststoff.
Durch den Einsatz von faserverstärktem Kunststoff lässt sich eine vergleichbare Stabilität wie bei einer entsprechenden Metallkomponente bei geringerem Gewicht erreichen. Hierdurch verringert sich das Gesamtgewicht des Fahrzeugs und somit der Kraftstoffverbrauch und die CO₂-Emissionen. Außerdem ist gegenüber einer Metallkomponente der Fertigungsprozess je nach Form dadurch vereinfacht, dass ein faserverstärktes Kunststoffteil in nahezu jede denkbare Form gebracht werden kann, da sowohl die Fasern als auch das Kunststoffmaterial, mit dem diese beispielsweise getränkt, bespritzt oder umgossen werden, hier nahezu keine Beschränkungen auferlegen. Demgegenüber muss bspw. bei einem aus Stahlblech geformten Teil eine Fertigung in mehreren Schritten erfolgen, die bspw. Stanzen und Tiefziehen oder ähnliches umfassen. Hierbei sind bestimmte Formgebungen überhaupt nicht möglich oder nur unter erheblichen Schwierigkeiten herzustellen. Auch können die Verformungsprozesse bei einem Stahlteil die Struktur des Metalls lokal schwächen, so dass dort eine vorzeitige Materialermüdung eintreten kann. Auch diese Probleme können bei einem Kunststoffteil umgangen werden. Weiterhin sind die Produktionsanlagen, die zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils notwendig sind, wesentlich einfacher und kostengünstiger als diejenigen, die zur Herstellung von Blechformteilen notwendig sind.
Die Fahrzeugkomponente weist einen Basisabschnitt auf. Hierbei kann es sich um den volumenmäßig größten Abschnitt bzw. Teil der Fahrzeugkomponente handeln. Insbesondere ist dies normalerweise der Teil der Fahrzeugkomponente, gegenüber dem die andere Komponente elastisch beweglich sein soll. Der Basisabschnitt kann seinerseits fest an einem Fahrzeugaufbau montiert sein oder aber auch gegenüber diesem beweglich sein (wobei Fahrzeugaufbau als Sammelbegriff für Chassis, Karosserie und Hilfsrahmen (sofern vorhanden) zu verstehen ist). Es ist auch denkbar, dass die andere Komponente einen Teil des Fahrzeugaufbaus bildet.
Erfindungsgemäß ist der Anbindungsbereich an einem wenigstens teilweise elastischen Auslenkabschnitt ausgebildet, der an zwei einander in Richtung einer ersten Achse gegenüberliegenden Enden mit dem Basisabschnitt verbunden und dazwischen vom Basisabschnitt beabstandet ist, wodurch der Anbindungsbereich elastisch gegenüber dem Basisabschnitt auslenkbar ist. Die genannte erste Achse wird durch die beiden Enden festgelegt, an denen der Auslenkabschnitt mit dem Basisabschnitt verbunden ist. Im Bereich zwischen den beiden gegenüberliegenden Enden besteht ein Abstand zwischen dem Basisabschnitt und den Auslenkabschnitt. Hierdurch ist letzterer dort zu einem gewissen Maße, das insbesondere durch seine Steifigkeit und die Art der Anbindung an den Enden vorgegeben ist, gegenüber dem Basisabschnitt beweglich. Insbesondere ist der Anbindungsbereich hierdurch elastisch gegenüber dem Basisabschnitt auslenkbar. "Auslenkbar" ist hierbei ein Oberbegriff für jegliche Art von Positionsveränderungen, sowohl rotatorische als auch translatorische. Um diese elastische Auslenkbarkeit zu realisieren, ist der Auslenkabschnitt bevorzugt zumindest im Bereich der Enden elastisch verformbar. Er kann insbesondere wenigstens in diesem Bereich aus faserverstärktem Kunststoff bestehen, der eine gewisse Elastizität aufweist.
Auf diese Weise ist die Elastizität, die im Stand der Technik mittels separater Elemente bspw. über Gummi-Metall-Verbundlager oder andere zusätzliche Teile hergestellt werden muss, in die Fahrzeugkomponente selbst integriert. Bei dem oben beschriebenen Beispiel einer Klappe eines Ablagefachs kann bspw. eine Metallfeder entfallen, die im Stand der Technik verwendet wird. Derartige Zusatzteile sind somit entbehrlich. Hierdurch vereinfacht sich zum einen der Zusammenbau, zum anderen lässt sich das Fahrzeuggewicht reduzieren, indem metallische Komponenten eingespart werden können. Auch lassen sich in vielen Fällen die Herstellungskosten reduzieren, da die Kosten für die Zusatzteile entfallen. Unter Umständen kann sich auch die Lebensdauer der gesamten Baugruppe verlängern, z. B. da es weniger Teile gibt, die gegeneinander arbeiten können. Auch kann es vorteilhaft sein, dass die elastische Verformung sich bei dem Auslenkabschnitt unter Umständen auf einen größeren Bereich verteilen kann als bei einem Gummi-Metall-Verbundlager (oder einem anderen Zusatzteil), wodurch die lokalen Spannungen geringer ausfallen können.
Es versteht sich, dass mehrere derartige Auslenkabschnitte mit dem Basisabschnitt verbunden sein können. Die Ausrichtung der jeweiligen ersten Achse ist hierbei selbstverständlich im Allgemeinen bei jedem Auslenkabschnitt unterschiedlich.
Wenngleich es ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Notwendigkeit für Gummi-Metall-Verbundlager sowie andere Zusatzteile entfallen kann, ist es dennoch möglich, vergleichbare Teile an der Fahrzeugkomponente vorzusehen. Neben der Möglichkeit, derartige Teile nachträglich, bspw. durch Einpressen, mit der Fahrzeugkomponente zu verbinden, können diese auch bereits beim Herstellungsprozess in den faserverstärktem Kunststoff eingelagert werden. So kann bspw. eine Lagerhülse aus Metall eingelagert werden während der faserverstärkte Kunststoff urgeformt wird. Es kann auch eine Komponente aus Gummi (z. B. eine Lagerbuchse, falls eine solche verwendet werden soll) nach oder während des Formungsprozesses des faserverstärkten Kunststoffs einvulkanisiert werden.
Abgesehen hiervon können auch Verstärkungsteile in die Kunststoffmatrix eingelagert werden, die bspw. aus Metall, Keramik oder einem weiteren Kunststoff (der sich vom Material der Matrix des faserverstärkten Kunststoffs unterscheidet) bestehen. Hierdurch können Bereiche des Längslenkers lokal verstärkt werden, wodurch sich eine verbesserte Festigkeit bzw. Steifigkeit ergibt. Zum anderen kann hierdurch wiederum die Ausbreitung von Vibrationen innerhalb des Bauteils unterdrückt werden. Man kann hierbei von einer Hybrid-Bauweise des Längslenkers sprechen.
Bevorzugt ist der Auslenkabschnitt wenigstens teilweise einstückig mit dem Basisabschnitt ausgebildet. D.h., der Auslenkabschnitt und der Basisabschnitt sind wenigstens teilweise aus einem Stück hergestellt, normalerweise in einem Urformverfahren. Sie können insbesondere auch vollständig einstückig ausgebildet sein, alternativ ist es aber auch möglich, dass wenigstens einer der beiden Abschnitte ein oder mehrere Teile aufweist, die während des Urformens oder nachträglich an- bzw. eingefügt wurden. Durch die einstückige Ausbildung vereinfacht sich der Herstellungsprozess und es ergibt sich im Allgemeinen eine stabilere Anbindung der beiden Abschnitte aneinander, als dies im Falle einer separaten Fertigung und nachträglichen Verbindung der Fall wäre. Bevorzugt ist der Auslenkabschnitt wenigstens im Bereich der Enden einstückig mit dem Basisabschnitt ausgebildet.
Insbesondere kann es sich bei der Fahrzeugkomponente um eine Aufhängungskomponente handeln. Dies schließt bspw. sämtliche Typen von Lenkern ein, also Längslenker, z. B. Schwertlenker, Querlenker oder Schräglenker, über die ein Radträger mit einem Fahrzeugaufbau verbunden ist. Während im Stand der Technik derartige Lenker normalerweise über Gummi-Metall-Verbundlager mit dem Fahrzeugaufbau und/oder dem Radträger verbunden sind, können die notwendigen elastischen Verbindungen bei der Erfindung ohne derartige separate Lager realisiert werden. Es wäre im Prinzip auch denkbar, dass der Radträger oder wenigstens ein Teil desselben einstückig mit einem Lenker ausgebildet ist, wobei sich also in dem Anbindungsbereich der Radträger direkt einstückig an den Lenker anschließt. Selbstverständlich ist es denkbar, auch andere Komponenten, die der Radaufhängung oder auch dem Fahrzeugaufbau zugehörig sind, einstückig mit dem Anbindungsbereich auszubilden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind in Richtung einer zur ersten Achse senkrechten zweiten Achse beiderseits des Auslenkabschnitts Zwischenräume zwischen dem Auslenkabschnitt und dem Basisabschnitt ausgebildet. D.h., die Zwischenräume befinden sich in Richtung der zweiten Achse, die orthogonal zur ersten Achse verläuft, beiderseits des Auslenkabschnitts. Dies impliziert selbstverständlich, dass Teile des Basisabschnitts in Richtung der zweiten Achse beiderseits des Auslenkabschnitts angeordnet sind. Da der Auslenkabschnitt zudem an den beiden Enden mit dem Basisabschnitt verbunden ist, kann man davon sprechen, dass sich der Auslenkabschnitt (innerhalb der durch die erste und zweite Achse aufgespannten Ebene) innerhalb des Basisabschnitts befindet bzw. von diesem umgeben ist. Alternativ hierzu kann der Auslenkabschnitt gewissermaßen am Rand des Basisabschnitts angeordnet sein, so dass in Richtung der zweiten Achse nur auf einer Seite ein Zwischenraum vorgesehen ist, an den sich wiederum ein Teil des Basisabschnitts anschließt, während auf der gegenüberliegenden Seite der Rand des Auslenkabschnitts gleichzeitig den Rand der Fahrzeugkomponente bildet.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine Länge des Auslenkabschnitts in Richtung der ersten Achse größer ist als eine Breite des Auslenkabschnitts in Richtung der zweiten Achse und/oder als eine Höhe des Auslenkabschnitts in Richtung einer zur ersten und zweiten Achse senkrechten dritten Achse. Die erste, zweite und dritte Achse spannen ein kartesisches Koordinatensystem auf, wobei die Bezeichnungen Länge, Breite und Höhe für die Dimensionen in Richtung der jeweiligen Achsen willkürlich gewählt und in keiner Weise einschränkend auszulegen sind. Bei dieser Ausgestaltung kann der Auslenkabschnitt als langgestreckt in Richtung der ersten Achse bezeichnet werden, wobei die Länge insbesondere wenigstens das Doppelte, das Dreifache oder das Vierfache der Breite und/oder Höhe betragen kann. Eine derartige langgestreckte Ausbildung wirkt sich normalerweise positiv auf die elastische Verformbarkeit des Auslenkabschnitts aus. Es ist hierbei auch möglich, dass die Breite oder Höhe des Auslenkabschnitts nicht konstant sind, sondern sich kontinuierlich oder diskontinuierlich verändern. So ist es möglich, Teile des Auslenkabschnitts steifer auszubilden, wenn dort die Breite bzw. Höhe größer ist, während andere Teile mit geringerer Breite bzw. Höhe weniger steif sind. Ebenfalls kann dadurch, dass die Breite deutlich unterschiedlich zur Höhe ausgebildet ist, die Steifigkeit des Auslenkabschnitts richtungsabhängig beeinflusst werden.
Hinsichtlich der elastischen Auslenkbarkeit des Anbindungsbereichs bestehen unterschiedliche Möglichkeiten. So kann der Anbindungsbereich gegenüber dem Basisabschnitt um wenigstens eine der ersten, zweiten und dritten Achse drehbar sein. Hierbei kann man je nach Achse von einer torsionalen oder einer kardanischen Auslenkung sprechen. Insbesondere kann eine Drehung um die dritte Achse als torsionalen Auslenkung bezeichnet werden und eine Drehung um die erste oder zweite Achse als kardanische Auslenkung. Hierbei ist es möglich, durch die Formgebung des Auslenkabschnitts eine der genannten Drehungen zu erschweren bzw. zu begünstigen. Falls der Auslenkabschnitt bspw. abgesehen von den Enden einen relativ großen Querschnitt aufweist und somit in sich vergleichsweise steif ist, wird dies normalerweise eine Drehung um die dritte Achse behindern, während eine Drehung um die erste und zweite Achse noch in nennenswertem Maße möglich sein kann. Gleichermaßen kann die kardanische Auslenkung gegenüber der torsionalen Auslenkung unterdrückt werden, indem die Höhe des Auslenkabschnitts deutlich größer gewählt wird als die Breite. Alternativ oder normalerweise gleichzeitig zu einer Drehbarkeit kann der Anbindungsbereich gegenüber dem Basisabschnitt entlang wenigstens einer der ersten, zweiten und dritten Achse verschiebbar sein. Dies bezeichnet eine lineare bzw. translatorische Auslenkung entlang der jeweiligen Achse. Verschiebungen entlang der zweiten oder dritten Achse beruhen typischerweise auf mehreren Biegungen des Auslenkabschnitts. Demgegenüber beinhaltet eine Verschiebung entlang der ersten Achse typischerweise eine reine Streckung bzw. Stauchung. Diese ist zwar prinzipiell möglich, fällt aber normalerweise deutlich geringer aus als eine Verschiebung in Richtung der zweiten und dritten Achse. Es ist allerdings denkbar, bspw. indem der Auslenkabschnitt S-förmig oder zickzackförmig ausgestaltet wird, auch eine deutliche Verschiebbarkeit in Richtung der ersten Achse zu realisieren.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erstreckt sich der Auslenkabschnitt gerade entlang der ersten Achse. Er kann in diesem Fall bspw. stabförmig bzw. stangenförmig ausgebildet sein. Eine derartige gerade Ausbildung ist besonders dann vorteilhaft, wenn eine Auslenkung in Richtung der ersten Achse von allenfalls untergeordneter Bedeutung oder sogar unerwünscht ist. Die anderen o.g. Auslenkungen (Drehungen und Verschiebungen) lassen sich bei einer geraden Ausgestaltung besonders gut kontrollieren.
Während es bspw. möglich ist, dass lediglich die Enden des Auslenkabschnitts aus faserverstärktem Kunststoff oder einem vergleichbaren flexiblen Material bestehen, während z. B. der eigentliche Anbindungsbereich aus Metall oder einem anderen Werkstoff bestehen könnte, ist es bevorzugt, dass der Auslenkabschnitt wenigstens überwiegend aus faserverstärktem Kunststoff besteht. Er kann insbesondere auch vollständig aus faserverstärktem Kunststoff bestehen. Dies beeinflusst in vorteilhafter Weise die elastische Auslenkbarkeit und die Form des Auslenkabschnitts kann bspw. in einem einzigen Urformschritt beliebig gestaltet werden. Außerdem ergeben sich Vorteile hinsichtlich des Gewichts.
Auch können hierbei durch die Ausrichtung der Fasern bestimmte Richtungen vorgegeben werden, in denen eine erhöhte Steifigkeit gegeben ist. Anders ausgedrückt, im Gegensatz zu Metallen oder anderen Werkstoffen, die an sich isotrop sind, können faserverstärkte Kunststoffe eine richtungsabhängige Steifigkeit aufweisen. Die Steifigkeit kann selbstverständlich auch durch die Packungsdichte, die Ausrichtung und Läng der Fasern und/oder das Material der Fasern sowie durch das Kunststoffmaterial selbst (also durch Faser und Matrix bzw. Harz) beeinflusst werden. Es ist hierbei auch möglich, ortsabhängig unterschiedliche Dichten, Ausrichtungen und/oder Materialien für die Fasern zu verwenden. D.h., im Unterschied zu einem Metallteil kann der faserverstärkte Kunststoff inhomogen sein.
Vorteilhaft verlaufen Fasern innerhalb des Auslenkabschnitts wenigstens überwiegend in Richtung der ersten Achse. Bei dieser Ausrichtung der Fasern lässt sich die oben beschriebene Drehbarkeit um die erste Achse sowie die Verschiebung in Richtung der ersten und zweiten Achse besonders gut realisieren. Allerdings sind auch die anderen beschriebenen Drehungen hierbei möglich. Es ist möglich, dass die Fasern bspw. abschnittsweise in einer anderen Richtung laufen oder das der überwiegende Teil der Fasern in Richtung der ersten Achse verläuft, während ein kleinerer Anteil bspw. quer oder schräg hierzu verläuft. Für eine reine Biegung sind zum Beispiel gleichgerichtete lange Fasern vorteilhaft, wobei für eine kardanische Verdrehung um 45° verdrehte Faserlagen vorteilhaft sind.
In einer Ausführungsform weist der Anbindungsbereich Mittel zur formschlüssigen Verbindung mit der anderen Komponente auf. Hierbei kann es sich bspw. um eine Durchgangsöffnung handeln, durch die eine Achse, ein Lagerzapfen, eine Schraube oder ähnliches geführt wird. Im Falle einer Schraube könnte die Durchgangsöffnung auch ein Innengewinde aufweisen. Bevorzugt sind die Mittel zur formschlüssigen Verbindung an den Anbindungsbereich angeformt, insbesondere wenigstens teilweise im Rahmen eines Urformprozesses. Dies lässt sich mit einem wenigstens überwiegend aus faserverstärktem Kunststoff bestehenden Auslenkabschnitt besonders leicht realisieren. Der Anbindungsbereich lässt sich hierbei von vornherein in nahezu jede beliebige Form bringen, die notwendig ist, um einen Formschluss herzustellen. Es versteht sich, dass ein solcher Formschluss bedarfsweise auch durch einen Kraftschluss und/oder Stoffschluss ergänzt werden kann.
Neben einer solchen form-, kraft- und/oder stoffschlüssigen Verbindung, die zwischen der Fahrzeugkomponente und der anderen Komponente nachträglich hergestellt wird, ist es auch möglich, dass beide Komponenten von vornherein im Zuge eines Urformverfahrens einstückig gefertigt werden, wobei dann der Anbindungsbereich direkt in die andere Komponente übergeht. Ob dies vorteilhaft ist, hängt von verschiedenen Faktoren ab, bspw. der Dimensionierung der genannten Komponenten, deren geforderten Materialeigenschaften (bspw. ob es sinnvoll ist, die andere Komponente aus faserverstärktem Kunststoff herzustellen) und auch, ob die Fahrzeugkomponente im Anbindungsbereich stets mit der gleichen anderen Komponente verbunden werden soll oder ob es hier eine Mehrzahl von Alternativen gibt.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematisierte Teilansicht eine erfindungsgemäßen Fahrzeugkomponente in unbelastetem Zustand;
2 eine Schnittansicht des Aufhängungssystems aus 1 gemäß der Linie II-II;
3 eine Schnittansicht entsprechend 2 bei Einwirken einer ersten Kraft;
4 eine Ansicht entsprechend 1 bei Einwirken einer zweiten Kraft;
5 eine Schnittansicht entsprechend 1 bei Einwirken eines ersten Drehmoments;
6 eine Ansicht entsprechend 1 bei Einwirken eines zweiten Drehmoments; sowie
7 eine Ansicht entsprechend 1 bei Einwirken eines dritten Drehmoments;
In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
1 und 2 zeigen einen Teil einer Fahrzeugkomponente 1, bspw. eines Aufhängungslenkers. Die Fahrzeugkomponente 1 besteht im vorliegenden Fall vollständig aus faserverstärktem Kunststoff. Die Fahrzeugkomponente 1 ist eben bzw. flächig ausgebildet und erstreckt sich in einer Ebene, die durch eine erste Achse A und eine hierzu senkrechte zweite Achse B aufgespannt wird. In bevorzugter Ausgestaltung ist die Fahrzeugkomponente ein Schwertlenker.
Der überwiegende Teil der Fahrzeugkomponente 1 wird durch einen Basisabschnitt 2 gebildet. Weiterhin weist die Fahrzeugkomponente 1 einen Auslenkabschnitt 3 auf, der an einem ersten Ende 3.1 und an einem zweiten Ende 3.2, die einander in Richtung der ersten Achse A gegenüberliegen, mit dem Basisabschnitt 2 verbunden ist. Zwischen den beiden Enden 3.1, 3.2 ist der Auslenkabschnitt 3 vom Basisabschnitt 2 getrennt bzw. beabstandet, wobei in Richtung der zweiten Achse B ein erster Zwischenraum 4 und ein zweiter Zwischenraum 5 zwischen den genannten Abschnitten 2, 3 angeordnet sind. Bei der vorliegenden Ausgestaltung bildet der Auslenkabschnitt 3 somit nicht den Rand der Fahrzeugkomponente 1, sondern ist dort von einem Randbereich 2.1 des Basisabschnitts 2 flankiert. Es wäre alternativ auch eine Ausgestaltung denkbar, bei der kein solcher Randbereich 2.1 vorhanden ist, sondern der Auslenkabschnitt 3 unmittelbar randseitig angeordnet ist, womit selbstverständlich auch der erste Zwischenraum 4 wegfiele.
In der Mitte des Auslenkabschnitts 3 ist ein Anbindungsbereich 3.3 angeordnet, in dem eine andere (hier nicht dargestellte) Komponente, bspw. ein Radträger, ein Teil eines Fahrzeugchassis oder der gleichen elastisch angebunden werden kann. Zu diesem Zweck ist eine Durchgangsöffnung 3.4 vorgesehen, über die z. B. eine formschlüssige Verbindung möglich ist. Bspw. kann die Durchgangsöffnung 3.4 einen Lagerzapfen aufnehmen. Sie erstreckt sich hier in Richtung einer dritten Achse C, die zur ersten und zweiten Achse A, B senkrecht verläuft.
Wie in der Zusammenschau von 1 und der Schnittdarstellung in 2 deutlich wird, ist der Auslenkabschnitt 3 langgestreckt ausgebildet, wobei seine Länge in Richtung der ersten Achse A ungefähr das Fünffache seiner Breite in Richtung der zweiten Achse B und ungefähr das Sechsfache seiner Höhe in Richtung der dritten Achse C beträgt. Im vorliegenden Fall ist die Breite also etwas größer als die Höhe, was allerdings nicht zwangsläufig ist. Die beiden Dimensionen könnten auch identisch sein oder die Höhe könnte größer als die Breite sein. Da der Auslenkabschnitt 3 im Verhältnis zu seiner Länge vergleichsweise dünn ist und aus elastischem Material besteht, kann er in den Bereichen, in denen er räumlich vom Basisabschnitt 2 getrennt ist, elastisch gegenüber diesem verformt werden. Insbesondere ist der Anbindungsbereich 3.3 gegenüber dem Basisabschnitt 2 elastisch auslenkbar, wie nachfolgend anhand der 3 bis 7 illustriert wird.
3 zeigt in einer Schnittdarstellung entsprechend 2 das Einwirken einer ersten Kraft F₁, die auf den Anbindungsbereich 3.3 in Richtung der dritten Achse C wirkt. Aufgrund seiner elastischen Eigenschaft kann der Auslenkabschnitt 3 der Kraft folgen und wird innerhalb der A-C-Ebene gebogen. Eine solche Kraft kann aus einer Relativbewegung der anderen Komponente zur Fahrzeugkomponente 1 resultieren.
In 4 ist das Einwirken einer zweiten Kraft F₂, die in Richtung der zweiten Achse B gerichtet ist, dargestellt. Auch hier kann sich der Auslenkabschnitt 3 elastisch verbiegen, womit er sich in den ersten Zwischenraum 4 hinein bewegt. Die Zwischenräume 4, 5 können so dimensioniert sein, dass es bei den vorhergesehenen Belastungen zu keinem seitlichen Anschlagen des Auslenkabschnitts 3 am Basisabschnitt 2 kommt, oder gerade die Auslenkung gezielt begrenzt wird. Ebenso kann eine spezielle Ausformung eines oder beider Zwischenräume 4, 5 eine teilweise Anlage des Auslenkabschnitts 3 und damit eine gezielte Steifigkeitsänderung erzeugen, indem nur noch ein kürzerer Teil des Auslenkabschnitts 3 elastisch ausgelenkt werden kann.
Bei der gezeigten Ausgestaltung ist die Möglichkeit einer elastischen Auslenkung des Anbindungsbereichs 3.3 im Falle einer in Richtung der ersten Achse A wirkenden Kraft eher gering ausgebildet, da hierbei eine reine Streckung bzw. Stauchung des Auslenkabschnitts 3 notwendig wäre. Um eine größere Nachgiebigkeit in Richtung der ersten Achse A zu realisieren, könnte der Auslenkabschnitt 3 abweichend von der hier gezeigten Ausgestaltung bspw. in der A-B-Ebene S-förmig, mäandrierend oder zickzackförmig verlaufen.
5 zeigt das Einwirken eines ersten Drehmoments M₁ auf den Anbindungsbereich 3.3, was dazu führt, dass der Auslenkabschnitt 3 innerhalb der A-C-Ebene S-förmig verbogen wird. Man kann hier von einer kardanischen Verformung sprechen, insoweit man sich auf den Verlauf der Durchgangsöffnung 3.4 bezieht. Hier und in den 6 und 7 ist das jeweilige Drehmoment durch einen gebogenen Fall veranschaulicht, der den durch das Drehmoment vermittelten Drehsinn repräsentiert und selbst verständlich nicht der physikalischen Richtung des vektoriellen Drehmoments entspricht.
Eine andere kardanische Verformung ist in 6 gezeigt, bei der einen zweites Drehmoment M₂ auf den Anbindungsbereich 3.3 einwirkt. Hierdurch wird der Auslenkabschnitt 3 um die erste Achse A tordiert.
7 zeigt eine torsionalen Verformung, bei der ein drittes Drehmoment M₃ auf den Anbindungsbereich 3.3 wirkt. Es versteht sich, dass falls nur ein Lagerstift durch die Durchgangsöffnung 3.4 geführt ist, ein entsprechendes Drehmoment gar nicht übertragen werden kann. Falls doch, ist auch hier der Auslenkabschnitt 3 in der Lage, sich innerhalb der A-B-Ebene S-förmig elastisch zu verbiegen.
Somit ist klar, dass bei sämtlichen einwirkenden Kräften und Drehmomenten eine elastische Verformung des Auslenkabschnitts 3 dazu führt, dass der Anbindungsbereich 3.3 gegenüber dem Basisabschnitt 2 ausgelenkt wird. Soweit dies hinsichtlich einer Kraft entlang der ersten Achse A nur eingeschränkt gilt, könnte diese Beschränkung wie oben beschrieben durch eine Anpassung des Auslenkabschnitts 3 aufgehoben werden. Die jeweilige Biegesteifigkeit und Torsionssteifigkeit, die die einzelnen Auslenkungen beeinflusst, kann zum einen durch die Form des Auslenkabschnitts 3, insbesondere seinen Querschnitt bzw. seine Höhe und Breite beeinflusst werden, zum anderen aber auch durch das Material der Kunststoffmatrix bzw. der eingelagerten Fasern sowie deren Ausrichtung. Bei dem gezeigten Beispiel sind die (nicht dargestellten) Kunststofffasern innerhalb des Auslenkabschnitts 3 überwiegend in Richtung der ersten Achse A orientiert, wobei sie im Bereich der Durchgangsöffnung 3.4 sich teilweise an deren Außenkontur anpassen können.
Bezugszeichenliste

1: Fahrzeugkomponente
2: Basisabschnitt
2.1: Randbereich
3: Auslenkabschnitt
3.1, 3.2: Ende
3.3: Anbindungsbereich
3.4: Durchgangsöffnung
4, 5: Zwischenraum
A, B, C: Achse
F₁, F₂: Kraft
M₁, M₂, M₃: Drehmoment

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8985516 B2 [0004]
US 4113910 A [0005]
US 6386481 B1 [0006]
US 6173924 B1 [0007]

Claims

Fahrzeugkomponente (1) mit einem Anbindungsbereich (3.3) zur elastischen Anbindung einer anderen Komponente, wobei die Fahrzeugkomponente (1) wenigstens teilweise aus faserverstärktem Kunststoff besteht und einen Basisabschnitt (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Anbindungsbereich (3.3) an einem wenigstens teilweise elastischen Auslenkabschnitt (3) ausgebildet ist, der an zwei einander in Richtung einer ersten Achse (A) gegenüberliegenden Enden (3.1, 3.2) mit dem Basisabschnitt (2) verbunden und dazwischen vom Basisabschnitt (2) beabstandet ist, wodurch der Anbindungsbereich (3.3) elastisch gegenüber dem Basisabschnitt (2) auslenkbar ist.
Fahrzeugkomponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslenkabschnitt (3) wenigstens teilweise einstückig mit dem Basisabschnitt (2) ausgebildet ist.
Fahrzeugkomponente nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Aufhängungskomponente ist.
Fahrzeugkomponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung einer zur ersten Achse (A) senkrechten zweiten Achse (B) beiderseits des Auslenkabschnitts (3) Zwischenräume (4, 5) zwischen dem Auslenkabschnitt (3) und dem Basisabschnitt (2) ausgebildet sind.
Fahrzeugkomponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge des Auslenkabschnitts (3) in Richtung der ersten Achse (A) größer ist als eine Breite des Auslenkabschnitts (3) in Richtung der zweiten Achse (B) und/oder als eine Höhe des Auslenkabschnitts (3) in Richtung einer zur ersten (A) und zweiten Achse (B) senkrechten dritten Achse (C).
Fahrzeugkomponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anbindungsbereich (3.3) gegenüber dem Basisabschnitt (2) um wenigstens eine der ersten (A), zweiten (B) und dritten Achse (C) drehbar ist und/oder entlang wenigstens einer der ersten (A), zweiten (B) und dritten Achse (C) verschiebbar ist.
Fahrzeugkomponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Auslenkabschnitt (3) gerade entlang der ersten Achse (A) erstreckt.
Fahrzeugkomponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslenkabschnitt (3) wenigstens überwiegend aus faserverstärktem Kunststoff besteht.
Fahrzeugkomponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Fasern, welche innerhalb des Auslenkabschnitts (3) wenigstens überwiegend in Richtung der ersten Achse (A) verlaufen.
Fahrzeugkomponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anbindungsbereich (3.3) Mittel (3.4) zur formschlüssigen Verbindung mit der anderen Komponente aufweist.