DE10228814A1

DE10228814A1 - Verstärkter Aluminiummetallverbundstoffträger

Info

Publication number: DE10228814A1
Application number: DE10228814A
Authority: DE
Inventors: Frank Victor Crocco; Jonathan Mark Adler; Nicholas James Gianaris
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2001-07-13
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2003-03-20
Anticipated expiration: 2022-06-28
Also published as: US6623867B2; MXPA02006738A; DE10228814B4; US20040048095A1; GB2378738A; US20030012976A1; GB0214916D0; GB2378738B

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Träger eines Kraftfahrzeugs bzw. eines Getriebes desselben. Der Träger ist aus einem ersten Abschnitt und einem zweiten Abschnitt gebildet. Der erste Abschnitt ist aus Aluminium hergestellt, das durch Keramikpartikel in der Aluminiummatrix verstärkt ist. Der zweite Abschnitt ist aus nicht verstärktem Aluminiummetall oder einer Aluminiummetalllegierung hergestellt. Bevorzugt befindet sich der zweite Abschnitt in Form von diskreten Taschen im ersten Abschnitt und ist dazu ausgelegt, maschinell bearbeitet bzw. hergestellt oder geschweißt zu werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Träger für einen Achsenaufbau eines Kraftfahrzeugs. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Träger, der aus mit Keramikpartikeln verstärktem Aluminium hergestellt ist und zum Einsatz im Achsenaufbau eines Kraftfahrzeugs bestimmt ist.

Die meisten Fahrzeuge verwenden zumindest ein Sammelgetriebe zum Übertragen von Drehmoment zwischen Drehwellen oder anderen Komponenten, die sich um unterschiedliche Achsen drehen. Beispielsweise umfasst die Achse eines Hinterradantriebsfahrzeugs ein Ritzelgetriebe, das sich um eine allgemein längliche Achse erstreckt und durch Drehmoment von der Transmission angetrieben wird, die mit einem Hohlrad in Verbindung steht, das um eine allgemein quer verlaufende Achse sich dreht und Drehmoment in das Differenzial überträgt. Im Fall von einigen Vierradantriebsfahrzeugen mit Quermotoren wird eine senkrechte Achse bzw. ein Getriebe bzw. Sammelgetriebe mit gekreuzten Wellen innerhalb einer Kraftabgreifeinheit verwendet, um Drehmoment von der Querachse des Motors auf die Längsachse einer Antriebswelle zu übertragen.

Typischerweise ist der Träger, der das Differenzialgehäuse und das Getriebe bzw. Sammelgetriebe trägt, aus Magnesium, Aluminium oder Gusseisen hergestellt. Die Zahnräder selbst bestehen aus Stahl. Typischerweise sind diese Getriebe bzw. Sammelgetriebe empfindlich auf Änderungen oder Ungenauigkeiten bezüglich der Positionen der Zahnräder. Selbst kleine Abweichungen können zu Geräusch und zu einem vorzeitigen Getriebeausfall führen. Da die Betriebstemperaturen relativ hoch sind, können Differenzen der Wärmeausdehnung zwischen dem Träger und den Zahnrädern zu derartigen Fehlstellungen führen, wenn die Temperatur des Achsenaufbaus sich ändert. Anwendungen, in denen der Temperaturbereich als groß bzw. breit zu erwarten ist, müssen daraufhin im Träger ein Material mit niedriger Wärmeausdehnung nutzen, wie etwa Gusseisen. Das Nutzen von Gusseisen führt jedoch dazu, dass der Achsenaufbau schwer wird.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, einen Träger für ein Getriebe zu schaffen, das die erforderliche Genauigkeit aufweist, ohne schwergewichtig zu sein.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 hinsichtlich eines Trägers zum Tragen eines Getriebes bzw. Sammelgetriebes und durch die Merkmale des Anspruchs 12 hinsichtlich eines Verfahrens zum Ausbilden eines derartigen Trägers.

Die Erfindung schafft demnach einen Träger, der aus mit Keramikpartikeln verstärktem Aluminium hergestellt ist, was zu einer geringeren Wärmeausdehnung und zu einem stabilen Träger für einen Achsenaufbau führt. Die niedrige Wärmeausdehnung des Trägers verringert außerdem Abweichungen (von Zahnradlagen) und verhindert Geräusch und einen vorzeitigen Ausfall des Getriebes. Außerdem ist ein Träger, der erfindungsgemäß aus einer mit Keramikpartikeln verstärkten Aluminiummatrix hergestellt ist, viel leichter als bisherige Träger der in Rede stehenden Art, wodurch das Gesamtgewicht des Kraftfahrzeugs verringert wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert; in dieser zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Achsenaufbaus, der in einem Kraftfahrzeug in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung installiert bzw. ausgelegt ist,
Fig. 2 eine Explosionsansicht des Achsenaufbaus, dessen Träger in einem Kraftfahrzeug in Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Erfindung installiert ist,
Fig. 3 eine perspektivische Draufsicht des Trägers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 4a bis 4c die Prozesse zur Herstellung des erfindungsgemäßen Trägers.
In den Zeichnungen ist ein Achsaufbau mit der Bezugsziffer 10 versehen, der einen erfindungsgemäßen verstärkten Aluminiumträger enthält. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist der Achsaufbau 10 in der unteren Karosserie bzw. dem unteren Körper eines Kraftfahrzeugs installiert und dient dazu, Kraft vom Motor 12 zu den Rädern 14 zu übertragen.
Wie in Fig. 2 gezeigt, umfasst der Achsaufbau 10 zwei Rohre 16 und einen Träger 18, wobei die Rohre 16 sich ausgehend von jeder Seite des Trägers 18 erstrecken. Der Träger 18 nimmt bevorzugt ein Differenzialgehäuse 20 auf. Wie in Fig. 3 gezeigt, ist der Träger 18 bevorzugt aus einem ersten Abschnitt 40 und einem zweiten Abschnitt 42 gebildet. Der erste Abschnitt 40 ist aus Aluminium gebildet, wobei Keramikpartikel die Aluminiummatrix verstärken. Der erste Abschnitt 40 ist bevorzugt mit einer Abdeckung 36 verbunden. Die Abdeckung 36 enthält bevorzugt Schmiermittel innerhalb des Trägers 18 und verhindert im Wesentlichen, dass Schmiermittel aus dem Träger 18 ausleckt. Ferner ist bevorzugt, dass die Wärmeausdehnungseigenschaften des ersten Abschnitts 40 gering sind im Vergleich zu einem Träger, der aus reinem Aluminium oder Gusseisen gebildet ist. Die geringen Wärmeausdehnungseigenschaften des Träger 18 verhindern bzw. verringern zumindest eine Relativverschiebung des Trägers relativ zu den Zahnrädern, wodurch ein vorzeitiger Ausfall der Zahnräder verhindert bzw. verringert wird. Die geringen Wärmeausdehnungseigenschaften des Trägers 18 stellen außerdem sicher, dass dann, wenn der Träger 18 einer hohen Wärme und Spannung ausgesetzt ist, die Abdeckung 36 nicht gegenüber dem Träger 18 verschoben wird. Der zweite Abschnitt 42 des Trägers 18 ist bevorzugt aus unverstärktem Aluminium bzw. im Wesentlichen reinem Aluminiummetall oder einer Aluminiumlegierung hergestellt. Bevorzugt liegt der zweite Abschnitt 42 in Form diskreter Taschen in dem ersten Abschnitt 40 vor. Der zweite Abschnitt 42 kann maschinell hergestellt werden, um die Montage der Achse 10 zu erleichtern, und der Träger 18 kann dadurch mit anderen Bestandteilen des Kraftfahrzeugs problemlos verbunden werden.
Obwohl in der Zeichnung ein Hinterachsenaufbau für eine nicht unabhängige Aufhängung gezeigt und nachfolgend erläutert ist, wird bemerkt, dass die Erfindung nicht auf einen derartigen Träger beschränkt ist, der ein Differenzialgehäuse in einem Hinterachsenaufbau installiert enthält. Vielmehr betrifft die Erfindung auch einen Träger, der in einem Achsaufbau entweder für einen Vorderradantrieb oder einen Hinterradantrieb oder für allradangetriebene Fahrzeuge installiert ist. Der Träger mit einem Differenzialgehäuse ist dargestellt und wird nachfolgend im Einzelnen erläutert. Es wird jedoch bemerkt, dass der Träger 18 eine Kraftabgreifeinheit und mehr als eine Abtriebswelle enthalten kann. Außerdem kann der erläuterte Träger verwendet werden, um ein Getriebe mit gekreuzten Wellen zu tragen, installiert in einer Kraftabgreifeinheit. Üblicherweise kann der Träger 18 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung dazu verwendet werden, ein beliebiges Getriebe bzw. Sammelgetriebe zu tragen, um Drehmoment von der Querachse des Motors und einem Getriebe zu der Längsachse der Antriebswelle zu übertragen.
Wie in Fig. 2 gezeigt, enthält der Träger 18 ein Differenzialgehäuse 20, ein erstes Seitenrad bzw. Seitenzahnrad 22 und ein zweites Seitenrad bzw. Seitenzahnrad 24. Das Differenzialgehäuse 20 ist bevorzugt mit einer Eingangswelle (in Fig. 1 gezeigt) verbunden, während das erste Seitenrad 22 und das zweite Seitenrad 24 mit einer Abtriebswelle 32 verbunden sind. Typischerweise überträgt die Eingangswelle 30 Drehmoment auf den Träger 18 ausgehend vom Motor 12 oder einem Getriebe (wie in Fig. 1 gezeigt), und die Abtriebswelle 32 überträgt Drehmoment von dem Träger 18 auf die Räder 14. Der Träger 18 trägt außerdem ein Hohlrad 34 und ein Ritzel bzw. Ritzelrad 26. Das Ritzelrad 26 überträgt die Drehbewegung der Eingangswelle 30 auf eine Drehbewegung des Hohlrads 34 um eine senkrechte Achse. Das Hohlrad 34 ist am Differenzialgehäuse 20 fest angebracht und überträgt eine Drehbewegung auf das Differenzialgehäuse 20.
Der Träger 18 ist außerdem dazu ausgelegt, eine Abdeckung 36 aufzunehmen. Die Abdeckung 36 dichtet bevorzugt den Träger 18 ab und verhindert im Wesentlichen, dass Schmiermittel aus dem Träger 18 auslecken. Außerdem ist der Träger 18 dazu ausgelegt, eine Befestigung für Achslager 28 bereit zu stellen (wie in Fig. 3 gezeigt). Der Träger 18 umfasst außerdem Halterungslöcher bzw. Montagelöcher 27 zum Anbringen des Trägers 18 und des Achsgehäuses 16 im Kraftfahrzeug (in Fig. 3 gezeigt). Der Träger 18 kann außerdem weitere Komponenten umfassen, wie etwa ein zweites Ritzelrad bzw. Ritzel, eine Hydraulikleitung u. dgl. Typischerweise sind das Differenzialgehäuse 20, das erste Seitenrad 22, das zweite Seitenrad 24, das Ritzel 26 und das Hohlrad 24 bevorzugt aus einem herkömmlichen Baumaterial, wie etwa Stahl hergestellt und mit Hilfe eines herkömmlichen Verfahrens. Die Abdeckung 36 ist bevorzugt aus Aluminium oder Stahl hergestellt.
Wie insbesondere in Fig. 3 gezeigt, ist der erfindungsgemäße Träger 18 aus einem ersten Abschnitt 40 und einem zweiten Abschnitt 42 gebildet. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Abschnitt 42 bevorzugt integral mit dem ersten Abschnitt 40 derart vorgesehen, dass das körperliche Aussehen des ersten Abschnitts 40 und des zweiten Abschnitts 42 nicht unterscheidbar ist. Obwohl in der Zeichnung der zweite Abschnitt 42 getrennt und unterschiedlich vom ersten Abschnitt gezeigt ist, wird bemerkt, dass dies lediglich zu Illustrationszwecken der Fall ist.
Der erste Abschnitt 40 des Trägers 18 ist aus Aluminium mit Keramikpartikeln gebildet, die verstärkend in der Aluminiummatrix vorgesehen sind. Der erste Abschnitt 40 bildet bevorzugt etwa 80% bis 97% des Gewichts des Trägers 18. Um die gewünschten physikalischen Eigenschaften des Trägers 18 zu erzielen, liegt der Gesamtprozentsatz der Keramikpartikel im Bereich von 10% bis 50% des Volumens des ersten Abschnitts 40 und bevorzugt beträgt etwa 20% des Gesamtvolumens des ersten Abschnitts 40. Bevorzugt sind die Keramikpartikel, die bei der Ausbildung des ersten Abschnitts 40 des Trägers 18 verwendet werden, aus der Gruppe ausgewählt, die aus Siliziumcarbid oder Aluminiumoxid besteht. In der bevorzugten Ausführungsform liegt die Größe der Keramikpartikel bevorzugt im Bereich von etwa 4 µm bis 30 µm. Bevorzugt liegt die Größe der Keramikpartikel im Bereich von 7 µm bis 20 µm. Der erste Abschnitt 40 des Trägers 18 ist dazu ausgelegt, die Abdeckung 36 aufzunehmen, so dass die Abdeckung 36 über die Öffnung 35 des Trägers 18 satt passt.
Der zweite Abschnitt 42 des Trägers 18 ist bevorzugt aus nicht verstärktem Aluminium gebildet. Bevorzugt ist der zweite Abschnitt 42 aus einer Aluminiumlegierung gebildet. Alternativ kann der zweite Abschnitt 42 auch aus reinem Aluminium gebildet sein. Der zweite Abschnitt 42 macht die restlichen 20% bis 3 Gew.-% des Trägers 18 aus. Der zweite Abschnitt 42 kommt bevorzugt in Zwischenlage oder eingekapselt im ersten Abschnitt 40 derart zu liegen, dass der erste Abschnitt 40 Taschen aus dem zweiten Abschnitt 42 aufweist. Alternativ ist es auch möglich, dass ein Teil des Trägers 18 aus dem ersten Abschnitt 40 gebildet ist, während der restliche Teil des Trägers 18 aus dem zweiten Abschnitt 42 gebildet ist. In diesem Fall ist bevorzugt, dass die Keramikpartikel im gesamten ersten Abschnitt 40 gleichmäßig verteilt sind. Wie nachfolgend erläutert, kann der zweite Abschnitt 42 durch mehr als ein Verfahren hergestellt werden. Bevorzugt kommt der zweite Abschnitt 42 in Bereichen des Trägers 18 so zu liegen, dass dieser an den zweiten Abschnitt 42 geschweißt oder maschinell mit diesem gebildet werden kann.
Fig. 4a bis 4c zeigen die Prozesse zum Ausbilden des ersten Abschnitts 40 und des zweiten Abschnitts 42 des Trägers 18. Der erste Prozess zum Bilden des ersten Abschnitts 40 und des zweiten Abschnitts 42 ist in Fig. 4a gezeigt. Demnach startet der Prozess mit dem Schritt S1. In diesem Schritt werden Keramikpartikel dem geschmolzenem Aluminium zugesetzt. Der Prozess schreitet daraufhin zum Schritt S2 weiter, wo nicht verstärktes Aluminium, das entweder aus reinem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, in die Form des zweiten Abschnitts 42 in einer Gussform angeordnet wird. Typischerweise weist die Form die gewünschte Form des Trägers 18 auf. Wie im Schritt S3 dargestellt, wird der zweite Abschnitt 42bevorzugt gebildet durch Anordnen des Teils aus nicht verstärktem Aluminium in der Gussform vor dem Mischen bzw. Einmischen der Keramikpartikel, und Aluminium wird in die Gussform eingespritzt oder gegossen.
Wie in Fig. 4b gezeigt, kann der Träger 18 auch gebildet werden durch Mischen von Keramikpartikeln in das geschmolzene Aluminium, wie vorstehend offenbart, um den ersten Abschnitt 40 zu bilden, wie im Schritt S1 gezeigt. Das Abschrecken bestimmter Oberflächen in der Gussform, wie im Schritt S2 gezeigt, führt zur Bildung des zweiten Abschnitts 42. Die abgeschreckten Oberflächen neigen dazu, während des Gussprozesses Partikel abzustoßen, wodurch Taschen aus nicht verstärktem Aluminium im ersten Abschnitt 40 verbleiben (wie im Schritt S3 gezeigt). Ein weiteres Verfahren zum Bilden des Trägers 18 ist in Fig. 4c gezeigt. In diesem Prozess werden im Schritt S1 die Keramikpartikel miteinander verbunden, entweder durch Sintern in die Form des ersten Abschnitts 40, Vorform genannt. Die Vorform wird daraufhin in eine Gussform eingeführt, wo die Gussform die Form des Trägers 18 aufweist. Wenn die Vorform in die Form eingeführt wird, werden in denjenigen Bereichen Hohlräume gebildet, in denen die Vorform nicht vorhanden ist. Im Schritt S3 wird daraufhin geschmolzenes Aluminium in die Form gegossen oder eingespritzt, wodurch die Räume zwischen den Bereichen gefüllt werden, die nicht anderweitig durch die Vorform gefüllt sind.
Der erste Abschnitt 40 des Trägers 18 weist die folgenden physikalischen Eigenschaften auf: Formänderungsfestigkeit im Bereich von 20 ksi bis 52 ksi, bevorzugt nicht weniger als 42 ksi; Elastizitätsmodule im Bereich von 13,2 bis 16,5 Msi, bevorzugt nicht kleiner als 14,3 Msi; und Wärmeausdehnungskoeffizient im Bereich von 6,5 ppm/F bis 11,2 ppm/F, bevorzugt nicht mehr als 9,7 ppm/F. In der nachfolgenden Tabelle sind die physikalischen Eigenschaften des ersten Abschnitts 40 des Trägers 18 gemäß der vorliegenden Erfindung mit anderen Materialien im Vergleich aufgeführt. Die Al/SiC-Materialien, die in der Tabelle angeführt sind, sind kommerziell erhältlich von Alcan Aluminium unter dem Handelsnamen DURALCAN. Die in Klammern in der Tabelle aufgeführten Namen sind unterschiedliche Qualitäten von DURALCAN, die verwendet wurden, um die Experimente durchzuführen. Aus der nachfolgenden Auflistung geht hervor, dass der Träger 18, der aus verstärktem Aluminium (F3S.20S-T6) gebildet ist, überlegene physikalische Eigenschaften zeigt, insbesondere eine verringerte Wärmeausdehnung im Vergleich zu Aluminium.
Dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik erschließen sich zahlreiche Abwandlungen und Modifikationen der vorstehend angeführten Ausführungsformen, ohne von der Erfindung abzuweichen, die in den anliegenden Ansprüchen festgelegt ist.

Claims

1. Träger zum Tragen eines Getriebes zum Übertragen von Drehmoment vom Motor auf die Räder eines Kraftfahrzeugs, aufweisend:
Einen ersten Abschnitt, der aus einer Aluminiummatrix gebildet ist, wobei die Aluminiummatrix mit Keramikpartikeln verstärkt ist, so dass die Keramikpartikel 10 bis 50 Vol.-% des ersten Abschnitts ausmachen; und
einen zweiten Abschnitt, der aus nicht verstärktem Aluminiummetall gebildet ist, wobei der zweite Abschnitt einen integralen Teil des ersten Abschnitts bildet;
wobei der zweite Abschnitt dazu ausgelegt ist, den Träger an einer Tragstruktur zu haltern.

2. Träger nach Anspruch 1, wobei die Keramikpartikel bevorzugt 20 Vol.-% des ersten Abschnitts ausmachen.

3. Träger nach Anspruch 1, wobei die Keramikpartikel aus einer Gruppe ausgewählt sind, die aus Siliziumcarbid und Aluminiumoxid besteht.

4. Träger nach Anspruch 1, wobei die Keramikpartikel eine Partikelgröße im Bereich von 4 µm bis 30 µm aufweisen.

5. Träger nach Anspruch 4, wobei die Partikelgröße bevorzugt im Bereich von 7 µm bis 20 µm liegt.

6. Träger nach Anspruch 1, wobei der erste Abschnitt 80 Gew.-% bis 97 Gew.-% des Trägers ausmacht, und wobei der zweite Abschnitt 20 Gew.-% bis 3 Gew.-% des Trägers ausmacht.

7. Träger nach Anspruch 1, wobei der erste Abschnitt eine Formänderungsfestigkeit im Bereich von 20 ksi bis 52 ksi aufweist.

8. Träger nach Anspruch 1, wobei der erste Abschnitt ein Elastizitätsmodul im Bereich von 13,2 Msi bis 16,5 Msi aufweist.

9. Träger nach Anspruch 1, wobei der erste Abschnitt einen Wärmeausdehnungskoeffizient im Bereich von 6,5 ppm/F bis 11,2 ppm/F aufweist.

10. Träger nach Anspruch 1, wobei der erste Abschnitt an einer Abdeckung angebracht ist, die dazu dient, ein Auslecken von Schmiermittel aus dem Träger zu verhindern.

11. Träger nach Anspruch 1, wobei der zweite Abschnitt als diskrete Taschen im ersten Abschnitt gebildet ist.

12. Verfahren zum Herstellen eines Trägers zum Tragen eines Getriebes, so dass der Träger Drehmoment von dem Motor auf die Räder eines Kraftfahrzeugs übertragen kann, aufweisend die Schritte:
Mischen einer vorbestimmten Menge von Keramikpartikeln in geschmolzenes Aluminium zum Bilden einer verstärkten Aluminiummatrix, wobei die verstärkte Aluminiummatrix einen ersten Abschnitt des Trägers festlegt;
Bereitstellen eines Einsatzes aus im Wesentlichen reinem Aluminium in einer Gussform, wobei der Einsatz einen zweiten Abschnitt in dem Träger festlegt; und
Gießen der verstärkten Aluminiummatrix in die Gussform zum Bilden des ersten Abschnitts und des zweiten Abschnitts derart, dass der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt integral miteinander vorliegen.

13. Verfahren nach Anspruch 12, außerdem aufweisend das Wählen der Keramikpartikel aus einer Gruppe, die aus Siliziumcarbid und Aluminiumoxid besteht.

14. Verfahren nach Anspruch 12, außerdem aufweisend das Wählen einer vorbestimmten Menge von Keramikpartikeln im Bereich von 10 Vol.-% bis 50 Vol.-% des ersten Abschnitts.

15. Verfahren nach Anspruch 14, vorbei die vorbestimmte Menge von Keramikpartikeln 20 Vol.-% des ersten Abschnitts beträgt.