AT3115U1

AT3115U1 - Verstärktes strukturelement

Info

Publication number: AT3115U1
Application number: AT0050198U
Authority: AT
Original assignee: Henkel Corp
Priority date: 1997-07-21
Filing date: 1998-07-21
Publication date: 1999-10-25
Also published as: EP0893331B1; GB9815898D0; GB2327387A; NL1009641C2; ES2157114T3; EP0893331A1; JPH11156977A; PL327392A1; US6287666B1; AU7398298A; TR199801352A3; BR9802476A; FR2763113B1; CA2242317A1; IT1305568B1; US6096403A; KR19990013558A; DE29812843U1; FR2763113A1; GB2327387B

Abstract

Ein kanalförmiges Profil weist eine dünne lokale Verstärkungsschale auf, die von dem kanalförmigen Profil durch eine Schicht aus Strukturschaumstoff getrennt ist. Für das verstärkte Profil wird eine Bogengeometrie verwendet, die sich in einer Richtung erstreckt, die der der Kraft, der das Element ausgesetzt ist, entgegengesetzt ist. Der Bogen kann als kanalförmiges Element, als Verstärkungsschale oder sowohl als kanalförmiges Element als auch als Verstärkungsschale vorliegen. Ein Teil der Schale steht mit dem kanalförmigen Element in Kontakt und wird durch Schweißen oder andere Befestigungsmittel daran befestigt.

Description

AT 003 115 Ul

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Verfahren und Vorrichtungen zur Verstärkung von Strukturelementen und bezieht sich insbesondere auf die lokale Verstärkung kanalförmiger Profile, die Biegekräften ausgesetzt sind.

Bei mehreren Anwendungen, insbesondere in der Kraftfahrzeugindustrie, gibt es ein Bedürfnis nach leichten, hochfesten Strukturelementen. Obwohl Strukturelemente mit diesen Merkmalen durch die Verwendung verschiedener Metallegierungen, wie Titanlegierungen und dergleichen, leicht erhalten werden können, sind leichte, hochfeste Legierungen für Kraftfahrzeuganwendungen, wo Gewichtsreduktionen scharf gegen die Materialkosten abgewägt werden, im allgemeinen zu teuer. Überdies sind Verstärkungstechniken erforderlich, die leicht an vorhandene Geometrien von Strukturteilen angepaßt werden können, so daß keine grundsätzlichen Gestaltungsänderungen vorgenommen werden müssen und man ein Mittel erhält, durch das eine unterhalb des Standards liegende Gestaltungsqualität ausgeglichen werden kann. Das heißt, in vielen Fällen werden Gestaltungsmängel entdeckt, nachdem das 2 AT 003115 Ul

Fahrzeugdesign bereits ein Stadium erreicht hat, bei dem radikale Änderungen nicht mehr praktikabel sind.

Außerdem wird erheblicher Wert auf die Leistungseigenschaften kanalförmiger Strukturkomponenten gelegt, die Biegekräften ausgesetzt sind. Zum Beispiel weisen viele Flankenschutzholme, die für Kraftfahrzeugtüren entworfen sind, einen kanalförmigen Hohlraum auf. Außerdem sind viele funktionelle Stoßfänger kanalförmig. Diese kanalförmigen Profile sind am meisten Biegekräften ausgesetzt, die in der Mitte des Holms angreifen oder sich dort konzentrieren.

Obwohl durch Ausfüllen des gesamten Profils mit Schaumstoff die Steifigkeit des Profils erheblich erhöht wird (wenigstens dann, wenn Schaumstoffe hoher Dichte verwendet werden), kann diese Technik auch die Masse und damit das Gewicht des Teils erheblich erhöhen, was, wie gesagt, bei den meisten Anwendungen unerwünscht ist. Außerdem kann das Ausfüllen des gesamten Profils mit Schaumstoff erheblich zu den Kosten beitragen. Schließlich erzeugt ein großer Schaumstoffkem häufig eine unerwünschte Wärmesenke. Und eine Erhöhung der Metallstärke eines Profils oder ein Hinzufügen lokalisierter Metallverstärkungen erhöht zwar die Steifigkeit, doch wird es mit zunehmender Dicke des Metalls aufgrund von Beschränkungen seitens der Metallformmaschinen schwieriger, das Teil zu formen.

Mehrere Ansätze wurden als Alternativen zu teuren Legierungen, Dickmetallprofilen und großen Schaumstoffkernen vorgeschlagen, um das Problem der Verstärkung kanalförmiger Profile, die Biegekräften ausgesetzt sind, anzugehen. Zum Beispiel wurde ein Flankenschutz für eine Fahrzeugtür vorgeschlagen, der ein offenes kanalförmiges Metallelement mit einem längs verlaufenden Hohlraum umfaßt, der mit einem Kern auf der Basis eines duroplastischen oder thermoplastischen Harzes gefüllt ist. Der Kern ist in der Mitte der Holmlänge angeordnet. Der Kern kann hohle 3 AT 003115 Ul

Glasmikrokugeln enthalten, um die Dichte und damit das Gewicht zu senken.

Ein Verstärkungseinsatz mit einer vorgegossenen Verstärkung wurde vorgeschlagen. Die Verstärkung ist aus einer Vielzahl von Pellets gebildet, die ein duroplastisches Harz und ein Treibmittel enthalten. Das vorgegossene Element wird in einem Strukturelement an Ort und Stelle verschäumt und gehärtet. Ein röhrenförmiger Türholm aus Verbundmaterial, der mit einem in der Mitte der Rohrlänge lokalisierten Kern aus syntaktischem Schaumstoff verstärkt ist, wurde in der Technik ebenfalls beschrieben. Der Kern auf Harzbasis nimmt nicht mehr als ein Drittel der Bohrung des Rohrs ein.

Rohr-in-Rohr-Strukturen mit hohen Steifigkeit-Masse-Verhältnissen, bei denen zwei ineinandergesteckte Rohre eine in dem ringförmigen Bereich zwischen den Rohren angeordnete Schaumstoff-schicht aufweisen, wurden ebenfalls vorgeschlagen. Eine lokale Verstärkung in Form eines verschäumbaren Harzes, das auf einem einrastenden Träger angeordnet ist, wurde ebenfalls beschrieben. Der Träger wird in den Kanal eines hohlen Strukturelernents gesteckt, und dann wird das Harz expandiert. .

Die GB 2 197 267 offenbart einen Stoßfänger für ein Kraftfahrzeug, bei welchem ein energieabsorbierender Schaumstoff in Anlage an der Stoßfängerumhüllung gehalten ist.

Die US 5 575 526 offenbart einen hohlen Laminatbalken, der von einem Innenrohr durch eine dünne Schicht aus Strukturschaumstoff. getrennt ist. 4 AT 003115 Ul

Entsprechend wäre es wünschenswert, eine kostengünstige Technik zum Verstärken eines kanalförmigen Profils, das Biegekräften ausgesetzt ist, bereitzustellen, ohne die Masse wesentlich zu erhöhen. Es wäre außerdem wünschenswert, ein Verfahren zum Verstärken eines vorhandenen kanalförmigen Profils bereitzustellen, das keine grundsätzliche Änderung der Gestaltung des Elements erfordert. Die vorliegende Erfindung stellt Hohlprofile bereit, die bei mäßiger Erhöhung der Masse eine erhöhte Festigkeit aufweisen, und zwar ohne die Verwendung großer Volumina teurer Harze. Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin ein Verfahren zur Verstärkung vorhandener Strukturteile bereit, ohne die Geometrie des Teils neu zu entwerfen. Es wurde gefunden, daß die vorliegende Erfindung die Steifigkeit und Festigkeit in kanalförmigen Profilen in einer in hohem Maße effizienten Weise erhöht.

In einem ersten Aspekt schafft die Erfindung ein verstärktes Strukturelement für ein Fahrzeug, umfassend: ein Strukturelement, das einen offenen oder geschlossenen Kanal definiert; eine Verstärkungsschale mit einer Länge (L), die kleiner ist als die Länge {L’) des Kanals; wobei die Verstärkungsschale und das Strukturelement miteinander verbunden sind; eine Schicht aus Strukturschaumstoff, die sich zwischen einem Teil des Strukturelementes und einem Teil der Verstärkungsschale befindet, so daß ein dreischichtiger Bereich definiert wird, wobei die Schicht aus Strukturschaumstoff mit dem Strukturelement und der Verstärkungsschale verklebt ist; dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsschale nicht größer als 1/3 der Länge des Strukturelementes ist und an einem Ort maximaler Verformung auf dem Strukturelement liegt; wobei der dreischichtige Bereich eine bogenförmige Oberfläche oder eine doppel- oder zwillingsbogenförmige Oberfläche, einschließlich U-, D-, Μ-, V-, w- und glockenförmiger sowie überhöhter Bögen, hat.

In einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein verstärktes Strukturelement, umfassend: ein Strukturelement, das einen offenen Kanal definiert; 5 AT 003115 Ul eine Verstärkungsschale mit einer Länge, die nicht größer als 1/3 der Länge des offenen Kanales ist; wobei die Verstärkungsschale und das Strukturelement so miteinander verbunden sind, daß die Verstärkungsschale in der Mitte der Länge des Strukturelementes liegt, so daß eine Schnittstelle definiert wird; eine Schicht aus Strukturschaumstoff, die im wesentlichen zwischen der gesamten Schnittstelle des Strukturelementes und der Verstärkungsschale liegt, was einen dreischichtigen Bereich definiert, wobei die Schicht aus Strukturschaumstoff mit dem Strukturelement und der Verstärkungsschale verklebt ist; und wobei der dreischichtige Bereich eine bogenförmige Oberfläche oder eine doppel- oder zwillingsbogenförmige Oberfläche, einschließlich U-, D-, Μ-, V-, w- und glockenförmiger sowie überhöhter Bögen, hat.

In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein verstärktes kanalförmiges Element bereit, das eine dünne lokale Verstärkungsschale aufweist, die von dem kanalförmigen Element durch eine Schicht von Strukturschaumstoff getrennt ist. An dem verstärkten Profil erstreckt sich ein Bogen in einer Richtung, die der der Kraft, der das Element ausgesetzt ist, entgegengesetzt ist; das heißt, der Bogen ragt in die Richtung der Kompressionsfläche des kanalförmigen Elements. Der Bogen kann als kanalförmiges Element, als Verstärkungsschale oder sowohl als kanalförmiges Element als auch als Verstärkungsschale vorhanden sein. Ein Teil der Schale steht vorzugsweise mit dem kanalförmigen Element in Kontakt und ist durch einen Schweißpunkt oder ein anderes Befestigungsmittel daran befestigt. Die Kombination aus dem Bogen und dem Strukturschaumstoff stützt die Last, stabilisiert die Wände des kanalförmigen Elements und verteilt die Kraft über eine größere Fläche, weg von den Konzentrat ionspunkten ein den Schweißstellen. In einem Aspekt sind die Verstärkungsschale und der Strukturschaumstoff vorzugsweise auf nicht mehr als etwa ein Drittel der Länge des kanalförmigen Elements beschränkt und sind im wesentlichen in der Mitte der Länge des kanal förmigen Elements angeordnet. In einem Aspekt ist die Schale im Kanal des kanalförmigen Elements angeordnet, und in einem anderen bildet die Schale eine Kappe auf der Außenseite des kanalförmigen Elements. Die Schale besteht vorzugsweise aus 6 AT 003115 Ul hochfestem Stahl; dies ermöglicht es, Stahl geringer Festigkeit für das Strukturelernent zu verwenden. Außerdem kann die Schale bei Anwendungen, bei denen das HauptStrukturelement aus hochfestem Stahl besteht, Weichstahl,oder Aluminium umfassen.

In einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zum Verstärken eines kanalförmigen Strukturelementes, umfassend:

Anordnen einer Verstärkungsschale mit einer Länge nicht größer als 1/3 der Länge des kanalförmigen Strukturelementes an einem Ort maximaler Verformung auf dem zu verstärkenden kanalförmigen Element; Bewirken, daß ein zwischen der Verstärkungsschale und dem kanalförmigen Strukturelement liegender expandierbarer Strukturschaumstoff expandiert, um dadurch die Verstärkungsschale mit dem kanalförmigen Strukturelement zu verkleben, um einen dreischichtigen Bereich mit einer bogenförmigen Oberfläche oder einer doppel- oder zwillingsbogenförmigen Oberfläche, einschließlich U-, D-, Μ-, V-, w- oder glockenförmiger sowie überhöhter Bögen, zu erzeugen.

In noch einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren des Verstärkens eines Strukturelementes für ein Fahrzeug, umfassend:

Anordnen einer Verstärkungsschale, die nicht größer als 1/3 der Länge des Strukturelementes ist, im allgemeinen in der Mitte der Länge des Strukturelementes, und Kleben der Verstärkungsschale an das Strukturelement mit einem Strukturschaumstoff, um einen dreischichtigen Bereich zu schaffen, der eine bogenförmige Oberfläche oder eine doppel- oder zwillingsbogenförmige Oberfläche, einschließlich U-, D-, Μ-, V-, w- oder glockenförmiger sowie überhöhter Bögen, hat.

In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verstärken eines Strukturteiles bereit, das den Schritt des Bildens einer Schicht aus Strukturschaumstoff an einer lokalen Verstärkungsstelle in einem kanalförmigen 7 AT 003 115 Ul

Strukturelement umfaßt. Eine Verstärkungsschale wird in die Mitte der Länge des kanalförmigen Elements gebracht und erstreckt sich vorzugsweise über nicht mehr als ein Drittel der Länge des kanalförmigen Elements. Der Strukturschaumstoff wird auf eine Oberfläche der Schale gebracht, die dann das kanalförmige Element berührt und bindet.

Diese und weitere Vorteile und Ziele der vorliegenden Erfindung werden nun ausführlicher unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

Figur 1 ist eine perspektivische Ansicht eines verstärkten Stoßfängers, die die Position einer bogenförmigen Verstärkungs-schale in der Mitte der Länge veranschaulicht.

Figur 2 ist ein Querschnitt entlang der Linien 2-2 von Figur 1.

Figur 3 ist ein Querschnitt einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der eine D-förmige Verstärkungsschale veranschaulicht, die im Hohlraum eines hohlen Stoßfängerprofils angeordnet und durch eine Schicht aus Strukturschaumstoff von dem Stoßfängerprofil getrennt ist.

Figur 4 ist ein Querschnitt einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der eine Verstärkungsschale mit D-förmiger Konfiguration veranschaulicht; die Verstärkungsschale ist im Hohlraum eines hohlen Stoßfängerprofils angeordnet, das einen doppelten Bogen mit einer dazwischenliegenden Schicht aus Strukturschaumstoff aufweist.

Figur 5 ist ein Querschnitt einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der eine lokalisierte bogenförmige Verstärkung veranschaulicht, die in dem Kanal eines Stoßfängerprofils mit einer dazwischenliegenden Schicht aus Strukturschaumstoff angeordnet ist. 8 AT 003 115 Ul

Figur 6 ist ein Querschnitt einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der eine D-förmige Verstärkungsschale veranschaulicht, die in einem rechteckigen Stoßfängerprofil angeordnet und durch segmentierte Bereiche aus Strukturschaumstoff davon getrennt ist.

Figur 7 ist ein Querschnitt einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der einen bogenförmigen Stoßfänger veranschaulicht, der eine rechteckige Verstärkungsschale aufweist, die als Kappe mit einer dazwischenliegenden Schicht aus Strukturschaumstoff darauf angeordnet ist.

Figur 8 ist ein Querschnitt eines doppelbogenförmigen Stoßfängerprofils mit einer bogenförmigen Verstärkungskappe.

Figur 9 ist eine perspektivische Ansicht eines verstärkten Flankenschutzes, die die Position einer rechteckigen Verstärkungsschale in der Mitte der Länge veranschaulicht.

Figur 10 ist ein Querschnitt entlang den Linien 10-10 von Figur 9.

Figur 11 ist ein Querschnitt einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der einen bogenförmigen Flankenschutz mit einer bogenförmigen Verstärkungsschale mit einer dazwischenliegenden Schicht aus Strukturschaumstoff veranschaulicht.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung

Wir beziehen uns nun auf Figur 1 der Zeichnungen. Gezeigt ist ein verstärkter Kraftfahrzeugstoßfänger 20 mit einem Stoßfängerprofil 22 in Form einer länglichen, einen Kanal definierenden Struktur mit einer Länge, die wesentlich größer ist als seine Breite. Jede Kante der vertikalen ebenen Wand 24 ist von Seiten 26 begrenzt. Jede Seite 26 weist einen Bund 28 auf, der 9 AT 003115 Ul sich über den offenen Kanal 30 erstreckt. Die Wand 24 definiert eine Außenfläche oder Kompressionsfläche 32 und eine Kanalseitenfläche oder Innenfläche 34. Der Fachmann wird wissen, daß die Kompressionsfläche 32 bei einem Zusammenstoß den Stoß aufnimmt und somit den Bereich bildet, wo ein Biegen induziert wird.

In der Mitte der Länge des Stoßfängerprofils 22, das heißt im allgemeinen zentral zwischen den Enden 36 und 38, befindet sich ein Verstärkungsschalengefüge 40 mit einer bogenförmigen Verstärkungsschale 42 und einer dazwischenliegenden Schaumstoff-Schicht 44. Wenn der Ort der maximalen Verformung nicht in der Mitte ist, wird man das Verstärkungsschalengefüge entsprechend von der Mitte weg an der Stelle der maximalen Verformung anbringen. Die bogenförmige Schale 42 weist ein Paar Bünde 45 auf, die über den Bünden 28 des Stoßfängerprofils 22 liegen und diese berühren. Die bogenförmige Schale weist einen bogenförmigen Teil 46 auf, der sich in der Richtung der Wand 38 des Stoßfängerprofils 22 erstreckt. Für die Zwecke dieser Anmeldung sollen die Ausdrücke "bogenförmig" und "Bogen" nicht nur eine traditionelle U-Bogenform, sondern auch eine D-Form umfassen; ein Beispiel für eine solche wird im folgenden noch ausführlicher erläutert. "Bogen" soll auch eine M- oder V- oder W-Form umfassen.

Das Strukturelement und die Verstärkungsschale können Metall-preßteile sein, oder es kann sich um gewalztes Metall handeln.

Wir beziehen uns nun auf Figur 2 der Zeichnungen, die die Beziehung zwischen dem bogenförmigen Schalenteilgefüge 40 und dem Stoßfängerprofil 22 deutlicher zeigt. Die bogenförmige Schale weist eine Oberfläche 48 auf, die sich in Kontakt mit der SchaumstoffSchicht 44 befindet und mit dieser verklebt ist. Wiederum erstreckt sich der bogenförmige Teil 46 der Schale 42 in die Richtung der Wand 38 und erstreckt sich somit in Richtung auf die Kompressionsfläche 32 des Stoßfängerprofils 22. 10 AT 003115 Ul

Die SchaumstoffSchicht 44 steht außerdem in Kontakt mit der Fläche 34 der Wand 38 und ist mit dieser verklebt, wie auch mit den Seitenwandinnenflächen 50, wodurch die Schale 42 fest am Stoßfängerprofil 22 befestigt wird, so daß ein dreischichtiger Aufbau entsteht. Außerdem sind die Bünde 45 durch MIG-Schweiß-stellen an den Bünden 28 befestigt, obwohl auch andere Befestigungsmittel, wie mechanische Befestigungsmittel oder ein hochfester Klebstoff, bei einer besonderen Anwendung geeignet sein können.

Die Länge "L" des bogenförmigen Schalenteilgefüges 40 ist vorzugsweise gleich oder kleiner als ein Drittel der Länge "L1 " des Stoßfängerprofils 22. Die Breite "W" des durch den bogenförmigen Teil 46 der Schale 42 definierten Kanals 52 beträgt vorzugsweise wenigstens 75% der Breite "W" des Kanals 30 des Stoßfängerprofils 22. Die Tiefe "D" der Schale 42, die sich in den Kanal 30 hinein erstreckt, beträgt vorzugsweise wenigstens 75% der Tiefe "D,n des Kanals 30. Glockenförmige gestelzte Bögen oder D-Formen mit einem Verhältnis von Stichhöhe (D) zu Öffnung (W) von etwa 0,5:1,0 bis etwa 1,0:1,0 sind am meisten bevorzugt.

Wie es in Figur 2 der Zeichnungen am besten veranschaulicht ist, besteht die Schale 42 aus einem relativ dünnen Metall im Vergleich zu dem des Stoßfängerprofils 22. Das zur Bildung der Schale 42 und des Profils 22 verwendete Metall wird typischerweise Stahl oder Aluminium sein. Zum Beispiel ist DI-Form-140-Stahl mit einer Dicke zwischen 0,8 und 1,4 mm für die Schale 42 besonders bevorzugt. (Und man beachte, daß Metall zwar bevorzugt ist, daß bei einer bestimmten Anwendung aber auch andere Materialien, wie Kunststoff, geeignet sein können.) Einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung ist, daß man für das Stoßfängerprofil 22 einen Stahl mit relativ geringer Festigkeit verwenden kann, während man die Struktur mit einer Schale aus leichtem, dünnem, hochfestem Stahl verstärkt. Durch Bereitstei-len eines Bogens 46 in der Richtung der Kompressionsfläche 32, 11 AT 003115 Ul einer Zwischenschicht aus klebfähigem Schaumstoff 44, der mit der Schale 42 und dem Profil 22 verklebt ist, und durch Punktschweißen (oder in sonstiger Weise Befestigen) der Schale 42 an das Profil 22 ergibt der verstärkte Stoßfänger 20 eine maximale Biegefestigkeit bei minimalem Gewicht und minimalen Kosten. Die Kombination aus dem Bogen 46 und Schaumstoff 44 verstärkt bei der Kompression das Stoßfängerprofil 22, so daß die Verbiegung wesentlich reduziert wird. Dabei soll die SchaumstoffSchicht 44 im wesentlichen die gesamte Oberfläche 48 der Schale 42 bedek-ken.

Der Schaumstoff 4 ist vorzugsweise ein Material auf Harzbasis, das hohle Glasmikrokugeln enthält, um die Dichte zu reduzieren. Die Dichte des Materials, wobei wir uns nun speziell auf die Zusammensetzung der SchaumstoffSchicht 44 beziehen, sollte vorzugsweise etwa 0,32 bis 0,64 g/cm3 betragen, um das Gewicht zu minimieren. Der Schmelzpunkt, die Formbeständigkeit in der Wärme und die Temperatur, bei der eine chemische Zersetzung statt-findet, müssen ebenfalls ausreichend hoch sein, so daß die SchaumstoffSchicht 44 bei höheren Temperaturen, die man typischerweise in Lacköfen und dergleichen findet, ihre Struktur beibehält. Daher sollte der Schaumstoff 44 in der Lage sein, kurzzeitig Temperaturen von über 200 °C und vorzugsweise 175 °C auszuhalten. Die SchaumstoffSchicht 4 hat eine Dicke von vorzugsweise etwa 2 bis 8 mm um den Bogen herum.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält die SchaumstoffSchicht 44 ein Kunstharz, Glasmikrokugeln, ein Treibmittel und einen Füllstoff. Der Schaumstoff 4 wird vorzugsweise an Ort und Stelle zwischen die Schale 42 und das Profil 22 expandiert und wird hergestellt, indem man die folgenden Materialien miteinander mischt. Das Kunstharz macht etwa 50 bis etwa 80 Gew.-% und vorzugsweise etwa 60 bis etwa 75 Gew.-% des zur Bildung des Schaumstoffs 44 verwendeten Gemischs aus. Die Glasmikrokugeln machen etwa 10 bis etwa 40 Gew.-% und vorzugsweise etwa 15 bis etwa 25 Gew.-% des Gemischs aus. Das Treib- 12 AT 003115 Ul mittel macht etwa 1 bis etwa 10 Gew.-% und vorzugsweise etwa 2 bis etwa 6 Gew.-% des Gemischs aus.

Die Schicht 44 könnte zunächst in nicht expandierter Form entweder auf die Schale 42 oder auf das Profil 22 aufgetragen und dann in innigen Kontakt mit dem jeweils anderen Element expandiert und dadurch mit beiden Elementen, 22 und 42, verklebt werden. Wenn der Schaumstoff thermisch expandierbar ist und das Strukturelement ein Fahrzeugteil ist, könnte der Lackofen verwendet werden, um die Expansion des Schaumstoffs einzuleiten, ohne daß ein getrennter Heizschritt erforderlich wäre.

Verschiedene Füllstoffe (wie Quarzstaub, Calciumcarbonat, gemahlene Glasfaser und gehackte Glasseidenstränge) können mit-verwendet werden. Der Füllstoff macht etwa 1 bis etwa 10 Gew.-% und vorzugsweise etwa 3 bis etwa 8 Gew.-% des zur Bildung des Schaumstoffs 44 verwendeten Gemischs aus.

Zu den bevorzugten Kunstharzen für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung gehören Duroplaste, wie Epoxyharze, Vinylesterharze, duroplastische Polyesterharze und Urethanharze. Der Umfang der vorliegenden Erfindung soll nicht durch das Molekulargewicht des Harzes beschränkt sein, und der Fachmann wird auf der Grundlage der vorliegenden Offenbarung geeignete Molekulargewichte finden. Wenn das Harz ein duroplastisches Harz ist, können auch verschiedene Beschleuniger, wie Imidazole und "DMP 30", und Härter, vorzugsweise Dicyanamid, vorhanden sein, um die Härtungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Eine funktionelle Menge des Beschleunigers beträgt typischerweise etwa 1% bis etwa 3% des Harzgewichts mit einer entsprechenden Reduktion bei Harz, Mikrokugeln oder Füllstoff. In ähnlicher Weise beträgt die Menge des verwendeten Härtungsmittels typischerweise etwa 2% bis etwa 8% des Harzgewichts mit einer entsprechenden Reduktion bei Harz, Mikrokugeln oder Füllstoff. Wirksame Mengen an Verarbeitungshilfsmitteln, Stabilisatoren, Färbemitteln, UV-Absorbern und dergleichen können ebenfalls in der Schicht ent- 13 AT 003 115 Ul halten sein. Thermoplaste können ebenfalls für einige Anwendungen geeignet sein.

In den folgenden Tabellen sind bevorzugte Zubereitungen für die Verwendung bei der Bildung des Schaumstoffs 44 beschrieben. Alle Prozentsätze in der vorliegenden Offenbarung sind Gewichtsprozente, wenn nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist.

Bestandteil Gewichtsprozent

Formel I ein Teil

Bisphenol-A-Epoxyharz 70 Nipol-Flüssigkautschuk 8 DI-CY-Härtungsmittel 7 EMI-24-Beschleuniger 1 B38-Mikrokugeln 14

Formel II 2 Teile

Harzseite "A" Härterseite "B" Epoxyharz 74 aliphatisches Amin 65 Ce1ogen-Treibmittel 6 Thixotropiermittel 8 Thixotropiermittel 4 K2 0-Mikrokugeln 27 K20-Mikrokugeln 16

Zusätzlich zu der in Figur 1 und 2 der Zeichnungen gezeigten Struktur stellt die vorliegende Erfindung noch mehrere andere Konfigurationen bereit, die die erfinderischen Konzepte der vorliegenden Erfindung als Kraftfahrzeugstoßfänger verkörpern. Insbesondere ist in Figur 3 der Zeichnungen das Strukturelement oder das Hauptstoßfängerprofil 54 gezeigt, das Bünde 56 auf-weist, die mit der lokalen Verstärkungsschale 58 verschweißt sind. Gezeigt ist der Strukturschaumstoff 60, der die Schale 58 in dem durch das Stoßfängerprofil 54 definierten Kanal fest- 14 AT 003115 Ul klebt. In Figur 4 weist das Stoßfängerprofil 62 einen doppelbogenförmigen Teil 64 mit Doppelbögen 66 und 68 auf. Die Strukturschaumstof fSchicht 70 ist in dem durch das Profil 62 definierten Kanal angeordnet. Wie bei der in Figur 4 beschriebenen Struktur ist die Schale 72 D-förmig und an den Bünden 74 befestigt. In Figur 5 wird die Schale 76 mit einer gestelzten Bogenkonfiguration in Kombination mit einem doppelbogenförmigen Stoßfängerprofil 78 verwendet. Die Schale 76 weist ein Paar Bünde 80 auf, die an entsprechenden Bünden 82 des Stoßfängerprofils 78 befestigt sind. Figur 6 ist eine Modifikation der in Figur 3 gezeigten Struktur, wobei die Schaumstoffschicht segmentiert ist, d.h. sie wird in Form von getrennten beabstande-ten linearen Reihen oder eines Bandes 84 bereitgestellt.

Wir beziehen uns nun auf Figur 7 der Zeichnungen. Die Verstärkungsschale 86 bildet eine äußere Kappe am Stoßfängerprofil 88. Das Stoßfängerprofil 88 weist die gestelzte Bogenkonfiguration auf und ist mit Bünden 90 versehen, die an den Enden 92 der Schale 86 befestigt sind. Die Schaumstoffschicht 94 ist in dem durch die Schale 86 definierten Kanal zu sehen. In Figur 8 weist das Stoßfängerprofil eine doppelbogenförmige Struktur 96 auf und ist durch die Schaumstoffschicht 100 von der bogenförmigen Verstärkungsschale oder -kappe 98 getrennt.

Zusätzlich zur Verstärkung von Stoßfängern ist die vorliegende Erfindung zur Verstärkung von Flankenschutzholmen geeignet. Figur 9 der Zeichnungen zeigt allgemein den Flankenschutzholm 102 mit einem Holmprofil 104, das einen Bogen 106 definiert. Wie man in den Figuren 9 und 10 erkennt, ist eine Verstärkungs-kappe oder -schale 108 vorhanden und wird (vorzugsweise durch Punktschweißen) an den Bünden 110 und 112 am Holmprofil 104 befestigt. Eine dazwischenliegende Schaumstoffschicht befindet sich zwischen der Innenfläche 114 der Kappe 108 und der Außenfläche 116 des Holms 104. Alternativ dazu könnten die Kappe und das Holmprofil auch umgekehrt sein; das heißt, Teil 108 könnte der Holm sein, und Teil 104 eine innere Kappe. Man sei sich 15 AT 003115 Ul darüber im klaren, daß diese Umkehrung bei allen bevorzugten Gestaltungen erreicht werden könnte, einschließlich derer, die in Verbindung mit dem Stoßfänger beschrieben wurden. In Figur 11 der Zeichnungen ist noch eine andere Konfiguration gezeigt, bei der zwei komplementäre Bögen ineinandergesteckt sind. Teil 118 kann entweder die Kappe oder den Hauptholmkörper bilden, wobei Teil 120 die entsprechende Schale bzw. den Holm bildet. Der Schaumstoff 122 ist gezeigt, wie er in der zuvor beschriebenen Weise zwischen den Teilen 118 und 120 angeordnet ist.

In noch einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Verstärkung eines Strukturteils bereit, das den Schritt der Bildung einer Schicht aus Strukturschaumstoff an einer lokalen Verstärkungsstelle in einem kanalförmigen Strukturelement umfaßt. Eine Verstärkungsschale wird in die Mitte der Länge des kanalförmigen Elements gebracht und erstreckt sich vorzugsweise über nicht mehr als ein Drittel der Länge des kanalförmigen Elements. Der Strukturschaumstoff wird auf eine Oberfläche der Schale aufgebracht, die dann mit dem kanalförmigen Element in Kontakt tritt und dieses bindet. Während die Erfindung in erster Linie in Verbindung mit Fahrzeugteilen beschrieben worden ist, sollte man sich darüber im klaren sein, daß die Erfindung auch als Teil von anderen Produkten, wie Flugzeugen, Schiffen, Fahrrädern oder praktisch allem, was Energie für die Bewegung erfordert, in die Praxis umgesetzt werden kann. In ähnlicher Weise kann die Erfindung auch mit stationären oder statischen Strukturen, wie Bauwerken, verwendet werden, so daß man eine feste Stütze erhält, wenn Schwingungen wirksam sind, wie von einem Erdbeben, oder daß man einfach einen leichten Träger für Strukturen erhält, die Belastungen unterworfen sind. Während die Erfindung außerdem in erster Linie in bezug auf thermisch expandierbare Schaumstoffe und in bezug auf Metallteile, wie das Strukturelement und die Schale, beschrieben worden ist, können auch andere Materialien verwendet werden. Zum Beispiel könnte der Schaumstoff jeder 16 AT 003115 Ul geeignete bekannte expandierbare Schaumstoff sein, der chemisch zum Aufschäumen aktiviert wird und einen festen Strukturschaumstoff bildet. Die Schale könnte auch aus anderen Materialien als Metall bestehen, wie verschiedenen Kunststoffen oder polymeren Materialien oder verschiedenen faserigen Materialien des Holztyps, die über eine ausreichende Festigkeit verfügen, um als Hintergrund oder Träger für den Schaumstoff zu dienen. Wenn ein thermisch expandierbarer Schaumstoff verwendet wird, sollten der Träger oder der Schaumstoff in der Lage sein, die Wärme auszuhalten, die während der thermischen Härtung auftritt. Wenn jedoch andere Typen von Schaumstoffen verwendet werden, ist es nicht notwendig, daß das Trägerelement in der Lage ist, hohe Temperaturen auszuhalten. Stattdessen ist die Grundvoraussetzung für das Trägerelement, daß es über ausreichende Festigkeit verfügt, um die beabsichtigte Funktion zu erfüllen. Es ist zum Beispiel auch möglich, Materialien, die als solche bei der Härtung oder weiteren Behandlung fest werden, als Schale zu verwenden. Die Erfindung kann auch praktisch durchgeführt werden, wenn das Strukturelement aus anderen Materialien als Metall besteht. Vorzugsweise jedoch werden die Materialien für das Strukturelement und die Schale sowie den Schaumstoff so gewählt, daß der dünne unexpandierte Schaumstoff bei der Expansion eine starke Bindung zu diesen Elementen bildet, so daß sich eine strukturelle Zusammensetzung ergibt. 17

Claims

AT 003 115 Ul Ansprüche: 1. Verstärktes Strukturelement (20; 102) für ein Fahr zeug, umfassend: ein Strukturelement (22; 104), das einen offenen oder geschlossenen Kanal mit einer Kompressionsseite definiert; eine Verstärkungsschale (40; 108) mit einer Länge (L), die kleiner ist als die Länge (L') des Kanals; wobei die Verstärkungsschale und das Strukturelement miteinander verbunden sind; eine Schicht aus Strukturschaumstoff (44), die sich zwischen einem Teil des Strukturelementes und einem Teil der Verstärkungsschale befindet, so daß ein dreischichtiger Bereich definiert wird, wobei die Schicht aus Strukturschaumstoff mit dem Strukturelement und der Verstärkungsschale verklebt ist; dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsschale nicht größer als 1/3 der Länge des Strukturelementes ist und an einem Ort maximaler Verformung auf dem Strukturelement liegt; wobei der dreischichtige Bereich eine bogenförmige Oberfläche oder doppel- oder zwillingsbogenförmige Oberfläche oder scheitelförmige oder doppel- oder zwillingsscheitelförmige Oberfläche hat und der Bogen oder Scheitel in Richtung der Kompressionsseite des Kanals vorragt.
2. Verstärktes Strukturelement (20; 102), wobei der dreischichtige Bereich, der eine scheitelförmige oder doppel- oder zwillingsscheitelförmige Oberfläche hat, eine Μ-, V- oder W-förmige Oberfläche ist.
3. Verstärktes Strukturelement gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Verstärkungsschale die bogenförmige, doppel- oder zwillingsbogenförmige oder scheitelförmige, doppel- oder zwillingsscheitelförmige Oberfläche ist. 18 AT 003115 Ul
4. Verstärktes Strukturelement gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Strukturelement die bogenförmige, doppel- oder zwillingsbogenförmige oder scheitelförmige, doppel- oder zwillingsscheitelförmige Oberfläche ist.
5. Verstärktes Strukturelement gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Verstärkungsschale die bogenförmige, doppel- oder zwillingsbogenförmige oder scheitelförmige, doppel- oder zwillingsscheitelförmige Oberfläche ist und das Strukturelement die bogenförmige, doppel- oder zwillingsbogenförmige oder scheitelförmige, doppel- oder zwillingsscheitelförmige Oberfläche ist.
6. Verstärktes Strukturelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verstärkungsschale in den Kanal des Strukturelementes hineingesteckt ist.
7. Verstärktes Strukturelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Strukturelement einen inneren oberflächendefinierenden Kanal und eine Außenfläche aufweist und sich die Strukturschaumstoffschicht zwischen der Verstärkungsschale und der Außenfläche befindet.
8. Verstärktes Strukturelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Breite "w" des durch den bogenförmigen Abschnitt der Schale definierten Kanales zumindest 75% der Breite "w" des vom Strukturelement definierten Kanales ist, und/oder die Tiefe "D" der Schale zumindest 75% der Tiefe "D" des vom Strukturelement definierten Kanales ist.
9. Verstärktes Strukturelement nach Anspruch 8, wobei der Bogen ein glockenförmiger, überhöhter oder D-förmiger Bogen ist und ein Verhältnis von Anstieg (D) zu Spannweite (w) von 0,5:1 bis 1,0:1,0 hat.
10. Verstärktes Strukturelement gemäß Anspruch 1, wobei sich die Verstärkungsschale in der Mitte der Spannweite des Strukturelementes befindet.
11. Verstärktes Strukturelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strukturschaumstoff Glasmikrokugeln enthält.
12. Verstärktes Strukturelement gemäß Anspruch 3, wobei die Verstärkungsschale die Form eines Doppelbogens aufweist.
13. Verstärktes Strukturelement gemäß Anspruch 4, wobei das Strukturelement die Form eines Doppelbogens aufweist. 19 AT 003115 Ul
14. Verstärktes Strukturelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die StrukturschaumstoffSchicht eine Dicke von 2 bis 10 mm aufweist.
15. Verstärktes Strukturelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Strukturelement und der Verstärkungsschale um Metallpreßstücke oder um gewalztes Metall handelt.
16. Verstärktes Strukturelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verstärkungsschale aus hochfestem Stahl oder Aluminium gebildet ist.
17. Verstärktes Strukturelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaumstoffschicht segmentiert ist.
18. Verstärktes Strukturelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strukturschaumstoff 60 bis 78 Gew.-% Polymer, 10 bis 30 Gew.-% Glasmikrokugeln, 3 bis 10 Gew.-% Füllstoff und 2 bis 8 Gew.-% Treibmittel enthält.
19. Verstärktes Strukturelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schaumstoff expandierbar ist.
20. Verstärktes Strukturelement gemäß Anspruch 19, wobei der Schaumstoff thermisch expandierbar ist.
21. Verstärktes Strukturelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Strukturelement ein Fahrzeugstoßfänger ist.
22. Verstärktes Strukturelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Strukturelement ein Fahrzeugtür-Flankenschutz ist.
23. Verfahren zum Verstärken eines Strukturelementes, das einen offenen oder geschlossenen Kanal mit einer Kompressionsseite definiert, für ein Fahrzeug, umfassend: Anordnen einer Verstärkungsschale mit einer Länge nicht größer als 1/3 der Länge des Strukturelementes an einem Ort maximaler Verformung auf dem Strukturelement und damit Verkleben mit Hilfe eines Strukturschaumstoffes, um einen dreischichtigen Bereich zu erzeugen, der eine bogenförmige oder doppel- oder zwillingsbogenförmige Oberfläche oder scheitelförmige oder doppel- oder zwillingsscheitelförmige Oberfläche hat, wobei der Bogen oder Scheitel in Richtung der Kompressionsseite des Kanals vorragt. 20 AT 003 115 Ul
24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei der Strukturschaumstoff ein expandierbarer Schaumstoff ist und der Schaumstoff das Strukturelement und die Verstärkungsschale beim Expandieren des Schaumstoffes verklebt.
25. Verfahren nach Anspruch 24, wobei der expandierbare Strukturschaumstoff auf einer oder beiden Oberflächen der miteinander zu verklebenden Teile: kanalförmiges Strukturelement und Verstärkungsschale vorgesehen ist.
26. Verfahren nach Anspruch 23, 24 oder 25, ferner umfassend das Einstecken der Verstärkungsschale in das kanalförmige Strukturelement.
27. Verfahren nach Anspruch 23, 24 oder 25, ferner umfassend das Montieren der Verstärkungsschale außerhalb des kanalförmigen Strukturelementes und um dieses herum.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 27, wobei das Strukturelement ein Fahrzeugstoßfänger ist.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 27, wobei das Strukturelement ein Fahrzeugtür-Flankenschutz ist.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 29, wobei das Strukturelement ein Fahrzeugteil ist und der Schaumstoff durch Wärmeaktivierung expandiert wird.
31. Verfahren nach Anspruch 30, wobei die Wärmeaktivierung in einem Lackofen erfolgt. 21