CN104781060A - 横梁结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种横梁结构以及一种用于制造用于机动车的横梁结构的方法。所述横梁结构由横梁(1)和至少一个可松脱地与横梁(1)连接的连接结构(10、11、12、13)组成，所述连接结构用于横梁上待连接的构件。所述制造方法包括以下步骤：准备好由热塑性FVK-管(1)制成的横梁(1)；在用于连接结构(10、11、12、13)的至少一个接合位置上加热FVK-管(1)并且将FVK-管(1)与设置在所述接合位置上的连接结构(10、11、12、13)一起插入到注塑模具中；在FVK-管(1)的内部施加支撑压力(pi)；对FVK-管(1)与连接结构(10、11、12、13)进行压合；以塑料结构注塑包封所述接合位置。

Description

横梁结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种横梁结构、尤其是用于机动车的横梁结构，以及一种用于制造该横梁结构的方法。
背景技术
车辆驾驶舱中的横梁通常由钢制成。在此，横梁用于稳定驾驶舱以及用于与转向柱、气囊和仪表板的连接。为此，要使用不同的安装元件、适配件和模块构件，它们都固定在横梁上。还有划分为驾驶员模块、中间模块、副驾驶模块的模块化结构的驾驶舱区域，这些模块可以以借助不同的连接元件固定到横梁上。例如可以使用螺栓来将这种类型的支承装置固定在横梁上。此外，在由钢制成的横梁中，可以对这样的连接结构直接进行焊接。
德国专利文献DE 10 2006 040 624 A1将实现一种用于机动车的横梁结构作为其任务，所述横梁结构具有可以高度灵活地进行设计和使用的模块构件。该横梁结构包括优选为钢制成的横梁，但也提及了由纤维增强塑料制成的管。在所述横梁上安装有至少一个高度集成化的模块构件，该模块构件将构件(例如供暖系统和空调系统)连接到该横梁上。所述模块构件在部分区域内具有用于所述横梁的、与该横梁的外部轮廓相对应的容纳部，该容纳部在所述高度一体化的模块构件与该横梁之间形成接触区域。可以构成为铸件、注塑件或冲弯件的模块构件借助至少一个沿所述横梁的周长至少局部地包围该横梁的固定元件可松脱地安装在该横梁上，该固定元件可以是对接板、线束扎带、金属卡箍、软管箍或至少一个第二模块构件。
发明内容
由现有技术出发，本发明的任务在于，提供一种在轻量化构造和功能集成方面有改善的横梁结构以及一种适合用于制造所述横梁结构的有利的、经简化的方法，该横梁结构具有经改善的结构特性。
所述任务通过具有权利要求1所述特征的方法以及通过具有权利要求8所述特征的横梁结构来解决。
所述方法和所述横梁结构的改进方案在相应的从属权利要求中描述。
在用于由横梁和至少一个可松脱地与该横梁连接的连接结构来制造用于机动车的横梁结构的所述方法的第一实施形式中，所述连接结构用于横梁上待连接的构件，该方法包括以下步骤：
准备好由热塑性FVK-管制成的横梁；
-在用于所述连接结构的至少一个接合位置上加热FVK-管并且将FVK-管与设置在所述接合位置上的连接结构一起插入到注塑模具中；
-在FVK-管的内部施加支撑压力；
-对FVK-管与所述连接结构进行压合；
-以塑料结构注塑包封所述接合位置。
由此，以较少的且可低成本实施的步骤制造了轻量化构造的横梁结构。
在所述方法的改进方案中，热塑性FVK-管借助编织拉挤成型(Flechtpultrusion)或缠绕技术进行制造；
一件式地或由多个管部段制成，其中，由多个管部段构成的热塑性FVK-管的准备包括：在具有或不具有间隔件和/或有机片部段的情况下通过焊接将所述管部段接合到横梁；
以恒定的或变化的直径/壁厚进行制造，其中，制造过程中以缠绕技术或者通过以纤维-基质塑料-材料对已完成的管进行的缠绕或通过有机片部段的焊接来实现所述变化的壁厚。
此外，在压合FVK-管的过程中至少在所述接合位置上形成其轮廓。
所注塑出的塑料结构可以是有利地增强的肋片结构并且由纤维增强的、尤其是短纤维增强的、热塑性的塑料构成，优选为聚酰胺(PA)或聚邻苯二甲酰胺(PPA)。
在备选的实施形式中，所述连接结构还可以是用于横梁与KFZ-车身的连接位置的载荷引入元件(如A-柱)，其中所述载荷引入元件可以是套管、优选为自冲孔的套管、插入件和/或锥形元件组。在此情况下，在压合之前将所述插入件引入到横梁的端部中，所述套管和锥形元件分别在压合之后装入。
所述连接结构还可以是气囊保持件、转向架和/或管道支撑件。
所述连接结构可以至少部分地由热塑性塑料、优选纤维增强的热塑性塑料制成，尤其优选由有机片制成。那么所述制造就包括下述步骤，即在插入到注塑模具中之前在至少一个与横梁的接合位置上对所述连接结构进行加热。
也可以使用CFK-管来制造所述横梁。那么，所述方法就包括以下步骤：
-至少沿着CFK-管与金属构件之间的接触面生成防腐蚀层，所述金属构件出自包括连接结构、插入件、螺栓、套管的组，其中，所述防腐蚀层的生成包括将由热塑性塑料、优选非碳纤维增强的热塑性塑料，尤其优选由玻璃纤维增强的热塑性塑料构成的层沿着所述接触面施加到CFK-管上；和/或为所述金属构件上涂层。
根据本发明的横梁结构的实施方式提出，该横梁由热塑性FVK-管构成并且与所述连接结构进行压合，该横梁结构由所述横梁和至少一个可松脱地与该横梁连接的、用于可安放在横梁上的构件的连接结构组成，该横梁结构可以通过上述方法来制造，其中，所述横梁和所述连接结构至少材料接合地通过FVK-管的热塑性基质进行连接并且以塑料结构注塑包封。
附图说明
所述的和进一步的优点参照附图通过下文说明加以阐述。说明中对附图的参照用来辅助说明和便于对对象加以理解。基本上相同或相似的对象或对象的部件可以设置以相同的附图标记。这些附图仅是本发明的实施形式的示意图。其中：
图1示出了局部借助经焊接的有机片得到增强的FVK-管的示意性纵剖视图(由于关于纵轴旋转对称故仅示出了管的一半)；
图2示出了直接焊接的FVK-管的示意性侧剖视图；
图3示出了借助FKV-垫片进行连接的两个FVK-管的示意性侧剖视图；
图4示出了借助有机片连接件进行连接的两个FVK-管的示意性侧剖视图；
图5示出了具有连接元件的横梁的驾驶员侧部件的透视图；
图6示出了图5所示横梁/A-柱连接位置的细节剖视图；
图7示出了与图6中A-A相对应的横剖视图；
图8示出了图7所示连接位置的细节剖视图；
图9示出了粘合或压合的横梁/A-柱连接的侧剖视图；
图10示出了与图9中A-A相对应的横梁/A-柱连接的横剖视图；
图11示出了借助经缠绕的插入件的横梁/A-柱连接的侧剖视图；
图12示出了借助有机片插入件的横梁/A-柱连接的侧剖视图；
图13示出了用于将椭圆形的插入件引入到圆形的FVK-管中的透视图；
图14示出了图13所示的FVK-管在引入插入件之前和之后的横剖视图；
图15示出了借助塑料插入件的横梁/A-柱连接的侧剖视图；
图16示出了与图15中A-A相对应的横剖视图；
图17示出了没有插入件情况下的横梁/A-柱连接的侧剖视图；
图18示出了在没有具有垫片的塑料插入件情况下的横梁/A-柱连接的侧剖视图；
图19示出了借助自冲孔卷边套管的横梁/A-柱连接的侧剖视图；
图20示出了借助锥形元件的横梁/A-柱连接的侧剖视图；
图21示出了横梁/转向架连接的透视细节示图；
图22示出了用于通过加热、闭合力接合及注塑包封将由有机片制成的转向架连接到由FVK-管制成的横梁上的示意图；
图23在透视图中示出了用于提高刚性而局部填充泡沫的FVK-管的示意图；
图24示出了用于气囊保持件的连接元件的不同视图；
图25示出了注塑模具在注塑包封过程中的侧剖面图；
图26示出了安装在横梁-FVK-管上的管道支撑件的侧视图；
图27示出了没有FVK-管情况下管道支撑件沿图26中所示A-A的剖视图；
图28示出了在横梁上通过编织工艺连接管道支撑件的示意性侧视图；
图29示出了在横梁上通过连接件连接管道支撑件的透视细节示图；
图30示出了借助套管和垫片的横梁/A-柱连接的侧剖面图。
具体实施方式
根据本发明的装置涉及一种横梁以及一种以FVK-注塑-混合制造方法由纤维增强塑料制造所述横梁的方法。
为了以尽可能低的制造成本实现具有低重量和高刚性以及高功能性的横梁，根据本发明提出了，借助编织拉挤成型(Flechtpultrusion)或缠绕方法来制造一种热塑性管状FVK-半成品，对所述半成品进行加热并且随后与例如用于将横梁连接到车身上的插入件和/或连接元件一起插入到注塑模具中。在该注塑模具中，结构元件在内部高压的作用下彼此压合，并且与规定用于所述横梁的方式相对应地形成所述半成品的轮廓。之后，FVK-管至少在所述位置上与所述插入件和/或连接元件以塑料进行注塑包封，所述塑料优选是纤维增强的。
构成横梁的空心型材可以适合载荷地由多个管部段构成，这些管部段也可以具有彼此不同的横截面尺寸。本发明的一个主要方面涉及一种将横梁连接到车身上、尤其是连接到支柱(例如A-柱)上的类型。此外，本发明还涉及单个功能部件上的连接，所述功能部件应该沿着横梁布置并且与其连接。这通过对所述功能部件的焊接和注塑包封实现。
本发明的另一方面涉及防腐蚀保护，如果横梁由碳纤维增强的塑料构成，则所述防腐蚀保护是尤其重要的。相比于钢和铝，CFK具有特别高的电化学电压电位并且几乎可以称为是“贵重的”。因此，在与金属插入件、连接元件以及螺栓等的连接位置上(例如在防水密封不充分的情况下)会产生接触腐蚀。
通常，借助相应提及的技术所进行的制造这样设计，即，纤维的纤维走向在构成横梁所使用的FVK-管中尽可能不被中断或者所述纤维尽可能不受损伤。因此，至少对所述横梁半成品的加热实际上是不可避免的，其中所述热塑性基质材料变软或者熔化并且所述纤维实质上可以浮动地移动。
根据本发明，横梁的制造、如尤其是机动车-横梁的制造(如其处于驾驶舱之下)在使用轻量化构造材料和使用模内工艺策略的前提下进行。
在此尤其关注横梁与车身/A柱的连接点，但横梁/转向架、横梁/气囊保持件以及横梁/管道支撑件的连接也同样是本发明的主题。在使用连续纤维增强的热塑性FVK-管和FVK-板的情况下，接合技术扮演决定性的角色。在此，FVK-管和有机片由热塑性基质(例如PA或PPA)以及增强纤维、玻璃纤维、碳纤维或其它增强纤维(例如芳纶纤维)，金属丝、金属纤维或混合增强元件(如混合玻璃纤维粗纱或混合纱线)构成。
在当前制造FVK-管所使用的连续纤维增强FVK-材料中，纤维体积比重约为60Vol.-％，以便实现横梁由于结构要求(尤其是NVH-特性)所需的高刚性。由此给借助焊接方法的接合(受限于低的热塑性基质比重)造成了困难。因此，将FVK-结构的注塑包封规定为备选的接合技术。在对管进行焊接和注塑包封这两种情况下，根据本发明规定了对FVK-半成品(接合配对件)的加热以及所述管中的反压力。为了避免所述管由于接合所需的注塑压力而倒塌，需要支撑压力(变形压力)。在此，要关注FVK-管在管端部上相对于所施加的内部压力的适当密封。
在由连续纤维增强的塑料制造横梁的过程中，比如在可能情况下如果从制造技术方面看不能低成本地以连续纤维增强的制造方法将所述结构作为一个构件进行制造，则可以规定将横梁划分为多个构件部段，这些构件部段在注塑模具中连接/接合。
根据本发明的横梁在使用内高压工艺(IHU工艺)的前提下进行制造。在此使用了以编织拉挤成型方法或借助缠绕方法制造的热塑性FVK-管。在热塑性FVK-空心型材编织拉挤成型过程中，首先由增强纤维制造旋转对称的、多层的空心型材编织物，该空心型材编织物在经加热的模具中以熔融的热塑性塑料加以浸透并且之后有针对性地进行冷却，从而在所述热塑性塑料冷却之后获得经加固的FVK-管。在空心型材的编织物中，也可以以有利的方式使用混合玻璃纤维粗纱，其包括增强纤维和热塑性基质材料，该基质材料可以作为纤维存在，该纤维与增强纤维一起存在于玻璃纤维粗纱中，或者所述基质材料作为热塑性基质涂料存在，该涂料包裹由增强纤维形成的玻璃纤维粗纱。这样，所述空心型材编织物就已经包含至少一定比重的基质材料，也就是均匀分布的，这在壁厚更厚的情况下稍晚在加热过程中保证了完全且均匀的浸透并且保证了将空心型材编织物加固成热塑性FVK-空心型材。
在工作流程中，所述FVK-半成品与插入件和连接元件在注塑模具中进行压合和注塑包封。为此要施加内部压力，该内部压力将经加热的管压入到模具中并且由此将其横截面形状赋予所述管，并且同时针对注塑包封过程起支撑压力的作用。所述注塑包封过程再次一方面实现了所述元件的彼此焊接，而另一方面以所注塑出的肋片增强了所述连接元件。
下面对所述横梁和所述连接元件的实施进行说明。在此提出，在所述横梁的实施中应注意，该横梁由于单个元件(例如转向架、管路支柱或气囊保持件)的连接而在不同区域中承受载荷。因此，该横梁例如在驾驶员侧上的载荷通常比副驾驶侧上更强。因此，该横梁在其横截面中应匹配不同的载荷。
所述横梁可以实施为连续的型材。在此使用了先前制成的FVK-管。所述FVK-管在缠绕工艺的框架内以不同的横截面进行制造，以便使横梁匹配不同的载荷。在缠绕工艺中，纤维角度和壁厚可以非常良好地进行变化并且可以匹配载荷。
对这样制成的FVK-管进行加热并且与所述连接元件一起插入到为此设置的横梁模具中。随后施加内部压力，该内部压力将FVK-管压入到模具中。最后，实施注塑包封工艺，以便促使横梁与连接元件的连接。
备选地可以实施具有恒定横截面(没有横截面的匹配)的横梁。在此，既可以通过缠绕技术又可以借助编织拉挤成型来制造所述FVK-管，其中在此情况下取消了横截面的匹配或者局部地设置了增强件。
为此存在一种可能性，即拉挤成型的管根据载荷局部地进行缠绕。在载荷较大的位置上相应施加更多的材料。为此，例如可以借助激光辅助的环形缠绕头将预浸透带铺到所述拉挤成型的管上。在此，所述横截面可以在局部非常良好地进行匹配。所述缠绕头将带/预浸透带铺到所期望的位置上，并且预浸透带借助由激光引入的能量至少部分地熔化。由此实现了纤维与基质之间的附着以及在所述管上的附着。随后借助辊子将带压到所述管上。之后，所述管与所设置的插入件/连接元件一起贯穿所说明的IHU-过程。
图1示出了FVK-管1，其具有为加强而局部进行焊接的有机片2，以便在使用具有相同横截面的连续的管1的情况下对横梁的局部不同的载荷进行考虑。管1在其制成后例如借助编织拉挤成型在载荷较高的区域中或在单个组件的连接位置上借助有机片2得到增强。为此，首先如在连续型材中所说明的那样进行处理。此外，在要求较高的位置上将加热的有机片2插入到横梁模具中，该有机片同样在压力下与构成所述横梁的管1进行焊接并且对其进行了局部增强。在此，内部压力再次稳定了管1以防倒塌，并且使横梁-管1成型。通过温度和压力，有机片2材料接合地通过形成焊接3的基质材料与FVK-管1焊接，所述基质材料至少熔化并重新硬化。
可以通过将横梁划分成单个的具有不同或恒定横截面的分部件1来对不同的载荷加以考虑。对热塑性的FVK-分部件进行加热并且与连接元件一起插入到横梁模具中，所述FVK-分部件借助编织拉挤成型或以缠绕工艺制成。用于连接单个分部件1的变型方案有很多种，下面结合图2至图4对它们进行说明。
第一种不需要额外元件的变型方案是，各个管1的端部变细或变宽并且在注塑模具中彼此压合(见图2)。左侧所示的、具有更大直径的管1的端部容纳第二个管1的管端部，从而在搭接区域中实现与已熔化的基质材料的焊接3。通过分部件1的焊接产生了材料接合效果，而同时在压合分部件1端部的过程中通过至少在所述区域内横梁的非圆的形状产生了形锁合，该形锁合形成了针对扭转的保护。
图3中可以看到用于具有不同直径的管的接合备选方案。在此，以不同直径制成的分部件1借助附加元件4(其例如可以为FVK-间隔件4)进行连接。将所述附加元件引入到经加热的、搭接的FVK-管端部1之间并且与它们进行压合。这样，就可以通过FVK-间隔件4与管1的焊接产生材料接合。
此外，如图4中所示，横梁部件1的连接可以通过热塑性的、纤维增强的连接件5来实现，该连接件围着连接位置放到以相同直径构成的管分部件1上(与用于连接管道支撑件的连接件5类似，见图29)。出于此目的，可以对作为连接件5的有机片进行加热并且在压力下与横梁部件1进行焊接。在此，在连接件5与管端部1之间产生了材料接合。
图5示出了根据本发明的FVK-横梁1的驾驶员侧部段，该FVK-横梁具有不同的连接元件，如与A-柱的连接元件10、与气囊保持件11的连接元件、与管道支撑件13的连接元件以及与转向架12的连接元件。
在图6至图8中示出了横梁/A-柱连接，其可以借助金属插入件来实现。图6是横梁/A-柱连接10的细节截面图，该连接在图5中以虚线的圆圈进行标记。横梁与驾驶舱的连接在A-柱上借助螺纹连接实现。由于横梁1由FVK-管1构成，所以在横梁连接到A-柱上的过程中，持续载荷下材料的流动是主要问题，所述材料的流动会导致螺纹连接的预紧力的减小。该问题通过将金属的载荷引入元件引入到FVK-管来应对。当前为插入件6的载荷引入元件可以例如由不锈钢(Edelstahl)构成并且借助一种综合的接合方法与FVK-管1连接。在此，插入件6与FVK-管1的连接通过材料接合和形锁合实现。所述形锁合通过将在其端部上得到加热的FVK-管1压紧到插入件6上来实现，并且该形锁合既保证了轴向的保护又保证了针对扭转的保护。随后，将自冲孔的套管7装入到所述横梁中，螺栓8通过该套管引入。为了在螺栓头或螺母8’的支承部避免FVK-材料的流动，可以使用垫片9。由此，在在此使得表面载荷最小。在使用碳纤维作为复合材料中的增强纤维的情况下，建议准备好预防措施，以便防止金属插入件与碳纤维之间的接触腐蚀。
这种预防措施例如可以是由纯热塑性塑料(无增强纤维)或非碳纤维增强的热塑性塑料构成的中间层，或者是可以防止所述插入件腐蚀的涂层。可以借助多种方法将这样的涂层涂覆成表面涂层。所述腐蚀问题通常发生在碳纤维增强的材料中。
为了实现对FVK-管1与插入件6之间接合位置的进一步加固，对FVK-管1和插入件6进行注塑包封。在此生成了肋片结构，该肋片结构实现了加强。所述注塑包封的另一优点是改善了连接附着。为了在金属插入件和热塑性塑料之间实现这样的连接附着，需要对金属部分进行预处理。所述预处理(涂底漆)使得在塑料与金属之间能实现材料接合。为了防止FVK-管1由于注塑压力而倒塌，要以适当的方式施加内部压力，这在下文中进行详细阐述。横梁和A-柱的螺纹连接借助引入到插入件6中的自冲孔套管以及螺纹连接结构8来实现。
另一种变型方案在于，使用设置有孔的实心金属插入件6(见图9和图10)。该金属插入件材料接合及形锁合地与FVK-管1连接。为此，首先对FVK-管1进行加热并且在一工序中与插入件6进行压合和粘合。由此，一方面通过形锁合产生了针对扭转的保护，并且另一方面通过粘接在插入件6与管1之间产生了材料接合连接。随后，引入自冲孔的套管7。在此，需要对套管7和插入件6或者对引入到孔中的插入件6进行非常精确的定位。备选地存在这种可能性，即在引入套管7之前制造FVK-管1的孔(例如通过激光)，并且随后引入非自冲孔的套管7。在该变型方案中，在可能情况下还要考虑足够的防腐蚀保护(如上文所说明的)。
将横梁连接到A-柱上的另一种可能性由一种经改变的横梁制造工艺得出。在此，借助剩余在之后构件中的铝芯6(见图11)进行加工，也就是说将所述管缠绕或编织到铝芯6上。铝芯6由铝管结构构成。由此可以省去上文所述的插入件，这是因为该插入件的功能由作为载荷引入元件的芯6承担。为此，芯6的几何结构如下地设计：芯端部更厚地、与A-柱和横梁之间螺纹连接的载荷相对应地实施，而芯6的中间部分具有薄壁管的形状。在缠绕工艺中，借助缠绕技术将连续纤维增强的、热塑性的带施加到经预处理的芯上并且合并加固成FVK-管1。FVK-材料与铝之间的连接，一方面通过形锁合来产生，例如通过安装到芯6上的外表面上的形锁合元件(如凹槽)来产生，并且另一方面通过材料接合的连接来产生，所述材料接合的连接通过在缠绕工艺之前在预处理步骤中在铝表面上涂覆底漆实现。横梁与A-柱之间的连接通过螺纹连接以及通过安装到横梁中的自冲孔套管7来实现。为了在使用碳纤维的情况下防止CFK-管和金属芯之间的腐蚀，可以例如装入玻璃纤维增强的中间层。
图12示出了横梁/A-柱连接的另一变型方案。为了进一步实现重量减轻并为了防止腐蚀问题，提出了使用有机片插入件6。有机片来表示连续纤维增强的热塑性板。为此，在之前的工艺步骤中以星形肋片结构6’来注塑包封有机片插入件6。在星形肋片结构6’的中央借助自冲孔的套管7设置了力引入元件。在此，自冲孔的套管7以一次-通过-方法引入并且在其端部上卷边。由此，实现了套管7更高的支撑稳定性以及更高的扭矩。在此，星形肋片结构6’施加有纤维增强的热塑性注塑材料。
星形肋片结构6’有利于FVK-管1与有机片插入件6之间后续的良好焊接。为了对焊接工艺进行准备，在红外光束的照射下在模具型腔之外对FVK-管1进行加热到热塑性基质材料的熔点之上并且在其端部上进行电镀。此外，经电镀的FVK-管1与经注塑包封的有机片插入件6进行焊接并且以另一个星形肋片结构6”来进行注塑包封。这两种处理都在注塑机的模具型腔中进行。因为由于对管1的电镀而可以预料到在抗弯阻力方面的显著下降，所以星形肋片结构6”负责提供横梁在其端部上所需的刚性。
图13中清晰地示出了将横梁连接到A-柱上的另一种变型方案，并且在该变型方案中利用了实心的、剩余在FVK-管1中的塑料插入件6。该插入件具有与FVK-管1相同的周长，然而却具有蛋形、尤其是椭圆形的横截面，并且该插入件在前部区域中设置有孔(在图13中未示出)。在引入插入件6之前，FVK-管1具有圆形的横截面(见图14a)。现在，对FVK-管1进行加热并且借助斜面将插入件6推入到管1中，从而使管1在实际的变形工序之前、在装入插入件6之后获得与圆形不同的、压扁的形状，如图14b)中所示。与插入件横截面相对应地，所述管在装入插入件之后在该部段中也获得了蛋形或椭圆形的横截面。
随后将两者插入到横梁模具中并且在注塑机中彼此压合。图15中以纵剖视图以及图16中以横剖视图示出了完全完成的连接。通过经加热的FVK-管1与塑料插入件6的压合产生了形锁合和材料接合。所述形锁合通过构成横梁的FVK-管1的非圆的形状实现，并且实现了针对扭转的保护。通过FVK-管1与塑料插入件6的焊接(所示的是其通过形成焊接的基质塑料层3)，产生了材料接合。最后，如同实心金属插入件一样在注塑工序中装入套筒7。由此，可以在定位非常精确的前提下装入自冲孔的套筒7。备选地，所述孔可以事先引入到FVK-管结构中，例如通过激光。与金属插入件相比其优点在于所实现的重量减轻和更好的连接，该连接可以通过相比于粘接的焊接来实现。
如图17中所示，横梁与A-柱之间连接的另一种可能性是没有载荷引入元件的连接。由此，可以取消金属插入件。相比于具有金属插入件的变型方案，这带来了尤其大的重量优势。在此，通过A-柱与横梁之间的螺纹连接来实现将载荷引入到FVK-管1中。在此，将自冲孔的套管7引入到横梁的端部中并且通过对FVK-管1的压紧来固定。为了在螺栓头8的下面获得尽可能大的压力表面并且尤其避免FVK-材料的流动，要使用垫片9。为了防止螺栓预紧力的下降，应该注意，FVK-管1具有比自冲孔套管7更大的尺寸。
由此，在拧紧螺栓8的过程中导致了FVK-材料发生流动，并且螺栓8与自冲孔的套筒7成为一体。由此，避免了之后螺栓8的下沉并实现了持续的夹紧。如果FVK-管1不应该以比自冲孔套管7更大的尺寸制成，则以规定的间隔将螺栓8拧紧到规定的拧紧扭矩。针对向FVK-管1中的另一力引入，可以根据自冲孔套管7的下沉在必要情况下为管1的接头填充泡沫。为此，提出了一系列技术用泡沫，例如PUR泡沫。
此外，为了在横梁与A-柱之间进行连接，可以使用一种方法，其中引入了中心安装有间隔件4的套管7(见图18)。为此，将套管7插入到FVK-管1中并且围绕着套管7按压管1。在此，压扁管1。在此，间隔件4的任务是，防止由于弯曲半径小而产生的纤维损伤。在自冲孔的套管7穿透FVK-管1之后，其自身发生塑性变形。在此，对伸出到经压扁的FVK-管1的边缘纤维之上的套管端部进行折叠。其在横梁1与套管7之构成了形锁合和力锁合连接。在此设计中，还可以为所述管的边缘区域填充泡沫。由此，提高了横梁连接件的稳定性。
为了进一步优化向横梁1中的力引入，提出了另一种设计，其基于装入到FVK-管1中的自冲孔套管7(如图19所示)。为此，自冲孔套管7在冲孔过程之后在两个端部卷边(在图19中仅示出了管1的一半以及相应的套管7的一半，但因为是对称的，第二套筒端情况相同)。针对所述冲孔过程，管1必须在其端部上得到加热，这是因为其必须以一定的程度压紧到一起或成为椭圆形，以便套管7可以穿透FVK-材料。在此，从A-柱向横梁1中的力引导借助力锁合进行，其中从套管向FVK-管中的力引入通过形锁合实现。
在图20中示出了借助通过锥形元件的夹紧所进行的横梁与A-柱的连接，这是另一种连接载荷引入元件的可能性。由此，实现了所述连接元件的后续安装。在此，完整的连接借助压力环15、外锥体16(例如由铝制成)、内锥体17(例如由铝制成)和螺栓元件18来实现。在此，其工作原理如下所述：将内锥体17和外锥体16引入到借助以FVK-材料，例如CFK周向缠绕1’制成的管1中，并且借助拉紧螺栓8与FVK-管1夹紧。通过周向缠绕1’避免了FVK-管1的流动和施加载荷引入所需的应力。可以通过玻璃纤维中间层20来防止C-纤维与铝之间的腐蚀。可以通过空心型材的泡沫填充19来实现抗压力的支撑以及实现对横梁1的进一步加固。
以下示出了转向架12到由FVK-管构成的横梁1的连接(见图21)。转向架12的连接同样通过一种综合的接合工艺来实现，其中，在此也是传统的焊接方法与注塑包封相结合。转向架结构12是由注塑包覆的有机片构成的结构。为了将转向架12连接到FVK-管1上，首先在接合位置的区域中加热结合配对件(见图22)。在此，对接合位置的加热可以如图所示地通过红外光束30或例如还通过热气来实现。所述加热是注塑工序之前的工序并且在模具40以外实施。实际的接合工序在注塑模具40中进行。通过模具40的闭合力施加了所需的接合压力并且实施了构件1、12的第一次焊接，该模具包括闭合侧41和喷嘴侧42。此外，为了加固和增加接合面积，在注塑过程中对之前借助闭合力接合的结构实施注塑包封，其中，对接合到横梁1上的转向架12的接合位置进行注塑包封。例如短纤维增强的热塑性塑料(例如PA、PPA)适用于所述注塑包封。
为了以尤其高的刚性和强度要求在转向架/横梁连接的区域中(亦或在其它具有提高的刚性要求的区域中)进行使用，可以额外地对构成横梁的FVK-空心型材1进行局部泡沫填充，如图23中所示。FVK-管1在设置用于布置转向架的区域中局部地填充以泡沫19用以提高刚性，所述区域通过泡沫障碍物19’限定边界。为此，使用技术/工程用泡沫，例如PUR泡沫。在此，所述泡沫填充可以以化学方式或物理方式进行。在此，所述泡沫障碍物可以由泡沫自行构成。要么从所述空心型材的开口一侧的侧面，要么通过引入到该空心型材中的孔来实现对横梁1的填充，泡沫或泡沫的前体(Vorstufen)经由该孔引入。
另一个设置在横梁1上的连接元件是气囊保持件11，该气囊保持件在图24中以透视俯视图(a)、侧视图(b)、俯视图(c)和透视前视图(d)示出。气囊保持件11设计成一种由有机片21和注塑出的肋片22组成的构造。为此，将经加热的有机片插入到模具中并且以热塑性塑料进行注塑包封。在气囊保持件11的侧视图24b)中可以看到用于容纳所述横梁而设置的开口24。被用于增强的星形肋片结构22所包围的开口24(图24c)是用于气囊的旋紧点，开口23作为旋紧点设置为横梁上。引入到气囊保持件11中的、可以在图24d)中看出的拱曲部25(也称为“球冠顶”)额外地有利于改善刚性。
为了使气囊保持件与横梁连接，将在接合位置上进行加热的有机片结构和同样在接合位置上进行加热的FVK-管插入到模具中，FVK-管与有机片结构在该模具中进行焊接并注塑包封，从而在所述部件之间形成材料接合的连接。这归因于热塑性基质和有机片结构以及FVK-管的熔化。为了加固，对部件进行喷注肋片。气囊保持件的构造可以与转向架的构造类似。
其它单个部件，如其它气囊保持件(例如膝部气囊)、用于空调系统或同于空调系统构件的支架、线缆束-支架和中控台支架同样在注塑过程中进行注塑。为此，也优选短纤维增强的热塑性塑料。在此，上述单个部件的连接通过材料接合实现。该材料接合连接分别通过先前对FVK-管的加热而受益。其与针对转向架的连接所说明的方法类似地进行。也是在此情况下，对FVK-管的基质材料的加热通过红外光束在将该FVK管插入到模具之前实现。在此，为了抵抗注塑压力ps而对管1所做的支撑也通过借助流体、也就是借助气体或液压流体的管内压力施加pi来实现(见图25)。模具40的型腔借助穿孔的塞子43进行密封，所述流体通过该穿孔的塞子进行输送，用以产成支撑压力pi。箭头45标明了与压力发生单元的连接。这样来选择支撑压力pi，使得通过由塑料注射单元44所施加的注塑压力ps来防止FVK-管1坍塌。抗注塑压力的支撑的另一种可能性提出了借助可熔化、消失的芯的方法。在此，可以使用具有低熔点的材料，如金属合金。
下面结合图26和图27对管道支撑件13在横梁上的连接进行说明。管道支撑件13的连接可以通过焊接方法进行。图26中用于管道支撑件13的原材料是两个有机半壳26。半壳26与针对转向架所介绍的方法相类似地与驾驶舱1下方的FVK-横梁焊接并进行注塑包封。在此，还引入了肋片27用以加强所述结构。在先前的工艺步骤中，将肋片27’(见图27)喷注到有机半壳26的内侧上，以便在焊接之后确保管道支撑件13所需的刚性。在图27中所示的管道支撑件13的截面图中，沿着图26中的A-A未示出FVK-管，以便更好地示出在有机半壳26的内部加肋片。
在有机半壳26中例如使用混合织物作为增强纤维。混合织物由不同材料构成，从而简化有机片26与当前载荷状况的匹配。由于管道支撑件13是碰撞载荷构件，所以设置了管道支撑件13的保险结构，以防其侵入到乘客舱中。在此，除了碳纤维以外，还尤其提出了借助钢丝进行增强的有机片。由此，正好提高了所述有机片构造的可延展性，并且可以防止在碰撞情况下发生脆性断裂失效，这是因为由脆性断裂而产生的单个的部分通过极具可延展性的钢丝仍构成残余连接。
如图28中所示，将管道支撑件13连接到横梁1上的第二种可能性是直接将管道支撑件13集成到横梁1中。所述可能性是针对小批量提出的，这是因为连续工序在横梁-制造中是不可行的。为此，对横梁-管道支撑件结构进行编织，也就是通过编制工艺将管道支撑件13连接到横梁1上。随后，在模具中合并所述横梁-管道支撑件结构。在该变型方案中有利的是，在横梁1与管道支撑件13之间不存在接合位置。由此，通过功能集成完全充分地利用了FVK-材料的轻量化构造潜力。这样就规避了如接合区域中由于缺少纤维增强而强度不足等已知的问题。尤其是整个横梁结构的刚性可以通过横梁1与管道支撑件13的结合而提高。此外，在进行合并的框架中可以在管道支撑件13上额外地加肋片。所加的肋片可以提高所述构造的刚性。
图29中所示的将管道支撑件13连接到横梁1上的另一种可能性是由纤维增强的热塑性材料构成的连接件5，所述材料由经裁剪的有机片构成。对该有机片进行加热并且围绕待连接的部件1、13放置。如果当前在压力作用下产生了材料接合连接，则有机片件5与横梁1和管道支撑件13进行焊接。
在使用CFK-材料和金属元件的情况下，用于防止所述材料腐蚀的措施是非常重要的，该腐蚀由于过大的电化学电位差而产生。由于在此设置了金属连接件(如自冲孔套管)和载荷引入元件，所以所述腐蚀问题尤其在横梁/A-柱连接中扮演着重要的角色。针对所述插入件，可以借助由GFK构成的中间层来避免腐蚀问题。在此，所述GFK-层是金属插入件与CFK-材料之间唯一的接触层。由于玻璃纤维缺少导电能力，所以从构造上解决了所述腐蚀问题。在使用自冲孔套管的情况下，由GFK构成的中间层不是问题，这是因为所述套管穿透了CFK-材料的整个截面。在自冲孔套管的情况下还优选另一种防腐蚀的可能性。在此，考虑所述套管的涂层，以便防止腐蚀。这样的涂层可以是电镀或者通过其它构成层的工艺来施加。另一种可能性提出了取代金属插入件或金属套筒的材料。通过以钛或不锈钢代替铝，可以将构件与CFK-材料之间的电位差减小原有值的五分之一。
图30中示出了在防腐蚀方面适合于A-柱50上的连接的设计方案。在此，使用了UD-增强的玻璃纤维套管7。在此，CFK-管1的端部1’是否如图30中所示得到压合或者是否使用了其它所介绍的变型方案，都不会有任何影响。所述横梁借助螺栓8连接到A-柱50上。为了避免螺栓8的金属与CFK-材料之间的腐蚀，使用了由玻璃纤维复合塑料构成的套管7。为此，在引入套管7之前在管端部1’中引入开口，例如通过激光。随后，压入套管7。为了防止CFK-管1的基质流动以及为了保证到CFK-管1中大面积的载荷引入，设置了垫片9，该垫片同样可以由GFK制成，从而避免螺栓头或螺母与横梁1的CFK-材料直接接触。
用于制造具有不同连接位置的横梁结构的整个工艺总共划分为四道或五道工序：
在接合位置上对FVK-管进行加热并且优选通过红外光束对安装件进行加热；
-将各部件插入、接合并注塑包封到注塑机中；
-取出具有连接元件的横梁并且在端部上对其进行加热；
-将载荷引入元件或自冲孔的套管推向所述端部上并且压合所述端部；
-如有必要，则对所插入的载荷引入元件进行注塑包封并且引入螺栓。
通过以FVK-结构方式在驾驶舱下方根据本发明的实施横梁，有利于实现显著的重量减轻。该重量减轻有利于减小机动车的燃料消耗并且由此有利于实现所希望的CO2-排放。这在经济方面有着决定性的竞争优势。除了重量减小和随之获得的更好的车辆驾驶性能以外，技术方面的优点还尤其在于适用于FVK材料的接合技术，所述接合技术是当前所使用的。与传统的连接技术(如螺纹连接或铆接)相比，通过焊接和注塑包封实现了一系列改善。此外，通过舍弃损伤纤维的接合方法来更好地充分利用机械的材料特性，这也属于上述优点。在螺纹连接或使用铆接的过程中都会对纤维造成损伤并且由此会降低构件的强度。通过使用焊接方法排除了连接技术中常规的问题，尤其是在热塑性复合材料的情况下，如螺纹连接或螺栓连接中的孔内壁(Lochleibung)。此外，由于没有连接元件，所以不需要引入会导致重量增大的元件。由此，充分利用了纤维复合材料的轻量化构造潜力。通过避免由复合结构引发的断裂，使得复合材料各个面上的腐蚀问题最小化，这是因为防止了引入湿气和其它腐蚀性介质。由此，在必要情况下可以不对所述结构进行密封并且减少了工艺步骤。由此还节省了大量成本。此外，通过取消接合辅助元件(如螺栓或铆钉)简化了使用金属构件情况下的防腐蚀保护，这是因为仅一层FVK-材料与所述金属构件产生接触。

Claims (10)

1.用于由横梁(1)和至少一个可松脱地与横梁(1)连接的连接结构(10、11、12、13)来制造用于机动车的横梁结构的方法，所述连接结构用于横梁(1)上待连接的构件，所述方法包括以下步骤：
准备好由热塑性FVK-管(1)制成的横梁(1)；
-在用于连接结构(10、11、12、13)的至少一个接合位置上加热FVK-管(1)并且将FVK-管(1)与设置在所述接合位置上的连接结构(10、11、12、13)一起插入到注塑模具中；
-在FVK-管(1)的内部施加支撑压力(pi)；
-对FVK-管(1)与连接结构(10、11、12、13)进行压合；
-以塑料结构注塑包封所述接合位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中热塑性FVK-管(1)
-借助编织拉挤成型或缠绕技术进行制造；
-一件式地或由多个管部段制成，其中由多个管部段构成的热塑性FVK-管(1)的准备包括：在具有或不具有间隔件(4)和/或有机片部段(5)的情况下通过焊接将所述管部段接合成横梁(1)；
-以恒定的或变化的直径/壁厚进行制造，其中，在制造过程中以缠绕技术中或者通过以纤维-基质塑料-材料对已完成的管(1)进行的缠绕或通过有机片部段(2)的焊接来实现所述变化的壁厚。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其包括这一步骤，即在压合过程中至少在所述接合位置对FVK-管(1)进行造型。
4.根据权利要求1至3中至少一项所述的方法，其中，所注塑出的塑料结构是肋片结构(6”、27)并且由纤维增强的、尤其是短纤维增强的、热塑性塑料构成，优选由聚酰胺(PA)或聚邻苯二甲酰胺(PPA)构成。
5.根据权利要求1至4中至少一项所述的方法，其中，连接结构(10、11、12、13)是
-用于横梁(1)与车身、优选与A-柱的连接位置的载荷引入元件(10)，其中，载荷引入元件(10)包括套管(7)、优选为自冲孔的套管(7)、插入件(6)和/或锥形元件组(16、17)，其中，在压合之前将插入件(6)引入到横梁(1)的端部中，套管(7)和锥形元件(16、17)分别在压合之后引入；
-气囊保持件(11)；
-转向架(12)；和/或
-管道支撑件(13)。
6.根据权利要求1至5中至少一项所述的方法，其中，连接结构(10、11、12、13)至少部分地由热塑性塑料、优选纤维增强的热塑性塑料制成，尤其优选由有机片制成，所述方法包括这一步骤，即在插入到所述注塑模具中之前，在至少一个与横梁(1)的接合位置上对连接结构(10、11、12、13)进行加热。
7.根据权利要求1至6中至少一项所述的方法，其中使用CFK-管来制造所述横梁，其包括以下步骤：
-至少沿着CFK-管与金属构件之间的接触面生成防腐蚀层，所述金属构件出自包括连接结构(10、11、12、13)、插入件(6)、螺栓(8)的组，其中，所述防腐蚀层的生成包括将由热塑性塑料、优选非碳纤维增强的热塑性塑料，尤其优选由玻璃纤维增强的热塑性塑料构成的层沿着所述接触面施加到CFK-管(1)上和/或包括为所述金属构件涂层；和/或
-至少沿着CFK-管与所述金属构件之间的接触面装入至少一个防腐蚀元件，所述防腐蚀元件来自包括套管(7)、垫片(9)的组，其中，所述防腐蚀元件优选由非碳纤维增强的热塑性塑料、尤其优选由玻璃纤维增强的热塑性塑料构成。
8.一种横梁结构，该横梁结构能通过根据权利要求1至7中至少一项所述的方法由横梁(1)和至少一个可松脱地与横梁(1)连接的连接结构(10、11、12、13)制造，所述连接结构用于横梁(1)上待连接的构件，其特征在于，横梁(1)由热塑性FVK-管(1)构成并且与连接结构(10、11、12、13)压合在一起，其中，横梁(1)和连接结构(10、11、12、13)至少材料接合地通过FVK-管(1)的热塑性基质进行连接并且以塑料结构注塑包封。
9.根据权利要求8所述的横梁结构，其特征在于，连接结构(10、11、12、13)是：。
-用于横梁(1)与车身、尤其是与A-柱的连接位置的载荷引入元件(10)，其中载荷引入元件(10)包括套管(7)、优选为自冲孔的套管(7)、插入件(6)和/或锥形元件组(16、17)；
-气囊保持件(11)；
-转向架(12)；和/或
-管道支撑件(13)。
10.根据权利要求8或9所述的横梁结构，其特征在于，所注塑出的塑料结构是肋片结构(6”、27)并且由纤维增强的、优选是短纤维增强的、热塑性塑料构成，优选由聚酰胺(PA)或聚邻苯二甲酰胺(PPA)构成；和/或
所述横梁结构在由CFK-管构成的横梁(1)与金属构件之间具有防腐蚀层和/或防腐蚀元件，所述防腐蚀层和/或防腐蚀元件出自包括套管(7)、垫片(9)的组，所述金属构件出自包括连接结构(10、11、12、13)、插入件(6)、螺栓(8)的组，其中，所述防腐蚀层和/或防腐蚀元件由热塑性材料、优选由非碳纤维增强的热塑性塑料、尤其优选由玻璃纤维增强的热塑性塑料构成，和/或
所述金属构件具有涂层、优选具有电镀涂层。
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