DE10017205A1

DE10017205A1 - Karosserie-oder Fahrwerksbauteil

Info

Publication number: DE10017205A1
Application number: DE2000117205
Authority: DE
Inventors: Wulf Haertel; Wilfried Rostek
Original assignee: Benteler Deustchland GmbH
Current assignee: Benteler Deustchland GmbH
Priority date: 2000-04-06
Filing date: 2000-04-06
Publication date: 2001-10-18
Anticipated expiration: 2020-04-07
Also published as: DE10017205B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Karosserie- oder Fahrwerksbauteil mit einer partiellen Carbonfaser-Verstärkung (6). Die Carbonfaser-Verstärkung (6) ist durch mittels Ultraschallschweißen in das Bauteil (1) eingearbeitete Carbonfasern (7) hergestellt. Vorzugsweise bestehen die Karosserie- oder Fahrwerksbauteile aus Leichtmetall, insbesondere Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Grundsätzlich können auch Formkörper aus Kunststoff den Grundwerkstoff bilden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Karosserie- oder Fahrwerksbauteil und ein Verfah ren zur Herstellung eines Hybridwerkstoffs für die Fertigung von Karosserie- oder Fahrwerksbauteilen.

Karosserie- und Fahrwerksbauteile von Kraftfahrzeugen unterliegen im Be trieb hohen statischen und dynamischen Belastungen. Überwiegend werden derzeit bei der Herstellung solcher Bauteile unlegierte oder niedriglegierte Stähle verwendet. Diese stellen einen Kompromiss zwischen der Umform barkeit und der Streckgrenze des Werkstoffs dar, weil mit steigender Streck grenze im allgemeinen die Umformbarkeit des Werkstoffs sinkt und die nach einer Kaltumformung verbleibende Restbruchdehnung verringert wird. Höherfeste Stähle können oftmals nur durch Warmumformung zu Endpro dukten verarbeitet werden.

Der Einsatz von Leichtmetallwerkstoffen wie Aluminium ermöglicht gegen über Stahlkonstruktionen eine Gewichtsreduzierung und eine Steigerung der Korrosionsbeständigkeit. Die Leichtmetallwerkstoffe bringen jedoch nicht immer die besten Voraussetzungen hinsichtlich der Steifigkeit und des Be triebsfestigkeitsverhaltens mit sich.

Die verschiedenen Karosserie- bzw. Fahrwerksbauteile werden heute teil weise überdimensioniert, weil die Wanddicke der Bauteile nach der höchsten Belastung ausgelegt wird, obwohl in niedriger belasteten Bereichen diese maximale Wanddicke gar nicht benötigt würde. Aus diesen Gründen werden, der generellen Tendenz zum Leichtbau folgend, zunehmend sogenannte Tailored Blanks verwandt. Hierbei handelt es sich um zu sammengeschweißte Blechplatinen unterschiedlicher Festigkeitseigen schaften und/oder unterschiedlicher Blechdicke. Die hieraus gefertigten Karosserie- oder Fahrwerksbauteile sind dann in unterschiedlichen Bauteil zonen hinsichtlich ihrer Dicke auf die im Fahrbetrieb auftretenden Belastungen bzw. Spannungen unter Einhaltung notwendiger Sicherheits faktoren abgestimmt.

Die Herstellung der Tailored Blanks ist jedoch aufwendig. Auch ist deren weitere Umformung wegen der Blechdickensprünge nicht unproblematisch. Grundsätzlich muss aber herausgestellt werden, dass diese Technik innova tiv ist.

Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, Karosserie- oder Fahrwerksbauteile betriebstechnisch zu verbes sern und bei material- und gewichtssparender Bauweise die Abstimmung auf die in unterschiedlichen Bauteilzonen auftretenden Belastungen effizienter zu gestalten. Desweiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines innovativen Hybridwerkstoffs für die Fertigung von Karos serie- oder Fahrwerksbauteilen aufzuzeigen.

Der gegenständliche Teil der Aufgabe wird durch Anspruch 1 gelöst. Danach besitzen die erfindungsgemäßen Karosserie- bzw. Fahrwerksbauteile zu mindest eine partielle Carbonfaser-Verstärkung.

Durch die Carbonfaser-Verstärkung kann eine gezielte Versteifung in kriti schen Bereichen der Karosserie- oder Fahrwerksbauteile erzielt werden, beispielsweise in Beul- und Knickbereichen oder in rissgefährdeten Berei chen der Bauteile. Auf diese Weise ist eine vorteilhafte Abstimmung der Festigkeit und Steifigkeit in verschiedenen Bauteilzonen und die hier zu er wartenden Belastungen möglich.

Carbonfasern haben bei ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften eine wesentlich niedrigere Dichte als Metalle. Hierdurch kann zu einer weiteren Gewichtsreduzierung der Karosserie- bzw. Fahrwerksbauteile beigetragen werden.

Die Carbonfaser-Verstärkung besteht vorzugsweise aus mittels Ultraschall schweißen in das Bauteil eingearbeitete Carbonfasern bzw. einem Carbon fasergewebe, wie dies Anspruch 2 vorsieht.

Die Carbonfaser-Verstärkung kann grundsätzlich aus Fasern, Gewebe, Ge wirke ebenso wie aus Fasersträngen gebildet sein. Die Wahl der Fasern ist abhängig von den geforderten mechanischen Eigenschaften des partiell ver stärkten Karosserie- bzw. Fahrwerksbauteils, insbesondere hinsichtlich Zug- und Schlagfestigkeit sowie Steifigkeit. Hieraus resultiert eine bestmögliche Anpassung auf die betrieblichen Beanspruchungen bei einer Minimierung der Bauteilmasse.

Einzelne Carbonfasern oder ein Carbonfasergewebe werden gezielt appli ziert. Anschließend erfolgt die Ultraschallverschweißung. Hierbei werden die Teile unter Druck mechanischen Schwingungen im Ultraschallbereich aus gesetzt und dadurch miteinander verbunden. Es tritt sowohl eine Erwärmung des Grundwerkstoffs der Karosserie- bzw. Fahrwerksbauteile als auch ein Aufreißen der ein Verbinden verhindernden Oberflächenschichten (Oxide) auf. Der Grundwerkstoff aus Metall oder Kunststoff, vorzugsweise aber Leichtmetall, insbesondere Aluminium, Magnesium bzw. deren Legierungen, wird durch die Ultraschallerwärmung in einen breiigen bis flüssig-teigigen Aggregatzustand gebracht. Durch entsprechend abgestimmten Druck werden die Carbonfasern in die Matrix des Grundwerkstoffs eingebettet. Die innige Verbindung zwischen den verschiedenartigen Materialien stellt sich beim Abkühlen ein.

Die wesentlichen Eigenschaften des Grundwerkstoffs der Karosserie- bzw. der Fahrwerksbauteile mit den versteifenden Eigenschaften der Carbon fasern werden vorteilhaft kombiniert. Die erfindungsgemäßen Karosserie- oder Fahrwerksbauteile zeichnen sich durch ihr gutes Betriebsfestigkeits verhalten aus. Die Bauteile sind hoch beanspruchbar bei geringer Rissanfäl ligkeit. Die Carbonfasern wirken insbesondere in hoch belasteten Bereichen als Rissstopper und unterdrücken eine Ausbreitung von Rissansätzen. In folge der höheren Festigkeitswerte ist es möglich, die Wanddicken der Bauteile weiter zu reduzieren, wodurch eine zusätzliche Gewichts- und Kosteneinsparung erzielt werden kann.

Verfahrensmäßig wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch Anspruch 3 gelöst. Kernpunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens bildet die Maßnahme, die Carbonfasern mit dem Grundwerkstoff durch Ultraschall schweißen zu verbinden.

Beim Ultraschallschweißen erzeugen hochfrequente mechanische Schwin gungen eine örtliche Reibung zwischen dem zu verbindenden Grundwerk stoff und den Carbonfasern, welche zusammengepresst werden. Die Schweißteile liegen auf einem Werkstückhalter. Die Zuführung der Energie erfolgt durch senkrecht zur Oberfläche verlaufende Ultraschallschwingungen, die den Grundwerkstoff teilweise aufschmelzen, wodurch die Carbonfasern unter Druckeinwirkung in den Grundwerkstoff eingebettet werden. Beim anschließenden Abkühlen entsteht eine innige Verbindung zwischen den Fasern und der Matrix des Grundwerkstoffs.

Der so entstandene Hybridwerkstoff kombiniert die Vorteile einer hohen Steifigkeit und Festigkeit bei geringem Gewicht sowie einer geringen Sprödigkeit und Rissanfälligkeit. Seine materialspezifischen Eigenschaften erge ben sich additiv aus denen des Grundwerkstoffs und der Carbonfasern. Der Hybridwerkstoff ist auf den Verwendungszweck als Karosserie- oder Fahr werksbauteil synergetisch angepasst und kann mit üblichen Fertigungsver fahren zu den Karosserie- bzw. Fahrwerksbauteilen weiter verarbeitet wer den.

Vorzugsweise kommt Leichtmetall, insbesondere Aluminium bzw. eine Alu miniumlegierung, als Grundwerkstoff zur Anwendung (Anspruch 4). Alumi nium weist eine hohe Duktilität auf. Der carbonfaserverstärkte Hybridwerk stoff zeichnet sich durch eine geringe Rissanfälligkeit bei größerer Dehnung aus. Aluminium nimmt ferner keine Feuchtigkeit auf, so dass auch von einer hohen Langzeitfestigkeit auszugehen ist. Durch den festen Einschluss der Carbonfasern im Aluminium wird ein Eindiffundieren von Feuchtigkeit in diese vermieden.

Grundsätzlich ist es auch möglich, dass ein Formkörper aus Kunststoff den Grundwerkstoff bildet, worauf Anspruch 5 abzielt. In den Formkörper werden Karbonfasern zumindest in betrieblich stark belasteten Bereichen ultra schweißtechnisch eingebettet.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels beschrie ben.

Die Figur zeigt einen Querlenker 1 mit zwei annähernd rechtwinklig zuein ander angeordneten Schenkeln 2 und 3. Der Querlenker 1 ist aus Aluminium, welches den Grundwerkstoff 4 bildet. Im Übergangsbereich 5 zwischen Schenkel 2 und Schenkel 3, welcher im Fahrbetrieb statisch und dynamisch hoch belastet ist, weist der Querlenker 1 eine partielle Carbonfaser- Verstärkung 6 auf.

Die Carbonfaser-Verstärkung 6 besteht aus mittels Ultraschallschweißen im Übergangsbereich 5 in den Querlenker 1 eingearbeitete Carbonfasern 7. Vorzugsweise kommt ein Carbonfasergewebe zur Anwendung.

Beim Fügevorgang wird das Aluminium 4 im Übergangsbereich 5 durch die Ultraschallerwärmung in einen breiigen bis teigig-flüssigen Aggregatzustand gebracht. Unter spezifisch abstimmbarem Druck des Fügewerkzeugs werden dann die Carbonfasern 7 in die Aluminiummatrix gedrückt. Mit dem Abkühlen ergibt sich eine innige Verbindung zwischen dem Grundwerkstoff 4 und den Carbonfasern 7.

Der Querlenker 1 zeichnet sich bei geringem Gewicht durch eine hohe Stei figkeit im stark belasteten Übergangsbereich 5 aus. Der Querlenker 1 besitzt zudem gutes Festigkeitsverhalten bei geringen Dehnungen sowie geringer Sprödbrüchigkeit und Rissanfälligkeit. Die vorteilhaften mechanischen Eigenschaften des Aluminiums 4 und der Carbonfasern 7 werden gezielt kombiniert, wobei die ultraschweißtechnische Verbindung der beiden Werk stoffe für die Praxis eine rationelle Vorgehensweise darstellt.

Besonders vorteilhaft wird durch die Carbonfaser-Verstärkung 6 eine Ver steifung in den kritischen Bereichen von Karosserie- oder Fahrwerksbautei len, insbesondere in Beul- oder Knickbereichen ebenso wie in durch Dauer wechselbelastung rissgefährdeten Bereichen erzielt.

Bezugszeichenaufstellung

1

Querlenker

2

Schenkel

3

Schenkel

4

Grundwerkstoff

5

Übergangsbereich

6

Carbonfaser-Verstärkung

7

Carbonfaser

Claims

1. Karosserie- oder Fahrwerksbauteil, gekennzeichnet durch eine zumindest partielle Carbonfaser-Verstärkung (6).

2. Karosserie- oder Fahrwerksbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Carbonfaser-Verstärkung (6) aus mittels Ultraschallschweißen in das Bauteil (1) eingearbeiteten Carbonfasern (7) besteht.

3. Verfahren zur Herstellung eines Hybridwerkstoffs, insbesondere für die Fertigung von Karosserie- oder Fahrwerksbauteilen, dadurch gekennzeichnet, dass Carbonfasern (7) mit einem Grundwerkstoff (4) durch Ultraschallschweißen verbunden werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Leichtmetall, vorzugsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, als Grundwerkstoff (4) verwendet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet dass Formkörper aus Kunststoff den Grundwerkstoff bilden.