DE10121377A1 - Verstärkungselement für einen Hohlkörper, insbesondere für einen Fahrzeugkarosserieholm - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verstärkungselement, insbesondere für Fahrzeugkarosserieholme beschrieben, das aus einem von einer aufschäumbaren Masse (11) ummantelten Träger besteht. DOLLAR A Der Träger besteht aus einem biegsamen Rohr (10'), das mit einer ebenfalls biegsamen Masse (11) ummantelt ist. Es wird in Strängen zur Verfügung gestellt und kann für den jeweiligen Einsatz auf eine entsprechende Länge geschnitten werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verstär­ kungselement für einen Hohlkörper, insbesondere für einen Fahrzeugkarosserieholm gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Die Karosserie eines Fahrzeuges soll möglichst leicht sein und trotzdem eine ausreichende Steifigkeit aufweisen, um z. B. gute fahrdynamische Werte erzielen zu können. Das Fahrverhalten eines Fahrzeuges wird nämlich nicht unerheblich z. B. von einer ausreichenden Verwin­ dungssteifigkeit der Karosserie bestimmt. Außerdem müssen bestimmte Bereiche der Karosserie, z. B. die Teile, die die Fahrgastzelle formen, so widerstandsfähig sein, dass bei Unfällen für die Insassen ein genügend großer Über­ lebensraum verbleibt. Kritisch ist hier insbesondere der Bereich der B-Säule und dessen Anbindung an den Dachholm und den unteren Seitenholm. Es wurden schon die unter­ schiedlichsten Vorschläge unterbreitet, um mit einfachen Mitteln bei einer Seitenkollision Intrusionen der Seiten­ wand in die Fahrgastzelle zu unterbinden.

Aus der DE 198 58 903 A1 ist ein solches Ver­ stärkungselement bekannt. Das Element ist speziell für eine bestimmte Einsatzstelle in der Fahrzeugkarosserie bestimmt, nämlich für den Übergang der B-Säule in den oberen Längsholm. Zwar wurde schon erkannt, dass dieses Verstärkungselement generell einsetzbar ist. Bisher konnte aber noch nicht dargestellt werden, wie ein solches Verstärkungselement aussehen könnte.

Die Erfindung beruht somit auf der Aufgabe, das Verstärkungselement so weiter zu gestalten, dass es unab­ hängig von den Gegebenheiten des Hohlkörpers, in denen es eingesetzt werden soll, genutzt werden kann.

Dazu schlägt die Erfindung vor, dass der Träger und die aufschäumbare Masse biegbar sind und dass das Verstärkungselement in Strängen zur Verfügung gestellt ist.

Dies ermöglicht es, sowohl längere als auch kürzere Karosserieholme durchgehend zu versteifen, indem ein Strang ggf. auf die entsprechende Länge gekürzt wird und in den Karosserieholm eingelegt wird.

Des Weiteren ist die Menge der auf den Träger aufgebrachten Masse auf den Spalt zwischen Träger und Ka­ rosserieholm abzustimmen. Um hier einen weiten Bereich von Querschnittsgrößen abdecken zu können, wird vorge­ schlagen, die Masse ungleichmäßig auf dem Träger zu ver­ teilen, so dass bei engen Spalten die Menge ausreicht, den Spalt vollständig zu füllen und bei größeren Quer­ schnitten eine vollständige Ausfüllung des Querschnittes nur in den Bereichen erfolgt, in denen die Masse am Trä­ ger konzentriert ist. Am einfachsten wird es sicherlich sein, die Masse wellenartig längs des Trägers zu vertei­ len. Auf diese Weise kann ein bestimmtes strangförmiges vorliegendes Verstärkungselement für einen weiten Ein­ satzbereich eingesetzt werden. Insbesondere kommt es nicht darauf an, wie lang der Karosserieholm ist, der auszufüllen ist und welchen Querschnitt er aufweist.

Ein ähnlicher Effekt wird erreicht, wenn die Masse in Umfangsrichtung des Trägers eine wellenförmige Außenkontur aufweist. Für den Fall, dass der Innendurch­ messer des Trägers nur wenig größer ist als das Verstär­ kungselement im Ursprungszustand, wird die aufgeschäumte Masse den Spalt zwischen dem Träger und dem Hohlkörper vollständig ausfüllen. Sollte der Innendurchmesser deut­ lich größer sein, werden beim Aufschäumen in den Berei­ chen der Wellenberge zwischen dem Träger und der Innen­ wand des Hohlkörpers Stege entstehen, die den Träger im Hohlkörper halten und gleichzeitig diesen wabenförmig aussteifen.

Vorzugsweise besteht ein Strang des Verstär­ kungselements aus einem Trägerrohr aus Kunststoff, wobei die Kunststoffart so gewählt ist, dass der Kunststoff zwar genügend fest ist, andererseits aber noch biegbar ist, so dass das Rohr dem Verlauf des Karosserieholmes folgen kann, der mit diesem Verstärkungselement verstärkt werden soll. Das Kunststoffrohr ist an der Außenseite mit einer aufschäumbaren Masse versehen. Die Auftragung er­ folgt in der Regel in gleichmäßiger Schichtdicke. Um aber, wie oben schon erläutert worden ist, eine Anpassung an unterschiedliche Querschnitte zu gewährleisten, kann auch eine wellenförmige Struktur sowohl in Längs- als auch in Umfangsrichtung vorgesehen werden. Dies bedeutet, dass Abschnitte des Trägerrohres mit einer dickeren Schicht versehen sind, denen Abschnitte folgen, in denen diese Schicht dünner ist. Wenn allerdings der Querschnitt des Karosserieholmes stark variiert, wird man möglicher­ weise auch speziell angepasste Verstärkungselemente ein­ setzen müssen, wobei die Schichtdicke der Masse mit dem Querschnitt variiert.

Die aufschäumbare Masse kann mit einer Separa­ torschicht, versehen werden, die vorzugsweise aus einem dehnbaren Kunststoff besteht und die Masse einerseits schützt, andererseits dafür sorgt, dass keine Verbindung der aufgeschäumten Masse zu der Innenwand des ausge­ schäumten Hohlkörpers erfolgt. Es hat sich nämlich ge­ zeigt, dass nach dem Erkalten der Masse sich diese zusam­ menzieht, wobei das Blech des Hohlkörpers nach innen ge­ zogen wird und hierdurch Dellen entstehen können. Da aber aus Festigkeitsgründen jedoch teilweise eine Verbindung zwischen der aufgeschäumten Masse und dem Hohlträger not­ wendig ist, kann diese Separatorschicht mit Unterbrechun­ gen versehen sein.

Die Erfindung stellt sich somit als geschickte Kombination einer Rohrverstärkung und der Verstärkung durch Ausschäumung dar. Der besondere Vorteil liegt darin, dass einerseits keine aufwendigen Montageschritte notwendig sind, um den Träger bzw. das Rohr im Hohlkörper form- und kraftschlüssig zu fixieren, und andererseits nur kleine Bereiche, nämlich der Zwischenraum zwischen dem Träger bzw. dem Rohr und dem Hohlkörper, von einem Schaum ausgefüllt wird, was insbesondere die Materialkos­ ten gering hält.

Dabei hat der Schaum nicht nur die Aufgabe, den Träger bzw. das Rohr im Hohlkörper zu positionieren, son­ dern trägt vielmehr selbst zur Verstärkung des Hohlkör­ pers bei. Die Wirkungen treten um so deutlicher zutage, je größer die Abschnitte des Spaltes sind, die mit aufge­ schäumtem Material ausgefüllt sind. Daher sollten zumin­ dest ein oder mehrere Abschnitte des Spaltes vollständig ausgeschäumt sein. Optimal wird das Ergebnis zumindest im Hinblick auf eine besonders gute Aussteifung, wenn nahezu der gesamte Spalt ausgefüllt ist.

Als aufzuschäumende Masse haben sich organische Materialien bewährt, die unter Temperatureinfluss zu einem Strukturschaum aufquellen und aushärten. Hierbei handelt es sich um einen expansionsfähigen synthetischen Kautschuk, insbesondere um eine mit einer Amino-Verbin­ dung behandelte feste Zusammensetzung auf Epoxidbasis, der verschiedene Modifizierer, insbesondere Copolymere auf Äthylen-Basis zugesetzt sind. In dem Material be­ findet sich weiterhin eine Verbindung, die bei einer Er­ wärmung Stickstoff freigibt.

Dieses Material ist im Grundzustand fest genug, um z. B. von einem Roboter gehandhabt zu werden, ohne dass eine Formänderung auftritt. Es ist außerdem leicht zu verarbeiten und kann in einfacher Weise mit dem Träger z. B. durch Kleben verbunden werden.

Das Material hat die Eigenschaft, bei Hitze­ einwirkung (ca. 150°C) aufzuschäumen und auszuhärten. Es entsteht ein Schaum mit geschlossenen Zellen, in denen sich der freigesetzte Stickstoff befindet. Dies ermög­ licht es, insbesondere im Bereich des Karosseriebaus das folgende Verfahren anzuwenden, um einen Hohlkörper bzw. einen Karosserieholm mit einem derartigen Verstärkungs­ element zu versehen.

Karosserieholme sind in der Regel aus zwei Halbschalen hergestellt. Das Verfahren besteht darin, den vom aufzuschäumenden Material ummantelten Träger in die eine Halbschale einzulegen, wobei sich durch die gewählte Außenkontur der aufzuschäumenden Masse eine Lagefixierung ergibt. Dann wird der Karosserieholm durch die andere Schale geschlossen und die beiden Schalen miteinander verschweißt. Die Lagefixierung gewährleistet, dass der Karosserieholm frei bewegt werden kann, ohne dass sich das Verstärkungselement im Karosserieholm verschiebt oder verdreht.

Der so vorbereitete Karosserieholm wird Teil einer Fahrzeugkarosserie, die, nachdem sie vollständig aufgebaut ist, im Tauchverfahren beschichtet wird. Zum Trocknen und Aushärten der Beschichtung wird die Karosse­ rie in einen Ofen verbracht. Die dort herrschende Tempe­ ratur bewirkt, dass das Material aufschäumt und, wie oben erläutert, den Zwischenraum zwischen Träger und Karosse­ rieholm im gewünschten Maße ausfüllt. Dabei bildet der ausgehärtete Schaum eine widerstandsfähige Ummantelung des Trägers. Dadurch ergibt sich eine innige Verbindung zwischen dem Träger und dem Karosserieholm, der nun so­ wohl durch den vom Schaum fixierten Träger als auch durch den Schaum selbst versteift ist.

Ein mögliches Einsatzgebiet derartiger Ver­ stärkungselemente ist die Versteifung des Dachholms eines Fahrzeugs im Knoten zur B-Säule. Das Verstärkungselement wird in den Dachholm wie oben beschrieben oberhalb der B- Säule eingebracht, wobei die Enden des Verstärkungs­ elements, da es vorzugsweise etwas länger ist als die Breite der B-Säule, in die geschlossenen Bereiche des Dachholms hineinragen. Ein dort platziertes aufgeschäumtes Verstärkungselement zeigt das Ergebnis, dass die Eindringtiefe der B-Säule bei standardisierten Seitenaufprallversuchen gegenüber einem nicht versteiften Karosserieholm reduziert ist.

Prinzipiell können alle Bereiche der Karosserie versteift werden, die von einem Hohlkörper gebildet sind, so z. B. die Seitenschweller, die B-Säule und die Längs­ träger, die insbesondere gegen eine seitliche Belastung gesichert sein müssen, sowie alle Karosserieholme, bei denen die Neigung besteht, unter Belastung jedweder Art einzufallen oder einzuknicken. Denkbar wäre es auch, auf diese Weise die in Türen des Fahrzeuges eingelassene Ver­ stärkungsholme zu verstärken.

Im folgenden soll die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels, dargestellt in drei Figuren näher erläutert werden: Dazu zeigen:

Fig. 1 die innere Schale einer Fahrzeugsei­ tenwand mit einem eingelegten strang­ förmigen Verstärkungselement,

Fig. 2 ein in Querrichtung geschnittenes, strangförmiges Verstärkungselement zur Verdeutlichung seines Aufbaus und

Fig. 3 in einen durchgehenden Karosserieholm eingelegtes strangförmiges Verstär­ kungselement, wobei der Karosserie­ holm durch einige typische Quer­ schnitte dargestellt ist.

Zunächst wird auf die Fig. 1 Bezug genommen.

Diese zeigt die innere Schale 1 einer Fahrzeugseitenwand 2. Diese besteht im Wesentlichen aus einer schräg verlau­ fenden A-Säule 3, einen sich daran anschließenden hori­ zontal verlaufenden Dachholm 4, der an seinem hinteren Ende in eine schräg abfallende C-Säule 5 übergeht. A- Säule 3, Dachholm 4 und C-Säule 5 bilden einen durchge­ henden Fahrzeugkarosserieholm 6. Eine senkrecht verlau­ fende B-Säule 7 erstreckt sich vom Dachholm 4 zu einem an der Unterseite des Fahrzeuges verlaufenden Seitenholm 8. Die A-Säule 3 mit einer nicht dargestellten unteren Ver­ längerung, der Dachholm 4, die B-Säule 7 und der Seiten­ holm 8 bilden einen Türrahmen für die Fahrertür bzw. die Beifahrertür des Fahrzeuges.

Über die gesamte Länge des Karosserieholms 6 erstreckt sich ein strangförmiges Verstärkungselement 9. Es wird, wie die Fig. 1 zeigt, in eine entsprechende Ver­ tiefung des Fahrzeugkarosserieholms 6 in der Schale 1 eingelegt. Anschließend wird diese durch eine hier nicht dargestellte äußere Schale geschlossen, so dass der Ka­ rosserieholm 6 einen geschlossenen Querschnitt erhält.

Das Verstärkungselement 9 ist in Fig. 2 näher dargestellt. Es besteht aus einem Träger 10 in Form eines zentralen Rohrs 10' aus Kunststoff. Es weist eine gewisse Steifigkeit auf, ist aber gerade noch so weit biegbar, dass es in den geschwungen verlaufenden Karosserieholm 6 eingelegt werden kann. Um das Rohr 10' befindet sich eine aufschäumbare Masse 11 mit einer wellenförmigen Außenkon­ tur. Bei Temperatureinwirkung dehnt sich die Masse 11 aus und füllt den Spalt zwischen dem Rohr 10' und dem Ka­ rosserieholm 6 - je nachdem, welcher Karosserieholmquer­ schnitt vorliegt - entweder vollständig oder stegförmig aus.

Radial außen ist die Masse von einem dehnbaren dünnwandigen Schlauch 12' umgeben. Dieser bildet eine Se­ paratorschicht 12, die nach dem Aufschäumen der Masse 11 zwischen dieser und der Innenwand des Karosserieholms 6 liegt. Damit wird verhindert, dass die Masse 11 und der Karosserieholm 6 flächig miteinander verkleben. Beim Er­ kalten der aufgeschäumten Masse 11 zieht sich diese näm­ lich ein wenig zurück und könnte dabei Dellen in den Ka­ rosserieholm ziehen, wenn eine zu feste Klebeverbindung besteht. Der Schlauch weist Perforationen auf, damit es zumindest punktuell zu einer Klebeverbindung der aufge­ schäumten Masse 11 mit dem Karosserieholm 6 kommt, wo­ durch eine Versteifungsstruktur aufgebaut wird.

Fig. 3 zeigt schließlich ein strangförmiges Verstärkungselement 9 im Karosserieholm 6, wobei dieser der Übersicht halber nur in einzelnen Querschnitten dar­ gestellt ist. Am vorderen Ende ist ein Querschnitt durch die A-Säule 3 dargestellt. Der Innendurchmesser der A- Säule ist relativ klein. Als nächstes ist ein Querschnitt durch den vorderen Bereich des Dachholms 4 gezeigt; der Durchmesser ist hier schon ein wenig größer. Außerdem be­ steht eine offene Verbindung in dem vorderen Dachrahmen an der Oberseite der Windschutzscheibe. An dieser Stelle kann die Masse 11 ein wenig dicker ausgeführt werden, so dass diese beim Aufschäumen in den vorderen Dachholm quillt. Der Knoten gebildet vom Dachholm 4 und dem vorde­ ren Dachholm, der bei einer Frontalkollision zum Auskni­ cken neigt, wird dadurch besonders versteift.

Ähnliches gilt im Bereich des als nächstes dar­ gestellten Querschnitts im Bereich des Dachholms 4 im Übergang zur B-Säule 7. Auch hier kann die Masse 11 mit einer größeren Dicke ausgeführt werden, so dass ein Teil der aufschäumenden Masse 11 in die B-Säule 7 gelangt und den aus Dachholm 4 und B-Säule gebildeten Knoten ver­ steift. Dies ist besonders wichtig, da bei einem Seiten­ aufprall möglichst verhindert werden soll, dass die B- Säule in die Fahrgastzelle gedrückt wird. Es kommt daher darauf an, die B-Säule 7 möglichst steif mit dem Dachholm 4 und dem Seitenholm 8 zu verbinden.

Schließlich ist ein Querschnitt im Bereich der C-Säule dargestellt. Hier liegt ein besonders großer Querschnitt vor. Zwar wird an dieser Stelle eine größere Menge der Masse 11 benötigt. Da die Anforderung an die Steifigkeit der C-Säule 5 nicht so hoch ist, reicht es aus, wenn der Querschnitt lediglich stegförmig ausge­ steift wird.

Insgesamt wird aber in diesem Anwendungsbei­ spiel eine nach hinten, also zur C-Säule 5 hin größer werdende Menge von der Masse 11 benötigt, so dass das Rohr 10' mit einer Schicht der Masse 11 mit stetig größer werdender Dicke versehen ist.

Bezugszeichenliste

1

Schale

2

Fahrzeugseitenwand

3

A-Säule

4

Dachholm

5

C-Säule

6

Karosserieholm

7

B-Säule

8

Seitenholm

9

Verstärkungselement

10

Träger

10

' Rohr

11

Masse

12

Separatorschicht

12

' Schlauch

Claims (8)

1. Verstärkungselement für einen Hohlkörper, insbe­ sondere für einen Fahrzeugkarosserieholm (6), mit einem Träger (10) und einer damit verbundenen aufschäumbaren Masse (11), wobei das Verstärkungs­ element in den Hohlkörper einbringbar ist, die aufschäumbare Masse (11) den Träger (10) umgibt und in einer Menge vorliegt, die es erlaubt, den Spalt zwischen dem Träger (10) und dem Hohlkörper zumin­ dest in ein oder mehreren Abschnitten nahezu bzw. vollständig durch Aufschäumen der Masse (11) auszu­ füllen, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (10) und die aufschäumbare Masse (11) biegbar sind und dass das Verstärkungselement in Strängen zur Verfü­ gung gestellt ist.

2. Verstärkungselement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Träger (10) ein flexibles Rohr (10') ist.

3. Verstärkungselement nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die aufschäumbare Masse (11) un­ gleichmäßig längs des Rohrs (10') verteilt ist.

4. Verstärkungselement nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Masse (11) in einer wellenförmi­ gen Struktur längs des Rohrs (10') verteilt ist.

5. Verstärkungselement nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Masse (11) in Umfangsrichtung des Rohres (10') in einer wellenförmigen Struktur ange­ ordnet ist.

6. Verstärkungselement nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich an der Außenseite der Masse (11) eine Separatorschicht (12) befindet.

7. Verstärkungselement nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Separatorschicht (12) von einem Schlauch (12') gebildet ist.

8. Verstärkungselement nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Schlauch (12') Perforationen auf­ weist.