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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verstärkungselement für einen Hohlkörper, insbesondere für einen Fahrzeugkarosserieholm gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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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 Verwindungssteifigkeit 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 Überlebensraum verbleibt. Kritisch ist hier insbesondere der Bereich der B-Säule und dessen Anbindung an den Dachholm und den unteren Seitenholm. Es wurden schon die unterschiedlichsten Vorschläge unterbreitet, um mit einfachen Mitteln bei einer Seitenkollision Intrusionen der Seitenwand in die Fahrgastzelle zu unterbinden.
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Aus der
DE 198 58 903 A1 ist ein solches Verstärkungselement 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.
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Aus der
EP 0 893 332 A1 ist ein Verstärkungselement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Bei diesem Verstärkungselement sind der Träger und die aufschäumbare Masse flexibel ausgebildet, um das Verstärkungselement auch in schwer zugängliche Bereiche des Hohlkörpers einschieben zu können.
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Aus der
EP 1 006 022 A2 ist ein weiteres Verstärkungselement bekannt. Das Verstärkungselement besitzt dabei keinen Träger, sondern besteht aus einer Vielzahl von miteinander verbundenen Elementen aus einer aufschäumbaren Masse. Um ein schnelles und gleichmäßiges Erwärmen und Aufschäumen des Verstärkungselements zu erreichen, sind die einzelnen Elemente durch Zwischenräume voneinander getrennt.
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Aus der
DE 198 12 288 C1 ist ein Verstärkungselement mit einem innen liegenden Träger und einer darauf angeordneten Schicht aus aufschäumbaren Masse bekannt. Die Menge der aufschäumbaren Masse ist dabei so an die Größe des Hohlkörpers angepasst, dass dieser beim Aufschäumen voll ausgefüllt wird. Bei entsprechend großen Hohlräumen ist somit entweder eine große Menge an aufschäumbarer Masse erforderlich oder es muss die Form des Trägers an die Größe des Hohlraums angepasst werden.
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Die Erfindung beruht somit auf der Aufgabe, das Verstärkungselement so weiter zu gestalten, dass es unabhängig von den Gegebenheiten des Hohlkörpers, in denen es eingesetzt werden soll, genutzt werden kann.
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Dazu schlägt die Erfindung ein Verstärkungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vor.
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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.
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Des Weiteren ist die Menge der auf den Träger aufgebrachten Masse auf den Spalt zwischen Träger und Karosserieholm abzustimmen. Um hier einen weiten Bereich von Querschnittsgrößen abdecken zu können, wird vorgeschlagen, die Masse ungleichmäßig auf dem Träger zu verteilen, so dass bei engen Spalten die Menge ausreicht, den Spalt vollständig zu füllen und bei größeren Querschnitten eine vollständige Ausfüllung des Querschnittes nur in den Bereichen erfolgt, in denen die Masse am Träger konzentriert ist. Am einfachsten wird es sicherlich sein, die Masse wellenartig längs des Trägers zu verteilen. Auf diese Weise kann ein bestimmtes strangförmiges vorliegendes Verstärkungselement für einen weiten Einsatzbereich eingesetzt werden. Insbesondere kommt es nicht darauf an, wie lang der Karosserieholm ist, der auszufüllen ist und welchen Querschnitt er aufweist.
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Ein ähnlicher Effekt wird erreicht, wenn die Masse in Umfangsrichtung des Trägers eine wellenförmige Außenkontur aufweist. Für den Fall, dass der Innendurchmesser des Hohlkörpers nur wenig größer ist als das Verstärkungselement im Ursprungszustand, wird die aufgeschäumte Masse den Spalt zwischen dem Träger und dem Hohlkörper vollständig ausfüllen. Sollte der Innendurchmesser deutlich größer sein, werden beim Aufschäumen in den Bereichen der Wellenberge zwischen dem Träger und der Innenwand des Hohlkörpers Stege entstehen, die den Träger im Hohlkörper halten und gleichzeitig diesen wabenförmig aussteifen.
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Durch die Ausbildung der aufschäumbaren Masse in einer wellenförmigen Struktur mit unterschiedlichen Schichtdicken ist eine Verwendung bei Hohlkörpern mit unterschiedlichen und variierenden Querschnittsgrößen möglich, ohne dass eine aufwändige Anpassung des Trägers an den Hohlkörper erforderlich ist.
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Vorzugsweise besteht ein Strang des Verstärkungselements 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. Um, wie oben schon erläutert worden ist, eine Anpassung an unterschiedliche Querschnitte zu gewährleisten, besitzt die aufschäumbare Masse eine wellenförmige Struktur mit unterschiedlichen Schichtdicken in Längs- und/oder in Umfangsrichtung des Trägers. 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 möglicherweise auch speziell angepasste Verstärkungselemente einsetzen müssen, wobei die Schichtdicke der Masse mit dem Querschnitt variiert.
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Die aufschäumbare Masse kann mit einer Separatorschicht, 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 ausgeschäumten Hohlkörpers erfolgt. Es hat sich nämlich gezeigt, dass nach dem Erkalten der Masse sich diese zusammenzieht, wobei das Blech des Hohlkörpers nach innen gezogen wird und hierdurch Dellen entstehen können. Da aber aus Festigkeitsgründen jedoch teilweise eine Verbindung zwischen der aufgeschäumten Masse und dem Hohlträger notwendig ist, kann diese Separatorschicht mit Unterbrechungen versehen sein.
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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 Materialkosten gering hält.
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Dabei hat der Schaum nicht nur die Aufgabe, den Träger bzw. das Rohr im Hohlkörper zu positionieren, sondern trägt vielmehr selbst zur Verstärkung des Hohlkörpers bei. Die Wirkungen treten um so deutlicher zutage, je größer die Abschnitte des Spaltes sind, die mit aufgeschäumtem Material ausgefüllt sind. Daher sollten zumindest 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.
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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-Verbindung behandelte feste Zusammensetzung auf Epoxidbasis, der verschiedene Modifizierer, insbesondere Copolymere auf Äthylen-Basis zugesetzt sind. In dem Material befindet sich weiterhin eine Verbindung, die bei einer Erwärmung Stickstoff freigibt.
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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.
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Das Material hat die Eigenschaft, bei Hitzeeinwirkung (ca. 150°C) aufzuschäumen und auszuhärten. Es entsteht ein Schaum mit geschlossenen Zellen, in denen sich der freigesetzte Stickstoff befindet. Dies ermöglicht es, insbesondere im Bereich des Karosseriebaus das folgende Verfahren anzuwenden, um einen Hohlkörper bzw. einen Karosserieholm mit einem derartigen Verstärkungselement zu versehen.
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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.
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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 Karosserie in einen Ofen verbracht. Die dort herrschende Temperatur bewirkt, dass das Material aufschäumt und, wie oben erläutert, den Zwischenraum zwischen Träger und Karosserieholm 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 sowohl durch den vom Schaum fixierten Träger als auch durch den Schaum selbst versteift ist.
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Ein mögliches Einsatzgebiet derartiger Verstärkungselemente 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 Verstärkungselements, 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.
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Prinzipiell können alle Bereiche der Karosserie versteift werden, die von einem Hohlkörper gebildet sind, so z. B. die Seitenschweller, die B-Säule und die Längsträger, 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 Verstärkungsholme zu verstärken.
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Im folgenden soll die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels, dargestellt in drei Figuren näher erläutert werden: Dazu zeigen:
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1 die innere Schale einer Fahrzeugseitenwand mit einem eingelegten strangförmigen Verstärkungselement,
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2 ein in Querrichtung geschnittenes, strangförmiges Verstärkungselement zur Verdeutlichung seines Aufbaus und
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3 in einen durchgehenden Karosserieholm eingelegtes strangförmiges Verstärkungselement, wobei der Karosserieholm durch einige typische Querschnitte dargestellt ist.
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Zunächst wird auf die 1 Bezug genommen. Diese zeigt die innere Schale 1 einer Fahrzeugseitenwand 2. Diese besteht im Wesentlichen aus einer schräg verlaufenden A-Säule 3, einen sich daran anschließenden horizontal 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 durchgehenden Fahrzeugkarosserieholm 6. Eine senkrecht verlaufende 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 Verlängerung, der Dachholm 4, die B-Säule 7 und der Seitenholm 8 bilden einen Türrahmen für die Fahrertür bzw. die Beifahrertür des Fahrzeuges.
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Über die gesamte Länge des Karosserieholms 6 erstreckt sich ein strangförmiges Verstärkungselement 9. Es wird, wie die 1 zeigt, in eine entsprechende Vertiefung des Fahrzeugkarosserieholms 6 in der Schale 1 eingelegt. Anschließend wird diese durch eine hier nicht dargestellte äußere Schale geschlossen, so dass der Karosserieholm 6 einen geschlossenen Querschnitt erhält.
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Das Verstärkungselement 9 ist in 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 Außenkontur. Bei Temperatureinwirkung dehnt sich die Masse 11 aus und füllt den Spalt zwischen dem Rohr 10' und dem Karosserieholm 6 – je nachdem, welcher Karosserieholmquerschnitt vorliegt – entweder vollständig oder stegförmig aus.
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Radial außen ist die Masse von einem dehnbaren dünnwandigen Schlauch 12' umgeben. Dieser bildet eine Separatorschicht 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 Erkalten der aufgeschäumten Masse 11 zieht sich diese nämlich ein wenig zurück und könnte dabei Dellen in den Karosserieholm ziehen, wenn eine zu feste Klebeverbindung besteht. Der Schlauch weist Perforationen auf, damit es zumindest punktuell zu einer Klebeverbindung der aufgeschäumten Masse 11 mit dem Karosserieholm 6 kommt, wodurch eine Versteifungsstruktur aufgebaut wird.
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3 zeigt schließlich ein strangförmiges Verstärkungselement 9 im Karosserieholm 6, wobei dieser der Übersicht halber nur in einzelnen Querschnitten dargestellt 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 besteht 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 vorderen Dachholm, der bei einer Frontalkollision zum Ausknicken neigt, wird dadurch besonders versteift.
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Ähnliches gilt im Bereich des als nächstes dargestellten 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 versteift. Dies ist besonders wichtig, da bei einem Seitenaufprall 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.
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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 ausgesteift wird.
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Insgesamt wird aber in diesem Anwendungsbeispiel 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.
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Bezugszeichenliste
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- 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
