DE102004039700B4

DE102004039700B4 - Leichtbau-Bodenstruktur

Info

Publication number: DE102004039700B4
Application number: DE200410039700
Authority: DE
Inventors: Uwe Klaus Hotz
Original assignee: KWH AUTOMOBILTECHNIK GmbH
Current assignee: KWH AUTOMOBILTECHNIK GmbH
Priority date: 2004-08-14
Filing date: 2004-08-14
Publication date: 2009-10-22
Anticipated expiration: 2024-08-15
Also published as: DE102004039700A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Fahrzeugtunnels aus einem Vormaterial, das zwei Deckbleche mit einer Dicke zwischen 0,5 Millimetern und 1,5 Millimetern umfasst, die eine Kernschicht mit einer Dicke zwischen einem Zwanzigstel und einem Zehntel der Dicke der Deckbleche begrenzen,
– wobei die Deckbleche aus einer Aluminiumlegierung bestehen,
– wobei die Kernschicht ein Pulver einer Aluminiumlegierung und ein pulverförmiges Schäummittel umfasst,
– wobei dieses Vormaterial entweder zuerst mittels eines Umformverfahrens verformt und dann die Kernschicht aufgeschäumt wird oder zuerst die Kernschicht aufgeschäumt und dann das Ganze mittels eines Umformverfahrens verformt wird,
– wobei die Dicke der Kernschicht nach dem Aufschäumen zwischen 4 Millimetern und 15 Millimetern beträgt und
– wobei zumindest der zur Längsrichtung des Fahrzeugtunnels parallele Rand des Fahrzeugtunnels flachgedrückt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leichtbaustruktur im Kraftfahrzeug.
Stand der Technik und Fundstellen:
Insbesondere Personenkraftwagen sind im Bodenbereich in Form eines Tunnels ausgestaltet.
Dem Bereich des Fahrzeugtunnels kommen verschiedenste Aufgaben zu:

– Aufnahme der Abgasanlage und ggf. der Kardanwelle, die zur Vermeidung von Beschädigungen und Luftverwirbelungen nicht aus dem lichten Fahrzeugboden herausragend sollen
– Isolation des Fahrzeuginnenraums gegen Wärmestrahlung und Wärmekonvektion der Abgasanlage
– Schalldämmung gegenüber Sekundärluftschallabstrahlung der Abgasanlage
– Aufnahme von Kräften beim Unfall durch Seitenaufprall
– Versteifung der Karosserie gegen die Farhrdynamik unerwünscht beeinflussende Verwindungen

Einen Schnitt durch einen beispielhaften Tunnel im gegenwärtigen Stand der Technik zeigt schematisiert 1. Dieser Tunnel hat die Aufgabe, wesentliche Funktionselemente des Fahrzeugs aufzunehmen, insbesondere in jedem Pkw mit Verbrennungsmotor die Abgasanlage (5), bestehend aus Rohren und Schalldämpfern, sowie bei Fahrzeugen mit Hinterrad- oder Allradantrieb die Kardanwelle.
Im gegenwärtigen Stand der Technik gibt es im Wesentlichen unterschiedliche Bauteile im Bereich des Fahrzeugtunnels, die diese Aufgaben einzeln oder gemeinsam übernehmen:

– der karosseriefeste Tunnel selbst (2.1, 2.2), zumeist bestehend aus Stahlblech oder Aluminiumblech, zur Formgebung und Aufnahme der Bauteile. Dieser ist oft aus einzelnen verbundenen Blechteilen zusammengesetzt, z. B. der Tunnel selbst (2.1) und ein Schließblech (2.2).
– separat befestigte Hitzeschilder (3), zumeist bestehend aus genoppptem Aluminiumblech zur Abschirmung gegen Strahlungswärme
– eingeklebte Dämmmatten (1) im Innern des Fahrzeugs zur Schalldämmung und zur Wärmedämmung gegenüber Wärmeleitung
– separat befestigte Querträger oder Verstärkungen (4) zur Versteifung der Karosserie und Aufnahme von Querkräften beim Crash

Aus der EP 0 823 365 A3 ist eine Tunnelstruktur aus einem durch Innenhochdruck umgeformten Hohlkörper bekannt. Diese löst das Festigkeitsproblem, hat jedoch keine ausreichenden akustischen und thermischen Isolationseigenschaften. Ähnliches gilt für DE 195 43 404 A1 .
Einen anderen Weg zur Erhöhung der Festigkeit beschreitet die DE 199 42 383 A1 durch Einsatz eines wölbstrukturierten Bleches. Auch bei dieser Konstruktion sind für die akustische und thermische Dämmung zusätzliche Bauteile erforderlich.
Weitere Veröffentlichungen wie z. B. JP 2003081138 A sowie US 2001/0026083 A1 beziehen sich ebenfalls ausschließlich auf die mechanischen Festigkeitseigenschaften des Tunnels.
Es ist bekannt, daß Leichtmetallschaum-Strukturen hohe Festigkeitseigenschaften bei geringem Gewicht besitzen. Ebenso können hohe Verformungsenergien aufgenommen werden. Diese beiden Eigenschaften macht sich die DE 197 49 294 bei einer Fahrzeugrückwand zu Nutze. Nachteilig sind die hohen Kosten gegenüber einem vergleichbaren Bauteil aus Stahl. Einen anderen Anwendungsfall mit diesen Eigenschaften kennt man aus der EP 1 109 697 B1 , wo ein Kraftfahrzeugsitz unter Verwendung von Aluminiumschaum beschrieben wird.
Bisheriger Einsatz von Metallschaum-Sandwich-Strukturen scheiterte trotz möglicher Gewichtsreduzierung oft an den hohen Materialkosten des Sandwichmaterials im Vergleich zu konventionellen Materialien und Konstruktionen.
Stand der Technik:
Aus der DE 197 38 833 A1 und aus der EP 0 930 221 A2 sind Fahrzeugbodenteile bekannt, bei denen zwischen zwei Deckblechen ein angepasster Kern aus Aluminiumschaum eingeklebt ist.
Die DE 10 2004 002 276 A1 offenbart ein Karosseriebauteil mit zwei Deckblechen und einem dazwischen angeordneten Versteifungsblech, wobei die entstehenden Hohlräume nachträglich mit Metallschaum ausgeschäumt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch ein möglichst kompaktes, einzelnes Bauteil, sämtliche beschriebenen Aufgaben eines Fahrzeugtunnels zu übernehmen, darüberhinaus weitere technische Vorzüge zu erreichen, und eine Kostenneutralität oder eine Kosteneinsparung gegenüber dem Stand der Technik zu erreichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Eine Metallschaum-Sandwich-Struktur wird durch ein nachfolgend beschriebenes Verfahren in Form eines Tunnels ausgebildet. Hierzu sind im Wesentlichen die folgenden Schritte notwendig:
Möglichkeit 1:

1. Verformung eines Aluminiumschaum-Sandwich-Vormaterials (Blech mit zwei Decklagen und nicht aufgeschäumter Kernlage) durch konventionelle Umformtechnik
2. Aufschäumen des verformten Blechs zu einem Sandwich
3. Kalibrierung und Randverschluß

Möglichkeit 2:

1. Verformung eines aufgeschäumten Aluminiumschaum-Sandwichs (Blech mit zwei Decklagen und aufgeschäumter Kernlage) durch Kalt- oder Warm-Umformtechnik
2. ggf. Kalibrierung und Randverschluß

Die Verbindung des Tunnels mit der Fahrzeugkarosserie erfolgt mit den gängigen Verfahren im Stand der Technik (Schweißen, Kleben, Nieten, Schrauben, etc.). Die hierbei notwendigen Parameter liegen im Rahmen der für Karosseriebleche üblichen Standards, da die Decklagen die Funktion der Festigkeit bei der Verbindung übernehmen.
Verfahren zur Herstellung der Sandwichstruktur sind beschrieben durch verschiedene Hersteller. Ein Beispiel ist der Artikel ”Aluminium Foam Sandwich (AFS) Ready for Market Introduction”, erschienen in Advanced engineering materials, Weinheim 2004, 6, No. 6, Seiten 1–4. Der Prozess steht für ausreichende Mengen und mit ausreichender Qualität zur Verfügung.
Die Vorzüge gegenüber dem Stand der Technik sind vielgestaltig, im wesentlichen jedoch zu charakterisieren durch:

1. Einsparung zusätzlicher Aluminium-Hitzeschilder hinsichtlich Produktkosten, Entwicklungskosten, Werkzeugkosten, Bauraum, und deren Montage. Der Sandwichtunnel übernimmt die Funktion der Reflektion von Strahlungswärme in gleichem Maße wie die Hitzeschilder, ohne deren Problematik der Klapperneigung zu besitzen. Es wird Bauraum eingespart, denn beim konventionellen Fahrzeugboden muß sowohl einen konstruktiver Mindestabstand zwischen Hitzeschild und Boden, als auch zwischen Abgasanlage und Hitzeschild vorgesehen werden.
2. Einsparung zusätzlicher Querträger hinsichtlich Produktkosten, Entwicklungskosten, Werkzeugkosten, Bauraum, und deren Montage. Der Sandwichtunnel ist in sich verwindungssteif und kann Querkräfte in hohem Maße aufnehmen. Im Falle eines Seitencrash wird eine verbesserte Energieabsorption ermöglicht. Durch den Entfall der Querträger entfallen mehrere Arbeitsgänge beim Einbau der Abgasanlage im Fahrzeugwerk und beim Austausch der Abgasanlage in der Werkstatt. Hierdurch wird die Servicefreundlichkeit verbessert. Ebenso wird die Aerodynamik im Bereich des Bodens durch den Entfall der Verwirbelung an den Querträgern verbessert.
3. Zumindest teilweise Einsparung innenliegender Dämmmatten hinsichtlich Produktkosten, Entwicklungskosten, Werkzeugkosten, Bauraum, und deren Montage Der Sandwichtunnel weist aufgrund der im Wesentlichen aus eingeschlossenen Luftblasen bestehenden Innenschicht eine hervorragende Wärmedämmung und eine gute Schalldämmung auf. Die Wärmeleitfähigkeit beträgt nur 1/6 der Wärmeleitfähigkeit von Stahlblech, bzw. nur 1/25 der Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumblech.
4. Hundertprozentige Recyclingfähigkeit ist gegeben, da der Sandwichtunnel nur aus einer Aluminiumlegierung besteht. Eine Zerlegung und Trennung der Materialien wie beim herkömmlichen Tunnel (Hitzeschild, Dämmung, etc.) entfällt.
5. Der Tunnel ist nicht brennbar und vermeidet dadurch das Risiko eines Brandes von Dämm-Matten mit der entsprechenden Gefährdung der Insassen, sowie der Freisetzung von Schadstoffen
6. Die Vereinfachung der Konstruktion erlaubt eine einfachere Gestaltung und bessere Nutzung des vorhandenen Bauraums.

Zweckmäßige Ausgestaltungen sind durch die gängigen Konstruktions- und Simulationsverfahren zu ermitteln. Dies hat üblicherweise in der Phase der Fahrzeugneukonstruktion zu erfolgen, da ein wesentlicher Eingriff in die Struktur des gesamten Fahrzeugs eine nachträgliche Änderung praktisch unmöglich macht.
Insbesondere eignet sich zur erfindungsgemäßen Ausgestaltung ein Aluminium-Schaum-Sandwich. Dieses besteht aus je einer beiderseitigen Deckschicht aus Aluminiumblech, insbesondere der Legierungen der Gruppen 5xxx oder 6xxx, die im Fahrzeugbau standardmäßig verwendet werden, und einem Aluminium-Schaum-Kern.
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
Ein Ausführungspeispiel ist in 2 dargestellt.
Eine Metallschaum-Sandwichstruktur, in diesem Falle aus Aluminium Deckblechen und Aluminium-Schaum-Kern ist in platzsparender abgerundeter Kontur als Tunnel ausgeformt. Die Deckbleche bestehen aus Aluminiumblech der Legierungsgruppen 5xxx oder 6xxx, wie sie standardmäßig im Karosseriebau eingesetzt werden. Die Dicke und der Abstand dieser Bleche, der durch den Schaumkern erzeugt wird, bestimmen im Wesentlichen die Biegefestigkeit der Struktur. Typische Dicken für die Deckbleche liegen bei 0,5 mm bis 1,5 mm. Das verwendete Vormaterial besteht aus 2 Deckblechen, die über eine Kernschicht geringer Dicke (1/10 bis 1/20 der Dicke der Deckbleche) metallisch verbunden sind. Die Kernschicht besteht im Wesentlichen aus Aluminium-Pulver einer wählbaren Legierung sowie einem Schäummittel, ebenfalls in Pulverform. Der augeschäumte Aluminiumschaum-Kern ensteht in einem speziellen Ofen. Das Schäummittel setzt ab einer bestimmten Temperatur Gase frei, beispielsweise H₂, die zusammen mit der Verflüssigung der Legierung zu einer Blasenbildung führen. Dieses Aufschäumen kann vor oder nach der Verformung erfolgen.
Im aufgeschäumten Zustand wird ein Dickenbereich der Kernschicht von ca. 4 mm bis ca. 15 mm erreicht.
Ein beispielhafter Prozeß besteht aus der Verformung des unaufgeschäumten Basismaterials in einer Transferpresse über ggf. mehrere Stufen. Danach erfolgt in einem speziellen Gestell eine Aufheizung des vorgeformten Bauteils nach einem bestimmten Temperaturprofil. Insbesondere ist die Homogenität der Temperatur auf dem Bauteil entscheidend für die Produktqualität. In oder nach der Abkühlphase erfolgt ein Kalibrierschritt, falls notwendig wird der Rand umlaufend flachgedrückt sowie der Randbeschnitt durchgeführt. Für diese Schritte wird vorteilhaft ebenfalls eine Transferpresse eingesetzt.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Fahrzeugtunnels aus einem Vormaterial, das zwei Deckbleche mit einer Dicke zwischen 0,5 Millimetern und 1,5 Millimetern umfasst, die eine Kernschicht mit einer Dicke zwischen einem Zwanzigstel und einem Zehntel der Dicke der Deckbleche begrenzen, – wobei die Deckbleche aus einer Aluminiumlegierung bestehen, – wobei die Kernschicht ein Pulver einer Aluminiumlegierung und ein pulverförmiges Schäummittel umfasst, – wobei dieses Vormaterial entweder zuerst mittels eines Umformverfahrens verformt und dann die Kernschicht aufgeschäumt wird oder zuerst die Kernschicht aufgeschäumt und dann das Ganze mittels eines Umformverfahrens verformt wird, – wobei die Dicke der Kernschicht nach dem Aufschäumen zwischen 4 Millimetern und 15 Millimetern beträgt und – wobei zumindest der zur Längsrichtung des Fahrzeugtunnels parallele Rand des Fahrzeugtunnels flachgedrückt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand des aufgeschäumten und verformten Fahrzeugtunnels verschlossen wird.