DE102004052668A1

DE102004052668A1 - Bauteileverbund, insbesondere Karosserie eines Personenkraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE102004052668A1
Application number: DE200410052668
Authority: DE
Inventors: Georg Schmid; Harald Kudliczka; Heiko Wetter; Boris Stirn
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2024-10-30
Also published as: DE102004052668B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Bauteileverbund (1), bestehend aus mindestens einem ersten Element (3-8) aus einem metallischen Werkstoff und mindestens einem daran befestigten zweiten, großflächigen Element (11-16) aus einem nichtmetallischen Werkstoff mittels eines randseitigen Flansches (17) des zweiten Elementes (11-16), dessen Werkstoffeigenschaften an die des ersten Elementes (3-8) angepasst sind. DOLLAR A Damit die verwendeten Elemente mit Rücksicht auf die an sie gestellten festigkeitsmäßigen Anforderungen ausgewählt werden können, ohne das Auftreten innerer Spannungen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten befürchten zu müssen ist vorgesehen, dass der Flansch (17) ebenfalls aus einem metallischen Werkstoff besteht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Bauteileverbund, insbesondere Karosserie eines Personenkraftfahrzeuges, bestehend aus mindestens einem ersten Element aus einem metallischem Werkstoff und mindestens einem daran befestigten zweiten, großflächigen Element aus einem nichtmetallischem Werkstoff mittels eines randseitigen Flansches des zweiten Elementes, dessen Werkstoffeigenschaften an die des ersten Elementes angepasst sind.

Üblicher Weise bestanden in der Vergangenheit z. B. tragende Bauteileverbunde im Fahrzeugbau und bei anderweitigen Industrieanwendungen aus Metallen. Allerdings kamen bereits relativ frühzeitig Metall- Kunststoffverbunde zum Einsatz. So ist durch die DE 30 00 666 A1 ein Verfahren zum Herstellen einer Fahrzeugkarosserie sowie eine nach dem Verfahren hergestellte Fahrzeugkarosserie bekannt geworden, wobei ein Kofferraumboden als Kunststoffformteil hergestellt wird, welches im Wesentlichen von Aufbauteilen der Karosserie umschlossen ist, in diese eingesetzt und mit diesen verbunden wird. Für eine randseitige Verbindung ist der Boden zur flächigen Anlage an den umgebenden Aufbauteilen mit Randflanschen versehen.

Einen in soweit vergleichbaren Aufbau einer Fahrzeugkarosserie zeigt des weiteren die DE 29 23 874 C2 . Ein komplett aus Kunststoff bestehender Boden, der drüber hinaus mit Einbauten der Innenausstattung versehen ist, wird als so gebildete vormontierte Baugruppe nach Lackierung mit den metallischen Rahmenteilen der Fahrzeugkarosserie verbunden. Die Verbindung erfolgt vorzugsweise durch Klebung.

Ungeachtet der mit einem solchen Verbund von Metall- und Kunststoffstrukturen einhergehenden Vorteile hinsichtlich Gewichtsersparnis, erhöhte Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften u.s.w. sind jedoch die Unterschiede der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Kunststoffe und Metalle von Nachteil. Diese verursachen bei der Verarbeitung und bei Verwendung in Metall- Kunststoffverbunden, insbesondere wenn sie in einem großen Temperaturbereich eingesetzt werden, innere Spannungen und Verzug, die eine niedrigere mechanische Belastbarkeit und eine raschere Materialermüdung zur Folge haben.

Mit dieser Thematik befasst sich beispielsweise die DE 100 02 642 A1 , die einen Metall- und Kunststoffverbund aus langfaserverstärkten Thermoplasten beschreibt, wobei die verwendeten Kunststoffstrukturen ähnliche thermische Ausdehnungskoeffizienten wie die verwendeten Metalle besitzen und deren Festigkeiten und Steifigkeiten über denjenigen reiner Metallstrukturen liegt.

Dem Zielkonflikt der Angleichung von linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten einerseits und Erfüllung bestimmter Festigkeitskriterien der einzelnen Elemente eines dreidimensional geformten Bauteiles andererseits widmet sich die gattungsgemäße DE 102 38 669 A1 . Darin wird ein dreidimensional geformtes Bauteil, insbesondere Kraftfahrzeug- Karosseriebauteil, bestehend aus einem ersten Element aus einem metallischem Werkstoff und einem randseitig daran befestigten zweiten Element aus einem nichtmetallischem Werkstoff beschrieben, wobei das zweite Element entlang der randseitigen Verbindung einen an den Wärmeausdehnungskoeffizienten des ersten Ele mentes angepassten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist und im Übrigen einen davon abweichenden Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt. Bei einem verwendeten großflächigen Faserverbundteil werden unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten durch unterschiedlich gestaltete Faserverlaufwinkel erreicht. Die Unterschiedlichkeit des Faserverlaufwinkels kann auch dadurch erreicht werden, dass das großflächige Faserverbundteil zweigeteilt ist, und dabei einen streifenförmigen Randbereich aufweist, der über ein Einlegeteil mit dem eigentlichen Faserverbundteil verbunden ist.

Einen etwas anderen Weg geht die DE 196 08 127 C2 , bei der eine gesamte Kraftfahrzeug- Bodengruppe mit Abgastunnel, Schwellern, Pedalboden, Sitzboden und kofferraumseitige Abschlusswand aus einem einzigen dreidimensional geformten Faserverbundbauteil besteht. In diesem Dokument wird ein Verfahren zum Herstellen eines solchen dreidimensional geformten Faserverbundbauteiles, bestehend aus einer in den Bereichen erhöhter Belastung örtlich verstärkten Grundstruktur aus übereinander liegenden Langfaserlagen, beschrieben, die zu einem Faserhalbzeug miteinander vernäht und anschließend in einem Pressformwerkzeug unter Druck- und Wärmeeinwirkung zum fertigen Faserverbundteil konsolidiert werden. Dabei werden die Langfaserlagen in unverformtem Zustand mit örtlichen Verstärkungsteilen, z. B. aus Metall, versehen und gemeinsam mit diesen zu einem planaren integralen Faserhalbzeug vernäht und anschließend wird das Faserhalbzeug als Ganzes in dem Pressformwerkzeug in die dreidimensionale Bauteilgeometrie umgeformt.

Ausgehend von dem gattungsgemäßen dreidimensional geformten Bauteil liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine weitere Möglichkeit aufzuzeigen, damit ein Bauteileverbund so gestaltet werden kann, dass das Auftreten innerer Spannungen und Verzug aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten verhindert oder doch zumindest weitgehend vermieden wird, während dennoch die verwendeten Elemente mit Rücksicht auf die an sie gestellten festigkeitsmäßigen Anforderungen ausgewählt werden können.

Die erfindungsgemäße Lösung ist in Patentanspruch 1 zu sehen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung näher beschrieben. Dabei zeigen
1 eine Metall- Rahmenstruktur eines Personenkraftfahrzeuges mit einem Bodenbereich aus Elementen nichtmetallischen Werkstoffes,
2 die einzelnen Bestandteile eines Elementes aus einem nichtmetallischen Werkstoff, einschließlich eines damit verbundenen randseitigen Flansches und
3 eine abschnittsweise Darstellung eines randseitigen Bereiches des Elementes aus einem nichtmetallischen Werkstoff
Aus 1 geht in einer vereinfachten perspektivischen Darstellung die tragende Struktur einer Karosserie 1 eines Personenkraftfahrzeuges hervor. Sie besteht aus einer Vielzahl auf unterschiedliche Weise gestaltete und geformte Profile, auch Hohlprofile, die nach unterschiedlichen Herstellungsmethoden fertiggestellt sein können und an Knotenstellen miteinander verbunden sind. Auch ein Fahrzeugboden 2 setzt sich als tragende Struktur aus miteinander verbundenen Profilen 3, 4, 5, 6, 7, 8 zusammen, die untereinander oder an seitlichen Schwellern 9, 10 verbunden sind und im Wesentlichen in Fahrtrichtung oder quer dazu gerichtet verlaufen.
Durch Beplankung der Profile 3-8 des Fahrzeugbodens 2 mit einzelnen großflächigen Elementen 11, 12, 13, 14, 15, 16 aus einem nichtmetallischen Werkstoff entsteht eine fertige Bodenstruktur. Selbstverständlich könnten auch andere Karosseriebereiche entsprechend beplankt werden. Bei dem nichtmetallischen Werkstoff kann es sich um einen Faserverbund aus einer Anzahl übereinanderliegender, textiler Gewebezuschnitte mit enthaltenen Fasern handeln. Aus Festigkeits- und Gewichtsgründen können die Gewebelagen z. B. aus Karbonfasern hergestellt sein, denen in bestimmten Bereichen, wo ein örtlich erhöhtes Elastizitäts- oder Stoßabsorptionsverhalten gefordert wird, Glas- bzw. Aramidfaseranteile zugemischt werden. Bezüglich näherer Einzelheiten zu Aufbau und Herstellung des Faserverbundwerkstoffes kann auf die Ausführungen in der eingangs bereits erwähnten DE 102 38 669 A1 , wie auch auf die DE 196 08 127 C2 verwiesen werden.
Zum Zwecke der randseitigen Verbindung mit den jeweils zugeordneten Profilen 3-8 ist jedes Element 11-16 mit einem randseitigen, z. B. umlaufenden Flansch 17 aus einem metallischen Werkstoff versehen, wobei der Werkstoff des Flansches 17 zweckmäßigerweise dem des zugeordneten Profils 3-8 entsprechen sollte und die Verbindung entsprechend der konventionellen, bekannten Fügetechniken (z. B. Schweißen, Nieten, Kleben u.s.w.) gewählt werden kann.
Die Anbindung des Flansches 17 an das großflächige Element 11 kann wie in 2 dargestellt erfolgen. Dazu besteht das Element 11 beispielsweise aus einer Anzahl von übereinandergelegten textilen Gewebezuschnitten 18, 19, die gleiche oder unterschiedliche Faserorientierung besitzen können. Zwischen die Gewebezuschnitte 18, 19 ist randseitig ein den Flansch 17 bildender Rahmen eingelegt, der im Überlappungsbereich mit den Gewebezuschnitten 18, 19 mit einem Lochmuster 20 ausgestattet ist. Das so aufgebaute Gebilde wird anschließend , wie ebenfalls in 3 dargestellt, maschinell unter Einsatz eines geeigneten Fadens 21 zu einem integralen Faserhalbzeug vernäht. Dadurch sind die einzelnen Gewebezuschnitte 18, 19 und der Flansch 17 zueinander bzw. in ihrer Fassorientierung sicher fixiert, so dass sich dieses Faserhalbzeug als Ganzes ohne die Gefahr störender Faserverschiebungen oder anderer Fehlorientierungen problemlos transportieren, lagern, gegebenenfalls umformen und schließlich konsolidieren lässt. Hierzu wird ein geeignetes Matrixsystem (z. B. Matrix PA6) verwendet, welches dem Faserhalbzeug in geeigneter Weise beigegeben wird. Nach der Endbearbeitung in einem Pressformwerkzeug ist der Flansch 17 zumindest bereichsweise in das Matrixsystem eingebettet. Dadurch wird in vorteilhafter Weise die Verbindungszone mediendicht umschlossen, wodurch eine Kontaktkorrosion zwischen Fasern und Metall vermieden wird.
Der erfindungsgemäße Bauteileverbund ist vielseitig anwendbar. Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Fahrzeugtechnik, aber auch andere Industriezweige, wie beispielsweise die Luftfahrt, sind geeignete Einsatzmöglichkeiten.

Claims

Bauteileverbund, insbesondere Karosserie eines Personenkraftfahrzeuges, bestehend aus mindestens einem ersten Element aus einem metallischem Werkstoff und mindestens einem daran befestigten zweiten, großflächigen Element aus einem nichtmetallischem Werkstoff mittels eines randseitigen Flansches des zweiten Elementes, dessen Werkstoffeigenschaften an die des ersten Elementes angepasst sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (17) ebenfalls aus einem metallischen Werkstoff besteht.
Bauteileverbund nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite, großflächige Element (11-16) von einem Gewebezuschnitt mit randseitigem metallischen Rahmen als Flansch (17) gebildet wird und die Verbindung durch Vernähen erfolgt.
Bauteileverbund nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (17) zwischen einzelne, in ein Matrixsystem eingebettete Gewebezuschnitte (18, 19) eingelegt ist.
Bauteileverbund nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (17) aus dem gleichen Werkstoff besteht wie das erste Element (3-8).