DE102007010341A1

DE102007010341A1 - Bauteil in Schalenbauweise mit Strukturelement

Info

Publication number: DE102007010341A1
Application number: DE102007010341A
Authority: DE
Inventors: Thomas Klemt
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2006-12-29
Filing date: 2007-03-03
Publication date: 2008-07-03

Abstract

Bei einem Bauteil für eine Kraftfahrzeugkarosserie in Schalenbauweise mit einer Außen- und einer Innenschale ist vorgesehen, dass in verbundenem Zustand von Außen- und Innenschale zumindest ein Strukturelement in dem Bereich zwischen Außen- und Innenschale angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil für eine Kraftfahrzeugkarosserie in Schalenbauweise mit einer Außen- und Innenschale.
Bekannt sind Bauteile für Kraftfahrzeugkarosserien in Schalenbauweise mit einer Innen- und einer Außenschale. Derartige Bauteile können beispielsweise eine B-Säule, ein Dachseitenrahmen, eine Tür – oder ein Schweller sein. Zur Verbesserung der Crashperformance solcher Bauteile ist bereits die Verwendung von hoch- und höchstfesten Werkstoffen diskutiert worden, mit denen eine höhere Festigkeit und Steifigkeit der Bauteile erreicht werden soll. Hoch- und höchstfeste Werkstoffe im Karosserierohbau erfordern allerdings einen erheblichen Aufwand an Fertigungstechnologie, abgesehen davon, dass ihre Beschaffung teuer ist. Die Verbindung von hoch- und höchstfesten Werkstoffen durch thermische Fügeverfahren ist darüber hinaus aufwändig, wobei es ferner im Bereich der Fügezonen bei dressierten und warm umgeformten Stählen zu einer erheblichen Festigkeitsminderung kommt. Zum Fügen von Werkstücken aus höchstfesten Stählen mittels thermischer Fügeverfahren ist ferner der Einsatz von Zusatzmaterial erforderlich, da die Fügespalte nicht mehr mechanisch beseitigbar sind.
Zur Erhöhung von Festigkeit und Steifigkeit von Karosseriebauteilen ist ferner bereits das Schachteln von mehreren Bauteilen, die in separaten Fügestationen verbunden werden, vorschlagen worden. Derartige Verfahren sowie entsprechende Bauteile verursachen jedoch erhebliche Investitionskosten im Fertigungsprozess und erhöhen darüber hinaus das Fahrzeuggewicht erheblich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Bauteils für eine Kraftfahrzeugkarosserie in Schalenbauweise mit einer Außen- und Innenschale, welches eine erhöhte Festigkeit und Steifigkeit aufweist, bei gleichzeitiger Verminderung von Fertigungsaufwand und Bauteilgewicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst.
Erfindungsgemäß ist bei einem Bauteil für eine Kraftfahrzeugkarosserie in Schalenbauweise mit einer Außen- und Innenschale in dem Bereich zwischen Außen- und Innenschale zumindest ein Strukturelement angeordnet. Das Strukturelement ist also in dem zwischen Innen- und Außenschale im verbundenen Zustand vorhandenen Hohlraum untergebracht und erhöht damit die Steifigkeit und Festigkeit des Bauteils.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Strukturelement aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet. Faserverstärkter Kunststoff besteht aus Verstärkungsfasern und einer polymeren Kunststoffmatrix, die die Fasern umgibt und durch Adhesivkräfte an die Matrix gebunden ist. Erfindungsgemäß ist als faserverstärkter Kunststoff vorzugsweise ein kohlenfaserverstärkter Kunststoff (CFK) vorgesehen, mit dem eine hohe gewichtsspezifische Festigkeit und Steifigkeiten bei relativ geringen Kosten erreicht werden kann. Ferner kann als faserverstärkter Kunststoff ein glasfaser- oder aramidfaserverstärkter Kunststoff vorgesehen sein.
Zur Erhöhung der spezifischen Energieaufnahme bei einem Unfall weist das Strukturelement zumindest einen Schaumstoffkern auf. Der Schaumstoffkern kann beispielsweise aus einem Polyamid mit hoher mechanischer Festigkeit, Steifigkeit und thermischer Beständigkeit bestehen. Zur Verbesserung der Anbindung des Strukturelements an die Außen- und/oder Innenschale ist das Strukturelement mit zumindest einer inneren Oberfläche der Schalen mittels eines Verbindungsklebers verbunden. Festigkeit und Steifigkeit werden insbesondere durch eine flächige Verklebung von Strukturelement und Außen- und/oder Innenschale erhöht. Der Verbindungskleber kann beispielsweise ein Epoxidkleber sein.
Das Strukturelement ist im fertigen Zustand des Bauteils fertig geformt und ausgehärtet und der Form des von den inneren Oberflächen von Außen- und/oder Innenschale angepasst.
Das erfindungsgemäße Bauteil kann beispielsweise eine Tür, ein Dachseitenrahmen, ein Schweller, eine B-Säule oder dergleichen sein. Dabei können die Innen- und/oder Außenschale aus einem Stahl mit normaler Güte und/oder Dicke gefertigt sein. Mit anderen Worten, Innen- und/oder Außenschale können in konventioneller Technologie gefertigt sein, sodass eine kostengünstige Einzelteilfertigung für das erfindungsgemäße Bauteil vorgesehen sein kann. Dementsprechend sind zusätzliche investitionsintensive Operationen, wie sie bei der Verwendung von hoch- und höchstfesten Stellen notwendig sind, überflüssig. Der Einsatz von konventioneller Technologie für die Fertigung von Innen- und/oder Außenschale ermöglicht es auch, ausgereifte und insbesondere wirtschaftliche Fügeverfahren für die Verbindung von Innen- und Außenschale anzuwenden. Bei hoch- und höchstfesten Stählen ausgeschlossene konstruktive Freiheiten und geometrische Ausgestaltungen im Sichtbereich der Karosserie sowie ästhetische Formgebungen sind erfindungsgemäß aufgrund des Rückgriffs auf konventionelle Technologien bei der Einzelteilfertigung möglich. Selbstverständlich erfordert auch die Maßsicherheit in der Fertigung der Bauteile geringere Aufwendungen als bei dem Einsatz von hoch- und/oder höchstfesten Stählen.
Die bei hochfesten Werkstoffen typischen Probleme ein Bauteil zu konstruieren, das eine hohe Geometriesicherheit bei gleichzeitigem Toleranzausgleich gewährleistet, lassen sich bei der Verwendung von Stählen normaler Güte vermeiden. Selbstverständlich kann die Erfindung auch bei Verwendung von hochfesten Werkstoffen für die Außen- und/oder Innenschale sinnvoll eingesetzt werde.
Ein besonders günstiger Aspekt der Erfindung besteht darin, dass nach einem Crashfall eines mit erfindungsgemäßen Bauteilen ausgestatteten Kraftfahrzeugs, die Insassenbergung des Kraftfahrzeugs vereinfacht wird, da das Bauteil einer mechanischen Bearbeitung keine erhöhten Schwierigkeiten entgegensetzt. Im Gegenteil, ist bei Einsatz eines erfindungsgemäßen Strukturelements in dem Bereich zwischen Außen- und Innenschale des Bauteils, auch unter widrigen Bedingungen am Unfallort mit konventionellen Werkzeugen ein Trennen oder Schneiden des Bauteils möglich. Dabei versteht sich, das durch den Einsatz von faserverstärkten Kunststoff die Insassensicherheit im Crashfall auch in Hinsicht auf Splitter höchsten Ansprüchen genügt.
Unter den heutigen Bedingungen eines erhöhten Kostendrucks ist es besonders günstig, dass das erfindungsgemäße Bauteil eine typenspezifische Anpassung der Festigkeitsparameter durch Variation des verwendeten faserverstärkten Kunststoffs ermöglichst, ohne dass für die Anpassung wesentliche andere Maßnahmen notwendig sind. Es versteht sich dass für Standardfahrzeuge andere Steifigkeits- und Festigkeitsforderungen erfüllt werden müssen als für Hochleistungsfahrzeuge. Die entsprechenden unterschiedlichen Bauteile können sich dennoch in den Innen- und Außenschalen gleichen, da der entscheidende Unterschied durch eine geeignete Auswahl des eingesetzten faserverstärkten Kunststoffs erreicht wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Bauteil kann ohne Bedenken ein CFK-Strukturelement eingesetzt werden, da das bei CFKs ansonsten typische Problem der Delamination durch zyklische Einflüsse zumindest während des Normalbetriebs im vorliegenden Fall ohne Bedeutung ist Dies ergibt sich daraus, dass das Bauteil während des Normalbetriebs im Wesentlichen von den Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften der Außen- und Innenschale bestimmt wird und die das Strukturelement betreffende Hauptbeanspruchung im kritischen Bedarfsfall eines Crashs auftritt, wobei eine Verformung sämtlicher Bestandteile des Bauteils zu erwarten ist.
Aufbaubedingt ist eine Austauschbarkeit von zerstörten Strukturelementen bei einem erfindungsgemäßen Bauteil möglich.
Besondere Vorteile der Erfindung ergeben sich daraus, das ein erfindungsgemäßes Bauteil in jedem Bereich der Karosserie eingesetzt werden kann, an jeder Stelle der Karosserie ein Strukturelement integriert werden kann.
Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung sind unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen, der Beschreibung sowie der zugehörigen Zeichnung zu entnehmen.
In der einzigen 1 ist in schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Bauteil in einem Schnitt A-A und einem dazu senkrechten Schnitt dargestellt.
In der 1 ist ein erfindungsgemäßer Bauteil mit einer Außenschale 1 und einer Innenschale 2 in verbundenem Zustand von Außenschale 1 und Innenschale 2 dargestellt. In dem verbundenen Zustand der Schalen ist zwischen den Schalen ein Hohlraum gebildet in dem ein Strukturelement 3 mit einem Schaumstoffkern 3a angeordnet ist. Das Strukturelement 3 ist vorzugsweise aus einem faserverstärkter Kunststoff gebildet. Bevorzugt ist ein kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff, ein Glasfaser- oder Aramid- faserverstärkter Kunststoff. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist an Stelle des Schaumkerns ein Hohlraum vorgesehen. Das Strukturelement 3 ist in den Bereichen 4 der inneren Oberfläche von Außenschale 1 und Innenschale 2 mittels eines Verbindungsklebers mit den Schalen 1, 2 verbunden. Als Verbindungskleber ist ein Epoxidkleber bevorzugt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Strukturelement 3 in dem Bereich zwischen Außenschale 1 und Innenschale 2 ohne Verwendung eines Verbindungsklebers angeordnet. Falls ein Verbindungskleber zur Anbindung des Strukturelements 3 an die Schalen 1, 2 eingesetzt wird, können die verbundenen Schalen 1, 2 in einem Ofen erwärmt werden, sodass der Verbindungskleber eine höhere flächige Verteilung erreicht. Zusätzlich oder alternativ zur Verbindung mittels eines Verbindungsklebers kann auch eine mechanische oder thermische Verbindung von Außenschale 1 und Innenschale 2 erfolgen. Die Verbindung kann dann beispielsweise mit Schrauben oder Nieten vorgenommen werden.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, an jeder Stelle der Karosserie ein leichtes Strukturelement zu integrieren und damit in jede beliebige Konstruktion ein Verstärkungselement einzufügen, was den Aufwand in Presswerk und Karosseriebau gegenüber hoch- und höchstfesten Werkstoffen erlaubt zu verringern. Dabei werden die Designmöglichkeiten für die Karoserie nicht beschränkt und es kann mit normalfesten Werkstoffen auch bei den angrenzenden Bauteilen gearbeitet werden. Bei Einsatz erfindungsgemäßer Bauteile wird das Gewicht des Fahrzeugs nur geringfügig erhöht, gleichzeitig die Crashperformance jedoch verbessert.

1: äußere Schale
2: innere Schale
3: Strukturteil
3a: Schaumstoffkern
4: Bereiche mit Verbindungskleber

Claims

Bauteil für eine Kraftfahrzeugkarosserie in Schalenbauweise mit einer Außen- und einer Innenschale, dadurch gekennzeichnet, dass in verbundenem Zustand von Außen- und Innenschale zumindest ein Strukturelement in den Bereich zwischen Außen- und Innenschale angeordnet ist.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement ein faserverstärkter Kunststoff, vorzugsweise ein kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff ein glasfaser- oder aramidfaserverstärkter Kunststoff ist.
Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement zumindest einen Schaumkern aufweist.
Bauteil nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement mit zumindest einer inneren Oberfläche der Außen- und oder Innenschale mittels eines Verbindungsklebers, vorzugsweise eines Epoxidklebers verbunden ist.
Bauteil nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement im eingebauten Zustand fertig geformt und ausgehärtet ist.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil als Tür, Dachseitenrahmen, Schweller oder B-Säule ausgebildet ist.