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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein einstückiges Verstärkungselement
für einen Fahrzeug Hohlkörper bestehend aus der
Kombination eines Hybridbauteils mit einem aus demselben Thermoplasten
hergestellten Strukturverstärker in Nicht-Hybrid-Bauweise,
ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie dessen Verwendung in Fahrzeugen.
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Durch
sich verteuernde Rohstoffe geht die Automobilindustrie in jüngster
Zeit dazu über, Fahrzeugbleche dünner zu konstruieren
um Gewicht zu sparen und darüber einen Beitrag zur Reduktion
des Kraftstoffverbrauchs zu erzielen. Gleichzeitig steigen jedoch
die Anforderungen an die Sicherheit der Fahrzeuginsassen weshalb
die leichter konstruierten Fahrzeuge wiederum durch Zusatzmaßnahmen
an der Karosserie verstärkt werden.
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Dies
führte in jüngster Zeit zum Einsatz der so genannten
Kunststoff-Metall-Hybridtechnik zur Herstellung von Hohlkammer-Leichtbauteilen
bzw. Hybridbauteilen.
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Hybridbauteile
zeichnen sich durch den Formschluss eines schalenförmigen
Grundkörpers bzw. Hohlkörpers und einen an diesen
angespritzten, eingefügten oder angefügten Kunststoffteil
aus. Der Grundkörper kann selber aus Kunststoff oder Metall, vorzugsweise
aus Metall bestehen.
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Aus
EP-A 0 370 342 ist
ein Leichtbauteil in Hybridbauweise aus einem schalenförmigen
Grundkörper bekannt, dessen Innenraum Verstärkungsrippen
aufweist, welche mit dem Grundkörper fest verbunden sind,
in dem die Verstärkungsrippen aus angespritztem Kunststoff
bestehen und deren Verbindung mit dem Grundkörper an diskreten
Verbindungsstellen über Durchbrüche im Grundkörper
erfolgt, durch welche der Kunststoff hindurch und über die
Flächen der Durchbrüche hinausreicht und ein fester
Formschluss erreicht wird.
EP-A
0 995 668 ergänzt dieses Prinzip indem man das
Hohlkammer-Leichtbauteil zusätzlich mit einer Deckplatte oder
Deckschale aus Kunststoff versieht. Denkbar ist aber auch eine Deckplatte
aus anderen Materialien wie beispielsweise Metall.
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Schon
bald erkannte man die hervorragende Eignung von Hohlkammer-Leichtbauteilen
in Hybridbauweise überall dort, wo es auf hohe Stabilität,
hohe Energieaufzehrung im Falle eines Crash sowie um Gewichtseinsparung
ging, also beispielsweise beim Bau von Kraftfahrzeugen.
EP 0 679 565 B1 offenbart die
Vorderfront eines Kraftfahrzeugs (Kfz) mit mindestens einer steifen
Traverse die sich über den Hauptteil der Länge
des Vorderfrontteils erstreckt mit mindestens einem Stützteil
aus Kunststoff, das oder die am Endbereich der steifen Traverse
angegossen wird bzw. werden.
EP 1 032 526 B1 offenbart eine Tragestruktur
für das Frontmodul eines Kraftfahrzeugs aus einem Stahlblech-Grundkörper,
einem unverstärkten amorphen thermoplastischen Kunststoffmaterial, einem
glasfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoff sowie
einer Rippenstruktur aus beispielsweise Polyamid.
DE 100 53 840 A1 offenbart ein
Stossfängersystem oder Energieabsorberelement aus gegenüberliegend
angeordneten Metallblechen und Verbindungsrippen aus thermoplastischem oder
duroplastischem Kunststoff. Aus
DE 102 21 709 A1 ist ein Leichtbauteil für
Trägerelemente von Kraftfahrzeugen in Hybridbauweise bekannt.
DE 10 2005 043 698
A1 beschreibt einen Seitenschweller einer Kraftwagenkarosserie
mit einem in Hybridbauweise gefertigten Strukturteil, welches mit
dem Kastenprofil des Schwellers fest verbunden ist.
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Andererseits
offenbart
EP 0 897
439 A1 innenliegende Bewehrungen für hohle Strukturelemente
und
DE 42 03 460 C2 beschreibt
ein Verfahren zum Herstellen eines trägerartigen Bauteils
mit einem Leichtstoffkern.
EP
1 256 512 A2 beschreibt schließlich Verstärkungselemente
für einen Hohlkörper aus einem mit aufgeschäumter
Masse ummantelten Rohr.
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Derartige
Verstärkungselemente sind jedoch nur begrenzt einsetzbar.
Die Verbindungsstellen, beispielsweise von Fahrzeugholm und B-Säule
eines Kraftfahrzeugs, erfordern individuelle Lösungen.
Hier werden bislang Struktureinsätze, so genannte Strukturinserts,
eingesetzt und mit Schäumen innerhalb der Karosseriehohlräume
mit dieser verklebt. Beispiele für diese Technologie offenbaren
die
WO 93/05 103 oder
die
EP 1 475 295 A2 .
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Beide
Lösungen für sich erfüllen jeweils einzelne
Aufgaben während Hybridbauteile bisher überwiegend
im Vorderbereich von Kraftfahrzeugen zur Energieaufsetzung im Falle
eines Crash von vorne eingesetzt wurden, erfolgt der Einsatz einer
Strukturverstärkung gemäß
EP 1 475 295 A2 innerhalb
der Verbindungen von Fahrzeugholmen in Crash-relevanten Bereichen
der Karosserie, beispielsweise im unteren Teil der A-Säule,
im unteren und oberen Teil der B-Säule und im Querträger über
der hinteren Achse.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung war deshalb die Bereitstellung einer
Fahrzeug-Hohlraumkomponente, die ein Fahrzeug sowohl im Falle eines Crash
von vorne als auch im Falle eines Crash von der Seite stabilisiert
und somit die Fahrzeuginsassen durch Energieaufzehrung vor Unfallschäden
bewahrt, die gleichzeitig jedoch im Bereich der Fahrgastzelle den
Einsatz dünnerer Bleche erlaubt und zudem sich einfach
und unkompliziert in der Massenfertigung von Fahrzeugen einsetzen
lässt.
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Die
Lösung der Aufgabe und somit Gegenstand der vorliegenden
Erfindung ist ein einstückiges Verstärkungselement
für einen Fahrzeug Hohlkörper dadurch gekennzeichnet,
dass dieses aus
- a) einem länglichen,
schalenförmigen Grundkörper (nachstehend auch
Hybridbauteil) dessen Innenraum Verstärkungsrippen aufweist,
welche mit den Grundkörper fest verbunden sind, wobei die Verstärkungsrippen
aus angespritztem Kunststoff bestehen und deren Verbin dung mit dem
Grundkörper an diskreten Verbindungsstellen über Durchbrüche
im Grundkörper erfolgt, durch welche der Kunststoff hindurch-
und über die Flächen der Durchbrüche
hinausreicht und
- b) aus einer aus demselben Kunststoff durch denselben Anspritzvorgang
an wenigstens einem Ende des Grundkörpers angefügten
starren Strukturverstärkung besteht, welche im Wesentlichen
die Form des Querschnitts des an dieser Stelle einer Karosserie
zu verstärkenden Hohlprofils entspricht, wobei ein ausdehnbares
Klebstoffmaterial über einen Abschnitt der Oberfläche
der starren Strukturverstärkung und des länglichen, schalenförmigen
Grundkörpers aufgebracht ist, die Form der starren Strukturverstärkung
und des länglichen Grundkörpers, sowie die Menge
und Verteilung des ausdehnbaren Klebstoffs so gewählt sind,
dass das Klebstoffmaterial beim Ausdehnen nicht die Innenfläche
des äußeren im Sichtbereich liegenden Bleches
des zu verstärkenden Karosseriehohlraums berührt
sondern wenigstens einen Teil der anderen Innenwände des
zu verstärkenden Karosseriehohlraumes berührt
und daran haftet.
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Überraschenderweise
erweist sich das erfindungsgemäße Verstärkungselement
für einen Fahrzeug Hohlkörper als multifunktionelles
Bauteil das nicht nur schnell und einfach während der Karosseriemontage
eingebaut werden kann, sondern aufgrund seiner Ausgestaltung entsprechende
Karosseriebereiche wirkungsvoll sowohl gegen einen Crash von vorne
als auch von der Seite stabilisiert und darüber hinaus
als akustische Abkopplung und als Feuchtigkeitssperre fungiert,
wobei es gleichzeitig erlaubt die Fahrzeugbleche dünner
zu gestalten um darüber Gewicht und letztendlich Kraftstoff
zu sparen.
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Das
erfindungsgemäße Verstärkungselement
kann sowohl einstückig einschalig als auch einstückig
zweischalig oder insgesamt zweischalig ausgebildet sein. Im Falle
einer zweischaligen Ausführung besteht der längliche,
schalenförmige Grundkörper aus zwei Hälften
mit jeweils eigener Verrippung. Falls erforderlich können
beide Schalen miteinander verschweißt oder mit Klebstoff
verklebt werden, wozu gegebenenfalls der einzusetzende ausdehnbare
Klebstoffe verwendet werden kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform weisen sowohl der schalenförmige
Grundkörper als auch die starre Strukturverstärkung
kleine Distanzstücke oder Befestigungspositionen auf, welche
eine Beabstandung zu den Innenwänden des zu verstärkenden
Hohlraumelements ermöglichen. Bevorzugt sind diese aus
demselben Kunststoff oder aus demselben Metall wie der längliche
Grundkörper oder wie die Strukturverstärkung gefertigt.
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In
einer alternativen oder aber bevorzugten Ausführungsform
ist das erfindungsgemäße Verstärkungselement
mit Mitteln versehen, die eine Fluiddrainage ermöglichen.
Dies kann von Nutzen sein, wenn der ausdehnbare Klebstoff erst nach
Einlegen des Verstärkungselements und nach Zusammenbau des
zu verstärkenden Karosseriebereichs eingespritzt wird.
Bevorzugte Mittel sind GIT/WIT Kanäle (GIT = Gas Innendruck
Technologie; WIT = Wasser Innendruck Technologie). In anderen Fällen
können die Kanäle für den Ablauf von
Tauchmedien im Lackierprozess oder für den Ablauf von Kondensflüssigkeit
oder Regenwasser vorgesehen sein.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist der längliche,
schalenförmige Grundkörper nur einseitig über
den angespritzten Kunststoff mit einer starren Strukturverstärkung
direkt verbunden. In diesem Fall erlaubt das lose Anfügen
einer zweiten Strukturverstärkung am anderen Ende des länglichen,
schalenförmigen Grundkörpers den Ausgleich von
Fertigungstoleranzen. Die feste Verbindung der losen Strukturverstärkung
mit dem länglichen, schalenförmigen Grundkörper
erfolgt in diesem Fall durch den zusätzlichen Einsatz von
Klebstoff oder aber durch den nachträglich einzuspritzenden
ausdehnbaren Klebstoff.
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Im
Falle einer zweischaligen Ausführung des einstückigen
Verstärkungselements, bevorzugt des länglichen,
schalenförmigen Grundkörpers, kann auch dieses/r
bevorzugt durch Einfügen einer Weichkomponente, bevorzugt
Kautschuk oder Dickbettklebstoff, mechanisch gegen die Innenseite
des zu verstärkenden Karosseriehohlraumes verspannt werden
und somit Fertigungstoleranzen ausgleichen. Bevorzugt einzusetzende
Weichkomponenten sind Therban® oder
HNBR-Elastomere.
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Der
längliche, einschalige oder zweischalige Grundkörper
für längliche Karosseriehohlräume ist im
Prinzip aus
EP-A 0 370
342 als sogenanntes Hybridbauteil bekannt. Er kann sowohl
aus Kunststoff als auch aus Metall bestehen. Wird ein metallener Grundkörper
eingesetzt, so lässt sich dieser durch Tiefziehverfahren
oder durch Rollformen herstellen.
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Bevorzugt
eignen sich unbehandelte, verzinkte und/oder mit einem Primer und
gegebenenfalls Haftvermittler versehene Stahlbleche, unbehandelte,
eloxierte und/oder mit einem Primer und gegebenenfalls einem Haftvermittler
versehene Aluminiumbleche. Es lassen sich für den Grundkörper
aber auch durch Warmpressen verformte Kunststoffbleche verwenden,
welche aus Thermoplasten mit Einlagen aus Glasfasermatten oder Synthesefasermatten
bestehen. Als Kunststoffe zum Anspritzen der Verstärkungsrippen
eignen sich insbesondere teilkristalline Kunststoffe, bevorzugt
glasfaserverstärktes Polyamid-6, Polyamid-6,6, Polybutylenterephthalat,
Polyphenylensulfid oder Polypropylen.
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Der
Glasfasergehalt beträgt bevorzugt 10 bis 75%, besonders
bevorzugt 25 bis 65%.
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Herstellen
lassen sich diese Hydridbauteile, indem man den durch Tiefziehen
oder Warmverpressen vorgeformten Grundkörper in ein Spritzgießwerkzeug
mit entsprechend gestaltetem Formhohlraum einlegt und die Verstärkungsrippen
und gegebenenfalls sonstigen Verstärkungen anspritzt. Erfindungsgemäß erfolgt
dies zusammen mit dem Anspritzen wenigstens einer Strukturverstärkung.
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Die
Torsionssteifigkeit und die Schubsteifigkeit lassen sich bei V-Verrippung
um mehr als das 10-fache erhöhen, bei Kreuzverrippung steigt
sie noch höher. Bevorzugt weist deshalb das Hybridbauteil
im Innenraum eine Zellen-, eine Waben- oder eine V- bzw. Kreuzverrippung
auf. Das an sich spröde Bruchverhalten von kurzglasfaserverstärkten
Thermoplasten wird durch das duktile Verhalten der Metallteile positiv
beeinflusst, so dass die Gefahr des Brechens der Struktur nicht
gegeben ist. Bei Verwendung von Kunststoffblechen für den
Grundkörper lassen sich ähnliche Festigkeitserhöhungen
erzielen.
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Bei
Verwendung eines metallischen Grundkörpers wird der lineare
Wärmeausdehnungskoeffizient im Wesentlichen durch das Metall
bestimmt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform bestehen die Verankerungen
des Kunststoffs am Metall aus Sicken, welche entweder in die Rippen
hineingerichtet oder von ihnen weggerichtet sind. Diese Sicken können
runden, länglichen, aber auch unregelmäßigen
Querschnitt besitzen. Besonders vorteilhaft ist es, Sicken mit Durchbrüchen
zu kombinieren. Alle diese Ausführungsformen zeichnen sich
durch eine besonders gute Aufnahme von Schubspannungen aus.
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Vorzugsweise
weist der Grundkörper, insbesondere wenn er aus Metall
gefertigt wurde, mindestens teilweise eine Überzugsschicht
auf, welche aus dem gleichen Kunststoff wie die Verstärkungsrippen besteht.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Ränder der Durchbrüche
Verformungen aufweisen.
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Dadurch
wird gerade in diesem kritischen Bereich die Oberfläche
des Grundkörpers vergrößert. Als Verformungen
eignen sich Sicken-artige Einbuchtungen der Ränder der
Durchbrüche. Die Ränder können aber auch
zusätzlich eingeschnitten und die entstandenen Zungen abgewinkelt
oder verdreht sein, wodurch besonders feste Verbindungen erzielbar
sind. Durch solche Verformungen wird der Kraftfluss zwischen Grundkörper
und Verstärkungsrippen sowie sonstigen angespritzten Verstärkungen verbessert.
In der Regel wird man die Verformungen in den Innenraum des Grundkörpers
hinein richten um auf diese Weise eine glatte Außenfläche
des Grundkörpers zu erzielen. Alternativ kann man die Verformungen
aus den Innenraum des Grundkörpers hinaus richten um auf
diese Weise gleichzeitig Distanzstücke zu formen.
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Vorzugsweise
besitzen die Verstärkungsrippen, insbesondere an den Verbindungsstellen
mit dem Grundkörper, einen verbreiterten Fuß.
Die damit vergrößerte Kontaktfläche zwischen
Grundkörper und Verstärkungsrippen erhöht
damit die Aufnahme von Schubkräften.
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Es
ist auch von besonderem Vorteil, wenn die zwischen den Verstärkungsrippen
und den Seitenwänden des Grundkörpers verbleibenden
Freiräume trapezförmigen Querschnitt aufweisen
statt eines spitzen Dreiecksquerschnitt.
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Dadurch
werden zum einen die Kontaktflächen mit dem Grundkörper
vergrößert und zum anderen ist der Kraftfluss
zwischen den Rippen günstiger. Der Übergang zwischen
den einzelnen Flächen der Verstärkungsrippen sollte
abgerundet sein, um Kerbwirkungen auszuschließen.
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Beispielhaft
ist ein Hybridbauteil in
EP-A
0 370 342 beschrieben. Die
1 zeigt
darin ein Hybridbauteil aus tiefgezogenem Stahlblech, welches mit einem
Haftvermittler behandelt wurde. In seinem Innenraum sind V-förmige
Verstärkungsrippen aus Polyamid-6 mit 30 Gew.-% Glasfasergehalt
vorgesehen. Diese Verstärkungsrippen erstrecken sich mit einem
Steg über die gesamte Tiefe des Innenraumes und weisen
zum Boden des Längsholms hin einen verbreiteten Fuß auf.
Die Verstärkungsrippen bilden mit dem Grundkörper
trapezartige Freiräume, wobei an den Seitenwänden
des Längsholmes, Verbindungsstege aus dem gleichen Kunststoff
vorhanden sind, welche parallel zu den Seitenwänden verlaufen und
daran fest haften. Sie weisen in etwa die gleiche Stärke
auf wie die Verstärkungsrippen. Zwischen den Verstärkungsrippen
und dem Längsholm sind gestrichelt dargestellte Verankerungen
in Form von Sicken und Durchbrüchen vorgesehen, durch welche
der Kunststoff auf die Außenseite hindurchreicht und dort Blöcke
bildet. Die Außenseite ist mit einer Überzugsschicht
des gleichen Kunststoffes versehen. Zur Demonstration der Anspritztechnik
ist der Angusskanal eines nicht dargestellten Formwerkzeuges gestrichelt
symbolisiert.
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In
2 in
der
EP-A 0 370 342 besteht
der Grundkörper aus durch Warmpressen verformtem Kunststoffblech
aus Polyamid mit eingelegter Glasfasermatte von einem Flächengewicht
von 1950 g/m
2 bei 1 mm Blechdicke und 78
Gew.-% Glasanteil. Im Innenraum dieses Grundkörpers sind
Verstärkungsrippen aus Polyamid-6,6 mit einem Glasfasergehalt von
35 Gew.-% angeordnet. An den Verbindungsstellen zwischen dem Grundkörper
und den Verstärkungsrippen weist der Grundkörper
gestrichelt dargestellte Verformungen (Sicken) auf, durch welche der
Kunststoff der Verstärkungsrippen hindurchreicht und auf
der Außenseite Wülste bildet. Außerdem
sind Anschlussflansche und Verstärkungsaugen aus dem gleichen
Kunststoff mit angespritzt. Erfindungsgemäß kann
das Anspritzen der Wülste oder Pfropfen und deren Umformung
auf der gegenüberliegenden Seite der Durchbrüche
in verschiedenen Arbeitsschritten erfolgen. Bevorzugt ist der Vorgang
durch maximal zwei Arbeitsschritte abgeschlossen.
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Die
in
3 der
EP-A
0 370 342 dargestellten verschiedenartigen Verankerungen
stellen lediglich eine besonders bevorzugte Auswahl aus einer Vielzahl
weiterer Möglichkeiten dar.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Kombination des Hybridbauteils
mit wenigstens einer starren Strukturverstärkung (Strukturverstärkungsinsert), mit
dem Rahmen oder Außenpaneele von Karosserien verstärkt
werden können, ohne ein Verformen oder eine optische Unebenheit
in der Außenfläche des Rahmens/Außenpaneels
zu verursachen. Karosserien im Sinne der vorliegenden Erfindung
sind Karosserien von 1, 2, 3 oder 4-achsigen Fahrzeugen, bevorzugt
von 2-achsigen Kraftfahrzeugen.
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Die
Trends bei der Konstruktion von Kraftfahrzeugen gehen in Richtung
leichterer Fahrzeuge, um den Kraftstoffverbrauch zu verringern.
Gleichzeitig werden die Sicherheitsstandards und die Sicherheitsvorgaben
verschärft, wie an den Bestimmungen der Europäischen
Union und den Euro-NCAP-Aufpralltests zu erkennen ist. Der Einsatz
leichterer Materialien wie zum Beispiel Aluminium zur Herstellung der
Hohlprofilelemente, die als Fahrzeughilfsrahmen verwendet werden,
hat zur Notwendigkeit zusätzlicher Verstärkung
geführt. Es besteht auch die Notwendigkeit einer Verstärkung
hinter Außenpaneelen an verschiedenen Stellen in dem Fahrzeug,
wie zum Beispiel in Fenster- und Türumgebungen, insbesondere
in Hohlräumen zwischen Fenster- und Türrahmen
und Außenpaneelen, wie zum Beispiel bei der Verstärkung
von Heckklappen und A-Säulen, wo sie sich mit dem Dach
des Fahrzeugs verbinden.
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Es
gibt vier Hauptanwendungsarten, wo eine Strukturverstärkung
in Fahrzeugen erforderlich ist: Aufprallschutz, wo es auf das Vermindern
einer Verformung der Fahrzeugkarosserie ankommt, um die Insassen
zu schützen; Energieabsorption zum Verbessern des Komponentenverhaltens
bei einer Verformung; Verringern des Verwindens oder von Karosseriebewegungen
in der Fahrzeugstruktur, insbesondere zum Verbessern der Langlebigkeit
und zum Verringern von Spannungsrissen; und die Punktmobilitätsprobleme,
die eine Verringerung von Resonanzen mittels Versteifungsmaßnahmen
erforderlich machen. Die Notwendigkeit einer Verstärkung
besteht unabhängig von den Materialien, die zum Herstellen der
Fahrzeugstruktur verwendet werden, und die Notwendigkeit verändert
sich von einem Material zum anderen entsprechend der Art der hergestellten Verstärkung.
Die Verstärkungsteile können auch das Geräusch
verringern, das durch die Bewegung eines Fahrzeugs entsteht, indem
sie einen Schalldämpfungseffekt bewirken, weil sie Luftwege
in Hohlräumen blockieren.
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Eine
mit dem Hybridbauteil verbundene Strukturverstärkung für
ein Hohlprofil ist ein starres Verstärkungselement. Dieses
hat eine Form, die im Wesentlichen dem zu verstärkenden
Querschnitt entspricht. Das erfindungsgemäß aufzubringende
ausdehnbare Klebstoffmaterial ist dabei über einen Abschnitt
der Oberfläche des starren Verstärkungselements
aufgebracht, wobei die Kombi nation aus der Form der starren Strukturverstärkung
sowie dem Aufbringungsort, der Größe und der Form
des ausdehnbaren Klebstoffmaterials so gewählt ist, dass
sich das Material ausdehnt, aber nicht den Teil der Fläche
berührt, bei dem es sich um ein Außenpaneel handelt.
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Auf
diese Weise wird ein Verformen des äußeren Karosseriepaneels
während des Verschäumens und/oder Abkühlens
des verschäumten ausdehnbaren Materials verringert oder
verhindert.
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Die
Abmessungen der starren Strukturverstärkung und die Dicke,
der Aufbringungsort und die Art des ausdehnbaren Materials sind
entscheidend für das Erreichen der gewünschten
Karosserieverstärkung und das Vermindern eines Verformens
bzw. Auftretens optischer Unebenheiten des äußeren
Karosseriepaneels. Die äußere Form der Strukturverstärkung
muss im Wesentlichen dem Querschnitt des Profils der Struktur entsprechen,
die es verstärken soll, aber es muss so geformt sein, dass
der Schaumstoff nicht an der Innenfläche des äußeren
Karosseriepaneels in einer solchen Weise anliegt, dass er ein Verformen
des Paneels hervorruft. Die Form der Strukturverstärkung
kann entlang seiner Länge in dem Maße variieren,
wie sich die Abmessungen des Profils der Struktur ändern.
Seine Länge wird allerdings zumindest einseitig begrenzt
durch das fest mit ihm im gleichen Anspritzvorgang zu verbindende
Hybridbauteil. Die Größe des Verstärkungselements einschließlich
des ausdehnbaren Klebstoffmaterials muss so gewählt sein,
dass ein geringer Freiraum zwischen dem Ende der Strukturverstärkung
und den Innenwänden der zu verstärkenden Karosseriestruktur
bleibt, damit ein Elektrobeschichtungsfluid dort hindurch passieren
kann. Des Weiteren muss das Verstärkungselement so geformt
sein, dass der Schaumstoff beim Ausdehnen nicht die Innenfläche des
Sichtsbereichs des Außenpaneels berührt, die einen
Teil der Wände der Hohlstruktur bildet. Der Schaumstoff
muss jedoch andere Flächen der Hohlstruktur berühren
und sich mit ihnen verbinden, so dass die starre Strukturverstärkung
aber auch das mit dieser verbundene Hybridbauteil sicher im Fahrzeug
Hohlkörper gehalten wird. Auch die Strukturverstärkung
kann wie das Hybridbauteil, bevorzugt im Inneren eine Zellen-, eine
Waben- oder eine Rippenstruktur aufweisen, um eine Verstärkung
entlang mehrerer verschiedener Achsen zu bieten.
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Eine
oder mehrere der Wände des Fahrzeug Hohlprofils, das gemäß der
vorliegenden Erfindung verstärkt ist, können vollständig
zu dem Außenpaneel gehören. Gleichermaßen
kann ein Teil von einer oder mehreren Wänden des Fahrzeug
Hohlprofils durch ein inneres Strukturelement gebildet werden, und
ein anderer Teil der Wände des Fahrzeug Hohlprofils kann
durch ein Außenpaneel gebildet werden. Im Allgemeinen ist
nur eine der Wände, die das Fahrzeug Hohlprofil definieren,
ein Außenpaneel, und es kann sein, dass nur ein Teil von
einer der Wände ein Außenpaneel ist. Dementsprechend
kann unter diesen Umständen das einstückige Verstärkungselement
gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gebildet
werden, dass sich der ausdehnbare Klebeschaumstoff ausdehnt und
an dem Teil des Strukturelements haftet, der kein Außenpaneel
ist, und nicht den Teil des Elements berührt und nicht
an dem Teil des Elements haftet, der das Außenpaneel bildet.
In diesem Fall kann das Außenpaneel dank der Nähe des
Schaumstoffs und/oder des Kerns der Strukturverstärkung
zu dem Außenpaneel verstärkt werden. Dies kann
durch die entsprechende Verteilung des ausdehnbaren Klebstoffmaterials über
die Oberfläche des Kerns und das Aufbringen der entsprechenden
Menge verschäumbaren Materials erreicht werden. Die optimale
Verteilung und Menge an ausdehnbarem Material hängt von
der Größe und Form des Hohlprofils sowohl der
Strukturverstärkung als auch des mit dieser verbundenen
Hybridbauteils ab.
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Das
erfindungsgemäße einstückige Verstärkungselement
aus Hybridbauteil und Strukturverstärkung muss bevorzugt
in dem zu verstärkenden Hohlprofil in einer Weise angeordnet
werden, die ein einwandfreies Ausführen eines Elektrobeschichtungsprozesses,
bevorzugt eine kathodische Tauchlackierung (KTL), ohne eine unerwünschte
Bewegung der Einheit ermöglicht. Hierfür können
bevorzugt verschiedene Befestigungsmittel zum Einsatz kommen. Es
können Mittel wie zum Beispiel Halteclips in den Kern hineingeformt
werden, die in Löcher in den Wänden des Hohlprofils,
die keine Wand oder Wände sind, die das Außenpaneel
bilden, eingehängt werden können.
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Gleichermaßen
können Befestigungsmittel wie zum Beispiel Halteclips in
den Wänden des Hohlprofils, die nicht zu dem Außenpaneel
gehören, ausgebildet werden, die in Löcher im
Kern des Verstärkungselements eingesetzt werden können.
Alternativ oder zusätzlich kann das Verstärkungselement
aus Hybridbauteil und Strukturverstärkung mit kleinen Nasen
versehen werden, die es ihm ermöglichen, zu den Innenwänden
der Hohlstruktur einen Abstand zu halten. Auf diese Weise sind keine
Befestigungsvorrichtungen erforderlich, und die Kontaktfläche
zwischen dem einstückigen Verstärkungselement
und den Innenwänden des Fahrzeugrahmens wird minimiert.
Die Nasen dürfen jedoch nicht die Wand der Hohlstruktur
berühren, welche die Innenfläche des Außenpaneels
bildet.
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Der
Freiraum zwischen dem Ende des einstückigen Verstärkungselements
und den Innenwänden des Hohlprofils muss bevorzugt breit
genug sein, damit die in einem Elektrobeschichtungsbad verwendete
Flüssigkeit in ausreichender Menge zwischen dem Verstärkungselement
und den Innenwänden der Profile des Fahrzeugs fließen
kann, damit eine effektive Korrosionsschutzbeschichtung abgeschieden werden
kann. Andererseits darf der Freiraum nicht zu breit sein, weil dadurch
die Steifigkeit in der Struktur verloren gehen kann, wenn der ausdehnbare
Klebstoff verschäumt wird, um das Verstärkungselement mit
den Wänden des Hohlprofils, mit Ausnahme des Außenpaneels,
zu verbinden. Bevorzugt wird ein Freiraum von maximal 1 Zentimeter,
besonders bevorzugt von 3 bis 10 Millimetern gewählt. Der
Freiraum um die gesamte Struktur herum ermöglicht eine gleichmäßigere
Schaumstoffstruktur.
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Wie
der Hybridteil kann auch die starre Strukturverstärkung
aus jedem geeigneten Material bestehen. Bevorzugt kann es wie der
Hybridteil aus Metall oder Kunststoff bestehen. Das Material wird entsprechend
dem bevorzugten Herstellungsverfahren gewählt. Dies wiederum
wird durch wirtschaftliche Faktoren und die Komplexität
des zu verstärkenden Profils bestimmt. Das erfindungsgemäße
einstückige Verstärkungselement aus Hybridbauteil
mit wenigstens einer Strukturverstärkung kann im Falle
einfacher Profile durch Extrusion hergestellt werden, während
für komplexere Strukturen Spritzgießen erforderlich
sein kann. Metallelemente können durch Stanzen und/oder
Formen hergestellt werden. Wo Extrusion zum Einsatz kommt, können
die Elemente aus Metall oder Thermoplastmaterial bestehen. Wo Spritzgießen
zum Einsatz kommt, sind Thermoplastmaterialien bevorzugt. Polyamide,
insbesondere die bereits oben beschriebenen glasgefüllten
Polyamide, sind aufgrund ihres hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses
geeignete Materialien. Alternativ kann Spritzgießen oder
Druckgießen von Metalllegierungen zum Einsatz kommen. Es
ist bevorzugt, dass das gesamte einstückige Verstärkungselement
mit Mitteln versehen wird, die das Ablaufen von Fluiden ermöglichen.
Zum Beispiel können Löcher vorhanden sein, um
das Ablaufen von Wasser zu ermöglichen, das sich im Lauf
der Zeit durch Kondensation in der Struktur absetzt.
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Die
bevorzugte Form und Struktur des einstückigen Verstärkungselements
richtet sich danach, wo es in der Fahrzeugstruktur angeordnet werden soll
und welche Funktion es erfüllen soll. Die vorliegende Erfindung
eignet sich besonders zur Verstärkung von Bereichen um
den Schweller von Karosserien von Fahrzeugen, so an den Verbindungsstellen von
Schweller mit A- und/oder B-Säule oder von A- oder B-Säule
mit einem Dachspriegel, wobei der Hybridteil im länglichen
Karosserieteil untergebracht wird. Es eignet sich ebenfalls zur
Verstärkung von Frontscheibenrahmen, wo sie sich an das
Dach des Fahrzeugs anschließen, bei dem es sich um das
Außenpaneel handeln kann. Während erfindungsgemäß bevorzugt
das Hybridbauteil einseitig fest durch den Herstellprozess mit einer
Strukturverstärkung verbunden ist, kann auf der anderen
Seite des Hybridbauteils eine weitere Strukturverstärkung
lose aufgesteckt werden die erst durch den ausdehnbaren Schaumkleber
fest mit dem Hybridbauteil und der Innenseite der zu verstärkenden
Karosseriehohlraums verbunden wird. In einzelnen Fällen
kann sicherlich aber auch ein Hybridbauteil mit an beiden Seiten
im gleichen Herstellprozess angespritzter Strukturverstärkung
eingesetzt werden. Dies ist davon abhängig ob Fertigungstoleranzen
ausgeglichen werden müssen. Umgekehrt kann aber auch eine
Strukturverstärkung beidseitig oder sogar in weiteren Raumrichtungen
mit mehr als einem Hybridteil versehen werden. Entsprechend des
Einsatzortes in der zu verstärkenden Karosserie bieten
sich die Möglichkeiten der Kombination einer Strukturverstärkung
mit zwei, drei oder sogar mit vier Hybridteilen.
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Das
ausdehnbare Klebstoffmaterial erfüllt zwei Hauptfunktionen:
Es dehnt sich über den Raum zwischen dem einstückigen
Verstärkungselement und dem Inneren des Hohlprofils hinweg
aus, ohne die Innenfläche des Außenpaneels zu
berühren, und das Material verbindet sich außerdem
mit einigen oder allen Innenwänden der Hohlstruktur, die
kein Außenpaneel bilden. Dementsprechend bedeutet "ausdehnbares
Klebstoffmaterial" erfindungsgemäß, dass das Material
aktiviert werden kann, um sich sowohl auszudehnen (in der Regel
zu verschäumen) als auch als Klebstoff zu fungieren. Die
Aktivierung befähigt darum das ausdehnbare Materia, sich
auszudehnen und einen Spalt zwischen dem einstückigen Verstärkungselement
und jener Hohlstruktur, die es verstärken soll, auszufüllen
und sich mit ausgewählten Innenflächen der Hohlstruktur
zu verbinden. Dementsprechend muss sich der ausdehnbare Klebstoff
bei der gewünschten Temperatur ausdehnen und muss genügend
Klebevermögen aufweisen, um das einstückige Verstärkungselement
im Inneren der Fahrzeugstruktur fest zu verbinden. Nach dem Verschäumen
muss es genügend fest sein, damit es keine Schwachstellen
in den Gesamtverstärkungsprozess eintragt. Die Verteilung
des verschäumbaren Materials über dem Verstärkungskern
vollzieht sich so, dass es beim und nach dem Verschäumen
kein Verformen des Außenpaneels verursacht. Dies wird gemäß dieser
Erfindung durch Minimieren der Kontaktfläche zwischen dem
Schaumstoff und der Innenfläche des Außenpaneels
das den Sichtbereich bildet, erreicht, wobei die Kontaktfläche
vorzugsweise null beträgt. Durch sorgfältige Steuerung
ist es möglich, ein Außenpaneel zu verstärken,
während ein kleiner Spalt zwischen der Innenfläche
des Außenpaneels und dem Schaumstoff bleibt. Dies gewährleistet,
dass das dünne Blech des Außenpaneels beim Abkühlen
und Schrumpfen des Schaumstoffs nicht durch das Zusammenziehen des
Schaumstoffs verformt wird.
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Vor
dem Aktivieren ist das ausdehnbare Klebstoffmaterial vorzugsweise
trocken und nicht klebrig, weil dies den Versand und den Umgang
vereinfacht und ein Verschmutzen verhindert. Zu den Beispielen bevorzugter
verschäumbarer Materialien gehören verschäumbare
Epoxydharze. Beispiele solcher Materialien sind die Produkte L5206,
L5207, L5208 und L5209 der Firma L&L Products aus Romeo, Michigan, USA,
oder die Betscore-Produkte 5204, 5206, 5205 und 5208 der Firma L&L Products Europa.
Das Produkt ist entsprechend der erforderlichen Ausdehnungsrate
und Schaumstoffdichten auszuwählen. Es ist des Weiteren
bevorzugt, dass es sich bei den Temperaturen ausdehnt, die in dem Elektrobeschichtungsbrennofen
auftreten, in der Regel 100°C bis 200°C.
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Das
ausdehnbare Klebstoffmaterial wird auf wenigstens einen Abschnitt
der Oberfläche des starren Verstärkungselements
aus Hybridteil und Strukturverstärkung aufgebracht, die
sich neben einer Innenfläche des zu verstärkenden
Profils des Fahrzeugrahmens befindet, während die Menge
an Schaumstoff neben dem Außenpaneel gesteuert wird. Es
ist bevorzugt, dass das verschäumbare Material über wenigstens
einen Teil aller Flächen des Verstärkungselements,
die sich neben den Wänden des Fahrzeugprofils befinden,
aufgebracht wird und dass die Menge und der Auf bringungsort des
verschäumbaren Materials, das über die Oberfläche
des Verstärkungsmaterials neben der Innenfläche
des Außenpaneels aufgebracht wird, so gesteuert wird, dass
verhindert wird, dass der Schaumstoff ein Verformen des Außenpaneels
verursacht. Die optimale Verteilung hängt von der Form
des zu verstärkenden Profils ab, aber der Schaumstoff ist
vorzugsweise so angeordnet, dass er zwei nicht-parallele Flächen
miteinander verklebt, um eine Festigkeit in wenigstens zwei Dimensionen
zu verleihen. Das ausdehnbare Material kann auf das starre Verstärkungselement durch
Aufkleben eines Streifens des Materials auf das Element, durch Extrusionsbeschichtung
oder durch Spritzgießen aufgebracht werden. Wo das Verstärkungselement
durch Spritzgießen hergestellt ist, kann das ausdehnbare
Material durch Überformen oder durch Zweistufen-Spritzgießen
aufgebracht werden. Das Material muss jedoch unter Bedingungen aufgebracht
werden, unter denen sich kein Verschäumen vollzieht.
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Die
Dicke des ausdehnbaren Klebstoffmaterials und der Ausdehnungsgrad
müssen so gesteuert werden, dass der Schaumstoff beim Ausdehnen
den Raum zwischen dem starren Verstärkungselement und dem
Hohlprofile ausfüllt, dass aber der Schaumstoff nicht die
Innenfläche des äußeren Karosseriepaneels
in einem solchen Maße berührt, dass das Abkühlen
des ausgedehnten Schaumstoffs das äußere Karosseriepaneel
verformt. Dies kann erreicht werden, indem man kein ausdehnbares
Material auf die Oberfläche des einstückigen Verstärkungselements
aufbringt, die sich neben der Innenfläche des äußeren
Paneels befindet, oder indem man die Menge und Dicke des ausdehnbaren
Materials auf der Oberfläche des einstückigen
Verstärkungselements neben dem äußeren
Paneel so steuert, dass es sich beim Ausdehnen in unmittelbarer
Nähe zur Innenfläche des Außenpaneels
befindet, aber maximal 50% der Innenfläche des Außenpaneels
berührt und vorzugsweise die Innenfläche des Außenpaneels überhaupt
nicht berührt.
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Das
Hohlprofil mit dem an seinem Platz befindlichen einstückigen
Verstärkungselement kann dann dem Elektrobeschichtungsprozess
unterzogen werden, bei dem es durch ein Bad aus Beschichtungsmaterial
geleitet wird und eine Korrosionsschutzbeschichtung mittels Elektrolyse
auf der Struktur abgeschieden wird. Die Fahrzeugstruktur wird dann
in einem Ofen getrocknet, um die Beschichtung zu komplettieren,
und der ausdehnbare Klebstoff wird vorzugsweise so gewählt,
dass er durch die Trocknungsbedingungen aktiviert wird, die in dem
Ofen herrschen, um die mittels des Elektrobeschichtungsprozesses
aufgebrachte Beschichtung zu brennen. Auf diese Weise dehnt sich
das ausdehnbare Material unter den Trocknungsbedingungen aus, um
einen Schaumstoff zu erzeugen, der den Raum zwischen dem Verstärkungselement
und den Innenwänden ausfüllt und eine feste Verbindung
zwischen dem einstückigen Verstärkungselement
und der Innenwand herstellt. In der Regel wird die beschichtete
Struktur bei 100–200°C bevorzugt bei 160–190°C,
insbesondere bei 165–185°C über einen
Zeitraum von bis zu 30 Minuten, bevorzugt 10–25 Minuten
getrocknet, und dementsprechend muss sich der Klebstoff unter diesen
Bedingungen aus dehnen. Die Industrie ist jedoch bestrebt, niedrigere
Trocknungstemperaturen und kürzere Trocknungszeiten zu
verwenden, und dies kann die Auswahl der ausdehnbaren Klebstoffmaterialien
beeinflussen.
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Wenn
andere Komponenten, zum Beispiel Schrauben, während der
anschließenden Montage durch das einstückige Verstärkungselement
hindurchgeführt werden sollen, so muss darauf geachtet werden,
dass Löcher, die in dem Verstärkungselement für
das Hindurchführen der Schrauben ausgebildet sind, nicht
durch den Schaumstoff blockiert werden, wenn dieser sich ausdehnt.
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Die
Techniken der vorliegenden Erfindung können für
die Verstärkung jeder Konstruktion verwendet werden, die
auf einer hohlen Rahmenstruktur basiert, bei der wenigstens ein
Teil einer oder mehrerer Wände ein Außenpaneel
in Kombination mit einem länglichen Hohlraum ist. Die Techniken
können zum Beispiel in der Bauindustrie oder beim Bau von Schiffen,
Flugzeugen und Schienenfahrzeugen verwendet werden. Sie eignen sich
jedoch besonders zum Verstärken von 1-, 2-, 3- oder 4-achsigen,
bevorzugt 2-achsigen Fahrzeugen, bevorzugt Kraftfahrzeugen einschließlich
Pkw, Lkw, Wohnwagen und dergleichen. Die Techniken eignen sich besonders für
den derzeitigen Trend hin zur Verwendung leichterer und mitunter
schwächerer Materialien in der Produktion von Kraftfahrzeughilfsrahmen,
wo eine größere Notwendigkeit einer Verstärkung
besteht, um die Verringerung der Festigkeit des Basismaterials auszugleichen
und dennoch die Sicherheitsvorgaben zu erfüllen. Dies gilt
ganz besonders für die Verwendung von Aluminium für
den Bau von Automobilen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft aber auch ein Verfahren zum Verstärken
eines Hohlelements, umfassend das Bereitstellen eines steifen Verstärkungselements
aus Hybridteil und Strukturverstärkung innerhalb des Hohlelements,
mit einer zellularen, wabenförmigen oder gerippten Innenstruktur und
mit einer Form, die im Wesentlichen konform zu dem Querschnitt des
Abschnittes des Hohlelements ist, und mit einem expandierbaren Klebematerial
das über zumindest einen Abschnitt der Oberfläche
des steifen Verstärkungselements angebracht ist, der ausreichend
ist, das Verstärkungselement an zumindest zwei nichtparallelen
Innenflächen des Hohlelements anzuhaften, dadurch gekennzeichnet,
dass vor der Aktivierung, wobei das expandierbare Klebematerial
trocken und bei Berührung klebefrei ist und die Verstärkung
von einer Größe ist, dass ein Zwischenraum zwischen
der Oberfläche des expandierbaren Klebematerials und den
Innenwänden des Hohlelements besteht, das steife Verstärkungselement
mit kleinen Distanzstücken auf seiner Außenfläche
versehen ist, welche ihm eine Beabstandung zu den Innenwänden
des Hohlelements ermöglichen, wobei das Hohlelement, welches
das steife Verstärkungselement enthält, dem Elektrobeschichtungs-Antikorrosions-Prozess
unterworfen wird, bei dem das expandierbare Klebematerial bei den
Temperaturen expandiert, mit denen man den Elektrobeschichtungs-Ausheizofen
betreibt.
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Die
Erfindung betrifft aber auch die Verwendung einstückiger
Verstärkungselemente aus
- a) einem
länglichen, schalenförmigen Grundkörper
dessen Innenraum Verstärkungsrippen aufweist, welche mit
den Grundkörper fest verbunden sind, wobei die Verstärkungsrippen
aus angespritztem Kunststoff bestehen und deren Verbindung mit dem
Grundkörper an diskreten Verbindungsstellen über
Durchbrüche im Grundkörper erfolgt, durch welche
der Kunststoff hindurch- und über die Flächen
der Durchbrüche hinausreicht und
- b) aus einer aus demselben Kunststoff durch denselben Anspritzvorgang
an wenigstens einem Ende des Grundkörpers angefügten,
starren Strukturverstärkung, welche im Wesentlichen die Form
des Querschnitts des an dieser Stelle einer Karosserie zu verstärkenden
Hohlprofils entspricht, wobei ein ausdehnbares Klebstoffmaterial über
einen Abschnitt der Oberfläche des starren Verstärkungselements
und des länglichen, schalenförmigen Grundkörpers
aufgebracht ist, wobei die Form des starren Verstärkungselements
des länglichen Grundkörpers, sowie die Menge und Verteilung
des ausdehnbaren Klebstoffs so gewählt sind, dass das Klebstoffmaterial
beim Ausdehnen nicht die Innenfläche des äußeren,
im Sichtbereich liegenden Bleches des zu verstärkenden
Karosseriehohlraums berührt sondern wenigstens einen Teil
der anderen Innenwände des zu verstärkenden Karosseriehohlraumes
berührt und daran haftet zur Verstärkung eines
Hohlelements, bevorzugt eines Hohlelements das Teil eines Fahrzeugs
ist.
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Die
vorliegende Erfindung wird anhand der Zeichnungen veranschaulicht,
die erfindungsgemäß einstückige Verstärkungselemente
aus Hybridbauteil und Strukturverstärkung zum Verstärken
von Fahrzeug-Karosserien zeigen.
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1 zeigt
schematisch einen Seitenwandrahmen eines KFZ mit einem erfindungsgemäßen Verstärkungselement
im Schwellerbereich zwischen dem Anschluss zur A-Säule
und dem Anschluss zur B-Säule. Das einstückige
Verstärkungselement besteht hier aus einem schalenförmigen
Grundkörper h und jeweils einer angefügten starren
Sturkturverstärkung.
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2 Schnitt
A-A zeigt die starre Strukturverstärkung d mit Rippen g.
Ein innerer Seitenwandrahmen b und ein äußerer
Seitenwandrahmen a bilden den zu verstärkenden Hohlkörper.
Der innere Seitenwandrahmen ist mit dem Bodenblech c verschweißt
oder verklebt f. Ebenso sind der innere und der äußere
Seitenwandrahmen miteinander verbunden f. Abschnittweise aufgetragener
und expandierter Klebschaumstoff e verbindet die starre Sturkturverstärkung
d mit dem Schweller bestehend aus innerem Seitenwandrahmen b und äußerem
Seitenwandrahmen a.
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Schnitt
B-B zeigt den länglichen schalenförmigen Grundkörper
h mit Verstärkungsrippen i. Der Grundkörper h
ist abschnittweise über expandiertem Klebschaumstoff e
mit den inneren Seitenwandrahmen und mit dem äußeren
Seitenwandrahmen verbunden.
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3 zeigt
ein erfindungsgemäßes Verstärkungselement
bestehend aus einer verrippten starren Strukturverstärkung
d und einem verrippten länglichen schalenförmigen
Grundkörper h.
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4 zeigt
schematisch bevorzugte Einsatzorte der erfindungsgemäßen
Hohlraumverstärkung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0370342
A [0005, 0018, 0031, 0032, 0033]
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