DE102010013344A1

DE102010013344A1 - Rohbauteil, seine Verwendung und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102010013344A1
Application number: DE102010013344A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Salkic Asmir; Dipl.-Ing. Sretenovic Mirko
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2011-10-06

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Rohbauteil (1) bereit, das einen Tragrahmen umfasst, dessen Struktur durch Profile (3) aus einem Faser verstärkten Kunststoff, die in Knotenvorrichtungen (2) gefügt sind, gebildet wird. Ein oder mehrere Schalenelemente (4), die den Tragrahmen zumindest teilweise oder ganz überspannen und an diesem festgelegt sind, vervollständigen das Rohbauteil (1). Ferner werden Verwendung und Herstellungsverfahren für das Rohbauteil (1) offenbart.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rohbauteil, sowie dessen Verwendung als Kraftfahrzeugbauteil und ein Verfahren zur Herstellung des Rohbauteils.
Ein konventioneller Rohbau für ein Kraftfahrzeug besteht aus metallischen Schalen, die in Profilen und Membranen zusammengefügt sind. Hier übernehmen beide Strukturarten tragende Funktionen. Im Zuge der zunehmenden Leichtbauweise im Kraftfahrzeugbau zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs kommen vermehrt Faserverbundkunststoffwerkstoffe zum Einsatz, die trotz ihres hohen Gewichteinsparungspotenzials sehr gute Steifigkeits- und Festigkeitswerte aufweisen und dadurch tragende Funktionen in der Kraftübertragung übernehmen können.
So ist aus der DE 44 23 642 C1 ein Tragrahmen für ein Kraftfahrzeug bekannt, der in Fachwerkbauweise aus separat vorgefertigten Rahmenprofilteilen besteht, die formsteif mit Hilfe von Knotenstellen aus einem Faserverbundwerkstoff verbunden werden. Die Knotenstellen bestehen aus Faser-Vorformlingen, deren Faserstruktur lastgerecht ausgebildet ist, und die Aufnahmetaschen für die Rahmenprofilteile aufweisen. Rahmenprofilteile und Knotenstellen werden in einem entsprechenden Formwerkzeug durch aushärten Lassen der Kunststoffmatrix und der Knotenstellen lagegenau miteinander verbunden.
Ferner ist durch die DE 19 756 909 A1 ein Fahrzeug mit einem Rahmen bekannt, der zur Aufnahme von Antriebsaggregat und Fahrwerk sowie einem Fahrzeugaufbau vorgesehen ist. Zwischen dem Fahrzeugaufbau und dem Rahmen sind dabei Kopplungselemente im Bereich von Schwingungsknoten angeordnet, wodurch die von einer Brennkraftmaschine erzeugten Schwingungen nur in geringem Maße in den Fahrzeugaufbau übertragen werden. Während der Rahmen aus einem Leichtmetall gefertigt sein kann, können die Kopplungselemente von Gummi-Metall-Lagern oder Hydrolagern gebildet werden, die ein zur Schwingungsentkopplung geeignetes Federungs- und Dämpfungsverhalten aufweisen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Rohbauteile bereit zu stellen, die der Leichtbauweise genügen und bei denen die Funktionen Kraftübertragung und Raumaufteilung getrennt werden, und die ferner kostengünstig und einfach auch in Großserie hergestellt werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Rohbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Verwendung eines derartigen Rohbauteils wird in Anspruch 6 offenbart.
Ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 stellt ein kostengünstiges und seriengeeignetes Herstellungsverfahren für ein solches Rohbauteil bereit.
Weiterbildungen der jeweiligen Gegenstände sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Eine erste Ausführungsform bezieht sich auf ein Rohbauteil, das aus einem Tragrahmen besteht, dessen Struktur durch Profile, die in Knotenvorrichtungen gefügt sind, gebildet wird. Die Profile sind dabei, um dem Leichtbau zu genügen, aus einem faserverstärkten Kunststoff hergestellt. Um das Rohbauteil aus dem strukturbildenden Tragrahmen zu erhalten, ist vorgesehen, dass ein oder mehrere Schalenelemente, die den Tragrahmen zumindest teilweise überspannen, an diesem festgelegt werden. In dem so gefertigten Rohbauteil übernehmen die faserverstärkten Kunststoffprofile die Traglast, während das auf der Rahmenstruktur befestigte Schalenelement als Trennwand dient und nur wenig Kraft aufnimmt.
Die verwendeten Knotenvorrichtungen können zum Aufbau der Tragrahmenstruktur jeweils zumindest zwei räumlich voneinander getrennte Einschubkammern umfassen, die zur Aufnahme von jeweils einem Profil vorgesehen sind. Durch geeignete Ausbildung der jeweiligen Knotenvorrichtungen kann somit eine nahezu beliebige Tragrahmenstruktur für das Rohbauteil geschaffen werden. Die räumliche Trennung der Einschubkammern für die Profile ermöglicht eine maßgenaue Herstellung des Tragrahmens.
In einer Ausführungsform werden als Profile im Pultrusionsverfahren hergestellte faserverstärkte Kunststoffprofile verwendet, die einen sehr hohen Faseranteil bis zu 70 Vol.-% aufweisen und durch das Pultrusionsverfahren günstig hergestellt werden können.
Sowohl die Knotenvorrichtungen als auch das Schalenelement können aus einem Metallmaterial oder aus einem geeigneten Faserverbundwerkstoff gefertigt sein. Für die Knotenvorrichtungen kommt bei Verwendung eines Metallmaterials zur Fertigung ein Gussverfahren in Frage, bei der Wahl eines faserverstärkten Kunststoff ist die Herstellung mittels Harz getränkten Textilformlingen oder auch die Verwendung von Hybridgarnen denkbar. Die Schalenelemente können aus einem Glasfaserverbundkunststoff, etwa einer Sheet Molding Compound, oder einer dünnwandig ausgebildeten metallischen Schalenmembran bestehen.
In kostengünstiger Weise können die Profile in Ausführungsformen der Erfindung in den Knotenvorrichtungen mittels eines Klebstoffs fixiert werden. Auch der Verbund zwischen dem Schalenelement und dem Tragrahmen kann kostengünstig durch Kleben erfolgen. Der Klebverbund zwischen Knotenvorrichtung und Profilen und zwischen Schalenelement und Tragrahmen kann zusätzlich durch mechanische Verbindungselemente unterstützt werden. Dies kann mit Hilfe des Fließbohrens, Nietens, Blindnietens und Verschraubens realisiert werden.
Ein derartiges Rohbauteil eignet sich zur Verwendung im gesamten Fahrzeugrohbau der Karosserie, etwa auch für eine Bodenplatte, insbesondere jedoch für eine Dachstruktur, einen Kofferraumdeckel oder eine Motorhaube.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines solchen Rohbauteils umfasst dabei einfach das Einfügen der vorzugsweise pultrudierten faserverstärkten Kunststoffprofile in die Knotenvorrichtungen, wodurch die Struktur des Tragrahmens aufgebaut wird. Dabei werden die Profile vorzugsweise in den Knotenvorrichtungen eingeklebt. Geeignete Klebstoffe für die entsprechende Materialkombination sind dem Fachmann bekannt.
Auf die Tragrahmenstruktur, die die Funktion der Kraftübertragung übernimmt, und die geeigneter Weise lastgerecht verlegt ist, wird das Schalenelement, das die Funktion der Raumaufteilung beziehungsweise der Trennwand übernimmt, an dem Tragrahmen angeordnet und mit diesem verbunden. Diese Befestigung erfolgt ebenfalls mittels Kleben. Die jeweiligen Klebeverbindungen können mechanisch unterstützt werden, beispielsweise durch Fließbohren, Nieten, Blindnieten und/oder Schrauben.
Das so geschaffene Rohbauteil weist durch die kraftgerechte Profilverteilung mit faserverstärkten Kunststoff-Strukturen beziehungsweise Profilen von bis zu 70 Vol.-% Faseranteil ein hohes Leichtbaupotenzial auf, das zudem durch die mittels des Pultrusionsverfahrens hergestellten Profile und dem Fügen mittels Kleben äußerst günstig herzustellen ist.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt.
Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
Dabei zeigt:
1 Eine schematische Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Rohbauteil aus Tragrahmen und Schalenelement,
2a eine Detaildarstellung einer ersten Knotenvorrichtung des Tragrahmens aus 1,
2b eine weitere Knotenvorrichtung des Tragrahmens aus 1.
Das erfindungsgemäße Rohbauteil dient vorzugsweise zur Verwendung im Kraftfahrzeugbau, kann aber generell auch für andere Verkehrs- und Transportmittel, beziehungsweise Aufbauten verwendet werden, die unter Verwendung einer Gerüststruktur wie dem Tragrahmen und den diesen überspannenden Schalen als Trennwände aufgebaut werden können.
Ein erfindungsgemäßes Rohbauteil, das aus dem Tragrahmen und einer den Tragrahmen teilweise umhüllenden Schale besteht, kann für den Gesamtrohbau eines Kraftfahrzeugs oder auch für Teilumfänge wie Dachstrukturen, Motorhauben etc. eingesetzt werden, die in der Montage oder im Rohbau verbaut werden können.
Ein solches Rohbauteil 1, das den Leichtbauanforderungen genügt, ist in 1 dargestellt. Während die Kraftübertragung der auf das Rohbauteil im verbauten Zustand einwirkenden Kräfte durch den Tragrahmen aufgenommen werden, der aus den Knotenvorrichtungen 2 und den dazwischen eingefügten Profilen 3 besteht, erfüllt das den Tragrahmen überspannende Schalenelement 4, respektive eine „Membran”, die Funktion der Raumaufteilung beziehungsweise der Trennung.
Als Material für die Profile 3 wird vorzugsweise ein faserverstärkter Kunststoff eingesetzt, der einen hohen Faseranteil aufweist. Hier kommen insbesondere faserverstärkte Kunststoffprofile in Frage, die etwa in Pultrusionsverfahren mit einem sehr hohen Faseranteil, der von 30 bis zu 70 Vol.-% betragen kann, günstig hergestellt werden können. Solche faserverstärkten Kunststoffprofile ermöglichen damit einerseits ein maximales Leichtbaupotenzial und andererseits die kostengünstige Herstellung.
Die Knotenvorrichtungen 2 werden fachwerkartig derart angeordnet, so dass sie einerseits die gewünschte Tragrahmenstruktur für das Rohbauteil 1 zusammen mit den Profilen 3 ergeben, andererseits können sie vorzugsweise so ausgebildet und angeordnet sein, dass sie eine last- beziehungsweise kraftgerechte Profilbewegung ermöglichen, wodurch das Leichtbaupotenzial des Rohbauteils optimal ausgeschöpft werden kann.
Während die faserverstärkten Kunststoffprofile 3 die Traglast übernehmen, die in den Knotenvorrichtungen 2 zu der Tragrahmenstruktur gefügt sind, dient das darauf gefügte Schalenelement 4 lediglich als Trennwand und übernimmt keine oder nur wenig Kraft. Je nach Struktur des zu bildenden Tragrahmens können die Knotenvorrichtungen 2 unterschiedlich ausgestaltet sein, so können sie quasi ein Eckverbindungsstück bilden, wie in Detail A gezeigt, von dem sich drei Profile 3 erstrecken. Die Knotenvorrichtungen 2 können aber auch die Profile 3 T-förmig verbinden, wie dies im Detail B verdeutlicht ist.
So zeigt 2a den Detailbereich A aus 1, dort ist eine Eckknotenvorrichtung 2 zu sehen, in 2b ist der Detailbereich B mit der T-Knotenvorrichtung dargestellt. Die in 2a und 2b gezeigten Knotenvorrichtungen 2 weisen jeweils zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Aufnahmekammern 2' auf, in die Profile 3 aufgenommen sind. Ein solches Knotenelement kann im Metallguss, beispielsweise aus Aluminium, gefertigt sein, es kann aber auch hier ein faserverstärktes Kunststoffmaterial zum Einsatz kommen. Die Fügetechnik der Profile 3 in den Knoten 2 besteht hauptsächlich aus Kleben, was eine kostengünstige Herstellung ermöglicht. Generell sind aber auch andere Fügetechniken denkbar, insbesondere wenn sowohl Knotenvorrichtung als auch Profile aus faserverstärktem Kunststoffmaterial, etwa einem Thermoplasten, gefertigt sind.
Auch die Membran, respektive das Schalenelement, die/das als eine dünne metallische Schale gefertigt ist und ebenfalls aus einem faserverstärktem Kunststoff, etwa aus Glasfasern in duroplastischer Matrix (Sheet Molding Compound), hergestellt sein kann, wird vorzugsweise durch Kleben an dem Tragrahmen befestigt. Neben Glasfasern sind auch Karbonfasern oder Aramidfasern als Verstärkungsfasern denkbar. Auch ist die Kunststoffmatrix nicht auf einen Duroplasten beschränkt, auch hier kann ein thermoplastischer Kunststoff zum Einsatz kommen. Auch die verwendeten faserverstärkten Kunststoffprofile sind nicht auf bestimmte Materialen beschränkt, es kommen sämtliche gängigen Verstärkungsfasern, sowie die möglichen Kunststoffmatrixkomponenten in Frage. Auch der Faseranteil ist nicht auf den Bereich von 30 bis 70 Vol.-% beschränkt, sondern kann in Ausnahmefällen auch darunter oder darüber liegen.
Beim Fügen von den Profilen in den Knotenvorrichtungen als auch von Tragrahmen und Schalenelement kann der Klebverbund durch mechanische Verbindungen zusätzlich unterstützt werden, dabei kommen Nieten, Blindnieten oder Schrauben in Frage, die in entsprechende Aufnahmeöffnungen, die durch Fließbohren, Bohren oder auf andere Weise geschaffen werden, eingefügt werden.
Die in 2a und 2b dargestellten Knotenvorrichtungen in Form einer rechtwinkligen Eckverbindung und T-förmiger Verbindung sind nicht beschränkend zu verstehen. Generell können die zum Aufbau des Tragrahmens des Rohbauteils verwendeten Knotenvorrichtungen entsprechend der geforderten Struktur ausgestaltet sein, so müssen die Aufnahmekammern in der Knotenvorrichtung nicht rechtwinklig zueinander positioniert sein, die darin angeordneten Profile können auch spitze oder stumpfe Winkel zueinander bilden.
Es können auch mehr als zwei Einschubkammern für darin anzuordnende Profile in einer Knotenvorrichtung vorliegen, wobei sich diese nicht in einer gemeinsamen Ebene erstrecken müssen, sie können hingegen in beliebige Raumrichtungen, eben entsprechend der gewünschten Tragrahmenstruktur, ausgerichtet sein, so dass auch gewölbte und dreidimensional geformte Rohbauteile gefertigt werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4423642 C1 [0003]
DE 19756909 A1 [0004]

Claims

Rohbauteil (1), umfassend einen Tragrahmen, dessen Struktur durch Profile (3) aus einem Faser verstärkten Kunststoff, die in Knotenvorrichtungen (2) gefügt sind, gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohbauteil (1) zumindest ein Schalenelement (4) umfasst, das den Tragrahmen zumindest teilweise überspannt und an diesem festgelegt ist.
Rohbauteil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Knotenvorrichtung (2) zumindest zwei räumlich voneinander getrennte Einschubkammern (2') zur Aufnahme jeweils eines Profils (3) aufweist.
Rohbauteil (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser verstärkten Kunststoff-Profile (3) pultrudierte Faser verstärkte Kunststoff-Profile (3) mit einem Faseranteil bis zu 70 Vol.-% sind.
Rohbauteil (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Material der Knotenvorrichtungen (2) und/oder des Schalenelements (4) aus einem Faserverbundwerkstoff oder einem Metall ausgewählt ist.
Rohbauteil (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Profile (3) in den Knotenvorrichtungen (2) und/oder das Schalenelement (4) an dem Tragrahmen durch zumindest einen Klebstoff oder durch einen Klebstoff und ein mechanisches Verbindungselement aus der Gruppe, die Nieten, Blindnieten und Schrauben umfasst, befestigt sind/ist.
Verwendung eines Rohbauteils (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5 für einen Gesamtrohbau, eine Karosserie, eine Bodenplatte, ein Dach oder eine Motorhaube eines Kraftfahrzeugs.
Verfahren zum Herstellen eines Rohbauteils (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend die Schritte – Einfügen von Profilen (3) aus einem Faser verstärkten Kunststoff in die Knotenvorrichtungen (2) und dadurch Aufbauen der Struktur des Tragrahmens des Rohbauteils (1), – Anordnen von zumindest einem Schalenelement (4), das den Tragrahmen des Rohbauteils (1) zumindest teilweise überspannt und – Befestigen des Schalenelements (4) an dem Tragrahmen.
Verfahren nach Anspruch 7, umfassend den Schritt Kleben der Profile (3) in den Knotenvorrichtungen (2) und/oder des Schalenelements (4) an den Tragrahmen.
Verfahren nach Anspruch 8, umfassend den Schritt zusätzlich mechanisch Verbinden der Profile (3) in den Knotenvorrichtungen (2) und/oder des Schalenelements (4) mit dem Tragrahmen durch Nieten, Blindnieten und/oder Schrauben.