DE102010037817A1

DE102010037817A1 - Struktur- oder Fahrwerkteil eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102010037817A1
Application number: DE201010037817
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Gieseke Torsten; Dipl.-Kfm. Kleinschmidt Oliver; Dr.-Ing. Patberg Lothar
Original assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Priority date: 2010-09-28
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2012-03-29
Also published as: US8574711B2; WO2012052250A9; CN103153603B; WO2012052250A3; EP2621719A2; BR112013007284A2; WO2012052250A2; US20130244014A1; CN103153603A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Struktur- oder Fahrwerkteil eines Kraftfahrzeugs. Die Aufgabe ein Struktur- oder Fahrwerkteil zur Verfügung zu stellen, welches eine weitere Gewichtseinsparung ermöglicht ohne die Eigenschaften in Bezug auf das Lastaufnahmevermögen zu verschlechtern, wird dadurch gelöst, dass das Struktur- oder Fahrwerkteil aus einem Verbundwerkstoff mit einer äußeren metallischen Schicht, einer mittleren Kunststoffschicht oder Kunststoffschaumschicht und einer äußeren faserverstärkten Kunststoffschicht besteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Struktur- oder Fahrwerkteil eines Kraftfahrzeugs.
Kraftfahrzeuge müssen ständig neuen Anforderungen gerecht werden. So besteht ein generelles Bedürfnis nach Verringerung des Gewichts des Kraftfahrzeugs bei gleichbleibenden Sicherheitsanforderungen. Die Sicherheitsanforderungen werden durch Struktur- oder Fahrwerkteile gewährleistet. Als Strukturteile im Sinne der vorliegenden Erfindung werden daher beispielsweise Teile des Unterbodens, Bodenbleche, Bodengruppen, Türaufprallträger, Dachverstärkungen, Fensterrahmenverstärkungen, Stoßfänger, B-Säulenverstärkungen bzw. B-Säulen, Instrumententafelträger, Batteriegehäuse, Tankbehälter, Wasserkasten, Reserveradmulde etc. angesehen. Den genannten Strukturteilen ist gemein, dass diese nicht Teil der sichtbaren Außenhaut des Kraftfahrzeuges sind und vor allem aufgrund ihrer tragenden Funktion zur Aufnahme und/oder Weiterleitung von Kräften, die auf das Kraftfahrzeug wirken, dienen. Als Fahrwerkteile werden im Sinne der vorliegenden Erfindung beispielsweise Querträger des Fahrwerks, Hilfsrahmen, Lenker, Schwenklager, Stabilisatoren, Motorquerträger, Verbundlenkerachsen, Radführungsmodule aber auch die Radschale einer Felge angesehen. Fahrwerkteile sind also Bauteile, die in funktionalem Zusammenhang mit dem Fahrwerk bzw. den Fahreigenschaften des Kraftfahrzeuges und damit den Sicherheitsanforderungen für Kraftfahrzeuge stehen. Bei den bisher üblicherweise verwendeten Werkstoffen für Struktur- und Fahrwerkteile des Kraftfahrzeuges sind die Grenzen für weitere Gewichtsreduzierungen für aus einem einzigen Werkstoff bestehende Struktur- oder Fahrwerkteile nahezu erreicht. Die Verwendung von Verbundwerkstoffen ist für Kraftfahrzeuge für Außenhautteile, insbesondere Fahrzeugdächer aus der deutschen Patentschrift DE 102 21 582 B4 bekannt. Der Verbundwerkstoff besteht aus einer Metallschicht mit einer darunterliegenden Kunststoffschicht aus thermoplastischem Kunststoff sowie einer dritten Schicht aus einem faserverstärkten Kunststoff.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Struktur- oder Fahrwerkteil zur Verfügung zu stellen, welches eine weitere Gewichtseinsparung ermöglicht ohne die Eigenschaften in Bezug auf das Lastaufnahmevermögen zu verschlechtern.
Die oben genannte Aufgabe wird für ein Struktur- oder Fahrwerkteil eines Kraftfahrzeugs dadurch gelöst, dass das Struktur- oder Fahrwerkteil aus einem Verbundwerkstoff mit einer äußeren metallischen Schicht, einer mittleren Kunststoff- oder Kunststoffschaumschicht und einer äußeren faserverstärkten Kunststoffschicht besteht. Bei dem erfindungsgemäßen Strukturteil oder Fahrwerkteil eines Kraftfahrzeugs wird die metallische Schicht nicht zur Lastaufnahme verwendet. Das Lastaufnahmevermögen des erfindungsgemäßen Strukturteils oder Fahrwerkteils wird durch die faserverstärkte Kunststoffschicht bereitgestellt. Die thermoplastische oder duroplastische mittlere Kunststoff- oder Kunststoffschaumschicht des Verbundwerkstoffs ermöglicht, dass die Faserstruktur der faserverstärkten äußeren, thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffschicht sich nicht nach außen abdrücken. Darüber hinaus werden lokale Spannungsspitzen, beispielsweise in Folge von Steinschlägen, in Richtung der faserverstärkten Kunststoffschicht gedämpft, so dass der harte und spröde faserverstärkte Kunststoff nicht reißen kann. Die äußere metallische Schicht des Verbundwerkstoffs dient einerseits zum Schutz der thermoplastischen oder duroplastischen, mittleren Schicht, beispielsweise vor Feuchtigkeit, andererseits als Außenhaut aber auch als Indikator für eine eventuelle Überbelastung des Strukturteils oder Fahrwerkteils. Beispielsweise können Risse oder Aufwölbungen in der metallischen Schicht Überbelastungen anzeigen. Die konsequente Verwendung des Verbundwerkstoffs in den erfindungsgemäßen Struktur- oder Fahrwerkteilen ermöglicht eine weitergehende, deutliche Gewichtsreduzierung bei Kraftfahrzeugen. Der Aufbau der Struktur- oder Fahrwerkteile ermöglicht zudem einen dauerhaften Einsatz im Kraftfahrzeug, ohne dass Eigenschaftsverluste auftreten, da beispielsweise die empfindlicheren faserverstärkte Kunststoffschicht durch die übrigen Schichten geschützt werden kann.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung des Struktur- oder Fahrwerkteils weist die faserverstärkte, thermoplastische oder duroplastische Kunststoffschicht Glasfaser und/oder Kohlefaser auf. Glasfaserverstärkte Kunststoffschichten sind in der Regel kostengünstiger als kohlefaserverstärkte Kunststoffschichten. Allerdings sind sie in Bezug auf deren Lastaufnahmevermögen im Vergleich zu kohlfaserverstärkten Kunststoffschichten begrenzt. Sie ermöglichen jedoch eine einfachere Fertigung, beispielsweise im Spritzgießverfahren. Kohlefaserverstärkte Kunststoffschichten dagegen weisen eine maximale Festigkeit bei geringstem Gewicht auf und führen daher zu einem minimalen Gewicht der Struktur- bzw. Fahrwerkteile. Auch der Einsatz von anderen Faserarten ist denkbar, z. B. Aramid, Polyethylen, Basalt, Bor. Metallfasern insbesondere Stahlfasern können ebenfalls zur Verstärkung der äußeren Kunststoffschicht verwendet werden und haben den Vorteil, dass die äußere Kunststoffsschicht elektrisch leitfähig wird und damit verschweißbar mit anderen Bauteilen ist. Um die Anhaftung bzw. Lackierung der Oberflächen des faserverstärkten Kunststoffs zu verbessern, wird vorzugsweise eine Corona-Behandlung bzw. Beflammung durchgeführt.
Thermoplastische Kunststoffe enthalten beispielsweise Polyolefine, Polyamide, Polyester, Polyethylene, Polyprophylene oder ein Blend der unterschiedlichen Kunststoffe. Vorzugsweise basieren die thermoplastischen Kunststoffschichten auf einem Polyamid und/oder Polyethylen. Beide thermoplastischen Kunststoffe lassen sich einerseits sehr gut verarbeiten, andererseits weisen diese vorteilhafte Eigenschaften in Bezug auf deren Umformfähigkeit im warmen Zustand auf. Polyamid ist im Vergleich zum Polyethylen grundsätzlich temperaturstabiler und kann auch in Hochtemperaturbereichen eingesetzt werden.
Duroplastische Kunststoffe sind temperaturstabil und können beispielsweise in Bereichen eingesetzt werden, in denen höhere Temperaturen insbesondere kurzzeitig auftreten können.
Um die geforderten Festigkeiten bei minimalem Gewicht zu erreichen, beträgt gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Struktur- oder Fahrwerkteils die Dicke der faserverstärkten Kunststoffes 0,2 mm bis 1,0 mm, vorzugsweise maximal 0,8 mm.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Struktur- oder Fahrwerkteils ist vorgesehen, dass die Dicke der mittleren thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffschicht 0,2 mm bis 3,0 mm, vorzugsweise maximal 1,0 mm beträgt. Um das Abdrücken von Fasern aus der kohlefaserverstärkten Kunststoffschicht in die darüberliegende metallische Schicht zu vermeiden und gleichzeitig die faserverstärkte thermoplastische oder duroplastische Kunststoffschicht vor Spannungsspitzen zu schützen, muss die mittlere Kunststoffschicht mindestens 0,2 mm dick sein. Ein sehr guter Kompromiss zwischen erhöhtem Gewicht und Vermeidung des Abdrückens von Fasern in der metallischen Außenschicht ist gegeben, wenn eine bis zu 1,0 mm dicke, mittlere Kunststoffschicht verwendet wird. Die Verwendung einer Kunststoffschaumschicht ist ebenfalls denkbar. Die Dicke der mittleren Schicht kann zwischen 0,2 mm und 50 mm, vorzugsweise 3,0 mm bis 30 mm betragen. Die Erhöhung der Dicke der mittleren Schicht kann insbesondere für Isolationsbereiche verwendet werden. Kunststoffschaumschichten weisen zudem bei gleicher Dicke ein verringertes Gewicht gegenüber Vollkunststoffschichten auf.
Wie bereits zuvor ausgeführt, hat die äußere metallische Schicht lediglich die Funktion, die Schichten aus thermoplastischem oder duroplastischem Kunststoff, beispielsweise vor Steinschlag zu schützen und dient daneben auch als Indikator für eine mögliche Überbelastung durch Bildung von Falten oder Rissen. Um diese Funktion mit möglichst geringem Gewichtszuwachs zu erfüllen, ist gemäß einer Ausgestaltung der Struktur- oder Fahrwerkteile vorgesehen, dass die Dicke der metallischen Schicht 0,1 mm bis 0,5 mm, vorzugsweise maximal 0,3 mm beträgt. Durch die Verwendung einer Korrosionsschutzschicht auf einer oder beiden Seiten der metallischen Schicht, kann der Korrosion der äußeren metallischen Schicht, beispielsweise aufgrund von Witterungseinflüssen, erfolgreich entgegengewirkt werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Struktur- oder Fahrwerkteils besteht die metallische Schicht aus Stahl, insbesondere einem verzinkten Stahl. Stahl ist nicht nur kostengünstig, sondern stellt auch die notwendigen Umformeigenschaften bereit, welche zur Herstellung von komplexen Struktur- oder Fahrwerkteilen notwendig ist. Denkbar ist natürlich auch die Verwendung von Aluminium oder anderen metallischen Schichten im Struktur- oder Fahrwerkteil.
Um die Herstellung von komplex geformten Struktur- oder Fahrwerkteilen zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn die Struktur- oder Fahrwerkteile im warmen Zustand umgeformt wurden. Im warmen Zustand bedeutet vorliegend, dass insbesondere der thermoplastische Kunststoff, welcher bevorzugt in der mittleren und in der faserverstärkten Kunststoffschicht verwendet wird, weich wird und entsprechend formbar wird. Hierzu sind die Bauteile auf die für den Kunststoff notwendige Temperatur, beispielsweise die Erweichungstemperatur zu erwärmen. Die Umformung erfolgt bei Temperaturen zwischen 180°C und max. 250°C, wobei auf die Beständigkeit- bzw. Temperaturstabilität des verwendeten thermoplastischen Kunststoffes geachtet werden muss. Vorzugsweise ist das Struktur- oder Fahrwerkteil ein Bodenblech, eine Bodengruppe, ein Batteriegehäuse, ein Tankbehälter, Wasserkasten, Reserveradmulde, eine Radschale einer Felge, eine Tunnelverstärkung, eine Verbund- oder Mehrlenkerachse oder eine A-, B- oder C-Säulenverstärkung. Denkbar ist auch, dass die Felge selbst aus dem beschriebenen Verbundwerkstoff besteht. Bei all diesen Struktur- oder Fahrwerkteilen ermöglicht die Verwendung des Verbundwerkstoffs eine deutliche Reduzierung des Gewichts bei gleichbleibenden Festigkeits- bzw. Verwendungseigenschaften im Kraftfahrzeug.
Das Struktur- oder Fahrwerkteil wird unterschiedlichen Lastbeanspruchungen ausgesetzt. Im Falle einer Überbelastung, was zu einer Beschädigung des beanspruchten Teils führen kann, ist die Beschädigung als Deformation in der metallischen Schicht erkennbar bzw. nachweisbar. Diese Deformationen können sich bei bestimmten Lastarten in einer Unregelmäßigkeit der Blechdicke aber auch durch plastische Verformung, die beispielsweise visuell erkennbar ist, ausbilden. Ist eine Beschädigung zu erkennen, kann das Teil ausgetauscht bzw. ersetzt werden.
Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in
1 in einer Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel eines Verbundwerkstoffs,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Strukturteils eines Kraftfahrzeugs in Form eines Bodenblechs in perspektivischer Darstellung,
3 in einer Schnittansicht ein zweites Ausführungsbeispiel eines Strukturteils in Form eines Batteriegehäuses,
4 in einer schematischen Schnittansicht eine Radscheibe einer Felge und
5a), b), c) in perspektivischer Darstellung Ausführungsbeispiele von weiteren Struktur- oder Fahrwerkteilen eines Kraftfahrzeugs.
1 zeigt zunächst den Verbundwerkstoff 1, welcher für die Struktur- oder Fahrwerkteile verwendet wird. Der Verbundwerkstoff besteht aus einer metallischen äußeren Schicht 2, welche vorzugsweise aus einem Stahlblech mit einer Dicke von 0,1 mm bis 0,5 mm besteht. Vorzugsweise ist die metallische Schicht 2 aus korrosionsgeschütztem, beispielsweise verzinktem Stahl aufgebaut. Die mittlere, thermoplastische Kunststoffschicht basiert vorzugsweise auf einem Polyamid oder Polyethylen, dass bedeutet, dass diese Schicht entweder aus einem spezifischen Polyamid oder Polyethylen oder aber auch aus einem Blend, welches Polyethylen und/oder Polyamid enthält, hergestellt ist. Die faserverstärkte thermoplastische Kunststoffschicht 4 ist ebenfalls auf einem Polyethylen oder einem Polyamid basierend mit Glasfasern und/oder Kohlefasern verstärkt.
Ein typisches Strukturbauteil eines Kraftfahrzeugs zeigt 2 in einer perspektivischen Darstellung in Form eines Bodenblechs 5. Die äußere metallische Schicht 2 weist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eines Bodenblechs 5 eine Dicke von 0,4 mm auf. Um die 0,7 mm dicke Kohlefaser verstärkte thermoplastische Kunststoffschicht 4 vor Steinschlägen zu schützen, weist die mittlere thermoplastische Kunststoffschicht eine Dicke von 0,5 mm in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel auf. Trotz der Gesamtdicke von etwa 1,6 mm des dargestellte Bodenblechs 5, ergibt sich eine deutliche Gewichtsreduzierung des Bodenblechs gegenüber konventionellen Bodenblechen aufgrund des hohen Kunststoffanteils.
Das gleiche gilt auch für das in 3 in einer schematischen Schnittdarstellung gezeigte Batteriegehäuse 6. Aufgrund der verringerten Festigkeitsanforderungen für ein Batteriegehäuse 6 weisen die drei verschiedenen Schichten des Verbundwerkstoffs hier eine Dicke von jeweils 0,2 mm auf, so dass sich eine Gesamtdicke von 0,6 mm ergibt. Trotz der extrem niedrigen Dicke des Batteriegehäuses 6 in diesem Ausführungsbeispiel sind die Festigkeitswerte ausreichend, um das Batteriegehäuse 6 mit der für die Anwendung notwendigen Steifigkeit bzw. Lastaufnahmevermögen zu versehen.
Eine aus dem Verbundwerkstoff hergestellte Radschale 7 zeigt in einer schematischen Schnittansicht 4. Die Dicke der Stahlschicht 2 beträgt hier 0,3 mm und soll die inneren Schichten des Verbundwerkstoffes, insbesondere die faserverstärkte Kunststoffschicht vor Steinschlag schützen. Die Dicke der mittleren thermoplastischen Schicht 3 beträgt 0,4 mm und die der faserverstärkten, thermoplastischen Kunststoffschicht 4 0,6 mm. Prinzipiell ist auch denkbar, dass Felgenband 7a aus einem Verbundwerkstoff mit einer metallischen äußeren Schicht, einer mittleren thermoplastischen und einer äußeren thermoplastischen, faserverstärkten Kunststoffschicht herzustellen. In diesem Fall könnte die faserverstärkte, thermoplastische Kunststoffschicht zum Reifeninneren weisen.
5 zeigt in den 5a), 5b) und 5c) unterschiedliche Ausführungsbeispiele von Struktur- oder Fahrwerkteilen, welche aus dem Verbundwerkstoff mit einer äußeren metallischen Schicht, einem mittleren thermoplastischem Kunststoff sowie einer äußeren faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffschicht bestehen. Gezeigt sind in 5a) eine Tunnelverstärkung 8, in 5b) eine Verbundlenkerachse 9 und in 5c) eine A-Säulenverstärkung 10. Anhand der dargestellten Ausführungsbeispiele ist erkennbar, in welchen Bereichen Strukturteile oder Fahrwerkteile mit dem erfindungsgemäßen Aufbau eingesetzt werden können, so dass ein erhebliches Potential an Gewichtseinsparungen realisiert werden kann.
Die mittlere thermoplastische Kunststoffschicht kann je nach Bedarf auch als Kunststoffschaumschicht ausgebildet sein bzw. durch eine duroplastische Kunststoff-/Kunststoffschaumschicht ersetzt werden. Die faserverstärkte Kunststoffschicht kann ebenfalls auf Basis von Duroplasten gebildet sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10221582 B4 [0002]

Claims

Struktur- oder Fahrwerkteil eines Kraftfahrzeugs, wobei das Struktur- oder Fahrwerkteil aus einem Verbundwerkstoff (1) mit einer äußeren metallischen Schicht (2), einer mittleren Kunststoff- oder Kunststoffschaumschicht (3) und einer äußeren faserverstärkten Kunststoffschicht (4) besteht.
Struktur- oder Fahrwerkteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Kunststoff- oder Kunststoffschaumschicht (3) und/oder äußere Kunststoffschicht (4) aus einem Thermoplast und/oder Duroplast besteht.
Struktur- oder Fahrwerkteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die faserverstärkte Kunststoffschicht (4) Glasfaser und/oder Kohlefaser zur Verstärkung aufweist.
Struktur- oder Fahrwerkteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoplastischen Kunststoffschichten (3, 4) auf einem Polyamid oder Polyethylen basieren.
Struktur- oder Fahrwerkteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der faserverstärkten Kunststoffschicht (4) 0,2 mm bis 1,0 mm beträgt.
Struktur- oder Fahrwerkteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der mittleren Kunststoffschicht (3) 0,2 mm bis 3,0 mm beträgt.
Struktur- oder Fahrwerkteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der mittleren Kunststoffschaumschicht 3,0 mm bis 50 mm beträgt.
Struktur- oder Fahrwerkteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (2) eine Dicke von 0,1 mm bis 0,5 mm und optional eine Korrosionsschutzschicht aufweist.
Struktur- oder Fahrwerkteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (2) aus Stahl besteht.
Struktur- oder Fahrwerkteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Struktur- oder Fahrwerkteil im warmen Zustand umgeformt wurde.
Struktur- oder Fahrwerkteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Struktur- oder Fahrwerkteil ein Bodenblech (5), eine Bodengruppe, ein Batteriegehäuse (6), ein Tankbehälter, Wasserkasten, Reserveradmulde, eine Radschale (7) einer Felge, eine Tunnelverstärkung (8), eine Verbundlenkerachse (9) oder eine A-, B- oder C-Säulenverstärkung (10) ist.
Struktur- oder Fahrwerkteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überbelastung die metallische Schicht (2) eine Deformation aufweist.