-
Die Erfindung betrifft eine Trägerstruktur für ein Fahrzeug mit einem ersten auf Druck zu belastenden Profilteil und einem zweiten auf Zug zu belastenden Profilteil, die miteinander verbunden sind und ein hohles Strukturelement bilden, einem innerhalb des Strukturelementes angeordneten Verstärkungselement und einem expandierten Klebematerial, über welches das Strukturelement mit dem Verstärkungselement verbunden ist, wobei lediglich teilweise zwischen Strukturelement und Verstärkungselement das expandierte Klebematerial angeordnet ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Trägerstruktur für ein Fahrzeug mit den Schritten: Herstellen eines ersten auf Druck zu belastenden Profilteils und eines zweiten auf Zug zu belastenden Profilteils, Herstellen eines Verstärkungselementes, Auftragen eines expandierbaren Klebematerials auf eine Oberfläche, Verbinden der beiden Profilteile unter Zwischenlage des Verstärkungselementes und Aktivieren des expandierbaren Klebematerials.
-
Derartige Trägerstrukturen werden im Automobilbau zur Erzeugung der Karosseriestrukturen, wie beispielsweise A-Säule, B-Säule oder Fahrzeugholm verwendet. Dabei ist es einerseits erforderlich, Trägerstrukturen mit einem geringen Gewicht bereitzustellen und andererseits, eine ausreichende Steifigkeit insbesondere im Bereich der Fahrgastzelle zur Verfügung zu stellen. Zur Gewichtsreduktion werden Hohlkammerprofile verwendet, welche jedoch keine ausreichende Steifigkeit aufweisen und daher im Innern mit Verstärkungselementen ausgestattet werden, welche im Vergleich zum Stahlblech der Profilteile ein deutlich geringeres Gewicht bei gleichzeitig hoher Energieaufzehrung aufweisen. Verwendung finden hier insbesondere Kunststoffe, wie glasfaserverstärkte Thermoplaste. Diese werden entweder über Klebstoffe oder über formschlüssige Verbindungen im hohlen Strukturelement befestigt.
-
So wird in der
DE 42 03 460 C2 ein Verfahren zum Herstellen eines trägerartigen Bauteils offenbart, bei dem in einem metallenen Hohlkörper ein durchgehender zentral angeordneter Leichtstoffkern zur Festigkeitserhöhung angeordnet ist, der mit durch Wärmezufuhr aufschäumbarem Material versehen ist, so dass bei der Wärmebehandlung durch dieses aufschäumbare Material die Hohlräume zwischen dem Hohlkörper und dem Leichtstoffkern aufgefüllt werden und der Hohlkörper mit dem Kern verklebt wird. Zur Vorfixierung dienen entsprechend ausgeformte Vorsprünge am Kern oder am Hohlprofil. Die thermische Energie zur Aktivierung des aufschäumbaren Materials wird durch eine mit Wärmezufuhr erfolgende Einbrennung der kathodischen Tauchlackierung eingebracht, welche gleichzeitig zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit des Trägers dient.
-
Probleme ergeben sich bei diesem Verfahren durch eine mangelnde Drainage bei der Tauchlackierung. Die Akustik ist lediglich durch das verwendete Material beeinflussbar. Des Weiteren wird die Haltbarkeit der Verbindung bei auftretenden Scherkräften reduziert, da lediglich parallele Flächen miteinander verbunden werden. Das Gewicht bleibt durch die vollständige Füllung relativ hoch.
-
Des Weiteren ist aus der
DE 10 2007 026 762 A1 eine Trägerstruktur bekannt, die als Verstärkungselement eine Kombination aus einem Hybridbauteil mit einem Thermoplasten in Nicht-Hybrid-Bauweise vorschlägt. Dieses Verstärkungselement wird im Hohlprofil mittels eines durch thermische Energie aufschäumbaren Klebematerials befestigt, welches am Verstärkungselement aufgetragen wird und durch die Energie beim Elektrobeschichtungsprozess aktiviert wird. Zur Reduzierung der zu verwendenden Menge des Klebematerials wird dieses nur an diskreten Stellen des Verstärkungselementes aufgebracht.
-
Nachteilig an dieser Trägerstruktur ist weiterhin eine Empfindlichkeit der Befestigung gegenüber auftretenden Scherkräften, da weiterhin lediglich parallele Abschnitte miteinander verklebt werden, also jeweils eine flächige Befestigung besteht. Die Verklebung befindet sich auf der Seite des Verstärkungselementes, so dass davon auszugehen ist, dass diese die Druckseite bildet. Die Steifigkeit wird bei dieser Anordnung durch die Anordnung der Rippen jedoch nur geringfügig erhöht. Des Weiteren sind relativ hohe Temperaturen oder lange Erwärmungszeiten zur Aktivierung des Klebematerials erforderlich.
-
Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Trägerstruktur für ein Fahrzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Trägerstruktur bereitzustellen, bei denen bei minimalem Materialaufwand eine möglichst gute Steifigkeit und Festigkeit des Trägers erzielt wird. Übergeordnete Ziele der Erfindung sind eine Verbesserung der strukturellen Tragfähigkeit eines Trägers, und dadurch eine Verbesserung der passiven Sicherheit eines Fahrzeugs. Gleichzeitig soll die Akustik verbessert werden. Des Weiteren sollen Herstellzeiten und -kosten im Vergleich zu bekannten Ausführungen reduziert werden.
-
Diese Aufgabe wird bezüglich der Trägerstruktur durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 und bezüglich des Verfahrens durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 7 gelöst.
-
Derartige Trägerstrukturen können im Automobilbau verwendet werden zur Erzeugung von A-Säule, B-Säule, Schweller, Dachrahmen, Dachquerträger, C-Säule, D-Säule, Seitenaufprallschutz einer Tür, Stoßfängerquerträger, Stirnwandquerträger, Tunnel, oder Kröpfungen von Längs- bzw. Querträgern.
-
Die Trägerstrukturen weisen jeweils eine erste Seite auf, die nach dem Einbau im Fahrzeug zur Außenseite weist und eine zweite Seite, die ins Innere des Fahrzeugs weist. Im Fall eines Crashs werden diese Trägerstrukturen normalerweise an ihrer Außenseite, welche in der Regel der Aufprallseite entspricht, auf Druck belastet, während die Innenseite auf Zug belastet wird. Entsprechend werden im Folgenden jeweils das erste Profilteil als druckbelastetes Profilteil betrachtet und das zweite Profilteil als zugebelastetes, also nach dem Einbau im Fahrzeug ins Fahrzeuginnere weisendes Profilteil betrachtet. Selbstverständlich sind entsprechende Anordnungen bei anderen Anwendungen möglich. Dadurch, dass das Verstärkungselement zumindest einen zum zweiten Profilteil weisenden Abschnitt aufweist, der im Querschnitt von zumindest drei Seiten vom expandierten Klebematerial umgeben ist, wird erreicht, dass eine Verklammerung dieses Profilteils entsteht, welche auch bei auftretenden Scherbelastungen eine hohe Haltbarkeit aufweist. Dies erhöht die Steifigkeit im Belastungsfall. Des Weiteren kann das Verstärkungselement unmittelbar an das erste Profilteil anliegend ausgebildet werden, wodurch ebenfalls die Festigkeit beziehungsweise Steifigkeit des Trägers erhöht wird.
-
Bezüglich des Verfahrens wird bei der Herstellung der Trägerstruktur das Klebematerial auf die innere Oberfläche eines der Profilteile aufgetragen, wodurch eine Aktivierung bereits bei geringeren Temperaturen beziehungsweise in kürzerer Zeit stattfindet, da das Klebematerial in einem Bereich höherer thermischer Belastung angeordnet ist. Dies verkürzt die Zykluszeiten bei der Herstellung beziehungsweise verringert den Energieaufwand.
-
Eine besonders gute Festigkeit bei Biegebeanspruchung aus der Richtung des ersten Profilteils, also bei Druckbelastung des ersten Profilteils, wird erzielt, wenn das Verstärkungselement unmittelbar gegen das erste Profilteil anliegt.
-
In einer besonders vorteilhaften Ausführung ist das erste Profilteil mit dem Verstärkungselement als Hybridbauteil ausgebildet, an dem das zweite Profilteil unter Zwischenlage des expandierten Klebematerials befestigt ist. Dies erhöht die Steifigkeit zusätzlich und vereinfacht die Montage der Trägerstruktur.
-
In einer besonders bevorzugten Ausführung weist das Verstärkungselement im Querschnitt zumindest eine Rippe auf, die sich zum zweiten Profilteil erstreckt, welches auf der zugbelasteten Seite des Strukturelementes angeordnet ist, wobei das Rippenende den im Querschnitt von drei Seiten vom Klebematerial umgebenen Abschnitt des Verstärkungselementes bildet. Bei etwa gleicher Festigkeit wird auf diese Weise das Gewicht des Trägers deutlich reduziert, wodurch Herstellkosten und der Energieverbrauch des Fahrzeugs verringert werden.
-
In einer hierzu weiterführenden Ausführung weist das Verstärkungselement im Querschnitt mehrere Rippen auf, die sich in Richtung des zweiten Profilteils erstrecken, wobei jedes Rippenende den ersten Abschnitt des Verstärkungselementes bildet. Je nach Ausbildung der Rippen kann so Einfluss auf die Übertragung akustischer Schwingungen des Trägers genommen werden. Des Weiteren wird die Steifigkeit erhöht.
-
Vorzugsweise weist die Trägerstruktur zwischen den Rippen einen Hohlraum auf, so dass nicht das gesamte Profil mit Klebematerial gefüllt ist. Dies führt zu einer Reduzierung des Gewichts und einem geringeren Verbrauch des Klebematerials. Die Akustik wird. verbessert, da die Rippen als Schottbleche wirken und den inneren Raum akustisch abdichten. Der geringe Abstand zwischen den Rippenspitzen der Verstärkung und dem zweiten Profilteil dient zur Abführung des Tauchlacks bei der kathodischen Tauchlackierung. Danach expandiert das Klebematerial während des Einbrennens der kathodischen Tauchlackierung und bildet dadurch akustisch abgeschlossene Kammern.
-
In Weiterbildung des Verfahrens wird das Klebematerial auf die innere Oberfläche des zweiten Profilteils aufgetragen und expandiert derart, dass das Verstärkungselement von drei Seiten umgeben wird, so dass der geringere Energieaufwand zur Aktivierung vorhanden bleibt und die Möglichkeit zur Anordnung des Verstärkungselementes unmittelbar gegenüberliegend zum ersten Profilteil zur Erhöhung der Steifigkeit entsteht. Trotz geringeren Materialaufwands umgreift das Klebematerial das Verstärkungselement an seinem ersten Abschnitt vollständig, wodurch die Festigkeit der Klebeverbindung erhöht wird.
-
Vorzugsweise wird das erste Profilteil mit dem Verstärkungselement als Metallblech-Kunststoff-Hybridbauteil oder Metallblech-Leichtmetallguss-Hybridbauteil (Verbundguss) hergestellt und anschließend mit dem zweiten Profilteil verbunden. Dies verringert den Montageaufwand und erhöht die Festigkeit der Trägerstruktur.
-
In einer bevorzugten Anwendung wird als expandierbares Klebematerial ein Strukturschaum auf Basis eines Epoxidharzes verwendet, welcher durch Zufuhr thermischer Energie aktiviert wird. Diese Klebstoffe weisen eine hohe Klebekraft auf und können ohne zusätzlichen Energieaufwand bei ohnehin stattfindenden nachfolgenden thermischen Prozessen aktiviert werden.
-
Vorzugsweise wird zwischen dem Verbinden der beiden Profilteile unter Zwischenlage des Verstärkungselementes und dem Aktivieren des expandierbaren Klebematerials auf die Trägerstruktur eine Beschichtung mittels Elektrobeschichtung, insbesondere kathodischer Tauchlackierung aufgetragen, wodurch ein Korrosionsschutz hergestellt wird. Dieser Tauchlack kann durch gegebenenfalls vorhandene Hohlräume im Bauteil abfließen.
-
Im nachfolgenden Prozess werden in einem Ofen bei gleicher Temperatur die Beschichtung eingebrannt und das Klebematerial aktiviert und expandiert, so dass weiterer Energieeintrag zur Aktivierung nicht erforderlich ist. Dabei werden vorzugsweise im Ofen Temperaturen zwischen 150°C und 210°C verwendet.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Verstärkungselement aus Kunststoff oder faserverstärktem Kunststoff hergestellt. Dabei können insbesondere glasfaserverstärkte Thermoplaste verwendet werden, die eine hohe Steifigkeit und Festigkeit bei geringem Gewicht aufweisen.
-
In einer alternativen Ausführung wird das Verstärkungselement aus einem Leichtmetall, insbesondere Aluminium oder Magnesium, gegossen. Auch bei dieser Ausführung wird das Gewicht bei hoher Haltbarkeit und Festigkeit des Verstärkungselementes verringert.
-
Es wird somit eine Trägerstruktur für ein Fahrzeug und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Trägerstruktur geschaffen, mittels derer bei geringen Herstellkosten eine hohe Steifigkeit und Festigkeit und Haltbarkeit des Trägers erreicht wird. Gleichzeitig werden das Gewicht und die zu verwendenden Rohstoffmengen reduziert. Die Akustik wird verbessert.
-
Vier Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Trägerstrukturen sowie deren Herstellung sind in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben
-
1 zeigt ein Fahrzeug zur Verwendung der erfindungsgemäßen Trägerstrukturen in dreidimensionaler Darstellung.
-
Die 2a) bis c) zeigen Draufsichten auf eine erste erfindungsgemäße Trägerstruktur in geschnittener Darstellung nach verschiedenen Herstellungsstufen.
-
Die 3a) bis c) zeigen Draufsichten auf eine zweite erfindungsgemäße Trägerstruktur in geschnittener Darstellung nach verschiedenen Herstellungsstufen.
-
Die 4a) bis c) zeigen Draufsichten auf eine dritte erfindungsgemäße Trägerstruktur in geschnittener Darstellung, nach verschiedenen Herstellungsstufen.
-
Die 5a) bis c) zeigen Draufsichten auf eine vierte erfindungsgemäße Trägerstruktur in geschnittener Darstellung nach verschiedenen Herstellungsstufen.
-
In 1 ist ein Fahrzeug 1 dargestellt, dessen Karosserie verschiedene Rahmenträger 2 und Säulenträger 4 aufweist, für welche die im Folgenden beschriebenen Trägerstrukturen verwendet werden können.
-
Bei der Beschreibung der 2 bis 5 werden im Folgenden für Teile gleicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet.
-
Die erfindungsgemäße Trägerstruktur gemäß 2 besteht aus einem ersten Profilteil 6 sowie einem zweiten Profilteil 8, die über einen Flansch 10 miteinander verbindbar sind. Die Profilteile 6, 8 werden üblicherweise als Stahlblechteile hergestellt und in entsprechende Formen umgeformt beziehungsweise tiefgezogen. Die Profilteile 6, 8 bilden gemeinsam nach ihrer Befestigung aneinander ein Strukturelement mit einem innenliegenden Hohlraum 9. Des Weiteren enthält die Trägerstruktur ein Verstärkungselement 12, welches im Hohlraum 9 des Strukturelementes angeordnet wird.
-
Das Verstärkungselement 12 liegt gegen das erste Profilteil 6 an und weist einen Abstand zum zweiten Profilteil 8 auf. Dabei ist darauf zu achten, dass beim Einbau in das Fahrzeug die Träger derart eingebaut werden, dass das erste Profilteil 6 nach außen weist, während das zweite Profilteil 8 ins Fahrzeuginnere weist, da die Träger für eine Biegebeanspruchung ausgelegt werden, die in der Regel durch einen Aufprall von außen entsteht, so dass die Steifigkeit und Festigkeit insbesondere auf der Druckseite des Trägers zur Gewährleistung einer hohen Formstabilität und zur Verhinderung von Beulvorgängen sowie Umwandlung der kinetischen Energie vorliegen muss.
-
In der 2a) sind die Verfahrensschritte des Herstellen des ersten druckbelasteten Profilteils 6 sowie des zweiten zugbelasteten Profilteils 8 sowie des Verstärkungselementes 12 bereits vollzogen. Des Weiteren wurde auf die innere Oberfläche des zweiten Profilteils 8 ein Klebematerial 14 aufgetragen, welches vorzugsweise ein Strukturschaum auf Epoxidharzbasis ist. Nach diesen Verfahrensschritten werden gemäß 2b) die beiden Profilteile 6, 8 unter Zwischenlage des Verstärkungselementes 12 durch Schweißen aneinander befestigt. Anschließend wird eine kathodische Tauchlackierung vorgenommen, um die Bauteile 6, 8, 12 vor Korrosion zu schützen. Am Ende dieses Prozessschrittes wird eine Wärmebehandlung der Trägerstruktur bei einer Temperatur von ca. 150°C bis 210°C durchgeführt, wodurch der Tauchlack eingebrannt und das aufschäumbare Klebematerial 14 aktiviert, das heißt aufgeschäumt wird. Das Klebematerial 14 füllt dabei, wie in 2c) dargestellt, den zwischen dem Verstärkungselement 12 und dem Profilteil 8 verbleibenden Hohlraum 9 des Strukturelementes. Hierdurch wird das Verstärkungselement 12 im Strukturelement fixiert. Die benötigte Menge an Klebematerial 14 ist relativ gering, da die Klebung lediglich einseitig stattfindet.
-
Es ist allerdings darauf zu achten, dass das Verstärkungselement 12 einen Abschnitt 15 aufweist, welcher nach dem Aufschäumen im Querschnitt an drei Seiten vom Klebematerial 14 umgeben ist, so dass nicht nur zwei parallele Flächen miteinander verklebt werden. Dies erhöht die Stabilität der Klebung bei durch die Biegung auftretenden Scherkräften in Querrichtung des Trägers. Das Klebematerial 14 wird im Ofen im Vergleich zu bekannten Ausführungen deutlich schneller aktiviert, da es am gut wärmeleitenden und außenliegenden Profilteil angeordnet ist, von dem aus die Wärme erst später in den inneren Hohlraum 9 gelangt.
-
Die Trägerstruktur gemäß der 3 unterscheidet sich von der Trägerstruktur gemäß der 2 lediglich dadurch, dass das erste Profilteil 6 gemeinsam mit dem Verstärkungselement 12 als Metallblech-Kunststoff-Hybridbauteil oder Metallblech-Leichtmetallguss-Hybridbauteil 16 hergestellt wird. Dies erleichtert die Montage, da eine Vorfixierung des Verstärkungselementes 12 beim Zusammenbau nicht mehr erforderlich ist. Des Weiteren ergeben sich noch größere erreichbare Festigkeiten mit diesen Hybridteilen 16.
-
Bei der Trägerstruktur gemäß der 4 weist das Verstärkungselement 12 eine geänderte Form auf, bei der sich zwei Rippen 20 von einem Grundkörper 22 in Richtung des zugbelasteten zweiten Profilteils 8 zu Rippenenden 18 erstrecken, welche im montierten Zustand kurz vor dem zweiten, zugbelasteten Profilteil 8 enden. Diese Enden bilden den Abschnitt 15, so dass jedes Rippenende 18 im Querschnitt dreiseitig vom Klebematerial 14 umgeben ist, während zwischen den beiden Rippen 20, dem Klebematerial 14 und dem Grundkörper 22 ein im Querschnitt geschlossener Raum 24 sowie zwischen jeder Rippe 20 und den Profilteilen 6, 8 des Strukturelementes Hohlräume 26 gebildet werden, die zur Beeinflussung einer optimierten Akustik genutzt werden können.
-
Diese Trägerstruktur ist noch einmal deutlich leichter als die Trägerstruktur gemäß der 2 und 3 bei beinahe gleicher Festigkeit bei auftretender Biegebeanspruchung ausgehend von der Druckseite, welche durch das erste Profilteil 6 gebildet wird. Im Übrigen entsprechen diese Struktur und auch das Herstellverfahren dieser Struktur der bereits zu Figur beschriebenen. Allerdings besteht durch die vorhandenen Hohlräume 24, 26 der Vorteil, dass der Tauchlack bei der kathodischen Tauchlackierung einfach abfließen kann.
-
Die 5 wiederum zeigt eine Ausführung der Trägerstruktur mit Rippen 20 entsprechend denen der 4, wobei die Herstellung der in 3 beschriebenen entspricht, so dass das erste Profilteil 6 mit dem Verstärkungselement 12 wiederum als Metallblech-Kunststoff-Hybridbauteil oder Metallblech-Leichtmetallguss-Hybridbauteil 16 hergestellt wird.
-
Die beschriebenen Trägerstrukturen weisen sehr gute Steifigkeits- und Festigkeitswerte bei Biegebeanspruchung auf und sind kostengünstig herzustellen, da insbesondere die benötigte Menge an Klebematerial gering ist. Die Rippenenden beziehungsweise der im aufgeschäumten Klebematerial angeordnete Abschnitt des Verstärkungselementes wird dennoch seitlich gehalten, so dass eine feste Verkrallung im Schaum entsteht, die die Haltbarkeit der Verbindung erhöht.
-
Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich der Hauptansprüche nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Insbesondere können als Verstärkungselemente Press- oder Spritzgussteile aus faserverstärktem Kunststoff oder Gussteile aus Aluminium oder Magnesium beziehungsweise deren Legierungen verwendet werden. Auch sind gegebenenfalls andere Klebematerialien einsetzbar. Konstruktive Änderungen des Verstärkungselementes oder der äußeren Profilteile sind ebenfalls denkbar.
-
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 4203460 C2 [0003]
- DE 102007026762 A1 [0005]
