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Die Erfindung betrifft eine Konstruktion umfassend mindestens ein Leichtblech und ein weiteres, vorzugsweise metallisches Bauteil, wobei das Leichtblech mindestens zwei metallische Deckschichten und mindestens eine nichtmetallische Kernschicht, welche vorzugsweise aus einem Kunststoff besteht, aufweist und das Bauteil mit dem Leichtblech über einen Kraft-, Form- und/oder Stoffschluss verbunden ist.
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Leichtbleche, welche zwei metallische Deckschichten und eine dazwischenliegende, nicht metallische, in der Regel elektrisch isolierende Kernschicht aufweisen, werden zunehmend im Automobilbau eingesetzt. Leichtbleche, auch Sandwichbleche genannt, versprechen neben einer Gewichtsreduktion auch zusätzliche Vorteile im Hinblick auf Schwingungsdämpfung und Steifigkeit. Die üblicherweise aus einem Kunststoff bereitgestellte Kernschicht des Sandwichblechs ist elektrisch isolierend, so dass beispielsweise ein Widerstandsschweißen der Leichtbleche gar nicht oder nur mit erheblichem, technischem Aufwand erfolgen kann. Den Einsatz eines Vollzylinders, um eine Sandwichstruktur mit einem weiteren Blech zu verbinden, ist aus der japanischen Offenlegungsschrift
JP 57-127 581 A1 bekannt. An dem Vollzylinder lassen sich zwar weitere Bauteile, beispielsweise durch eine Schweißverbindung, mit dem Leichtblech verbinden. Allerdings kann der Vollzylinder nur Querkräfte innerhalb des Sandwichblechs aufnehmen. Kräfte senkrecht zur Leichtblechebene sind bei der Verwendung eines Vollzylinders allerdings problematisch. Ferner ist aus der Übersetzung einer europäischen Patentschrift
DE 600 03 497 T2 bekannt, Schrauben oder Bolzen in das Leichtblech einzubringen und über eine Widerstandsschweißung fest mit dem Leichtblech zu verbinden. Dabei wird in einem Vorwärmprozess zunächst die Kernschicht im Bereich der Schraube bzw. des Bolzens im Leichtblech entfernt und anschließend eine normale Widerstandsschweißung durchgeführt. Bei beiden bekannten Konstruktionen ist die Dicke der Zwischenschicht relativ gering im Vergleich zur Dicke der zwei äußeren Deckschichten. Problematisch wird der Einsatz eines Bolzens oder einer Schraube wie in der oben genannten Übersetzung einer europäischen Patentschrift vorgesehen ist, dann, wenn die Zwischensicht eine größere Dicke im Vergleich zu den Deckschichten aufweist. In diesem Fall muss nämlich auch die Kernschicht Querkräfte aufnehmen können, ohne dass sich die Verbindung zwischen Leichtblech und Bauteil löst. Insbesondere ist eine Schweißverbindung, wie sie in der oben genannten deutschen Übersetzung einer europäischen Patentschrift beschrieben ist, bei größerer Dicke der Kernschicht bisher nicht mehr möglich gewesen.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Konstruktion umfassend mindestens ein Leichtblech und ein Weiteres, vorzugsweise metallisches Bauteil vorzuschlagen, welche neben Querkräften auch Kräfte senkrecht zur Ebene der Leichtbleche aufnehmen und auf einfache Art und Weise bereitgestellt werden kann.
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Die aufgezeigte Aufgabe wird gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, dass ein Verbindungselement vorgesehen ist, welches in eine Öffnung des Leichtblechs eingebracht werden kann und einen ersten und einen zweiten Abschnitt aufweist, welche sich senkrecht zur Leichtblechebene erstrecken, wobei der erste Abschnitt einen Form-, Kraftschluss und/oder eine stoffschlüssige Klebeverbindung mit der metallischen Deckschicht auf einer ersten Seite des Leichtblechs bereitstellt und der zweite Abschnitt auf der zweiten Seite des Leichtblechs über einen Form-, Kraft- und/oder Stoffschluss mit dem Bauteil verbunden ist.
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Zunächst kann durch den ersten Abschnitt, welcher einen Form-, Kraftschluss und/oder eine Klebeverbindung mit der metallischen Deckschicht auf einer ersten Seite des Leichtblechs eingeht, gewährleistet werden, dass das Verbindungselement Kräfte senkrecht zur Ebene des Leichtblechs aufnehmen kann. Diese werden nämlich über Verbindung des Abschnitts des Verbindungselements vom Verbindungselement auf das Leichtblech übertragen. Denkbar ist auch, dass anstelle der Klebeverbindung eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Abschnitt und der metallischen Deckschicht der ersten Seite des Leichtblechs verwendet wird, welche nur einen geringen Wärmeintrag benötigt, der die Kunststoffschicht des Leichtblechs nicht schädigt. Durch die Verbindung des zweiten Abschnitts mit dem Bauteil über einen Form-, Kraft- und/oder Stoffschluss ist es möglich, das Bauteil an der gegenüberliegenden Seite des Leichtblechs anzubringen und zusätzlich zur Aufnahme von Kräften senkrecht zur Leichtblechebene zu verwenden. Als Bauteile werden im Sinne der Erfindung beispielsweise Bleche, Halbzeuge oder Profile verstanden. Anders als im bekannten Stand der Technik vorgesehen, kann auch das mit dem Leichtblech verbundene Bauteil selbst zur Aufnahme von Kräften senkrecht zur Leichtblechebene dienen und insofern zu einer hochfesten Verbindung mit dem Leichtblech führen. Neben einer form- und/oder kraftschlüssigen Verbindung, insbesondere als Schraub- oder Stanznietverbindung kommt als stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Verbindungselement und dem Bauteil eine Fügeverbindung, insbesondere ein Schweißverbindung, eine Lötverbindung aber auch eine Klebeverbindung in Frage.
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Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Konstruktion erstreckt sich der zweite Abschnitt des Verbindungselementes im Wesentlichen über den gesamten Querschnitt des Leichtblechs und schließt optional bündig mit der metallischen Deckschicht der zweiten Seite des Leichtblechs ab. Hierdurch wird gewährleistet, dass einerseits bei der Aufnahme von Querkräften das gesamte Leichtblech mit beiden metallischen Deckschichten zur Kraftaufnahme herangezogen wird. Ferner kann bei Verwendung eines Verbindungselementes, welches bündig mit der metallischen Deckschicht der zweiten Seite des Leichtblechs abschließt, auf einfache Weise eine plane Ausrichtung des zu verbindenden Bauteils mit einer lückenlosen Anbindung an das Leichtblech erreicht werden.
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Besonders kostengünstige Verbindungselemente können dadurch bereitgestellt werden, dass gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Konstruktion das Verbindungselement als Präge- oder Tiefziehteil ausgebildet ist, dessen Flanschbereiche den ersten Abschnitt des Verbindungselementes bilden und einen Formschluss mit der metallischen Deckschicht des Leichtblechs auf der ersten Seite des Leichtblechs ermöglichen. Die Flanschbereiche müssen dabei das als Präge- oder Tiefziehteil ausgebildete Verbindungselement nicht vollständig umlaufen und können daher auch teilweise umlaufend ausgebildet sein.
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Stellt gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Konstruktion der zweite Abschnitt des Verbindungselementes einen Formschluss mit der inneren Seite der zweiten metallischen Deckschicht des Leichtblechs bereit, kann die Fähigkeit der Konstruktion zur Aufnahme von Kräften senkrecht zur Ebene der Leichtbleche weiter gesteigert werden.
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Vorzugsweise ist hierzu der zweite Abschnitt des Verbindungselements in mindestens zwei weitere Unterabschnitte unterteilt, welche unterschiedliche Querschnittsflächen aufweisen, so dass auf einfache Weise ein Formschluss mit der metallischen Deckschicht der zweiten Seite des Leichtblechs über eine Änderung der Querschnittsfläche im Bereich des Durchtritts des Verbindungselements auf der zweiten Seite des Leichtblechs erreicht werden kann.
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Gemäß einer nächsten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Konstruktion weist der zweite Abschnitt des Verbindungselements einen mittleren Unterabschnitt auf, welcher gegenüber den übrigen Unterabschnitten des zweiten Abschnitts des Verbindungselementes einen verringerten Querschnitt aufweist. Im Bereich des verringerten Querschnitts kann beispielsweise geschmolzenes Material der Kernschicht, wie in einer Nut, aufgenommen werden und zu einem besseren Aufnahmevermögen für senkrecht zur Leichtblechebene auftretenden Kräfte führen.
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Eine einfache Ausführungsform kann beispielsweise dadurch bereitgestellt werden, dass das Verbindungselement als T-förmige Buchse ausgebildet ist, deren erster Abschnitt einen größeren Querschnitt als die Öffnung im Leichtblech aufweist, wobei im zweiten Abschnitt optional ein Innengewinde vorgesehen ist. Hierdurch besteht die Möglichkeit, beispielsweise durch das optional vorgesehene Innengewinde über einen Kraft- und/oder Formschluss das Bauteil am Leichtblech zu befestigen.
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Vorzugsweise weist das Verbindungselement zumindest abschnittsweise einen im Wesentlichen vier-, sechs-, achteckigen, elliptischen oder kreisförmigen Querschnitt auf. Bei einer größeren Erstreckung des Verbindungselementes in eine Richtung, beispielsweise im Falle eines rechteckigen Querschnitts, besteht die Möglichkeit, eine Mehrzahl an Anbindungspunkten, beispielsweise über eine Schweißnaht an einem Verbindungselement für ein Bauteil vorzusehen. Durch die Wahl der Querschnittsflächen kann darüber hinaus besonderen geometrischen aber auch spezifischen, das anzubindende Bauteil betreffende Anforderungen Rechnung getragen werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Konstruktion ist ein Zwischenraum zwischen dem zweiten Abschnitt des Verbindungselementes und dem Material des Leichtblechs vorgesehen, wobei der Zwischenraum durch geschmolzenes Material der Kernschicht des Leichtblechs zumindest teilweise ausgefüllt ist. In dieser Ausführungsform wird nach dem Einbringen des Verbindungselements in die Öffnung des Leichtblechs das Verbindungselement zusätzlich erwärmt, so dass Material der Kernschicht des Leichtblechs aufschmilzt und das Verbindungselement umschließt. Hierdurch wird einerseits eine Sicherung des Verbindungselements in der vorgesehenen Öffnung erreicht und andererseits das Kraftaufnahmevermögen für Kräfte, welche senkrecht zur Ebene des Leichtblechs auftreten, verbessert.
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Vorzugsweise ist die Dicke der Kernschicht des Leichtblechs größer als die Dicke der metallischen Deckschichten. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere bei Leichtblechen mit entsprechend dicken Kernschichten die Verwendung der erfindungsgemäßen Verbindungselemente vorteilhaft ist, da diese die Kernschicht weiter stabilisieren und gleichzeitig eine gute Anbindungsmöglichkeit für Bauteile an die Leichtbleche bieten, ohne die Kernschicht negativ zu beeinträchtigen.
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Schließlich beträgt die Dicke der einzelnen metallischen Deckschicht zwischen 0,10 mm und 0,5 mm, vorzugsweise zwischen 0,15 und 0,3 mm gemäß einer nächsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Konstruktion,. Die Dicken der metallischen Deckschichten gewährleisten, insbesondere bei der Verwendung von Deckschichten aus Stahl die notwendigen Festigkeiten des Leichtblechs, um dieses beispielsweise im Kraftfahrzeugbau anzuwenden. Denkbar ist aber auch die Verwendung von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bzw. Magnesium oder eine Magnesiumlegierung als Deckschicht.
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Aufgrund der einfachen Anbindungsmöglichkeit eines Bauteils an das erfindungsgemäße Leichtblech ist die Verwendung der Konstruktion im Kraftfahrzeugbau besonders vorteilhaft, da neben einer Gewichtsersparnis auch weitere Eigenschaften, beispielsweise eine Geräusch dämpfende Eigenschaft durch das Leichtblech erzielt werden kann. Die Einsatzmöglichkeit des Leichtblechs im Kraftfahrzeugbau wird durch die Bereitstellung dieser Konstruktion deutlich verbessert.
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Im Weiteren soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Konstruktion in einer schematischen Schnittansicht mit einem Leichtblech und einem als Präge- oder Tiefziehteil ausgebildeten Verbindungselement,
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2 ein zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Konstruktion mit einem Verbindungselement mit Unterabschnitten mit verschiedenen Querschnittsflächen,
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3 in einer perspektivischen Darstellung ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Konstruktion unter Verwendung eines Verbindungselements mit rechteckiger Querschnittsfläche,
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4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Konstruktion umfassend ein Verbindungselement mit verringerter Querschnittsfläche in einer schematischen Schnittansicht und
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5 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Konstruktion unter Verwendung einer T-förmigen Buchse als Verbindungselement.
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Zunächst zeigt 1 in einer schematischen Schnittansicht eine erfindungsgemäße Konstruktion 1 mit einem Leichtblech 2, welches aus zwei metallischen Deckschichten 3, 4 und einer nichtmetallischen Kernschicht, vorliegend einer Kunststoffschicht 5 besteht. Prinzipiell können auch mehrere metallische Deckschichten und Kern- bzw. Zwischenschichten vorgesehen sein. Die folgenden Ausführungsbeispiele zeigen daher nur stellvertretend für andere Leichtbleche ein als Sandwichblech ausgebildetes Leichtblech.
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In das Leichtblech ist eine Öffnung eingebracht, in welcher das Verbindungselement 6 angeordnet ist. Das Verbindungselement 6 weist einen ersten Abschnitt 6a auf, welcher einen Formschluss mit der metallischen Deckschicht auf einer ersten Seite des Leichtblechs 3 bereitstellt. Der Formschluss wird dadurch erreicht, dass der Abschnitt 6a eine größere Querschnittsfläche als die Öffnung des Leichtblechs besitzt. Ein Kraftschluss könnte beispielsweise durch einen konisch verlaufenden Abschnitt 6a erreicht werden. Die metallischen Deckschichten 3, 4 des Leichtblechs sind vorliegend aus Stahl hergestellt, können aber, wie bereits ausgeführt auch aus anderen Metallen, beispielsweise Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bzw. Magnesium oder einer Magnesiumlegierung oder deren Kombination, beispielsweise Stahl-Kunststoff-Aluminium bestehen. Das Verbindungselement 6 weist zusätzlich einen zweiten Abschnitt 6b auf, welcher über eine stoffschlüssige Verbindung 7, vorliegend eine Schweißverbindung oder auch MIG- oder MAG-Schweißverbindung, mit dem Bauteil 8 stoffschlüssig verbunden ist.
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Wie anhand der 1 zu erkennen ist, kann das Verbindungselement 6 auf einfache Weise durch ein Präge- oder Tiefziehverfahren hergestellt werden und Flanschbereiche aufweisen, welche den ersten Abschnitt 6a bilden und auf einfache Weise die Aufnahme von Kräften senkrecht zur Leichtblechebene ermöglichen. Das Verbindungselement 6 schließt bündig mit der metallischen Deckschicht 4 der zweiten Seite des Leichtblechs ab. Das Bauteil 8 kann so plan ausgerichtet mit dem Verbindungselement gefügt werden, so dass das Leichtblech lückenlos an das Bauteil oder Halbzeug angebunden werden kann.
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Die Anbindung erfolgt vorzugsweise über eine Schweißverbindung 7. Denkbar ist aber auch eine gelötete Verbindung zwischen Verbindungselement 6 und Bauteil 8 bzw. eine form- und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen Verbindungselement 6 und Bauteil 8 vorzusehen.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Konstruktion mit einem Leichtblech 2, einem Verbindungselement 6 und einem Bauteil 8. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel aus 1 weist das Verbindungselement einen zweiten Abschnitt 6b auf, welcher in zwei weitere Unterabschnitte 6b' und 6b'' unterteilt ist. Die Querschnittsfläche des Unterabschnitts 6b' ist größer als die des Unterabschnitts 6b''. Der Unterabschnitt 6b' endet allerdings unmittelbar vor der Deckschicht 4 des Leichtblechs 2 auf der dem Formschlussbereich gegenüberliegenden Seite des Leichtblechs. Der zweite Unterabschnitt 6b'' ist derart ausgeführt, dass dieser durch die Öffnung des Leichtblechs 2 hindurch treten kann und mit dieser bzw. mit der metallischen Deckschicht 4 bündig abschließt. Hierdurch wird ein Formschluss zwischen dem Verbindungselement 6 und beiden metallischen Deckschichten 3 und 4 des Leichtblechs 2 erreicht. Dies führt zu einer verbesserten Kraftaufnahmefähigkeit der Konstruktion senkrecht als auch parallel zur Leichtblechebene.
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In einer perspektivischen Darstellung ist in 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Konstruktion gezeigt, wobei das Verbindungselement 6 als tiefgezogenes, rechteckiges Präge- oder Tiefziehteil ausgebildet ist, so dass beispielsweise zwei Anbindungspunkte auf der in 3 nicht dargestellten Seite der Konstruktion 1 zur Anbindung des Bauteils 8 vorgesehen sein können. Die Form des Verbindungselements 6 kann spezifisch auf den Anwendungsfall angepasst werden, um gegebenenfalls zusätzliche Anbindungspunkte für das Bauteil 8 vorzusehen.
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4 zeigt in einer Schnittansicht schematisch die Verwendung eines Verbindungselementes 6, welches als einfaches Präge- oder Tiefziehteil, napfförmig ausgebildet ist. Der Flanschbereich 6a dient auch hier dazu, auf einer Seite des Leichtblechs 2 einen Formschluss und/oder Kraftschluss mit der metallischen Deckschicht 3 bereitzustellen. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel aus 1 ist die Öffnung des Leichtblechs allerdings leicht größer als die Querschnittsfläche des zweiten Abschnitts 6b des Verbindungselements 6.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde beim Einbringen des Verbindungselements 6 in die Öffnung des Leichtblechs zusätzlich durch Einwirkung von Wärme und Druck einerseits die Kernschicht 5 gequetscht und dadurch Material aus der Kernschicht 5 in den Zwischenraum 9 zwischen Verbindungselement 6 und Leichtblech 2 gedrückt, so dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Kernschicht 5 und dem zweiten Abschnitt 6b des Verbindungselements 6 bereitgestellt werden kann. Da häufig thermoplastische Polymere die Kernschicht bilden, ermöglicht eine einfache Wärmebehandlung bei gleichzeitig ausgeübtem Druck auf das Verbindungselement 6, dass das Material der Kernschicht 5 in den Zwischenraum 9 zwischen Verbindungselement 6 und dem Leichtblech 2 fließt. Das Verbindungselement 6 kann dadurch gut in der Öffnung des Leichtblechs 2 fixiert werden. Die Anbindung des Bauteils 8 erfolgt wie in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel vorzugsweise über eine Schweißverbindung 7.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Konstruktion zeigt 5 in einer schematischen Schnittansicht. Das Verbindungselement 6 ist hier als T-förmige Buchse ausgebildet. Die Buchse 6 weist ebenfalls einen ersten Abschnitt 6a auf, welcher eine größere Querschnittsfläche als die Öffnung des Leichtblechs 2 aufweist und den Formschluss und/oder Kraftschluss mit der metallischen Deckschicht 3 des Leichtblechs 2 gewährleistet. Der zweite Abschnitt 6b weist einen mittleren Unterabschnitt auf, welcher im Vergleich zu dem oberen und unteren Unterabschnitt des Abschnitts 6b eine geringere Querschnittsfläche aufweist. Die hierdurch entstehende, das Verbindungselement 6 umlaufende Nut ermöglicht, das Material aus der Kernschicht 5 des Leichtblechs, beispielsweise durch Anwendung von Druck und Wärme in die Nut fließt und eine feste Verbindung zwischen Verbindungselement 6 und Leichtblech 2 ermöglicht. Zur Anbindung des Bauteils 8, welches in 5 nicht dargestellt ist, weist das Verbindungselement 6 im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Innengewinde 10 auf, welches zur formschlüssigen Anbindung eines Bauteils an das Verbindungselement 6 und damit an das Leichtblech 2 verwendet werden kann.
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Wie in allen Ausführungsbeispielen sichtbar, ist die Kernschicht 5 des Leichtblechs 2 dicker als die metallischen Deckschichten 3, 4, so dass eine hohe Gewichtseinsparung bei Verwendung der Leichtbleche ermöglicht wird. Die Dicke der metallischen Deckschichten betragen etwa 0,1 bis 0,5 mm, vorzugsweise 0,15 bis 0,3 mm, so dass eine Kernschichtdicke von etwa 0,2 bis 1,0 mm bevorzugt verwendet wird.
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Zwar erfolgt die Verwendung der erfindungsgemäßen Konstruktion vorwiegend im Kraftfahrzeugbau. Denkbar sind insbesondere aufgrund der vorliegenden, vereinfachten Anbindungsmöglichkeit des Leichtblechs an andere Bauteile aber auch andere Verwendungsmöglichkeiten, beispielsweise im Schienenfahrzeugbau oder Flugzeugbau. Die erfindungsgemäße Konstruktion erweitert den Anwendungsbereich von Leichtblechen insbesondere im Kraftfahrzeugbau deutlich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 57-127581 A1 [0002]
- DE 60003497 T2 [0002]
