DE102011107237A1

DE102011107237A1 - Befestigung von CFK-Bauteilen

Info

Publication number: DE102011107237A1
Application number: DE201110107237
Authority: DE
Inventors: Tobias Hiermer; Oliver Maisch
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-07-13
Filing date: 2011-07-13
Publication date: 2012-05-24

Abstract

Die Erfindung betrifft die Befestigung eines mit Fasern verstärkten Kunststoffbauteils (2) an einem Karosseriebauteil (3) eines Kraftfahrzeugs, mit Ausnehmungen (8, 9) im Kunststoffbauteil (2) und im Karosseriebauteil (3), in denen sich ein Befestigungsmittel (5) zum Verbinden der Bauteile (2, 3) befindet. Die beschriebene technische Losung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Klemmelement (1) mit einem halboffenen Profil vorgesehen ist, das gegenüberliegende Schenkel (4) aufweist, zwischen denen das Kunststoffbauteil (2) und das Karosseriebauteil (3) zumindest abschnittsweise eingebracht sind und die Schenkel (4) mittels des Befestigungsmittels (5) derart verformt werden, dass das Kunststoffbauteil (2) und das Karosseriebauteil (3) zwischen den Schenkeln (4) des halboffenen Profils eingeklemmt sind.

Description

Die Erfindung betrifft die Befestigung eines mit Fasern verstärkten Kunststoffbauteils an einem Karosseriebauteil eines Kraftfahrzeugs, mit Ausnehmungen im Kunststoffbauteil und im Karosseriebauteil, in denen sich wenigstens ein Befestigungsmittel zum Verbinden der Bauteile befindet.
In modernen, qualitativ hochwertigen Kraftfahrzeugen kommen zunehmend faserverstärkte Kunststoffe zum Einsatz. Insbesondere kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe, auch CFK (Carbon-faserverstärkter Kunststoff) genannt, werden hierbei verwendet. Derartige CFK-Bauteile werden vornehmlich verwendet, da durch sie erhebliche Gewichts- und somit Treibstoffeinsparungen zu verwirklichen sind und trotzdem hochfeste Bauteile bereitgestellt werden.
Problematisch bei der Verwendung von CFK-Bauteilen ist allerdings oftmals deren Verbindung mit weiteren Karosseriebauteilen. Gleichgültig, ob CFK-Bauteile mit Blech-Karosseriebauteilen oder anderen CFK-Bauteilen verbunden werden, ist der Einsatz bekannter Verbindungstechniken vergleichsweise aufwendig. Häufig werden Bauteile miteinander verclipst, vernietet oder verschraubt, wobei wenigstens ein Karosseriebauteil, an dem ein anderes Bauteil befestigt werden soll, regelmäßig entsprechende Löcher aufweist. Im Gegensatz zu einem Blechbauteil können diese Löcher bei einem CFK-Bauteil nicht ausgestanzt werden, sondern müssen vergleichsweise aufwendig gefräst werden. Beim Fräsen der CFK-Bauteile werden die Kohlefasern allerdings im Bereich des Loches zerstört, so dass das CFK-Bauteil im Bereich des Loches eine erheblich geringere Steifigkeit aufweist.
In diesem Zusammenhang ist es beispielsweise bekannt, einen CFK-Boden mit einem CFK-Mitteltunnel, der einen Fahrzeugboden in Längsrichtung in zwei Haupthälften teilt, mit Hilfe einer Vielzahl von Schrauben, die umlaufend am Boden befestigt werden, zu befestigen. Aufgrund der Vielzahl von Schraubpunkten ist der Toleranzausgleich zwischen den einzelnen Schraubpunkten aufwendig und die Krafteinleitung in den CFK-Boden erfolgt punktuell. Ein weiteres Problem ergibt sich hierbei daraus, dass die CFK-Bauteile an den Schraubpunkten Einfräsungen aufweisen, an denen die Faserstruktur der Bauteile zerstört ist. Darüber hinaus kann es im Bereich der Kontaktstellen zwischen Schrauben und CFK-Bauteil zu Korrosionserscheinungen kommen, sofern diese Stellen nicht zuverlässig gegen den Feuchtraum abgedichtet sind.
Weiterhin ist aus der DE 10 2009 050 990 A1 ein flächiges Karosseriebauteil aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff bekannt, das zumindest einen Steg aufweist, der von dem flächigen Karosseriebauteil nach oben absteht und der nur aus Epoxidharz besteht. Ein Montageteil umgreift kraftschlüssig den Steg, so dass dieses auf dem Steg festgeklemmt ist. Über das Montageteil, das eine entsprechende Befestigungsstruktur aufweist, kann das flächige Karosseriebauteil mit weiteren Bauteilen verbunden werden. Die beschriebene technische Lösung bietet somit die Möglichkeit, ein flächiges CFK-Bauteil an weiteren Karosseriebauteilen zu befestigen, ohne dass die Steifigkeit des CFK-Bauteils darunter leidet. Nachteilig an der beschriebenen Lösung ist allerdings, dass die Befestigung wiederum punktuell erfolgt und das Befestigungselement, das als wesentliche Komponenten eine Epoxidharz-Matrix und ein Montageteil aufweist, vergleichsweise aufwendig in der Herstellung ist.
Ausgehend von den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen sowie den beschriebenen Problemen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Befestigung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff, insbesondere ein CFK-Bauteil, an wenigstens einem weiteren Fahrzeugbauteil derart weiterzubilden, dass die Anzahl der hierfür benötigten Befestigungs- bzw. Montagemittel minimiert wird. Gleichfalls soll das faserverstärkte Bauteil im Bereich der Verbindungselemente im Hinblick auf seine Steifigkeit und Festigkeit nicht geschwächt sein. Eine zuverlässige Abdichtung des Verbindungsbereichs soll ferner gewährleisten, dass es nicht zu Korrosionserscheinungen an den zur Befestigung verwendeten Befestigungsmitteln kommt. Weiterhin soll die Krafteinleitung im Bereich der Befestigung des faserverstärkten Bauteils an einem weiteren Bauteil möglichst nicht auf diskrete Punkte beschränkt sein sondern weitgehend flächig erfolgen.
Die vorstehend beschriebene Aufgabe wird mit Hilfe einer Befestigung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
Erfindungsgemäß ist die Befestigung eines mit Fasern verstärkten Kunststoffbauteils an einem Karosseriebauteil eines Kraftfahrzeugs, mit Ausnehmungen im Kunststoffbauteil und im Karosseriebauteil, in denen sich ein Befestigungsmittel zum Verbinden der Bauteile befindet, derart weitergebildet worden, dass ein Klemmelement mit einem halboffenen Profil vorgesehen ist, das gegenüberliegende Schenkel aufweist, zwischen denen das Kunststoffbauteil und das Karosseriebauteil zumindest abschnittsweise eingebracht sind und die Schenkel mittels des Befestigungsmittels derart verformt werden, dass das Kunststoffbauteil und das Karosseriebauteil zwischen den Schenkeln des halboffenen Profils eingeklemmt sind.
Wesentlich an der erfindungsgemäßen technischen Lösung ist, dass es aufgrund des Vorsehens eines Klemmelements, das bevorzugt in Art einer Klemmschiene ausgeführt ist und das gegenüberliegende Schenkel aufweist, zwischen denen sich das Kunststoffbauteil und das Karosseriebauteil befinden, zu einer flächigen, kraftschlüssigen Verbindung der beiden Bauteile kommt. Durch die Verwendung eines derartigen Klemmelements und die kraftschlüssige Verbindung der Bauteile wird die Anzahl der für die Verbindung der beiden Bauteile benötigten Teile insbesondere dadurch minimiert, dass weniger Befestigungsmittel, wie etwa Schrauben, vorgesehen werden müssen. Durch das Vorsehen einer Klemmschiene als Klemmelement kann eine besonders große Einsparung von Befestigungsmitteln erzielt werden. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, dass die Befestigungsmittel lediglich für die Lagesicherung des Klemmelements bzw. der Klemmschiene benötigt werden. Auf diese Weise stellt die Erfindung eine technische Lösung dar, durch die ein faserverstärktes Kunststoffbauteil mit wenigen Befestigungsmitteln verhältnismäßig einfach an einem anderen Bauteil, insbesondere an einem weiteren Karosseriebauteil, passgenau zu montieren ist und gleichzeitig eine hohe Festigkeit und Steifigkeit für das gesamte faserverstärkte Kunststoffbauteil gewährleistet wird.
In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die gegenüberliegenden Schenkel des Klemmelements jeweils eine Ausnehmung aufweisen, die fluchtend mit den Ausnehmungen im faserverstärkten Kunststoffbauteil und dem Karosseriebauteil angeordnet sind. Bevorzugt ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass in die Ausnehmungen ein Befestigungsmittel, wie etwa eine Schraube und/oder eine Niet eingebracht wird, mittels der die Klemmschiene einerseits fixiert und andererseits die Schenkel leicht verformt, insbesondere zusammengedrückt werden, so dass die Bauteile kraftschlüssig miteinander verbunden werden.
Eine spezielle Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zwischen dem Befestigungsmittel und dem Klemmelement wenigstens eine Dichtung vorgesehen ist. Vorzugsweise wird eine derartige Dichtung in die Klemmschiene integriert. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass keine Feuchtigkeit über die Ausnehmungen für die Befestigungsmittel in das Klemmelement eindringt. Alternativ oder in Ergänzung sind geeignete Dichtungsmittel zwischen dem Klemmelement und dem faserverstärkten Kunststoffbauteil, zwischen dem Karosseriebauteil und dem Klemmelement und/oder zwischen dem faserverstärkten Kunststoffbauteil und dem Karosseriebauteil vorgesehen. Auf diese Weise wird eine sichere Abdichtung des Innenraums des Klemmelements mit dem darin befindlichen Befestigungsmittel, insbesondere mit einer Schraube, und dem außen liegenden Feuchtraum realisiert. Eine Befestigung der Dichtungen an den Bauteilen erfolgt bevorzugt durch Aufspritzen, beispielsweise durch Aufspritzen eines Polyurethan-Schaums umlaufend am faserverstärkten Kunststoffbauteil.
Eine spezielle Weiterbildung der Erfindung sieht ferner vor, dass die Oberfläche wenigstens eines der beiden zu verbindenden Bauteile mit einer Beschichtung versehen wird. In diesem Zusammenhang ist es etwa denkbar, auf dem faserverstärkten Kunststoffbauteil wenigstens bereichsweise eine Lage Glasfasern zum Schutz der Oberfläche vorzusehen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Ausnehmungen im Kunststoffbauteil und 1 oder im Karosseriebauteil als Durchgangslöcher ausgeführt, deren Innendurchmesser größer als ein Außendurchmesser des in den Ausnehmungen befindlichen Befestigungsmittels ist. Durch das Vorsehen entsprechend dimensionierter Ausnehmungen, die vorzugsweise als Durchgangslöcher ausgeführt sind, kann während der Montage der Bauteile ein Toleranzausgleich geschaffen werden. Vorzugsweise sind hierbei sowohl das Karosserie- als auch das Kunststoffbauteil um die Differenz zwischen den Schrauben außen- und dem Bohrungsdurchmesser verschiebbar.
Die beschriebene technische Lösung eignet sich besonders für kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffbauteile. Als Fasern, die ein Kunststoffbauteil verstärken, können allerdings in Ergänzung oder alternativ auch Glas- und/oder Aramidfasern verwendet werden.
Im Folgenden wir die Erfindung ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
1 Klemmelement zur Befestigung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils an einem Karosseriebauteil; sowie
2 Befestigung eines Bodenelements aus einem faserverstärkten Kunststoff an einem Fahrzeugboden.
1 zeigt ein erfindungsgemäß ausgeführtes Klemmelement 1 in Form einer Klemmschiene zur Verbindung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils 2, hier ein CFK-Bauteil 2, mit einem weiteren Karosseriebauteil 3. Die Klemmschiene 1 weist hierbei ein halboffenes U-Profil mit zwei sich gegenüberliegenden Schenkeln 4 auf, wobei sich sowohl das Karosseriebauteil 3 als auch das CFK-Bauteil 2 zwischen den gegenüberliegenden Schenkeln 4 befinden. Zwischen den Schenkeln 4 des Klemmelements 1 werden die Bauteile 2, 3 kraftschlüssig gehalten. Die hierfür benötigte Kraft in Normalenrichtung zu den Oberflächen der Bauteile 2, 3 wird mit Hilfe eines als Schraube ausgeführten Befestigungsmittels 5, mit dem das Klemmelement in seiner Lage fixiert und die beiden Schenkel zumindest leicht zusammengedrückt werden, erzeugt. Zur Befestigung der Schraube weist einer der Schenkel 4 ein Durchgangsloch 6 und der andere eine Bohrung mit einem Innengewinde 7 auf. Das faserverstärkte Kunststoffbauteil und das Karosseriebauteil verfügen ferner jeweils über Ausnehmungen 8, 9 in Form von Durchgangslöchern, die fluchtend zu den Bohrungen 6, 7 in den Schenkeln 4 des halboffenen Profils des Klemmelements 1 angeordnet sind. Während der Montage der Bauteile 2, 3 wird die Schraube durch die hierfür vorgesehenen Durchgangslöcher 6, 8, 9 gesteckt und in das Innengewinde 7 eingeschraubt. Hierbei sind die Durchgangslöcher 8, 9 im faserverstärkten Kunststoffbauteil 2 und im Karosseriebauteil 3 derart ausgeführt, dass der Bohrungsdurchmesser größer als der Außendurchmesser des Schraubenschafts 18 in diesem Bereich ist. Auf diese Weise wird mit einfachen Mitteln ein Toleranzausgleich geschaffen, der die Montage der Bauteile 2, 3 vereinfacht.
Um sicher zu gehen, dass keine Feuchtigkeit aus dem Nassbereich 10 in das Innere des Klemmelements 1, also in einen Bereich zwischen den Schenkeln 4 des Klemmelements 1, gelangt, sind verschiedene Dichtungen vorgesehen. Einerseits befindet sich eine Dichtung 12 zwischen der Kopfauflage des Schraubenkopfes 11 und dem Klemmelement 1. Andererseits befindet sich ein Dichtmittel 13 im Bereich des Innengewindes 7, so dass der bereich zwischen der Schraube 5 und dem Klemmelement 1 abgedichtet ist.
Ferner befinden sich zwischen dem Klemmelement 1 und dem faserverstärkten Kunststoffbauteil 2, zwischen dem Klemmelement 1 und dem Karosseriebauteil 3 sowie zwischen dem faserverstärkten Kunststoffbauteil 2 und dem Karosseriebauteil 3 Dichtungen 14, 15, 16, die ein Eindringen von Feuchtigkeit aus dem Nassbereich 10 in den Innenraum des Klemmelements zuverlässig verhindern. Darüber hinaus ist das faserverstärkte Kunststoffbauteil 2 mit einer Beschichtung 17 versehen, die die Oberfläche, insbesondere vor Kontaktkorrosion und Steinschlag, der insbesondere für die Fasern des Kunststoffbauteils 2 schädlich sein kann, schützt. Als Oberflächenschutzschicht 17, die je nach Zweck, den sie erfüllen soll, variieren kann, wird eine Glasfaserlage und/oder eine geeignete Kunststoffummantelung gewählt.
2 zeigt eine praktische Anwendung der im Zusammenhang mit 1 erläuterten Befestigung. Hierbei wird ein Bodendeckel, der als faserverstärktes Kunststoffbauteil 2 ausgeführt ist, am Fahrzeugboden 3 mit Hilfe eines erfindungsgemäß ausgeführten Klemmelements 1 befestigt. Mit Hilfe des Bodendeckels 2 können Wartungspunkte eines Kraftfahrzeugs verschlossen bzw. bedarfsgerecht wieder zugänglich gemacht werden. Dies ist insbesondere dann notwendig, wenn sich fahrzeugseitig des Bodendeckels 2 Fahrzeugkomponenten befinden, die in bestimmten zeitlichen Intervallen gewartet bzw. getauscht werden müssen. Genauso ist mit Hilfe der dargestellten Anordnung die Montage einer Fahrzeugkomponente, beispielsweise einer Batterie, am Montageband auf einfache Weise von unten möglich. Die Montagetätigkeit wird vor allem vereinfacht, da die erfindungsgemäße Befestigung nur wenige Schraubpunkte vorsieht.
2a zeigt den Bodendeckel 2 sowie die zu beiden Seiten vorgesehenen Klemmschienen 1 in einer Draufsicht. 2b zeigt in Ergänzung hierzu eine Teilschnittansicht entlang der Linie „A-A. Die Befestigung des Bodendeckels 2 am Fahrzeugboden 3 mit Hilfe von Klemmschienen 1 wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 2b näher erläutert.
Der Fahrzeugboden 3 weist in seinem mittleren, zwischen den Schwellern 19 gelegenen Bereich eine Öffnung auf, die mit Hilfe eines Bodendeckels 2, der aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff gefertigt ist, verschlossen werden kann. Im montierten Zustand befindet sich fahrzeugseitig des Bodendeckels 2 eine Fahrzeugbatterie 20.
Beidseitig der Öffnung im Fahrzeugboden 3 wird jeweils eine Klemmschiene 1, die ein U-Profil aufweist, angeordnet, in die sowohl ein Randbereich des Fahrzeugbodens 3 als auch des Bodendeckels 2 eingelegt werden. Die Randbereiche liegen hierbei übereinander zwischen den Schenkeln 4 der Klemmschienen 1. Eine kraftschlüssige Verbindung wird, wie im Zusammenhang mit der Beschreibung von 1 bereits erläutert worden ist, durch Einklemmer der Randbereiche der Bauteile 2, 3 zwischen den Schenkeln 4 der Klemmschienen 1 erreicht. Um eine zuverlässige Lagesicherung der Klemmschienen 1 sowie eine kraftschlüssige Verbindung der Bauteile 2, 3 realisieren zu können, sind lediglich vier Befestigungspunkte an den Enden der Klemmschienen 1 vorgesehen. An diesen Befestigungspunkten werden die Schenkel 4 der Klemmschienen 1 mit Hilfe von Schrauben 5 mit einander verbunden und gleichzeitig die Randbereiche der Bauteile 2, 3 sicher zwischen den Schenkeln eingespannt. Um ein Eindringen von Feuchtigkeit in den Innenraum der Klemmschienen auszuschließen, sind wiederum die bereits im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Dichtungen 12, 13, 14, 15, 16 vorgesehen. Eine Abdichtung zwischen den Bauteilen 2, 3 sowie zwischen dem Bodendeckel 2 und den Klemmschienen wird hierbei auf bevorzugte Weise durch eine auf den Deckel aufgespritzte Dichtung 21 realisiert. Eine derartige Dichtung 21, die in der 2 b auch in der Detailansicht „B” dargestellt ist, wird beispielsweise durch umlaufendes Aufspritzen eines Polyurethan-Schaums auf den Bodendeckel 2 hergestellt.
Die beschriebene technische Lösung zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass durch das Vorsehen der Klemmschienen 1 und die damit verbundene kraftschlüssige Verbindung des Bodendeckels 2 mit dem Fahrzeugboden 3 eine flächige Klemmung bzw. Krafteinleitung in die Bauteile 2, 3 erfolgt. Ferner sind nur wenige Befestigungspunkte vorgesehen, was die Montage vereinfacht und die für die Montage benötigte Anzahl von Befestigungsmitteln minimiert. Durch eine geeignete Ummantelung bzw. Beschichtung des Bodendeckels 2 ist es außerdem möglich, die Fasern innerhalb des Deckels 2 zuverlässig vor äußeren Einflüssen, wie etwa Steinschlägen, zu schützen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009050990 A1 [0005]

Claims

Befestigung eines mit Fasern verstärkten Kunststoffbauteils (2) an einem Karosseriebauteil (3) eines Kraftfahrzeugs, mit Ausnehmungen (8, 9) im Kunststoffbauteil (2) und im Karosseriebauteil (3), in denen sich ein Befestigungsmittel (5) zum Verbinden der Bauteile (2, 3) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass ein Klemmelement (1) mit einem halboffenen Profit vorgesehen ist, das gegenüberliegende Schenkel (4) aufweist, zwischen denen das Kunststoffbauteil (2) und das Karosseriebauteil (3) zumindest abschnittsweise eingebracht sind und die Schenkel (4) mittels des Befestigungsmittels (5) derart verformt werden, dass das Kunststoffbauteil (2) und das Karosseriebauteil (3) zwischen den Schenkeln (4) des halboffenen Profils eingeklemmt sind.
Befestigung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüberliegenden Schenkel (4) jeweils eine Ausnehmung (6, 7) aufweisen, die fluchtend mit den Ausnehmungen (8, 9) im Kunststoffbauteil (2) und im Karosseriebauteil (3) angeordnet sind.
Befestigung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungsmittel (5) eine Schraube und/oder eine Niet ist.
Befestigung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Befestigungsmittel (5) und dem Klemmelement (1) wenigstens eine Dichtung (12, 13) vorgesehen ist.
Befestigung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Klemmelement (1) und dem Kunststoffbauteil (2) und/oder zwischen dem Klemmelement (1) und dem Karosseriebauteil (3) wenigstens eine Dichtung (16) vorgesehen ist.
Befestigung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (8, 9) im Kunststoffbauteil (2) und/oder im Karosseriebauteil (3) als Durchgangslöcher ausgeführt sind, deren Innendurchmesser größer als ein Außendurchmesser des in den Ausnehmungen (8, 9) befindlichen Befestigungsmittels (5) ist.
Befestigung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern Kohlenstoff, Glas und/oder Aramid aufweisen.
Befestigung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffbauteil (2) wenigstens im Bereich des Klemmelements (1) eine Beschichtung (17) aufweist.
Befestigung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (9) im Karosseriebauteil (3) als Durchgangsloch und die Ausnehmung (8) im Kunststoffbauteil (2) als Langloch ausgeführt ist.