DE102011113742A1

DE102011113742A1 - Träger

Info

Publication number: DE102011113742A1
Application number: DE102011113742A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Dahm
Original assignee: Tgm Software und Dienstleistungen GmbH
Current assignee: Tgm Software und Dienstleistungen GmbH
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2011-09-09
Publication date: 2013-03-14
Anticipated expiration: 2031-09-10
Also published as: DE102011113742B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Träger der auf Zug, Druck und/oder Scherkräfte beansprucht ist und einen Ober- und einen Untergurt aufweist, die über mindestens einen Steg verbunden sind, wobei der oder die Stege (1, 2) aus einem Schichtmaterial aus mindestens einer faserverstärkten Kunststoffschicht (3) und einer mit dieser flächig verbundenen Sandwichstruktur (4) aus einem Material geringerer Festigkeit als die Kunststoffschicht (3) besteht und die faserverstärkte Kunststoffschicht (3) mit dem Ober- und Untergurt (5, 6) derart verbunden sind, das sich im Belastungsfall des Trägers in der faserverstärkten Kunststoffschicht (3) ein Schubfeld aufbaut.

Description

Die Erfindung betrifft einen auf Zug oder Druck oder durch Scherkräfte beanspruchten Träger insbesondere in Kraftfahrzeugen.
Derartige Träger werden bei herkömmlichen Kraftfahrzeugen überwiegend als belastungsoptimierte Hohlprofile oder Winkelprofile ausgeführt, um durch ihre Biegesteifigkeit und Druckfestigkeit die vorhandenen Belastungen aufzunehmen. Diese Träger haben ein hohes Eigengewicht, was insbesondere bei der Entwicklung elektromotorisch angetriebener Fahrzeuge von besonderem Nachteil ist.
Als ein Konstruktionsprinzip des Leichtbaues sind Schubfelder bekannt. Vom Aufbau her wurden dabei umlaufende Rahmenprofile durch Blechfelder ausgefacht. Bei Nutzfahrzeugen findet dieses Prinzip Anwendung, wenn ein stützendes Gitterwerk als kraftaufnehmende Struktur genutzt wird.
Aus der DE 39 33 362 A1 ist weiter ein Träger bestehend aus mindestens einem Steg und zwei Gurten bekannt, wobei der Steg von seiner ebenen Grundform abweichende Formelemente aufweist, deren Ausdehnungen kleiner ist als die Steghöhe. Die dadurch erzielbare geradlinige Verbindung zwischen Gurt und Steg führt zu einer besonders großen Beulsteifigkeit.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, einen auf Zug und/oder Druck und/oder Scherkräfte beanspruchbaren Träger für insbesondere Kraftfahrzeuge vorzuschlagen, der sich durch eine deutliche Gewichtsreduzierung auszeichnet.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1, vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß bestehen bei einem Träger, der auf Zug, Druck und/oder Scherkräfte beansprucht ist und der einen Ober- und einen Untergurt aufweist, die über mindestens einen Steg verbunden sind, der oder die Stege aus einem Schichtmaterial aus mindestens einer faserverstärkten Kunststoffschicht und einer mit dieser flächig verbundenen Sandwichstruktur aus einem Material geringerer Festigkeit als die Kunststoffschicht, wobei die faserverstärkte Kunststoffschicht mit dem Ober- und Untergurt derart verbunden sind, das sich im Belastungsfall des Trägers in der faserverstärkten Kunststoffschicht ein Schubfeld aufbaut.
Eine derartige Konstruktion hat den Vorteil, dass das Schubfeld auf Beulsteifigkeit beansprucht wird, die um ein Mehrfaches höher ist als die Biegesteifigkeit.
Bevorzugt sind beim Einsatz von mehreren faserverstärkten Kunststoffschichten diese parallel zueinander und symmetrisch bezüglich Ober- und Untergurt angeordnet.
Bei zwei Stegen und damit mindestens zwei faserverstärkten Kunststoffschichten sind in einer vorteilhaften Ausführung diese nach außen weisend angeordnet, wobei der Zwischenraum auch vollständig durch eine Sandwichstruktur verfüllt sein kann.
Die Verbindung zwischen dem Obergurt und dem Untergurt mit der faserverstärkten Kunststoffschicht ist bevorzugt eine Klebverbindung. Diese bewirkt, dass die Biegespannungen sich optimal auf die faserverstärkte Kunststoffschicht oder die Schichten verteilen und sich so ein möglichst optimales Schubfeld ausbildet.
Dabei kann die Klebeverbindung sogar bezogen auf die Länge der Klebenaht eine der berechneten Belastungen angepasste Elastizität aufweisen, so dass der Kräfteeintrag in die faserverstärkte Kunststoffschicht über deren Länge gleichmäßig erfolgt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist die Festigkeit von Ober- bzw. Untergurt geringer ist als die der faserverstärkten Kunststoffschicht.
Bei einer weiteren Ausgestaltung des Trägers ist vorgesehen, dass der Ober- und der Untergurt als U-Profile ausgebildet sind und die Anbindung der faserverstärkten Kunststoffschichten mindestens an den Schenkelinnenseiten der U-Profile erfolgt.
Um auch bei extremen Belastungen den Effekt der Schubfeldbildung zu erhalten, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn in der Verbindung der Schenkelinnenseiten der U-Profile von Ober- und Untergurt mit der faserverstärkten Kunststoffschicht eine Metallschaumschicht angeordnet ist.
Diese setzt Kräfte in Verformungsenergie um und verstärkt gleichzeitig den Effekt der Lastverteilung in das Schubfeld.
Bevorzugt sind Ober- und Untergurt und/oder die Metallschaumschicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass der Träger stirnseitig durch einen Metalldeckel verschlossen ist, der mit den faserverstärkten Kunststoffschichten der Stege in analoger Weise wie die Ober- und Untergurte verbunden ist. So führen auch in Trägerlängsrichtung wirkende Kräfte zur Ausbildung von Schubfeldern.
Da durch leichte Krümmungen der faserverstärkten Kunststoffschichten der Effekt der Schubfeldbildung nicht verloren geht, ist bei einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass insbesondere karosserieaußenseitige Stege eine gekrümmt Kunststoffschicht aufweisen, um gleichzeitig gestaltende Karosseriefunktionen zu übernehmen.
Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
1 einen Träger mit zwei Stegen und
2 eine Anbindung der Kunststoffschicht an den Obergurt.
1 zeigt einen Träger im Querschnitt, dessen Ober- und der Untergurt 5, 6 als Doppel-U-Profile ausgebildet sind, zwischen denen ein Aluminiumschaum 8 angeordnet ist. Ober- und Untergurt 5, 6 sind durch die Stege 1, 2 miteinander verbunden, die aus einem Schichtmaterial aus mindestens einer faserverstärkten Kunststoffschicht 3 und einer mit dieser flächig verbundenen Sandwichstruktur 4 aus einem Material geringerer Festigkeit als die Kunststoffschicht 3 bestehen.
Die Anbindung der faserverstärkten Kunststoffschichten 3 erfolgt an den Schenkelinnenseiten 7 der inneren U-Profile von Ober- und Untergurt 5, 6 durch eine Klebverbindung.
Durch diese Anordnung wird gewährleistet, dass die Biegebelastungen des Trägers in der faserverstärkten Kunststoffschicht 3 ein Schubfeld aufbauen. Die Klebverbindung bewirkt, dass die Biegespannungen sich optimal auf die faserverstärkten Kunststoffschichten 3 der Stege 1, 2 verteilen und so ein möglichst optimales Schubfeld ausbilden.
Die faserverstärkten Kunststoffschichten 3 sind parallel zueinander und symmetrisch bezüglich Ober- und Untergurt 5, 6 angeordnet. Ferner ist die Festigkeit von Ober- bzw. Untergurt 5, 6, die aus Aluminium bestehen geringer als die der faserverstärkten Kunststoffschicht 3.
Der zwischen den U-Profilen von Ober- und Untergurt 5 bzw. 6 angeordnete Metallschaum 8 bewirkt eine Umformung von Kräften in Verformungsenergie, hat auf die Krafteinleitung in die faserverstärkte Kunststoffschicht 3 aber wegen des geschlossenen inneren U-Profils von Ober- und Untergurt 5, 6 nur eine untergeordnete Bedeutung. Die wesentliche Wirkung wird durch die Klebverbindung erzielt.
Dies ändert sich, wie in 2 dargestellt ist, wenn die Schenkel der inneren U-Profile abgetrennt oder teilweise abgetrennt sind, sie sozusagen nur noch als Zwischenlage für die Klebverbindung dienen. Auf die äußeren U-Profile wirkende Kräfte werden dann nicht nur durch den Metallschaum in Verformungsenergie umgewandelt, sondern es erfolgt gleichzeitig eine Materialverschiebung, die zu einer optimalen Schubfeldausbildung in der faserverstärkten Kunststoffschicht 3 führt. Die Klebverbindung kann diesen Prozess noch optimieren.
Bezugszeichenliste

1: Steg
2: Steg
3: faserverstärkte Kunststoffschicht
4: Sandwichstruktur
5: Obergurt
6: Untergurt
7: Schenkelinnenwand
8: Metallschaumschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3933362 A1 [0004]

Claims

Träger der auf Zug, Druck und/oder Scherkräfte beansprucht ist und einen Ober- und einen Untergurt aufweist, die über mindestens einen Steg verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Stege (1, 2) aus einem Schichtmaterial aus mindestens einer faserverstärkten Kunststoffschicht (3) und einer mit dieser flächig verbundenen Sandwichstruktur (4) aus einem Material geringerer Festigkeit als die Kunststoffschicht (3) besteht und die faserverstärkte Kunststoffschicht (3) mit dem Ober- und Untergurt (5, 6) derart verbunden sind, das sich im Belastungsfall des Trägers in der faserverstärkten Kunststoffschicht (3) ein Schubfeld aufbaut.
Träger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die faserverstärkten Kunststoffschichten (3) parallel zueinander und symmetrisch bezüglich Ober- und Untergurt (5, 6) angeordnet sind.
Träger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Festigkeit von Ober- bzw. Untergurt (5, 6) geringer ist als die der faserverstärkten Kunststoffschicht (3).
Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei zwei Stegen (1, 2) und damit mindestens zwei faserverstärkten Kunststoffschichten (3) diese nach außen weisend angeordnet sind und der Zwischenraum vollständig durch eine Sandwichstruktur (4) verfüllt ist.
Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen dem Obergurt (5) und dem Untergurt (6) mit der faserverstärkten Kunststoffschicht (3) eine Klebverbindung ist.
Träger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebeverbindung bezogen auf die Länge der Klebenaht eine der berechneten Belastungen angepasste Elastizität aufweist, so dass der Kräfteeintrag in die faserverstärkte Kunststoffschicht (3) über deren Länge gleichmäßig erfolgt.
Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ober- und der Untergurt (5, 6) als U-Profile ausgebildet sind und die Anbindung der faserverstärkten Kunststoffschichten (3) mindestens an den Schenkelinnenseiten (7) der U-Profile erfolgt.
Träger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindung der Schenkelinnenseiten (7) der U-Profile von Ober- und Untergurt (5, 6) mit der faserverstärkten Kunststoffschicht (3) eine Metallschaumschicht (8) angeordnet ist.
Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Ober- und Untergurt (5, 6) und/oder die Metallschaumschicht (8) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen.
Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger stirnseitig durch einen Metalldeckel verschlossen ist, der mit den faserverstärkten Kunststoffschichten (3) in analoger Weise wie die Ober- und Untergurte (5, 6) verbunden ist.
Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steg (1, 2) eine gekrümmt Kunststoffschicht (3) aufweist, um gleichzeitig gestaltende Karosseriefunktionen zu übernehmen.