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Die Erfindung betrifft ein Strukturelement für ein Fahrzeug, vorzugsweise ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus der
DE 32 15 616 C2 ist beispielsweise ein Strukturelement für ein Kraftfahrzeug mit einem Schaumkernelement bekannt, welches zwischen zwei tiefgezogenen Metallblechen angeordnet ist und als Sandwichelement ausgebildet ist. Bevor die Metallbleche durch Punktschweißen entlang ihrer Ränder miteinander verbunden werden, wird das Schaumkernelement als vorgefertigtes plattenförmiges Stanz- oder Formteil zwischen die beiden Metallbleche eingelegt. Durch eine Wärmebehandlung füllt das aus einem aufschäumbaren Kunststoffmaterial bestehende plattenförmige Stanz- oder Formteil den Hohlraum zwischen den Metallblechen vollständig aus.
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In der
DE 699 22 810 T2 wird beispielsweise ein Strukturelement für eine Schiffsbauanwendung beschrieben, das als ein Sandwichelement ausgebildet ist. Hierzu wird zwischen zwei Metallplatten mit einer Dicke von mindestens 3 mm eine ausschäumbare Masse eingebracht, die ein Schaumkernelement mit einer Dicke von mindestens 20 mm ausbildet. Im Randbereich der Metallplatten wird ein schaumfreier Schweißrand eingehalten, damit die als Sandwichelemente ausgeführten Bauteile an andere Elemente angeschweißt werden können, ohne dass das ausgehärtete Schaumkernelement durch die Hitze des Schweißens beschädigt wird. Unter mechanischer Belastung weist das Schaumkernelement eine starke Bindungsfestigkeit mit einem hohen Elastizitätsmodul und einer hohen Duktilität auf.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Strukturelement für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, welches bei minimalem Gewicht ein Maximum an Druckstabilität ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch Bereitstellung eines Strukturelements für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Um ein Strukturelement für ein Fahrzeug, vorzugsweise ein Kraftfahrzeug zu schaffen, welches bei minimalem Gewicht ein Maximum an Druckstabilität ermöglicht, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das mindestens eine Schaumkernelement eine Hohlraumstruktur aufweist. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein außerordentlich druckstabiles Schaumkernelement mit einem besonders niedrigen Gewicht hergestellt werden kann. Dadurch kann das erfindungsgemäße Strukturelement auf vielfältigste Art als Versteifungselement im Bereich eines Kraftfahrzeugs verwendet werden, welches sowohl in einer als Hohlraum ausgebildeten Tragstruktur einer Karosserie des Kraftfahrzeugs als auch im sichtbaren Bereich der Außenhaut oder als eigenständiges Bauteil innerhalb der Karosserie des Kraftfahrzeugs integriert werden kann. Hierdurch kann eine Erhöhung der Steifigkeit der bestehenden Tragstruktur oder eine stabile Ausführung der aus den erfindungsgemäßen Strukturelementen hergestellten Bauteile erreicht werden und somit eine wesentliche Verbesserung des Aufbaus des Kraftfahrzeugs erfolgen, wobei das Gesamtgewicht des Kraftfahrzeugs verringert werden kann. Die mit dem Schaumkernelement verbundenen Bauteile können somit im Crashfall zusätzlichen Widerstand aufbauen und das Deformationsverhalten der Karosserie des Kraftfahrzeugs verbessern. Im Ergebnis kann somit ein verbesserter Insassenschutz des Kraftfahrzeugs realisiert werden. Die erfindungsgemäßen Strukturelemente können wirtschaftlich bzw. kostengünstig hergestellt werden, wodurch sich die Herstellungskosten eines Kraftfahrzeugs reduziert werden können. Ferner kann das Schaumkernelement die Fahrzeugkarosserie in vorteilhafter Weise gegen Geräuscheinflüsse von außen abschirmen und für einen besseren Fahrkomfort sorgen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strukturelements ist die Hohlraumstruktur als Rippenstruktur ausgeführt. Dadurch kann das Strukturelement in vorteilhafter Weise verwindungssteif und dennoch besonders leicht ausgeführt werden, wodurch im Betrieb des Kraftfahrzeugs auftretende Druckkräfte großflächig auf angrenzende Bauteilflächen verteilt und übertragen werden können. Die Rippenstruktur kann elastisch ausgebildet werden und dadurch besonders gut erhöhte Druckbelastungen ohne sichtbare Deformationen absorbieren. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch eine variable Gestaltung der Geometrie der Rippenstruktur, insbesondere durch eine zielgerichtete und/oder ungleiche Materialdicke der Rippenstruktur, eine definierte Einstellung der Belastbarkeit des Strukturelements sowie der gesamten Energieabsorptionsfähigkeit möglich ist.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strukturelements ist die Hohlraumstruktur nach außen hin zumindest teilweise offen ausgeführt. Dadurch kann mit einfachen und kostengünstigen Herstellungsmitteln ein komplexes Hohlprofil mit einer Mehrkammerstruktur geschaffen werden. Beispielsweise kann ein zweiteiliges Werkzeug ohne Schieber verwendet werden, wodurch das ausgeschäumte Strukturelement leicht und schnell aus dem Werkzeug entformbar ist und somit eine hohe Stückzahl wirtschaftlich gefertigt werden kann. In vorteilhafter Weise kann hierdurch ein extrem leichtes, verwindungssteifes und sehr kostengünstiges Strukturelement entstehen, das somit ganz im Sinne eines Leichtbaugedankens konzipierbar ist. Das erfindungsgemäße Strukturelement kann als Bauteil einzeln oder es können mehrere Strukturelemente hintereinander in einem Hohlraum einer Tragstruktur des Kraftfahrzeugs montiert werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung bilden mindestens zwei miteinander verbundene Schaumkernelemente ein Sandwichelement mit einer geschlossenen Hohlraumstruktur. Dadurch kann in vorteilhafter Weise ein extrem leichtes und kostengünstiges Bauteil mit doppelter Belastbarkeit entstehen, welches auf Grund der dreidimensionalen Mehrkammerstruktur über eine besonders hohe Steifigkeit mit hohem Energieabsorptionsvermögen verfügen kann. In vorteilhafter Weise kann sich die Montage des Sandwichelements lediglich darauf beschränken, zwei baugleiche Schaumkernelemente zu verbinden, wodurch kostenintensiver Montageaufwand eingespart werden kann und die Herstellungskosten für zusätzliche Werkzeuge vermieden werden können. Das Sandwichelement kann vorgefertigt und als Innenbauteil in einem Hohlraum einer Tragstruktur integriert werden oder als Innenverkleidungsteil bzw. Außenverkleidungsteil in einem Kraftfahrzeug montiert werden. Dies ermöglicht eine große Vielfalt und einen hohen Grad an Flexibilität bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Strukturelements bzw. des Sandwichelements.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strukturelements ist mindestens ein Decklagenelement vorgesehen, welches an mindestens einer Außenseite des mindestens einen Schaumkernelements angeordnet ist. Durch die Anordnung des Decklagenelements an der Außenseite des Schaumkernelements kann das Strukturelement optisch ansprechend ausgestaltet werden und eine auftretende Druckbelastung kann gleichmäßig auf das erfindungsgemäße Strukturelement übertragen und verteilt werden. Das Decklagenelement kann in unterschiedlichen Farben hergestellt oder in Karosseriefarbe des Kraftfahrzeugs lackiert werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strukturelements ist das mindestens eine Decklagenelement stoffschlüssig mit dem mindestens einen Schaumkernelement verbunden. Das hat den Vorteil, dass das Decklagenelement optimal mit dem Schaumkernelement verbunden werden kann und, dass eine gleichmäßige und kontinuierliche Abstützung bzw. Auflage des Schaumkernelements auf dem Decklagenelement erfolgen kann. Dadurch kann eine hohe Druckbelastung gleichmäßig aufgenommen und auf das Strukturelement verteilt werden, wodurch insgesamt die Verwindungssteifigkeit und die Belastbarkeit der Fahrzeugkarosserie verbessert und die Sicherheit der Fahrzeuginsassen erhöht werden kann.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strukturelements ist das mindestens eine Decklagenelement aus einem Faserkunststoffverbundmaterial hergestellt. Ein wesentlicher Vorteil des Faserkunststoffverbundmaterials kann in der sehr hohen Festigkeit des Werkstoffs und der sich daraus ergebenden Steifigkeit für die Karosserie des Fahrzeugs bestehen. Ein derartiges Faserkunststoffverbundmaterial kann auf einfache Weise kostengünstig, insbesondere in großen Mengen hergestellt werden und kann im Gegensatz zur Verwendung eines anderen Werkstoffes einfach an umgebende Konturen angepasst oder in unterschiedlichen Formen hergestellt werden. In vorteilhafter Weise kann hierdurch ein extrem leichtes Bauteil entstehen, das somit ganz im Sinne eines Leichtbaugedankens konzipierbar ist. Zudem können durch eine Verminderung der Oberflächen, die beschichtet werden müssen und die bezüglich einer Korrosion empfindlich sind, die Herstellungskosten und das Gesamtgewicht der Karosserie verringert werden, wodurch der Energiebedarf zum Betreiben des Fahrzeugs sinkt.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strukturelements besteht das mindestens eine Schaumkernelement aus einer aufschäumbaren Masse, welches beispielsweise aus Polyurethan und/oder Polymethacrylimid besteht. In vorteilhafter Weise ermöglicht eine derartige aufschäumbare Masse eine kostengünstige Herstellung von großvolumigen Bauteilen mit komplizierten oder asymmetrischen Strukturen, die bei einem geringen Gewicht neben einer hohen Formstabilität und Druckbelastbarkeit eine hervorragende Schalldämmung aufweisen auch ohne Verwendung zusätzlicher Entkoppelungselemente. Ein wesentlicher Vorteil des Elastomers Polyurethan besteht darin, dass es unterschiedliche Eigenschaften aufweisen kann. Je nach Herstellung kann Polyurethan in aufgeschäumter Form hart und spröde oder weich und elastisch sein. Auf Grund der hervorragenden mechanischen Eigenschaften eignet sich Polyurethan besonders gut zur Herstellung von Strukturelementen, da es neben einer hohen Verschleißfestigkeit bzw. Druckbelastbarkeit auch besonders gute Klebeeigenschaften aufweist, die eine stoffschlüssige Verbindung eingelegter Bauteile gewährleistet.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
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Dabei zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Strukturelements für ein Kraftfahrzeug mit einem Schaumkernelement und einem Decklagenelement,
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2 eine perspektivische Darstellung eines aus zwei Strukturelementen verbundenen Sandwichelements aus 1,
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3 eine Schnittdarstellung des Sandwichelements aus 2.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, weist das Strukturelement 10 für ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, ein Schaumkernelement 12a, 12a' auf, wobei das Schaumkernelement 12a, 12a' aus einer aufschäumbaren Masse besteht. Bei der vorliegenden Ausführung des Strukturelements 10 handelt es sich bei der aufschäumbaren Masse vorzugsweise um Polyurethan und/oder Polymethacrylimid. Selbstverständlich sind auch andere einem Fachmann als sinnvoll erscheinende aufschäumbare Massenwerkstoffe für das Schaumkernelement 12a, 12a' denkbar, wie beispielsweise, Duromerschäume oder Thermoplastschäume. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Strukturelement 10 für ein Kraftfahrzeug rechteckförmig ausgeführt, wobei alle anderen einem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Ausführungsformen des Strukturelements 10 denkbar sind, welche beispielsweise abweichend von einer rechteckigen Ausführungsform bzw. von einer ebenen Fläche der Ausführungsform ausgebildet sein können. Auf Grund der unterschiedlichen Verwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Strukturelements 10 kann das Schaumkernelement 12a, 12a' in verschiedenen Größen oder mit unterschiedlichen Steifigkeiten bzw. Eigenschaften ausgeführt werden. Abhängig von den gewünschten Eigenschaften des Strukturelements 10 kann daher das Gewicht des Schaumkernelements 12a, 12a' erheblich variieren.
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Um eine Strukturelement 10 für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, welches bei minimalem Gewicht ein Maximum an Druckstabilität ermöglicht, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das mindestens eine Schaumkernelement 12a, 12a' eine Hohlraumstruktur 14a, 14a' aufweist.
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Wie aus 1 ersichtlich, ist die Hohlraumstruktur 14a, 14' als Rippenstruktur ausgeführt, wobei die Hohlraumstruktur 14a, 14a' nach außen hin zumindest teilweise offen ausgeführt ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Rippenstruktur nach einer Seite bzw. nach oben vollständig offen ausgeführt. Innerhalb des rechteckförmigen Strukturelements 10 sind zwei um 45° verdrehte kastenförmige Rippenstrukturen angeordnet, die jeweils über ihre beiden Eckbereiche 20a, 20b, 20c, 20d untereinander und/oder mit einer Außenwand 12.2a, 12.2b, 12.2c, 12.2d, 12.2a', 12.2b', 12.2c', 12.2d' des Schaumkernelements 12a, 12a' und mit einer Außenseite 12.1a, 12.1a' des rechteckförmigen Strukturelements 10 verbunden sind. Selbstverständlich kann die Hohlraumstruktur 14a, 14a' auch andere einem Fachmann als sinnvoll erscheinende dünne oder dicke Rippenstrukturen aufweisen, wie beispielsweise eine Mäanderstruktur und/oder eine Wabenstruktur und/oder eine Kreisstruktur und/oder Längsstege und/oder Querstege oder einer Kombination daraus.
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Um die Schaumstruktur der Außenoberfläche des Schaumkernelements 12a, 12a' gegen äußere Einflüsse zu schützen bzw. um eine optisch ansprechende Außenoberfläche des Schaumkernelements 12a, 12a' zu ermöglichen, weist das Strukturelement 10 mindestens ein Decklagenelement 18a, 18a' auf, welches an mindestens einer Außenseite 12.1a, 12.1a', 12.1b, 12.1b' des mindestens einen Schaumkernelements 12a, 12a' angeordnet ist. Die sichtbare Oberfläche des Decklagenelements 18a, 18a', 20b ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel glatt und eben ausgeführt, kann aber als dekoratives Element im Bereich der Außenhaut des Kraftfahrzeugs in unterschiedlichen Formen und Farben hergestellt bzw. in der Farbe des Kraftfahrzeugs lackiert werden.
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Das mindestens eine Decklagenelement 18a, 18a' ist vorzugsweise stoffschlüssig mit dem zumindest einen Schaumkernelement 12a, 12a' verbunden. Das Decklagenelement 18a, 18a' kann vor dem Aufschäumen der schaumbaren Masse in eine Formvorrichtung eingelegt werden und so stoffschlüssig mit dem Schaumkernelement 12a, 12a' verbunden werden, wobei jedoch auch andere einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Verbindungstechniken denkbar sind.
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Vorzugsweise ist das mindestens eine Decklagenelement 18a, 18a' aus einem Faserkunststoffverbundmaterial hergestellt. Das Decklagenelement 18a, 18a' ist im vorliegendem Ausführungsbeispiel nur auf einer Außenseite 12.1a, 12.1a' des Schaumkernelements 12a, 12a' angeordnet. Die Verbindung des Decklagenelements 18a, 18a' mit der Außenseite 12.1a, 12.1a' erfolgt vollflächig, während bei einer hier nicht dargestellten Ausführungsform die Verbindung des Decklagenelements 18a, 18a' mit der nach außen hin offen ausgeführten und als Auflagefläche bzw. Verbindungsfläche dienende Außenseite 12.1b, 12.1b' über die umlaufenden Stirnflächen des Schaumkernelements 12a, 12a' und die Stirnflächen der Rippenstruktur erfolgt. Alternativ kann das Decklagenelement 18a, 18a' an beiden Außenseiten 12.1a, 12.1a', 12.1b, 12.1b' des Schaumkernelements 12a, 12a' angeordnet werden, wodurch ein dünnes und besonders belastbares bzw. druckstabiles Strukturelement 10 mit geringem Gewicht entsteht, welches zudem optisch ansprechend gestaltet werden kann.
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Wie aus 2 und 3 weiter ersichtlich, bilden mindestens zwei miteinander verbundene Schaumkernelemente 12a, 12a' ein Sandwichelement 16 mit einer geschlossenen Hohlraumstruktur 14a, 14a'. Die Verbindung der beiden Schaumkernelemente 12a, 12a' erfolgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel über die beiden Außenseiten 12.1b, 12.1b' der Schaumkernelemente 12a, 12a', indem die Stirnflächen der Rippenstruktur und der Außenwände 12.2a, 12.2b, 12.2c, 12.2d, 12.2a', 12.2b', 12.2c', 12.2d' der Schaumkernelemente 12a, 12a' stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Alternativ kann ein Sandwichelement 16 durch eine Verbindung beliebig vieler Schaumkernelemente 12a, 12a' und/oder durch eine Kombination unterschiedlicher Außenseiten 12.1a, 12.1a', 12.1b, 12.1b' der Schaumkernelemente 12a, 12a' untereinander hergestellt werden. Wie in 2 und 3 weiter ersichtlich, kann hierdurch ein nach außen geschlossenes Sandwichelement 16 entstehen. Alternativ kann bei hier nicht dargestellten Ausführungsformen ein teilweise geschlossenes oder beidseitig offenes Sandwichelement 16 hergestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Strukturelement
- 12a, 12a'
- Schaumkernelement
- 12.1a, 12.1a', 12.1b, 12.1b'
- Außenseite
- 12.2a, 12.2b, 12.2c, 12.2d
- Außenwände
- 12.2a', 12.2b', 12.2c', 12.2d'
- Außenwände
- 14a, 14a'
- Hohlraumstruktur
- 16
- Sandwichelement
- 18a, 18a'
- Decklagenelement
- 20a, 20b, 20c, 20d
- Eckbereiche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3215616 C2 [0002]
- DE 69922810 T2 [0003]
