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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbundfahrgestellrahmen, bzw. einen Fahrgestellrahmen aus Verbundwerkstoff (im Folgenden kurz: Verbundfahrgestellrahmen) und ein Verfahren zum Herstellen des Fahrgestellrahmens. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Verbundfahrgestellrahmen und ein Verfahren zum Herstellen des Fahrgestellrahmens, bei dem eine Wärmeverformung eines Stahlkernmaterials verhindert wird und der eine ausreichende Festigkeit und Steifigkeit aufweist.
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Im Fall von Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen ist es erforderlich, das Gewicht der Fahrzeuge zu reduzieren, um den Kraftstoff-Wirkungsgrad bzw. die Energieeffizienz zu verbessern. Da jedoch aus Metall hergestellte Bauteile ungefähr 70% des Gesamtgewichts ausmachen, sind die Möglichkeiten begrenzt, die Ausgestaltung zum Zweck einer Gewichtsreduktion des Fahrzeugs zu verändern. Dementsprechend wurden zahlreiche Studien durchgeführt, um Metallwerkstoffe durch Verbundwerkstoffe zu ersetzen, die ein geringeres Gewicht aufweisen.
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Die Herstellung von Fahrgestellrahmen für beispielsweise Busse kleiner bis mittlerer Größe mittels Verbundwerkstoffen ist jedoch mit Problemen verbunden.
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Was die Festigkeit betrifft, ähnelt die Streckgrenze von Verbundwerkstoffen, zum Beispiel von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK), derjenigen eines Stahlrahmens. Da jedoch der Youngsche Elastizitätsmodul (E) des Verbundwerkstoffs, der eine der Werkstoffeigenschaften bezüglich der Steifigkeit ist, etwa 20% bis etwa 30% von demjenigen eines Stahlrahmens erreicht, muss die Dicke oder die Querschnittsgröße des Verbundwerkstoffs erhöht werden, um eine Steifigkeit aufrechtzuerhalten, die derjenigen eines Stahlrahmens gleicht.
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Auf der anderen Seite müssen Fahrgestellrahmen von Nutzfahrzeugen, die mit Aufhängungen versehen sind, die folgenden beiden Anforderungen erfüllen.
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Erstens muss die Verformung aufgrund der Achslast gering sein. Wenn die Steifigkeit erhöht wird, wird der Fahrgestellrahmen durch vorgegebene Lasten weniger verformt und verbessert sich die Handhabungsstabilität, da sich ein Ansatzpunkt der Aufhängung nicht bewegt.
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Zweitens sind Aufhängungsbefestigungen und Fahrgestellrahmen mit Metallteilen, zum Beispiel mit Bolzen oder Schrauben, montiert, Wenn das Gewinde für eine Schraube oder einen Bolzen zum Befestigen direkt an einem Verbundwerkstoff-Fahrgestellrahmen eingerichtet ist, kann das Gewinde verschleißen, wodurch es schwierig wird, eine Schraubenbefestigungskraft sicherzustellen. Dementsprechend kann ein Fahrgestellrahmen für ein Nutzfahrzeug, wenn der Fahrgestellrahmen für das Nutzfahrzeug mittels Verbundwerkstoffen hergestellt ist, seine Funktion nur dann erfüllen, wenn einige Stahlwerkstoffe in den Rahmen eingesetzt sind, um den Wirkungsgrad in Bezug auf die Steifigkeit und die Verbindungsstärke der Schrauben bzw. Bolzen zu erhöhen.
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Wenn jedoch ein Verbundwerkstoff als eine äußere Haut oder Schicht verwendet wird und Stahlwerkstoffe oder Schaumstoffe in das Innere eingesetzt sind, um einer Hochtemperaturformung unterzogen zu werden, kann sich der Stahl verformen, was zu Problemen beim Anpassen der Abmessungen des Verbundwerkstoff-Fahrgestellrahmens führt.
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Nachfolgend wird ein typischer Verbundwerkstoff ausführlicher beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich, sind in der verwandten Technik die Fahrgestellrahmen von Niederflurbussen aus Metall geformt, um dem Fahrzeug als eine Art Rückgrat zu dienen, und stützen eine Aufhängung, beispielsweise eine Blattfeder ab.
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Da der Fahrgestellrahmen eines Niederflurbusses keine einstückige Struktur hat, bei der eine Vorderseite mit einer Rückseite verbunden ist, sondern eine Struktur aufweist, bei der ein vorderer Rahmen 100 und ein hinterer Rahmen 200 mit einem zentralen Boden 300 verbunden sind, ist eine Aufhängung bzw. Dämpfereinrichtung und/oder Federeinrichtung (im Folgenden kurz: Aufhängung) im Allgemeinen mittels Verschraubens an den vorderen Rahmen und an den hinteren Rahmen angeschlossen.
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Dementsprechend wird der Stahlrahmen nicht durch Schraubenbefestigungen beschränkt.
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Aus 2 ist ein hinterer Rahmen eines Niederflurbusses ersichtlich. Der hintere Rahmen 200 weist ein Bodenanschlussstück 202, ein Aufhängungsanschlussstück 201 und ein Fahrzeugaufbau-Anschlussstück auf.
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Wenn der hintere Rahmen aus Verbundwerkstoffen geformt ist, werden kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) oder glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) als eine (Außen-)Haut verwendet und werden Stahl und Schaumstoff als Kern innerhalb der (nicht gezeigten) Rahmenform laminiert und bei einer Temperatur von ungefähr 100°C bis ungefähr 150°C gehärtet, um einen hinteren Verbundwerkstoffrahmen herzustellen.
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Wenn der Rahmen des Aufhängungsanschlussstücks 201 hergestellt wird, werden die Verbundwerkstoffhaut und die Stahl- und Innenkernmaterialien bei einer hohen Temperatur auf einmal laminiert und gehärtet. In diesem Fall kann ein Unterschied bezüglich der Steifigkeit jedes Materials zu einer Verformung der Kernmaterialien führen, wodurch die Qualität des Produkts verringert wird.
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Wie aus 3 ersichtlich, können dementsprechend die Anforderungen bezüglich des Montierens einer Aufhängung nicht erfüllt werden, da das zusammen mit dem Schaumstoff laminierte Stahlkernmaterial aufgrund einer Verformung des als Kernmaterial verwendeten Schaumstoffs nicht vertikal ausgebildet werden kann.
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Im Fall eines herkömmlichen Produktes, bei dem Schaumstoff und Stahlwerkstoffe direkt verbunden und externe Verbundwerkstoffe laminiert werden, um bei einer hohen Temperatur auszuhärten, besteht dahingehend eine Beschränkung, dass der Stahlwerkstoff zusammen mit der Verformung des Schaumstoffes aufgrund des Steifigkeitsunterschiedes zwischen dem Schaumstoff und dem Stahlmaterial von seiner vertikalen Position abweicht.
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Die obige Beschreibung der verwandten Technik soll lediglich dem besseren Verständnis des allgemeinen Hintergrundes der vorliegenden Erfindung dienen und nicht als eine herkömmliche Technik verstanden werden, die dem Fachmann auf dem Gebiet wohlbekannt ist.
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Verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung sind darauf ausgerichtet, einen Verbundfahrgestellrahmen (bzw. einen Fahrgestellrahmen aus oder mit Verbundwerkstoff, im Folgenden kurz: Verbundfahrgestellrahmen) und ein Verfahren zum Herstellen des Fahrgestellrahmens bereitzustellen, bei dem eine Wärmeverformung eines Stahlwerkstoffes verhindert werden kann und der eine ausreichende Festigkeit und Steifigkeit aufweist, durch Vermeiden eines direkten Kontaktes zwischen einem Schaumstoff und einem Stahlwerkstoff, wobei ein Innen-Verbundwerkstoff auf ein Stahlkernmaterial geschichtet wird, um ein Primärhärten durchzuführen, und dann das primär gehärtete Produkt auf einen Schaumstoff geschichtet wird und anschließend eine äußere Verbundwerkstoff-Außenhaut an der Außenseite davon sekundär geformt wird.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Verbundfahrgestellrahmen auf: ein primär geformtes Kernmaterial, das ein Stahlkernmaterial und Innen-Verbundwerkstoffe aufweist, die auf beide Flächen des Stahlkernmaterials laminiert sind, ein Innenkernmaterial, das zwischen den primär geformten Kernmaterialien angeordnet ist, wobei die primär geformten Kernmaterialien auf beide Flächen des Innenkernmaterials laminiert sind, und einen sekundär geformten Außen-Verbundwerkstoff, der die Außenflächen der primär geformten Kernmaterialien und des Innenkernmaterials als (Außen-)Hautmaterial bedeckt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Anzahl von auf eine Fläche des Stahlkernmaterials laminierten Innen-Verbundwerkstoffen gleich der Anzahl von auf die andere Fläche des Stahlkernmaterials laminierten Innen-Verbundwerkstoffen.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind das primär geformte Kernmaterial und das Innenkernmaterial wechselweise in mehreren Lagen laminiert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Innen-Verbundwerkstoffe und der Außen-Verbundwerkstoff aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff oder glasfaserverstärktem Kunststoff gebildet.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält das Innenkernmaterial einen Polyvinylchlorid-Schaum oder ein Balsamaterial.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundfahrgestellrahmens auf: Laminieren von Innen-Verbundwerkstoffen auf beide Flächen eines Stahlkernmaterials und anschließend Durchführen eines Primärformens bzw. Urformens bzw. primären Formens (im Folgenden kurz: Primärformen) und Härtens, um ein primär geformtes Kernmaterial zu formen, Laminieren des primär geformten Kernmaterials auf beide Flächen eines Innenkernmaterials, und Bedecken einer gesamten Außenfläche des primär geformten Kernmaterials und des Innenkernmaterials mit einem Außen-Verbundwerkstoff, und anschließend Durchführen eines Sekundärformens bzw. Umformens bzw. sekundären Formens (im Folgenden kurz: Sekundärformen) und Härtens.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Innen-Verbundwerkstoffe und der Außen-Verbundwerkstoff aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff oder glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält das Innenkernmaterial einen Polyvinylchlorid-Schaum oder ein Balsamaterial.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Anzahl von auf eine Fläche des Stahlkernmaterials laminierten Innen-Verbundwerkstoffen gleich der Anzahl von auf die andere Fläche des Stahlkernmaterials laminierten Innen-Verbundwerkstoffen.
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Weitere Aspekte und beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend erläutert.
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Die obigen und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden erläutert.
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Die obigen und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden mit Hilfe der folgenden ausführlichen Beschreibung deutlicher, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird.
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In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine Ansicht, aus der eine Fahrgestellrahmenstruktur eines Niederflurbusses der verwandten Technik ersichtlich ist,
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2 eine Ansicht, aus der ein hinterer Rahmen eines Niederflurbusses der verwandten Technik ersichtlich ist,
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3 eine Ansicht, aus der eine Modifizierung eines Schaumstoffes in einem herkömmlichen Verbundwerkstoffrahmen ersichtlich ist,
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4 und 5 Ansichten, aus denen ein Fahrgestellrahmen und ein Verfahren zum Herstellen desselben gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ersichtlich sind, und
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6 eine Ansicht, aus der eine Struktur eines Fahrgestellrahmens gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ersichtlich ist.
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Bezugszeichen in den Figuren beziehen sich auf die im Folgenden ausführlich erläuterten Bauelemente.
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Es wird angemerkt, dass die angehängten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind, wobei sie eine etwas vereinfachte Darstellung verschiedener bevorzugter Merkmale darstellen, die die Grundprinzipien der vorliegenden Erfindung erläutern. Die spezifischen Gestaltungsmerkmale der vorliegenden Erfindung, wie sie hier offenbart sind, einschließlich beispielsweise bestimmter Abmessungen, Ausrichtungen, Positionen und Formen werden zum Teil durch die besondere beabsichtigte Anwendung und durch das Nutzungsumfeld bestimmt.
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Die Bezugszeichen in den Figuren beziehen sich auf gleiche oder gleichwertige Teile der vorliegenden Erfindung.
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Nachfolgend wird ausführlich auf verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, wobei Beispiele hierfür in den angehängten Zeichnungen erläutert und nachfolgend beschrieben sind. Obgleich die Erfindung in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wird, wird angemerkt, dass die Erfindung durch die vorliegende Beschreibung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt wird. Im Gegenteil soll die Erfindung nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen sondern auch zahlreiche Alternativen, Modifizierungen, Entsprechungen und andere Ausführungsformen miteinschließen.
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Es wird angemerkt, dass sich der Begriff „Fahrzeug” oder ähnliche Begriffe, wie sie in der vorliegenden Anmeldung verwendet werden, auf Fahrzeuge im Allgemeinen, zum Beispiel auf Personenkraftwagen, einschließlich Geländewagen (SUV), Busse, LKWs, verschiedene Nutzfahrzeuge, Wasserfahrzeuge einschließlich einer Vielzahl von Booten und Schiffen, Flugzeuge und dergleichen, sowie auf Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-in-Hybridfahrzeuge, Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb und andere, mit alternativem Kraftstoff betriebene Fahrzeuge (zum Beispiel auf mit nicht aus Erdöl stammendem Kraftstoff angetriebene Fahrzeuge) bezieht. Im vorliegenden Dokument ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug mit zwei oder mehr Antriebsquellen, zum Beispiel ein Fahrzeug, das sowohl einen Benzinantrieb als auch einen Elektroantrieb aufweist.
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Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen ausführlich erläutert.
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Wie aus 4 und 5 ersichtlich, kann ein Fahrgestellrahmen bzw. ein Aufhängungsanschlussstück 201 eines hinteren Rahmens gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Struktur aufweisen, bei der Innen-Verbundwerkstoffe 233 und 234 auf beide Seiten eines Stahlkernmaterials 230 primär-laminiert (bzw. zuerst laminiert) werden und anschließend das Primärformungsprodukt auf beide Seiten eines Innenkernmaterials 231 sekundär-laminiert wird, um vollständig von einer Außen-Verbundwerkstoffhaut bedeckt zu sein.
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Um den Fahrgestellrahmen mit einer derartigen Querschnittsstruktur herzustellen, können Innen-Verbundwerkstoffe, wie zum Beispiel kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) oder glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) auf das Stahlkernmaterial 230 laminiert werden und anschließend zum Primärhärten in einem Formwerkzeug angeordnet werden.
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Insbesondere können die Innen-Verbundwerkstoffe 233 und 234 auf beide Seiten des Stahlkernmaterials 230 laminiert werden, und anschließend kann das Laminat in einem Formwerkzeug angeordnet werden. Anschließend kann das Laminat bei einer Temperatur von ungefähr 100°C bis ungefähr 150°C erhitzt werden, um zu ermöglichen, dass ein in Fasern aufgekohltes wärmeaushärtbares Harz, das die Innen-Verbundwerkstoffe 233 und 234 bildet, integral mit dem Stahlkernmaterial 230 verbunden und mit diesem gehärtet wird.
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In diesem Fall kann die Anzahl der auf die eine Seite des Stahlkernmaterials 230 laminierten Innen-Verbundwerkstoffe 233 gleich der Anzahl der auf die andere Seite des Stahlkernmaterials 230 laminierten Innen-Verbundwerkstoffe 234 sein. Wenn sich die Anzahl der Innen-Verbundwerkstoffe 233 und 234 voneinander unterscheidet, kann es in dem Stahlkernmaterial 230 zu einer Wärmeverformung kommen.
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Das primär geformte Kernmaterial 250, d. h. das Kernmaterial 250, das die auf beide Seiten des Stahlkernmaterials 230 laminierten Innen-Verbundwerkstoffe 233 und 234 aufweist, kann auf beide Flächen des Innenkernmaterials 231 laminiert werden. Anschließend werden die Fläche des primär geformten Kernmaterials 250 und die Fläche des Innenkernmaterials 231, die nach außen hin freiliegen, mit einem Hautmaterial, d. h. mit dem Außen-Verbundwerkstoff 232 bedeckt, und dann in einem Formwerkzeug platziert, um sekundär gehärtet zu werden. So kann das Fahrgestellrahmenprodukt gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung fertiggestellt werden.
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In diesem Fall kann das Innenkernmaterial 231 aus PVC-Schaum oder aus Balsamaterial hergestellt sein und kann dazu dienen, das Widerstandsmoment zu erhöhen, während es zwischen den primär geformten Kernmaterialien 250 angeordnet ist.
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Das Verfahren zum Herstellen des Fahrgestellrahmens kann die Merkmale eines Prepregverfahrens bzw. Vorimpräginierte-Fasern-Verfahrens (im Folgenden kurz: Prepregverfahren) aufweisen. Bei einem Prepregverfahren wird das aufgekohlte Harz, wenn als Kernmaterial und Hautmaterial verwendete Innen- und Außen-Verbundwerkstoffe eine einlagig oder mehrlagig laminierte Struktur haben, in der Fasern in einem wärmeaushärtbarem Harz aufgekohlt werden, bei einer hohen Temperatur von ungefähr 100°C bis ungefähr 150°C geschmolzen, um eine Faserhärtung mit hoher Festigkeit zu ermöglichen.
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Auf der anderen Seite kann das primär geformte Kernmaterial 250, um die Steifigkeit des Fahrgestellrahmens, d. h. des Aufhängungsanschlussstücks 201 des hinteren Rahmens zu erhöhen, wie aus 6 ersichtlich, in mehreren Lagen auf beide Seiten des Innenkernmaterials 231 laminiert werden, und kann dann der Außen-Verbundwerkstoff 232 das gesamte Laminat des primär geformten Kernmaterials 250 und des Innenkernmaterials 231 bedecken. Anschließend kann das Laminat für ein Sekundärformen in ein Formwerkzeug eingesetzt werden, um ein Fahrgestellrahmenprodukt mit einer erhöhten Steifigkeit zu erhalten.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Wärmeverformung des Stahlmaterials verhindert werden, da ein Innen-Verbundwerkstoff mit einer ähnlichen Steifigkeit wie derjenigen von Stahl zwischen einem als Kernmaterial verwendeten Stahlmaterial und einem Schaumstoff angeordnet wird, wodurch eine ausreichende Festigkeit und Steifigkeit des gesamten Fahrgestellrahmens erreicht werden können, Dementsprechend ist es möglich, Beschränkungen dahingehend zu überwinden, dass herkömmliche Produkte keinen vertikalen Zustand aufrechterhalten können, da ein Schaumstoff verformt wird und ein Stahlmaterial sich aufgrund eines Steifigkeitsunterschiedes zwischen dem Schaumstoff und dem Stahlwerkstoff, die einander kontaktieren, neigt.
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Zum Zweck einer vereinfachten Erläuterung und genauen Definition in den angehängten Ansprüchen werden die Begriffe „innen” und „außen” verwendet, um Merkmale der beispielhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Positionen solcher Merkmale zu beschreiben, wie sie aus den Figuren ersichtlich sind.
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Die vorangehende Beschreibung bestimmter beispielgebender Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurde zum Zweck der Erläuterung und Beschreibung dargestellt. Sie soll weder vollständig sein noch die Erfindung auf die genauen offenbarten Formen beschränken, und zahlreiche Modifizierungen und Variationen sind im Lichte der oben beschriebenen Lehren möglich. Die beispielgebenden Ausführungsformen wurden ausgewählt und beschrieben, um bestimmte Prinzipien der Erfindung und ihre praktische Anwendung zu erläutern, um es so einem Fachmann auf dem Gebiet zu ermöglichen, verschiedene beispielgebende Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sowie verschiedene Alternativen und Modifizierungen davon auszuführen.
