DE102012203418A1

DE102012203418A1 - Baugruppe einer Kraftfahrzeugkarosserie

Info

Publication number: DE102012203418A1
Application number: DE201210203418
Authority: DE
Inventors: Stefan Zwolsky; Erich Brem
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2012-03-05
Filing date: 2012-03-05
Publication date: 2013-09-05

Abstract

Es ist eine Baugruppe einer Kraftfahrzeugkarosserie bekannt, die in Schalenbauweise aus einer Innenschale und einer Außenschale besteht, die einen gemeinsamen Hohlraum umschließen. In dem Hohlraum ist ein Strukturelement angeordnet, das die Steifigkeit und die Festigkeit der Baugruppe erhöht. Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannte Baugruppe einer Kraftfahrzeugkarosserie zu verbessern.
Erfindungsgemäß weist eine Baugruppe (1) einer Kraftfahrzeugkarosserie in Schalenbauweise eine Innenschale (2) und eine Außenschale (3) auf, die einen gemeinsamen Hohlraum umschließen. In dem Hohlraum ist ein Verstärkungsbauteil (6) angeordnet, das aus einem im Querschnitt gesehen umlaufend geschlossenen Hohlprofil (7) aus einem Faserverbundwerkstoff besteht. In dem Hohlprofil (7) befindet sich ein Kern (8, 9, 10) aus einem metallischen Werkstoff, aus Holz und/oder aus einem Faserverbundwerkstoff.

Description

Die Erfindung betrifft eine Baugruppe einer Kraftfahrzeugkarosserie nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE 10 2007 010 341 A1 ist eine Baugruppe einer Kraftfahrzeugkarosserie bekannt, die in Schalenbauweise aus einer Innenschale und einer Außenschale besteht, die einen gemeinsamen Hohlraum umschließen. In dem Hohlraum ist ein Strukturelement angeordnet, das die Steifigkeit und die Festigkeit der Baugruppe erhöht. Das Strukturelement kann aus einem faserverstärkten Kunststoff bestehen. Bevorzugt weist es einen Schaumkern auf.
Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannte Baugruppe einer Kraftfahrzeugkarosserie zu verbessern.
Diese Aufgabe wird mit einer Baugruppe einer Kraftfahrzeugkarosserie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß weist eine Baugruppe einer Kraftfahrzeugkarosserie in Schalenbauweise eine Außen- und eine Innenschale auf, die einen gemeinsamen Hohlraum umschließen. In dem Hohlraum ist ein Verstärkungsbauteil angeordnet, das aus einem im Querschnitt gesehen umlaufend geschlossenen Hohlprofil aus einem Faserverbundwerkstoff besteht. In dem Hohlprofil befindet sich ein Kern aus einem metallischen Werkstoff, aus Holz und/oder aus einem Faserverbundwerkstoff.
Ein Kern aus Holz, aus einem Faserverbundwerkstoff oder aus einem metallischen Werkstoff weist eine wesentlich höhere Steifigkeit auf als der aus dem Stand der Technik bekannte Kern aus einem Schaum. Durch die Anordnung des Verstärkungsbauteils mit dem Kern in dem Hohlraum zwischen der Innen- und der Außenschale weist die Baugruppe eine sehr hohe Biegesteifigkeit bei einem geringen Gewicht auf.
Bevorzugt ist das Hohlprofil ein Flechtprofil oder Pultrusionsprofil aus einem Faserverbundwerkstoff. Ein Flechtprofil besteht aus einer Mehrzahl einzelner Endlosfasern, die miteinander zu einem Triaxialgeflecht verflochten sind, wobei zwischen Stehfasern und Flechtfasern unterschieden werden kann. Die Stehfasern bzw. Stehfäden des Triaxialgeflechts verlaufen zumindest abschnittsweise parallel zur Längsrichtung bzw. Axialrichtung des Flechtprofils. Die sogenannten Flechtfasern bzw. Flechtfäden den des Triaxialgeflechts schließen einen Winkel im Bereich von 15° bis 85°, bevorzugt im Bereich von 25°–80° zur Längsrichtung des Profilverlaufs ein. Die angegebenen Wertebereiche umfassen dabei auch die Randwerte. Pultrusionsprofile werden in einem Pultrusionsverfahren in einem kontinuierlichen Ablauf hergestellt. Grundsätzlich wird bei der Herstellung zwischen einem offenen Verfahren und einem geschlossenen Verfahren unterschieden. Beim offenen Verfahren werden die Verstärkungsfasern über eine Tauchwalze in eine Harzwanne geführt. Ein Kadiergitter sorgt für die gewünschte Verteilung der Fasern im späteren Profil. Beim geschlossenen Verfahren treten die gesamten Verstärkungsfasern erst im formgebenden Werkzeug mit dem Harz in Kontakt. Einmal im Werkzeug angelangt, wird der duroplastische Kunststoff bei Temperaturen zwischen 100 und 200°C kontinuierlich gehärtet. Das so ausgehärtete Profil wird anschließend in beliebig lange Teile zersägt.
Idealerweise wird dabei das Hohlprofil direkt auf den Kern geflochten bzw. pultrudiert, sodass das Harz bei der Herstellung des Hohlprofils gleich auch eine feste Verbindung mit dem Kern bildet.
Das Hohlprofil kann aus einem Glasfaser-verstärkten, einem Aramidfaser-verstärkten oder einem Kohlefaser-verstärkten Kunststoff bestehen. Glasfaser-verstärkte Kunststoffe sind ein kostengünstiger und dennoch sehr hochwertiger Faser-Kunststoff-Verbund. Verglichen mit Faser-Kunststoff-Verbunden aus anderen Verstärkungsfasern hat der glasfaserverstärkte Kunststoff ein relativ niedriges Elastizitätsmodul. Aramidfasern zeichnen sich durch eine sehr hohe Festigkeit, ein hohe Schlagzähigkeit, eine hohe Bruchdehnung sowie eine gute Schwingungsdämpfung aus. Allerdings sind sie sehr teuer in der Herstellung und kommen daher meist nur bei sehr hohen Beanspruchungen zum Einsatz. Kohlefasern werden vor allem verwendet, wenn hohe gewichtsspezifische Festigkeiten und Steifigkeit gefordert sind.
Günstigerweise weist der Kern ein Innenhochdruck-umgeformtes und/oder stranggepresstes, metallisches Rohr auf. Hierbei ist es möglich, das Rohr vor dem Innenhochdruck-Verformen in das Verstärkungsbauteil einzubringen und dann erst zu Verformen, sodass es fest gegen die Innenwand des Verstärkungsbauteils gedrückt wird. Alternativ wird auf das Innenhochdruck-umgeformte und/oder stranggepresste, metallische Rohr das Hohlprofil aufgebracht. Bei einem Flechtprofil können die Glasfasern, Aramidfasern oder Kohlefasern direkt auf das Rohr geflochten werden. Bevorzugt ist das Rohr innen mit Holz oder mit einem Kern aus einem Faserverbundwerkstoff gefüllt.
Ein Verstärkungsbauteil, in dem sich ein Innenhochdruck-umgeformtes und/oder stranggepresstes Rohr befindet, das wiederum einen Kern enthält, erhöht die Biegesteifigkeit der Karosseriebaugruppe in sehr hohem Maße. Die Biegesteifigkeit ist dabei erheblich höher als bei einem Verstärkungsbauteil, das nicht oder nur mit einem vergleichsweise weichen Schaum gefüllt ist.
Der Kern kann das Rohr oder das Hohlprofil vollständig ausfüllen. Damit weist das Verstärkungsbauteil eine außerordentlich hohe Biegesteifigkeit auf. Allerdings geht mit der vollständigen Füllung auch ein relativ hohes Gewicht einher. Alternativ füllt der Kern das Hohlprofil nicht vollständig aus. Beispielsweise kann der Kern im Querschnitt gesehen eine Mittelachse aufweisen, von der axial mehrere Stege abstehen, die an dem Hohlprofil bzw. an dem Rohr anliegen. Diese alternative Ausführung des Kerns weist ein deutlich geringeres Gewicht auf als ein Kern, der das Hohlprofil bzw. das Rohr vollständig ausfüllt. Er erhöht aber auch die Steifigkeit erheblich. Bevorzugt besteht der Kern dabei aus einem Glasfaser-verstärkten, einem Aramidfaser-verstärkten oder einem Kohlefaser-verstärkten Kunststoff.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, anhand dessen die Erfindung im Folgenden näher beschrieben wird. Die einzelnen Figuren zeigen in schematischer Darstellungsweise:
1 einen Schnitt durch eine Karosseriebaugruppe mit einem Verstärkungsbauteil und
2 einen Kern zur Erhöhung der Biegesteifigkeit der Karosseriebaugruppe.
In 1 ist ein Schnitt durch einen Dachseitenrahmen 1 einer Kraftfahrzeugkarosserie dargestellt. Er bildet die seitliche Begrenzung eines Fahrzeugdachs. Der Dachseitenrahmen 1 wird in Blechschalenbauweise aus einer Innenschale 2 und einer Außenschale 3 gebildet, die über zwei Flansche 4 und 5 miteinander verbunden sind, und einen gemeinsamen Hohlraum umschließen. In dem Hohlraum ist ein hybrides Verstärkungsbauteil 6 angeordnet. Das Verstärkungsbauteil 6 umfasst ein hohles Flechtprofil 7 aus einem Kohlefaser-Kunststoff. In dem hohlen Flechtprofil 7 befindet sich ein Innenhochdruck-umgeformtes, metallisches Rohr 8, das mit seiner äußeren Mantelfläche flächig an dem hohlen Flechtprofil 7 anliegt. In dem metallischen Rohr 8 wiederum befindet sich in zumindest einem Abschnitt ein Kern 9 aus Holz, der das metallische Rohr 8 vollständig ausfüllt.
Zur Herstellung des Verstärkungsbauteils 6 werden auf das Innenhochdruck-umgeformte Rohr 8 die Kohlefasern für das Flechtprofil 7 aufgeflochten. Anschließend wird das Harz auf die Kohlefasern injiziert, sodass das fertige Flechtprofil 7 entsteht. Dabei verbindet das injizierte Harz zugleich stoffschlüssig das Flechtprofil 7 mit dem Rohr 8, sodass ein steifes Hybridbauteil entsteht. Anschließend wird in einen besonders hoch beanspruchten Abschnitt des Verstärkungsbauteils 6 noch der Kern 9 aus Holz eingeschoben und dort mit dem Rohr 8 verklebt, sodass sich die Position des Kerns 9 nach dem Aushärten des Klebstoffs nicht mehr ungewollt ändern kann.
Der Dachseitenrahmen 1 weist eine große Längserstreckung auf. Er bildet den oberen Teil einer A-Säule der Fahrzeugkarosserie, erstreckt sich entlang des Fahrzeugdachs und bildet den oberen Teil einer C-Säule. Das Verstärkungsbauteil 6 erstreckt sich ebenfalls praktisch über die gesamte Länge des Dachseitenrahmens 1. Es ist im mittleren Abschnitt im Bereich einer B-Säule mit dem Dachseitenrahmen 1 verklebt und vernietet. Zusätzlich sind die beiden Endbereiche des Verstärkungsbauteils 6 mit dem Dachseitenrahmen 1 umlaufend verklebt. Damit ist das Verstärkungsbauteil 6 sicher in dem Hohlraum zwischen der Innenschale 2 und der Außenschale 3 gehalten. Es sind keine weiteren Verbindungen zwischen dem Dachseitenrahmen 1 und dem Verstärkungsbauteil 6 erforderlich.
Der Dachseitenrahmen 1 mit dem Verstärkungsbauteil 6 weist insgesamt eine außerordentlich hohe Biegesteifigkeit bei einem in Bezug auf die Biegesteifigkeit außerordentlich geringen Gewicht auf.
Der bisher beschriebene Kern 9 besteht aus Holz und füllt das Rohr 8 vollständig aus. Alternativ können – wie in 2 dargestellt – auch Kerne 10 eingesetzt werden, die das Rohr 8 nicht vollständig ausfüllen. Derartige Kerne 10 haben dafür gegenüber einem Kern 9, der das Rohr 8 vollständig ausfüllt, ein geringeres Gewicht.
Der in 2 dargestellte Kern 10 weist im Querschnitt gesehen eine Mittelachse 11 auf, von der radial mehrere Stege 12 abstehen. Diese Stege 12 liegen an der Innenwand des Rohres an und erhöhen so ebenfalls die Biegesteifigkeit des Rohrs maßgeblich.
Derartige Kerne 9 und 10 können sowohl in einem Rohr 8 eingesetzt werden, das wiederum in einem hohlen Flechtprofil 7 oder Pultrusionsprofil angeordnet ist, als auch direkt in einem hohlen Flechtprofil 7 oder Pultrusionsprofil. Das Rohr 8 aus Metall erhöht zwar die Biegesteifigkeit etwas, es ist aber nicht zwingend erforderlich. Der wesentliche Anstieg der Biegesteifigkeit erfolgt durch die Verwendung eines Kerns 9 und 10. Dabei ist es maßgeblich, dass der Kern 9, 10 direkt am Rohr 8 oder am Flechtprofil 7 oder Pultrusionsprofil anliegt. Wenn kein Rohr 8 verwendet wird, kann stattdessen das Flechtprofil 7 auch direkt auf den Kern 9 geflochten werden.
Der Kern 9, 10 kann aus Holz oder einem faserverstärkten Kunststoff bestehen. Alle diese Werkstoffe weisen ein wesentlich höheres E-Modul als jeder Schaum auf. Somit erhöht der Kern 9, 10 die Biegesteifigkeit des Verstärkungsbauteils 6 maßgeblich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007010341 A1 [0002]

Claims

Baugruppe einer Kraftfahrzeugkarosserie in Schalenbauweise mit einer Innenschale (2) und einer Außenschale (3), die einen gemeinsamen Hohlraum umschließen, in dem ein Verstärkungsbauteil (6) angeordnet ist, das aus einem im Querschnitt gesehen umlaufend geschlossenen Hohlprofil (7) aus einem Faserverbundwerkstoff besteht, dadurch gekennzeichnet, dass sich in dem Hohlprofil (7) ein Kern (8, 9, 10) aus einem metallischen Werkstoff, aus Holz und/oder aus einem Faserverbundwerkstoff befindet.
Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil (7) aus einem Faserverbundwerkstoff ein Flechtprofil oder Pultrusionsprofil ist.
Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil (7) direkt auf den Kern (8, 9, 10) geflochten bzw. pultrudiert ist, sodass das Harz des Hohlprofils (7) bei der Herstellung auch eine feste Verbindung mit dem Kern (8, 9, 10) bildet.
Baugruppe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil (7) aus einem Glasfaser-verstärkten, einem Aramidfaser-verstärkten oder einem Kohlefaser-verstärkten Kunststoff besteht.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (8, 9, 10) ein Innenhochdruck-umgeformtes und/oder stranggepresstes, metallisches Rohr (8) aufweist.
Baugruppe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (8) innen wiederum mit einem Kern (9, 10) aus Holz oder aus einem Faserverbundwerkstoff gefüllt ist.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (10) im Querschnitt gesehen eine Mittelachse (11) aufweist, von der radial mehrere Stege (12) abstehen, die an dem Hohlprofil (7) bzw. an dem Rohr (8) anliegen.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (9, 10) aus Holz, aus einem glasfaserverstärkten, einem aramidfaser-verstärkten oder einem kohlefaserverstärkten Kunststoff besteht.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass des Verstärkungsbauteil (6) mit der Innenschale (2) und/oder Außenschale (3) bevorzugt mit einem Klebstoff verbunden ist.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe ein Dachseitenrahmen (1) ist.
Baugruppe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsbauteil (6) sich entlang der gesamten Längserstreckung des Dachseitenrahmens (1) erstreckt und mit seinem mittleren Abschnitt im Bereich einer B-Säule fest mit dem Dachseitenrahmen (1) verbunden ist.
Baugruppe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsbauteil (6) mit seinen beiden Endbereichen mit dem Dachseitenrahmen (1) verbunden ist.
Baugruppe nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsbauteil (6) ausschließlich mit seinem mittleren Abschnitt im Bereich einer B-Säule und mit seinen beiden Endbereichen mit dem Dachseitenrahmen (1) verbunden ist.