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Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil für eine Kraftfahrzeugkarosserie und eine Kraftfahrzeugkarosserie mit einem solchen Strukturbauteil.
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Kraftfahrzeugkarosserie-Strukturbauteile der hierin beschriebenen Art werden im Allgemeinen dann eingesetzt, wenn steife Konstruktionen mit gutmütigen Eigenschaften bei einem Aufprall gefragt sind. Bei einem Aufprall treten stoßartige Belastungsspitzen, die über eine normale Betriebsbeanspruchung hinaus gehen, auf, die das Strukturbauteil dissipieren muss. Hierbei werden meist Deformationsenelemte eingesetzt, die sich unter den Belastungsspitzen verformen bzw. aufheizen. Wünschenswerte „gutmütige” Eigenschaften bei einem Aufprall sind ein vorhersagbares Deformationsverhalten und hohe Bauteilintegrität.
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Die Tendenz im Kraftfahrzeugbau, leichtere, kompaktere und gleichzeitig sicherere Autos zu bauen, macht den Einsatz nicht-konventioneller Strukturbauteile immer interessanter. Unter „konventionellen” Strukturbauteilen werden hierbei etwa steife Trägerelemente der Fahrgastzelle, Aufprallschutzelemente oder eine „Knautschzone” an der Fahrzeugfront, die in der Regel auch aus einem metallischen Werkstoff bestehen, gesehen. Der Trend zu kompakteren Kraftfahrzeugen führt dazu, dass die von konventionellen Strukturbauteilen zur Verfügung gestellte Dissipationsleistung bei einem Aufprall nicht mehr ausreicht, bzw. ein derartiges konventionelles Strukturbauteil zu schwer bzw. voluminös würde.
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Strukturbauteile aus Faserverbundkunststoff (FVK) haben ein großes Dissipationspotential, da diese eine hohe Steifigkeit bei gleichzeitig niedriger Dichte bereitstellen und bei einer Deformation bzw. geplanten Zerstörung (Crushing) große Energiemengen dissipieren können. Strukturbauteile aus FVK eignen sich somit sehr gut, um sicherere, kompaktere und leichtere Kraftfahrzeuge zu bauen.
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Strukturbauteile aus FVK an sich sind dem Fachmann bekannt.
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Die
US 20120074735 beschreibt ein „Aufprallschutzelement”, dessen Verwendung und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Dort ist das Aufprallschutzelement als ein Hohlkörper mit darin angeordnetem Stabilisierungs- oder Stauchungselement ausgebildet. Das Stabilisierungs- oder Stauchungselement kann durch einen oder mehrere im Inneren des Hohlkörpers angeordnete sekundäre Hohlkörper gebildet werden oder es ist als ein mehrfach onduliertes Zwischenwandelement ausgebildet. Es ist aber auch möglich, dass eine Kombination von zylindrischem oder kegelstumpfförmigen Stabilisierungs- oder Stauchungselement und onduliertem Wandelement vorliegt, wobei diese dort unverbunden bleiben. Einzelne unverbundene Stabilisierungs- oder Stauchungselemente neigen aber nachteilig zum Knicken, wohingegen ondulierte Wandanordnungen nachteilig dazu neigen, sich unter exzentrischer Krafteinleitung zusammen zu falten.
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Ferner beschreibt die
DE 10 2010 033 123 A1 eine Anordnung, die zum Energieabbau ein Strukturbauteil mit einem mäandrierenden Querschnitt einsetzt. Dort ist ein Tank in einer vermuteten Aufprallrichtung mit mäandrierenden Energieaufnahmeelementen versehen, die sich bei einem Aufprall zunächst zusammenfalten und im Laufe des Zusammenfaltens eine konstant größer werdende Kraft an den Tank weitergeben. Der Tank ist verschiebbar gelagert und wird bei einer Krafteinwirkung, die über einer Schwellkraft liegt, aus dem Aufprallbereich bewegt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Strukturbauteil für eine Kraftfahrzeugkarosserie bereitzustellen, das eine exzentrische Stoßbelastung mit geringerer Knickneigung als bisher erträgt und auch bei zentrischer Belastung weniger zum Knicken neigt als bekannte Strukturbauteile und sich ferner kostengünstig herstellen lässt.
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Diese Aufgabe wird durch ein Strukturbauteil für eine Kraftfahrzeugkarosserie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Darüber hinaus ergibt sich noch die Aufgabe, eine Kraftfahrzeugkarosserie bereitzustellen, die bei gleichem oder geringerem Gesamtgewicht ein verbessertes Crashverhalten aufweist.
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Weiterbildungen der Vorrichtungen sind jeweils in den Unteransprüchen ausgeführt.
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Eine erste Ausführungsform bezieht sich auf ein Strukturbauteil für eine Kraftfahrzeug-Karosserie, das wenigstens zwei zylindrische FVK-Rohre, die von Wellentälern zweier gegenüberliegender FVK-Schalenkörper aufgenommen werden, aufweist. Eine Innenquerschnittsform der Wellentäler der FVK-Schalenkörper korrespondiert mit einer Außenquerschnittsform der FVK-Rohre und die FVK-Rohre sind mit den FVK-Schalenkörpern verbunden. Zumindest der erste FVK-Schalenkörper weist in einem Bereich zumindest eines Wellenbergs eine mit der Außenkontur des gegenüberliegenden Wellenbergs des zweiten FVK-Schalenkörpers korrespondierende eingewölbte Rinne auf, die den Wellenberg des zweiten FVK-Schalenkörpers zumindest teilweise aufnimmt.
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Mit „Innenquerschnitt” des FVK-Schalenkörpers ist hierbei der begrenzende Kurvenzug gemeint, der dem FVK-Rohr zugewandt ist. Die Innenquerschnittsform des Wellentals des FVK-Schalenkörpers soll dabei vorteilhaft so gestaltet sein, dass das FVK-Rohr möglichst wenig Spiel in dem Wellental hat, d. h., mit möglichst wenig Zusatzstoff darin befestigt werden kann. Der „Außenquerschnittsform” ist analog dazu als der Kurvenzug, der den Querschnitt des FVK-Schalenkörpers auf der dem FVK-Rohr abgewandten Seite begrenzt.
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Das erfindungsgemäße Strukturbauteil aus FVK kann im Kraftfahrzeug dazu verwendet werden, in besonders crashgefährdeten Kraftfahrzeugabschnitten eingebaut zu werden. Die Längsachsen der FVK-Rohre sind dabei idealerweise parallel zu einer erwarteten Aufprallrichtung ausgerichtet, da das erfindungsgemäße Strukturbauteil in dieser Richtung die größte Dissipationsleistung bereitstellen kann. Im Falle eines Aufpralls nimmt das Strukturbauteil zunächst rein elastisch Energie auf. Wird die Aufpralllast jedoch größer, beginnt der Energieabbau durch Zerstörung (auch Crushing genannt). Da die FVK-Rohre in den Wellentälern der FVK-Schalenkörper quasi eingespannt sind, können diese unter der Aufpralllast nicht ausknicken, sondern werden während des Aufpralls vielmehr zentrisch „gecrusht”, wodurch – vor Allem bedingt durch die hohe Steifigkeit des Bauteils – sehr große Energiemengen dissipiert werden können.
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Ferner bietet die erfindungsgemäße Gestaltung zumindest des Wellenbergs des ersten Bauteils mit einer eingewölbten Rinne den Vorteil, dass die Kontaktfläche des ersten und des zweiten FVK-Schalenkörpers in diesem Bereich vergrößert ist. Mit „eingewölbt” soll angedeutet werden, dass die Rinne im Bereich des Wellenbergs so ausgeformt ist, dass dort – im Querschnitt gesehen – eher eine trogartige Abplattung denn ein Wellenberg vorliegt. Die beschriebene Rinne kann ferner als Montagehilfe bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils dienen, wobei diese einem Monteur die Positionierung des einen FVK-Schalenkörpers auf dem anderen erleichtert, indem eine Zwangsführung der beiden Kontaktpartner angeboten wird. Ohne die Rinne bestünde das Problem, dass gegenüberliegende Wellenberge beim in Kontakt bringen aufeinander abzugleiten drohen.
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Natürlich ist es erfindungsgemäß möglich und wünschenswert, dass ein Strukturbauteil deutlich mehr als zwei FVK-Rohre mit zugeordneten wellenförmigen FVK-Schalenkörper aufweist. Ferner können die Rohre auch unterschiedliche Abstände voneinander haben, wenn es für eine Kraftfahrzeug-Anwendung sinnvoll erscheint.
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In einer weiteren Ausführungsform kann die eingewölbte Rinne bei benachbarten Wellenbergen jeweils abwechselnd am ersten und am zweiten FVK-Schalenkörper vorliegen.
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Dadurch ist es möglich, auf das Strukturbauteil in exzentrischer Weise einwirkende Kräfte gleichmäßiger auf die FVK-Rohre zu verteilen und für eine gleichmäßigere Spannungsverteilung in den FVK-Schalenkörpern zu sorgen. Ferner trägt dies dazu bei, dass für eine „Oberseite” und eine „Unterseite” die gleichen FVK-Schalenkörper-Rohlinge verwendet werden können. Lägen die eingewölbte Rinnen jedoch nur an einem der zwei FVK-Schalenkörper vor, so wären zwei verschiedene FVK-Schalenkörper nötig. Dadurch wird die Anzahl der Komponenten, die ja auch Lagerkapazität benötigen, wirksam reduziert, was sich vorteilhaft auf die Herstellkosten eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils auswirkt.
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In einer noch weiteren Ausführungsform können die FVK-Rohre entweder mit den Wellentälern des ersten und zweiten FVK-Schalenkörpers verklebt sein oder stoffschlüssig ohne Klebezusatz mit letzteren verbunden sein.
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Eine Klebeverbindung bietet den Vorteil, dass sie ohne große Investitionen in einen bestehenden Produktionsprozess integriert werden kann. Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils werden die beiden FVK-Schalenkörper lediglich mit dem Klebemittel benetzt und dann die FVK-Rohre eingesetzt. Soll die Verbindung jedoch ohne Klebezusatz erfolgen, so ist es möglich, dies unter Verwendung von Prepreg- oder Preform-Halbzeugen zu realisieren. In diesem Fall ist zumindest die Anschaffung eines Aushärteofens/Autoklaven zu tätigen. Die Ausführungsform ohne Klebezusatz bietet jedoch den Vorteil, dass diese eine bessere mechanisch Belastbarkeit aufweist und auch unter widrigen Umweltbedingungen keine Delamination der FVK-Rohre und der FVK-Schalenkörper stattfinden kann, wie es bei der Klebeverbindung passieren kann. Ferner ist das Verhalten eines derartigen Strukturbauteils bei einem Aufprall besser vorherzusagen als bei Verwendung einer Zwischenschicht aus Klebstoff, da die FVK-Rohre „enger” in dem FVK-Schalenkörper „eingespannt” sind und dadurch nicht spontan und „unberechenbar” ausknicken.
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Darüber hinaus können die FVK-Rohre parallel zueinander angeordnet sein, was im Falle einer erwarteten Vorzugs-Aufprallrichtung eindeutige Vorteile hinsichtlich der gerichteten Dissipation bietet. Liegen die FVK-Rohre in einer Ebene parallel vor, so ist dies dann vorteilhaft, wenn die erwartete Belastungsrichtung mit hoher Sicherheit vorausgesagt werden kann. In diesem Fall sind die FVK-Rohre quasi parallel geschaltet und die Belastung wird zu – im Idealfall gleichen Teilen – auf die einzelnen FVK-Rohre aufgeteilt.
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In einer alternativen Ausführungsform des Strukturbauteils können die FVK-Rohre mit einem Füllmaterial gefüllt sein, wodurch vorteilhaft zusätzliche Sicherheit gegen Einkicken bereitgestellt werden kann.
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Alternativ kann es sich bei dem Füllmaterial um einen aus einem automatisierten Fertigungsprozess für Faserverbunde anfallenden Kern handeln. Derartige Kerne fallen beispielsweise beim Einsatz von Rundwebmaschinen zur Herstellung schlauchförmiger FVK-Halbzeuge an.
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Ferner kann es sich bei dem Füllmaterial für den Hohlraum in den zylindrischen Rohren um einen Schaum, etwa Metallschaum oder Polymerschaum, handeln, oder es kann ein Naturfasermaterial eingesetzt werden.
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Es ist vorteilhaft, ein Material mit einem hohen „Porenanteil” zu verwenden, da eventuell bei einem Aufprall auftretende Bruchfragmente der Kunststoffmatrix der zylindrischen Rohre von dem Füllmaterial aufgefangen und gebunden werden können, was sowohl das Rezyklieren erleichtert, als auch die Sicherheit erhöht, da die Bruchfragmente scharfkantig sein können.
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Der Querschnitt der FVK-Rohre kann ferner kreisförmig, ellipsenförmig oder polygonal ausgebildet sein.
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Dabei sind Querschnittsformen ohne „Knicke” vorteilhaft, da an „Knicken”, um einer lokalen Spannungsüberhöhung entgegen zu wirken, immer eine größere Wandstärke vorgesehen werden muss, was zu unnötigem Materialverbrauch führt.
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Eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugkarosserie weist zumindest einen Hohlraum auf, in dem ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil vorliegt. Es ist dabei empfehlenswert, das Strukturbauteil in besonders crashgefährdeten Bereichen einzusetzen, um etwa die Fahrgastzelle oder den Tank besser vor Schädigung zu schützen.
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Das Strukturbauteil kann nach einem weiteren Ausführungsbeispiel an wenigstens einer Kontaktfläche mit einer inneren Oberfläche des Hohlraums verklebt sein. Ferner kann es sich bei dem Hohlraum um einen mindestens doppelwandigen Hohlraum handeln, wobei das Strukturbauteil in diesem Fall selbstverständlich mit einer Oberfläche der inneren Wandung verklebt ist.
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Die Verklebung von Strukturbauteil und Hohlraum ermöglicht es, unter Belastung eine nochmals verbesserte Führung des Strukturbauteils quer zu der Aufprallrichtung zu erreichen und damit die Gefahr des Ausknickens der FVK-Rohre zu reduzieren. Ferner kann die Verklebung auch dazu beitragen, unerwünschte Schwingungen des Strukturbauteils im Hohlraum zu vermindern, die vom Kunden, wenn sie hörbar sind, als störend empfunden werden können.
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Bei dem Hohlraum kann es sich erfindungsgemäß um einen Schweller, einen Kraftfahrzeug-Boden, eine Türe, eine Haube sowie um eine Kraftfahrzeug-Front oder ein Kraftfahrzeug-Heck handeln.
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Diese Aufzählung ist jedoch nicht als vollständig oder gar als abschließend zu betrachten; vielmehr kann das Strukturbauteil auch an jeder anderen Stelle im Kraftfahrzeug eingesetzt werde, die bei einem Aufprall besonders viel Energie absorbieren soll. Beispielsweise können durch den Einsatz erfindungsgemäßer Strukturbauteile auch maßgeschneiderte Steifigkeitsbereiche geschaffen werden, die auch auf einen potentiellen Aufprallpartner angepasst werden können, damit beide Aufprallpartner in den Kontaktbereichen eine möglichst gleichmäßige und korrespondierende Steifigkeitsverteilung aufweisen.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitende Figur dargelegt. Der Bezug auf die Figur in der Beschreibung dient dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figur ist lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Die Figur zeigt eine Draufsicht auf ein Strukturbauteil.
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Das erfindungsgemäße Strukturbauteil 1 weist einen ersten (unteren) FVK-Schalenkörper 11 und einen zweiten (oberen) FVK-Schalenkörper 11' auf. Die FVK-Schalenkörper 11, 11' weisen einem im Wesentlichen gewellten bzw. ondulierten Querschnitt auf, wobei diese in dem Strukturbauteil 1 so angeordnet sind, dass sie an ihren Wellenbergen 112, 112' anliegen. In die sich so zwischen den jeweiligen Wellentälern 111, 111' bildenden „Hohlräume” ist jeweils ein FVK-Rohr 12 eingelegt. In der dargestellten Ausführungsform sind die FVK-Rohre 12 mit den FVK-Schalenkörpern 11, 11' verklebt, was durch den Spalt dazwischen deutlich wird, der mit dem Klebemittel gefüllt ist. An der Spitze der Wellenberge 112, 112' liegt jeweils abwechselnd eine abgeplattete Rinne 113 an dem ersten bzw. an dem zweiten FVK-Schalenkörper 11, 11' vor. Diese Rinne 113 vereinfacht einerseits die Montage des Strukturbauteils 1, indem bereits bevor die Wellentäler 111, 111' in Kontakt mit dem jeweiligen FVK-Rohr 12 treten sich eine Führung des Wellenbergs 112, 112' in den Flanken der jeweils gegenüber liegenden Rinne 113 ergibt. Die beiden FVK-Schalenkörper 11, 11' können, da die Rinnen 113 abwechselnd am oberen und am unteren Schalenkörper 11' 11 vorliegen, aus den gleichen Halbzeugen bestehen, was die benötigte Teileanzahl und damit die Lagerhaltungskosten reduzieren kann.
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Gemäß eines nicht figurativ dargestellten Ausführungsbeispiels können die FVK-Rohre 2 mit Schaummaterial gefüllt sein, das bei einsetzendem Crushing die Bruchfragmente aufnehmen soll, um Verletzungen bei Kraftfahrzeug-Insassen zu vermeiden und/oder die Metallbestandteile einer Kraftfahrzeugkarosserie nach einem Aufprall sortenrein rezyklieren zu können. Ferner kann die Füllung der FVK-Rohre 12 mit dem Schaum auch weitergehende Sicherheit gegen Einknicken bereitstellen.
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Werden die FVK-Rohre 12 nicht mit den FVK-Schalenkörpern 11, 11' verklebt, so kann der Spalt natürlich schmaler ausgeführt sein, was eine verbesserte Führung der FVK-Rohre 12 ermöglicht. In diesem Fall können die Rohre 12 und/oder die Schalenkörper 11, 11' als Prepreg- oder Preform-Halbzeuge oder eine Kombination daraus bereitgestellt werden. Beispielsweise können die FVK-Rohre 12 als Prepreg-Halbzeug und der FVK-Schalenkörper 11, 11' als Preform-Halbzeug bereitgestellt werden oder vice versa. Es ist aber auch möglich, dass beide FVK-Halbzeuge 11, 11', 12 als Prepreg-Halbzeug vorliegen. Werden anstelle von Prepreg-Halbzeugen Preform-Halbzeuge eingesetzt, so muss zwar ein Fertigungsschritt mehr ausgeführt werden (das Imprägnieren), es vereinfachen sich aber Lagerung und Bereitstellung der Halbzeuge. So müssen Prepreg-Halbzeuge etwa unter genau definierten Bedingungen hinsichtlich Temperatur und/oder Feuchte gelagert werden, damit die Matrix nicht vorzeitig aushärtet, was das Halbzeug unbrauchbar machen würde. Welche Verfahrensvariante im einzelnen Fall die ökonomisch Sinnvollere ist, hängt vor Allem vom geforderten Durchsatz und damit von der Lagerdauer der Halbzeuge ab.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20120074735 [0006]
- DE 102010033123 A1 [0007]
