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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Verbinden zweier Bauteile mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine zugehörige Kraftfahrzeugkarosserie mit einer solchen Verbindungsanordnung.
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Heutige Karosserien werden aus Stahl- bzw. Aluminium-Bauteilen und somit aus metallenen Bauteilen zusammengesetzt, wobei zunehmend die Forderung besteht, großflächige Bauteile aus Kunststoff, insbesondere aus faserverstärkten Kunststoff (FVK), wie zum Beispiel kohlefaserverstärkten Kunststoff oder glasfaserverstärkten Kunststoff zu integrieren. Die Größe der flächigen Kunststoffbauteile kann dabei beispielsweise durchaus 1000 × 1500 mm betragen. Als typische Kunststoffbauteile können daher Dächer oder Bodenmodule in Frage kommen. Diese Kunststoffbauteile sind funktionsgerecht zu fügen, das heißt, dass Anforderungen hinsichtlich Crashsicherheit und Festigkeit erfüllt werden müssen. Diese flächigen Kunststoffbauteile bzw. FVK besitzen aber einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das verwendete metallene Karosseriebauteil, welches aus Stahl oder Aluminium besteht.
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Im normalen Fahrbetrieb unterliegt eine Karosserie einem sogenannten Temperatureinsatzbereich, wo Temperaturen von –40°C bis + 80°C auftreten können. Des Weiteren ist es möglich, dass der Verbau der Bauteile aus Kunststoff bzw. FVK vor der Lackierung des Fahrzeugs erfolgt. Bei einem anschließenden Durchlauf durch die Lacktrockner treten dann relativ hohe Temperaturen auf, beispielsweise bis zu 210°C beim Durchlauf durch einen Kathodischen-Tauchlackierungs-Trockner, der auch als KTL-Trockner bezeichnet wird, so dass unterschiedlich starke thermische Ausdehnungen der Kunststoff- bzw. FVK-Bauteile gegenüber der Aluminium- bzw. Stahl-Umgebung der Karosserie auftreten. Der absolute Dehnungsunterschied kann dabei sogar mehrere Millimeter betragen. Es ist üblich, das flächige Kunststoffbauteil an das metallene Bauteil durch Kleben und durch zusätzliches mechanisches Fügen miteinander zu verbinden. In Versuchen hat sich jedoch gezeigt, dass die aufgrund der unterschiedlichen thermischen Dehnungen auftretenden Spannungen an den mechanischen Fügepunkten so hoch werden können, dass eine Beschädigung der Kunststoff- bzw. FVK-Bauteile bzw. lokales Ausreißen der Fügepunkte zu befürchten ist. Ein ausschließliches Kleben der Bauteile, zum Beispiel mittels einer entsprechend dick dimensionierten Klebefuge, würde die thermischen Dehnungsunterschiede zwar zulassen, jedoch ist dies für die Sicherung der Funktionalität der Verbindung nicht ausreichend. Kleben per se ist eine flächige Verbindungstechnik. Crash-Versuche haben aber gezeigt, dass eine dreidimensionale Anbindung, vorzugsweise punktuelle, demgegenüber Vorteile hat, da damit auch im Crashfall auftretende Schälbelastungen aufgenommen werden können. Die Problematik bezüglich des Dehnungsunterschieds entsteht grundsätzlich, wenn zwei Bauteile mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten miteinander verbunden werden sollen, also auch wenn ein großflächiges aus einem ersten Metall, wie beispielsweise Aluminium, gefertigtes erstes Bauteil mit einem aus einem zweiten Metall, wie beispielsweise Stahl, gefertigten zweiten Bauteil verbunden werden soll.
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Aus der
DE 10 2008 060 358 A1 ist eine Anordnung zum Anbinden eines U-förmigen Profilteils aus faserverstärktem Kunststoff an eine Tragstruktur eines Kraftfahrzeugs bekannt. Die Tragstruktur weist mindestens einen Absatz mit einer Anlagefläche auf, an welcher das U-förmige Profilteil randseitig mit Abstand zur Tragstruktur über eine erste Kleberschicht angeklebt ist. Ein winkelförmiges Verbindungselement ist mit einem ersten Schenkel über eine stoff-, form- oder kraftschlüssige Verbindung fest mit der Tragstruktur verbunden. Der zweite Schenkel des winkelförmigen Verbindungselements ist im Bereich des mindestens einen Absatzes der Tragstruktur über eine zweite Kleberschicht fest mit dem U-förmigen Profilteil verbunden.
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In der
DE 10 2006 027 765 A1 werden eine Baugruppe und ein Verfahren zum Verbinden von Bauteilen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten beschrieben. Die Bauteile werden zumindest abschnittsweise über einen Klebstoff miteinander verbunden.
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Aus der
DE 10 2006 027 765 ist eine Verbindung zwischen mindestens einem Bauteil aus Metallblech und mindestens einem Bauteil aus einem Verbundsystem bekannt. Ein einteiliges Besatzteil umfasst einen Befestigungsabschnitt, welcher stoffschlüssig mit einem Verbindungsabschnitt des Metallblechbauteils verbunden ist. Der Befestigungsabschnitt des Besatzteils ist über einen Anbindungsabschnitt einstückig mit einem Aufnahmeabschnitt verbunden, wobei zwischen dem Aufnahmeabschnitt, dem Anbindungsabschnitt und dem Verbindungsabschnitt eine Aufnahmetasche ausgebildet ist, welche einen Verbindungsteil des Verbundsystembauteils aufnimmt. Das Verbindungsteil des Verbundsystembauteils ist über eine erste Klebeverbindung fest mit dem Verbindungsabschnitt des Metallbauteils und über eine zweite Klebeverbindung fest mit dem Aufnahmeabschnitt des Besatzteils verbunden.
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Aus der
DE 10 2008 060 355 A1 ist eine Anordnung eines Faserverbundkunststoff-Profils an eine Leichtmetallstruktur bekannt, bei der ein Verbindungsmittel aus Metall vorgesehen ist, welches aus einem Auflageteil und einem winkelförmigen Halteteil besteht. Beide Teile des Verbindungsmittels sind mit dem Faserverbundkunststoff-Profil verklebt. Insbesondere ist das Auflageteil über die Leichtmetallstruktur und über das Faserverbundkunststoff-Profil hinweg geklebt, so dass ein Längenausgleich in einer vom Faserverbundkunststoff-Profil aufgespannten X-Y-Ebene aufgrund unterschiedlicher Wärmausdehnungskoeffizienten nicht möglich ist. In einer Hochrichtung Z erfolgt durch das an der Leichtmetallstruktur durch Formschluss oder Stoffschluss fest befestigte, winkelförmige Halteteil und dessen zusätzliche Verklebung an dem Faserverbundkunststoff-Profil die Höhenfixierung. Ein Gleiten des Faserverbundkunststoff-Profils innerhalb des Halteteils ist dabei ausgeschlossen, so dass es bei einer Schubbelastung infolge von Wärmedehnungen zu einem Reißen kommen kann.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zum Verbinden zweier Bauteile mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine Kraftfahrzeugkarosserie anzugeben, bei der selbst starke Dehnungsunterschiede aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten zuverlässig ausgeglichen werden können, so dass Schäden nahezu ausgeschlossen sind.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Bereitstellung einer Anordnung zum Verbinden zweier Bauteile mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch die Bereitstellung einer Kraftfahrzeugkarosserie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine Anordnung zum Verbinden eines flächigen ersten Bauteils mit einem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten an ein zweites Bauteil mit einem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten mittels eines winkelförmigen Verbindungselements und eine korrespondierende Kraftfahrzeugkarosserie mit einer solchen Verbindungsanordnung zu schaffen, weist das zweite Bauteil mindestens einen Absatz auf, an welchen über eine Kleberschicht das flächige erste Bauteil randseitig mit Abstand zum zweiten Bauteil angeklebt ist. Hierbei ist das winkelförmige Verbindungselement mit einem ersten Schenkel an dem zweiten Bauteil fest verbunden und bewirkt erfindungsgemäß mit seinem zweiten Schenkel anliegend an einer Oberfläche des flächigen ersten Bauteils eine Fixierung des ersten Bauteils, so dass in einer vom ersten Bauteil aufgespannten Ebene eine Verschiebung innerhalb des winkelförmigen Verbindungselements möglich ist.
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Es wird eine stabile Verbindung angegeben, die auch im Crashfall auftretende Belastungen, wie insbesondere Schälbelastungen sicher aufnimmt. Durch die Gleitschuhe erfolgt dabei ein Formschluss in einer Fahrzeughochrichtung, so dass eine dreidimensionale, stabile Verbindung gegeben ist. Neben der Aufnahme von Crash-Belastungen können vorteilhafterweise auch Lagetoleranzen der Bauteile bzw. Bauteilverwerfungen im Fertigungsablauf ausgeglichen werden. Insbesondere können während des Lackdurchlaufes bei einem Lackiervorgang sich ergebende Verschiebungen in X- und Y-Richtung zugelassen werden, da die Struktur nur in Z-Richtung fixiert ist. Auf Basis dieser Entwicklung können Multimaterialstrukturen auch ohne den Einsatz zusätzlicher mechanischer Fügeelemente, die nur eingeschränkte delta-alpha Toleranz aufweisen, gefertigt werden. Des Weiteren ist es möglich, sofern es gefordert wird, die Struktur nach der Fertigung wieder zu entfernen.
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Die erfindungsgemäße Kraftfahrzeugkarosserie umfasst mindestens einen Querträger, mindestens einen Längsträger und eine als flächiges Bauteil ausgeführte Bodenplatte, welche mittels mindestens einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung mit einem anderen Bauteil verbunden ist.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung kann das zweite Bauteil aus mehreren Teilen zu einem Rahmen zusammengesetzt werden, welcher das flächige erste Bauteil aufnimmt. So können beispielsweise zwei in Fahrzeuglängsrichtung verlaufende Rahmenteile als Längsträger und/oder Schweller der Kraftfahrzeugkarosserie ausgeführt werden. Ein erstes in Fahrzeugquerrichtung verlaufendes Rahmenteil kann beispielsweise als Querträger und/oder Stirnwand der Kraftfahrzeugkarosserie ausgeführt werden und ein zweites in Fahrzeugquerrichtung verlaufendes Rahmenteil kann ebenfalls als Querträger oder als eine einen Innenraum vom Transportraum trennende Trennwand ausgeführt werden.
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Eine gute Befestigung ergibt sich, wenn die Kleberschicht an einer Oberfläche des jeweiligen Absatzes mit Abstand zu einer Seitenwand des zweiten Bauteils und mit Abstand zu einem Ende des Absatzes vorgesehen ist.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung kann das zweite Bauteil als Hohlprofil ausgeführt werden, wobei der mindestens eine Absatz in einfacher Art und Weise einstückig an einer Bodenseite des zweiten Bauteils ausgebildet werden kann. Der jeweilige Absatz kann sich beispielsweise im Wesentlichen über die gesamte Länge des korrespondierenden Rahmenteils erstrecken, wodurch in vorteilhafter Weise eine stabile Auflage des flächigen ersten Bauteils ermöglicht wird.
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Eine stabile Anbindung des flächigen ersten Bauteils an das zweite Bauteil ergibt sich, wenn mehrere winkelförmige Verbindungselemente vorgesehen sind. So können beispielsweise erste winkelförmige Verbindungselemente als Geradenstücke ausgeführt werden, welche entlang den Rahmenteilen angeordnet werden können.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung können zweite winkelförmige Verbindungselemente beispielsweise als Eckstücke ausgeführt werden, deren mit dem zweiten Bauteil fest verbundenen ersten Schenkel einen rechten Winkel einschließen und deren zweite Schenkel zur Auflage auf dem flächigen ersten Bauteil als dreieckige Platte ausgeführt werden können. Die zweiten winkelförmigen Verbindungselemente können in vorteilhafter Weise an Ecken des vom zweiten Bauteil gebildeten Rahmens angeordnet werden.
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Das erste Bauteil kann beispielsweise als flächiges Kunststoffbauteil, insbesondere als faserverstärktes Kunststoffbauteil, oder als flächiges Metallbauteil ausgeführt werden. Das zweite Bauteil kann beispielsweise als Metallbauteil ausgeführt werden.
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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 Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung entlang einer Linie I-I in 2; und
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2 eine Draufsicht der erfindungsgemäßen Anordnung.
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In 1 ist ein Schnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung 1 gezeigt, welche zum Verbinden zweier Bauteile 2, 3 mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten vorgesehen ist. Hierbei wird ein flächiges erstes Bauteil 2 mit einem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten, welches im dargestellten Ausführungsbeispiel als Kunststoffbauteil, insbesondere als faserverstärkten Kunststoffbauteils ausgeführt ist, mit einem zweiten Bauteil 3 mit einem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten verbunden, welches im dargestellten Ausführungsbeispiel als Metallbauteil ausgeführt ist. Das metallische zweite Bauteil 3 ist zum Beispiel als Hohlprofil aus Stahl oder Aluminium ausgebildet und weist an seiner Bodenseite 5 einen Fortsatz bzw. Absatz 6 auf, welcher zum Beispiel eine Breite Ba aufweist, die etwa einer Breite B des Hohlprofils 3 entspricht. Der Absatz 6 ist einstückig an der Bodenseite 5 des Absatzes 6 in Richtung Kunststoffbauteil 2 ausgeformt. An einer Oberfläche 10 des Absatzes 6 ist mittig eine Kleberschicht 12 aufgetragen, die sowohl einen Abstand A zu einer Seitenwand 7 des Hohlprofils 3 als auch einen Abstand zu einem Ende 14 des Absatzes 6 aufweist. Die Kleberschicht 12 dient zum Ankleben des flächigen ersten Bauteils 2 auf den Absatz 6, der als Flansch dient. Das flächige erste Bauteil 2 ist zum Beispiel faserverstärkt bzw. als Faserverbundkunststoff-Bauteil, das auch als FVK-Bauteil bezeichnet wird, mit Kohlefaserverstärkung oder Glasfaserverstärkung des Kunststoffs ausgeführt. Die Klebung des ersten Bauteils 2 erfolgt mit Abstand zur Seitenwand 7 des Hohlprofils 3, so dass ein Luftspalt S vorliegt. Vorteilhafterweise ist der Luftspalt S bzw. der Abstand dabei kleiner als der Abstand A der Kleberschicht 12 von der Seitenwand 7 und beträgt etwa die Hälfte des Abstands A.
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Über ein winkelförmiges Verbindungselement 15, das beispielsweise aus einem Metall, wie Stahl oder Aluminium hergestellt ist, erfolgt nun eine Fixierung des ersten Bauteils 2 in seiner Hochrichtung Z. Das winkelförmige Verbindungselement 15 liegt mit einem ersten, rechteckförmigen Schenkel 16 an der Seitenwand 7 des Hohlprofils 3 an und ist dort fest befestigt, beispielsweise über eine in den 1 und 2 angedeutete Schraubverbindung 23 oder Nietverbindung. Möglich sind aber alle festen Befestigungsarten, wie beispielsweise stoff-, form- oder kraftschlüssige Befestigungsarten. Vorzugsweise sind lösbare Befestigungsarten vorzusehen, um ein Entfernen des winkelförmige Verbindungselement 15 ermöglichen zu können. Mit einem zweiten Schenkel 17 liegt das Verbindungselement 15 mit einer rechteckförmigen Unterseite 18 an einer Oberfläche 25 des ersten Bauteils 2 an. Das winkelförmige Verbindungselement 15 stellt mit seinem zweiten Schenkel 17 einen Gleitschuh dar, um das erste Bauteil 2 in seiner aufgespannten X-Y-Ebene beweglich zu halten. In der dazu senkrechten Hochrichtung Z erfolgt über das als Gleitschuh wirkende winkelförmige Verbindungselement 15 die Fixierung des flächigen ersten Bauteils 2. Das winkelförmige Verbindungselement 15 wird im Folgenden auch als Gleitschuh 15 bezeichnet. Bei dem ersten Bauteil 2 kann es sich um ein Bodenmodul bzw. Bodenplatte eines Fahrzeugs handeln. Möglich ist aber auch, die Erfindung auf ein Fahrzeugdach in gleicher Art und Weise anzuwenden, das in eine metallische Struktur, aufgebaut aus Rahmenprofilen des Fahrzeugdaches, eingefügt wird. Die typische Größe des ersten Bauteils 2 kann dabei durchaus 1000 × 1500 mm betragen. Diese ersten Bauteile 2 sind funktionsgerecht zu fügen, wobei Anforderungen hinsichtlich Crashsicherheit und Festigkeit erfüllt werden müssen.
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Wie 2 zeigt, kann es sich bei dem zweiten Bauteil 3 beispielsweise um ein Karosserieteil aus einem Strangpressprofil, wie beispielsweise einem Längsträger bzw. Schweller oder einen Querträger bzw. eine Stirnwand oder Trennwand einer Kraftfahrzeugkarosserie handeln. Das metallische zweite Bauteil 3 bildet einen Rahmen 30, mit zwei in Fahrzeuglängsrichtung x verlaufenden Rahmenteile 32, 34, welche als Längsträger oder Schweller ausgeführt sind, einem ersten in Fahrzeugquerrichtung y verlaufenden Rahmenteil 31, welches als Querträger und/oder Stirnwand ausgeführt ist, und einem zweites in Fahrzeugquerrichtung y verlaufenden Rahmenteil 33, welches als Querträger oder als eine einen Innenraum vom Transportraum trennende Trennwand ausgeführt ist. Die Längsträger 32, 34 und die Querträger 31, 33 umranden innenseitig das rechteckförmige erste Bauteil 2 und nehmen dieses beispielsweise über sechs erfindungsgemäße Anordnungen 1, 1' derart auf, dass eine Verschiebung in der vom ersten Bauteil 2 aufgespannten X-Y-Ebene möglich bleibt.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei gegenüberliegende Seitenanordnungen 1, von denen eine in 1 im Schnitt dargestellt ist, und an den Ecken des Rahmens 30 entsprechend vier Eckanordnungen 1' vorgesehen. Das großflächige erste Bauteil 2 wird damit unter Verwendung von sechs Gleitschuhen 15, 15' in die Karosserie eingebunden. In den Bodenrahmen 30 bestehend aus den Längsträgern 32, 34 und den Querträgern 31, 33 wird das erste Bauteil 2 eingelegt, welches dann die Bodenplatte bildet und auf den Absätzen 6 bzw. Flanschen des Bodenrahmens 30 aufliegt. Die Bodenplatte 2 wird auf die Absätze 6 bzw. Flansche geklebt, wobei die Bodenplatte 2 die Trägerprofile 31, 32, 33, 34 des Rahmens 30 randseitig nicht berührt, da sie kleiner ist als die Innenabmessung des Rahmens 30. Zwischen den Längsträgern 32, 34 bzw. Querträgern 31, 33 und der Bodenplatte 2 ist jeweils der Luftspalt S ausgespart, welcher zum Toleranzausgleich bei einer thermischen Ausdehnung von unterschiedlichen Werkstoffen dient.
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Das Herstellen einer Verbindung erfolgt so, dass zunächst ein Kleben des ersten Bauteils 2 an den Absätzen 6 unter Verwendung einer entsprechend dick dimensionierten Kleberschicht 12 erfolgt, so dass sowohl im Fertigungsablauf als auch im Temperatureinsatzbereich des Fahrzeugs auftretende thermische Dehnungsunterschiede zugelassen werden. Anschließend erfolgt das Aufsetzen der Gleitschuhe 15, 15' auf dem ersten Bauteil 2. Abschließend erfolgt das Fügen der Gleitschuhe 15, 15' mit den umgebenden Aluminium- oder Stahl-Bauteilen 31, 32, 33, 34 des als Rahmen ausgeführten zweiten Bauteils 30 durch Schrauben 23 oder Nieten oder dergleichen. Als Gleitschuhe 15, 15' können zum Beispiel Winkel, Abschnitte von Strangpressprofilen oder Gussbauteile aus Aluminium verwendet werden. Die Anzahl, Größe und Positionierung der jeweiligen Gleitschuhe 15, 15' ist abhängig von der jeweiligen Konstruktion zu wählen.
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Die Eckanordnungen 1' sind ähnlich den Seitenanordnungen 1 aufgebaut. Der Gleitschuh 15' weist einen ersten Schenkel 16 auf, welcher in zwei erste Schenkel 20, 21 unterteilt ist, welche einen rechten Winkel einschließen. Der zweite Schenkel 22 des als Eckstück ausgeführten Gleitschuhs 15' hat einen dreieckförmigen Grundriss, um so eine Ecke des ersten Bauteils 2 abzudecken. Die Befestigung der ersten Schenkel 20, 21 erfolgt, wie bei den als Geradenstücke ausgeführten Gleitschuhen 15 der Seitenanordnungen 1, vorzugsweise über eine feste Befestigung, wie beispielsweise mittels einer Schraubverbindung 23 oder Nietverbindung.
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Durch die derart gestaltete Klebeverbindung mittels den Anordnungen 1, 1' werden thermische Dehnungsunterschiede zwischen den Kunststoff- bzw. FVK-Bauteilen und der metallischen Umgebung bzw. zwischen zwei Bauteilen aus verschiedenen Metallen zugelassen, welche unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Durch die Gleitschuhe 15, 15' erfolgt ein Formschluss in Hochrichtung Z, so dass eine stabile dreidimensionale Verbindung gegeben ist. Vorteilhafterweise können Crash-Belastungen damit sicher aufgenommen werden, wobei zugleich Lagetoleranzen der Bauteile bzw. Bauteilverwerfungen im Fertigungsablauf zugleich ebenso vorteilhaft ausgeglichen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1'
- Anordnung
- 2
- erstes Bauteil
- 3
- zweites Bauteil
- 5
- Bodenseite
- 6
- Absatz
- 7
- Seitenwand
- 10
- Oberfläche Absatz
- 12
- Kleberschicht
- 14
- Ende Absatz
- 15, 15'
- Verbindungselement
- 16
- erster Schenkel
- 17
- zweiter Schenkel
- 18
- Unterseite
- 20, 21
- erster Schenkel
- 22
- zweiter Schenkel
- 23
- Schraubverbindung
- 25
- Oberfläche
- 30
- Rahmen
- 31, 33
- Querträger (Stirnwand, Trennwand)
- 32, 34
- Längsträger (Schweller)
- B
- Breite Hohlprofil
- Ba
- Breite Absatz
- A
- Abstand
- S
- Spalt
- x
- Fahrzeuglängsrichtung
- y
- Fahrzeugquerrichtung
- z
- Fahrzeughochrichtung
