DE102013010332A1

DE102013010332A1 - Sandwichbauteil mit Verstärkungsprofil

Info

Publication number: DE102013010332A1
Application number: DE201310010332
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Füller; Markus Mößle; Jonas Schaper; Jialin Shen
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2013-06-20
Filing date: 2013-06-20
Publication date: 2014-06-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sandwichbauteil (1) für Kraftfahrzeugkarosserien, umfassend zwei FVK-Deckschichten (2.1, 2.2), eine Kernschicht (3) mit wabenartiger oder zellenartiger Struktur und mit mindestens ein metallisches Verstärkungsprofil (4), wobei das mindestens eine Verstärkungsprofil (4) innerhalb des Sandwichbauteils an einer Seitenkante des Sandwichbauteils (1) angeordnet ist, so dass zumindest die Oberseite und die Unterseite des Verstärkungsprofils (4) von der oberen und unteren FVK-Deckschicht (2.1, 2.2) bedeckt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sandwichbauteil für Kraftfahrzeugkarosserien mit FVK-Deckschichten und einem metallischen Verstärkungsprofil gemäß Patentanspruch 1 und die Anordnung eines derartigen Sandwichbauteils in einem Kraftfahrzeug gemäß Patentanspruch 8.
Sandwichbauteile aus Leichtbaumaterialein finden zunehmend Anwendung im Karosseriebau von Kraftfahrzeugen. Besonders geeignet sind derartige Sandwichbauteile für Bodenstrukturen. Aus der DE 10 2006 025 816 A1 ist eine Bodenstruktur mit einem tragenden, flächigen Sandwichbauteil bekannt. Das Sandwichbauteil ist bevorzugt mit angrenzenden Karosseriebauteilen verschweißt. Das Sandwichbauteil weist eine hohe Eigenbiegesteifigkeit und -festigkeit auf, sodass das Sandwichbauteil einen nennenswerten Beitrag zur gesamten Karosseriesteifigkeit und -festigkeit liefert. Dadurch trägt das Sandwichbauteil auch zur Weiterleitung von Crashlasten vom Längsträgerverlauf in einen Seitenschweller und in den Kardantunnel bei.
Die EP 0255 749 B1 zeigt einen weiteren Aufbau für ein Kraftfahrzeug mit einer Bodenplatte aus einer Sandwichkonstruktion. An den Kanten des Sandwichs sind halbschalenförmige Profilelemente angeordnet.
Die Krafteinleitung beim Seitenaufprall, bzw. Crash ist jedoch häufig ungenügend, beziehungsweise die strukturell bedingte theoretisch hohe Energieabsorption des Sandwichbauteils beim Crash wird nur ungenügend ausgenutzt. Dies gilt insbesondere bei einem Sandwichaufbau aus steifen Deckschichten, beispielsweise aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) und vergleichsweise weichem Kern, beispielsweise aus unverstärktem Kunststoff.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Sandwichbauteil zur Verfügung zur stellen, das eine verbesserte Krafteinleitung in den Sandwichkörper, bzw. eine verbesserte Crash-Performance aufweist, sowie eine Anbindung dieses Sandwichskörpers an die Karosserie mit verbesserter Crash-Performance.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Sandwichbauteil für Kraftfahrzeugkarosserien, umfassend zwei FVK-Deckschichten eine Kernschicht mit wabenartiger oder zellenartiger Struktur und mit mindestens einem metallischen Verstärkungsprofil, welches innerhalb des Sandwichbauteils an einer Seitenkante des Sandwichbauteils angeordnet ist, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Die Aufgabe wird des Weiteren gelöst durch Anordnung eines Sandwichbauteils in einem Kraftfahrzeug, als Fahrzeugboden, Fahrzeugunterboden oder Fahrzeugdach mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.
Erfindungsgemäß ist somit ein Sandwichbauteil vorgesehen, das eine obere und eine untere Deckschicht aus einem faserverstärkten Kunststoff (FVK) aufweist, eine Kernschicht aus einem Material mit wabenartiger oder zellenartiger Struktur und eine Randverstärkung in Form eines Verstärkungsprofils. Das Verstärkungsprofil kann an einer oder mehreren Rändern, bzw. Kanten des Sandwichbauteils angeordnet sein. Zweckmäßigerweise ist die Randverstärkung, bzw. das Verstärkungsprofil lediglich an den später im Kraftfahrzeug der Crash-Belastung ausgesetzten Seiten ausgebildet. Üblicherweise ist das die Kante der Längsseite eines als Boden oder Dach ausgebildeten Sandwichbauteils.
Erfindungswesentlich ist dabei, dass sich das Verstärkungsprofil innerhalb des Sandwichbauteils befindet. Dies bedeutet, dass zumindest die obere und untere Seite des Verstärkungsprofils von den jeweiligen FVK-Deckschichten abgedeckt werden. Durch die hierdurch hervorgerufene Überdeckung zwischen Verstärkungsprofil und FVK. Deckschicht kann eine sehr feste Verbindung zwischen diesen Komponenten hergestellt werden. Hierdurch ist es möglich eine großen Anteil der Kräfte eines Aufpralls, oder Crashs auf die Seite des Sandwichbauteils in das Sandwich zu übertragen. Da der Kern des Sandwichs relativ weich ist, erfolgt die Krafteinleitung in das Sandwich vorwiegend über die steifen FVK-Deckschichten. Das metallische Verstärkungsprofil besitzt dabei im Vergleich zu den FVK-Deckschichten eine geringere Steifigkeit. Hierdurch ist es möglich, dass das Verstärkungsprofil beim Seitenaufprall oder Crash zunächst deformiert bzw. plastisch verformt wird und dabei die Kraft großflächig, bzw. über einen weiten Bereich in das Sandwichbauteil einträgt. Somit steht ein größerer Anteil des Sandwichbauteils zur Absorption der Crash-Energie zur Verfügung, als ohne Verstärkungsteil.
Werden nur die obere und untere Seite des Verstärkungsprofils von den jeweiligen FVK-Deckschichten abgedeckt, liegt die Außenkante des Verstärkungsprofils entsprechend frei oder offen. Dies kann von Vorteil sein, wenn die Außenkante mit einem metallischen Karosserieteil verbunden wird, da sich beide metallischen Werkstoffe verschweißen lassen. Beispielsweise kann das Verstärkungsprofil aus Aluminiumlegierung oder Stahl an eine Außenbeplankung aus Aluminiumlegierung oder Stahl angeschweißt werden.
Das Verstärkungsprofil ist beispielsweise als Rechteck-Hohlprofil, als Rund-Hohlprofil, als U-Profil oder als Doppel-T-Profil ausgebildet. Das Verstärkungsprofil ist bevorzugt ein Hohlprofil mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt. Es ist bevorzugt aus Leichtmetalllegierung, insbesondere Aluminiumlegierung, oder Stahl aufgebaut.
In einer weiteren Variante schließen die FVK-Deckschichten das Sandwichbauteil zumindest an einer Seitenkante randseitig ab, wobei das Verstärkungsprofil auch randseitig bedeckt wird. Das Verstärkungsprofil ist hier somit vollständig innerhalb des Sandwichbauteils angeordnet. Mit dieser Anordnung kann die Kraftübertragung im Crash-Fall weiter verbessert werden. Aber auch hinsichtlich des Korrosionsverhaltens ist diese Anordnung von Vorteil, da keine korrosiven Medien mehr von außen entlang der Kante an das Metall des Verstärkungsprofils gelangen können.
Besonders bevorzugt ist das Verstärkungsprofil in das Sandwich eingeklebt. Dabei findet zumindest eine Verklebung zwischen Ober- und Unterseite des Verstärkungsprofils mit den jeweiligen FVK-Deckschichten statt. Das Verstärkungsprofil kann zusätzlich auch mit der Kernschicht verklebt sein. Durch die Überlappung zwischen den beiden FVK-Deckschichten und den Ober- und Unterseiten des Verstärkungsprofils steht eine große Klebefläche zur Verfügung, die bereits eine gute Kraftübertragung gewährleistet.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung ist das Verstärkungsprofil mit mechanischen Verbindungsmitteln oder Fügeelementen an die FVK-Deckschichten angebunden. Bevorzugt wird das Verstärkungsprofil an Ober- und Unterseite mit der oberen und der unteren FVK-Deckschicht mechanisch fest, insbesondere kraftschlüssig, verbunden. Besonders bevorzugt werden Verklebung und Fügeelemente zusammen eingesetzt.
Bei den Fügeelementen handelt es sich insbesondere um Schrauben, Bolzen, Nieten, Nägel oder Stifte, die entlang der Kante angeordnet sind.
Je nach Überlappung zwischen FVK-Deckschicht und Verstärkungsprofil oder Stärke einer gegebenenfalls vorhandenen Verklebung können mehr oder weniger Fügeelemente eingesetzt werden.
Die Fügeelemente können dazu genutzt werden gleichzeitig noch weitere Bauteile mit dem Sandwichbauteil zu verbinden. Beispielsweise ist es möglich mithilfe der Fügeelemente Streben, Anbindungs- oder Verbindungselemente für die Karosserie an das Sandwichbauteil anzubringen. Die Verbindungselemente dienen dazu eine feste und großflächige Verbindung zwischen dem Rand des Sandwichbauteils und weiteren Karosserieteilen, wie beispielsweise Schweller, Träger oder Beplankungsteile herzustellen.
Die Kernschicht oder Innenschicht des Sandwichbauteils wird aus Waben- oder Zellartigen Strukturen gebildet. Als Material kommen insbesondere Kunststoff, faserverstärkter Kunststoff, Metall, Metallschaum oder Kunststoffschaum zum Einsatz. Besonders bevorzugt sind Waben aus unverstärktem Kunststoff oder Kunststoffschaum. Schaum ist dabei als zellartige Struktur zu verstehen.
Das Sandwichbauteil und dessen Anordnung in einem Kraftfahrzeug werden anhand von schematischen Zeichnungen weiter erläutert.
Dabei zeigen:
1 ein Sandwichbauteil (1) mit FVK-Deckschichten (2, 2.1, 2.2), Kernschicht (3), metallischem Verstärkungsprofil (4), verstärkter Seitenkante (10) und mit zwei winkelförmigen Anbindungselementen (5) und mit einem Fügeelement (6) und
2 ein Sandwichbauteil mit oberer und unterer FVK-Deckschicht (2.1, 2.2), Kernschicht (3) und metallischem Verstärkungsprofil (4), sowie Anbindungselementen (5), ein Fügeelement (6), Klebstoffnähte (7) Karosseriebauteil (9) und Schweißverbindung (8).
Eine bevorzugte Ausgestaltung eines Sandwichbauteils zusammen mit Anbindungselementen ist in 1 schematisch wiedergegeben. Dabei werden die FVK-Deckschichten (2) durch Kohlenstofffaserverstärktes Polyesterharz gebildet. Das Sandwich weist zur rechten Seite hin eine Aufdickung auf. Das quadratische Verstärkungsprofil (4) wird auf der Ober- und der Unterseite vollständig von der jeweiligen FVK-Deckschicht umschlossen und liegt im Inneren an der Kernschicht (3) an. Oberhalb- und unterhalb des Sandwichbauteils verlaufen entlang der Seitenkante (10) winkelförmige Anbindungselemente (5). Im oberen Anbindungselement (5) ist beispielhaft ein Fügeelement (6) in Form eines Nagels dargestellt. Der Nagel verbindet gleichzeitig Anbindungselement (5) und Verstärkungsprofil (4) mit der oberen FVK-Deckschicht (2.1). Die Kernschicht (3) besteht aus wellenförmigen Aluminiumblechen, die sich zu einer Wabenstruktur ergänzen. Das metallische Verstärkungsprofil (4) besteht ebenfalls aus Aluminium.
Eine bevorzugte Anordnung des Sandwichbauteils (1) erfolgt im Fahrzeugboden, Fahrzeugunterboden oder Fahrzeugdach. Die mit dem Verstärkungsprofil (4) verstärkte Seitenkante (10) wird dabei über ein winkelförmiges Anbindungselement (5) mit einem randseitigen Karosseriebauteil (9) verbunden. Das Verstärkungsprofil wirkt hier zur Verbesserung der Crash-Performance gegenüber dem Seitenaufprall eines Kraftfahrzeugs.
Eine bevorzugte Anordnung eines Sandwichbauteils in einem Kraftfahrzeug ist in 2 schematisch wiedergegeben. Dabei ist ein Schnitt quer zur Längsachs eines Sandwichbauteils dargestellt.
Im Vergleich mit dem Sandwichbauteil von 1 befindet sich nun das Verstärkungsprofil (4) vollständig innerhalb des Sandwichs. Die rechte Kante des Verstärkungsprofils ist ebenfalls mit der FVK-Deckschicht (2) überdeckt (randseitig). In dieser exemplarischen Ausführung ist zwischen FVK-Deckschicht und Verstärkungsprofil keine Kleberschicht angeordnet. Die feste mechanische Verbindung zwischen FVK-Deckschicht und Verstärkungsprofil erfolgt hier über die Fügeelemente (6) und außerdem über die randseitig angeordnete FVK-Deckschicht. Die beiden Anbindungselemente (5) sind winkelförmige Profile, die entlang der Seitenkante, bzw. randseitig am Sandwichbauteil angeordnet sind. Die Anbindungselemente sind hier über Fügeelemente (6), dargestellt durch einen Stanznagel, und durch Klebstoffnähte (7) mit dem Verstärkungsprofil (4), respektive mit den FVK-Deckschichten verbunden. Auf der rechten Seite ist ein Karosseriebauteil (9) angeordnet. Dies kann beispielsweise ein Aluminiumbeplankungsteil oder ein Schwellerteil eines Kraftfahrzeugs sein. Das Karosserieteil ist über Schweißverbindungen (8) mit den Anbindungselementen (5) verbunden. Zusätzlich erfolgt hier eine Verklebung zwischen der Randseite des Sandwichbauteils (2) und dem Karosseriebauteil (9) mittels einer Klebstoffnaht (7).
In bevorzugter Ausgestaltung ist das winkelförmige Anbindungselement (5) mit dem Sandwichbauteil (1) durch Verklebung und mittels Fügeelementen (6) verbunden, wobei jedes Fügeelement (6) die FVK-Deckschicht (2) mit dem Verstärkungsprofil (4) mechanisch fest, insbesondere kraftschlüssig, verbindet. Diese Ausgestaltung eignet sich sowohl für den Fall, dass das Verstärkungsprofil vollständig im Sandwich liegt, als auch für den Fall, dass die randseitige Kante, bzw. Seitenkante (10) des Verstärkungsprofils offen oder frei bleibt.
Die Anbindung des winkelförmigen Anbindungselements (5) an das Karosseriebauteil (9) erfolgt bevorzugt durch Schweißen. Gegebenenfalls kann auch geklebt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102006025816 A1 [0002]
EP 0255749 B1 [0003]

Claims

Sandwichbauteil (1) für Kraftfahrzeugkarosserien, umfassend zwei FVK-Deckschichten (2.1, 2.2), eine Kernschicht (3) mit wabenartiger oder zellenartiger Struktur und mit mindestens ein metallisches Verstärkungsprofil (4), dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verstärkungsprofil (4) innerhalb des Sandwichbauteils an einer Seitenkante des Sandwichbauteils (1) angeordnet ist, so dass zumindest die Oberseite und die Unterseite des Verstärkungsprofils (4) von der oberen und unteren FVK-Deckschicht (2.1, 2.2) bedeckt sind.
Sandwichbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die FVK-Deckschichten (2) das Sandwichbauteil zumindest an einer Seitenkante (10) randseitig abschließen und das Verstärkungsprofil (4) auch randseitig bedecken.
Sandwichbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsprofil (4) mit den FVK-Deckschichten (2) verklebt ist.
Sandwichbauteil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsprofil (4) mit der Kernschicht (3) verklebt ist.
Sandwichbauteil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsprofil (4) einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweist und aus Leichtmetalllegierung, insbesondere Aluminiumlegierung, oder Stahl besteht.
Sandwichbauteil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsprofil (4) mit Fügeelementen (6) mit der oberen (2.1) und der unteren FVK-Deckschicht (2.2) mechanisch fest, insbesondere kraftschlüssig, verbunden ist.
Sandwichbauteil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Kernschicht (3) aus Waben oder Zellen aus Kunststoff, faserverstärktem Kunststoff, Metall, Metallschaum oder Kunststoffschaum besteht.
Anordnung eines Sandwichbauteils (1) nach einem der voran gegangenen Ansprüche in einem Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Sandwichbauteil (1) im Fahrzeugboden, Fahrzeugunterbodenverkleidung oder Fahrzeugdach angeordnet ist und über die mit dem Verstärkungsprofil (4) verstärkte Seitenkante (10) und über ein winkelförmiges Anbindungselement (5) mit einem randseitigen Karosseriebauteil (9) verbunden ist.
Anordnung eines Sandwichbauteil (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das winkelförmige Anbindungselement (5) mit dem Sandwichbauteil (1) durch Verklebung und mittels Fügeelementen (6) verbunden ist, wobei jedes Fügeelement (6) die FVK-Deckschicht (2) mit dem Verstärkungsprofil (4) mechanisch fest, insbesondere kraftschlüssig, verbindet.
Anordnung eines Sandwichbauteil (1) nach einem der voran gegangenen Ansprüche in einem Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeelemente (6) aus Schrauben, Bolzen, Nieten Nägeln oder Stiften bestehen und/oder die Anbindung des winkelförmigen Anbindungselements (5) an das Karosseriebauteil (9) durch Schweißen erfolgt.