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Die Erfindung betrifft ein Hohlkörper-Strukturteil, ein Herstellverfahren für selbiges und eine Kraftfahrzeugkarosserie.
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Hohlkörper-Strukturteile werden insbesondere in mobilen Anwendungen eingesetzt, etwa im Kraftfahrzeugbau, um bei geringem Gewicht eine hohe Steifigkeit und hohe Belastbarkeit der daraus gebildeten Konstruktionen zu erhalten. Solche Profile sind häufig aus extrudierten und/oder stranggepressten Profilkörpern hergestellt, die fertigungsbedingt einen über ihre Länge konstanten Querschnitt haben. Es ist aber nur mit erhöhtem Aufwand möglich, eine über die Länge veränderliche Wandstärke zu realisieren. Die Dimensionierung der Wandstärken des Profilquerschnitts erfolgt daher in Abhängigkeit der höchsten zu erwartenden Belastung, was in den weniger belasteten Bereichen zu Überdimensionierung führt. Vorhandene Leichtbaupotentiale können daher nicht vollständig ausgeschöpft werden. Um ein lastflussgerechteres Bauteil zu erhalten, sind verschiedene Lösungen bekannt, bei denen Verstärkungselemente mit dem/den Profilkörper(n) gekoppelt werden.
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Eine solches verstärktes Hohlkörper-Strukturteil ist aus der
DE 10 2009 006 760 A1 bekannt. Das dort offenbarte Strukturteil hat in seinem Inneren an zwei gegenüberliegenden Flächen längsaxial verlaufende Führungsschienen, auf denen ein Versteifungselement geführt ist. Bei der Montage wird das Versteifungselement an eine vorbestimmte Position verschoben und dort kraftleitend mit dem Hohlkörper verbunden. Es ist auch möglich, dass das Versteifungselement sich nur über begrenzten Längsachsenabschnitt erstreckt und nicht über die komplette Länge des Hohlkörpers. Das Versteifungselement und der Hohlkörper dort können aus unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt sein; so kann der Hohlkörper etwa aus einem Leichtmetall und das Versteifungselement aus einem faserverstärkten Kunststoff bestehen.
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Darüber hinaus betrifft die
DE 10 2005 041 894 A1 ein verstärktes Hohlprofil, bei dem im Inneren ein als Deformationselement ausgebildetes Verstärkungselement angeordnet ist, das an allen Innenflächen des Hohlprofilkörpers, der einen geschlossenen Querschnitt hat, formschlüssig anliegt. Das Verstärkungselement kann einen gekreuzten Querschnitt haben, wobei die freien Enden des Querschnitts jeweils mit einer Ecke des Hohlprofils verbunden sind. Das Verstärkungselement kann insbesondere aus einem faserverstärkten Kunststoff hergestellt werden, dessen Fasern gewickelt, gelegt und/oder genäht sein können.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Hohlkörper-Strukturteil zu schaffen, das einfacher und kostengünstiger herstellbar ist und das mit wenig Aufwand kraftflussoptimiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Hohlkörper-Strukturteil mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und mit einem Herstellverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Weiterbildungen sind jeweils in den Unteransprüchen ausgeführt.
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Darüber hinaus ergibt sich die Aufgabe, eine Kraftfahrzeugkarosserie zu schaffen, die bei gleichen Abmaßen steifer und leichter ist als bekannte Kraftfahrzeugkarosserien.
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Diese Aufgabe wird durch eine Kraftfahrzeugkarosserie mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Hohlkörper-Strukturteil weist in einer ersten Ausführungsform zwei oder mehr parallel angeordnete Profilkörper auf, die aneinander gefügt sind. Mit einem oder mehreren der Profilkörper ist/sind ein oder mehrere Verstärkungselement(e) kraftleitend verbunden, wobei sich das/die Verstärkungselement(e) zumindest entlang eines Längsachsenabschnitts des Profilkörpers erstreckt/erstrecken. Das/die Verstärkungselement(e) sind hierbei mit einer/mehreren Außenfläche(n) des Profilkörpers/der Profilkörper verbunden.
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Der Profilkörper kann vorteilhaft ein stranggepresstes oder extrudiertes Teil, insbesondere aus einer Leichtmetalllegierung, wie Aluminium- oder Magnesiumlegierung, sein, das einen konstanten Querschnitt hat und damit in großen Längen kostengünstig hergestellt werden kann. Mit „Außenfläche” sind hierin die Außenseiten der Außenwände gemeint, wobei nicht ausgeschlossen ist, dass der Profilkörper weitere Wände, die keine Außenwände sind, haben kann, etwa Verrippungen oder ähnliches. Die einzelnen Profilkörper können sowohl einen geschlossenen als auch einen offenen Querschnitt haben, wobei auch einer der Profilkörper einen offenen und der andere einen geschlossenen Querschnitt haben kann. Das erfindungsgemäße Hohlkörper-Strukturteil hat geeigneter Weise mehr als zwei Profilkörper, die per se auch in mehreren Lagen angeordnet sein könnten; aber oft eine Platte aus zwei oder mehreren Profilkörpern bilden.
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Die Anordnung von Verstärkungselementen auf der/den Außenfläche(n) hat den Vorteil, dass die Positionierung und Befestigung einfacher als bei einer Anordnung in dem Strukturteil erfolgen kann. Neben den außenseitig angeordneten Verstärkungselementen kann das erfindungsgemäße Strukturteil auch interne Verstärkungen aufweisen, etwa ein Verstärkungsinlay oder im Querschnitt über kreuz verlaufende Verstärkungsmittel. Die Verstärkungselemente können sich über die komplette Länge des Profilkörpers erstrecken oder nur in einzelnen diskreten Längsachsenabschnitten angeordnet sein und/oder können auch einen über die Länge variablen Querschnitt haben, was es einfach macht, unter Verwendung identischer Profilkörper-Rohlinge Hohlkörper-Strukturteile mit unterschiedlichen Verstärkungsgraden für ganz verschiedene Anwendungsfälle zu schaffen.
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In einer weiteren Ausführungsform kann das Verstärkungselement in einer Vertiefung des Profilkörpers aufgenommen sein, die sich parallel zu der Längsachse des Profilkörpers erstreckt. Die Querschnittsform der Vertiefung kann mit einer Querschnittsform des Verstärkungselements korrespondieren. Die Querschnitte der Vertiefung und des Verstärkungselements können darüber hinaus auch bezüglich ihrer Abmessungen, insbesondere der Höhe, aufeinender abgestimmt sein, so dass das Verstärkungselement bündig mit der Außenfläche des Profilkörpers abschließt.
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Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass ein erfindungsgemäß verstärktes Bauteil als direkter Ersatz für ein unverstärktes Bauteil eingesetzt werden kann, da durch die Verstärkung die Außenabmessungen des Strukturteils nicht verändert werden. Ferner kann der Profilkörper, der die Vertiefungen hat, neben dem Einsatz in dem erfindungsgemäßen Hohlkörper-Strukturteil auch ohne Verstärkung eingesetzt werden. Zudem ist es auch möglich, unterschiedliche Verstärkungsgrade zu realisieren, indem Verstärkungselemente mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften eingesetzt werden, beispielsweise Verstärkungselemente mit unterschiedlichen Verstärkungspartikeln und/oder Matrizes.
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In einer noch weiteren Ausführungsform kann/können in einem Stoßbereich der Profilkörper einer oder beide Profilkörper eine Sicke aufweisen, die sich längsaxial erstreckt. In der Sicke kann ein weiteres Verstärkungselement aufgenommen sein, dessen Außenquerschnitt vorteilhaft mit dem Innenquerschnitt der Sicke korrespondiert.
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Mit „Stoßbereich” wird hierin der Berührbereich der beiden Profilkörper bezeichnet, in dem sie miteinander verbunden sind. Es kann auch eine Sickung, bzw. Versickung im Stoßbereich vorgesehen sein, die kein Verstärkungselement aufnimmt, sondern allein durch ihren Beitrag zum Flächenträgheitsmoment versteifend wirkt. Die Sicke kann bei der Fertigung der Profilkörper durch Strangpressen oder Extrudieren ohne einen zusätzlichen Kostenaufwand erzeugt werden. Der Außenquerschnitt des Verstärkungselements kann auch von dem Innenquerschnitt der Sicke(n) abweichen, wobei für eine effektive Krafteinleitung jedoch eine möglichst große Auflagefläche gut ist, was bei korrespondierenden Querschnittsformen am besten erreicht werden kann.
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Ferner kann das erfindungsgemäße Hohlkörper-Strukturteil mehr als zwei Profilkörper aufweisen, die nebeneinander angeordnet sein können. Zusammen bilden die nebeneinander angeordneten Profilkörper ein flächiges Strukturteil, das eine hohe Belastbarkeit aufweist. Das plattenförmige Bauteil, das aus den lateral versickten Profilkörpern besteht, eignet sich beispielsweise als Boden in Fahrzeugen; insbesondere wenn große Lasten bei einer weiten Stützbasis aufgenommen werden sollen, was etwa bei batteriebetriebenen Kraftfahrzeugen der Fall ist, wenn die Batterien im Fahrzeugboden untergebracht werden sollen.
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Darüber hinaus kann das Verstärkungselement ein Verstärkungsband sein, das einen Voll- oder einen Hohlquerschnitt haben kann. Alternativ oder zusätzlich kann an voneinander abgewandten Außenflächen des Profilkörpers jeweils ein Verstärkungselement angeordnet sein, wobei die gegenüberliegenden Außenflächen des Profilkörpers bevorzugt durch eine interne Versteifungswand verbunden sind.
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„Voneinader abgewandt” bedeutet hier, dass beide Verstärkungselemente an den Außenflächen gegenüberliegender Außenwände des Profilkörpers vorliegen. Besonders vorteilhaft liegen das an der oberen Außenwand und das an der unteren Außenwand angeordnete Verstärkungselement an der gleiche „Querposition” vor und erstrecken sich längsaxial. Mit „Band” ist hierin ein langgestreckter flacher Körper gemeint. Dieser kann etwa eine Breite haben, die ca. 4 mal größer ist als dessen Höhe.
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Weiter kann bzw. können das oder die Verstärkungselemente aus einem faserverstärkten Kunststoff (FVK) bestehen, etwa aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) und/oder einem faserverstärkten Kunststoff mit längsorientierten Fasern. Alternativ oder zusätzlich können die Profilkörper aus einem Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung bestehen, bevorzugt aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und/oder aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung.
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Mit „längsorientiert” ist hierin gemeint, dass ein überwiegender Teil der Fasern, etwa mehr als 50% des Faservolumens, parallel zu der Längsachse des Verstärkungselements verläuft. Neben den hier genannten Kohlenstofffasern kommen auch noch andere Fasertypen in Frage, etwa Glasfasern, Aramidfasern und/oder noch andere geeignet erscheinende Fasern. Auch die genannten Werkstoffe für den Profilkörper schränken die Erfindung nicht ein; neben den genannten Metallen kommen auch noch andere Werkstoffe, auch nichtmetallische in Frage.
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Das Verstärkungselement und/oder das weitere Verstärkungselement kann/können mit dem Profilkörper/den Profilkörpern verklebt sein. Durch Kleben wird vorteilhaft eine haltbare und einfach herzustellende Verbindung erhalten, die ohne spanende o. ä. Bearbeitung an dem Verstärkungselement und/oder an dem Profilkörper hergestellt werden kann. Insbesondere, wenn die Sicke im Stoßbereich des/der Profilkörper und/oder die Vertiefung der Außenfläche des Profilkörpers mit der Form des/der jeweiligen darin aufgenommenen Verstärkungselement(e) oder weiteren Verstärkungselemente korrespondiert, wird eine vergleichsweise große Kontaktfläche und damit eine große Belastbarkeit erhalten.
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Das erfindungsgemäße Herstellverfahren für ein erfindungsgemäßes Hohlkörper-Strukturteil umfasst die folgenden Schritte:
- a) Bereitstellen der zwei Profilkörper und des Verstärkungselements,
- b) kraftleitend Verbinden des Verstärkungselements mit einer Außenfläche des Profilkörpers,
- c) Fügen der beiden Profilkörper und Erhalten des Hohlkörper-Strukturteils.
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Das Fügen im Schritt c) kann beispielsweise durch stoffschlüssige Verbindungsverfahren erfolgen, etwa durch Schweißen, Löten, Kleben oder auch durch andere, nicht genannte Verfahren, die geeignet erscheinen. Es können hierbei typgleiche Profilkörper zum Einsatz kommen oder auch mehrere unterschiedliche Profilkörper-Typen. Ganz gleich, ob nur typgleiche Profilkörper oder unterschiedliche Profilkörper-Typen eingesetzt werden, kann aus einer vergleichsweise geringen Anzahl von Profilkörper-Typen eine große Vielfalt an Hohlkörper-Strukturteilen für sehr unterschiedliche Anwendungsfälle hergestellt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform kann das Verstärkungselement in dem Schritt b) mit dem Profilkörper verklebt werden. Alternativ oder zusätzlich kann nach dem Schritt a) der Schritt a'), Bereitstellen des weiteren Verstärkungselements und kraftleitend Verbinden mit einer Außenfläche der Sicke zumindest eines Profilkörpers, ausgeführt werden.
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Die erfindungsgemäße Kraftfahrzeugkarosserie weist eines oder mehrere erfindungsgemäße(s) Hohlkörper-Strukturteil(e) auf. Das Hohlkörper-Strukturteil kann im Kraftfahrzeugboden, im Dachbereich, an der Spritzwand, an Säulen und/oder an anderen Stellen eingesetzt werden. Die erfindungsgemäße Kraftfahrzeugkarosserie ist leichter, steifer und hat bei gleichen Außenabmessungen ein größeres Nutzvolumen als Karosserien, die auf bekannte Art verstärkt sind.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht des Hohlkörper-Strukturteils,
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2 eine Schnittansicht des Hohlkörper-Strukturteils.
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Das in 1 perspektivisch dargestellte Hohlkörper-Strukturteil 1 weist vier im Querschnitt geschlossene Profilkörper 11, 12, 13 (der in der Figur ganz rechts gezeigte Profilkörper hat kein eigenes Bezugszeichen) auf, die in ihrem Stoßbereich an ihren Seitenflächen jeweils kraftleitend verbunden sind. Jeder Profilkörper 11, 12, 13 für sich kann vorteilhaft kostengünstig und in großer Länge durch Extrudieren, Strangpressen oder ähnliche Fertigungsverfahren hergestellt werden. Auf der Außenseite der oberen und der unteren Begrenzungswand der Profilkörper 11, 12, 13 sind jeweils Verstärkungselemente 3 angeordnet, die ihrerseits jeweils in eine längsaxiale Vertiefung, die quasi eine Rinne bildet, eingelassen sind. In der Vertiefung bzw. Rinne sind die Verstärkungselemente 3 jeweils vollflächig verklebt, um eine gute Krafteinleitung zu ermöglichen. Neben den an den Außenflächen angeordneten Verstärkungselementen 3 hat das erfindungsgemäße Hohlkörper-Strukturteil weitere Verstärkungselemente 2, die sich im Inneren parallel zur Längsachse L erstrecken. Die weiteren (internen) Verstärkungselemente 2 sind jeweils in Sicken 10 aufgenommen, die im Stoßbereich 14 (siehe 2) der Profilkörper 11, 12, 13 von der Seitenfläche zum Körperinneren eingewölbt sind. Auch die weiteren Verstärkungselemente 2 sind mit den Profilkörpern 11, 12, 13 verklebt. Neben den Verstärkungselementen 3, 4 und den weiteren Verstärkungselementen 2 werden die Profilkörper 11, 12, 13 zusätzlich durch innere Verstärkungswände versteift, die sich normal von der oberen Begrenzungswand zu der unteren Begrenzungswand erstrecken. Bei den Verstärkungselementen 4 handelt es sich um ähnliche Verstärkungselemente wie die Verstärkungselemente 3, wobei die Verstärkungselemente 4 an den Außenflächen gegenüberliegender Wände angeordnet sind, also voneinander abgewandt. Die an der oberen und unteren Außenwand angeordneten Verstärkungselemente 4 sind ferner an der gleichen Querposition angeordnet und werden durch eine interne Verstärkungswand 13' verbunden, was die Biegebelastbarkeit weiter erhöht. Die eingezeichnete Ebene E ist die Schnittebene der Schnittansicht der 2, wobei in der Schnittansicht der Profilkörper, der in 1 ganz rechts angeordnet ist, nicht gezeigt ist.
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In 2 ist der Aufbau des Hohlkörper-Strukturteils 1 aus einzelnen geschlossenen Profilkörpern 11, 12, 13, die in ihren Stoßbereichen gefügt sind, gut zu erkennen. An den Seitenflächen haben die Profilkörper 11, 12, 13 jeweils eine entlang der Längsachse verlaufende Sicke 10, die der Versteifung dient und in der das weitere Verstärkungselement 2 aufgenommen ist. Auch ist bei dem Verstärkungselement 4 zu erkennen, dass dieses aus zwei Einzelbändern besteht, eines an der Außenfläche der oberen Wand und eines an der Außenfläche der unteren Wand, die durch eine innere Verbindungswand 13' verbunden sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009006760 A1 [0003]
- DE 102005041894 A1 [0004]
