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Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugsäule mit einem Verstärkungsteil, wobei das Verstärkungsteil einen faserverstärkten Werkstoff aufweist, zur Verstärkung der Fahrzeugsäule mittels des Verstärkungsteils.
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Die B-Fahrzeugsäule eines geschlossenen viersitzigen oder 2+2-sitzigen Fahrzeugs besteht aufgrund der hohen Anforderungen bei Barrieren-Seitencrash aus einer mehrteiligen Stahl-Schalenbauweise mit mindestens einem pressgehärteten, warmumgeformten Stahlblech. Die Hauptbleche der B-Säule innen und B-Säule außen sind dabei meist durch mehrere Verstärkungsbleche lokal oder global verstärkt. Eine druckstabile Querschnittsstabilisierung zur optimalen Ausnutzung der Leistungsfähigkeit der Stahlbleche ohne lokales Beulen oder Knicken erfolgt bei der Schalenbauweise jedoch nur unzureichend, womit das Potenzial für Leichtbau gering ist.
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Bei offenen Fahrzeugen (Cabrio bzw. Roadster) besteht die A-Fahrzeugsäule aufgrund der hohen Anforderungen bei Barrieren-Seitencrash aus einer mehrteiligen hochfesten Stahl-Schalenbauweise, die meist mittels eines Hohlprofils aus Stahl verstärkt wird. Das höchstfeste Stahlrohr wird dabei mittels MAG-Schweißen auf einem Trägerblech fixiert. Die Rohrkonstruktion bedingt wesentliche Nachteile hinsichtlich Maßhaltigkeit wegen schlechter Toleranzen des hochfesten Rohres selbst und wegen Verzug beim MAG-Schweißen. Bezüglich Leichtbau ist eine A-Säulenverstärkung mit konstantem Rohrquerschnitt nicht optimal, da das Biegemoment in der A-Säule nach unten hin ansteigt.
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Zur Verstärkung von Fahrzeugsäulen ist es bekannt, diese mit einem faserverstärkten Werkstoff aufweisenden Verstärkungsteil zu kombinieren.
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Eine Fahrzeugsäule mit einem einen faserverstärkten Werkstoff aufweisenden Verstärkungsteil zur Verstärkung der Fahrzeugsäule ist aus der
EP 2 383 170 A1 bekannt. Dieses Verstärkungsteil, das als Einlegeteil ausgebildet ist, ist aus einem Material mit einer hohen Zugfestigkeit gefertigt. Zusätzlich findet ein Abstandselement Verwendung, das zwischen dem Einlegeteil und der Fahrzeugsäule positioniert ist, wobei das Einlegeteil zumindest mit seinen Endabschnitten an einer Wandung der Fahrzeugsäule befestigt ist. Das Abstandselement ist beispielsweise aus einem Polymermaterial gefertigt. Bei diesem handelt es sich ggf. um einen faserverstärkten thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoff. In dieser Schrift wird zum Stand der Technik darauf hingewiesen, dass Einlegeteile durchaus mittels expandierender Schäume befestigt werden können.
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Aus der
DE 10 2006 058 601 A1 ist ein Grundkörper einer Fahrzeugsäule bekannt, der mittels eines Verstärkungsteils aus einem Faser-Kunststoff-Verbund verstärkt ist. Das Verstärkungsteil wird mit dem metallischen Grundkörper über einen Klebstoff oder über die Matrix des Faser-Kunststoff-Verbunds verbunden. Die Härtung des Klebstoffs bzw. der Matrix erfolgt zumindest teilweise unter Ausnutzung der Restwärme aus einem vorhergehenden Warmumformvorgang des Grundkörpers.
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GB 2 375 328 A offenbart eine Fahrzeugsäule nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Fahrzeugsäule mit einem einen faserverstärkten Werkstoff aufweisenden Verstärkungsteil, zur Verstärkung der Fahrzeugsäule, derart weiterzubilden, dass die Fahrzeugsäule bei geringem Gewicht einen stabilen Querschnitt aufweist und sich durch eine einfache Verbindung mit dem Verstärkungsteil auszeichnet.
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Gelöst wird die Aufgabe durch eine Fahrzeugsäule mit Verstärkungsteil gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die Fahrzeugsäule besteht aus einem inneren Säulenteil aus Blech und einem äußeren Säulenteil aus Blech, zwischen denen das Verstärkungsteil angeordnet ist. Bei dem Verstärkungselement handelt es sich um einen Verstärkungseinleger. Es handelt sich damit um ein Bauelement, das in die Fahrzeugsäule eingelegt wird.
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Das Verstärkungsteil ist in Hybridbauweise aus thermoplastischem Kunststoff gebildet, der in Teilen mit Endlosfasern und in Teilen mit Kurz- oder Langfasern verstärkt ist, ausgebildet ist. Hierbei ist gemäß der Erfindung das Verstärkungsteil mit der Fahrzeugsäule mittels eines wärmeexpandierenden Strukturschaums fest verbunden. Unter fester Verbindung wird auch eine Klebverbindung verstanden.
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Das Verstärkungsteil besteht aus einem Fasergewebe oder einem Fasergelege sowie einer thermoplastischen Kunststoffmatrix, in die das Fasergewebe bzw. das Fasergelege eingebettet ist, ferner aus Rippen aus Kunststoff mit Kurzfaser- oder Langfaserverstärkung. Ein derartiges voll konsolidiertes und imprägniertes, plattenförmiges Fasergewebe bzw. Fasergelege, wobei Fasergewebe bzw. Fasergelege in eine thermoplastische Kunststoffmatrix eingebettet sind, wird als Organoblech bezeichnet. Hierbei finden Endlosfasern Verwendung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Teilbereich des Verstärkungsteils, der aus dem Fasergewebe oder Fasergelege und der thermoplastischen Kunststoffmatrix gebildet ist, somit die Endlosfasern aufweist - Organoblech - im Z-Schnitt eine W-Form auf. Hierbei stützt sich vorzugsweise das Verstärkungsteil in diesem Teilbereich am äußeren Blech mittig und am inneren Blech im seitlichen Bereich bzw. in den seitlichen Bereichen ab.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Verstärkungsteil mit den Säulenteilen mittels des in einem KTL (Kathodische Tauchlackierung)-Trocknungsprozess Wärme expandierenden Strukturschaums fest verbunden bzw. verklebt ist. Hierbei wird vorzugsweise das Verstärkungsteil über Abstandshalter in der Fahrzeugsäule gelagert. Insbesondere wird das Verstärkungsteil über als Kunststoffclips ausgebildete Abstandshalter in mindestens einem Blech bzw. Stahlblech gelagert. Hierbei sollte vor der Expansion des Strukturschaums ein definierter Abstand zur Säule bzw. den Blechen erhalten bleiben. Dieser definierte Abstand beträgt bis zu 5 mm, insbesondere handelt es sich um einen Abstand von 1 bis 5 mm. Dies gewährleistet eine Benetzung der Bleche bzw. Stahlbleche bei der kathodischen Tauchlackierung zwecks Korrosionsschutzes. Durch Expansion des Strukturschaums im KTL-Trockner wird der Abstand anschließend mittels expandierten Strukturschaums überbrückt.
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Als Kunststoff wird vorzugsweise Polyamid verwendet.
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Als Endlosfasern werden vorzugsweise Glas-, Aramid- und/oder Kohlenstofffasern verwendet.
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Als Lang- oder Kurzfasern werden vorzugsweise Glasfasern verwendet.
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Das Verstärkungsteil in Hybridbauweise ist vorzugsweise zumindest teilweise mittels eines Spritzguss- oder Pressverfahrens hergestellt.
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Hierbei wird das Verstärkungsteil beispielsweise in einer Spritzgussmaschine hergestellt, in der ein erwärmtes endlosfaserverstärktes Organoblech in einem Schließvorgang umgeformt und mittels kurz- oder langfaserverstärktem Kunststoff hinterspritzt wird. Danach erfolgt das Auftragen der Strukturschaummasse ebenfalls mittels Spritzguss. - Als Alternative kann das Verstärkungsteil auch in einer Presse als Kombination des Organoblech-Umformens mit dem Fließpressen von langfaserverstärktem Kunststoff hergestellt werden.
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Die erfindungsgemäße Gestaltung der Anordnung von Fahrzeugsäule und Verstärkungsteil einschließlich der beschriebenen Weiterbildungen ermöglicht eine Gewichtsreduktion der Fahrzeugsäule aufgrund der Verstärkung, bei gleichzeitiger Querschnittsstabilisierung.
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Zudem ist durch die Ausbildung des Verstärkungsteils ein Toleranzausgleich möglich. Überdies sind aufgrund der Ausbildung des Verstärkungsteils und dessen Anbindung an die Fahrzeugsäule mittels des Strukturschaums akustische Vorteile zu verzeichnen.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der beigefügten Zeichnung und der Beschreibung der in der Zeichnung wiedergegebenen, bevorzugten Ausführungsbeispiele, ohne hierauf beschränkt zu sein. Es zeigt:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, veranschaulicht für eine in einer Explosionsdarstellung gezeigte Anordnung von Fahrzeugsäule und Verstärkungsteil, für den Fall einer Leichtbau-B-Säule eines Personenkraftwagens, gesehen von außen vorn,
- 2 die zusammengebaute B-Säule gemäß 1, veranschaulicht für deren Bereich des eingelegten Verstärkungsteils, mit zusätzlich veranschaulichtem längs verlaufendem Dachrahmen und äußerem Säulenteil,
- 3 eine räumliche Ansicht des Verstärkungsteils, nur für einen Teilbereich - unterer Bereich - veranschaulicht, wobei das obere Ende geschnitten veranschaulicht ist,
- 4 eine Schnittdarstellung der B-Säule mit dem mit der B-Säule befestigten Verstärkungsteil,
- 5 ein Ausführungsbeispiel der Anordnung einer Leichtbau-Cabrio-A-Säule und eines Verstärkungsteils für diese Säule, gezeigt in einer Explosionsdarstellung von vorn außen,
- 6 die Anordnung gemäß 5, gezeigt in einer Explosionsdarstellung von hinten innen,
- 7 die Anordnung gemäß der 5 und 6, gezeigt in einer Explosionsdarstellung von vorn innen,
- 8 eine Schnittdarstellung der A-Säule mit dem mit der A-Säule verbundenem Verstärkungsteil.
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Das erste Ausführungsbeispiel gemäß der 1 bis 4 zeigt eine Fahrzeugsäule 1, die als Leichtbau-B-Säule eines Personenkraftwagens ausgebildet ist. Wie der Explosionsdarstellung gemäß 1 zu entnehmen ist, besteht diese Fahrzeugsäule, bezogen auf einen Fahrzeuginnenraum, aus einem inneren Säulenteil 2, einem äußeren Säulenteil 3, die jeweils als Hauptbleche B-Säule innen und außen ausgebildet sind und Stahlbleche sind. Im Bereich der unteren Hälfte der Säulenteile 2 und 3 ist zwischen diesen ein Verstärkungsteil 4 aus Stahlblech angeordnet, das mit den Säulenteilen 2 und 3 bei Bildung der Fahrzeugsäule 1 verschweißt wird. Darüber hinaus weist die Fahrzeugsäule 1 ein Verstärkungsteil 5 auf, das zwischen den beiden Säulenteilen 2 und 3 angeordnet ist und oberhalb des Verstärkungsteils 4 platziert ist.
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2 zeigt die zusammengebaute Fahrzeugsäule 1 im Bereich deren oberen Hälfte. Zusätzlich zu den Säulenteilen 2 und 3 sowie dem Verstärkungsteil 5 ist ein äußeres Seitenteil 6 im Bereich der Fahrzeugsäule 1 und ein Dachrahmen 7 im Bereich der Fahrzeugsäule 1 veranschaulicht. Dieser Figur ist zu entnehmen, dass das Verstärkungsteil 5 als Verstärkungseinlage ausgebildet ist, die mit den beiden Seitenteilen 2 und 3 verbunden ist.
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Dieses Verstärkungsteil 5 ist unter dem Aspekt der Erfindung von besonderer Bedeutung und in den 3 und 4 im Einzelnen veranschaulicht:
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Das Verstärkungsteil 5 ist in Hybridbauweise aus thermoplastischem Kunststoff, der in Teilen mit Endlosfasern und in Teilen mit Kurz- oder Langfasern verstärkt ist, ausgebildet. Hierbei wird das Verstärkungsteil 5 mit der Fahrzeugsäule 1, konkret dem inneren Säulenteil 2 und dem äußeren Säulenteil 3, somit den Stahlblechen mittels eines im KTL-Trocknungsprozesses durch Wärme expandierenden Strukturschaum 8 fest verbunden bzw. verklebt. Hierbei wird das Verstärkungsteil 3, somit der Hybrideinleger, vor der Expansion mittels nicht veranschaulichter Kunststoffclips an einem Säulenteil, vorliegend dem Säulenteil 2 befestigt bzw. montiert. Hierbei bleibt zu beiden Säulenteilen 2 und 3 ein definierter Abstand von 1 bis 5 mm erhalten, um einen Benetzung der Säulenteile 2 und 3, somit der Stahlbleche, die die Säulenteile 2 und 3 bilden, mit kathodischem Tauchlack (KTL) zum Schutz zu gewährleisten. Durch Expansion des Strukturschaums im KTL-Trockner wird der Abstand anschließend mittels expandierten Strukturschaums 8 überbrückt.
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Das Verstärkungsteil 5 ist aus einem Fasergewebe oder einem Fasergelege sowie einer thermoplastischen Kunststoffmatrix, in die das Fasergewebe bzw. das Fasergelege eingebettet sind - als Organoblech 10 bezeichnet -, ferner aus Rippen 11 aus Kunststoff mit Kurzfaser- oder Langfaserverstärkung gebildet. Das endlosfaserverstärkte Organoblech 10 weist im Z-Schnitt eine W-Form auf und stützt das inneren Säulenteil in seitlichen Bereichen 12 und das äußere Säulenteil 3 in einem mittigen Bereich 13 ab. Bevorzugt wird das Verstärkungsteil 5 in einer Spritzgussmaschine hergestellt, in der ein erwärmtes, endlosfaserverstärktes Organoblech in einem Schließvorgang umgeformt und mittels kurz- oder langfaserverstärktem Kunststoff hinterspritzt wird. Danach erfolgt das Auftragen der Strukturschaummasse ebenfalls mittels Spritzguss. - Als Alternative kann das Verstärkungsteil 5 auch in einer Presse als Kombination des Organoblech-Umformens mit dem Fließpressen aus langfaserverstärktem Kunststoff hergestellt werden.
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Als Kunststoff wird vorzugsweise Polyamid verwendet. Als Endlosfasern werden vorzugsweise Glas-, Aramid- und/oder Kohlenstofffasern verwendet. Als Lang- oder Kurzfasern werden vorzugsweise Glasfasern verwendet.
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Das zweite Ausführungsbeispiel ist in den 5 bis 8 veranschaulicht. Sie beziehen sich auf die Ausbildung einer Leichtbau-Cabrio-A-Säule.
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Die 5 bis 7 zeigen aus unterschiedlichen Blickrichtungen in Explosionsdarstellungen eine innere Stahlblechstruktur, die in zusammengeschweißten Zustand das innere Säulenteil 2 bildet sowie eine äußere Stahlblechstruktur, die das äußere Säulenteil 3 bildet. Zwischen diesen ist, als Verstärkungseinleger, das Verstärkungsteil 5 angeordnet.
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Dieses Verstärkungsteil ist, wie zum Verstärkungsteil 5 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, als thermoplastischer Hybrideinleger aus außenliegendem GFK-Organoblech 10 mit innenliegender Kunststoffverrippung, somit Rippen 11 ausgebildet. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel, wie es insbesondere der Darstellung der 8 zu entnehmen ist, ist zwischen den beiden Stahlblechen, die das innere Säulenteil 2 und das äußere Säulenteil 3 der A-Säule bilden, das Verstärkungsteil 5 angeordnet. Dieser Verstärkungseinleger ist in Hybridbauweise aus thermoplastischem Kunststoff gebildet, der in Teilen mit Endlosfasern und in Teilen mit Kurz- oder Langfasern verstärkt ist und sowohl mit der inneren als auch mit den äußeren Stahl-Strukturblechen, insbesondere mittels eines im KTL-Trocknungsprozesses durch Wärme expandierenden Strukturschaum 8 fest verbunden/verklebt ist. Bei dieser Ausführungsform wird der Hybrideinleger vor Expansion mittels nicht veranschaulichter Kunststoffclips an einem der Säulenteile 2 bzw. 3 befestigt/montiert, wobei zu diesen ein definierter Abstand von 1 bis 5 mm erhalten bleibt, um eine Benetzung der Stahlbleche mit KTL zum Korrosionsschutz zu gewährleisten. Durch Expansion des Strukturschaums im KTL-Trockner wird der Abstand anschließend mittels expandierten Strukturschaums 8 überbrückt. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Hybrideinleger, somit das Verstärkungsteil 5, in einer Spritzgussmaschine hergestellt, in der ein erwärmtes, endlosfaserverstärktes Organoblech 10 in einem Schließvorgang umgeformt und mittels kurz- oder langfaserverstärktem Kunststoff hinterspritzt wird, bei Bildung der Rippen 11. Danach erfolgt das Auftragen des Strukturschaums, ebenfalls mittels Spritzguss. Alternativ kann der Hybrideinleger auch in einer Presse als Kombination des Organoblech-Umformens mit dem Fließpressen von langfaserverstärktem Kunststoff hergestellt werden.
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Es findet ein GFK-Organoblech aus Kunststoff, vorzugsweise Polyamid, Verwendung. Als Endlosfasern werden vorzugsweise Glas-, Aramid- und/oder Kohlenstofffasern verwendet. Als Lang- oder Kurzglasfasern werden vorzugsweise Glasfasern verwendet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeugsäule
- 2
- Inneres Säulenteil
- 3
- Äußeres Säulenteil
- 4
- Verstärkungsteil
- 5
- Verstärkungsteil
- 6
- Äußeres Seitenteil
- 7
- Dachrahmen
- 8
- Strukturschaum
- 10
- Organoblech
- 11
- Rippen
- 12
- Seitlicher Bereich
- 13
- Mittiger Bereich
