DE102013204953A1

DE102013204953A1 - Baugruppe einer Kraftfahrzeugkarosserie

Info

Publication number: DE102013204953A1
Application number: DE102013204953.6A
Authority: DE
Inventors: Andreas Beil; Thomas Schnaufer; Simon Spitzer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-03-20
Filing date: 2013-03-20
Publication date: 2014-10-09

Abstract

Es ist eine Baugruppe einer Kraftfahrzeugkarosserie in Schalenbauweise mit einer Innenschale und einer Außenschale bekannt, die einen gemeinsamen Hohlraum umschließen. In dem Hohlraum ist ein Verstärkungsbauteil angeordnet, das aus einem im Querschnitt gesehen umlaufend geschlossenen Hohlprofil aus einem Faserverbundwerkstoff besteht. In dem Hohlprofil des Verstärkungsbauteils befindet sich ein Kern aus einem metallischen Werkstoff, aus Holz und/oder aus einem Faserverbundwerkstoff. Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannte Baugruppe einer Kraftfahrzeugkarosserie zu verbessern. Erfindungsgemäß umfasst eine Baugruppe (1) einer Kraftfahrzeugkarosserie ein Hohlprofil (2), in dem ein Kern (3) angeordnet ist. Der Kern (3) besteht aus Schichtholz oder Sperrholz. Ein Kern (3) aus Schichtholz oder Sperrholz ist kostengünstig herstellbar, leicht und weist vor allem gegenüber einem Holzkern, der aus einem einzigen Stück Vollholz hergestellt ist, homogenere Eigenschaften über seine gesamte Erstreckung auf. Er weist keine lokalen Schwächungen auf, wie sie beispielsweise bei einem Kern aus Vollholz im Bereich einer Verästelung auftreten können.

Description

Die Erfindung betrifft eine Baugruppe einer Kraftfahrzeugkarosserie nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2012 203 418.8 ist ein Karosserieelement einer Kraftfahrzeugkarosserie in Schalenbauweise mit einer Innenschale und einer Außenschale bekannt, die einen gemeinsamen Hohlraum umschließen. In dem Hohlraum ist eine Baugruppe als Verstärkungsbauteil angeordnet, die aus einem im Querschnitt gesehen umlaufend geschlossenen Hohlprofil aus einem Faserverbundwerkstoff besteht. Indem Hohlprofil des Verstärkungsbauteils befindet sich ein Kern aus einem metallischen Werkstoff, aus Holz und/oder aus einem Faserverbundwerkstoff.
Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannte Baugruppe zu verbessern.
Diese Aufgabe wird mit einer Baugruppe einer Kraftfahrzeugkarosserie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß umfasst eine Baugruppe einer Kraftfahrzeugkarosserie ein Hohlprofil, in dem ein Kern angeordnet ist. Der Kern besteht aus Schichtholz oder Sperrholz. Sperrholz ist der Überbegriff für Hölzer aus mehreren über Kreuz flach aufeinanderliegenden, miteinander verleimten Brettlagen. Dieser Aufbau unterscheidet sie von Schichtholz. Schichtholz besteht aus mindestens drei Brettlagen, die in gleicher Faserrichtung miteinander verleimt sind. Sie werden vorwiegend bei hoher statischer Beanspruchung, verwendet. Ein Kern aus Schichtholz oder Sperrholz ist kostengünstig herstellbar, leicht und weist vor allem gegenüber einem Holzkern, der aus einem einzigen Stück Vollholz hergestellt ist, homogenere Eigenschaften über seine gesamte Erstreckung auf. Er weist keine lokalen Schwächungen auf, wie sie beispielsweise bei einem Kern aus Vollholz im Bereich einer Verästelung auftreten können.
Vorteilhafterweise weist das Hohlprofil einen umlaufend geschlossenen Querschnitt auf. Ein geschlossenes Hohlprofil weist eine wesentlich höhere Steifigkeit als ein offenes Hohlprofil auf. Somit kann ein geschlossenes Hohlprofil bei gleicher Steifigkeit wesentlich leichter gebaut werden als ein Hohlprofil mit offenem Querschnitt.
Bevorzugt besteht das Hohlprofil aus einem Flechtprofil oder Pultrusionsprofil aus einem Faserverbundwerkstoff. Ein Flechtprofil besteht aus einer Mehrzahl einzelner Endlosfasern, die miteinander zu einem Triaxialgeflecht verflochten sind, wobei zwischen Stehfasern und Flechtfasern unterschieden werden kann. Die Stehfasern bzw. Stehfäden des Triaxialgeflechts verlaufen zumindest abschnittsweise parallel zur Längsrichtung bzw. Axialrichtung des Flechtprofils. Die sogenannten Flechtfasern bzw. Flechtfäden des Triaxialgeflechts schließen einen Winkel im Bereich von 15° bis 85°, bevorzugt im Bereich von 25°–80° zur Längsrichtung des Profilverlaufs ein. Die angegebenen Wertebereiche umfassen dabei auch die Randwerte. Pultrusionsprofile werden in einem Pultrusionsverfahren in einem kontinuierlichen Ablauf hergestellt. Grundsätzlich wird bei der Herstellung zwischen einem offenen Verfahren und einem geschlossenen Verfahren unterschieden. Beim offenen Verfahren werden die Verstärkungsfasern über eine Tauchwalze in eine Harzwanne geführt. Ein Kadiergitter sorgt für die gewünschte Verteilung der Fasern im späteren Profil. Beim geschlossenen Verfahren treten die gesamten Verstärkungsfasern erst im formgebenden Werkzeug mit dem Harz in Kontakt. Einmal im Werkzeug angelangt, wird der duroplastische Kunststoff bei Temperaturen zwischen 100 und 200°C kontinuierlich gehärtet. Das so ausgehärtete Profil wird anschließend in beliebig lange Teile zersägt.
Idealerweise wird dabei das Hohlprofil direkt auf den Kern geflochten bzw. pultrudiert, sodass das Harz bei der Herstellung des Hohlprofils gleich auch eine feste Verbindung mit dem Kern bildet.
Das Hohlprofil kann aus einem Glasfaser-verstärkten, einem Aramidfaser-verstärkten oder einem Kohlefaser-verstärkten Kunststoff bestehen. Glasfaser-verstärkte Kunststoffe sind ein kostengünstiger und dennoch sehr hochwertiger Faser-Kunststoff-Verbund. Verglichen mit Faser-Kunststoff-Verbunden aus anderen Verstärkungsfasern hat der glasfaserverstärkte Kunststoff ein relativ niedriges Elastizitätsmodul. Aramidfasern zeichnen sich durch eine sehr hohe Festigkeit, ein hohe Schlagzähigkeit, eine hohe Bruchdehnung sowie eine gute Schwingungsdämpfung aus. Allerdings sind sie sehr teuer in der Herstellung und kommen daher meist nur bei sehr hohen Beanspruchungen zum Einsatz. Kohlefasern werden vor allem verwendet, wenn hohe gewichtsspezifische Festigkeiten und Steifigkeit gefordert sind.
Der Kern kann das Hohlprofil vollständig ausfüllen. Damit weist die Baugruppe eine außerordentlich hohe Biegesteifigkeit auf. Allerdings geht mit der vollständigen Füllung auch ein relativ hohes Gewicht einher. Alternativ füllt der Kern das Hohlprofil nicht vollständig aus. In diesem Fall kann der verbleibende Raum zwischen dem Kern und dem Hohlprofil bevorzugt mit einem Kunststoff-Schaum ausgefüllt sein.
Die erfindungsgemäße Baugruppe kann günstigerweise zur Verstärkung eines tragenden Karosserieelements eines Kraftfahrzeugs verwendet werden, wobei das Karosserieelement eine Innenschale und eine Außenschale umfasst, die einen gemeinsamen Hohlraum umschließen, in dem die Baugruppe zur Verstärkung angeordnet ist. Durch die Anordnung der Baugruppe in dem Hohlraum zwischen der Innen- und der Außenschale weist das Karosserieelement eine sehr hohe Biegesteifigkeit bei einem geringen Gewicht auf.
Beispielsweise kann das tragende Karosserieelement ein Dachseitenrahmen sein. Ein Dachseitenrahmen bildet die seitliche Begrenzung eines Fahrzeugdachs. Die Baugruppe erstreckt sich dabei in dem Hohlraum des Dachseitenrahmens in dessen Längserstreckung. Bevorzugt erstreckt sich die Baugruppe über die gesamte Längserstreckung des Dachseitenrahmens von einer A-Säule des Kraftfahrzeugs bis zu einer C-Säule erstreckt. Ein solcher Dachseitenrahmen weist insgesamt eine außerordentlich hohe Biegesteifigkeit bei einem in Bezug auf die Biegesteifigkeit außerordentlich geringen Gewicht auf.
Neben der Erhöhung der Steifigkeit weist die erfindungsgemäße Baugruppe häufig noch einen zweiten Vorteil auf. Wenn das Hohlprofil aus einem sehr spröden Material, wie beispielsweise einem kohlefaserverstärkten Kunststoff besteht, weist dieses bei einem Versagen meist nur mehr eine sehr geringe Reststeifigkeit auf. Das Hohlprofil bricht beim Versagen, es verbleiben kaum Strukturen, die die beiden gebrochenen Teilstücke noch zusammenhalten. Wenn dagegen in dem Hohlprofil ein Kern aus einem weniger spröden Material, wie zum Beispiel aus Schichtholz oder Sperrholz, angeordnet ist, kann nach einem Versagen des Hohlprofils der Kern eine nennenswerte Reststeifigkeit der Baugruppe gewährleisten.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, anhand dessen die Erfindung im Folgenden näher beschrieben wird. Die einzelnen Figuren zeigen in schematischer Darstellungsweise:
1 einen Querschnitt und einen Längsschnitt durch eine Baugruppe mit einem Hohlprofil und einem Kern und
2 drei alternative Varianten der Baugruppe im Querschnitt.
In 1 ist ein Schnitt durch eine Baugruppe 1 zur Verstärkung eines Dachseitenrahmens 1 einer Kraftfahrzeugkarosserie dargestellt. Der Dachseitenrahmen bildet die seitliche Begrenzung eines Fahrzeugdachs. Er wird üblicherweise in Blechschalenbauweise aus einer Innenschale und einer Außenschale gebildet, die einen gemeinsamen Hohlraum umschließen. In dem Hohlraum ist die Baugruppe 1 zur Verstärkung angeordnet. Die Baugruppe 1 umfasst ein Hohlprofil 2 aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff. In dem Hohlprofil 2 befindet sich ein Kern 3 aus Schichtholz. Der Kern 3 füllt den Hohlraum des Hohlprofils 2 vollständig aus und liegt flächig am Hohlprofil 2 an.
Der Kern 3 aus Schichtholz wird gebildet von mehreren einzelnen Holzlagen mit gleicher Faserrichtung, die miteinander verklebt sind. Zur genauen Formgebung wurde der Kern 3 dreidimensional befräst, sodass seine Form an die Form des Dachseitenrahmens angepasst ist. Ein solcher Kern 3 aus Schichtholz ist besonders preiswert herstellbar und hat gegenüber einem Kern aus Vollholz wesentlich homogenere Eigenschaften über seine Erstreckung. Der Kern 3 weist eine hohe Steifigkeit bei einem geringen Gewicht auf.
Zur Herstellung der Baugruppe 1 werden auf den Kern 3 die Kohlefasern für das Hohlprofil 2 aufgeflochten. Anschließend wird Harz auf die Kohlefasern injiziert, sodass das fertige Hohlprofil 2 entsteht. Dabei verbindet das injizierte Harz zugleich stoffschlüssig das Hohlprofil 2 mit dem Kern 3, sodass eine steife Hybridbaugruppe 1 entsteht.
Der Dachseitenrahmen 1 weist eine große Längserstreckung auf. Er bildet den oberen Teil einer A-Säule der Fahrzeugkarosserie, erstreckt sich entlang des Fahrzeugdachs und bildet den oberen Teil einer C-Säule. Die Baugruppe 1 als Verstärkungsbauteil des Dachseitenrahmens erstreckt sich ebenfalls praktisch über die gesamte Länge des Dachseitenrahmens.
Die Baugruppe 1 weist insgesamt eine außerordentlich hohe Biegesteifigkeit bei einem in Bezug auf die Biegesteifigkeit außerordentlich geringen Gewicht auf.
Der bisher. beschriebene Kern 3 besteht aus Holz und füllt das Hohlprofil 2 vollständig aus. Alternativ können – wie in 2 dargestellt – auch Kerne 3a, 3b, 3c eingesetzt werden, die das Hohlprofil 2 nicht vollständig ausfüllen.
Bei den in drei Varianten A, B und C in einer leicht perspektivischen Schnittdarstellung der Baugruppe 1 in 2 ist die Form des Hohlprofils 2 identisch mit dem in 1 gezeigten Hohlprofil. In der Variante A ist ein fünfeckiger, unsymmetrischer Kern 3a aus Schichtholz in dem Hohlprofil 2 angeordnet. In der Variante B ist ein viereckiger, unsymmetrischer Kern 3b aus Schichtholz in dem Hohlprofil 2 angeordnet. In der Variante C ist ein viereckiger, symmetrischer Kern 3c aus Schichtholz in dem Hohlprofil 2 angeordnet.
Die Form, Größe und Anordnung des jeweiligen Kerns 3a, 3b, 3c beeinflusst die Steifigkeit der Baugruppe. Auch kann durch eine entsprechende Gestaltung und Anordnung des jeweiligen Kerns 3a, 3b, 3c gezielt eine besonders hohe Steifigkeit in einer auf die Baugruppe wirkenden Richtung erzeugt werden.
Der verbleibende Raum zwischen dem Kern 3a, 3b, 3c und dem Hohlprofil 2 ist bevorzugt mit einem leichten Werkstoff, wie beispielsweise einem Kunststoff-Schaum, mit Holzspänen, oder ähnlichem ausgefüllt. Auch kann der Kern 3a, 3b, 3c in regelmäßigen Abständen in seiner Längserstreckung mit dem Hohlprofil 2 beispielsweise durch Verklebungen fest verbunden sind.
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 102012203418 [0002]

Claims

Baugruppe (1) einer Kraftfahrzeugkarosserie, umfassend ein Hohlprofil (2), in dem ein Kern (3, 3a, 3b, 3c) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (3, 3a, 3b, 3c) aus Schichtholz oder Sperrholz besteht.
Baugruppe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil (2) einen umlaufend geschlossenen Querschnitt aufweist.
Baugruppe (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil (2) aus einem faserverstärkten Kunststoff besteht.
Baugruppe (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil (2) aus einem Flechtprofil oder Pultrusionsprofil besteht.
Baugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (3) im Querschnitt gesehen den Hohlraum (2) im Hohlprofil vollständig ausfüllt.
Baugruppe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (3a, 3b, 3c) im Querschnitt gesehen den Hohlraum im Hohlprofil (2) nicht vollständig ausfüllt.
Baugruppe (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der verbleibende Raum zwischen dem Kern (3a, 3b, 3c) und dem Hohlprofil (2) mit einem Kunststoff-Schaum ausgefüllt ist.
Kraftfahrzeug mit einer tragenden Karosserieelement in Schalenbauweise, das eine Innenschale und eine Außenschale umfasst, die einen gemeinsamen Hohlraum umschließen, wobei eine Baugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verstärkung in dem Hohlraum zwischen Innenschale und Außenschale angeordnet ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das tragende Karosserieelement ein Dachseitenrahmen ist, wobei sich die Baugruppe (1) in Längserstreckung des Dachseitenrahmens erstreckt.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe (1) sich über die gesamte Längserstreckung des Dachseitenrahmens von einer A-Säule des Kraftfahrzeugs bis zu einer C-Säule erstreckt.