DE102013205017A1

DE102013205017A1 - Befestigungseinrichtung für Faserverbundelemente an einer Tragstruktur

Info

Publication number: DE102013205017A1
Application number: DE102013205017.8A
Authority: DE
Inventors: David Keller
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-03-21
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2014-09-25

Abstract

Nach der Erfindung besteht eine Befestigungseinrichtung für flächige Elemente aus Faserverbundwerkstoff an einer Tragstruktur zu deren Versteifung aus einer Durchstecksicherung in einer Ausnehmung einer in axialer Richtung dieser gerichteten Ausformung in einem mit dem Faserverbundelement zu verbindenden Teil der Tragstruktur, wobei die Ausformung zur formschlüssigen Verbindung mit dem Faserverbundelement in eine korrespondierende Ausnehmung des Faserverbundelements so hineinragt, dass ein sich in radialer Richtung der Ausnehmung und der korrespondierenden Ausnehmung erstreckender Bund der Durchstecksicherung, die Stirnseite der Ausformung überragend und die Fläche des Faserverbundelements berührend, dieses am Verlagern in axialer Richtung hindert, indem die Durchstecksicherung, sich in axialer Richtung durch die Ausnehmung und die korrespondierende Ausnehmung hindurch erstreckend, auf ihrer dem Bund gegenüberliegenden Seite, sich in radialer Richtung, entlang des mit dem Faserverbundwerkstoff zu verbindenden Teils der Tragstruktur aufweitend, sich in axialer Richtung an diesem abstützt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Befestigungseinrichtung für Elemente aus Faserverbundwerkstoff an einer Tragstruktur zu deren Versteifung, insbesondere an einer Karosserie oder am Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs, nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
Aus der EP 0 941 912 B1 ist ein als Fahrschemel ausgebildeter Hilfsrahmen für Kraftfahrzeuge mit seitlichen Hilfsrahmen-Längsträgern bekannt, zwischen denen ein flächiges Versteifungselement angeordnet ist. Konkret bildet der Hilfsrahmen hier einen Vorderachsträger aus und weist an jedem Längsträger einen Lagerbock zur Aufnahme eines Lenkers des Fahrzeug-Fahrwerks auf. Das flächige Versteifungselement ist durch ein Aluminiumblech mit einer Wandstärke von ca. 3 bis 4 mm gebildet und weist eine im Wesentlichen viereckige Geometrie auf, so dass das Versteifungselement in Fahrtrichtung betrachtet jeweils an beiden seitlichen Hilfsrahmen-Längsträgern mit je einer Schraubverbindung vor und hinter den Lagerböcken lösbar mit den beiden Längsträgern verbunden ist. Mit einem derartigen viereckigen, flächigen Aluminiumblech als Versteifungselement wird ein sogenanntes Schubfeld erzeugt, mittels dessen eine beispielsweise aufprallbedingte Kraft, die in einen der Längsträger eingeleitet wird, auf den gegenüberliegenden Längsträger übertragen wird. Wesentlich für diese Kraftübertragung auf den gegenüberliegenden Längsträger ist hierbei die Anbindung des Versteifungselementes an beiden gegenüberliegenden Hilfsrahmen-Längsträgern, jeweils vor und hinter den Lagerböcken.
Die EP 1 712 450 B1 beschreibt des Weiteren einen als Fahrschemel ausgebildeten Hilfsrahmen für Kraftfahrzeuge mit einem flächigen Versteifungselement zwischen seitlichen Hilfsrahmen-Längsträgern, mit dem eine noch bessere Versteifung des Hilfsrahmens und damit der Karosserie selbst möglich ist, weil das flächige Versteifungselement mehrschichtig als Sandwichbauteil mit einer plattenartigen Oberschale und einer plattenartigen Unterschale, sowie mit einer zwischen der Oberschale und der Unterschale angeordneten Energieabsorptionsschicht ausgebildet ist. Das Sandwichbauteil weist an einem, einem Hilfsrahmen-Querträger zugeordneten Dreiecksspitzenbereich einen Unterschaleneinzug auf, der so ausgebildet ist, dass ein Einzugsbodenbereich unter Ausbildung einer ein Schraubendurchgangsloch umgebenden Schraubenkopfauflage in einer Anlageverbindung an der Oberschale anliegt. Zur lösbaren Befestigung des Sandwichbauteils am Hilfsrahmen-Querträger ist in diesem eine Schraubenmutter ortsfest angeordnet, in die von der Unterschale her eine Befestigungsschraube so lange eingeschraubt wird, bis deren Schraubenkopf an der Schraubenkopfauflage anliegt und mit einem vorgegebenen Anzugsmoment angezogen ist.
Für Schubfelder und Streben aus Faserverbundwerkstoff ist die Qualität einer solchen Verschraubung schwieriger zu beurteilen. Setzverhalten, Korrosion, Eigenspannungen infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnung der Fügepartner, Lochleibung (Überdimensionierung des Fügebereichs durch punktförmige Anbindung) bedingen beim Anbinden von Faserverbundwerkstoff durch konventionelle Verschraubungen eine größere Sorgfalt bei der Beurteilung der Qualität.
Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, eine Befestigungseinrichtung für Elemente aus Faserverbundwerkstoff an einer Tragstruktur bereitzustellen, die auf einfache Weise anzuwenden ist und zuverlässig einen qualitativ gleichbleibenden Verbindungsstandard bietet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Nach der Erfindung besteht eine Befestigungseinrichtung für flächige Elemente aus Faserverbundwerkstoff an einer Tragstruktur zu deren Versteifung aus einer Durchstecksicherung in einer Ausnehmung einer in axialer Richtung dieser gerichteten Ausformung in einem mit dem Faserverbundelement zu verbindenden Teil der Tragstruktur, wobei die Ausformung zur formschlüssigen Verbindung mit dem Faserverbundelement in eine korrespondierende Ausnehmung des Faserverbundelements so hineinragt, dass ein sich in radialer Richtung der Ausnehmung und der korrespondierenden Ausnehmung erstreckender Bund der Durchstecksicherung, die Stirnseite der Ausformung überragend und die Fläche des Faserverbundelements berührend, dieses am Verlagern in axialer Richtung hindert, indem die Durchstecksicherung, sich in axialer Richtung durch die Ausnehmung und die korrespondierende Ausnehmung hindurch erstreckend, auf ihrer dem Bund gegenüberliegenden Seite, sich in radialer Richtung, entlang des mit dem Faserverbundwerkstoff zu verbindenden Teils aufweitend, sich in axialer Richtung an diesem abstützt.
Eine solche Befestigungseinrichtung, bei der auf eine Ausformung in der Tragstruktur ein Schubfeld mir einer entsprechenden Ausnehmung aufgeschoben wird, so dass eine mindestens teilweise formschlüssige Verbindung entsteht, die durch eine Durchstecksicherung in Aufsteckrichtung nicht klemmend aufrecht erhalten wird, hat die Vorteile, dass aufwändige Inserts unter Wegfall der Korrosionsrisiken, Kosten und Montagezeiten dafür entfallen. Es sind für die Lochleibung günstige, große Verbindungsdurchmesser bei geringem Gewicht realisierbar. Für das Setzverhalten günstig, entsteht keine Verspannung des Laminats in Querrichtung zur Schubfeldebene. Lastübertragungsrichtungen bzw. -freiheiten können über die Formgebung der Ausformung gesteuert werden. Die Verbindung ist außerdem nachträglich einfach montier- und demontierbar, was bei der Fahrzeugwartung sehr vorteilhaft ist. Dass die Durchsteckrichtung der Durchstecksicherung nicht die Lastrichtung ist, ermöglicht eine Clipslösung für die Durchstecksicherung unter der Verwendung von Kunststoff, mit der Folge geringen Gewichts, geringer Kosten und Korrosionsfreiheit.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich, wenn die Tragstruktur wenigstens teilweise und im Bereich der Ausformung aus metallischen Bauteilen besteht. Eine Ausformung in einem metallischen Bauteil kann auf einfache Weise durch einen Umformprozess erhalten werden. Die Ausformung kann kreisrund oder länglich mit Versatzmöglichkeit oder mit beliebigem Querschnitt ausgebildet werden. Durch Aufschieben des Schubfelds oder der Schubstrebe auf die Ausformung der metallischen Tragstruktur entsteht dann im ersten Fall eine momentenfreie Zug-/Druck-Verbindung, im zweiten Fall dasselbe mit zusätzlichem/en Freiheitsgrad/en in bestimmten Richtungen, zum Beispiel zum Ausgleichen von Wärmeausdehnungsspannungen und im dritten Fall eine Verbindung, die sowohl Zug-/Druckkräfte, als auch Drehmomente überträgt.
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist zwischen das Faserverbundelement und die Tragstruktur, wenigstens im Bereich der Ausformung und daran anschließend, sich einen bestimmten Bereich in radialer Richtung erstreckend, ein Material zur galvanischen Isolierung eingebracht, das das Faserverbundelement von der Tragstruktur elektrisch isolierend trennt. Als Isoliermaterialien kommen vorteilhafterweise zum Beispiel Glasfaserkunststoff oder Aramidpapier in Frage oder die galvanische Isolierung wird durch eine Oberflächenbeschichtung von Faserverbundelement oder Tragstruktur erzeugt. Eine solche Isolierung schützt vor Kontaktkorrosion.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Durchstecksicherung als einteiliger, geschlitzter oder als in Radialrichtung geteilter zweiteiliger Clip ausgeführt. Ein solches nicht klemmendes Element sichert die Verbindung senkrecht zur Lastrichtung und kann daher auch bei großen zu übertragenden Kräften in Kunststoff ausgebildet werden. Unter dem Ausdruck Clip wird eine formschlüssige Verbindung mittels der Durchstecksicherung verstanden, deren Formschluss unter elastischer Verformung oder durch Zerstörung der Durchstecksicherung, jeweils als Clip, zur Demontage wieder aufgehoben werden kann. Der Clip kann einteilig sein, dann wird der aufhebbare Formschluss des Clips mit der Tragstruktur hergestellt. Bei einem zweiteiligen Clip kommt der aufhebbare Formschluss zwischen den beiden Clipsteilen zustande. In beiden Fällen besteht natürlich noch der Formschluss zwischen Clip und Faserverbundelement und im letzten Fall auch noch der zwischen Clip und Tragstruktur,
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung und der zugehörigen Zeichnung näher dargestellt. Es zeigen:
1: eine Tragstruktur mit an dieser über Befestigungseinrichtungen gemäß der Erfindung angebrachtem Schubfeld und
2: eine erfindungsgemäße Befestigungseinrichtung im Querschnitt.
In 1 ist eine Tragstruktur 2 aus zwei Fahrzeuglängsträgern 10 und einem diese verbindenden Querträger 11 dargestellt, zur Verwendung als sogenanntem Fahrschemel zur nicht dargestellten Befestigung von Fahrwerksteilen der Radaufhängung und Lenkung eines Kraftfahrzeuges. Verstärkt wird der Fahrschemel durch ein Vorderachsschubfeld, ein flächiges Element 1 aus Faserverbundwerkstoff, das über zwei verschiedene Befestigungseinrichtungen 9, 9' an der Tragstruktur 2 zu deren Versteifung angebracht ist. Die Befestigungseinrichtung 9', jeweils an einem Längsträger 10 installiert, besitzt eine längliche Durchstecksicherung 5 formschlüssig eingesteckt in eine längliche Ausformung 6 der Tragstruktur 2, während die Befestigungseinrichtung 9, zweimal am Querträger 11 installiert, eine runde Durchstecksicherung 7 formschlüssig eingesteckt in eine runde Ausformung 8 der Tragstruktur 2 besitzt. Von der runden Durchstecksicherung 7 ist in 1 von unten nur deren das Faserverbundelement 1 formschlüssig und momentenfrei sichernder Kopf 4 sichtbar. Ebenso wie von der länglichen Durchstecksicherung 5, von der in 1 von unten ebenfalls nur deren das Faserverbundelement 1 formschlüssig, mit Bewegungsfreiheit in Längsrichtung zum Ausgleich der Wärmedehnung sichernder länglicher Kopf 4 sichtbar ist. Die Durchstecksicherungen 5, 7 sind einteilig als geschlitzter Clip ausgeführt und werden anhand der runden Durchstecksicherung 7 in 2 weiter erläutert.
Diese zeigt eine einteilige, geschlitzte Durchstecksicherung 7 in einer Ausnehmung 12 einer in axialer Richtung dieser gerichteten kreisrunden Ausformung 8 in einem mit dem Faserverbundelement 1 zu verbindenden Metallteil der Tragstruktur 2, wobei die Ausformung 8, zur formschlüssigen Verbindung mit dem Faserverbundelement 1, in eine korrespondierende Ausnehmung 13 des Faserverbundelements 1 so hineinragt, dass ein sich in radialer Richtung der Ausnehmung 12 und der korrespondierenden Ausnehmung 13 erstreckender Bund 14 der Durchstecksicherung 7, die Stirnseite der Ausformung 8 überragend und die Fläche des Faserverbundelements 1 berührend, dieses am Verlagern in axialer Richtung hindert, indem die Durchstecksicherung 7, sich in axialer Richtung durch die Ausnehmung 12 und die korrespondierende Ausnehmung 13 hindurch erstreckend, auf ihrer dem Bund 14 gegenüberliegenden Seite, sich in radialer Richtung entlang des mit dem Faserverbundelement 1 zu verbindenden Teils der Tragstruktur 2 aufweitend, sich in axialer Richtung an diesem abstützt.
Zur galvanischen Isolierung der Fügepartner ist zwischen das Faserverbundelement 1 und die Tragstruktur 2 ist im Bereich der Ausformung 8 und daran anschließend sich einen bestimmten Bereich in radialer Richtung erstreckend, Glasfaserkunststoff 3 eingebracht, das das Faserverbundelement 1 von der Tragstruktur 2 elektrisch isolierend trennt.
Eine solche Verbindung von Tragstruktur 2 und Faserverbundelement 1 gewährleistet eine großflächige Lasteinleitung. Auf eine Klemmung wird verzichtet, daher ist ein unerwünschtes Setzverhalten ausgeschlossen. Eine kreisrunde Ausformung 8 überträgt momentenfrei Querkräfte. Falls eine Übertragung von Drehmomenten gewünscht ist, kann die Ausformung 8 in der Tragstruktur 2 und entsprechend dazu die korrespondierende Ausnehmung 13 im Faserverbundelement 1 eckig, drei- bis vieleckig, gestaltet werden. Durch den Formschluss werden dann nicht nur Querkräfte, sondern auch Momente in der Ebene des Faserverbundelements 1 übertragen.
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

EP 0941912 B1 [0002]
EP 1712450 B1 [0003]

Claims

Befestigungseinrichtung für flächige Elemente aus Faserverbundwerkstoff (1) an einer Tragstruktur (2) zu deren Versteifung, bestehend aus einer Durchstecksicherung (7) in einer Ausnehmung (12) einer in axialer Richtung dieser gerichteten Ausformung (8) in einem mit dem Faserverbundelement (1) zu verbindenden Teil der Tragstruktur (2), wobei die Ausformung (8), zur formschlüssigen Verbindung mit dem Faserverbundelement (1), in eine korrespondierende Ausnehmung (13) des Faserverbundelements (1) so hineinragt, dass ein sich in radialer Richtung der Ausnehmung (12) und der korrespondierenden Ausnehmung (13) erstreckender Bund (14) der Durchstecksicherung (7), die Stirnseite der Ausformung (8) überragend und die Fläche des Faserverbundelements (1) berührend, dieses am Verlagern in axialer Richtung hindert, indem die Durchstecksicherung (7), sich in axialer Richtung durch die Ausnehmung (12) und die korrespondierende Ausnehmung (13) hindurch erstreckend, auf ihrer dem Bund (14) gegenüberliegenden Seite, sich in radialer Richtung entlang des mit dem Faserverbundelement (1) zu verbindenden Teils der Tragstruktur (2) aufweitend, sich in axialer Richtung an diesem abstützt.
Befestigungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (2) wenigstens teilweise und im Bereich der Ausformung (8) aus metallischen Bauteilen besteht.
Befestigungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen das Faserverbundelement (1) und die Tragstruktur (2), wenigstens im Bereich der Ausformung (8) und daran anschließend sich einen bestimmten Bereich in radialer Richtung erstreckend, ein Material zur galvanischen Isolierung eingebracht ist, das das Faserverbundelement (1) von der Tragstruktur (2) elektrisch isolierend trennt.
Befestigungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material zur galvanischen Isolierung zum Beispiel Glasfaserkunststoff (3) oder Aramidpapier ist oder die galvanische Isolierung durch eine Oberflächenbeschichtung von Faserverbundelement (1) oder Tragstruktur (2) erzeugt ist.
Befestigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausformung (8) kreisrund ist.
Befestigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchstecksicherung (7) als einteiliger geschlitzter oder als in Radialrichtung geteilter zweiteiliger Clip ausgeführt ist.