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Die Erfindung betrifft eine Baugruppe für eine Fahrzeugkarosserie.
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In Kraftfahrzeugen werden Knotenelemente, und darunter A-Säulen, in den meisten Fällen in Schalenbauweise aus Stahlblech hergestellt. Im Zuge des Leichtbaus sind auch Schalenkonstruktionen aus Aluminium bekannt. Hierunter finden sich Konstruktionen, die als Aluminiumgussbauteil mit angeschweißten Aluminium-Strangpressprofilen ausgeführt werden. Während die Stahlblechbauweise ein relativ hohes Gewicht in die Baugruppen einträgt, wird die Aluminiumbauweise sowohl in Schalen- als auch in Gussteilbauweise höheren Anforderungen an den Leichtbau gerecht. Ein noch größeres Potential für Ausführungen in Leichtbauweise weisen lediglich Baugruppen aus Faserverbundwerkstoffen, und hierunter aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK), auf. Aufgrund von Kontaktkorrosion und unterschiedlicher Wärmeausdehnung ist jedoch eine Kombination mit Leichtmetallen nur eingeschränkt möglich. Auch haben Profilbauteile aus Faserverbundkunststoffen, die im Flecht- oder Wickelverfahren hergestellt werden, nur eine eingeschränkte Gestaltungsmöglichkeit. Ferner ist die Anbringung von Funktionskomponenten, wie Türscharnieren, Dichtungsprofilen, und dergleichen, schwierig. Zudem ist die Verbindung der Profile untereinander in einem lasttragenden Knoten, wie beispielsweise einer A-Säule, kompliziert.
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Ferner lehrt die
DE 10 2010 050 874 A1 ein Kraftfahrzeugstrukturbauteil, in dem ein Knotenelement mit einem Halbzeugbauteil verbunden sind, wobei das Halbzeugbauteil von Gussmaterial in einer Gussform umgossen wird. Als Gussmaterialien kommen Leichtmetalllegierungen oder auch spritzfähige Verstärkungsfaser-Matrix-Kunststoffgemische zur Anwendung. Zwischen dem Knotenelement und dem Halbzeugbauteil wird durch den Gießvorgang des Knotenelements eine stoffschlüssige Verbindung gebildet.
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Die
DE 10 2010 013 344 A1 beschreibt ein Rohbauteil, das ein Knotenelement auch aus Metallguss und ein faserverstärktes Kunststoffprofil sowie ein darauf gefügtes Schalenelement aufweist. Als Fügetechnik zwischen Knotenelement und Kunststoffprofil kann eine Klebetechnik angewendet werden. Die
DE 10 2012 016 389 A1 offenbart einen Fahrzeugträger aus einem Faserverbundwerkstoff und mindestens einem Metall-Einzelteil, die mittels einer Klebeverbindung und/oder mechanischen Verbindung miteinander zum Fahrzeugträger verbunden sind.
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Die
DE 10 2010 054 935 A1 lehrt ein Karosseriemodulbauteil, das Abschnitte aus Faserverbundkunststoffpultrudaten umfasst, die von einem Knotenelement umgeben sind. Das Knotenelement wird dabei durch Gießen gebildet, so dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Knotenelement und den Faserverbundkunststoffpultrudaten gebildet wird.
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Die
EP 2 301 826 B1 offenbart ein Knotenelement für eine Fahrzeugrahmenstruktur zur Befestigung an einem Rahmenhohlprofil durch eine Klebeverbindung Das Knotenelement kann einstückig als Gussteil ausgebildet sein.
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Die
GB 1 547 196 A lehrt ein Bauelement, das eine Metallkomponente mit einer Beschichtung aus selbsthärtendem synthetischen Material umfasst.
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Die
US 2011/0121610 A1 ) lehrt ein Strukturbauteil mit Faserverbundkunststoffplatten, die mit einer metallischen Schiene durch einen Klebstoff verbunden sind, wobei der Klebstoff als Füllmaterial Glaskugeln umfassen kann.
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Die
US 6 296 301 B1 offenbart ein Motorstrukturbauteil, das einen äußeren Körper und einen inneren Körper umfasst, die ein flexibles Rohr umgeben, wobei zwischen dem äußeren bzw. inneren Körper und dem flexiblen Rohr, das aus Polypropylen gebildet sein kann, ein Fasergewebe angeordnet ist. Die Fasern des Fasergewebes können Kohlenstofffasern, Graphitfasern, Metallfasern, Baumwollfasern oder auf Kohlenstoff basierende Fasern sein. Die Verwendung von Glasfasern wird in Verbindung mit Thermoplastfasern beschrieben. Eine Verbindung zwischen dem äußeren und inneren Körper auf der einen Seite und dem flexiblen Rohr auf der anderen Seite wird durch Erweichen des Rohrs erzielt oder durch die Verwendung der eine stoffschlüssige Verbindung bildenden thermoplastischen Fasern.
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Die
US 3 596 979 A lehrt ein Automobilbauteil, in dem zur Verbindung von Komponenten ein Klebstoff verwendet wird, wobei der Klebstoff zur Verbesserung der Festigkeit Glasfaserstücke enthalten kann. Die
WO 96/39322 A1 lehrt ein Verfahren zum Verbinden von Strukturbauteilen, um eine integrale Struktur zu bilden. Hierbei kommt ein Gießverfahren zu Anwendung, wobei zu verbindende Strukturbauteile in eine Gießform eingelegt und mit fließfähigem Material umgossen werden.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Baugruppe für eine Fahrzeugkarosserie, umfassend ein Knotenelement und mindestens ein Verbindungselement, zu schaffen, welche zum einen den Anforderungen bezüglich Steifigkeit und Festigkeit gerecht wird, zum anderen eine hohe Gestaltungsfreiheit bietet, aber trotzdem nur ein geringes Gewicht bei sehr guter Korrosionsstabilität aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Baugruppe für eine Fahrzeugkarosserie durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Durch die Ausführung des Knotenelements als metallisches Gussteil wird in die Baugruppe eine ausgesprochen gute Steifigkeit und Festigkeit, die für das Crashverhalten notwendig sind, eingetragen sowie ein hoher Freiheitsgrad in der Gestaltung erzielt. Durch die Verbindung des Knotenelements und des Verbindungselements, in der Form, dass das Verbindungselement im Verbindungsbereich mit dem Knotenelement eine Schicht aus Glasfasern aufweist, wird eine Kontaktkorrosion zwischen dem Metallwerkstoff des Gussteils und dem Faserverbundwerkstoff reduziert. Vorteilhafterweise bedeckt die Glasfaserschicht den Faserverbundwerkstoff im Verbindungsbereich vollständig, so dass die Fasern des Faserverbundwerkstoffs nicht direkt mit dem metallischen Gusswerkstoff in Berührung kommen. Hierdurch wird eine Kontaktkorrosion noch effektiver verhindert. Die erfindungsgemäße Baugruppe zeichnet sich durch die spezifische Kombination aus metallischem Gusswerkstoff und faserverstärktem Kunststoff zudem durch ein ausgesprochen geringes Gesamtgewicht bei sehr guter Stabilität aus.
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Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Knotenelement ein Aluminiumgussteil. Hierdurch kann gegenüber anderen metallischen Gussteilen weiter Gewicht eingespart werden.
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Um die mechanischen Eigenschaften des Verbindungselements zu optimieren, ist dieses vorteilhaft aus einem Kohlenstofffaserverbundwerkstoff gebildet.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Schicht aus Glasfasern um den Faserverbundwerkstoff gewickelt ist oder die Schicht aus Glasfasern um den Faserverbundwerkstoff geflochten ist oder die Schicht aus Glasfasern durch einen Glasfaserschlauch gebildet wird. Hierdurch kann auf einfache und kostengünstige Weise eine vollständige Abdeckung des Faserverbundwerkstoffes erzielt werden.
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Um eine dauerhafte Verbindung zwischen dem Verbindungselement und dem Knotenelement bereitzustellen sind das Knotenelement und das Verbindungselement mittels einer Injektionsklebung oder einer Steck-Klebeverbindung verbunden. Besonders vorteilhaft ist die Klebung im Verbindungsbereich hierzu umlaufend ausgebildet.
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Die erfindungsgemäße Baugruppe für eine Fahrzeugkarosserie ist im Einzelnen nicht auf eine bestimmte Baugruppe eingeschränkt und kann für jegliche Gesamtkonstruktion, die mindestens ein Knotenelement und mindestens ein Verbindungselement umfasst, ausgeführt werden. Besonders vorteilhaft ist die Baugruppe für eine Fahrzeugkarosserie aber dadurch gekennzeichnet, dass sie eine A-Säule ist, da hier die vorteilhaften Effekte besonders gut zur Geltung kommen.
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Ebenfalls erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe für eine Fahrzeugkarosserie bereitstellt, das durch die Schritte:
- - Bereitstellen eines Knotenelement, das als metallisches Gussteil ausgebildet ist,
- - Bereitstellen mindestens eines Verbindungselements, das als Profil in Faserverbundbauweise ausgebildet ist,
- - Aufbringen einer Schicht aus Glasfasern auf den zur Verbindung mit dem Knotenelement vorgesehenen Bereich des Profils und
- - Verbinden des Verbindungselements mit dem Knotenelement
gekennzeichnet ist. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine Baugruppe mit sehr guter Steifigkeit, Festigkeit, dauerhafter Stabilität und gutem Korrosionsschutz bei minimalem Gewicht bereitgestellt, das einfach, ohne hohen technischen Aufwand, und damit auch kostengünstig umsetzbar ist und hohe gestalterische Freiheiten an der Baugruppe gewährt.
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Die für die erfindungsgemäße Baugruppe für eine Fahrzeugkarosserie beschriebenen vorteilhaften Effekte, Vorteile und Ausgestaltungen finden auch Anwendung auf das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe für eine Fahrzeugkarosserie. Es sei ferner ausgeführt, dass sich das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Herstellung der oben beschriebenen Baugruppe eignet.
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Um eine Kontaktkorrosion des Faserverbundwerkstoffs und damit der Baugruppe zu verhindern, bedeckt die Schicht aus Glasfasern den Faserverbundwerkstoff im zur Verbindung mit dem Knotenelement vorgesehenen Bereich des Profils vorzugsweise vollständig.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Knotenelement ein Aluminiumgussteil und/oder ist das Verbindungselement aus einem Kohlenstofffaserverbundwerkstoff gebildet. Durch diese Ausführungsformen kann bei ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften, wie Steifigkeit und Festigkeit, das Gewicht der Baugruppe reduziert werden.
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Um auf einfache und kostengünstige Weise eine vollständige Bedeckung des Faserverbundwerkstoffes mit einer Schicht aus Glasfasern bereitzustellen, wird das Aufbringen der Glasfaserschicht durch Umwickeln des Faserverbundwerkstoffes, vorzugsweise mittels eines Wickelroboters, ausgeführt oder die Schicht aus Glasfasern durch Überflechten oder durch Überziehen des Faserverbundwerkstoffes mit einem Glasfaserschlauch ausgebildet.
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Für eine dauerhafte Verbindung der Elemente ist weiter vorteilhaft vorgesehen, das Verbindungselement und das Knotenelement mittels Inkjektionsklebens oder Herstellen einer Steck-Klebeverbindung zu verbinden, wobei die Klebeverbindung weiter vorteilhaft im Verbindungsbereich umlaufend ausgebildet ist. Eine derartige Verbindung beeinträchtigt den durch die Glasfasern bereitgestellten Korrosionsschutz nicht und sorgt für eine hohe Verbindungsstabilität zwischen den zu verbindenden Bauteilen.
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Infolge der erfindungsgemäßen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Baugruppe sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Baugruppe für eine Fahrzeugkarosserie ergeben sich insbesondere folgende Vorteile:
- - Die mechanischen Eigenschaften der Baugruppe, wie die Torsionssteifigkeit sowie statische und dynamische Steifigkeit, werden verbessert.
- - Die Festigkeit der Baugruppe ist erhöht.
- - Intrusionen beim Seitencrash und bei Krafteinwirkung, beispielsweise auf den Dachrahmen, werden durch die form- und materialoptimierte Bauweise verringert.
- - Die Elemente der Baugruppe weisen einen sehr guten Verbund auf, der selbst bei partieller Beeinträchtigung eines der Baugruppenbauteile noch eine ausreichende Stabilität bereitstellt.
- - Das Gewicht der erfindungsgemäßen Baugruppe ist bei gleichen funktionalen Eigenschaften geringer als bei einer in herkömmlicher Weise hergestellten Baugruppe aus Stahl oder Aluminium.
- - Eine Integration von weiteren Komponenten, wie Ausstattungskomponenten, Befestigungsvorrichtungen oder Verbindungselementen ist möglich und gestattet eine hohe gestalterische Freiheit.
- - Das Verfahren ist einfach und ohne hohen technischen Aufwand und damit auch kostengünstig umsetzbar.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
- 1 eine Seitenansicht einer Baugruppe für eine Fahrzeugkarosserie gemäß einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Baugruppe von außen betrachtet,
- 2 eine Seitenansicht der Baugruppe für eine Fahrzeugkarosserie aus 1 mit teilweiser Aufrissdarstellung,
- 3 eine Seitenansicht eines Teils einer Baugruppe für eine Fahrzeugkarosserie gemäß einer weiteren Ausführungsform mit Steck-Klebeverbindung, und
- 4 einen vertikalen Schnitt durch einen Schweller.
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In den Figuren sind nur die hier interessierenden Teile der Baugruppe für eine Fahrzeugkarosserie dargestellt, alle übrigen Elemente sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Ferner stehen gleiche Bezugszeichen für gleiche Bauteile.
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In den Figuren wird die erfindungsgemäße Baugruppe am Beispiel einer A-Säule einer Karosserie für ein Kraftfahrzeug erläutert. Die erfindungsgemäße Baugruppe kann jedoch auch für andere Karosserieteile, wie z. B. eine B-/C-Säule, verwendet werden.
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1 zeigt eine Seitenansicht einer Baugruppe für eine Fahrzeugkarosserie gemäß einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Baugruppe von außen betrachtet. Die Baugruppe umfasst einen Schweller 1, einen Dachrahmen 2 und einen metallisches Knotenelement 3. Vorzugsweise ist die Baugruppe eine A-Säule, kann aber auch eine B-Säule oder eine C-Säule sein. Schweller 1 und Dachrahmen 2 sind in Profilbauweise als Faserverbundbauteil ausgeführt, wobei das Faserverbundmaterial vorzugsweise ein Kohlenstofffaserverbundwerkstoff ist. Das Knotenelement 3 ist als metallisches Gussteil ausgebildet und ist vorzugsweise ein Aluminiumgussteil. Hierdurch wird eine Baugruppe für eine Fahrzeugkarosserie mit hoher Stabilität, Festigkeit, Steifigkeit und dennoch geringem Gewicht bereitgestellt.
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Schweller 1 und Dachrahmen 2 sind mit dem Knotenelement 3 beispielsweise durch eine Klebeverbindung, die insbesondere als Injektionsklebung oder alternativ dazu als Steck-Klebeverbindung ausgeführt ist, verbunden. Dies sichert eine dauerhafte Verbindung der Elemente.
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Die in 2 dargestellte Baugruppe zeigt eine Seitenansicht der Baugruppe aus 1, jedoch teilweise in Aufrissdarstellung. Im Verbindungsbereich des Schwellers 1 und des Knotenelements 3 bzw. im Verbindungsbereich des Dachrahmens 2 und des Knotenelements 3 ist auf das Faserverbundmaterial des Schwellers 1 und des Dachrahmens 2 eine Schicht aus Glasfasern 4 aufgebracht. Die Schicht aus Glasfasern 4 umgibt das zu verbindende Faserverbundbauteil im entsprechenden Verbindungsbereich vorzugsweise vollständig, um eine Kontaktkorrosion auf Dauer besonders effektiv zu vermeiden.
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3 zeigt eine Seitenansicht eines Teils einer Baugruppe für eine Fahrzeugkarosserie gemäß einer weiteren Ausführungsform. Beispielhafterweise ist der Verbindungsbereich zwischen einem Dachrahmen 2 und einem Knotenelement 3 gezeigt. Wie bereits in 2 dargestellt, ist der Dachrahmen 2 im Verbindungsbereich zum Knotenelement 3 mit einer Schicht aus Glasfasern 4 umgeben. Der Dachrahmen 2 ist in eine vorgefertigte Aussparung des Knotenelements 3 eingeschoben und dort umlaufend mittels eines Klebstoffes 5 verklebt. Die Kombination aus Steckverbindung und Klebeverbindung sichert einen dauerhaften Halt des Verbindungselements in dem Knotenelement 3.
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4 zeigt einen vertikalen Schnitt durch einen Schweller 1 als beispielhaftes Verbindungselement. Der Schweller 1 ist als Hohlprofil ausgebildet, vorteilhafterweise als Kohlenstofffaserverbundhohlprofil. Ferner gezeigt ist ein Teil eines Knotenelements 3. Der Schweller 1 ist im Verbindungsbereich des Schwellers 1 und des Knotenelements 3 von einer Schicht aus Glasfasern umgeben, die eine Kontaktkorrosion effektiv verhindert. Der Schweller 1 ist mittels einer Steckklebeverbindung in dem Knotenelement 3 befestigt. Hierzu ist der Schweller 1 in eine vorgefertigte Aussparung in das Knotenelement 3 eingeschoben und mittels eines Klebstoffes 5 darin befestigt, was eine dauerhafte Haftung des Schwellers 1 in dem Knotenelement 3 sichert.
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Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schweller
- 2
- Dachrahmen
- 3
- Knotenelement
- 4
- Schicht aus Glasfasern
- 5
- Steck-Klebeverbindung
