DE102014018053A1

DE102014018053A1 - Strukturaufbau und Fertigungstechnologie für Fahrzeuge

Info

Publication number: DE102014018053A1
Application number: DE102014018053.0A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-12-05
Filing date: 2014-12-05
Publication date: 2016-06-23

Abstract

Strukturaufbau für Fahrzeuge aus Verbundwerkstoffen mit formstabilen Strukturteilen, die formschlüssig gefügt und verklebt werden.

Description

Die Zellen (Chassis und Karosserie) von Fahrzeugen werden überwiegend aus gepressten Blechteilen gefertigt, die zwar sphärisch verformt sind und dadurch im Vergleich zu ebenen Blechen an Formstabilität gewinnen, jedoch nur in sehr begrenztem Umfang wegen der dünnen Wandstärken und die durch Schweißen und teilweise durch Verkleben erst die angepeilten Zielwerte in Bezug auf die mechanischen Eigenschaften Steifigkeit, Festigkeit, Formstabilität und Energieaufnahme im Crashfall gewinnen.
Die damit einhergehenden Nachteile liegen in der hohe Teilezahl (> 400 Teile/Rohkarosse), der Vielzahl an Presswerkzeugen, dem hohen Aufwand in der Montage, dem hohen Gesamtgewicht, den schlechten Korrosionseigenschaften, den ungünstigen Summentoleranzen und den extrem hohen Investitionen in die Fertigung durch Presswerkzeuge und Schweißroboter.
In der Bemühung, hier Verbesserungen zu erzielen, wird die sog. Spaceframetechnologie eingesetzt, bei der vorwiegend Leichtmetall statt Stahl verwendet wird und zusätzlich ein Rahmen integriert wird aus Hohlprofilen, die aufgrund der erhöhten statischen Flächenmomente wie Trägheits- und Widerstandsmoment bei gleichem Materialeinsatz zu höheren Festigkeiten und Steifigkeiten führen.
Weiteres Potenzial zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften kann durch Materialsubstitution erzielt werden, indem statt Stahl- oder Leichtmetalllegierungen Faserverbundwerkstoffe aus Glas-, Aramid- oder Kohlefasern und Epoxydharzen verwendet werden.
Namhafte Fahrzeughersteller nutzen diese Materialien auch in der Serienfertigung, wobei allerdings der Strukturaufbau und die Fertigungstechnologie weitgehend der Blechfertigung entsprechen, mit hoher Teilezahl, hohem Fügeaufwand und wenig formstabilen dünnwandigen Teilen, die ähnlich wie Bleche ausgelegt sind.
Die vorliegende Erfindung beschreitet einen anderen Weg mit dem Ziel, die Teilezahl dramatisch zu reduzieren, formstabile Module mit grossen Flächenmomenten in einem einzigen Tränkungsprozess zu fertigen und dann formschlüssig und mit Klebeprozessen zu verbinden.
Dazu wird die Fahrzeugzelle erfindungsgemäß in Module aufgeteilt, die einzeln Geometrien hoher Flächenträgheits- und Widerstandsmomente dadurch aufweisen, dass sie als Hohlkörper und/oder Sandwichkonstruktion mit Schaumkernen oder Hohlwabenkernen ausgeführt sind. Die Größe dieser Module wird nach den Kriterien Formkosten, Handling im Preforming (Preforming = Zusammensetzung der Gewebelagen und der Schaumeinleger), Hinterschnitt im Werkzeug und Harzfluss optimiert.
Die Fertigung dieser Module erfolgt erfindungsgemäß so, dass die Kerne aus Schaum oder Hohlwaben in einer Presse aus Platten geformt und zugeschnitten werden. Sodann wird auf Hilfsvorrichtungen das Preform aus Gewebelagen, die vorher in einem Schneide- oder Stanzverfahren zugeschnitten wurden und den gepressten Schaumteilen zusammengesetzt und danach in eine vorgeheizte Form trocken eingelegt. Alternativ werden statt der Schaum- bzw. Hohlwabenteile auch aufblasbare oder selbst unter Wärme expandierende Zwischenlagen eingebracht. Die Hilfswerkzeuge dienen dabei auch als Träger der Preforms beim Einlegen in das Werkzeug.
Das Werkzeug wird sodann geschlossen, wobei die Presse keinen aktiven Schließdruck aufbringen muss, da das Hohlvolumen in der Werkzeugkammer größer ist als das Volumen des trockenen Preforms. Das Werkzeug wird dann geschlossen und verriegelt und das Harz wird mit Druck und Vakuum injiziert und in der geheizten Form schnell soweit ausgehärtet, dass es entformt werden kann.
Für die Abstimmung der Taktzeiten wird die Zahl der Arbeitsplätze mit den Hilfsvorrichtungen zur Taktzeit der Werkzeugform angepasst.
Alternativ können auch Werkzeuge mit mehreren Unterformen (Stempel) und einer Oberform (Matritze) gefertigt werden, so dass die Stempel als Konfektionierungswerkzeug für die Preforms genutzt werden.
In einer weiteren Ausführung wird ein dünnwandige Schale, die als Außenhaut auf dem Prefrom und dem späteren Bauteil verbleiben kann, als Träger für das Preform verwendet, also dass Gewebe und Kerne in eine solche Schale eingelegt werden und dann sowohl Schale als auch Preform zusammen in das Werkzeug eingelegt werden.
Die Fügeflächen der Module werden so gestaltet, dass grossflächige Kontakte entstehen, auf denen eine sichere Verklebung erreicht wird und außerdem ein Formschluss zum jeweiligen Kontaktpartner sichergestellt wird, der die Kräfte in der Klebefuge unter Last minimiert und zusätzlich die Lage der Module zueinander stabilisiert, so dass der Klebeprozess zwangsläufig beide Teile in der richtigen Endlage fixiert. In jedem Fall wird der Formschluss der Fügeflächen so gewählt, dass die Klebung selbst nur noch auf Zug beansprucht wird und Schäl- oder Schublasten nicht bzw. stark vermindert auftreten.
In einer besonderen Ausführung werden in den Kontaktflächen Kavitäten integriert, die über eingeformte Kanäle mit Klebstoff gefüllt werden können.
In den Modulen sind vorzugsweise Hohlrohre, Kabel, Hohlräume und Einleger integriert, die beim Preforming eingebracht werden. Die Kabel und Rohre dienen dann später der Kabelführung, der Leitung von Kühlflüssigkeiten und der Luftführung der Klimatisierung. Die Einleger aus Metall sind bei Verwendung von Carbongewebe in Glasfaserlagen eingebettet, um elektrolytische Erosion zu verhindern und dienen dazu, dass Anbauteile, die später verschraubt werden sollen, dort in Gewinden fixiert werden, die nach dem Entformen der Module und/oder nach dem Verkleben der Module passgenau mit Robotern oder sonstigen Vorrichtungen geschnitten werden, so dass die schlechte Lochleibung im Verbundfaserwerkstoff durch einen Gewindeschnitt in Metall ersetzt wird und die Kräfte aus der Verschraubung großflächig in die Module ausgeleitet werden.
Die Module werden in einer bevorzugten Variante so gestaltet, dass verschiedene Fahrzeugmodelle aus teilweise identischen Modulen zusammengesetzt werden können, so z. B. kann das gleiche Chassis für ein SUV, einen Van oder eine Limousine verwendet werden. Bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, die sich besonders für die erfindungsgemäße Fertigungstechnologie eignen, ist zusätzlich das Chassis als Batterieaufnahme unter dem Fahrzeugboden zu verwenden, so dass die Modularität des Moduls „Chassis” sich auch in der weiteren Umsetzung fortsetzt.
Die Fertigung der Module erfolgt vorzugsweise in zweiseitigen Werkzeugen, so dass beide Seiten eines Moduls und auch die Fügeflächen ein hochwertiges Oberflächenfinish erreichen, so dass weitere Verkleidungsteile entfallen können und das Monococque nach dem Fügen der Teile nur noch eine Farbgebung, Dekoapplikationen und Geräuschdämmungsauflagen benötigt.
Da eine Korrosionsschutzbehandlung entfallen kann, ist für die Farbgebung keine umweltbelastende Lackierung notwendig sondern es kann statt dessen eine Folie aufgebracht werden.
In einer weiteren Ausführung sind die Module als Sandwich aus Metallaußenhaut wie Aluminium- oder Magnesiumlegierungen ausgeführt. Das Fertigungsverfahren beinhaltet in dieser Version einen Umformprozess der Bleche und/oder des fertigen Halbzeuges als Sandwich. Zusätzlich können, je nach Materialwahl, die Fügenähte dazu sowohl im Klebeverfahren als auch im Schweißverfahren ausgeführt werden.
Beschreibung der Skizzen:
1 zeigt die erfindungsgemäße Modulbauweise mit dem Chassis 100 und einem Seitenteil 101 im noch nicht gefügten Zustand.
2 zeigt einen Schnitt durch Chassis 100 und Seitenteil 101, wie in 1 dargestellt mit der schraffierten Schnittfläche im Bereich der Schaumkerne 103 und dem Laminat 104. Zu sehen ist außerdem das geschnittene Seitenteil mit der Schnittfläche 105.
3 zeigt das Chassis 100 und das Seitenteil 101 in einer Perspektive. Deutlich erkennbar die angeformten Radhäuser 106 im einteilig ausgeführten Chassis.
4 ist eine Detailvergrößerung der Ansicht in 3 und zeigt die großflächigen und formschlüssigen Füge- bzw. Klebeflächen 107, mit denen Chassis 100 und Seitenteil 101 verbunden werden.

Claims

Modulare Architektur und Fertigungsverfahren für Fahrzeuge vorzugsweise in Verbundfasermaterialien, dadurch gekennzeichnet, dass statt einer Vielzahl von Blechen solide, formstabile Module gefertigt werden, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Module als Sandwichkonstruktion ausgeführt werden mit außenliegenden Laminaten und innenliegenden Kernen und dass der Fügeprozess dieser Module sowohl formschlüssig als auch stoffschlüssig erfolgt.
Modulare Architektur und Fertigungsverfahren für Fahrzeuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Module trocken vorkonfektioniert und in eine Werkzeugform eingelegt werden und dann das Harz der Matrix eingespritzt wird.
Modulare Architektur und Fertigungsverfahren für Fahrzeuge nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturen der Fügeflächen im Formschluss die Bauteile zueinander stabil so orientieren, dass das Fahrzeug passgenau und weitgehend ohne externe Stützen zusammengesetzt ist.
Modulare Architektur und Fertigungsverfahren für Fahrzeuge nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne in einem Pressverfahren aus Halbzeugen in Plattenform gefertigt werden.
Modulare Architektur und Fertigungsverfahren für Fahrzeuge nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug aus einem Stempel und mehreren Matrizen besteht und die Matrizen zur Konfektionierung der Preforms genutzt werden.
Modulare Architektur und Fertigungsverfahren für Fahrzeuge nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass statt der Matrizen einfache Konfektionierungsformen für die Preforms genutzt werden und die fertig belegten und angeformten Preforms dann in die schon temperierte bzw. vortemperierte Werkzeugform eingelegt werden.
Modulare Architektur und Fertigungsverfahren für Fahrzeuge nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Module Hohlrohe, Kabel und Kabelführungen sowie Metalleinleger enthalten, und die Hohlrohre der Flüssigkeitsführung und der Luftführung für Heiz- und Kühlelemente und für die Verlegung von Kabeln genutzt werden und die Metalleinleger für die Anbringung von Gewinden für Anbauteile vorgesehen sind.
Modulare Architektur und Fertigungsverfahren für Fahrzeuge nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Module zweiseitig gestaltgebende Konturen aufweisen, so dass die Bauteiloberflächen eines Module sowohl die Fahrzeugaußenkontur als auch den Innenraum abbilden.
Modulare Architektur und Fertigungsverfahren für Fahrzeuge nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Module und die jeweilige Anschlusskonturen zu den benachbarten Modulen so ausgeführt sind, dass ein Modul für mehrere Fahrzeugmodelle genutzt werden, also z. B. das identische Chassis eines VAN auch für ein SUV oder eine Limousine genutzt werden kann, die dann z. B. geänderte Seiten- und Dachteile aufweisen.
Modulare Architektur und Fertigungsverfahren für Fahrzeuge nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbgebung durch Folieren und nicht durch Lackierung erfolgt.
Modulare Architektur und Fertigungsverfahren für Fahrzeuge nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Module nicht aus Faserverbundmaterial sondern aus Leichtmetallsandwichmaterialien gefertigt werden.