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Die Erfindung betrifft ein durch Überdruck in seinem Innenholraum steifigkeitserhöhtes Faserverbundbauteil.
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Bei der Realisierung von Bauteilen mit Faserverbundwerkstoffen muss in allen Gebieten, insbesondere bei der Automobilindustrie, berücksichtigt werden, dass Faserverbundbauteile entlang der Faserrichtung besser auf Zug belastbar sind als auf Druck. Dies kann durch spezielle Anordnungen verschiedener Faserlagen zueinander nur zum Teil kompensiert werden.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Lösungen zur Steifigkeitserhöhung von Faserverbundbauteilen bekannt. Die Lehre der
WO 2009/138203 A2 offenbart beispielsweise die Herstellung eines Hohlbauteils, das aus mehreren Schichten von Faserverbundmaterial mit einer Mehrzahl an Orientierungen und Eigenschaften hergestellt ist. Durch die Schichten ist jedoch das Gewicht gegenüber einem Faserverbundbauteil mit nur einer Schicht stark erhöht. Die Offenbarung der
DE 10 2008 039 514 A1 zeigt ferner die kurzzeitige Erhöhung der Steifigkeit bei einem Aufprall des Fahrzeugs auf ein Hindernis. Für eine dauerhafte Erhöhung der Steifigkeit ist dies jedoch ungeeignet.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu überwinden und ein kosteneffizientes, einfach herzustellendes Faserverbundbauteil bereitzustellen, das in Faserrichtung auf Druck belastbar ist, ein geringes Gewicht aufweist, dessen Steifigkeit/Gewichtverhältnis gegenüber einem herkömmlichen Faserverbundbauteil verbessert ist und dessen Geometrie bedingt durch die Steifigkeitserhöhung freier wählbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird ein Faserverbundbauteil vorgeschlagen, das als Karosseriebauteil zur Verwendung in einem Fahrzeug ausgebildet ist. Das Faserverbundbauteil bildet mit seinen Außenwänden einen Innenhohlraum aus, in dem ein Gas gegenüber einer Außenumgebung abgedichtet aufgenommen ist. In dem Innenhohlraum ist eine Gasmenge des Gases vorgesehen, die einen Überdruck p in dem Innenhohlraum erzeugt. In dem Innenhohlraum herrscht mit dem Überdruck p ein größerer Druck als in der Umgebung des Faserverbundbauteils. Der Überdruck p wirkt konstant gegen Innenflächen der Außenwände des Innenhohlraums, sodass die Außenwände dauerhaft in eine Richtung nach außen auf Zug belastet sind. Durch den Innenhohlraum und das darin befindliche Gas wird ein Effekt ähnlich wie bei einem aufgeblasenen Luftballon hervorgerufen. Das Faserverbundbauteil, das ohne die Überdruckbeaufschlagung im Vergleich zu Bauteilen aus anderen Materialien, wie Stahl oder Aluminium, relativ druckschlaff ist, wird durch die Überdruckbeaufschlagung in seinem Innenhohlraum ständig nach außen hin gestreckt und dadurch auf Zug belastet. Wird das Faserverbundbauteil von außen durch eine flächige oder punktuelle Kraft auf Druck belastet, wirkt die Druckbelastung von außen zunächst gegen den Überdruck p in dem Innenhohlraum. Die Fasern des Faserverbundbauteils werden zunächst nicht auf Druck belastet, sondern ihre Zugbelastung wird reduziert, bis sich die Kräfte durch die Druckbelastung von außen und den Überdruck p in dem Innenhohlraum aufheben. Erst dann werden die Fasern des Faserverbundbauteils bzw. das Faserverbundbauteil selbst auf Druck belastet. Die Steifigkeit, also der Widerstand des Faserverbundbauteils gegen elastische Verformung durch eine auf es einwirkende Kraft, beispielsweise durch Druck, ist durch eine Variation der Gasmenge und dem dadurch entstehenden Überdruck p im Innenhohlraum steuerbar. Der Überdruck p in dem Innenhohlraum ist zeitlich im Wesentlichen konstant und so gewählt, dass er bei verschiedenen Außendrücken, die beispielsweise durch geodätische Einflüsse variieren können, gegen die Innenwand der Faserverbundbauteils wirkt. Die Außendrücke, die für die Auslegung des Überdrucks p berücksichtigt werden, entsprechen den möglichen Außendrücken die im Rahmen einer normalen Fahrzeugnutzung herrschen können.
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In einer vorteilhaften Ausbildungsvariante ist ein Überdruck p in einem Bereich von 2 bis 10 bar, weiter bevorzugt 2 bis 5 bar, vorgesehen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildungsform wirkt das Gas unmittelbar auf die Innenflächen der Außenwände des Innenhohlraums. Der Innenhohlraum bzw. das Faserverbundbauteil ist gasdicht ausgebildet, sodass die Gasmenge des Gases in dem Innenhohlraum gleich bleibt. Das Gas ist beispielsweise bei der Herstellung des Bauteils durch eine dafür vorgesehene Öffnung an dem Faserverbundbauteil in den Innenhohlraum einbringbar, welche nach dem Einbringen des Gases gasdicht versiegelbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausbildungsalternative ist in dem Innenhohlraum des Faserverbundbauteils ein elastisches, innendruckstabiles Element angeordnet. Dieses beispielsweise als Ballon oder Schlauch ausgebildete Element liegt mit seinen Außenflächen zumindest zum Teil an den Innenflächen der Außenwände des Innenhohlraums des Faserverbundbauteils an. Das elastische, innendruckstabile Element bildet einen von Innenflächen bestimmten Hohlraum aus, der mit der vorbestimmten Gasmenge an Gas gefüllt ist. Durch das elastische, innendruckstabile Element besteht in dem Innenhohlraum des Faserverbundbauteils eine zusätzliche Gasbarriere, die es dem Gas erschwert, aus dem Faserverbundbauteil auszutreten, wodurch die Gasmenge des Gases besser konstant gehalten wird. Der Überdruck p wirkt mittelbar über die Innenflächen des elastischen, innendruckstabilen Elements und die Außenflächen des elastischen, innendruckstabilen Elements auf die Innenflächen der Außenwände des Innenhohlraums. Das elastische, innendruckstabile Element ist aus einem geeigneten elastischen Material gefertigt, das für das Gas im Wesentlichen undurchlässig ist und das durch den Überdruck p in dem Hohlraum des elastischen, innendruckstabilen Elements, zumindest in seiner Anordnung in dem Innenhohlraum, reversibel und nicht irreversibel verformbar ist.
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Vorteilhaft ist ferner eine Weiterbildungsform, bei der ein Ventil an dem elastischen, innendruckstabilen Element angeordnet und mit dem Hohlraum strömungsverbunden ist. Durch das Ventil an dem elastischen, innendruckstabilen Element ist die Gasmenge zur Herstellung des Überdrucks p in das Faserverbundbauteil einbringbar. Durch das Ventil und die daran angeschlossenen Überdruckerzeugungselemente, ist der Überdruck p ferner variierbar und auch zu einem späteren Zeitpunkt neu einstellbar. Dies kann beispielsweise während der Fahrt oder im Rahmen von Wartungsarbeiten an dem Fahrzeug durchgeführt werden.
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Von Vorteil ist eine Ausbildungsvariante, bei der ein Drucksensor in dem Innenhohlraum des Faserverbundbauteils angeordnet ist. Durch den Drucksensor kann der Überdruck p in dem Innenhohlraum des Faserverbundbauteils und/oder in dem Hohlraum des elastischen, innendruckstabilen Elements intervallweise oder kontinuierlich überprüft werden. Durch einen Außendrucksensor ist eine Druckdifferenz zwischen dem Überdruck p und dem Außendruck konstant oder intervallweise überwachbar und mit geeigneten Mitteln während der Fahrt oder im Rahmen von Wartungsarbeiten anpassbar.
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Eine Ausgestaltungsform, bei der der Drucksensor integral mit dem an dem elastischen, innendruckstabilen Element angeordneten Ventil ausgebildet ist, ist ebenfalls vorteilhaft. Der Überdruck p ist durch den Drucksensor in dem Hohlraum des elastischen, innendruckstabilen Elements erfassbar. Durch die integrale Ausbildungsform des Drucksensors mit dem Ventil sind weniger Bauteile zu montieren und der Montageprozess dadurch kosteneffizienter zu realisieren.
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Vorteilhaft ist ferner einer Weiterbildungsform, bei der ein Messwert (der gemessene Druck) des Drucksensors an einem am Faserverbundbauteil angeordneten Anzeigeelement anzeigbar ist. Der Messwert ist beispielsweise über eine digitale Anzeige oder eine einfache Farbkodierung, beispielsweise über eine drucksensitive Lage, darstellbar. Es kann ein Zahlenwert oder ein Farbsignal angezeigt sein, sodass der Überdruck p in ausreichender Genauigkeit ablesbar ist. Der Messwert ist alternativ oder zusätzlich an Fahrzeugsteuerelemente (ECU oder ECM) übertragbar und von diesen dokumentierbar. Ferner ist zusätzlich der Messwert in dem Fahrzeuginnenraum in ausreichender Genauigkeit darstellbar oder durch ein Warnsignal bei unterschreiten eines vorbestimmten Messwerts ausgebbar.
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Ein Faserverbundbauteilventil ist bei einer vorteilhaften Weiterbildungsvariante an dem Faserverbundbauteil angeordnet und mit seinem Innenhohlraum strömungsverbunden. Durch das Faserverbundbauteilventil ist die Gasmenge zur Erzeugung des Überdrucks im Rahmen der Fertigung, einer Wartung oder während der Fahrt in das Faserverbundbauteil einbringbar und/oder variierbar.
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Von Vorteil ist, dass bei einer Ausbildungsvariante, die eine Form des Faserverbundbauteils bestimmenden Außenwände des Faserverbundbauteils von Faserlagen bestimmt sind. Das Faserverbundbauteil ist beispielsweise als Faserverbundhohlprofil ausbildbar, dessen Enden und weitere Öffnungen gasdicht verschließbar sind.
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Das Gas ist in einer Variante Luft, bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsform Stickstoff. Der durch die Gasmenge an Stickstoff hergestellte Überdruck p ist durch eine erhöhte durchschnittliche Molekülgröße des Stickstoffs im Vergleich zu Luft besser beibehaltbar. Desweiteren ist Stickstoff schwer entflammbar und löscht bei ausreichender Menge sogar Flammen, sodass Stickstoff insbesondere bei einem Unfall einen sicherheitserhöhenden Effekt hat.
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Durch den Überdruck p steigen insbesondere die Biegesteifigkeit und das Elastizitätsmodul des Faserverbundbauteils an.
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Das Faserverbundbauteil besteht in einer vorteilhaften Weiterbildungsform zumindest zum Teil aus einem CFK-Material in Verbindung mit einem geeigneten und gasdichtigkeitherstellenden Matrixsystem.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
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Es zeigen:
- 1 Schnittansicht durch ein in seinem Innenhohlraum mit einem Überdruck p beaufschlagtes Faserverbundbauteil;
- 2 Schnittansicht durch ein in seinem Innenhohlraum mit einem Überdruck p beaufschlagtes Faserverbundbauteil in einer alternativen Ausführung;
- 3 Schnittansicht durch ein Faserverbundbauteil mit elastischem, innendruckstabilen Element;
- 4 Schnittansicht durch ein Faserverbundbauteil mit elastischem, innendruckstabilen Element in einer alternativen Ausführung.
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Die Figuren sind beispielhaft schematisch. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche funktionale und/oder strukturelle Merkmale hin.
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1 zeigt eine Schnittansicht durch ein Faserverbundbauteil 1, das in seinem Innenhohlraum 2 eine Gasmenge eines Gases aufweist. Die Gasmenge ist so groß, dass in dem Innenhohlraum 2 ein Überdruck p gegenüber des Außendrucks der Umgebung besteht. Der Überdruck p wirkt unmittelbar gegen die Innenflächen der Außenwände 3 des Faserverbundbauteils 1. Eine Druckbelastung, beispielsweise durch eine flächig einwirkende Kraft, in Richtung einer Erstreckungsrichtung von Fasern einer Faserlage bringt die Faserlage durch den Überdruck p nicht in einen Bereich der Druckbeanspruchung sondern reduziert zunächst die Zugbeanspruchung der Fasern, wodurch die Biegesteifigkeit und das Elastizitätsmodul der Faserverbundbauteils gegenüber einem Faserverbundbauteil ohne einen Überdruck p in seinem Innenhohlraum gesteigert sind.
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2 zeigt ein Bauteil wie in 1, jedoch verfügt das Faserverbundbauteil in 2 zusätzlich über ein Faserverbundbauteilventil 4 und einen Drucksensor 8. Durch das Faserverbundbauteilventil 4 ist eine Gasmenge zur Herstellung des Überdrucks p während der Fertigung, einer Wartung und der Fahrt einstellbar. Das bedeutet, dass der Überdruck steuerbar ist, um bestimmte Eigenschaften des Faserverbundbauteils gezielt einzustellen. Durch den Drucksensor 8 ist der Messwert des Drucksensors 8 bzw. die Höhe des Überdrucks p ermittelbar und an ein Anzeigeelement weiterleitbar.
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3 zeigt eine Schnittansicht durch ein Faserverbundbauteil 1, das in seinem Innenhohlraum 2 ein als Schlauchelement 5 ausgebildetes elastisches, innendruckstabiles Element aufweist. Der durch die Gasmenge im Hohlraum 6 des Schlauchelements 5 erzeugte Überdruck p wirkt auf die Innenflächen des Schlauchelements 5 und wird von diesem auf die Außenflächen des Schlauchelements 5 übertragen. Die Außenflächen des Schlauchelements 5 liegen im Wesentlichen an den Innenflächen des Faserverbundbauteils 1 an. Der Überdruck p wirkt dadurch mittelbar auf die Innenflächen des Faserverbundbauteils 1. Durch die zusätzliche Gasbarriere, die durch das Schlauchelement 5 gebildet ist, ist die Gasmenge des Gases die den Überdruck p erzeugt im Vergleich zu einer Ausbildungsform ohne elastisches, innendruckstabiles Element bzw ohne Schlauchelement 5 besser in dem Faserverbundbauteil zu halten.
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4 zeigt eine Schnittansicht durch ein Faserverbundbauteil 1 wie es in 3 gezeigt ist, jedoch ist zusätzlich ein Ventil 7 an dem als Schlauchelement 5 ausgebildeten elastischen, innendruckstabilen Element angeordnet und ein Drucksensor 8 integral mit dem Ventil 7 ausgebildet. Durch das Ventil 7 ist eine Gasmenge zur Herstellung des Überdrucks p während der Fertigung, einer Wartung und der Fahrt einstellbar. Der Überdruck ist durch das Ventil gezielt steuerbar um bestimmte Eigenschaften des Faserverbundbauteils einzustellen. Durch den Drucksensor 8 ist der Messwert des Drucksensors 8 bzw. die Höhe des Überdrucks p ermittelbar und an ein Anzeigeelement weiterleitbar.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Beispielsweise ist zur Herstellung des Überdrucks p ein Gas verwendbar, das gegenüber Luft eine erhöhte Molekülgröße aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009/138203 A2 [0003]
- DE 102008039514 A1 [0003]
