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Die Erfindung betrifft ein Integralbauteil eines Kfz-Rahmens.
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In der heutigen Entwicklung von Kraftfahrzeugen sind die Entwickler bestrebt, ein möglichst leichtes Kraftfahrzeug zu entwerfen und dadurch den Kraftstoffverbrauch und die Umweltbelastung zu reduzieren sowie die Fahreigenschaften des Fahrzeugs zu verbessern. Dabei wird die Leichtbauweise beispielsweise dadurch realisiert, dass seit langem eingesetzte Werkstoffe durch neu entwickelte Werkstoffe mit einer geringen Dichte ersetzt werden. So werden beispielsweise Komponenten des Kfz-Rahmens, die früher aus Stahl oder Aluminium hergestellt wurden, aus Faser-Kunststoff-Verbunden oder aus Hybriden, bestehend aus einem Metall und einem Faser-Kunststoff-Verbund, hergestellt. Die Faser-Kunststoff-Verbunde weisen in Vergleich zu Aluminium und insbesondere zu Stahl eine geringere Dichte auf, wodurch das Gewicht reduziert wird.
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Die mechanischen Eigenschaften von Faser-Kunststoff-Verbunden unterscheiden sich von den mechanischen Eigenschaften von Stahl oder Aluminium, so dass die Komponenten aus Faser-Kunststoff-Verbunden durch Rippenstrukturen versteift und durch Einlegeteile verstärkt werden müssen. Die
DE 10 2012 213 663 A1 offenbart beispielsweise einen Getriebeträger, der aus einem Profilelement und einer Rippenstruktur ausgeführt ist. Das Profilelement und die Rippenstruktur sind einstückig ausgeführt und aus einem einzigen Faser-Kunststoff-Verbund hergestellt.
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Nachteilhaft an der in der
DE 10 2012 213 663 A1 beschriebenen Ausführung ist, dass das Profilelement mit der Rippenstruktur einstückig ausgeführt ist und dadurch, abhängig von der Wahl des Faser-Kunststoff-Verbundes, entweder die Steifigkeit sowie die Festigkeit des Integralbauteils gering ist oder die Herstellungskosten des Integralbauteils sehr hoch sind, da das gesamte Integralbauteil aus einem hochbelastbaren Faser-Kunststoff-Verbund hergestellt ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Integralbauteil eines Kfz-Rahmens derart weiterzuentwickeln, dass das Integralbauteil kostengünstig herstellbar ist und eine hohe Steifigkeit und Festigkeit aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Integralbauteil mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.
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Das Integralbauteil weist ein offenes Profilelement mit einer versteifenden Rippenstruktur auf. Das offene Profilelement kann beispielsweise langgestreckt und mit einem u-förmigen Querschnitt ausgeführt sein, wobei die das Profilelement versteifende Rippenstruktur zwischen den beiden Schenkeln des u-förmigen Profilelements angeordnet ist.
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Das Profilelement weist einen u-förmigen Faser-Kunststoff-Verbund-Körper mit einer ersten Struktur und mindestens ein Verstarkungsblech aus Metall auf, wobei das Verstarkungsblech zur lokalen Verstärkung des Profilelements dient. Das Profilelement kann mehrere Verstärkungsbleche aufweisen, die auf diese Weise mehrere hochbelastete Bereiche des Profilelements mechanisch verstärken.
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Die im Inneren des offenen Profilelements angeordnete Rippenstruktur ist aus einem Faser-Kunststoff-Verbund mit einer zweiten Struktur hergestellt, wobei sich die zweite Struktur des Faser-Kunststoff-Verbunds von der ersten Struktur des Faser-Kunststoff-Verbund-Körpers unterscheidet. Die Struktur eines Faser-Kunststoff-Verbunds wird hauptsächlich durch die Art der Kunststoffmatrix, üblicherweise bestehend aus einem Thermoplast oder einem Duromer, durch den Faserwerkstoff und durch die Faserlänge definiert. Durch die Ausführung des Faser-Kunststoff-Verbund-Körpers aus einem Faser-Kunststoff-Verbund mit einer ersten Struktur und durch das Einsetzen von Verstärkungsblechen sowie die Ausführung der Rippenstruktur aus einem Faser-Kunststoff-Verbund mit einer zweiten Struktur weist das Integralbauteil eine hohe Festigkeit und Steifigkeit auf und ist kostengünstig herstellbar.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Faser-Kunststoff-Verbund-Körper aus einer thermoplastischen Matrix mit darin eingebetteten Endlosfasern hergestellt. Die thermoplastische Matrix ist im Gegensatz zu einer aus Duromer hergestellten Matrix wieder aufschmelzbar, wodurch der Herstellungszeitaufwand reduziert wird sowie die Herstellung von komplexen Bauteilen vereinfacht wird. Ausschlaggebend für die mechanischen Eigenschaften eines Faser-Kunststoff-Verbunds ist unter Anderem die Faserlänge. So werden üblicherweise Kurz-, Lang- oder Endlosfasern in der Matrix eingebettet, wobei ein Faser-Kunststoff-Verbund mit eingebetteten Endlosfasern eine besonders hohe Steifigkeit aufweist.
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Vorzugsweise weist der Faser-Kunststoff-Verbund mit einer zweiten Struktur eine thermoplastische Matrix und darin eingebettete Kurz- und/oder Langfasern auf. Die Faser-Kunststoff-Verbunde mit Kurz- und/oder Langfasern lassen sich kostengünstig und einfach herstellen. Außerdem können Faser-Kunststoff-Verbunde mit Kurz- und/oder Langfasern derart ausgeführt sein, dass der Faser-Kunststoff-Verbund ein nahezu isotropes Verhalten aufweist.
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In einer bevorzugen Ausgestaltung ist ein umlaufender Randbereich des Faser-Kunststoff-Verbund-Körpers durch den Faser-Kunststoff-Verbund mit der zweiten Struktur umsäumt, wobei der Randbereich eine umlaufende abschließende Kante des Faser-Kunststoff-Verbund-Körpers ist. Auf diese Weise muss der Faser-Kunststoff-Verbund-Körper nicht oder nur geringfügig nachbearbeitet werden, wodurch die Herstellungskosten des Profilelements bzw. des Integralelements reduziert werden.
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Vorzugsweise sind die in der thermoplastischen Matrix eingebetteten Endlosfasern Kohlefasern, Glasfasern, Basaltfasern und/oder Aramidfasern. Dabei können abhängig von den auf das Integralbauteil wirkenden Belastungen entsprechende Faserwerkstoffe eingesetzt werden, wobei Kohlefasern die höchste Festigkeit aufweisen und dadurch das Integralbauteil hohe Belastungen aufnehmen kann.
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In einer besonderen Ausgestaltung sind die Endlosfasern als Gewebe oder als Gelege in der thermoplastischen Matrix eingebettet, wodurch eine hohe Festigkeit und Steifigkeit des Faser-Kunststoff-Verbunds erreicht wird.
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Vorzugsweise sind der Faser-Kunststoff-Verbund-Körper und die Rippenstruktur stoffschlüssig miteinander verbunden. Dabei wird - vorzugsweise in einem kombinierten Fertigungsprozess - zunächst der Faser-Kunststoff-Verbund-Körper hergestellt und danach die Rippenstruktur eingespritzt. Auf diese Weise werden die Herstellungskosten reduziert, da der Faser-Kunststoff-Verbund-Körper und die Rippenstruktur nicht durch einen separaten Montageschritt miteinander verbunden werden müssen.
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Vorzugsweise ist das Verstärkungsblech zwischen dem Faser-Kunststoff-Verbund-Körper und der Rippenstruktur angeordnet, wobei das Verstärkungsblech aus Metall in einer bevorzugten Ausgestaltung eine formschlüssige Verbindung mit dem Faser-Kunststoff-Verbund-Körper und/oder der Rippenstruktur aufweist. Das Verstärkungsblech aus Metall weist beispielsweise Löcher auf, über die das Verstärkungsblech mit dem Faser-Kunststoff-Verbund-Körper und/oder mit der Rippenstruktur formschlüssig verbunden ist. Im Herstellungsprozess des Integralbauteils wird zunächst der Faser-Kunststoff-Verbund-Körper umgeformt, das Verstärkungsblech eingesetzt und im letzen Schritt die Rippenstruktur eingespritzt. Alternativ wird zunächst das Verstärkungsblech eingesetzt, danach der Faser-Kunststoff-Verbund-Körper umgeformt und im letzten Schritt die Rippenstruktur eingespritzt. Der eingespritzte flüssige Faser-Kunststoff-Verbund fließt in bzw. durch die im Verstarkungsblech ausgebildeten Löcher, wodurch im ausgehärteten Zustand des eingespritzten Faser-Kunststoff-Verbunds eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Faser-Kunststoff-Verbund-Körper und der Rippenstruktur und eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Verstarkungsblech aus Metall und dem Faser-Kunststoff-Verbund-Körper und/oder der Rippenstruktur entsteht.
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Vorzugsweise haftet das Verstärkungsblech aus Metall mit einem Haftvermittler an dem Faser-Kunststoff-Verbund-Körper und/oder der Rippenstruktur an. Dadurch wird das Verstarkungsblech an dem Faser-Kunststoff-Verbund-Körper und/oder an der Rippenstruktur befestigt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Verstärkungsblech mit einem an das Profilelement angrenzenden metallischen Fahrzeugelement verbindbar, wobei das Verstarkungsblech an einem axialen Ende des Profilelements angeordnet ist. Das Verbinden von Komponenten aus Faser-Kunststoff-Verbunden mit metallischen Komponenten erfordert besondere Vorkehrungen, da insbesondere in der Matrix eingebettete Kohlefasern Kontaktkorrosion an den metallischen Komponenten verursachen können. Durch die Verbindung des Verstärkungsblechs mit einem angrenzenden metallischen Fahrzeugelement wird das Integralbauteil mit dem angrenzenden metallischen Fahrzeugelement derart verbunden, dass Kontaktkorrosion vermieden wird und der Aufwand, um das Integralbauteil mit dem angrenzenden metallischen Fahrzeugelement zu verbinden, reduziert ist.
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Vorzugsweise ist das Verstärkungsblech aus Edelstahl hergestellt, wodurch Korrosion des Verstarkungsblechs vermieden wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung sind im Profilelement und/oder in der Rippenstruktur metallische nicht-versteifende Inserts fest integriert. Die Inserts sind beispielsweise mechanische Anknüpfungen in Form von Gewindebohrungen oder Gewindebolzen. Durch die Inserts wird das Anschrauben von angrenzenden Komponenten an das Integralbauteil vereinfacht, indem die Anschraubpunkte definiert und verstärkt sind.
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Vorzugsweise ist das Integralbauteil ein Mitteltunnel einer KFZ-Karosserie, wobei der Mitteltunnel zur Biege- und Torsionssteifigkeit der Kraftfahrzeugkarosserie beiträgt sowie bei einem Front- bzw. Heckcrash zusammen mit den seitliche Längsträgern der Karosserie als Haupt-Längslastpfand dient.
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Die Erfindung wird anhand Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung eines Integralbauteils, und
- 2 eine Explosionsdarstellung des Integralbauteils aus 1.
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1 zeigt eine perspektivische und 2 eine Explosionsdarstellung eines Integralbauteils 10 eines Kfz-Rahmens. Das Integralbauteil 10 ist als Mitteltunnel ausgeführt, welcher zusammen mit den in den Figuren nicht dargestellten Seitenschwellern die Biege- und Torsionssteifigkeit erhöht sowie den Haupt-Längslastpfand der Sicherheitszelle beim Front- und Heckcrash bildet. Andere Ausführungsbeispiele für das Integralbauteil 10 sind beispielsweise ein Seitenschweller oder eine B-Säule der Kraftfahrzeug-Karosserie.
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Das Intergralsbauteil 10 weist ein offenes Profilelement 20 und eine Rippenstruktur 30 auf. Das Profilelement 20 weist einen u㇒formigen Faser-Kunststoff-Verbund-Körper 22 mit einer ersten Struktur auf, wobei die Struktur eines Faser-Kunststoff-Verbundes durch den Faserwerkstoff, den Matrixwerkstoff, die Faserlänge sowie durch die Faserausrichtung definiert wird. So weist der Faser-Kunststoff-Verbund-Körper 22 eine thermoplastische Matrix auf, in der Kohlefasern eingebettet sind. Die Kohlefasern sind als Endlosfasern ausgeführt und als Gewebe oder Gelege in der thermoplastischen Matrix eingebettet. Die Fasern sind in diesem Ausführungsbeispiel derart ausgerichtet, dass die Belastungen bei einem Front-bzw. Heckcrash durch das Profilelement aufgenommen werden können.
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Im Inneren des Faser-Kunststoff-Verbund-Körpers 22 ist die Rippenstruktur 30 angeordnet, die aus einem Faser-Kunststoff-Verbund 41 mit einer zweiten Struktur hergestellt ist und den Faser-Kunststoff-Verbund-Körper 22 versteift. Der Faser-Kunststoff-Verbund 41 der Rippenstruktur 30 ist dabei am Randbereich des Faser-Kunststoff-Verbund-Körpers 22 derart angespritzt, dass dieser den umlaufenden Randbereich 24 des Faser-Kunststoff-Verbund㇒Körpers 22 umsäumt. Die Rippenstruktur 30 weist zwei obere Längsträger 40, 42, zwei Zwischenlängsträger 44, 46 und zwei untere Längsträger 48, 49 auf. Die oberen Längsträger 40, 42 und die Zwischenlängsträger 44, 46 sind über Stege 43 und die Zwischenlängsträger 44, 46 über Stege 45 mit den unteren Längsträgern 48, 49 verbunden.
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Zwischen dem U-förmigen Faser-Kunststoff-Verbund-Körper 22 und der Rippenstruktur 30 ist ein Verstarkungsblech 50 aus Metall eingebettet, welches an einem axialen Ende des Faser-Kunststoff-Verbund-Körpers 22 angeordnet ist. Das Verstärkungsblech 50 verstärkt den Faser-Kunststoff-Verbund-Körper 22 und verbindet das Profilelement 20 mit einer nicht dargestellten angrenzenden Kraftfahrzeugkarosserie. Das Verstarkungsblech 50 ist formschlüssig und über eine Klebeverbindung mit dem Faser-Kunststoff-Verbund-Körper 22 und der Rippenstruktur 30 verbunden. Die Klebeverbindung erfolgt über einen Haftvermittler, der auf der Oberfläche des Verstarkungsblechs aufgetragen wird. Die formschlüssige Verbindung erfolgt über Löcher 52, die im Verstärkungsblech 50 ausgebildet sind. Beim Einspritzen der Rippenstruktur 30 fließt der zähflüssige Faser-Kunststoff-Verbund durch die Löcher 52 und bildet im erstarrten Zustand, neben der stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Faser-Kunststoff-Verbund-Körper 22 und der Rippenstruktur 30, eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Verstärkungsblech 50 und dem Faser-Kunststoff-Verbund-Körper 22 bzw. der Rippenstruktur 30.
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Der Faser-Kunststoff-Verbund-Körper 22 weist zur Anbindung des Profilelements an die nicht dargestellte, angrenzende Kraftfahrzeugkarosserie Inserts 261, 262, 263, 264, 265 mit jeweils einem Innengewinde auf, wobei die Inserts 261, 262, 263, 264, 265 in die Rippenstruktur 30 eingebettet sind und als Schraubpunkte dienen.
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Es sind auch andere konstruktive Ausführungsformen als die beschriebenen Ausführungsformen möglich, die in den Schutzbereich des Hauptanspruchs fallen. Es können beispielsweise das Profilelement, die Rippenstruktur 30 oder die Strukturen der Faser-Kunststoff-Verbunde anders ausgeführt sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012213663 A1 [0003, 0004]
