DE102017116519A1

DE102017116519A1 - Bauweise und Auslegung von Fahrzeugkarosserien, Chassis und Monocoques

Info

Publication number: DE102017116519A1
Application number: DE102017116519.3A
Authority: DE
Inventors: Herwig Fischer
Original assignee: Innovative Dragon Ltd
Current assignee: Innovative Dragon Ltd
Priority date: 2017-07-21
Filing date: 2017-07-21
Publication date: 2019-01-24
Also published as: DE112018003736A5; WO2019015929A1

Abstract

Bauweise und Auslegung von Fahrzeugkarosserien, Chassis und Monocoques (=Body) bestehend aus einem an die Außenkontur angepassten Rahmen, vorzugsweise aus Hohlprofilen und hochfesten Materialien, der direkt an Lasteintragspunkten und entlang der Hauptrichtungen der auftretenden Werkstoffspannungen geführt ist und Paneelen zum Aufbau der Oberflächen, die formschlüssig auf den Rahmen aufgeklebt werden.

Description

Fahrzeuge, insbesondere Personenkraftwagen werden im Wesentlichen in Blechbauweise als tragende Karosserie/ Chassis Kombination gefertigt. Dazu werden Bleche aus Stahl in Formen gepresst und danach verschweißt.
Um die Masse dieser Karosserien zu reduzieren werden zunehmend auch andere Materialien wie Aluminium oder Magnesium eingesetzt.
Teilweise werden auch Blechteile durch Carbonteile ersetzt, die dann in die Karosserie geklebt werden.
Optimale Leichtbaukennwerte werden bisher erzielt durch die bekannte Spaceframe Konstruktion, bei der Aluminiumprofile, Gussteile und Knotenbleche zu einem Rahmen gefügt werden, in den dann die Bleche eingeklebt und/oder genietet werden.
Tatsächlich sind die auftretenden Werkstoffspannungen in der fertigen Karosserie durch die Betriebslasten und auch durch Crashlasten nicht gleichmäßig in den Blechoberflächen verteilt, sondern treten im Wesentlichen an den Karosserierändern wie den Ausschnitten der Türen, der Verglasung und der Hauben sowie an den Schwellern und an den Lasteintragspunkten des Fahrwerks und der Antriebselemente auf.
Die bekannte Spaceframe Bauweise erzielt deswegen Vorteile, weil die Profile so angeordnet werden können, dass sie den Hauptspannungslinien den auftretenden Lasten folgen.
Maximale Stabilität wird erreicht durch die Verwendung von Hohlprofilen, deren Steifigkeit, Festigkeit und insbesondere Sicherheit gegen Knickung und Beulung deutlich höher ist als die analogen Werte von Blechen oder offenen Profilen, die erst nach dem Fügen im eingebauten Zustand ihre Kennwerte erreichen.
Die Nachteile der bekannten Spaceframebauweise liegen darin, dass Hohlprofile nur teilweise nämlich dort verwendet werden können, wo ein gewisser Abstand von der Karosserie Außenhaut möglich ist, da sie im Strangpressverfahren gefertigt sind und somit keine beliebig variable Außenkontur aufweisen, die sich an die Außenhaut der Karosserie anpassen könnte.
Bemühungen, große Teile oder sogar die ganze Karosserie aus Verbundfasern aufzubauen waren bisher nicht großserienfähig, da sowohl die Verfahrenskosten (Werkzeuge und Taktzeiten) als auch die Kosten für den Materialeinsatz zu hoch waren.
Die vorliegende Erfindung löst die beschriebenen Probleme, in dem das gesamte Fahrzeug Monocoque aufgeteilt wird in zwei Bereiche, nämlich einerseits den hochbelasteten Bereich eines Rahmens und andererseits den gering belasteten Bereich der Oberflächen.
Das Monocoque = Chassis plus Karosserie besteht dann aus einem in die Oberfläche integrierten Rahmen (SIC = Surface Integrated Cage), der aus Verbundfaserwerkstoffen vorzugsweise aus Carbonfaser/Epoxydharz-Matrix Material besteht und als Hohlprofil so gestaltet werden kann, dass die Außenkontur der Außenfläche der Karosserie entspricht. Damit benötigt dieser Rahmen keinen zusätzlichen Raum und erfüllt neben der Aufgabe, die Hauptlasten zu übernehmen auch die Funktion, den Rahmen für Verglasung, Türausschnitte, Hauben und Klappen etc. darzustellen. Dieser Rahmen (Cage) wird vorzugsweise so geführt, dass er direkte Verbindungen zwischen den Lasteintragspunkten aus dem Fahrwerk und den Massenkonzentrationen wie Motoren, Getriebe, Batterien, Sitze etc. und zusätzlich zu den Crashboxen und Strukturen zur Arbeitsaufnahme im Crashfall herstellt.
Der erfindungsgemäße Rahmen (Cage) wird dazu vorzugsweise aus Schläuchen gefertigt, die in einem entsprechenden Werkzeug aufgeblasen und ausgehärtet werden. In einer bevorzugten Ausführung sind diese Schläuche geflochtene Carbonschläuche, die mit Harz getränkt sind und die um einen luftdichten Innenschlauch gezogen sind, der zum Aushärten in der Form aufgeblasen wird.
Dieser Cage nimmt praktisch alle im Fahrzeug anfallenden Kräfte auf und stellt aber nur einen relativ geringen Teil der Oberfläche bzw. des Volumens des Monococques dar. Damit ist der Materialeinsatz der teuren und hochfesten Carbonfasern auf einen sehr geringen Massenanteil beschränkt. Außerdem ist der anfallende Verschnitt bei der Konfektionierung sehr gering. Die Herstellung des Preforms ist ebenfalls sehr preiswert und unkritisch in der Qualitätssicherung. Zur lokalen Verstärkung werden die vorbereiteten Schläuche an ausgewählten Stellen mehrfach übereinander gezogen. Um unterschiedliche Querschnitte abbilden zu können, werden die Schläuche in Längsrichtung gezogen (um engere Querschnitte zu erreichen) bzw. zusammengestaucht (für eine Querschnittserweiterung). In einer besonderen Ausführung sind diese Schläuche deswegen so lose und ohne Querverbinder geflochten, dass auch große Querschnittsänderungen ohne Knittern oder Knicken erzielt werden können.
Der Cage braucht keine oder nur sehr wenige Diagonalverbindungen, da die später eingesetzten Oberflächen als Schubfeldträger wirken.
Der Cage wird so gestaltet, dass einzeln gefertigte Teile davon über Knotenverbinder gefügt und geklebt und/oder genietet werden, wobei vorzugsweise an diesen Knoten gleichzeitig die Hardpoints zum Eintrag der Lasten positioniert sind, die zur Befestigung der Beschläge von Fahrwerksteilen, Hilfsrahmen oder Antriebskomponenten dienen.
Der Cage bildet damit die wesentlichen Konturen des Monocoques ab, wie z.B. die Schweller, die Querträger im Fahrzeugboden, die Domstreben, die A-, B- und C-Säulen, die Fensterrahmen, die Rahmen von Hauben und Deckeln, die Radausschnitte, die Stoßstangenhinterfütterungen, die Crashstrukturen, die Motorträger, die Anschlüsse der Federung und der Fahrwerksaufhängung und der Lenkung etc.
Die erzielbaren Steifigkeiten, Festigkeiten und die erreichbare Energieabsorption gegen Crashlasten ist damit in vergleichbarer Größenordnung möglich wie bei den bekannten Metallrohrkäfigen in Rennfahrzeugen, die nicht der Oberflächenkontur folgen und damit allerdings den Innenraum komplett verbrauchen und sowohl Einstieg als auch Rundumsicht massiv beschränken.
Da sowohl die Oberfläche, als auch das Volumen des Cages nur einen geringen Teil der Masse des Monocoques ausmachen, sind einerseits die Kosten für das Fertigungswerkzeug gering (Kleine Oberfläche = geringer Werkzeugdruck) und andererseits bleiben auch die Materialkosten überschaubar.
Die Oberflächen (=Paneele) des Monocoques werden in beliebigen Materialien und Verfahren gefertigt und können weitgehend frei nach Kriterien des Verfahrens festgelegt werden, nicht aber nach der Frage der erzielbaren Festigkeit, Steifigkeit und/oder Stabilität. Für sehr große Stückzahlen können Blechteile verwendet werden, bei kleineren Mengen Verbundfaserteile oder Tiefziehteile oder Thermoplaste.
Die Oberflächen werden vorzugsweise mit einer dünnen Wandstärke an den Stellen ausgeführt, an denen sie auf dem Cage aufliegen und die Wandstärke weist einen Sprung auf entlang den Kanten zum Cage, so dass die Oberflächen sich automatisch im jeweilig vorgesehen Bereich des Cages zentrieren und so neben der Verklebung auch ein Formschluss in der Fügung entsteht. Die Nähte zwischen den Paneelen auf der Außenseite werden entweder ins Design einbezogen oder in Nacharbeit mechanisch geschlossen (=gefugt) und geschliffen.
In einer weiteren Variante sind die Paneele im Bereich, wo sie nicht auf dem Cage verklebt sind, als Sandwich ausgeführt.
Im Interieur werden Paneele auch auf den Innenseiten des Fahrzeuges angebracht, die damit gleichzeitig das Innendekor und die Geräuschdämmung darstellen. Zwischen den Innen - und Außenpaneelen kann der Raum genutzt werden für die Unterbringung von Elektronikkomponenten, Lüftungen, Schläuchen, Radiatoren etc.
Das erfindungsgemäße Monocqoue erlaubt auch einfache Reparatureingriffe zur Beseitigung von Unfallschäden, indem an vorgesehenen Stellen sowohl der Cage als auch die Paneele entfernt (aufgeschnitten) werden und passende Reparaturkits eingesetzt werden. Die Verbindung der Cageteile wird dabei über Kontenverbinder und /oder über Inserts in den Hohlquerschnitten dargestellt.
Figurenliste

1 zeigt das Monocoque komplett mit Cage und Paneelen ohne Verglasung und Türen und Hauben.
2 zeigt nur den Cage ohne Paneele und ohne Türen, Hauben und Verglasung

Claims

Bauweise und Auslegung von Fahrzeugkarosserien, Chassis und Monocoques (=Body) dadurch gekennzeichnet, dass der Body aus einem Rahmen (=Cage) und Oberflächenteilen (=Paneelen) besteht und dass der Cage im Wesentlichen geometrisch in die Außenflächen des Body integriert ist.
Bauweise und Auslegung von Fahrzeugkarosserien, Chassis und Monocoques (=Body) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Cage aus Hohlprofilen besteht.
Bauweise und Auslegung von Fahrzeugkarosserien, Chassis und Monocoques (=Body) nach einem der mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Paneele auf der Außenseite des Cage so verklebt werden, dass eine glatte Oberfläche gebildet wird.
Bauweise und Auslegung von Fahrzeugkarosserien, Chassis und Monocoques (=Body) nach einem der mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Cage aus Faserverbundmaterial besteht.
Bauweise und Auslegung von Fahrzeugkarosserien, Chassis und Monocoques (=Body) nach einem der mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Cage aus geflochtenen Faserschläuchen besteht.
Bauweise und Auslegung von Fahrzeugkarosserien, Chassis und Monocoques (=Body) nach einem der mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Cage an den Lasteintragspunkten und den Massenkrafteintragspunkten entlang geführt wird.
Bauweise und Auslegung von Fahrzeugkarosserien, Chassis und Monocoques (=Body) nach einem der mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Cage an den Fenster-, Tür- und Klappen- und Deckelkonturen entlang geführt wird.
Bauweise und Auslegung von Fahrzeugkarosserien, Chassis und Monocoques (=Body) nach einem der mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Cage über variable Querschnitte und Wandstärken verfügt, die über Strecken, Stauchen und Verdopplung der Faserlagen erzielt wird.
Bauweise und Auslegung von Fahrzeugkarosserien, Chassis und Monocoques (=Body) nach einem der mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Stellen, an denen der mehrteilig gefertigte Cage gefügt wird, über formschlüssige Verbindungen, Einsteckteile und Knotenverbinder gefügt werden.
Bauweise und Auslegung von Fahrzeugkarosserien, Chassis und Monocoques (=Body) nach einem der mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Fügestellen des Cages gleichzeitig die Lasteintragspunkte von Anbauteilen sind.
Bauweise und Auslegung von Fahrzeugkarosserien, Chassis und Monocoques (=Body) nach einem der mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Paneele formschlüssig auf dem Cage gefügt werden.
Bauweise und Auslegung von Fahrzeugkarosserien, Chassis und Monocoques (=Body) nach einem der mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Paneele gleichzeitig die Funktion der Stabilisierung der Cageprofile gegen Knickung und gegen Biegelasten in den Knoten übernehmen und somit die einzelnen Bereiche als Schubfeldträger stabilisieren.
Bauweise und Auslegung von Fahrzeugkarosserien, Chassis und Monocoques (=Body) nach einem der mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass auf der Innenseite die Paneele als Dekorations- und -funktionsteile des Interieurs ausgeführt sind.
Bauweise und Auslegung von Fahrzeugkarosserien, Chassis und Monocoques (=Body) nach einem der mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass für den Cage und/oder die Paneele Reparaturmodule vorgesehen sind, so dass an geeigneten Stellen der Cage getrennt und die Paneele entfernt werden können und dann neue Teile des Cage gefügt werden können durch formschlüssige Inserts und/oder Knotenverbinder so, dass danach neue Paneele wieder aufgeklebt werden können.
Bauweise und Auslegung von Fahrzeugkarosserien, Chassis und Monocoques (=Body) nach einem der mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlstrukturen des Cage oder zwischen den Paneelen genutzt werden für Kabel- und/oder Rohr- und/oder Schlauchführungen und oder zur Unterbringung von elektrischen Komponenten oder sonstigen Anbauteilen.
Bauweise und Auslegung von Fahrzeugkarosserien, Chassis und Monocoques (=Body) nach einem der mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die geflochtenen Schläuche des Cage als Pre-Preg ausgeführt und verarbeitet werden.
Bauweise und Auslegung von Fahrzeugkarosserien, Chassis und Monocoques (=Body) nach einem der mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Schläuche des Cage per RTM (=Resin Transfer Molding) verarbeitet werden.
Bauweise und Auslegung von Fahrzeugkarosserien, Chassis und Monocoques (=Body) nach einem der mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Cage nicht hohl ist sondern über einen Kern aus Schaum und /oder Wabenmaterial verfügt.
Bauweise und Auslegung von Fahrzeugkarosserien, Chassis und Monocoques (=Body) nach einem der mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Paneele aus Metallblechen und/oder - schäumen bestehen.
Bauweise und Auslegung von Fahrzeugkarosserien, Chassis und Monocoques (=Body) nach einem der mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Paneele aus Thermoplasten bestehen.
Bauweise und Auslegung von Fahrzeugkarosserien, Chassis und Monocoques (=Body) nach einem der mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Paneele teilweise oder ganz transparent ausgeführt sind.
Bauweise und Auslegung von Fahrzeugkarosserien, Chassis und Monocoques (=Body) nach einem der mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass in die Paneele Anbauteile integriert sind wie Leuchten, Blinker, Oled Displays, andere Displays, Staufächer etc.