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Die Erfindung betrifft eine Motorhaube aus Kunststoffmaterial für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Motorhaube aus Kunststoffmaterial.
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Heutzutage sind Motorhauben von Kraftfahrzeugen üblicherweise aus Stahl- oder Aluminiumblechen geformt. Vereinzelt werden als Material auch kohlenstofffaserverstärkte Duroplaste eingesetzt. Dabei besteht unter Anderem das Bestreben, Motorhauben so leicht wie möglich auszubilden, um durch ein geringes Gewicht des gesamten Fahrzeugs die Emissionen und den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Darüber hinaus können leichtgewichtige Motorhauben auch die Fahrzeugdynamik verbessern, indem das Gewicht hoch oberhalb der Aufhängung und weit vorne am Fahrzeug reduziert wird.
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Neben dem Gewicht haben aber auch andere Anforderungen Einfluss auf die Gestaltung von Motorhauben. Dazu gehören insbesondere lokale und allgemeine Anforderungen an die Steifigkeit der Motorhaube, um bei höheren Geschwindigkeiten Vibrationen zu vermeiden. Auch eine Verformung der Motorhaube bei Hagelschlag oder beim Polieren der Motorhaube gilt es zu verhindern. Dabei müssen diese Anforderungen jedoch stets im Einklang mit der Fußgängersicherheit stehen. Um das Verletzungsrisiko zu reduzieren, sollten Motorhauben bei einem Aufprallunfall mit einem Fußgänger daher Energie absorbieren.
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Ferner umfasst eine Motorhaube auch zusätzliche Komponenten wie Dichtungen, Gelenke, Wasserdüsen und Luftkanäle. Diese zusätzlichen Komponenten erfordern zusätzliche Befestigungspunkte, wobei diese das Gewicht der Motorhaube und die Montagezeit für die Herstellung einer Motorhaube erhöhen. Um zusätzliche Funktionskomponenten an einer Motorhaube möglichst leichtgewichtig auszubilden, schlägt beispielsweise die
DE 10 2013 016 578 A1 vor, eine Luftansaugleitung mit einem Faserverbundelement zu versehen, welches aus einem luftdurchlässigen Faserverbundmaterial besteht. Ein solches Element hat ferner den Vorteil, dass Luft auch bei einer verstopften Einlassöffnung in die Luftleitung eindringen kann. Ferner ist das Faserverbundelement leicht verformbar, so dass es bei einem Aufprall zurücktreten kann. Hierdurch soll ein Beitrag zum Fußgängerschutz geleistet werden.
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Auch aus der
EP 1 614 590 A2 ist eine Motorhaube bekannt, die wenigstens bereichsweise als Fußgängerschutz ausgelegt ist, indem unter der Deckhaut ein elastischer Luftführungskanal angeordnet ist. Die
EP 2 664 445 A1 offenbart hingegen eine Mehrschichtverbundstruktur für ein Fahrzeug, die durch Umformung aus faserverstärktem Kunststoff geformt ist. Die Mehrschichtverbundstruktur ist vorzugsweise schalenförmig ausgebildet und weist wenigstens drei Thermoplastschichten auf, in welche zwei Faserschichten eingebettet sind. Die Mehrschichtverbundstruktur wird hergestellt, indem ein entsprechendes Halbzeug mit den genannten Schichten im warmen Zustand in einem Umformwerkzeug umgeformt wird. Aus einer solchen Mehrschichtverbundstruktur könnte so eine Motorhaube geformt werden.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet der Bereich der Motorhauben mit Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen jedoch noch Raum für Verbesserungen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Verwendung von Faserverbundwerkstoffen eine besonders leichtgewichtige, steife und Energie absorbierende Motorhaube für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Motorhaube mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung der Motorhaube gemäß Anspruch 9 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweils abhängigen Unteransprüche.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Die erfindungsgemäße Motorhaube für ein Kraftfahrzeug besteht wenigstens teilweise aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial. In die Motorhaube können auch Komponenten aus Metall oder anderen Materialien eingebracht sein, aber die wesentliche Grundform der Motorhaube wird aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial gefertigt, in welches lokal wenigstens ein langgestrecktes Verstärkungsband eingebracht ist. Auf diese Weise können die Vorteile eines leichten Bauteils aus Kunststoff genutzt werden, wobei kritische Bereiche geeignet verstärkt sind. Durch das eingebettete Verstärkungsband wird die Motorhaube an den erforderlichen Stellen lokal verstärkt.
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So kann ein leichtgewichtiges Fahrzeugbauteil bereitgestellt werden, mit welchem sich die Emissionen und der Kraftstoffverbrauch eines Kraftfahrzeugs vorteilhaft verringern lassen. Das Bauteil kann dennoch ausreichend steif ausgebildet werden und es kann gezielt so ausgestaltet werden, dass es in typischen Bereichen eines Aufpralls mit einem Fußgänger so nachgibt, dass die Fußgängersicherheit gegenüber Motorhauben aus Metall verbessert werden kann. Das Layout der Verstärkung der Motorhaube kann dabei gezielt auf die jeweils zu erfüllenden Anforderungen ausgerichtet werden. Ferner wird die Herstellungszeit verkürzt, da Montagezeiten zur Anbringung von Funktionskomponenten entfallen.
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Das Kunststoffmaterial ist vorzugsweise aus der Gruppe der Polypropylene (PP), Polyamide (PA), Polycarbonate (PC), Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere (ABS) oder Polyoxymethylene (POM) gewählt. Verwendete Kunststoffmaterialien können mit oder ohne zusätzlichen Füllstoffen eingesetzt werden. Als Füllstoffe können insbesondere Talk, Kohlenstofffasern oder Glasfasern verwendet werden, wobei es sich um kurze oder lange Kohlenstoff- oder Glasfasern handeln kann. Doch auch jegliche andere geeignete Füllstoffe können verwendet werden. Die verwendeten Kunststoffmaterialien können ferner aufgeschäumt werden, wobei chemische und/oder physikalische Aufschäumverfahren eingesetzt werden.
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Bei dem Verstärkungsband handelt es sich um ein unidirektional, bi-axial oder multiaxial faserverstärktes Band. Derartige Bänder werden durch Verbundwerkstoffe auf Basis von thermoplastischen Kunststoffmaterialien gebildet, in die Fasern wie beispielsweise Kohlenstoff- oder Glasfasern eingebracht sind. Dabei ist das thermoplastische Material des Bandes vorzugsweise angepasst an das Kunststoffmaterial, aus welchem die Grundform der Motorhaube gefertigt ist, um eine gute Verbindung zwischen dem Kunststoffmaterial und dem Verstärkungsband zu gewährleisten. Beispielsweise werden identische Kunststoffe verwendet.
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Das Layout und damit der lokale Verlauf des Verstärkungsbandes sind in Abhängigkeit von den gewünschten mechanischen Eigenschaften der resultierenden Motorhaube gewählt. In einer Ausführungsform der Erfindung verläuft das Verstärkungsband beispielsweise entlang des Randes der Motorhaube. Dabei kann es sich insbesondere um ein vollständig umlaufendes Verstärkungsband handeln. Der Abstand zwischen dem Rand und dem Verstärkungsband ist so gewählt, dass das Verstärkungsband möglichst weit außen liegt, jedoch zwischen Rand und Verstärkungsband ausreichend Kunststoffmaterial vorhanden ist, um die Grundform der Motorhaube auszubilden.
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Die Verstärkung des Randes der Motorhaube verhindert eine randseitige Verformung der Motorhaube beispielsweise durch Öffnungs- und Schließvorgänge der Motorhaube. Vorzugsweise wird diese Randverstärkung jedoch ergänzt durch ein oder mehrere quer verlaufende Verstärkungsbänder, d.h. Verstärkungsbänder, die quer zwischen gegenüberliegenden Seiten der Motorhaube verlaufen. So wird auch ein Tordieren bzw. Verwinden der Motorhaube insgesamt verhindert. Dabei müssen diese quer verlaufenden Verstärkungsbänder jedoch nicht vollständig bis zum Rand der Motorhaube reichen, sondern sie können auch innerhalb der Fläche der Motorhaube enden.
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Das optimale Layout an Verstärkungsbändern innerhalb der Motorhaube hängt von den Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften, dem Design der Motorhaube, etc. ab. Dabei kann die Konstruktion rechnergestützt erfolgen, z. B. mittels CAE (computer-aided engineering). Beispielsweise sind alle Verstärkungsbänder miteinander zu einer gitterartigen Struktur verbunden. In einer Ausführungsform der Erfindung verlaufen zusätzlich zu einem umlaufenden Verstärkungsband am Rand der Motorhaube zwei Verstärkungsbänder längs und zwei Verstärkungsbänder quer zur Mittelachse der Motorhaube.
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Die erfindungsgemäße Motorhaube hat ferner den Vorteil, dass verschiedene Funktionselemente einer Motorhaube bereits bei der Herstellung in das Kunststoffmaterial eingebracht und so in die Motorhaube integriert werden können. Dies macht zusätzliche Umform-, Befestigungs- und Fügevorgänge überflüssig. Vorzugsweise wird dabei zur Herstellung der Motorhaube ein Spritzgießverfahren verwendet. Von der Erfindung umfasst ist daher auch ein Verfahren zur Herstellung einer Motorhaube mit den Schritten:
- - Platzieren eines Verstärkungsbandes in einer Spritzgießform;
- - Einbringen von plastifiziertem Kunststoffmaterial in die Spritzgießform unter Druck;
- - Abkühlung des Kunststoffmaterials; und
- - Entnahme der Motorhaube aus der Spritzgießform.
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Mit diesem Verfahren können ein oder mehrere Verstärkungsbänder in das Kunststoffmaterial eingebettet und gleichzeitig durch eine Spritzgießform die Grundform der Motorhaube erzeugt werden. Die Verstärkungsbänder werden umspritzt, und Verstärkungsband und Motorhaube werden bei einer geeigneten Wahl der Materialien fest miteinander verbunden. Funktionselemente der Motorhaube können dann vor der Einbringung von plastifiziertem Kunststoffmaterial ebenfalls in der Spritzgießform platziert und mit Kunststoff umspritzt werden. Die Funktionselemente können ebenfalls aus einem Kunststoff oder einem anderen Material wie Metall gebildet sein. Der Herstellungsprozess des Spritzgießens ermöglicht darüber hinaus die Ausbildung von Durchlässen in der Motorhaube und damit die Einbringung von Komponenten wie Luftkanälen.
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Bei den integrierten Funktionselementen kann es sich um jegliche Funktionselemente handeln, die an einer Motorhaube beispielsweise zur Befestigung von Bauteilen, zur Durchführung von flüssigen Medien, etc. benötigt werden. Funktionselemente können dabei Aussparungen aufweisen, die vom Kunststoffmaterial der Motorhaube gefüllt werden, wodurch die Funktionselemente fest in dem Kunststoff aufgenommen werden. In einer Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens ein Befestigungselement in das Kunststoffmaterial der Motorhaube eingebracht und dort eingespritzt. Ein Befestigungselement kann dazu genutzt werden, um ein Scharniergelenk und/oder einen Haken an der Motorhaube anzubringen, wobei derartige Elemente zum Verschwenken der Motorhaube gegenüber der Karosserie eines Fahrzeugs dienen. Vorzugsweise ist ein solches Befestigungselement mit einem Verstärkungsband verbunden, wobei das Verstärkungsband insbesondere durch das Befestigungselement hindurchgeführt ist. Durch eine Verbindung zwischen Verstärkungsband und Befestigungselement können Kräfte direkt von dem Befestigungselement in die Verstärkungsstruktur der Motorhaube geleitet werden.
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Auch elastische Dichtungen können direkt beim Spritzgießen in die Motorhaube integriert werden. Dies kann durch ein Mehrfachkomponenten-Spritzgießen erfolgen (Multi-material injection molding - MMM). Ferner können auch Anschlagpuffer integriert werden, mit denen die Motorhaube im geschlossenen Zustand aufliegt. Diese Anschlagpuffer befinden sich beispielsweise am Rand der Motorhaube, d.h. im Einbauzustand am Rand des Motorraumes. Darüber hinaus können beim Spritzgießen Sprühdüsen für Frontscheibenwaschanlagen integriert werden. Hierbei ist es vorteilhaft, auch Befestigungsclips zur Anbringung von Schläuchen direkt beim Spritzgießen zu erzeugen.
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Auch Isolationsmaterialien können integriert werden. Hierbei handelt es sich um akustische oder thermische Isolatoren. Durch diese Integration entfallen manuelle Vorgänge zur Anbringung derartiger Isolatoren. Vorzugsweise werden die Isolatoren durch flächige Textilelemente in Form von Matten gebildet, wie sie aus dem Bereich der akustischen und thermischen Isolierung bekannt sind, wobei diese Textilelemente jedoch erfindungsgemäß in das Kunststoffmaterial der Motorhaube eingebracht sind. Bei einem Textilelement handelt es sich beispielsweise um ein Gewebe, ein Vlies und/oder ein Textilprodukt mit gestreckten Fasern. Das Textilelement wird beim Spritzgießen entsprechend so platziert, dass es innerhalb der Motorhaube an geeigneter Stelle eine Isolierung gegen Schall und/oder Wärme bewirken kann. In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Textilelement vor dem Spritzgießen mit einem Verstärkungsband versehen. So können Verstärkung und Isolierung in einem Element kombiniert werden. Ferner erleichtert die Verstärkung die Handhabung und gezielte Platzierung des Textilelementes innerhalb einer Spritzgießform.
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Natürlich soll die Erfindung nicht auf die beschriebene Motorhaube oder das beschriebene Herstellverfahren beschränkt sein. Denkbar sind jegliche Bauteile des Kraftfahrzeugs, also z.B. Fahrzeugtüren, Kofferraumdeckel und/oder Heckklappen gemäß der Erfindung auszuführen und individuell an die Gegebenheiten anzupassen. Bei einem Dachelement z.B. könnten Befestigungselemente für Anschlagpuffer entfallen. Anstelle des bevorzugten Spritzgießverfahrens können auch andere geeignete Herstellungsverfahren gewählt werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Motorhaube mit umlaufenden Verstärkungsband,
- 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Motorhaube mit Verstärkungsband in einer Gitterstruktur,
- 3 eine Motorhaube gemäß 2 mit drei Befestigungselementen,
- 4 eine Motorhaube gemäß 4 mit einer Verbindung der Befestigungselemente zu der Struktur aus Verstärkungsbändern,
- 5 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Motorhaube mit mehreren Anschlagpuffern,
- 6 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Motorhaube mit einem Textilelement,
- 7 eine schematische dreidimensionale Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Motorhaube mit zwei Luftkanälen,
- 8 eine schematische dreidimensionale Ansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Motorhaube mit zwei Luftkanälen, und
- 9 ein Ablaufdiagram zu einem Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Motorhaube.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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Die 1-8 zeigen exemplarisch verschiedene Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Motorhauben, in die verschiedene Funktionselemente integriert bzw. durch Spritzgießen ausgeformt sind. Dabei sind die Darstellungen lediglich schematischer Art, um den möglichen Verlauf von Verstärkungsbändern und die mögliche Anordnung von Funktionselementen aufzuzeigen. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Motorhaube 10 mit einem Verstärkungsband 20. Die Grundform der Motorhaube 10 wird durch Spritzgießen in einer Spritzgießform erzeugt, wobei das Verstärkungsband 20 in das Kunststoffmaterial der Motorhaube 10 eingebettet wird. In 1 ist dieses eingebettete Verstärkungsband 20 durch eine Linie mit größerer Dicke dargestellt.
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Das Verstärkungsband 20 verläuft entlang des Randes 11 der Motorhaube 10, wobei es sich in diesem einfachen Layout um ein vollständig umlaufendes Band handelt. Dabei verläuft das Verstärkungsband 20 bis in die spitzen Ecken der Motorhaube 10, in welcher beim Einbau der Motorhaube 10 am Fahrzeug typischerweise Scharniere zum Verschwenken der Motorhaube 10 vorgesehen werden. In der Ausführungsform der 2 verläuft ein Verstärkungsband 20 hingegen nicht bis in diese Ecken. Dafür bilden ein oder mehrere Verstärkungsbänder 20 eine Gitterstruktur aus. Dabei verläuft das Verstärkungsband 20 auch längs und quer zur Mittelachse 12 der Motorhaube.
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3 zeigt eine solche Motorhaube 10 mit mehreren Befestigungselementen 30, 31 und 32. Die Befestigungselemente 30 und 31 befinden sich in den spitzen Ecken der Motorhaube 10 und diese Befestigungselemente 30, 31 können zur Anbringung von Scharniergelenken genutzt werden, mit denen sich die Motorhaube 10 im Einbauzustand am Fahrzeug verschwenken lässt. Ein drittes Befestigungselement 32 kann zur Anbringung eines Hakens genutzt werden, mit welchem die Motorhaube 10 im geschlossenen Einbauzustand am Fahrzeug gehalten wird. Ein solcher Haken und damit das Befestigungselement 32 ist typischerweise mittig im vorderen Bereich der Motorhaube 10 vorgesehen.
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Die Befestigungselemente 30, 31, 32 sind beispielsweise durch Metallplatten gebildet. In der Ausführungsform der 4 weisen diese Metallplatten Aussparungen auf, durch welche ein Verstärkungsband 20 hindurchgeführt ist. Somit verläuft bei einer gitterartigen Struktur aus Verstärkungsbändern ein Verstärkungsband 20 auch in die spitzen Ecken der Motorhaube 10, um dort durch die beiden Befestigungsplatten 32, 33 geführt zu sein. So werden Kräfte auf daran angebrachte Scharniere direkt über das Verstärkungsband 20 in die Struktur der Motorhaube 10 abgeleitet.
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5 zeigt zusätzlich vier Anschlagpuffer am Rand der Motorhaube 10, die von der Motorhaube 10 abstehen. Von diesen Anschlagpuffern sind zwei mit der gemeinsamen Bezugsziffer 40 gekennzeichnet, während zwei gegenüberliegende Anschlagpuffer mit der Bezugsziffer 41 gekennzeichnet sind. 6 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher ein Textilelement 50 in der beispielhaften Form als Matte als akustischer und/oder thermischer Isolator in das Kunststoffmaterial der Motorhaube 10 integriert ist. Das Textilelement 50 ist an die Form der Motorhaube 10 angepasst und liegt innerhalb eines Rings aus Verstärkungsband 20.
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Der 7 ist eine dreidimensionale Ansicht einer Motorhaube 10 zu entnehmen, in welche zwei Luftkanäle 60 und 61 integriert sind. 8 zeigt eine alternative Ausführungsform mit zwei Lufteinlässen 62 und 63. Diese Luftkanäle sind von außen sichtbar und stehen in Verbindung mit Durchgangsöffnungen in der Motorhaube 10. Sie leiten Luft durch die Motorhaube 10 zum Motor unterhalb der Motorhaube 10. Die Luftkanäle 60, 61, 62, 63 können als Funktionselemente vor dem Spritzgießen in eine Spritzgießform eingebracht werden. Sie können jedoch auch durch eine entsprechende Formgebung der Spritzgießform direkt beim Spritzgießen ausgeformt werden.
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In 9 ist der mögliche Verfahrensablauf bei einem Verfahren zur Herstellung einer Motorhaube nach einer der beschriebenen Ausführungsformen dargestellt. Dabei werden die folgenden Schritte 1 - 7 durchgeführt:
- 1. Öffnen der Spritzgießform
- 2. Platzieren wenigstens eines Verstärkungsbandes und optional weiterer Funktionselemente (z.B. Metalleinsätze, Textilelemente) in der Spritzgießform
- 3. Fixierung des Verstärkungsbandes und optional weiterer Funktionselemente innerhalb der Spritzgießform
- 4. Schließen der Spritzgießform
- 5. Einbringen von plastifiziertem Kunststoffmaterial unter Druck in die Spritzgießform, wobei Verstärkungsband und optional weitere Funktionselemente in das eingebrachte Kunststoffmaterial eingebettet werden; Abkühlen des Bauteils
- 6. Öffnen der Spritzgießform
- 7. Auswurf des fertigen Bauteils
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Im Schritt 5 verschmelzen die Matrix des Verstärkungsbandes und das Kunststoffmaterial zur Ausbildung der Motorhaube miteinander. Vorzugsweise wird hierzu für beide Komponenten das gleiche Material verwendet. Hierdurch kann eine starke stoffschlüssige Verbindung hergestellt werden. Funktionselemente wie Metallplatten werden hingegen durch formschlüssige Verbindung mit dem Kunststoffmaterial verbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Motorhaube
- 11
- Rand
- 12
- Mittellachse
- 20
- Verstärkungsband
- 30, 31, 32, 33, 34, 35
- Befestigungselement
- 40,41
- Anschlagpuffer
- 50
- Textilelement, Matte
- 60, 61, 62, 63
- Luftkanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013016578 A1 [0004]
- EP 1614590 A2 [0005]
- EP 2664445 A1 [0005]
