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Die Erfindung betrifft eine Karosserieverstärkung, welche innerhalb einer Sandwichstruktur angeordnet ist.
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Sandwichstrukturen sind beispielsweise ein Fahrzeugdach oder eine andere Fläche am Fahrzeug, durch welche z.B. Durchführungen gelegt werden müssen, und welche besondere Eigenschaften erfüllen müssen, z.B. ein maximales Gewicht nicht überschreiten dürfen etc. Solche Sandwichstrukturen müssen aber auch häufig eine gewisse Stabilität bzw. Steifigkeit aufweisen, um z.B. im Crashfall bestimmte Vorgaben zu erfüllen.
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Grundsätzlich sind metallische Einleger in z.B. Schaumkernen von Sandwichstrukturen zur Stabilisierung dieser Sandwichstrukturen bekannt. Allerdings sind diese bisher bekannten Einleger optimierungsbedürftig.
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Deshalb ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, eine verbesserte Karosserieverstärkung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Bisher werden keine topologisch optimierten Stahlgussverstärkungen in der mittleren Schicht der Sandwichstruktur eingesetzt. Da es immer wichtiger wird, leichte Strukturen zu bauen, die aber auch vorgegebenen Crash-Anforderungen bzw. Anforderungen bezüglich Steifigkeit und Fahrdynamik genügen, wird auch die Stabilisierung dieser Strukturen immer wichtiger.
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Deshalb wird eine Karosserieverstärkung zur Anordnung innerhalb einer Sandwichstruktur vorgeschlagen, wobei die Sandwichstruktur einen Kern aufweist, der zwischen einer oberen Deckschicht und einer unteren Deckschicht angeordnet ist, und wobei als Karosserieverstärkung eine topologisch optimierte und/oder gewichtsoptimierte Stahlgußstruktur gebildet und innerhalb des Kerns angeordnet ist.
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Vorteilhaft an dieser vorgeschlagenen Karosserieverstärkung ist, dass eine dünnwandige Stahlgußstruktur bereitgestellt wird, deren Struktur genau auf die Anwendung optimiert ist und die entsprechende Verstärkung für die Sandwichstruktur aus oberer und unterer Deckschicht und dazwischenliegendem Kern bereitstellt. Somit kann eine definierte Krafteinleitung von der Stahlgußstruktur in den Materialverbund erfolgen.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Stahlgußstruktur zusätzlich als Knotenbereich zur Anbindung an eine Karosseriestruktur dient. Vorteilhaft erfolgt die Anbindung mittels eines konventionellen warmen Fügetechnikverfahrens. Die Anbindung von Strukturen wie Sandwichstrukturen an eine Stahlstruktur, z.B. eine Karosseriestruktur, erfolgt über sogenannte Knoten bzw. Knotenbereiche.
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Die Karosseriestruktur kann ein Karosserierahmen oder ein anderer Bereich der Fahrzeugkarosserie sein, an welcher eine Sandwichstruktur angebunden werden soll. Durch Bereitstellen der Stahlgußstruktur als Knotenbereich ist die Anbindung an die in der Regel aus Stahl hergestellte Karosseriestruktur einfach, da sich zwei gleichartige Materialien einfacher verbinden lassen als zwei unterschiedliche Materialien. Somit können konventionelle Fügetechniken verwendet werden, insbesondere warme Fügetechniken wie Schweißen. Aber die Anbindung kann auch durch Verschrauben, Nieten oder andere mechanische Verbindungsmethoden erfolgen.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass sich die Stahlgußstruktur zweidimensional und/oder dreidimensional innerhalb des Kerns erstreckt und/oder verzweigt. Vorteilhaft ist die Stahlgußstruktur eines aus oder eine Kombination aus nachfolgenden Formen: von einem Anfangsort ausgehende multidirektionale Ausläufer, von einem Anfangsort ausgehende Wurzelstruktur, Struktur ohne geometrische Regelmäßigkeit. Als Anfangsort kann ein Knoten dienen, aber auch jeder andere Ort, von dem aus sich die Struktur erstreckt.
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Durch die Möglichkeit des Stahlgießens können unterschiedlichste Strukturen bereitgestellt werden, welche sich sowohl lediglich zweidimensional als auch dreidimensional und vor allem auch ohne geometrische Regelmäßigkeit, aber genau auf die vorgesehene Anwendung optimiert, erstrecken oder verzweigen. Somit kann die Verstärkung genau an den Bereichen der Sandwichstruktur erfolgen, an denen sie aufgrund der Art der Anwendung und der deshalb zu erwartenden möglichen auftretenden bzw. darauf einwirkenden Kräfte besonders vorteilhaft ist.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Stahlgußstruktur zumindest teilweise in den Kern eingebettet ist. Das heißt, dass die Stahlgußstruktur zumindest teilweise vom Kern umgeben ist, d.h. nicht direkt mit der oberen bzw. unteren Deckschicht in Kontakt steht. Sie kann auch vollständig im Kern eingebettet sein und damit keine Anbindung zur Deckschickt aufweisen. Insbesondere wenn die Stahlgußstruktur als Knoten dient, kann es je nach verwendetem Material des Kerns und/oder des Deckmaterials vorteilhaft sein, wenn der Knoten vom Kern umgeben ist, also darin eingebettet ist. Wenn der Knoten in einem Kern aus zu schäumendem Material eingebettet sein soll, sollte ein Abstand zwischen dem Kern und den Deckschichten aufgrund des Schäumverhaltens des Kerns bestehen.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Stahlgußstruktur lokal an die obere Deckschicht und/oder an die untere Deckschicht angebunden ist. Somit kann eine Krafteinleitung direkt in die entsprechende Deckschicht erfolgen, welche in der Regel als stabile Schicht z.B. aus Aluminium, CFK oder auch Stahl gebildet ist.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Optimierung mittels eines computergestützten Verfahrens derart erfolgt, dass abhängig von der Art der Sandwichstruktur, also deren Aufbau, und dem Ort, an dem die Sandwichstruktur angeordnet ist, sowie einem oder mehreren anzunehmenden Lastfällen eine Bestimmung erfolgt, welche Kräfte auf die Sandwichstruktur und die Karosserieverstärkung wirken können. Daraus wird eine topologisch optimierte und/oder gewichtsoptimierte Stahlgußstruktur ermittelt. Durch die computergestützte Optimierung können komplexere und genauere Strukturen zur Verstärkung ermittelt werden als durch manuelle Berechnungen, Tests oder Erfahrungswerte. Auch können komplexere Kraftverhältnisse berücksichtigt werden, so dass die Stahlgußstruktur genau auf die zu erwartenden Kräfte optimiert werden kann.
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Des Weiteren ist eine Karosseriestruktur mit daran angebundener, beschriebener Karosserieverstärkung vorgesehen.
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Des Weiteren ist ein Verfahren zur Bereitstellung einer topologisch optimierten und/oder gewichtsoptimierten Stahlgußstruktur zur Karosserieverstärkung vorgesehen, wobei abhängig von der Art der Karosseriestruktur und der Karosserieverstärkung, sowie einem oder mehreren anzunehmenden Lastfällen eine Bestimmung erfolgt, welche Kräfte auf die Sandwichstruktur und die Karosserieverstärkung wirken können und daraus eine topologisch optimierte und/oder gewichtsoptimierte Stahlgußstruktur ermittelt wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
- 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die nachfolgend beschriebene und in 1 und 2 in alternativen Ausführungen gezeigte Karosserieverstärkung innerhalb einer Sandwichstruktur dient zur Verstärkung dieser Sandwichstrukturen im Fahrzeug. Das Fahrzeug kann z.B. ein PKW oder ein LKW, aber auch ein anderes Fahrzeug sein, bei dem eine Sandwichstruktur zur Anbindung ein eine Karosseriestruktur vorgesehen sein kann. Solche Sandwichstrukturen sind Strukturen, die aus einer oberen Deckschicht 1 und einer unteren Deckschicht 2 sowie einem dazwischen liegenden bzw. angeordneten Kern 3 bestehen.
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Sandwichstrukturen sind an die Karosseriestruktur 4, welche in der Regel eine Stahlstruktur ist, über sogenannte Knoten 34 mit entsprechenden Verfahren zur Anbindung befestigte bzw. angebundene Karosseriebauteile wie ein Dach, Seitenteile oder andere flächige Teile eines Fahrzeugs, wie bereits beschrieben. Diese Anbindung wird durch das Bereitstellen der Stahlgußstruktur 10 mit zusätzlicher Funktion als Knoten 34 deutlich erleichtert, da zwei gleichartige Materialien miteinander verbunden werden können, wie bereits beschrieben.
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Das Grundkonzept der Erfindung ist es, eine topologisch optimierte und/oder gewichtsoptimierte Stahlgußstruktur 10 bereitzustellen, welche eine für die Anwendung optimierte Krafteinleitung in den Kern 3 der Sandwichstruktur und bei Bedarf auch zusätzlich eine Krafteinleitung in die obere oder die untere Deckschicht 1 bzw. 2 ermöglicht. Da der Kern 3 einer Sandwichstruktur eine vorgegebene Dicke D von maximal wenigen Zentimetern aufweist und die Stahlgußstruktur 10 zumindest großteils dünner als die Dicke D des Kerns 3 sein muss, ist es nötig, die Stahlgußstruktur 10 sehr dünn herzustellen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Stahlgußstruktur 10 zumindest in Teilbereichen in den Kern 3 eingebettet sein soll, also der Kern 3 auch noch zwischen Stahlgußstruktur 10 und oberer oder unterer Deckschicht 1 bzw. 2 vorhanden sein soll. Das Verfahren, eine dünnwandige Stahlgußstruktur 10 herzustellen, ist bereits bekannt und wird deshalb hier nicht genauer beschrieben.
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In 1 und 2 sind alternative Ausführungen einer Stahlgußstruktur 10 gezeigt. 1 zeigt eine an dem bzw. den Knoten 34 als Anfangsort beginnende sternförmige Ausbreitung. Die hier gezeigte Ausbreitung ist regelmäßig, kann aber auch unregelmäßig sein. 1 zeigt eine an dem bzw. den Knoten 34 als Anfangsort beginnende wurzelartige Ausbreitung, d.h. eine unregelmäßige Ausbreitung. Beide Stahlgußstrukturen 10 breiten sich in diesen Ausführungen von einem Knoten 34 in Richtung Innenbereich des Kerns 3 aus. Allerdings können die Stahlgußstrukturen 10 auch nicht als Knoten 34 dienen und von den Rändern des Kerns 3 beabstandet im Kern 3 angeordnet sein. Die Stahlgußstruktur 10 kann sowohl zweidimensional sein, als auch dreidimensional, d.h. dass Teile der Stahlgußstruktur 10 dünner sind als andere oder sich nach oben oder unten erstrecken, während andere dies nicht tun.
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Ferner kann die Stahlgußstruktur 10 auch mit Teilen davon an der oberen und/oder der unteren Deckschicht 1 bzw. 2 angebunden sein, um eine verbesserte Krafteinleitung nicht nur in den Kern 3, sondern auch in die obere bzw. untere Deckschicht 1 bzw. 2 zu ermöglichen. Die Anbindung des Knotens 34 erfolgt über konventionelle Fügeverfahren bzw. Fügemethoden, wie bereits beschrieben.
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Zur Bestimmung der Form der Stahlgußstruktur 10 wird vorteilhaft ein computergestütztes Verfahren angewendet. Hier werden abhängig von der Karosseriestruktur 4 und der Art und dem Anbringungsort der Sandwichstruktur sowie den zu erwartenden Lastfällen die auf die Anordnung einwirkenden Kräfte bestimmt. Abhängig davon erfolgt eine topologische Optimierung und/oder eine Gewichtsoptimierung, so dass eine für den jeweiligen Anwendungsfall optimale Stahlgußstruktur 10 bestimmt wird. Diese kann dann in einem entsprechenden Verfahren hergestellt werden. Entsprechende Optimierungsverfahren sind bereits bekannt und werden hier nicht weiter ausgeführt.
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Durch die vorgeschlagene Stahlgußstruktur 10 kann mit wenig Material eine große Lastaufnahme erfolgen, da Stahl auch als dünne Ausführung sehr gute mechanische Eigenschaften, insbesondere Stabilität, aufweist.
