DE102019202745A1

DE102019202745A1 - Strukturbauteil für einen Fahrgestellrahmen und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102019202745A1
Application number: DE102019202745.8A
Authority: DE
Inventors: Evelyn Osterwald; Christoph Osterwald; Vicky Rosenmeyer; Christopher Walczak; Stefan Wolf
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2019-02-28
Filing date: 2019-02-28
Publication date: 2020-09-03
Also published as: WO2020173690A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil für einen Fahrgestellrahmen eines Fahrzeuges, insbesondere in Form eines Querträgers, in das ein Speicherbehälter integriert ist und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Es ist vorgesehen, dass die Mantelfläche des Speicherbehälters zumindest teilweise mit einem Verbindungselement, das als Faserverbundlaminat ausgeführt ist, umhüllt wird und das Strukturbauteil zusätzlich zumindest bereichsweise verklebt wird.Zur Herstellung des Strukturbauteils werden mindestens ein Flanschende mit einer Flanschaufnahme und ein Speicherbehälter vorgefertigt. Der Speicherbehälter wird endseitig lose von der mindestens einen Flanschaufnahme aufgenommen und mit dieser verklebt. Dazu ist es erforderlich, dass in dem Verbindungsbereich, in dem die Klebeverbindung ausgebildet werden soll, auf Seiten der Flanschaufnahme mindestens eine Nut zur Aufnahme eines Klebstoffes, und auf Seiten des Verbindungselements mindestens eine Injektionsöffnung, die mit der Nut korrespondiert, vorgesehen sind beziehungsweise eingebracht werden. Nach dem Zusammenfügen aller Bauteile kann der Klebstoff durch die mindestens eine Injektionsöffnung in die mindestens eine Nut eingebracht und ausgehärtet werden. Dabei entsteht eine direkte feste Verbindung zwischen Flanschende und Verbindungselement und daraus resultierend eine indirekte feste Verbindung zwischen Flanschaufnahme und Speicherbehälter.

Description

Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil für einen Fahrgestellrahmen eines Fahrzeuges mit mindestens einem Flanschende zur Befestigung des Strukturbauteils am Fahrgestellrahmen, und einem Speicherbehälter. Der Speicherbehälter ist über ein Verbindungselement mit dem mindestens einen Flanschende verbunden, wobei ein Verbindungsbereich zwischen diesen Elementen ausgebildet wird. In diesem Verbindungselement ist mindestens eine Injektionsöffnung und an dem Flanschende mindestens eine Nut zur Ausbildung einer Klebverbindung vorgesehen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Strukturbauteils.
Fahrgestellrahmen für Fahrzeuge, insbesondere Lastfahrzeuge, weisen üblicherweise zwei Längsträger und mehrere Querträger auf. Typischerweise sind diese aus Stahlbauteilen gefertigt. Im Zuge der zunehmenden Entwicklung hin zu Fahrzeugen mit einem geringeren Treibstoffverbrauch und einem geringeren CO₂-Ausstoß wurden Querträger bekannt, die aus Materialkombinationen, beispielsweise aus Stahlbauteilen und Faserverbundlaminaten, hergestellt werden.
Auch wurde eine Funktionsintegration angestrebt. Zu diesem Zweck wurden unter anderem Hochdrucktanks in die Querträger von Fahrgestellrahmen integriert. Dazu sei auf die Druckschrift DE 10 2017 106 024 A1 verwiesen. In dieser Schrift wurde ein Strukturbauteil mit einem integrierten Querträger offenbart, bei dem ein Speicherbehälter von mindestens einem Flanschende aufgenommen und mit diesem mittels eines Faserverbundlaminats verbunden wird. Nach dem Laminieren des Strukturbauteils muss dieses in seiner Gesamtheit bei hohen Temperaturen aushärten. Dabei wird in diesem Verfahrensschritt ein spannungsfreier Zustand erreicht. Durch die verschiedenen eingesetzten Materialien in solchen Strukturbauteilen kommt es beim Abkühlen auf Raumtemperatur oder darunter in den Grenzschichten der Fügepartner aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu Spannungen, so dass Schädigungen auftreten können. In der Folge können keine Lasten mehr übertragen werden und bei ungünstiger Auslegung des Bauteils können diese Schädigungen zu einem Versagen der Bauteile führen.
Die aus den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten resultierenden Spannungen sind insbesondere dann vorhanden, wenn die Fügepartner zusätzlich zu der Verbindung mittels Faserverbundlaminat ganz oder teilweise mit einer Klebeverbindung gefügt sind. Nach dem Fügen der einzelnen Bauteile zu einem Strukturbauteil mittels eines Faserverbundlaminats in Kombination mit einer Klebeverbindung erfährt der Verbund zum Aushärten über eine gewisse Zeit hohe Temperaturen. Dabei härtet das Laminat aus und der Klebstoff vernetzt sich vollständig. Bei dieser hohen Temperatur herrscht Spannungsfreiheit in dem so gebildeten Strukturbauteil. Bei der Abkühlung des Strukturbauteils auf Raumtemperatur oder darunter bilden sich in den Grenzschichten und in der Klebeschicht der Fügepartner Spannungen aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Wie schon beschrieben, kann dies zu Störungen bei der Übertragung von Lasten bis hin zum Versagen des gesamten Strukturbauteils führen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Strukturbauteil und ein Verfahren zu seiner Herstellung vorzuschlagen, das eine Funktionsintegration sowie die Verwendung verschiedener Werkstoffe und Fügetechniken erlaubt und dabei die Schädigungen durch die genannten Spannungen vermeidet.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit dem in Anspruch 1 offenbarten Strukturbauteil und dem in Anspruch 7 offenbarten Verfahren gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß weist ein Strukturbauteil für einen Fahrgestellrahmen eines Fahrzeuges mindestens ein Flanschende und einen Speicherbehälter auf. Dabei ist das Flanschende zur Befestigung des Strukturbauteils an dem Fahrgestellrahmen ausgebildet.
Der Speicherbehälter ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ein Liner, also ein Hohlkörper, der ein Medium aufnehmen, beinhalten und abgeben kann. Ein Speicherbehälter weist üblicherweise mindestens ein Ende auf, an dem oder durch welches er in eine dafür vorgesehene Aufnahme platziert werden kann. Beispielsweise weist ein solcher Speicherbehälter eine konvexe Innenform und eine insgesamt lang gezogene Außenkontur auf, so dass die beiden Stirnseiten der so gebildeten Form des Speicherbehälters die jeweiligen Enden bilden.
Das mindestens eine Flanschende weist eine Flanschaufnahme auf, die den Speicherbehälter endseitig lose aufnimmt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist also folglich mindestens eine Flanschaufnahme auf, weswegen diese Formulierung im folgenden Text auch gleichbedeutend verwendet wird. Demnach wird der Speicherbehälter endseitig in die mindestens eine Flanschaufnahme eingesetzt, eingesteckt oder anderweitig darin platziert. Dabei wird lediglich ein Formschluss, jedoch keine kraft- oder stoffschlüssige Verbindung erreicht.
Der Speicherbehälter ist entlang seiner Mantelfläche zumindest teilweise mit einem als Faserverbundlaminat ausgeführten Verbindungselement umhüllt, welches die Flanschaufnahme des mindestens einen Flanschendes in einem Verbindungsbereich zumindest teilweise umgreift. Unter Faserverbundlaminat soll dabei ein Faserkunststoffverbund aus einer Kunststoffmatrix als Bettungsmasse und in der Bettungsmasse einliegende Verstärkungsfasern, insbesondere Kohlenstofffasern, verstanden werden. Das dazu verwendete Verfahren wird üblicherweise auch als Nasswickelverfahren bezeichnet.
Durch das zumindest teilweise Umhüllen, also das Umwickeln zumindest eines Teilbereiches der Mantelfläche des Speicherbehälters mit den Verstärkungsfasern, wird das Verbindungselement ausgebildet. Es wird dabei so ausgebildet oder ausgestaltet, dass es beim Einsetzen des Speicherbehälters in die mindestens eine Flanschaufnahme diese zumindest teilweise umgreift, in anderen Worten überlappt. Dieser Bereich, in dem die Überlappung beziehungsweise das Umgreifen erreicht ist, wird nachfolgend als Verbindungsbereich bezeichnet. Durch die Ausbildung des Verbindungselements als Faserverbundlaminat ist die Ausgestaltung der Form des Speicherbehälters nicht auf kreiszylindrische Geometrien beschränkt, sondern kann frei gewählt werden.
Alternativ zur Ausbildung des Faserverbundlaminats mit einer Kunststoffmatrix als Bettungsmasse und in der Bettungsmasse einliegende Verstärkungsfasern, kann die Mantelfläche des Speicherbehälters auch mittels RTM-Verfahren (Abkürzung englisch: Resin Transfer Molding) ganz oder teilweise umhüllt werden. Dies ist ein Harzinjektionsverfahren, bei dem Verstärkungsfasern, insbesondere Kohlenstofffasern, aufgebracht und erst im Nachhinein imprägniert werden. Dabei wird für die Bildung des Faserkunststoffverbunds mit einer Kunststoffmatrix aus einem duroplastischen Kunststoff als Bettungsmasse, wie beispielsweise Polyester, Epoxid- oder Phenolharz, verwendet, in der wiederum Verstärkungsfasern einliegen. Eine weitere Alternative zur Ausbildung des Faserverbundlaminats ist das sogenannte Flechten, bei dem eine nahezu vollständige Ausnutzung der verwendeten Fasern erfolgen kann. Dazu erfolgt die Faserablage um einen formgebenden Kern, der dem Wickelkern des Nasswickelverfahrens entspricht und die Form des herzustellenden Bauteils vorgibt. Die Fasern werden dabei so um den formgebenden Kern gelegt beziehungsweise geflochten, dass sie die Kontur des herzustellenden Bauteils bilden, wobei weder Falten noch Löcher in dem zu fertigenden Geflecht entstehen. Anschließend erfolgt die Injektion der Fasern, beispielsweise mit einem Epoxydharz.
Noch eine weitere Alternative zur Fertigung des Verbindungselementes, insbesondere wenn kein Speicherbehälter benötigt wird, oder aber wenn das Faserverbundlaminat mit einem gleichbleibenden Querschnitt gefertigt werden soll, ist das Pultrusionsverfahren, also ein Strangziehverfahren zur Herstellung des Faserverbundlaminats.
In dem Verbindungsbereich ist an der dem Verbindungselement zugewandten Oberfläche der mindestens einen Flanschaufnahme mindestens eine Nut zur Aufnahme eines Klebstoffes vorgesehen. Im Verbindungsbereich ist in das Verbindungselement korrespondierend zu der mindestens einen Nut mindestens eine Injektionsöffnung eingebracht. Es ist also vorgesehen, das in dem Verbindungsbereich in das Verbindungselement mindestens eine Injektionsöffnung eingebracht ist, und ebenfalls im Verbindungsbereich an der dem Verbindungselement zugewandten Oberfläche der mindestens einen Flanschaufnahme mindestens eine Nut vorgesehen ist. Dabei sollen die mindestens eine Injektionsöffnung und die mindestens eine Nut zueinander korrespondieren, also so angeordnet, sein, dass durch die mindestens eine Injektionsöffnung ein Klebstoff in die mindestens eine Nut eingebracht werden kann. Es können auch mehrere Injektionsöffnungen in das Verbindungselement eingebracht sein, die alle mit ein und derselben Nut korrespondieren. Es können auch mehrere Nuten in einem Verbindungsbereich vorgesehen werden, die jeweils mit einer oder mehreren Injektionsöffnungen korrespondieren.
Durch die mindestens eine Injektionsöffnung ist der Klebstoff in die mindestens eine Nut eingebracht und ausgehärtet, so dass das Verbindungselement fest mit dem mindestens einen Flanschende und somit der Speicherbehälter indirekt fest mit der mindestens einen Flanschaufnahme verbunden ist. In einem erfindungsgemäßen Querträger ist also mittels eines Klebstoffes, der durch mindestens eine Injektionsöffnung in mindestens eine Nut injiziert und dort ausgehärtet wurde, das Verbindungselement fest mit dem mindestens einen Flanschende verbunden, also verklebt. Infolge dieser festen Verbindung ist gleichzeitig der Speicherbehälter indirekt fest mit der Flanschaufnahme verbunden. Der Speicherbehälter ist also lagefest in dem Strukturbauteil angeordnet, aber nicht direkt fest mit der Flanschaufnahme verbunden, sie sind indirekt über das Verbindungselement und die Klebeverbindung verbunden. Dadurch kann sich der Speicherbehälter im Rahmen des zur Verfügung stehenden Zwischenraumes zwischen der Innenfläche des Faserverbundlaminates und seiner Außenfläche bei Temperaturverringerung zusammenziehen und bei einer Temperaturerhöhung ausdehnen.
Das erfindungsgemäße Strukturbauteil und der darin angeordneten Speicherbehälter bilden in ihrer Gesamtheit einen Drucktank. Der Speicherbehälter sollte dabei so ausgewählt sein, dass der ein Medium aufnehmen kann, und bevorzugt an mindestens einem seiner Enden mindestens eine Öffnung zum Einbringen und/oder Entnehmen eines Mediums aufweisen, die mit einer entsprechenden Öffnung in dem zugehörigen Flanschende korrespondiert. Bei dem Medium kann es sich um unter Druck stehende Luft, aber auch andere gasförmige oder flüssige Medien handeln.
In dem erfindungsgemäßen Strukturbauteil stellt der Speicherbehälter eine Dichtschicht dar, während das den Speicherbehälter umhüllende Verbindungselement bei einer Befüllung des Speicherelements mit einem Medium die Drucklasten beziehungsweise die Masselasten aufnimmt. Gleichzeitig kann der Speicherbehälter während der Herstellung des Strukturbauteils als Hüllkern beim Aufbringen des Faserverbundlaminats dienen, wie im Folgenden noch ausgeführt wird.
Der Speicherbehälter kann beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial, insbesondere einem thermoplastischen Kunststoff, besonders bevorzugt aus Polyethylen, Polyamid oder Polyoxymethylen gefertigt sein. Das Flanschende des Strukturbauteiles kann aus einem oder mehreren Leichtbaumaterial/ien, wie beispielweise aus Aluminium, gefertigt sein. In Kombination mit dem als Faserverbundlaminat ausgebildeten Verbindungselement wird ein sehr geringes Gewicht erreicht, so dass ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil auch in seiner Gesamtheit nur ein geringes Gewicht aufweist.
Durch die Funktionsintegration des Speicherbehälters in einem Strukturbauteil kann vorteilhafterweise Bauraum geschaffen werden, der zuvor außerhalb des Strukturbauteils gefunden werden musste. Gleichzeitig weist das Strukturbauteil die notwendige Stabilität und Festigkeit auf, während sie gleichzeitig ein geringes Gewicht aufweist.
In einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Innenkontur der Flanschaufnahme des mindestens einen Flanschendes eine der Außenkontur des Speicherbehälters korrespondierende Form aufweist. Die Innenkontur der Flanschaufnahme sollte also so geformt sein, dass sie der Außenkontur des aufzunehmenden Speicherbehälters entspricht und beim Positionieren, also Einsetzen oder Einstecken des Speicherbehälters in die Flanschaufnahme ein Formschluss bewirkt wird. Beispielsweise kann die Flanschaufnahme schalenartig ausgebildet sein, und die Außenkontur eines Endes des Speicherbehälters dazu korrespondierend, also zum Beispiel kappenartig, ausgebildet sein.
In einer nächsten bevorzugten Ausführungsform ist der Klebstoff, der durch die mindestens eine Injektionsöffnung in die mindestens eine Nut injiziert wird, auf Acrylatbasis, Epoxydharzbasis und/oder Polyurethanbasis gebildet. Der Klebstoff soll also im Wesentlichen mit Acrylaten, Epoxidharzen und/oder Polyurethan gebildet sein. So bieten sich für das Kleben von Metallen mit beschichteten Oberflächen und Kunststoffen beispielsweise reaktive, zweikomponentige Klebstoffe aus Acrylatbasis an. Epoxydharzklebstoffe weisen höchste Festigkeiten auf. Polyurethanklebstoffe sind geeignet, um größere Flächen unterschiedlichster Materialien zu verkleben, vor allem auch bei Bauteilen, die dauerhaft oder temporär Vibrationen ausgesetzt sind.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine Nut um die Flanschaufnahme umlaufend ausgebildet ist. Darunter soll verstanden werden, dass die Nut im Verbindungsbereich vorzugsweise durchgehend entlang der gesamten, dem Verbindungselement zugewandten Oberfläche der Flanschaufnahme ausgebildet ist. Ist zum Beispiel die Flanschaufnahme rotationssymmetrisch ausgebildet, wird die Nut in dieser bevorzugten Ausgestaltung entlang des gesamtem Umfangs auf der der Verbindungselement zugewandten Oberfläche der Flanschaufnahme herumgeführt und bildet damit einen umlaufenden Ring um die Flanschaufnahme.
In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt die Breite der mindestens einen Nut etwa 60 % bis 95 % der Breite des Verbindungsbereiches. Der Überlappungsbereich zwischen der mindestens einen Flanschaufnahme und dem Verbindungselement bildet den Verbindungsbereich. Das Maß, um welches das Verbindungselement die Flanschaufnahme überlappt, soll als Breite des Verbindungsbereiches bezeichnet werden. Daraus folgend soll die Breite der Nut dieselbe Orientierung aufweisen, und den Bereich bezeichnen, der innerhalb dieses Verbindungsbereiches und in der gleichen Richtung wie die Breite des Verbindungsbereiches das Maß der Nut angibt.
Um eine möglichst haltbare und langlebige Klebeverbindung herzustellen und zu gewährleisten, ist die Breite der Nut an die geometrischen Gegebenheiten und die auftretenden Belastungen angepasst. So muss die Breite der Nut, aber auch deren Länge und Tiefe an die jeweiligen Gegebenheiten angepasst werden. Um die gewünschte Stabilität und Gebrauchstauglichkeit zu erreichen, sollte die Breite der Nut im Bereich von etwa 60 % bis 95 % er Breite des Verbindungsbereiches liegen. Die geometrischen Maße der Nut können gegebenenfalls reduziert beziehungsweise angepasst werden, wenn mehr als eine Nut in/an einer Flanschaufnahme vorgesehen ist.
Um die mindestens eine Nut zu befüllen, muss mindestens eine Injektionsöffnung in dem Verbindungsbereich des Verbindungselements vorgesehen sein, die mit der mindestens einen Nut korrespondiert. In Abhängigkeit vom geometrischen Verlauf der Nut auf oder entlang der mindestens einen Flanschaufnahme sowie ihrer geometrischen Maße kann auch die Anzahl der Injektionsöffnungen variieren und situationsadäquat angepasst werden.
In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Strukturbauteil als Querträger in einem Fahrgestellrahmen ausgebildet, der zwei Flanschenden mit jeweils einer Flanschaufnahme aufweist, die den Speicherbehälter endseitig lose aufnehmen. In anderen Worten, das Strukturbauteil in seiner Gesamtheit soll als Querträger in einem Fahrgestellrahmen in einem Fahrzeug angeordnet werden und wird zu diesem Zweck ausgebildet. Dabei weist es zwei Flanschenden auf, die jeweils wiederum eine Flanschaufnahme aufweisen. Der Speicherbehälter wird zwischen den beiden Flanschaufnahmen angeordnet, wobei diese den Speicherbehälter an seinen jeweiligen Enden lose, also nur mittels Formschluss aufnehmen. Dazu wird der Speicherbehälter, dessen Ende in seiner Außenkontur den Innenkonturen der Flanschaufnahmen entsprechen, in diese eingesetzt. An jedem der beiden Flanschenden ist damit ein Verbindungsbereich zwischen der jeweiligen Flanschaufnahme und dem Verbindungselement ausgebildet, in dem je eine Flanschaufnahme zumindest teilweise von dem Verbindungselement umgriffen beziehungsweise überlappt wird.
In jedem der beiden Verbindungsbereiche weist in die jeweilige Flanschaufnahme mindestens eine Nut an der dem Verbindungselement zugewandten Oberfläche auf, und in dem Verbindungselement ist jeweils im Verbindungsbereich korrespondierend zu der jeweils mindestens einen Nut mindestens eine Injektionsöffnung eingebracht. In jedem Ende des Speicherbehälters ist damit ein Flanschende mit einer Flanschaufnahme angeordnet, und in jeder der beiden Flanschaufnahmen ist mindestens eine Nut vorgesehen und jeweils passend dazu ist in den Verbindungsbereichen jeweils mindestens eine Injektionsöffnung in das Verbindungselement eingebracht. Damit wird erreicht, dass das Verbindungselement nach dem Injizieren und Aushärten des Klebstoffes fest mit beiden Flanschenden verbunden ist und damit der Speicherbehälter indirekt fest mit den beiden Flanschaufnahmen verbunden ist. Das so gebildete Strukturbauteil kann nun als Querträger zwischen den Längsträgern eines Fahrgestellrahmens eines Fahrzeuges eingebaut werden, wobei die auf die Flanschenden einwirkenden Kräfte vorteilhafterweise über das Verbindungselement übertragen werden, während der Speicherbehälter das aufzunehmende Medium speichert und dabei dichtende Funktion übernimmt.
Das erfindungsgemäße Strukturbauteil wird mit einem Verfahren mit mindestens den folgenden Schritten ausgeführt:

a) Fertigen mindestens einen Flanschendes mit einer Flanschaufnahme, wobei die Flanschaufnahme mindestens eine Nut aufweist,
b) Fertigen eines Speicherbehälters und
c) Umhüllen der Mantelfläche des Speicherbehälters zumindest teilweise mit dem einen Verbindungselement aus einem Faserverbundlaminat und Aushärten des Faserverbundlaminats, und
d) Einbringen mindestens einer Injektionsöffnung in einen Verbindungsbereich des Verbindungselements mit der Flanschaufnahme, und
e) Einstecken des Speicherbehälters in die mindestens eine Flanschaufnahme, so dass die Flanschaufnahme den Speicherbehälter endseitig lose aufnimmt und die mindestens eine Injektionsöffnung mit der mindestens einen Nut korrespondiert, und
f) Injizieren eines Klebstoffes durch die mindestens eine Injektionsöffnung in die mindestens eine Nut und Aushärten des Klebstoffes, wodurch das Verbindungselement fest mit dem mindestens einen Flanschende und somit der Speicherbehälter indirekt fest mit der mindestens einen Flanschaufnahme verbunden wird.

Demnach werden als zunächst mindestens ein Flanschende mit einer Flanschaufnahme und der Speicherbehälter gefertigt. Ist der Speicherbehälter fertiggestellt, wird dieser, beziehungsweise seine Mantelfläche, zumindest teilweise mit einem Verbindungselement aus einem Faserverbundlaminat umhüllt, welches ausgehärtet wird. Nach dem Aushärten kann die mindestens eine Injektionsöffnung in den Bereich des Verbindungselements eingebracht werden, der bei dem Zusammenfügen aller Elemente den Verbindungsbereich mit der Flanschaufnahme bilden wird. Dabei sollte die mindestens eine Injektionsöffnung so in das Verbindungselement eingebracht werden, dass sie nach dem Einfügen in die Flanschaufnahme mit der mindestens einen Nut der Flanschaufnahme korrespondiert. Im Anschluss wird der Speicherbehälter in die mindestens eine Flanschaufnahme eingesteckt oder eingesetzt, die den Speicherbehälter endseitig lose aufnimmt. Dabei wird das Flanschende und der mit dem Verbindungselement zumindest teilweise umhüllte Speicherbehälter so zueinander, also relativ zueinander, ausgerichtet, dass die mindestens eine Nut der mindestens einen Flanschaufnahme mit der mindestens einen Injektionsöffnung des Verbindungselements korrespondieren. Nun wird ein Klebstoff durch die mindestens eine Injektionsöffnung in die mindestens eine Nut injiziert und ausgehärtet, wodurch das Verbindungselement fest mit dem mindestens einen Flanschende und somit der Speicherbehälter indirekt fest mit der Flanschaufnahme verbunden wird.
Bei der Herstellung eines Strukturbauteils als Querträger, der in einen Fahrgestellrahmen eines Fahrzeuges eingebaut werden soll, werden daher zwei Flanschenden mit jeweils einer Flanschaufnahme gefertigt, wobei jede dieser Flanschaufnahmen mindestens eine Nut aufweist. In das Verbindungselement werden nach dem Fertigen und Aushärten des Faserverbundlaminats in den beiden sich ergebenden Verbindungsbereichen jeweils mindestens eine Injektionsöffnung eingebracht. Der Speicherbehälter wird nun endseitig in die beiden Flanschaufnahmen eingesteckt und lose von ihnen aufgenommen. Dabei müssen die Flanschenden und der Speicherbehälter so zueinander ausgerichtet werden, dass die mindestens eine Injektionsöffnung je Verbindungsbereich im Verbindungselement zu der jeweils mindestens einen Nut der jeweiligen Flanschaufnahme korrespondiert. Dann kann der Klebstoff in die jeweiligen Injektionsöffnungen eingebracht und ausgehärtet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Umhüllen des Speicherbehälters in einer Wickelvorrichtung, wobei der Speicherbehälter in, auf und/oder zwischen zwei Wickelkernen angeordnet ist. Der Speicherbehälter wird also beispielsweise zwischen zwei Wickelkernen eingesetzt und anschließend im Nasswickelverfahren, wie es weiter oben schon beschrieben ist, zumindest teilweise mit einem Faserverbundlaminat umhüllt und dieses ausgehärtet. Sofern kein Speicherbehälter erforderlich wäre oder der Speicherbehälter keine konvexe Innenform aufweisen muss, kann das Umhüllen alternativ auch auf einem durchgehenden Wickelkern verwirklicht werden. Nach dem Aushärten des Faserverbundlaminats werden die Wickelkerne oder der Wickelkern entfernt.
In einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das den Speicherbehälter umhüllende Verbindungselement nach dem Aushärten zugeschnitten, also für das Zusammenfügen mit der mindestens einen Flanschaufnahme nicht erforderliche oder zu groß gefertigte Bereiche abgetrennt. Auch Anpassungen an besondere geometrische Anforderungen können durch das Zuschneiden realisiert werden, wie beispielsweise Aussparungen.
In noch einer weiteren Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Injizieren und Aushärten des Klebstoffes bei einer Temperatur von gleich oder unterhalb von 40 Grad Celsius, ganz besonders bevorzugt unterhalb von 25 Grad Celsius, durchgeführt. Damit kann das Zusammenfügen des mindestens einen Flanschendes mit dem Speicherbehälter und das Verkleben bei einer Temperatur erfolgen, die annähernd den Temperaturen im späteren Gebrauchszustand entspricht. Dies hat den Vorteil, dass das gefügte und verklebte Strukturbauteil beim Aushärten des Klebstoffes oder danach keine großen Temperaturunterschiede erfährt, die zu Spannungen in den Grenzschichten und/oder der Klebeschicht aufgrund von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten führen, in deren Folge Schädigungen bis hin zum Versagen des Bauteils entstehen könnten. Das sogenannte Spannungsnull beziehungsweise der spannungsarme Zustand des Strukturbauteils kann also auf ein günstigeres Temperaturniveau, insbesondere annähernd auf Raumtemperatur gesenkt werden.
Ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil und das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung dieses Strukturbauteils erlauben eine Funktionsintegration in Form eines Speicherbehälters, der innerhalb eines Strukturbauteils, wie beispielsweise in einem Querträger für einen Fahrgestellrahmen eines Fahrzeuges angeordnet ist, und so Bauraum und gleichzeitig Gewicht zu sparen, und dennoch die Anforderungen an ein solches Strukturbauteil hinsichtlich Stabilität und Festigkeit zu erfüllen.
Durch das zumindest teilweise Umhüllen des Speicherbehälters mit einem Faserverbundlaminat ist eine flexible Gestaltung der Form und Größe des Speicherbehälters möglich. Von besonderem Vorteil ist die Klebeverbindung zwischen dem Verbindungselement und der mindestens einen Flanschaufnahme: zum einen entsteht so eine feste Verbindung zwischen Verbindungselement und Flanschende und gleichzeitig eine indirekte feste Verbindung zwischen Speicherbehälter und Flanschaufnahme, so dass der Speicherbehälter im Rahmen des zur Verfügung stehenden Bauraums sich bei Temperaturerhöhungen ausdehnen und bei Temperaturverringerung zusammenziehen kann. Anderseits kann durch die Ausbildung der Klebeverbindung unabhängig vom Laminieren und Aushärten des Faserverbundlaminats ein Temperaturbereich gewählt werden, bei dem die Gefahr von Schädigungen infolge von Spannungen aus unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, beispielsweise beim Abkühlen des gefügten Strukturbauteils, minimiert oder sogar vermieden werden können.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 einen Fahrgestellrahmen 100 eines Nutzfahrzeugs N in einer perspektivischen Darstellung mit einem als Einzelheit I herausgezogenen Querträger 1, 1' als Strukturbauteil 10 als Stand der Technik,
2 eine Schnittdarstellung eines Querträgers 1, 1' als Strukturbauteil 10 nach dem Stand der Technik,
3 eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils 10 in einem Fertigungsschritt,
4 eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils 10 in einem nächsten Fertigungsschritt,
5 eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils 10 in einem übernächsten Fertigungsschritt,
6 eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils 10 in einem weiteren Fertigungsschritt und
7 eine Schnittdarstellung eines Details A aus 6.

Für die folgende Beschreibung der Figuren soll das in der Kraftfahrzeugindustrie allgemein verwendete Koordinatensystem Anwendung finden, wonach die in Längsrichtung eines Fahrzeuges liegende Richtung mit „x“, die in der Horizontalen quer zur x-Richtung liegende Richtung mit „y“ und die in der Vertikalen quer zur x-Richtung liegende Richtung mit „z“ bezeichnet wird.
1 zeigt einen Fahrgestellrahmen 100 eines Fahrzeuges, insbesondere eines Nutzfahrzeuges N, in einer perspektivischen Ansicht. Außerdem ist eine Einzelheit mit I gekennzeichnet und herausgezogen.
Das Nutzfahrzeug N umfasst mehrere Radachsen Y1, Y2 und Y3, die quer zu den Längsträgern 2 des Fahrgestellrahmens 100 angeordnet sind. Zudem weist der Fahrgestellrahmen 100 mehrere Querträger 1,1' auf, wobei mindestens ein Querträger 1,1' parallel zu einer Radachse Y2, Y3 zumindest nahe einer Achsaufhängung angeordnet ist.
Die herausgezogene Einzelheit I zeigt einen Querträger 1, 1', in dessen achsialer Verlängerung in y-Richtung die Achsaufhängung 3 ausgebildet ist. Der mit 1' bezeichnete Querträger ist ohne Achsaufhängung 3 ausgebildet. Ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil 10 kann als Querträger 1, 1' für einen solchen Fahrgestellrahmen 100 ausgebildet und mit oder ohne Achsaufhängung 3 ausgebildet sein.
Der in 1 dargestellte Querträger 1,1' kann einteilig aus Gusseisen oder als Stahlkonstruktion ausgebildet sein.
Um die Fahrzeuge leichter zu gestalten, Bauraum zu schaffen und gleichzeitig CO₂-Emissionen einzusparen, wurden im Stand der Technik Querträger 1, 1' als Strukturbauteile 10 mit integriertem Speicherbehälter 10E bekannt, wie ein solcher in 2 beispielhaft dargestellt ist. Das in einem Schnitt gezeigte Strukturbauteil 10 weist einen Speicherbehälter 10E und zwei Flanschenden 10A mit jeweils einer Flanschaufnahme 10A-2 auf. Der Speicherbehälter 10E und die Flanschenden 10A sind über ein Verbindungselement 10B, das als Faserverbundlaminat ausgebildet ist, zumindest teilweise umhüllt. Die Ausbildung des Faserverbundlaminats erfolgt dabei in Nasswickelverfahren, wobei der Speicherbehälter 10E zwischen den Flanschenden 10A angeordnet wird und dann die Flanschenden 10A und der Speicherbehälter 10E in ihrer Gesamtheit dem Nasswickelverfahren zugeführt werden. Das so gebildete Strukturbauteil 10 erfährt dann als Ganzes einen Aushärteprozess bei erhöhten Temperaturen.
Zusätzlich zu der Umhüllung mit einem Faserverbundlaminat können die Flanschenden 10A mit dem Speicherbehälter 10E verklebt sein. Dazu muss jedoch ein Klebstoff 60 vor dem Zusammensetzen der Flanschenden 10A mit dem Speicherbehälter 10E auf die Kontaktflächen aufgebracht werden.
Bei einem auf diese Weise gefertigten Strukturbauteil 10 nach dem Stand der Technik werden das Faserverbundlaminat und der Klebstoff 60 bei hohen Temperaturen ausgehärtet und vernetzt. Dabei entsteht in diesem hohen Temperaturbereich ein spannungsfreier beziehungsweise spannungsarmer Zustand. Wenn nun das Strukturbauteil 10 abgekühlt wird, können infolge der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der verschiedenen eingesetzten Werkstoffe Spannungen in den Grenzflächen der einzelnen Bauteile und in den Klebeschichten entstehen, so das spannungsbedingte Schädigungen bis hin zum Versagen des Strukturbauteils 10 unter Belastung führen können.
In den folgenden 3 bis 6 wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils 10 in einer bevorzugten Ausführungsform als Querträger für einen Fahrgestellrahmen 100 eines Nutzfahrzeuges N in einzelnen, ausgewählten Verfahrensschritten veranschaulicht.
Dazu werden in dieser beispielhaften Ausführungsform zwei Flanschenden 10A, die später zur Befestigung des Strukturbauteils 10 an den Längsträgern 2 des Fahrgestellrahmens 100 verwendet werden, gefertigt. Die beiden Flanschenden 10A weisen jeweils eine Flanschaufnahme 10A-2 auf. In diesen Flanschaufnahmen 10A-2 wiederum ist auf der Oberfläche, die im zusammengefügten erfindungsgemäßen Strukturbauteil 10 dem Verbindungselement 10B in dem dann gebildeten Verbindungsbereich 40 zugewandt ist, jeweils eine Nut 50 ausgebildet.
Außerdem wird ein Speicherbehälter 10E gefertigt, der mindestens eine Öffnung zum Befüllen und/oder Entnehmen eines Mediums aufweist. Die Außenkontur der beiden Enden des Speicherbehälters 10E korrespondiert dabei mit der Innenkontur der Flanschaufnahmen 10A-2.
3 zeigt eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils in einem Fertigungsschritt. Der zuvor gefertigter Speicherbehälter 10E wird endseitig zwischen zwei Wickelkernen 80, die jeweils einen Wickelkamm 20 aufweisen, angeordnet. Diese Anordnung aus Speicherbehälter 10E und Wickelkernen 80 wird in eine Wickelvorrichtung 70 (nicht gezeigt) eingesetzt und dort beispielsweise unter Verwendung der Wickelkämme 20 mit einem Nasswickelverfahren zumindest teilweise mit einem Faserverbundlaminat umhüllt und ausgehärtet. Alternativ kann das Umhüllen auch mittels RTM-Verfahren (Abkürzung englisch: Resin Transfer Molding) erfolgen.
In 4 ist der mit dem Verbindungselement 10B umhüllte Speicherbehälter 10E mit den Wickelkernen 80 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt, wie sie nach dem Aushärten und Abkühlen des Faserverbundlaminats aus der Wickelvorrichtung 80 entnommen werden. Nun werden überstehende Bereiche des das Verbindungselement 10B bildenden Faserverbundlaminats getrennt beziehungsweise beschnitten. Dieser so genannte Verschnitt wird nun abgenommen und die Wickelkerne 80 entfernt. Es können aber auch in Abhängigkeit von der Geometrie des Faserverbundlaminats und der zuvor gebildeten Anordnung erst die Wickelkerne 80 entfernt und danach das Faserverbundlaminat zugeschnitten werden. Durch diesen Zuschnitt können auch spezifische Anforderungen an die Geometrie des Verbindungselements 10B erfüllt werden, beispielsweise in Form von Aussparungen.
5 zeigt das beschnittene Verbindungselement 10B, das den Speicherbehälter 10E umhüllt, in einer perspektivischen Ansicht. Dabei sind zwei zumindest teilweise überstehende Bereiche erkennbar, die nach dem Einstecken des Speicherbehälters 10E in die Flanschaufnahmen 10A-2 zur Ausbildung eines Querträgers für einen Fahrgestellrahmen 100 eines Nutzfahrzeugs N die Verbindungsbereiche 40 ausbilden. In diese Verbindungsbereiche werden jeweils mindestens eine Injektionsöffnung 30 eingebracht, beispielsweise durch Bohren. Diese Injektionsöffnungen 30 werden so eingebracht, dass sie nach dem Fügen des Speicherbehälters 10E mit den Flanschenden 10A mit den an den Flanschaufnahmen 10A-2 vorgesehenen Nuten 50 korrespondieren.
In 6 ist eine Schnittdarstellung eines als Querträger für einen Fahrgestellrahmen 100 eines Nutzfahrzeugs N ausgebildeten erfindungsgemäßen Strukturbauteils 10 dargestellt. Der darin mit „A“ gekennzeichnete Teilbereich wird in 7 detaillierter gezeigt.
Der mit dem Verbindungselement 10B umhüllte Speicherbehälter 10E ist dabei endseitig in die Flanschaufnahmen 10A-2 zweier Flanschenden 10A eingesteckt, wo er lose aufgenommen ist. Dabei wird der Speicherbehälter 10E mit dem ihn umhüllenden Verbindungselement 10B so ausgerichtet, dass die Injektionsöffnungen 30 in den Verbindungsbereichen 40 mit den Nuten 50 der Flanschaufnahmen 10A-2 korrespondieren. Dazu sei auch auf 7 verwiesen. In dieser 7 ist der in 6 mit „A“ gekennzeichnete Detailbereich vergrößert dargestellt. Dabei ist die korrespondierende Anordnung von Injektionsöffnung 30 und Nut 50 erkennbar.
Zudem kann der 7 entnommen werden, dass die Breite b der Nut 50 etwa 60 % bis 95 % der Breite bv des Verbindungsbereiches entspricht. Gemäß der zuvor erfolgten Definition des Koordinatensystems sind die Breite b und die Breite bv entlang der y-Richtung ausgerichtet. Um einen sicheren und dauerhaften Verbund zwischen dem Verbindungselement 10B und den Flanschaufnahmen 10A-2 sicherzustellen, ist die Nut 50 an jedem der beiden Flanschaufnahmen 10A-2 jeweils umlaufend um die gesamte dem Verbindungselement 10B zugewandte Fläche ausgebildet. Durch die Injektionsöffnungen 30 ist ein Klebstoff 60, der auf Polyurethanbasis gebildet ist, eingebracht und füllt die Nute 50 weitgehend vollständig aus. Das Einbringen des Klebstoffes 60 kann vorteilhafterweise bei Raumtemperatur, also unterhalb von 25 Grad Celsius erfolgen. Alternativ können auch Klebstoffe 60 auf Acrylatbasis oder Epoxydharzbasis verwendet werden.
Nach dem Aushärten des Klebstoffes 60 ist das Verbindungelement 10B fest mit den Flanschenden 10A und somit der Speicherbehälter 10E indirekt fest mit den Flanschaufnahmen 10A-2 verbunden. Vorbehaltlich einer Ausbildung eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils 10 mit weiteren Bauteilen ist dieses nun fertiggestellt und zum Einbau in einen Fahrgestellrahmen 100 eines Nutzfahrzeuges N bereit.
Bezugszeichenliste

1: Querträger
1': Querträger
2: Längsträger
3: Achsaufhängung
10: Strukturbauteil
100: Fahrgestellrahmen
10A: Flanschende
10A-2: Flanschaufnahme
10B: Verbindungselement
10E: Speicherbehälter (Liner)
20: Wickelkamm
30: Injektionsöffnung
40: Verbindungsbereich
50: Nut
60: Klebstoff
70: Wickelvorrichtung
80: Wickelkern
N: Fahrzeug
b: Breite der Nut (50)
bv: Breite des Verbindungsbereiches (40)
x: Längsrichtung eines Fahrzeugs
y: Richtung in der Horizontalen quer zur Längsrichtung x
z: Richtung in der Vertikalen quer zur Längsrichtung x

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017106024 A1 [0003]

Claims

Strukturbauteil (10) für einen Fahrgestellrahmen (100) eines Fahrzeuges (N) mit mindestens einem Flanschende (10A), das zur Befestigung des Strukturbauteils (10) an dem Fahrgestellrahmen (100) ausgebildet ist, und einem Speicherbehälter (10E), wobei das mindestens eine Flanschende (10A) eine Flanschaufnahme (10A-2) aufweist, die den Speicherbehälter (10E) endseitig lose aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherbehälter (10E) zumindest teilweise mit einem als Faserverbundlaminat ausgebildeten Verbindungselement (10B) umhüllt ist, das die Flanschaufnahme (10A-2) des mindestens einen Flanschendes (10A) in einem Verbindungsbereich (40) zumindest teilweise umgreift, und in dem Verbindungsbereich (40) an der dem Verbindungselement (10B) zugewandten Oberfläche der Flanschaufnahme (10A-2) mindestens eine Nut (50) zur Aufnahme eines Klebstoffes (60) vorgesehen ist, und in dem Verbindungsbereich (40) in das Verbindungselement (10B) korrespondierend zu der mindestens einen Nut (50) mindestens eine Injektionsöffnung (30) zum Einbringen des Klebstoffes (60) eingebracht ist, und durch die mindestens eine Injektionsöffnung (30) in die mindestens eine Nut (50) der Klebstoff (60) injiziert und ausgehärtet ist, so dass das Verbindungselement (10B) fest mit dem mindestens einen Flanschende (10A) und somit der Speicherbehälter (10E) indirekt fest mit der mindestens einen Flanschaufnahme (10A-2) verbunden ist.
Strukturbauteil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkontur der Flanschaufnahme (10A-2) des mindestens einen Flanschendes (10A) eine mit der Außenkontur des Speicherbehälters (10E) korrespondierende Form aufweist.
Strukturbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (60) gebildet ist auf Acrylatbasis, Epoxydharzbasis und/oder Polyurethanbasis.
Strukturbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Nut (50) um die Flanschaufnahme (10A-2) umlaufend ausgebildet ist.
Strukturbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (b) der Nut (50) etwa 60 % bis 95 % der Breite (b_v) des Verbindungsbereiches (40) beträgt.
Strukturbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturbauteil (10) ein in einem Fahrgestellrahmen (100) anordbarer Querträger 1,1' ist, der zwei Flanschenden (10A) mit jeweils einer Flanschaufnahme (10A-2) aufweist, die den Speicherbehälter (10E) endseitig lose aufnehmen, wobei an jedem der beiden Flanschenden (10A) ein Verbindungsbereich (40) zwischen jeweils einer Flanschaufnahme (10A-2) und dem Verbindungselement (10B) gebildet ist, und in jedem der beiden Verbindungsbereiche (40) jeweils an der dem Verbindungselement (10B) zugewandten Oberfläche der jeweiligen Flanschaufnahme (10A-2) mindestens eine Nut (50) vorgesehen ist, und in jedem der beiden Verbindungsbereiche (40) jeweils korrespondierend zu der mindestens einen Nut (50) mindestens eine Injektionsöffnung (30) in dem Verbindungselement (10B) eingebracht ist.
Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteiles (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mindestens folgenden Schritten: a) Fertigen mindestens eines Flanschendes (10A) mit einer Flanschaufnahme (10A-2), wobei die Flanschaufnahme (10A-2) mindestens eine Nut (50) aufweist, und b) Fertigen eines Speicherbehälters (10E) und c) Umhüllen der Mantelfläche des Speicherbehälters (10E) zumindest teilweise mit einem Verbindungselement (10B) aus einem Faserverbundlaminat und Aushärten des Faserverbundlaminats, dadurch gekennzeichnet, dass d) mindestens eine mit der mindestens einen Nut (50) korrespondierende Injektionsöffnung (30) in mindestens einen Verbindungsbereich (40) des Verbindungselements (10B) mit der mindestens einen Flanschaufnahme (10A-2) eingebracht wird und e) der mit dem Verbindungselement (10B) umhüllte Speicherbehälter (10E) in die mindestens eine Flanschaufnahme (10A-2) eingesteckt wird, so dass die mindestens eine Flanschaufnahme (10A-2) den Speicherbehälter (10E) lose aufnimmt und die mindestens eine Injektionsöffnung (30) mit der mindestens einen Nut (50) korrespondiert, und f) ein Klebstoff (60) durch die mindestens eine Injektionsöffnung (30) injiziert und ausgehärtet wird, wodurch das Verbindungselement (10B) fest mit der mindestens einen Flanschaufnahme (10A) und somit der Speicherbehälter (10E) indirekt fest mit der mindestens einen Flanschaufnahme (10A-2) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Umhüllen der Mantelfläche des Speicherbehälters (10E) in einer Wickelvorrichtung (70) erfolgt, wobei der Speicherbehälter (10E) während des Umhüllens in, auf und/oder zwischen zwei Wickelkernen (80) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das den Speicherbehälter (10E) umhüllende Verbindungselement (10B) nach dem Aushärten zugeschnitten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Injizieren und Aushärten des Klebstoffes (60) bei einer Temperatur von gleich oder unterhalb von 40 Grad Celsius durchgeführt wird.