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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil eines Kraftfahrzeugs. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Bauteil.
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Aus der
DE 10 2015 201 712 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Tragstruktur in einem Spritzgusswerkzeug bekannt, welches folgende Verfahrensschritte umfasst: Spritzgießen einer Grundstruktur, Bereitstellen einer Versteifungsstruktur, wobei die Versteifungsstruktur in Sandwichbauweise, umfassende eine Kernschicht und mindestens eine mit der Kernschicht verbundene Deckschicht ausgebildet ist. Anschließendes Anordnen der Versteifungsstruktur in dem Spritzgusswerkzeug, Umformen der Versteifungsstruktur auf die Grundstruktur sowie stoffschlüssige und/oder formschlüssiges Verbinden der Grundstruktur und der Versteifungsstruktur. Hierdurch soll eine Tragstruktur bereitgestellt werden können, die sich bei hoher mechanischer Stabilität und guter Steifigkeit durch ein reduziertes Eigengewicht auszeichnet.
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Aus der
WO 2019/081410 A1 ist ein Flüssigkeitsbehälter für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einem Vorratsvolumen zur Bevorratung einer Flüssigkeit und mit wenigsten einer das Vorratsvolumen zumindest abschnittsweise begrenzenden Schale bekannt. Die Schale ist dabei zumindest teilweise im Spritzgussverfahren hergestellt und weist eine Barrierefolie sowie ein Verstärkungselement auf, das zumindest teilweise oder vollständig aus einem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff gebildet ist. Darüber hinaus besitzt die Schale eine einteilige oder mehrteilige Tragstruktur, die zumindest teilweise oder vollständig aus einem Spritzgusswerkstoff gebildet ist, wobei die Barrierefolie stoffschlüssig mit dem Verstärkungselement verbunden ist und die Barrierefolie und das Verstärkungselemente jeweils stoffschlüssig mit der Tragstruktur verbunden sind. Hierdurch soll ein Flüssigkeitsbehälter geschaffen werden, der leicht, formbeständig und crashsicher ist sowie emissionsminimiert hergestellt werden kann.
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Aus der
US 10,786,955 B2 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundstruktur bekannt, wobei eine Stützplatte über ein Compositeband mit einer Verbundplatte verbunden ist.
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Aus der
EP 3 154 828 B1 ist eine energieabsorbierende Vorrichtung mit einer Polymer-Verstärkungsstruktur bekannt, die eine Polymermatrix und Schnittfasern umfasst, ebenso wie eine Hülle, die zwei Wände aufweist, die sich von einer Rückseite aus erstrecken und einen Hüllenkanal bilden. Die Hülle umfasst dabei Endlosfasern sowie eine Harzmatrix, wobei die Polymer verstärkende Struktur im Hüllenkanal angeordnet ist und Waben und/oder Rippen umfasst.
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Besonders im Sportwagenbau sind leichte Bauteile gewünscht, die oftmals beispielsweise als Leichtmetallbauteile oder als Kunststoffbauteile ausgebildet werden. Des Weiteren kommen auch faserverstärkte Kunststoffteile in Betracht, beispielsweise mit Kohlefasern verstärkte Kunststoffbauteile, die zwar leicht sind und eine hohe Festigkeit bzw. Steifigkeit aufweisen, jedoch auch vergleichsweise teuer sind.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, ein Bauteil für ein Kraftfahrzeug anzugeben, welches leicht baut, eine hohe Festigkeit aufweist und zugleich kostengünstig ist.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein Bauteil eines Kraftfahrzeugs nur bereichsweise an genau denjenigen Stellen zu verstärken, die im Betrieb auch entsprechenden Zugbelastungen ausgesetzt sind. Das erfindungsgemäße Bauteil ist somit in zumindest einem zugbelasteten Bereich mittels zumindest eines Versteifungsbandes mit in Kunststoff eingebetteten Fasern verstärkt. Ein derartiges Versteifungsband ist in der Lage, ohne wesentlichen Dickenauftrag auf das zu versteifende Bauteil aufgebracht zu werden und dieses lokal, das heißt im vorliegenden Fall vorzugsweise ausschließlich in einem zugbelasteten Bereich, auszusteifen und dadurch dessen Festigkeit sowie dessen Steifigkeit deutlich zu erhöhen, ohne dass das Gewicht des Bauteils insgesamt, beispielsweise aufgrund einer überall höheren Wandstärke zur Erreichung einer höheren Festigkeit steigt. Die auf das erfindungsgemäße Bauteil im Betrieb einwirkende Belastung wird dabei beispielsweise mittels einer finiten Elementmethode berechnet, wodurch im Betrieb besonders zugbelastete Bereiche identifiziert und mittels der erfindungsgemäßen Versteifungsbänder ausgesteift werden können. Das zumindest eine Versteifungsband ist deshalb nur an genau derjenigen Stelle vorgesehen, an welcher auch die erhöhte Zugbelastung auftritt und dementsprechend aufzunehmen ist, während benachbarte Bereiche weniger steif, beispielsweise auch mit geringerer Wanddicke, und dadurch leichter ausgebildet werden können. Der große Vorteil eines nur lokal aufgebrachten Versteifungsbandes ist zudem, dass das vergleichsweise teure Versteifungsband nicht am gesamten Bauteil eingesetzt wird, sondern ausschließlich in denjenigen Bereichen, in welchen die erhöhten Zugbelastungen auch tatsächlich auftreten.
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Zweckmäßig ist das Bauteil als Gepäckwanne ausgebildet. Eine derartige Gepäckwanne muss im Betrieb in der Lage sein, selbst schwere Gepäckstücke, aufzunehmen und zu tragen, ohne dabei eine vordefinierte Verformung zu überschreiten. Erreicht werden kann dies beispielsweise dadurch, dass die Gepäckwanne mit entsprechender Wandstärke ausgebildet wird, wobei dies zu einem insgesamt höheren Gewicht führt. Weitere Möglichkeiten bieten Rippen und Aussteifungsstege, welche jedoch eine vergleichsweise aufwendige Fertigung, beispielsweise durch ein entsprechend komplex ausgebildetes Kunststoffspritzgusswerkzeug, erfordern. Auch derartige Kunststoffstege erhöhen das Gewicht in nicht unerheblichem Maße. Durch das erfindungsgemäße Versteifungsband ist man erstmals in der Lage, die Gepäckwanne an sich mit vergleichsweise dünner Wandstärke und damit nicht nur kostengünstig, ressourcenschonend und leicht auszubilden, sondern auch vergleichsweise steif, da die Gepäckwanne an genau denjenigen Stellen mittels des zumindest einen erfindungsgemäßen Versteifungsbandes ausgesteift ist, in welche vorberechnete Zugbelastungen auch tatsächlich auftreten.
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Zweckmäßig ist das Versteifungsband als UD-Tape (unidirektional) mit gleichgerichteten Fasern ausgebildet. Derartige Versteifungsbänder sind bereits vielfältig bekannt und in nahezu jeder Ausführungsform, das heißt Dicke, Breite bzw. Faseranteil zu beziehen. Durch ein Vorsehen unterschiedlich breiter Versteifungsbänder kann somit individuell auf den Versteifungseffekt Einfluss genommen und dieser an die jeweils tatsächlich auftretenden Zugbelastungen angepasst werden.
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Zweckmäßig weist das Versteifungsband Glasfasern oder Kohlefasern auf. Selbstverständlich können auch Aramidfasern oder andere Fasern eingesetzt werden, wobei insbesondere Kohlefasern eine hohe Zugfestigkeit und damit einen hohen Aussteifungseffekt bei gleichzeitig geringem Gewicht und geringen Kosten ermöglichen. Selbstverständlich kann das Versteifungsband zusätzlich oder alternativ auch Naturfasern aufweisen, wobei das Versteifungsband im Belastungsfall und zur Aussteifung ausschließlich auf Zug belastet wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils weist das Versteifungsband eine Kunststoffmatrix aus einem thermoplastischen Kunststoff auf, in dem die Faser eingebettet sind. Dies bietet den großen Vorteil, dass die Fasern, beispielsweise die Glasfasern oder die Carbonfasern, vollständig mit dem Kunststoff der Kunststoffmatrix überzogen und dadurch durch diesen geschützt angeordnet sind. Durch die Einbettung der Fasern in die Kunststoffmatrix ist auch deren Lage vorfixiert.
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Zweckmäßig ist das Bauteil aus einem thermoplastischen Kunststoff ausgebildet. Derartige thermoplastische Kunststoffe, auch Plastomere genannt, sind Kunststoffe, die sich innerhalb eines vordefinierten Temperaturbereichs plastisch verformen lassen. Thermoplaste werden heutzutage bereits vielfältig für Kunststoffspritzgießverfahren eingesetzt und ermöglichen eine nahezu beliebige Formgebung. Eine besondere Eigenschaft von Thermoplasten ist deren Schweißbarkeit, wodurch es möglich ist, beispielsweise das Versteifungsband, welches ebenfalls eine Kunststoffmatrix aus einem Thermoplast aufweisen kann, mit dem Bauteil, beispielsweise der Gepäckwanne, zu verschweißen und dadurch stoffschlüssig mit dieser zu verbinden. Ein weiterer Vorteil eines derartigen thermoplastischen Kunststoffes ist dessen vergleichsweise geringes Gewicht, wodurch zusammen mit der aussteifenden Wirkung der erfindungsgemäß eingesetzten Versteifungsbänder ein gewichtsoptimiertes und dennoch steifes und festes Bauteil geschaffen werden kann.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils ist dieses aus Metall, beispielsweise aus einem Leichtmetall, insbesondere aus Aluminium oder Magnesium, ausgebildet. Besonders Leichtmetall bietet dabei die Möglichkeit, das Bauteil nicht nur leicht, sondern zudem auch steif auszubilden. Eine Verbindungsmöglichkeit des Versteifungsbandes mit einem solchen Bauteil oder einem aus Kunststoff ausgebildeten Bauteil besteht dabei über eine Klebeverbindung oder alternativ auch über eine Schweißverbindung. Über eine Klebeverbindung ist rein theoretisch auch der Einsatz weiterer Kunststoffe sowohl für das Bauteil als auch für die Kunststoffmatrix des Versteifungsbandes möglich. Ist das Bauteil beispielsweise aus einem thermoplastischen Kunststoff ausgebildet, so ist es sogar möglich, das Versteifungsband an sich in den Kunststoff des Bauteils einzubetten, sofern dieses beispielsweise zuvor in ein entsprechendes Kunststoffspritzgießwerkzeug eingelegt und mit dem Thermoplast des Bauteils umspritzt wird.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Kraftfahrzeug mit einem Bauteil entsprechend den vorherigen Ansprüchen auszustatten, wobei in diesem Fall das Bauteil vorzugsweise als Gepäckwanne ausgebildet ist. Ein derartiges Kraftfahrzeug ermöglicht aufgrund der vergleichsweise leichten aber dennoch festen und steifen Gepäckwanne eine gewichtsoptimierte Mitnahme von Gepäckstücken.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
- 1 ein erfindungsgemäßes Bauteil eines Kraftfahrzeuges mit einem erfindungsgemäßen Versteifungsband,
- 2 eine Darstellung wie in 1, jedoch bei einer Schrägansicht von unten,
- 3 eine Darstellung wie in 1, jedoch bei einem Bauteil entsprechend dem Stand der Technik,
- 4 eine Darstellung wie in 2, jedoch bei einem Bauteil entsprechend dem Stand der Technik.
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Entsprechend den 1 und 2, weist ein erfindungsgemäßes Bauteil 1 eines Kraftfahrzeugs 2, welches beispielsweise als Gepäckwanne 3 ausgebildet ist, in zumindest einem zugbelasteten Bereich 4 zumindest ein Versteifungsband 5 mit in Kunststoff eingebetteten Fasern auf. Die Versteifungsbänder 5 (vgl. auch die 2) dienen dabei als Zugbänder und begrenzen im vorliegenden Fall eine Durchbiegung der Gepäckwanne 3. Hierdurch ist es möglich, die übrigen Bereich abseits des bzw. der Versteifungsbänder 5 dünner und damit ressourcenschonender bzw. leichter auszubilden.
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Gemäß den 3 und 4 ist dabei analog zu den 1 und 2 ein Bauteil 1' aus dem Stand der Technik dargestellt, bei welchem die erfindungsgemäßen Versteifungsbänder 5 in den zugbelasteten Bereichen 4 nicht vorgesehen sind. Gemäß den 3 und 4 besitzen dabei die gleichen Komponenten dieselben Bezugszeichen, jedoch mit Apostroph. Um dieselbe Steifigkeit der Bauteile 1' gemäß den 3 und 4 zu erhalten, wie die Bauteile 1 gemäß den 1 und 2, weisen die Bauteile 1' gemäß den 3 und 4 zusätzliche Versteifungskonturen 6' auf, die beispielsweise als Rippen ausgebildet sind. Derartige Aussteifungskonturen 6' sind bei den erfindungsgemäßen Bauteilen 1 entsprechend den 1 und 2 nicht mehr vorzusehen, da dort die dort auftretenden Zugbelastungen mittels der Versteifungsbänder 5 abgefangen werden können. Alternativ ist auch eine größere Wanddicke denkbar, wodurch die Bauteile 1' jedoch zum Erreichen derselben Festigkeit und Steifigkeit deutlich schwerer sind.
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Das Versteifungsband 5 kann beispielsweise als UD-Tape (unidirektional) mit gleichgerichteten Fasern ausgebildet sein, wobei beispielsweise Glasfasern, Kohlefasern oder auch Naturfasern zum Einsatz kommen können. Besonders der Einsatz von Naturfasern ermöglicht eine ökologische Herstellungsweise. Auch Aramidfasern sind denkbar, wobei insbesondere Kohlefasern und Glasfasern bei vergleichsweise geringem Gewicht und dünner Ausbildung eine erhebliche Erhöhung der Steifigkeit und Festigkeit ermöglichen.
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Das Versteifungsband 5 selbst besitzt eine Kunststoffmatrix aus einem vorzugsweise thermoplastischen Kunststoff, in den die Fasern eingebettet sind. Dies ermöglicht es, die Fasern, von Kunststoff umzogen und damit geschützt anzuordnen, was insbesondere auch bei Kohlefasern hinsichtlich einer gegebenenfalls erforderlichen elektrischen Isolierung von Vorteil ist. Das Bauteil 1 selbst kann aus Metall, beispielsweise aus einem Leichtmetall, insbesondere aus Aluminium ausgebildet sein, oder alternativ aus einem Kunststoff, insbesondere aus einem thermoplastischen Kunststoff. Selbstverständlich sind auch Composite-Bauweisen mit Metallteilen und Kunststoffteilen denkbar.
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Das Versteifungsband 5 bzw. die Versteifungsbänder 5 sind zur kraftübertragenden Wirkung stoffschlüssig mit dem Bauteil 1, beispielsweise der Gepäckwanne 3, verbunden, beispielweise über eine Schweißverbindung oder eine Klebeverbindung. Rein theoretisch ist es sogar denkbar, dass das zumindest eine Versteifungsband 5 in den Kunststoff des Bauteils 1 eingebettet ist, so dass in diesem Fall das zumindest eine Versteifungsband 5 in ein Kunststoffspritzgießwerkzeug eingelegt und anschließend mit dem Kunststoff des Bauteils 1 umspritzt wird. Hierdurch ist eine besonders geschützte Anordnung der Fasern im Versteifungsband 5 bzw. des Versteifungsbandes 5 im Kunststoff des Bauteils 1 möglich.
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Eine Dicke des Versteifungsbandes 5 kann dabei zwischen 0,1 mm und 1 mm liegen, je nach gewünschter Zugsteifigkeit und je nach voraus berechneten, zu erwartenden Zugkräften. Über beispielsweise eine stoffschlüssige Verbindung des Versteifungsbandes 5 mit dem Bauteil 1 lässt sich eine flächige Krafteinleitung ermöglichen.
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Mit dem erfindungsgemäßen zumindest einen Versteifungsband 5 kann darüber hinaus auf die bislang bei entsprechenden Bauteilen 1' aus dem Stand der Technik verwendeten Versteifungskonturen 6' verzichtet werden, wodurch nicht nur Kunststoffspritzgießwerkzeuge einfacher gestaltet, sondern auch eine Ressourceneinsparung sowie eine Gewichtsreduzierung möglich sind. Mit den erfindungsgemäßen ausschließlich im vordefinierten Bereich 4 mit erhöhter Zugbelastung eingesetzten Versteifungsbändern 5 ausgestatteten Bauteilen 1, beispielsweise Gepäckwannen 3, lässt sich eine deutliche Gewichtseinsparung von bis zu 34 % im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Gepäckwannen 3' erzielen, bei gleichzeitiger Volumenerhöhung.
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Auch ein mit der erfindungsgemäßen Gepäckwanne 3 ausgestattetes Kraftfahrzeug 2 lässt sich somit kostengünstiger, ressourcenschonender und zugleich leichter bauen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015201712 A1 [0002]
- WO 2019/081410 A1 [0003]
- US 10786955 B2 [0004]
- EP 3154828 B1 [0005]
