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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Strukturbauteil mit einem ersten Träger und einem zumindest teilweise darin aufgenommenen zweiten Träger, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem solchen als Seitenaufprallträger ausgebildeten Strukturbauteil.
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Ein Trend in der Kraftfahrzeugkonstruktion geht zunehmend in Richtung leichterer Fahrzeuge, um einen Energieverbrauch zu reduzieren. Gleichzeitig sind jedoch zunehmend höhere Sicherheitsstandards, insbesondere im Hinblick auch auf Aufpralltest, zu erfüllen. Um einen möglichst hohen Schutz von Insassen eines Kraftfahrzeugs bei einem Seitenaufprall erreichen zu können, werden im Bereich von Seitentüren sogenannte Seitenaufprallträger eingesetzt, welche insbesondere eine Eindringtiefe im Bereich einer Kraftfahrzeugtür und damit ein Verletzungsrisiko von Fahrzeuginsassen reduzieren sollen. Als Seitenaufprallträger kommen hierbei insbesondere Profilträger, beispielsweise aus Metall, aber zunehmend auch aus faserverstärktem Kunststoff zum Einsatz.
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Aus der
DE 44 23 687 A1 ist ein gattungsgemäßes Strukturbauteil mit einem ersten Träger und einem zumindest teilweise darin aufgenommenen zweiten Träger bekannt, bei dem der erste Träger als faserverstärktes Kunststoffbauteil ausgebildet ist, wobei Fasern schräg zu einer Längsrichtung des ersten Trägers verlaufen und der zweite Träger als faserverstärktes Kunststoffbauteil ausgebildet ist, wobei Fasern in Längsrichtung des zweiten Trägers verlaufen.
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Aus der
DE 10 2015 014 644 A1 ist eine Seitenwand für ein Kraftfahrzeug bekannt, umfassend einen Schweller und eine sich vom Schweller aufwärts erstreckende B-Säule. Der Schweller umfasst eine innere Schwellerverstärkung in Form eines eine zur Fahrzeugaußenseite hin offene Nut begrenzenden Profils, und die B-Säule umfasst eine B-Säulenverstärkung, die sich über die gesamte Höhe der B-Säule erstreckt und von der ein unterer Endabschnitt bis vor die Nut der inneren Schwellerverstärkung reicht.
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Aus der
DE 602 14 699 T2 ist ein Strukturbauteil mit einem ersten Träger und einem zumindest teilweise darin aufgenommenen zweiten Träger bekannt, wobei die beiden Träger über ein expandierbares Klebematerial miteinander verklebt sind. Das expandierbare Klebematerial ist dabei zwischen dem ersten und dem zweiten Träger angeordnet und in Bezug auf den zweiten Träger über Verlängerungen seitlich begrenzt. Diese Verlängerungen bewirken nicht nur eine Begrenzung der Verklebung, sondern steifen den zweiten Träger zusätzlich aus.
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Im Vergleich zu bekannten Seitenaufprallträgern bzw. Strukturbauteilen aus Metall ist bei einem Strukturbauteil aus einem faserverstärkten Kunststoff immer auch ein Sprödbruch zu befürchten, der zu einem unerwünschten abrupten Versagen führt und dadurch eine den Insassenschutz bewirkende Aussteifung nicht mehr erfüllen kann. Ein derartiges Sprödbruchversagen ist bei einem Strukturbauteil bzw. einem Seitenaufprallträger aus Metall üblicherweise nicht zu befürchten, wobei derartige Seitenaufprallträger aus Metall deutlich schwerer und dadurch insbesondere hinsichtlich einem Energieverbrauch des Kraftfahrzeugs von Nachteil sind.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für ein Strukturbauteil der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, mit der insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden können.
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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 zweischaliges Strukturbauteil anzugeben, bei welchem die beiden Schalen unterschiedliche Steifigkeiten aufgrund beispielsweise unterschiedlicher Materialien und/oder unterschiedlicher Faserausrichtungen aufweisen, so dass die beiden Schalen bzw. Träger unterschiedliche Kräfte aufnehmen können. Ein außenliegender erster Träger ist dabei deutlich duktiler als ein innenliegender zweiter Träger. Das erfindungsgemäße Strukturbauteil besitzt dabei den zuvor genannten ersten Träger sowie den zumindest teilweise darin aufgenommenen zweiten Träger, wobei der erste Träger erfindungsgemäß als faserverstärktes Kunststoffbauteil ausgebildet ist und wobei Fasern desselben schräg zur Längsrichtung des ersten Trägers verlaufen. Der zweite Träger ist ebenfalls als faserverstärktes Kunststoffteil ausgebildet, wobei bei diesem Fasern in Längsrichtung des ersten Trägers verlaufen. In Längsrichtung verlaufende Fasern müssen dabei nicht bedeuten, dass sämtliche Fasern in Längsrichtung verlaufen, so dass beispielsweise auch ein Gewebe einsetzbar ist, bei welchem die Fasern in Längsrichtung und quer dazu verlaufen. Durch die schräg zur Längsrichtung verlaufenden Fasern im ersten Träger kann dieser deutlich duktiler ausgebildet werden, was beispielsweise zusätzlich dadurch unterstützt wird, dass der erste Träger im Querschnitt ein trapezförmiges und kein U-förmiges Profil aufweist. Durch die unterschiedliche Steifigkeit des ersten und zweiten Trägers kann bei einem Versagen des zweiten Trägers der erste Träger eine lasttragende Funktion mit übernehmen. Bei einem plötzlichen Versagen des zweiten Trägers des Strukturbauteils erfolgt somit kein komplettes Versagen des Strukturbauteils, sondern es übernimmt der erste Träger zumindest einen Teil der Lastabtragung, da dieser aufgrund seiner anders orientierten Fasern eine deutliche höhere Duktilität aufweist und dadurch auch deutlich höhere Verformungen ertragen kann. Durch den Aufbau des ersten und zweiten Trägers als jeweils faserverstärktes Kunststoffbauteil kann jedoch nicht nur eine deutlich verbesserte Lastabtragung und ein deutlich verbessertes Verformungsverhalten erreicht werden, sondern es kann zudem ein gewichtsoptimiertes, insbesondere im Vergleich zu einem Stahlbauteil deutlich leichteres Strukturbauteil geschaffen werden, was sich positiv auf einen Energieverbrauch bei einem Einsatz eines derartigen Strukturbauteils in einem Kraftfahrzeug auswirkt.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils weisen die Fasern Glasfasern, Kohlefasern und/oder Aramidfasern auf. Glasfasern besitzen ein Elastizitätsmodul, der sich nur wenig vom demjenigen von Glas unterscheidet, wobei eine Zug- und Druckfestigkeit der Glasfaser bei einer Einbettung in Kunststoff eine gewisse Flexibilität ermöglicht, insbesondere im Hinblick auf Stahl, aufgrund der hohen elastischen Bruchdehnung. Glasfasern verhalten sich darüber hinaus bis zum Bruch ideal linear elastisch und besitzt isotrope mechanische Eigenschaften. Zusätzlich oder alternativ können auch Kohlefasern eingesetzt werden, die aus einer Vielzahl feiner Filamente bestehen. Im Vergleich zu Glasfasern sind sie darüber hinaus deutlich leichter. Aramidfasern wiederum sind Kunststoffe, nämlich aromatische Polyamide und dadurch besonders geeignet zum Einsatz in Faserkunststoffverbundbauteil. Aramidfaserverstärkte Kunststoffbauteile sind nochmals ca. 20% leichter als kohlefaserverstärke Kunststoffbauteile und besitzen eine hohe Festigkeit, welche ebenfalls vorteilhaft für ein beispielsweise als Seitenaufprallträger ausgebildetes Strukturbauteil genutzt werden können.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist der zweite Träger ein Fasergewebe mit in Längsrichtung und quer dazu verlaufenden Fasern auf. In diesem Fall kann deshalb eine Art Roving eingesetzt werden, welches insbesondere die Herstellung des zweiten Trägers deutlich vereinfacht, da die sich in Längsrichtung erstreckenden Fasern durch in Querrichtung damit verwobene Fasern gestützt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strukturbauteils sind die Fasern des ersten Trägers unter einem Winkel α von -30° ≤ α ≤ +30° schräg zur Längsrichtung des ersten Träger ausgerichtet. Durch die lediglich maximal 30° betragende Abweichung der Längsrichtung der Fasern zur Längsrichtung des ersten Trägers können noch hohe Biegekräfte aber auch ein bereits nicht unerheblicher Teil an Querkräften aufgenommen werden. Der Vorteil dieses beschränkten Winkelbereichs liegt darin, dass bei 0° hauptsächlich eine Dehnung durch Strecken der Fasern durch Zugbelastung erfolgt.
Dabei erfolgt eine Kraftaufnahme und eine Erhöhung der Biegesteifigkeit. Da die Fasern des zweiten Trägers in Längsrichtung verlaufen, das heißt 0°, wird der erste Träger früher versagen und führt zu einer hohen Anfangs-Biegesteifigkeit. Der erste Träger mit Faserorientierung ungleich 0° wird sich bei geringerer Steifigkeit mehr deformieren und weist einen größeren Deformationsweg auf.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strukturbauteils ist dieses als Seitenaufprallträger eines Kraftfahrzeugs ausgebildet. Seitenaufprallträger bei einem Kraftfahrzeug werden üblicherweise in Seitentüren des Kraftfahrzeugs eingesetzt und sollen eine Eindringtiefe bei einem Seitenaufprall und damit ein Verletzungsrisiko von in dem Kraftfahrzeug sitzenden Personen reduzieren. Durch das erfindungsgemäße Strukturbauteil ist es möglich, hohe Seitenaufprallkräfte aufzunehmen und dabei das Strukturbauteil trotzdem vergleichsweise leicht, insbesondere im Hinblick auf einen Stahlträger vergleichsweise leicht, auszubilden, wodurch ein hoher Insassenschutz bei geringem Gewicht und damit reduziertem Kraftstoff- bzw. Energieverbrauch erreicht werden können.
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Erfindungsgemäß weist der erste Träger einen offenen trapezförmigen Querschnitt mit nach außen abstehenden Flanschen auf. Durch die nicht orthogonal zu einem Verbindungsabschnitt des ersten Trägers, sondern schräg dazu angeordneten Schenkel kann ebenfalls eine höhere Duktilität des ersten Trägers im Vergleich zum zweiten Träger erreicht werden, wodurch dieser bis zum Bruch höhere Verformungen ertragen kann. Im Gegensatz dazu hat der zweite Träger einen U-förmigen Querschnitt mit einem Verbindungsabschnitt und zwei orthogonal dazu abstehenden Schenkeln, an deren jeweiligen freien Enden jeweils ein nach außen abstehender Flansch angeordnet ist, wobei die beiden Schenkel einen rechten Winkel zu einem Verbindungsabschnitt des zweiten Trägers einschließen. Ein derartiges U-förmiges Profil ermöglicht die Aufnahme hoher Biegemomente und damit hoher Kräfte. Zudem weist der erste Träger einen Verbindungsabschnitt und zwei daran angeordnete und um jeweils einen Winkel β von 60° zum Verbindungsabschnitt abstehende Schenkel auf, wobei ein Übergang vom Verbindungsabschnitt zum jeweiligen Schenkel ausgerundet ausgebildet ist, ebenso wie ein jeweiliger Übergang des Schenkels in den zugehörigen Flansch und wobei die beiden Träger in dieselbe Richtung offen angeordnet sind.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils weist der erste Träger eine Wanddicke d1 von ca. 4,4 mm auf, wodurch bereits eine hohe Kraftaufnahme bei trotzdem noch vergleichsweise geringem Gewicht erreicht werden können. Der zweite Träger wiederum kann eine Wanddicke d2 von ca. 1,8 mm aufweisen und damit deutlich dünner und leichter ausgebildet sein, aufgrund seiner Anordnung der Fasern jedoch hohe Kräfte bei gleichzeitig geringer Verformung aufnehmen. Durch die Varianz der Wanddicken können die Steifigkeit und der Deformationsweg eingestellt werden. Im ersten Träger muss die Wanddicke d1 die Biegesteifigkeit kompensieren, da die Fasern schräg zur Längsrichtung des ersten Trägers verlaufen.
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Eine weitere Ausführung kann zusätzlich zur Verklebung als weiteres Fügeverfahren Niete aufweisen. Hierbei ist der Vorteil, dass auftretende Schälkräfte vermieden werden und in noch nicht versagte Bereiche des Bauteils geleitet werden.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Kraftfahrzeug mit einem als Seitenaufprallträger ausgebildeten Strukturbauteil entsprechend den vorherigen Absätzen anzugeben, wodurch hohe Seitenaufprallkräfte bei gleichzeitig reduzierter Verformung und reduziertem Gewicht möglich sind. Der erste und zweite Träger eines beispielsweise als Seitenaufprallträger ausgebildeten Strukturbauteils sind dabei in die gleiche Richtung geöffnet, üblicherweise im Einbauzustand in einem Kraftfahrzeug nach innen, wodurch hohe Biegemomente aufgenommen werden können.
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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 vorliegenden 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 Bauteile beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils,
- 2 ein Kraftwegdiagramm bei einer Verformung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils im Vergleich zu einem Strukturbauteil aus Stahl.
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Entsprechend der 1, weit ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil 1, welches beispielsweise als Seitenaufprallträger in einer Kraftfahrzeugtür eines Kraftfahrzeuges eingesetzt werden kann, einen ersten Träger 2 sowie einen zumindest teilweise darin aufgenommenen zweiten Träger 3 auf. Der erste Träger 2 ist dabei erfindungsgemäß als faserverstärktes Kunststoffbauteil ausgebildet, wobei Fasern 4 schräg zur Längsrichtung 5 des ersten Trägers 2 verlaufen. Die Fasern 4 des ersten Trägers 2 verlaufen dabei insbesondere um einen Winkel α von +/-30° schräg zur Längsrichtung 5. Der zweite Träger 3 ist erfindungsgemäß ebenfalls als faserverstärktes Kunststoffbauteil ausgebildet, wobei hier Fasern 6 in Längsrichtung 5 des zweiten Trägers 3 verlaufen. Durch die unterschiedliche Orientierung der Fasern 4 und 6 im ersten Träger 2 und im zweiten Träger 3 sowie die unterschiedliche Querschnittsgestalt der beiden Träger 2, 3 weisen diese eine unterschiedliche Festigkeit und auch eine unterschiedliche kraftabhängige Verformung auf, wie dies gemäß der 2 zu erkennen ist.
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Gemäß der 1 sind dabei sogenannten Faser Rovings eingesetzt, sodass die Fasern 4 des ersten Trägers 2 nicht nur um einen Winkel α von +30° sondern auch um einen Winkel α von -30° gegenüber der Längsrichtung 5 geneigt sind. Die Fasern 6 des zweiten Trägers 3 können durch weitere, quer dazu laufende Fasern 7 gestützt werden, so dass die Fasern 6 und 7 ein Gewebe, beispielsweise in der Art eines Rovings, bilden. Zwischen den sich kreuzenden Fasern 4 im ersten Träger 2 ist dabei üblicherweise ein Winkel von maximal 60° eingeschlossen.
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Betrachtet man den ersten Träger 2 weiter so kann man erkennen, dass dieser einen trapezförmigen Querschnitt mit nach außen abstehendem Flanschen 8, 8' aufweist. Zudem besitzt der erste Träger 2 einen Verbindungsabschnitt 9 sowie zwei daran angeordnete und um jeweils einen Winkel β von 60° zum Verbindungsabschnitt 9 abstehende Schenkel 10, 10'. Ein Übergang vom Verbindungsabschnitt 9 zum jeweiligen Schenkel 10, 10' ist dabei ausgerundet ausgebildet, ebenso wie ein jeweiliger Übergang des Schenkels 10, 10' in den zugehörigen Flansch 8, 8'.
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Im Unterschied zum ersten Träger 2 besitzt der zweite Träger 3 einen U-förmigen Querschnitt mit ebenfalls nach außen abstehenden Flanschen 11, 11', wobei die beiden Schenkel 12, 12' einen rechten Winkel zum Verbindungsabschnitt 13 des zweiten Trägers 3 einschließen. Hierdurch besitzt der zweite Träger 3 eine deutlich höhere Biegesteifigkeit und eine geringere Duktilität als der erste Träger 2. Der zweite Träger 3 kann darüber hinaus hinsichtlich seiner Wanddicke d2 deutlich dünner ausgebildet sein als der erste Träger 2, so dass eine Wanddicke d2 des zweiten Trägers 3 ca. 1,8 mm beträgt. Eine vergleichbare Wanddicke d1 des ersten Trägers 2 beträgt ca. 4,4 mm.
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Der erste Träger 2 und der zweite Träger 3 können dabei fest miteinander verbunden, beispielsweise verklebt, verschweißt oder verschraubt sein. Die beiden Träger 2, 3 sind dabei in dieselbe Richtung offen angeordnet, beispielsweise zu einem Fahrzeuginneren hin.
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Betrachtet man das Diagramm in 2 so ist dort auf der Ordinate eine Aufprallkraft F und auf der Abszisse eine Verformung S aufgetragen, nämlich einmal für ein erfindungsgemäßes, als Seitenaufprallträger ausgebildetes Strukturbauteil 1 und einmal als vergleichbares Strukturbauteil aus Stahl (Linie mit Kreuzen). Dabei ist erkennbar, dass der zweite Träger 3 des erfindungsgemäßen Strukturbauteils 1 im Punkt 14 versagt, was durch einen unmittelbaren Kraftabfall am Punkt 14 zu erkennen ist. Bei einer zugehörigen Verformung S1 bricht somit der zweite Träger 3 des erfindungsgemäßen Strukturbauteils 1, woraufhin die weitere Lastabtragung durch den ersten Träger 2 erfolgt, der im Vergleich zum zweiten Träger 3 eine deutlich höhere Duktilität aufweist und dadurch eine geringere Kraft bei zunehmender Verformung aufnimmt.
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Demgegenüber steigt die Kraft-Weg-Kennlinie des aus Stahl ausgebildeten Strukturbauteils zunächst an und nimmt mit zunehmender Verformung ab. Bei einer Verformung S2 weist das erfindungsgemäße Strukturbauteil 1 und das aus Stahl ausgebildete Strukturbauteil dieselbe Kraftaufnahme bei derselben Verformung auf. Die Verformung am Punkt S2 entspricht dabei einer Zielverformung, bei welcher eine bestimmte Kraftaufnahme durch den Seitenaufprallträger gewünscht ist.
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Durch den zweischaligen Aufbau des erfindungsgemäßen Strukturbauteils 1 ist es somit möglich, insbesondere einen Seitenaufprallträger eines Kraftfahrzeugs gewichtsoptimiert im Vergleich zu einem aus Stahl ausgebildeten Seitenaufprallträger auszubilden und zugleich ein nicht kalkulierbares vollständiges Brechen des Strukturbauteils, wie dies bei einem einschaligen faserverstärkten Kunststoffträger der Fall wäre bzw. befürchtet werden müsste, zu vermeiden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Strukturbauteil 1 ist es somit möglich, ein Kraft-Verformungs-Verhalten analog zu einem bisher aus Stahl ausgebildeten Strukturbauteil zu erreichen, dies jedoch bei deutlich reduziertem Gewicht.
