DE102021207772A1

DE102021207772A1 - Kompositbauteil zur Verstärkung einer metallischen Struktur eines Kraftfahrzeugs und Kraftfahrzeug, umfassend das Kompositbauteil

Info

Publication number: DE102021207772A1
Application number: DE102021207772.2A
Authority: DE
Inventors: Fabian Fischer; Armin Aniol; Thomas Mertens; Daniel Kohl
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-07-21
Filing date: 2021-07-21
Publication date: 2023-01-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kompositbauteil (1) zur Verstärkung einer metallischen Struktur (2) eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein Betonelement (3) und zumindest ein darin zumindest teilweise eingebettetes Holzelement (4).Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, umfassend das erfindungsgemäße Kompositbauteil (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Kompositbauteil zur Verstärkung einer metallischen Struktur eines Kraftfahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Kompositbauteil.
Die Crashsicherheit von Kraftfahrzeugen, insbesondere von batterieelektrischen Fahrzeugen (BEVs), ist im Zuge der Fahrzeugauslegung und Materialauswahl ein wesentlicher Bestandteil hinsichtlich des Schutzes vor Verformung und Intrusion. Die damit einhergehenden steigenden regulatorischen Anforderungen führen zum verstärkten Einsatz von massiven - sowohl in Bezug auf Masse als auch Bauteilabmessungen - Multimaterialsystemen in crashrelevanten Strukturen, jedoch sind diese Bezugszeichen zum Schutz des Batteriekastens nicht vorhanden, um den Intrusionsweg zu minimieren und die Energieabsorption im Falle eines Aufpralls zu maximieren. Der Einsatz dieser massiven Multimaterialsysteme führt jedoch zu einer Erhöhung des Fahrzeuggewichts und einer damit einhergehenden Reduzierung der Fahrzeugreichweite.
Darüber hinaus finden sich in der Materialauswahl der derzeit eingesetzten Multimaterialsysteme überwiegend ökologisch nachteilige Konzepte, da hier vermehrt Leichtbauwerkstoffe zum Einsatz kommen, die durch ihre Gewinnung und Verarbeitung ein großes Treibhauspotenzial (Golbal warming potential, GWP) hinterlassen, was zu einer verschlechterten Klimabilanz der Kraftfahrzeuge im Produktionsprozess führt. Ein Beispiel hierfür ist die Aluminiumverstärkung in einem Seitenschweller des Kraftfahrzeugs.
Ein bekannter Lösungsansatz ist die Verwendung eines einzigen metallischen Werkstoffs für Karosseriebauteile, um die gesetzlichen Anforderungen sowohl hinsichtlich der Intrusion als auch der Energieabsorption zu erfüllen. Die derzeit verwendeten Leichtbauwerkstoffe, wie z.B. Aluminium in massiverer Bauweise, führen jedoch weiterhin zu erhöhten CO₂-Emissionen.
Ein weiterer Ansatz ist der Einsatz zusätzlicher Verstärkungsmaterialien, wie z.B.
Faserverbundwerkstoffe, um die Crash-Stabilität zu gewährleisten. Neben der Recyclingproblematik bringt dieser Ansatz jedoch gegebenenfalls schlechtere Ökobilanzkennwerte mit sich.
Ein weiterer Ansatz ist die Verwendung von dickenvariablen Metallprofilen, sogenannten Tailored Blanks. In diesem Fall wird an den entsprechenden höherbelasteten Stellen zusätzliches Material eingesetzt. Zwar handelt es sich hierbei um eine Verdickung des gleichen Materials, jedoch ergeben sich hier durch den notwendigen Energieeinsatz, in der Produktion und der Nutzung, zusätzliche Nachteile in Bezug auf die CO₂-Bilanz.
Eine Kombination dieser Ansätze ist ebenfalls möglich. In diesem Fall können sich jedoch vor allem die CO₂-Emissionen summieren. Darüber hinaus verursachen alle Ansätze hohe Materialkosten.
DE 10 2013 204 953 A1 offenbart einen Aufbau einer Kraftfahrzeugkarosserie mit einer Innenschale und einer Außenschale, die einen gemeinsamen Hohlraum umschließen. In dem Hohlraum ist ein Verstärkungsbauteil angeordnet, das aus einem im Querschnitt gesehen umlaufend geschlossenen Hohlprofil aus einem Faserverbundwerkstoff besteht. In dem Hohlprofil des Verstärkungsbauteils befindet sich ein Kern aus einem metallischen Werkstoff, aus Holz und/oder aus einem Faserverbundwerkstoff.
Die Druckschrift US 3718 295 A offenbart eine Kabine oder einen anderen Behälter, der starken Stößen widersteht und dennoch leicht ist. Die Druckschrift offenbart ein stabförmiges Bauteil mit einer nach außen gewölbten Oberfläche und mit sich nach innen verjüngenden, festigkeitsgebenden, ebenen Seitenteilen, mit einem Füllmaterial zwischen den Seitenteilen, das im aufgebrachten Zustand plastisch ist, aber zu einer formstabilen Substanz aushärtet, und mit Verstärkungsmitteln in dieser Substanz. Das Füllmaterial kann entweder Schaumstoff oder Leichtbeton sein.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kompositbauteil zur Verstärkung einer metallischen Struktur eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, das eine effiziente und kostengünstige Verstärkung einer metallischen Struktur eines Kraftfahrzeugs ermöglicht, sowie ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einem entsprechenden Kompositbauteil bereitzustellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Kompositbauteil zur Verstärkung einer metallischen Struktur eines Kraftfahrzeugs gemäß Anspruch 1 und ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Kompositbauteils sind in den Unteransprüchen 2-8 aufgezeigt. Eine vorteilhafte Ausführungsform des Kraftfahrzeugs ist in Unteranspruch 10 aufgezeigt.
Ein erster Aspekt der Erfindung ist ein Kompositbauteil zur Verstärkung einer metallischen Struktur eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein Betonelement und wenigstens ein darin zumindest teilweise eingebettetes Holzelement.
Holz als nachwachsender Rohstoff ist ein kostengünstiges Material und ist lokal in großen Mengen verfügbar. Holz ist ein leichtes Material mit einer Dichte von etwa 0,47 g/cm³ bis 0,8 g/cm³, was Holz zu einem hervorragenden Material für den Leichtbau von Komponenten in einem Kraftfahrzeug macht. Aufgrund des geringen Gewichts des Holzelements wird das Gesamtgewicht des Kraftfahrzeugs reduziert, was wiederum zu geringerem Energieeinsatz pro gefahrenem Kilometer führt. Dies wirkt sich positiv auf die insgesamt reduzierten CO₂-Emissionen aus. Darüber hinaus hat Holz eine hohe relative Zug-, Druck- und Biegefestigkeit.
Beton hat eine besonders hohe Festigkeit, insbesondere eine hohe Druckfestigkeit, und eignet sich daher gut für die Konstruktion von crash-relevanten Bauteilen. Allerdings hat Beton eine Dichte von etwa 1,5 g/cm³ bis 2,6 g/cm³. Ein Kompositbauteil aus einer Kombination von Beton und Holz ist kostengünstig und gleichzeitig gut geeignet, um eine metallische Struktur eines Kraftfahrzeugs zu verstärken.
Diese Verbundkonstruktion des Kompositbauteils nutzt die Kombination der Materialeigenschaften, um sowohl Druck- als auch Zugstabilität zu gewährleisten, wobei das Holzelement sowohl als Strukturfüller als auch als tragendes Element fungieren kann, da Holz insbesondere hohe relative Zug- und Biegefestigkeiten besitzt. Durch die Kombination des Betonelements mit dem Holzelement kann die Gesamt-Festigkeit des Kompositbauteils weiter erhöht werden. Darüber hinaus ist es möglich, dass das Kompositbauteil mindestens CO₂-neutral produziert werden kann. Dies wird durch die negative CO₂-Bilanz des Holzmaterials - basierend auf der durch Photosynthese gebundenen CO₂-Menge - erreicht, wodurch die CO₂-Bilanz des Betons kompensiert wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Kompositbauteil ist mindestens ein Holzelement zumindest teilweise in das Betonelement eingebettet. Dies hat den Vorteil, dass das Kompositbauteil kostengünstig und einfach, z.B. durch ein Gießverfahren für die Einbringung von Beton, hergestellt werden kann.
Die metallische Struktur kann eine erste Schale und eine zweite Schale umfassen, die einen Hohlraum umschließen. Die beiden Schalen können durch Schweißen, Schrauben, Nieten oder Kleben fest miteinander verbunden sein, dadurch weist der Hohlraum einen umlaufend geschlossenen Querschnitt auf. Ein geschlossener Hohlraum hat in den meisten Belastungsfällen eine höhere Steifigkeit als ein einseitig offenes Profil. Das bedeutet, dass ein einen geschlossenen Hohlraum ausbildendes Profil bei gleicher Steifigkeit wesentlich leichter gebaut werden kann als ein offenes Profil.
Das Kompositbauteil kann im Hohlraum zwischen den Schalen angeordnet sein. Mit anderen Worten, kann das Kompositbauteil als Einleger ausgebildet sein. In diesem Fall kann das Kompositbauteil derart in dem Hohlraum angeordnet sein, dass der Hohlraum vollständig von dem Kompositbauteil ausgefüllt wird. Dabei ist es möglich, dass das Holzelement quer zur Längserstreckungsrichtung des Kompositbauteils an seinem Umfang vollständig von den Schalen beanstandet ist. Anders ausgerückt ist das Holzelement umfangsmäßig vollständig von dem Betonelement umgeben. Dies hat den Vorteil, dass das Holzelement im Wesentlichen vollständig vom Beton gegenüber negativen Außenumwelteinwirkungen geschützt ist.
Alternativ kann das Holzelement mit mindestens einer Längsseite an mindestens einer der Schalen anliegen. Weiterhin ist es möglich, dass das Kompositbauteil den Hohlraum quer zu seiner Längserstreckungsrichtung im Querschnitt betrachtet zumindest teilweise ausfüllt, was den Vorteil hat, dass das Gesamtgewicht des Aufbaus aus der Metallstruktur zusammen mit dem Kompositbauteil reduziert wird.
Gemäß einer Ausführungsform des Kompositbauteils kann das Holzelement als Balken ausgebildet sein, der vollständig in das Betonelement eingebettet ist. Eine Eigenschaft von Beton ist, dass Beton flüssigkeitsundurchlässig ist, daher schützt das Betonelement das vollständig eingebettete Holzelement vor dem Eindringen von Feuchtigkeit. Die Undurchlässigkeit des Betonelementes für Flüssigkeiten bzw. Wasser führt vorteilhaft auch zu einer hohen Frostbeständigkeit, die einen weiteren Witterungsschutz des eingebetteten Holzelementes gewährleistet. Mit anderen Worten, diese Art von Kompositbauteil kann auch zur Verstärkung einer teilweise offenen metallischen Struktur des Kraftfahrzeugs verwendet werden, da das vollständig in das Betonelement eingebettete Holzelement bereits vor der Witterung geschützt ist. Daher kann diese Art von Kompositbauteil zur Verstärkung verschiedener metallischer Strukturen des Kraftfahrzeugs verwendet werden. Ein solches Kompositbauteil kann mittels eines Gießverfahrens hergestellt werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Kompositbauteils kann das Holzbauteil ein Balken sein, der so in das Betonbauteil eingebettet ist, dass mindestens eine Stirnseite des Balkens freiliegt und entsprechend nicht von Beton bedeckt ist. Die Stirnseite kann eine kurze Seite eines im Wesentlichen langgestreckten Kompositbauteils sein. Ein solches Kompositbauteil kann auf einfache Weise hergestellt werden, indem ein Holzelement in Form eines Balkens in ein Betonelement mit einem Hohlraum eingesetzt wird.
Das Holzelement kann aus Massivholz, Brettholz oder Furnierholz gebildet sein, wodurch die Herstellung des Holzelementes flexibel ist. Da sich Holz im Wesentlichen einfach bearbeiten lässt, kann das Holzelement kostengünstig und einfach aus Massivholz hergestellt werden.
Brettholz und Furnierholz sind Überbegriffe für Hölzer, die aus mehreren, insbesondere kreuzweise aufeinander liegenden und miteinander verleimten Holzlagen (Furniere oder Bretter), aufgebaut sind. Die Holzelemente aus brett- oder furnierbasierten Hölzern können kostengünstig hergestellt werden und haben über ihre gesamte Ausdehnung homogenere Eigenschaften.
In einer Ausführungsform des Holzelements aus Furnierholz umfasst dieses zumindest zwei miteinander verleimte Holzlagen, wobei die Fasern aller Holzlagen in die gleiche Richtung verlaufen. Ferner kann das Holzelement aus Brettholz zumindest zwei miteinander verleimte Holzlagen umfassen, wobei die Fasern aller Holzlagen in die gleiche Richtung verlaufen. Dadurch kann das Holzelement auf einfache und kostengünstige Weise hergestellt werden.
Alternativ umfasst das Holzelement in einer Ausführungsform aus Furnierholz zumindest drei miteinander verleimte Holzlagen, wobei zumindest zwei Holzlagen derart miteinander verleimt sind, dass die Fasern der nebeneinanderliegenden Holzlagen in unterschiedliche Richtungen verlaufen, insbesondere orthogonal zueinander. Ferner kann das Holzelement aus Brettholz zumindest zwei miteinander verleimte Holzlagen umfassen, wobei die zumindest zwei Holzlagen derart miteinander verleimt sind, dass die Fasern der nebeneinanderliegenden Holzlagen in unterschiedliche Richtungen verlaufen, insbesondere orthogonal zueinander. Mit anderen Worten verlaufen die Fasern aller Holzlagen in Bezug zur jeweiligen benachbarten Holzlage kreuzweise. Dies hat den Vorteil, dass ein solches Holzelement ein mehr isotropes Verhalten zeigt, als ein Holzelement mit unidirektionalen Holzfasern, das eine höhere Zugfestigkeit in eine Richtung hat.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Kompositbauteils umfasst dieses eine Vielzahl von kleinen Holzelementen, die verteilt in das Betonelement eingebettet sind, wobei die kleinen Holzelemente jeweils ein Volumen VkH aufweisen, welchen zum Volumen des Kompositbauteils VK im Verhältnis steht: VK > 20 VkH. Dies hat den Vorteil, dass bei einer homogenen Verteilung des Holzmaterials in Form der kleinen Holzelemente das Kompositbauteil insgesamt eine isotrope Struktur im Betonelement aufweist. Dies bedeutet, dass das Kompositbauteil über seine gesamte Ausdehnung homogene Eigenschaften sowie ein verringertes Gewicht aufweist. Darüber hinaus kann ein solches Kompositbauteil durch eine Mischung aus kleinen Holzelementen und Betonmaterial als Gießbauteil angefertigt werden, das durch ein Gießverfahren in beliebiger Form kostengünstig und einfach hergestellt werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Kompositbauteils umfasst dieses mindestens ein in das Betonelement zumindest teilweise eingebettetes Metallelement. Beispielsweise kann eine Bewehrung aus Stahl mit einer Dichte von etwa 7,6 g/cm³ zumindest teilweise in das Betonelement eingebettet sein. Das Metallelement kann die auf das Betonelement des Kompositbauteils wirkenden Zugkräfte weitgehend aufnehmen und damit die Festigkeit des Kompositbauteils wesentlich erhöhen. Weiterhin kann das Metallelement derart in dem Betonelement eingebettet sein, dass mindestens ein Teil des Metallelements aus dem Betonelement herausragt. Dieser aus dem Betonelement herausragende Teil des Metallelements kann zur Anordnung bzw. Befestigung des Kompositbauteils an oder in der metallischen Struktur verwendet werden.
In einer Ausführungsform des Kompositbauteils ist vorgesehen, dass das Kompositbauteil mindestens ein in das Betonelement zumindest teilweise eingebettetes Textil- und/oder Faserelement umfasst. Dadurch kann insbesondere die Zugfestigkeit des Kompositbauteils wesentlich erhöht werden. Bei dem Faserelement kann es sich beispielsweise um ein Kohlenstofffaserelement handeln, was besonders vorteilhaft ist, wenn hohe gewichtsspezifische Festigkeiten und Steifigkeiten gefordert sind.
Bei allen vorgenannten Ausführungsformen ist weiterhin denkbar, dass das Kompositbauteil mehrere in das Betonbauteil eingebettete Holzelemente in Form von verteilten kleinen Holzelementen umfasst, wobei die kleinen Holzelemente jeweils ein Volumen VkH aufweisen, das im Verhältnis zum Volumen des Kompositbauteils VK steht: VK > 20 VkH, sowie mindestens ein zusätzliches Holzelement in Form eines Balkens.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein zumindest teilweise elektrisch antreibbarer Personenkraftwagen, umfassend wenigstens ein erfindungsgemäßes Kompositbauteil zur Verstärkung einer metallischen Struktur eines Kraftfahrzeugs.
Gemäß einer Ausführungsform des Kraftfahrzeugs kann das wenigstens eine Kompositbauteil an oder in einem Seitenschweller des Kraftfahrzeugs angeordnet sein. Ferner kann das wenigstens eine Kompositbauteil an oder in einem Dachseitenrahmen des Kraftfahrzeugs angeordnet sein. Es können auch mehrere Kompositbauteile vorhanden sein, wobei mindestens ein Kompositbauteil an oder in einem Seitenschweller des Kraftfahrzeugs angeordnet sein kann und mindestens ein anderes Kompositbauteil an oder in einem Dachseitenrahmen angeordnet sein kann.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele erläutert.
Es zeigen

1: eine seitliche Schnittansicht einer Ausführungsform eines Kompositbauteils und eine frontale Schnittansicht der Ausführungsform des Kompositbauteils;
2: eine Schnittansicht der in 1 dargestellten Ausführungsform des Kompositbauteils, wobei das Kompositbauteil in einer metallischen Struktur angeordnet ist;
3: eine seitliche Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Kompositbauteils und eine frontale Schnittansicht der Ausführungsform des Kompositbauteils;
4: eine seitliche Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Kompositbauteils und eine Schnittansicht der Ausführungsform des Kompositbauteils;
5: eine Schnittansicht der in 4 dargestellten Ausführungsform des Kompositbauteils, wobei das Kompositbauteil in einer metallischen Struktur angeordnet ist;
6 bis 9: Schnittansichten der Ausführungsformen des Kompositbauteils mit einem Holzelement, wobei das Kompositbauteil in einer metallischen Struktur angeordnet ist;
10 und 11: Schnittansichten weiterer Ausführungsformen des Kompositbauteils mit einem Holzelement, wobei das Kompositbauteil in einer metallischen Struktur angeordnet ist;
12 bis 15: Schnittansichten weiterer Ausführungsformen des Kompositbauteils mit einem Holzelement, wobei das Kompositbauteil in einer metallischen Struktur angeordnet ist;
16 bis 18: Schnittansichten von Ausführungsformen des Kompositbauteils mit mehreren Holzelementen, wobei das Kompositbauteil in einer metallischen Struktur angeordnet ist; sowie
19 bis 22: Schnittansichten weiterer Ausführungsformen des Kompositbauteils mit mehreren Holzelementen, wobei das Kompositbauteil in einer metallischen Struktur angeordnet ist.

1 zeigt eine seitliche Schnittansicht einer Ausführungsform eines Kompositbauteils 1, insbesondere eines zumindest teilweise elektrisch fahrbaren Kraftfahrzeugs, und eine Schnittansicht der Ausführungsform des Kompositbauteils 1. Das Kompositbauteil 1 ist zur Verstärkung einer in 2 und in 5 bis 22 dargestellten metallischen Struktur 2 eines Kraftfahrzeugs ausgebildet. Die metallische Struktur 2 kann als ein Seitenschweller oder ein Dachseitenrahmen ausgebildet sein.
Das Kompositbauteil 1 umfasst ein Betonelement 3 und wenigstens ein darin zumindest teilweise eingebettetes Holzelement 4. Gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform des Kompositbauteils 1 ist ein Holzelement 4 in Form eines Balkens 5 ausgebildet und ist so in das Betonelement 3 eingebettet, dass die beiden Stirnseiten 6 des Balkens 5 freiliegen. Die Stirnseite 6 ist hier eine kurze Seite eines im Wesentlichen langgestreckten Kompositbauteils 1.
Wie in 2 gezeigt, umfasst die metallische Struktur 2 eine erste Schale 7 und eine zweite Schale 8, die einen Hohlraum 9 einschließen. Die beiden Schalen 7, 8 sind in diesem Beispiel durch Schweißen, wie durch Schweißverbindungen 10 dargestellt, fest miteinander verbunden, wodurch der Hohlraum 9 einen umfangsmäßig geschlossenen Querschnitt aufweist.
Das Kompositbauteil 1 ist im Hohlraum 9 zwischen den Schalen 7, 8 angeordnet, beziehungsweise ist das Kompositbauteil 1 als Einleger ausgebildet. In diesem Fall ist das Kompositbauteil 1 derart in dem Hohlraum 9 angeordnet, dass der Hohlraum 9 vollständig von dem Kompositbauteil 1 ausgefüllt wird. Dabei ist das Holzelement 4 quer zur Längserstreckungsrichtung des Kompositbauteils 1 an seinem Umfang vollständig von den Schalen 7, 8 beanstandet. Aus Crashgründen ist es aber auch denkbar und möglich, den Hohlraum 9 nicht vollständig mit dem Kompositbauteil 1 zu füllen, wenn beispielsweise über die Länge verteilte Sicken eine gezielte Steifigkeit in Verbindung mit einem duktilen Verhalten erreicht werden soll, um die Beschleunigungsbelastungen im Crashfall zu optimieren.
Gemäß der in 3 dargestellten Ausführungsform des Kompositbauteils 1 ist das Holzelement 4 als Balken 5 ausgebildet, der vollständig in das Betonelement 3 eingebettet ist. Ein solches Kompositbauteil 1 kann auf einfachere Weise durch ein Gießverfahren hergestellt werden.
4 zeigt eine seitliche Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Kompositbauteils 1 und eine Frontschnittansicht der Ausführungsform des Kompositbauteils 1. Gemäß dieser Ausführungsform des Kompositbauteils 1 umfasst das Kompositbauteil 1 eine Vielzahl von Holzelementen 4, die in Form von kleinen Holzelementen 4 verteilt in das Betonelement 3 eingebettet sind, wobei die kleinen Holzelemente 4 jeweils ein Volumen VkH aufweisen, welchen zum Volumen des Kompositbauteils VK im Verhältnis steht: VK > 20 VkH. Dies hat den Vorteil, dass durch eine bessere homogene Verteilung des Holzmaterials, in Form der kleinen Holzelemente 4, das Kompositbauteil 1 insgesamt eine isotrope Struktur im Betonelement 3 aufweist. Darüber hinaus kann ein solches Kompositbauteil 1 durch eine Mischung aus kleinen Holzelementen 4 und Betonmaterial als Gießmasse angefertigt werden, die durch ein Gießverfahren kostengünstig und einfach hergestellt werden kann. 5 veranschaulicht eine Schnittansicht der in 4 dargestellten Ausführungsform des Kompositbauteils 1, wobei das Kompositbauteil 1 in einer metallischen Struktur 2 angeordnet ist.
6 stellt eine Schnittansicht einer Ausführungsform des Kompositbauteils 1 mit einem Holzelement 4 dar, wobei das Kompositbauteil 1 in einer metallischen Struktur 2 angeordnet ist. Das Holzelement 4 ist aus Massivholz 11 gebildet, und entlang des Querschnitts des Holzelements 4 gesehen, die größeren Seiten des rechteckigen Holzelements 4 parallel zu den Schalen 7 und 8. Ein solches Kompositbauteil 1 kann insbesondere zur Verstärkung der metallischen Struktur 2 bei normal zu den Schalen 7 und 8 wirkenden horizontalen Kräften 14 Verwendung finden. Die größere Seite des Holzelementes 4, die der senkrecht auf sie wirkenden horizontalen Kraft 14 zugewandt ist, würde eine effiziente Absorption der Energie ermöglichen, z.B. in einer Crash-Situation.
7 und 8 stellen Schnittansichten weiterer Ausführungsformen des Kompositbauteils 1 mit einem Holzelement 4 dar, wobei das Kompositbauteil 1 in einer metallischen Struktur 2 angeordnet ist. Das Holzelement 4 ist aus Furnierholz 12 gebildet. Bei den beiden Ausführungsformen umfasst das Holzelement 4 aus Furnierholz 12 zumindest zwei miteinander verleimte Holzlagen 13, wobei die Fasern aller Holzlagen 13 in die gleiche Richtung verlaufen. Dabei ist die Richtung der Fasern aller Holzlagen 13 gemäß der in 7 dargestellten Ausführungsform orthogonal im Vergleich zur Richtung der Fasern aller Holzlagen 13 gemäß der in 8 dargestellten Ausführungsform. Ferner kann gemäß einer in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsform das Holzelement aus Brettholz zumindest zwei miteinander verleimte Holzlagen umfassen, wobei die Fasern aller Holzlagen in die gleiche Richtung verlaufen.
9 stellt eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Kompositbauteils 1 mit einem Holzelement 4 dar, wobei das Kompositbauteil 1 in einer metallischen Struktur 2 angeordnet ist. Das Holzelement 4 ist aus Pressholz gebildet. Das Holzelement 4 aus Furnierholz 12 umfasst zumindest drei miteinander verleimte Holzlagen 13, wobei zumindest zwei Holzlagen 13 derart miteinander verleimt sind, dass die Fasern der nebeneinanderliegenden Holzlagen 13 in unterschiedliche Richtungen verlaufen, insbesondere orthogonal zueinander. Mit anderen Worten verlaufen die Fasern aller Holzlagen 13 in Bezug zur jeweiligen benachbarten Holzlage 13 kreuzweise. Dies hat den Vorteil, dass ein solches Holzelement 4 aufgrund seiner hohen Zugfestigkeit geeignet ist, sowohl vertikale Kräfte 16 als auch horizontale Kräfte 14 aufzunehmen. Außerdem kann ein solches Holzelement 4 besser geeignet sein, ein auf das Kompositbauteil 1 wirkendes Torsionsmoment 15 aufzunehmen. Ferner kann gemäß einer in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsform das Holzelement aus Brettholz zumindest zwei miteinander verleimte Holzlagen umfassen, wobei die zumindest zwei Holzlagen derart miteinander verleimt sind, dass die Fasern der nebeneinanderliegenden Holzlagen in unterschiedliche Richtungen verlaufen, insbesondere orthogonal zueinander.
10 stellt eine Schnittansicht einer Ausführungsform des Kompositbauteils 1 dar, wobei das Kompositbauteil 1 in einer metallischen Struktur 2 angeordnet ist. Das Holzelement 4 ist aus Massivholz 11 gebildet. Gemäß dieser Ausführungsformen ist das Holzelement 4 in das Betonelement 3 derart eingebettet, dass das Holzelement 4 quer zur Längserstreckungsrichtung des Kompositbauteils 1 an seinem Umfang vollständig von den Schalen 7, 8 beanstandet ist.
Ferner verlaufen, in der Ebene des Querschnitts des Holzelements 4 gesehen, die größeren Seiten des rechteckigen Holzelements 4 normal zu den Schalen 7 und 8. Ein solches Kompositbauteil 1 wäre vorteilhaft, um die metallische Struktur 2 zu verstärken, die anfällig für vertikale Kräfte 16 sind. Die größere Seite des Holzelementes 4, die der senkrecht auf sie einwirkenden Kraft zugewandt ist, würde es ermöglichen, die Energie effizient zu absorbieren, z.B. in einer Crash-Situation. Die hier gezeigte metallische Struktur 2 kann zum Beispiel ein Dachseitenrahmen sein.
Gemäß einer in 11 veranschaulichten Ausführungsform des Kompositbauteils 1 liegt das Holzelement 4 mit einer Längsseite an der zweiten Schale 8 an. Dadurch kann ein größeres Holzelement 4 in das Betonelement 3 eingearbeitet werden, was das Kompositbauteil 1 leichter macht und auch die CO₂-Bilanz weiter verbessert.
12 bis 15 stellen Schnittansichten weiterer Ausführungsformen des Kompositbauteils 1 dar, wobei das Kompositbauteil 1 in einer metallischen Struktur 2 angeordnet ist. Das Holzelement 4 ist aus Massivholz 11 gebildet. Gemäß der in 12, 14 und 15 veranschaulichten Ausführungsformen des Kompositbauteils 1 liegt das Holzelement an wenigstens einer der beiden Schalen 7 und 8 an. Bei der in 13 dargestellten Ausführungsform des Kompositbauteils 1 ist das Holzelement 4 so in das Betonelement 3 eingebettet, dass das Holzelement 4 mit der gegenüberliegenden Längsseite an den jeweiligen Seiten 7A und 7B der ersten Schale 7 anliegt. Dadurch kann ein größeres Holzelement 4 in das Betonelement 3 eingearbeitet werden, was das Kompositbauteil 1 leichter macht und auch die CO₂-Bilanz weiter verbessert.
16 bis 18 stellen Schnittansichten weiterer Ausführungsformen des Kompositbauteils 1 dar, wobei das Kompositbauteil 1 in einer metallischen Struktur 2 angeordnet ist und mehrere Holzelemente 4 aufweist. Die Holzelemente 4 sind hier aus Massivholz 11 gebildet.
Gemäß der in 16 veranschaulichten Ausführungsform des Kompositbauteils 1 sind ein erstes Holzelement 4A und ein zweites Holzelement 4B in das Betonelement 3 eingebettet. Ein solches Kompositbauteil 1 wäre zur Verstärkung der metallischen Struktur 2, die anfällig für normal zu den Seiten 7 und 8 wirkende horizontale Kräfte 14 ist, z.B. Seitenschweller, zu bevorzugen.
Zum besseren Verständnis ist eine Wirkrichtung 17 eingezeichnet, entlang der die horizontale Kraft 14 von der ersten Schale 7 auf die zweite Schale 8 wirkt. Entlang dieser Wirkrichtung 17 ist ein erster Bereich 3A des Betonelements 3 aufgrund seiner Druckfestigkeit geeignet, einen Teil der Kraft aufzunehmen, ferner wird ein weiterer Teil der übertragenden horizontalen Kraft 14 durch das erste Holzelement 4A aufgenommen, das aufgrund seiner Zugfestigkeit dazu geeignet ist. Bei einer crashbedingten Verformung des Kompositbauteils 1 wird das erste Holzelement 4A auf Zug belastet. Danach wird ein weiterer Teil der übertragenden horizontalen Kraft 14 von einem zweiten Bereich 3B des Betonelementes 3 aufgenommen, wobei dieser zweite Bereich 3B des Betonelements 3 überwiegend auf Druck belastet wird. Ein weiterer Teil der übertragenden horizontalen Kraft 14 wird von dem zweiten Holzelement 4B aufgenommen, wobei dieses zweite Holzelement 4B wiederum überwiegend auf Zug belastet wird. Danach wird ein weiterer Teil der übertragenden horizontalen Kraft 14 von einem dritten Bereich 3C des Betonelementes 3 aufgenommen und bewirkt hier wiederum eine Druckbelastung. Somit wird durch das Kompositbauteil 1 vorteilhaft eine Kraftverteilung sowie unterschiedliche Belastung der einzelnen Komponenten ermöglicht.
Eine entsprechende Belastung herrscht in äquivalenter Weise bei der in 17 dargestellten Ausführungsform des Kompositbauteils 1 bei Einwirkung einer vertikalen Kraft 16.
Gemäß der in 18 dargestellten Ausführungsform des Kompositbauteils 1 sind vier Holzelemente 4 in das Betonelement 3 eingebettet. Diese Ausführungsform des Kompositbauteils 1 kann als eine Kombination der Ausführungsformen von 16 und 17 gesehen werden. Diese hat den Vorteil, sowohl vertikale Kräfte 16 als auch horizontale Kräfte 14 aufnehmen zu können. Außerdem ist eine solche Ausführung der Holzelemente 4 besser geeignet, ein auf das Kompositbauteil 1 wirkendes Torsionsmoment 15 aufzunehmen. Außerdem wird das Kompositbauteil 1 durch die vier eingebetteten Holzelemente 4 leichter und hat eine verbesserte CO₂-Bilanz.
Die drei Ausführungsformen des Kompositbauteils 1 der 16 bis 18 zeigen jeweils, dass die jeweilige Vielzahl von Holzelementen 4 so in das Betonelement 3 eingebettet ist, dass jedes der jeweiligen Holzelemente 4 an seinem Umfang quer zur Längserstreckungsrichtung des Kompositbauteils 1 vollständig von den Schalen 7 und 8 beanstandet ist. Dabei sind die einzelnen Holzelemente 4 in den jeweiligen Ausführungsformen des Kompositbauteils 1 auch zueinander jeweils mit einem Abstand versehen.
19 bis 22 stellen Schnittansichten weiterer Ausführungsformen des Kompositbauteils 1 dar, wobei das Kompositbauteil 1 in einer metallischen Struktur 2 angeordnet ist. Die Holzelemente 4 sind aus Massivholz 11 gebildet. Bei der in 19 dargestellten Ausführungsform des Kompositbauteils 1 sind zwei Holzelemente 4 in das Betonelement 3 derart eingebettet, dass die jeweiligen Holzelemente 4 mit gegenüberliegenden Längsseiten an den beiden Seiten 7A und 7B der ersten Schale 7 anliegen. Dabei sind die beiden Holzelementen 4 voneinander jeweils mit einem Abstand versehen.
Bei der in 20 dargestellten Ausführungsform des Kompositbauteils 1 sind drei Holzelemente 4 in das Betonelement 3 derart eingebettet, dass die jeweiligen Holzelemente 4 mit einer Längsseite an den beiden Seiten 7A und 7B der ersten Schale 7 liegen. Dabei sind die drei Holzelemente 4 voneinander jeweils mit einem Abstand versehen.
Bei der in 21 dargestellten Ausführungsform des Kompositbauteils 1 sind zwei Holzelemente 4 in das Betonelement 3 derart eingebettet, dass die jeweiligen Holzelemente 4 mit einer Längsseite an den beiden Schalen 7 und 8 anliegen. Dabei sind die beiden Holzelemente 4 voneinander jeweils mit einem Abstand versehen.
Bei der in 22 dargestellten Ausführungsform des Kompositbauteils 1 sind drei Holzelemente 4 in das Betonelement 3 derart eingebettet, dass die jeweiligen Holzelemente 4 mit einer Längsseite an den beiden Schalen 7 und 8 liegen. Dabei sind die drei Holzelemente 4 voneinander jeweils mit einem Abstand versehen.
Bezugszeichenliste

1: Kompositbauteil
2: Metallische Struktur
3: Betonelement
3A: Erster Bereich des Betonelements
3B: Zweiter Bereich des Betonelements
3C: Dritter Bereich des Betonelements
4: Holzelement
4A: Erstes Holzelement
4B: Zweites Holzelement
5: Balken
6: Stirnseite
7: Erste Schale
7A: Erste Seite der ersten Schale
7B: Zweite Seite der ersten Schale
8: Zweite Schale
9: Hohlraum
10: Schweißverbindung
11: Massivholz
12: Furnierholz
13: Holzlage
14: Horizontale Kraft
15: Torsionsmoment
16: Vertikale Kraft
17: Wirkrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013204953 A1 [0009]
US 3718295 A [0010]

Claims

Kompositbauteil (1) zur Verstärkung einer metallischen Struktur (2) eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein Betonelement (3) und wenigstens ein darin zumindest teilweise eingebettetes Holzelement (4).
Kompositbauteil (1) zur Verstärkung einer metallischen Struktur (2) eines Kraftfahrzeugs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Holzelement (4) als Balken (5) ausgebildet ist, der vollständig in das Betonelement (3) eingebettet ist.
Kompositbauteil (1) zur Verstärkung einer metallischen Struktur (2) eines Kraftfahrzeugs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Holzelement (4) als Balken (5) ausgebildet ist, der derart in das Betonelement (3) eingebettet ist, dass zumindest eine Stirnseite (6) des Balkens (5) frei liegt.
Kompositbauteil (1) zur Verstärkung einer metallischen Struktur (2) eines Kraftfahrzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Holzelement (4) aus Massivholz (11) oder Furnierholz (12) gebildet ist.
Kompositbauteil (1) zur Verstärkung einer metallischen Struktur (2) eines Kraftfahrzeugs nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Ausführung des Holzelements (4) aus Furnierholz (12) dieses zumindest zwei miteinander verleimte Holzlagen (13) umfasst, wobei die Fasern aller Holzlagen (13) in die gleiche Richtung verlaufen; oder dass bei einer Ausführung des Holzelements (4) aus Brettholz dieses zumindest zwei miteinander verleimte Holzlagen umfasst, wobei die Fasern aller Holzlagen in die gleiche Richtung verlaufen.
Kompositbauteil (1) zur Verstärkung einer metallischen Struktur (2) eines Kraftfahrzeugs nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Ausführung des Holzelements (4) aus Furnierholz (12) dieses zumindest drei miteinander verleimten Holzlagen (13) umfasst, wobei zumindest zwei Holzlagen (13) derart miteinander verleimt sind, dass die Fasern der nebeneinanderliegenden Holzlagen (13) in unterschiedliche Richtungen verlaufen, insbesondere orthogonal zueinander; oder dass bei einer Ausführung des Holzelements (4) aus Brettholz dieses zumindest zwei miteinander verleimten Holzlagen umfasst, wobei zumindest zwei Holzlagen derart miteinander verleimt sind, dass die Fasern der nebeneinanderliegenden Holzlagen in unterschiedliche Richtungen verlaufen, insbesondere orthogonal zueinander.
Kompositbauteil (1) zur Verstärkung einer metallischen Struktur (2) eines Kraftfahrzeugs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompositbauteil (1) eine Vielzahl von Holzelementen (4) umfasst, die in Form von kleinen Holzelementen (4) verteilt in das Betonelement (3) eingebettet sind, wobei die kleinen Holzelemente (4) jeweils ein Volumen VkH aufweisen, welches zum Volumen des Kompositbauteils (1) VK im Verhältnis steht: VK > 20 VkH.
Kompositbauteil (1) zur Verstärkung einer metallischen Struktur (2) eines Kraftfahrzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompositbauteil (1) wenigstens ein in das Betonelement (3) zumindest teilweise eingebettetes Metallelement umfasst, und/ oder dass das Kompositbauteil (1) wenigstens ein in das Betonelement (3) zumindest teilweise eingebettetes Textil- und/oder Faserelement umfasst.
Kraftfahrzeug, insbesondere zumindest teilweise elektrisch antreibbarer Personenkraftwagen, umfassend wenigstens ein Kompositbauteil (1) zur Verstärkung einer metallischen Struktur (2) eines Kraftfahrzeugs gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Kompositbauteil (1) an oder in einem Seitenschweller des Kraftfahrzeugs oder an oder in einem Dachseitenrahmen des Kraftfahrzeugs angeordnet ist.