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Die Erfindung betrifft eine Baugruppe
einer Fahrgastzelle für
ein Kraftfahrzeug, insbesondere die Bodengruppe einer Fahrgastzelle
eines Personenkraftwagens, die durch einen Steckrahmen oder JointingFrame
und ein oder mehrere Flächenbauteile aus
faserverstärktem
Kunststoff aufgebaut ist, wobei der Steckrahmen und das mindestens
eine Flächenbauteil
im wesentlichen ohne Schweißverbindungen, Nieten
oder Schrauben sondern durch Klebeverbindungen aneinander gefügt sind,
sowie ein Verfahren zu dessen Fertigung, wobei der Steckrahmen um
das zentrale Flächenbauteil
herumgebaut wird.
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Im Fahrzeugbau, insbesondere im Automobilbau,
spielt die Reduzierung des Betriebsgewichtes aus ökonomischen
Erwägungen
zunehmend an Bedeutung. Unter den verschiedenen Konzepten der Gewichtseinsparung
sind insbesondere der Ersatz von Stahlträgern und -blechen durch Leichtmetall, beispielsweise
Aluminium, oder faserverstärkte Kunststoffe
(FVK) von Bedeutung. Da sich die konventionelle Stahlbauweise im
allgemeinen nur teilweise durch die neuen Werkstoffe substituieren
lässt, gelangt
man zur Hybridbauweise von ganzen Karosseriebaugruppen.
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Diese neuen Werkstoffe sind nicht
mit Stahl verschweissbar, so dass alternative Verbindungstechniken
beschritten werden. Im Falle der Verbindung von Kunststoffteilen
mit Stahl oder Leichtmetall ist es üblich flächig zu verkleben und zusätzlich punktförmig zu
vernieten oder zu verschrauben. Der Kraftschluss zwischen den beiden
Werkstoffen wird dabei im wesentlichen über die Nieten oder Schrauben
herbeigeführt.
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Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, dass
es zu Korrosionsbroblemen kommen kann, was auf die Bildung von Lokalelementen
zurückzuführen ist.
Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Verstärkungsfasern
der Kunststoffteile, im folgenden FVK (FaserVerstärkteKunststoffe),
aus elektrisch leitenden Fasern, insbesondere Kohlenstofffasern
bestehen.
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Gerade die Kohlenstofffasern, bzw,
die hieraus erhältlichen
kohlenstoffaserverstärkten
Kunststoffe (CFK) sind aufgrund ihrer hohen Festigkeit und ihres
geringen spezifischen Gewichtes für den Kraftfahrzeugleichtbau
besonders geeignet.
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Ein Ansatz für alternative Verbindungstechniken
des Rahmens von Fahrgastzellen oder Wagenkästen wird beispielsweise in
den Schriften
EP 0
146 716 B1 oder
DE-A-2
018 802 ausgeführt.
Es werden Hohlprofile verwendet, die mittels Verbindungselementen
an den Knotenpunkten oder Knotenelementen zum Rahmen zusammengesteckt
werden. Die Integration von Blechen oder andersartigen Flächenbauteilen
ist in dieser Prozessstufe jedoch noch nicht vorgesehen.
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Die nur punktuelle kraftschlüssige Verbindung
durch Verbindungselemente, sowie Schrauben oder Nieten, hat den
Nachteil, dass hier unter Belastung sehr hohe Spannungsspitzen auftreten
können.
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Dies ist bei der Verbindung einzelner
Träger zum
Rahmen einer Fahrgastzelle problematisch, da hier an den Verbindungsstellen
sehr große
Kräfte aufgenommen
werden müssen,
insbesondere in Crash-Situationen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, eine Baugruppe einer Fahrgastzelle in Hybridbauweise mit
Leichtbauwerkstoffen (beispielsweise Leichtmetalle oder FVK) bereitzustellen,
die eine hohe Festigkeit und Steifigkeit aufweist, Korrosionsprobleme
vermeidet und in einfacher Weise herstellbar ist.
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Die Erfindung löst die Aufgabe mithilfe einer Steckrahmenkonstruktion
aus Hohlprofilrohren, die aus Stahl oder Leichtbauwerkstoff bestehen
können und
die mindestens ein Flächenbauteil
aus faserverstärktem
Kunststoff vollständig
rundum einfassen, wobei die kraftschlüssige Verbindung zwischen den unterschiedlichen
Werkstoffen ausschließlich
durch Verklebung erfolgt und mithilfe eines Verfahrens zur Herstellung
der Steckrahmenkonstruktion, wobei als Längsträger des Steckrahmens innere
und äußere Profilrohre
vorgesehen sind, die ineinander gesteckt und zusammengefahren werden,
sowie gegebenenfalls weitere in den Längsträger steckbare Säulenelemente,
wobei die kraftschlüssige
Verbindung aller beteiligten Elemente im wesentlichen nur durch
Klebeverbindungen erfolgt.
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Die Erfindung geht von der Überlegung
aus, dass das Ziel der Gewichtsreduzierung insbesondere durch Substitution
von Blechen (metallische Flächenbauteile)
durch FVK-Flächenbauteile
erreicht werden kann, wobei die Flächenbauteile möglichst
großflächig fest
mit dem tragenden Rahmen der Fahrgastzelle verbunden werden müssen. Dieses
Ziel wird dadurch erreicht, dass die Träger des Rahmens zumindest teilweise
mit einem U-förmigen Profil
ausgestattet sind, welches um die Kanten des Flächenbauteils oder der Flächenbauteile
beidseitig umgreift.
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Im folgenden wird die Erfindung für ein einziges
Flächenbauteil
beschrieben. Die Ausführungen beziehen
sich aber auch in gleicher Weise auf mehrere oder zusammengesetzte
Flächenbauteile,
da für sie
das gleiche erfinderische Prinzip gilt.
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Im Gegensatz zu der aus
EP 0 146 716 B1 oder
DE-A-2 018 802 bekannten
Vorgehensweise wird der Rahmen aus zusammensteckbaren Trägern in
Hohlprofilform erfindungsgemäß um das
Flächenbauteil
herum aufgebaut. Nur hierdurch wird es möglich das Flächenbauteil
in einfacher Weise allseitig vom U-Profil zu umfassen.
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Weitere gewichtssparende Effekte
können über die Substitution von Rahmenelementen aus Stahl
durch Elemente aus Leichtbauwerkstoffen erfolgen.
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Zur Verdeutlichung des der Erfindung
zugrundeliegenden Grundprinzips können die Zeichnungen 1 bis 3 herangezogen werden.
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Dabei zeigen
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1:
Flächenbauteil
(1) aus faserverstärktem
Kunststoff mit den Einzelkomponenten des JointingFrame vor dem Zusammenstekken,
umfassend die Hohlprofil-Außenrohre
(7), die Hohlprofil-Innenrohre
(3, 3')
und die Querträger
(4, 4').
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2:
Fahrgastzelle mit Flächenbauteil
(1) und dem zusammengesteckten JointingFrame oder Steckrahmen
(6); die Säulenelemente
(5) sind vor dem Einstecken in die topfförmige Aussparung
(7') und
die Säulenelemente
(5') nach
dem Einstecken in den Topf (7) gezeigt.
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3:
Querschnitt durch die Ebene des Flächenbauteils (1) und
die angesetzten Außenrohre
(2) mit U-förmigem
Profil
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Das Grundprinzip der Verbindung der
Komponenten des Steckrahmens (JointingFrame) und des Flächenbauteils
wird in 3 verdeutlichet.
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Das Flächenbauteil (1) wird
an seiner Außenkante
vom U-förmigen Profil
des Außenrohrs
(2) umschlossen. Wesentliches Element dieser Anordnung
ist die großflächige formschlüssige Verbindung. Im
Gegensatz zur konventionellen Bauweise, wo das Flächenbauteil
lediglich von oben auf einen Wulst oder einer Auflagekante aufgelegt
wird, erfolgt die Halterung des Flächenbauteils hier sowohl von
der Ober-, wie von der Unterseite. Der U-förmige Wulst des Profilrohrs,
der die Kante des Flächenbauteils umschließt, führt zu einer
sehr festen mecha nischen Fixierung des Flächenbauteils. Dies hat den
Vorteil, dass die Konstruktion bereits vor der Verklebung und im
allgemeinen ohne weitere Fixiermittel eine für die weiteren Verarbeitungsschritte
ausreichende Festigkeit und Biege- oder Verdreh-Steifigkeit (Torsionssteifigkeit)
aufweist.
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In der fertigen Fahrgastzelle, beziehungsweise
nach der Verklebung trägt
diese Bauweise dann in erheblichem Maße zur Torsionssteifigkeit
der Gesamtkonstruktion bei.
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Das Außenrohr (2) des JointingFrame
kann dabei einteilig, wie zum Beispiel in 3 ausgeführt, oder mehrteilig aufgebaut
sein.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der
mehrteiligen Bauweise sieht vor, das Außenrohr an der der Kante des
Flächenbauteiles
zugewandten Seite mit einem U-förmigen
Profilträger
zu verbinden, welcher für
die Aufnahme des Flächenbauteils
geeignet ist. Die Verbindung zwischen Außenrohr und Profilträger kann
in bekannter Weise durch Schweißen,
Vernieten oder Verschrauben erfolgen oder ebenfalls durch Verklebung.
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Die Verbindung zwischen der Bodengruppe und
dem vorderen und hinteren Querträger
(4, 4')
erfolgt erfindungsgemäß über Hohlprofil-Rohre,
oder Innenrohre (3, 3'), die in die Außenrohre
(2) eingesteckt und eingefahren werden. Die Innenrohre
werden nach dem Einfahren zu mindestens 80 % ihrer Länge vom
entsprechenden Außenrohr überlappt, wobei
das Außenrohr über mindestens
70% seiner Länge
die Innenrohre umgibt.
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Innen- und Außenrohr sind über einen
Kleber flächig
miteinander verbunden. Die Innenrohre (3, 3'), die bevorzugt
aus Stahl oder Aluminium bestehen, sind in bekannter Weise mit den
Querträgern fest
verbunden, bevorzugt mittels Verschraubung oder Verschweißung. Durch
den großflächigen Formschluss
und die große
Klebefläche
wird eine sehr feste Verbindung der Rohre untereinander erreicht,
so dass auf weitere Befestigungselemente, wie Schrauben oder Schweißpunkte
verzichtet werden kann.
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Der Querschnitt der Hohlprofilrohre
ist bevorzugt verwinkelt, besonders bevorzugt quadratisch oder rechteckig.
Im Vergleich zu einer Ausführung
mit rundem Querschnitt wird hier eine Verkantung gegenüber einer
Verdrehung in Längsachse
der Rohre erreicht.
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Besonders bevorzugt wird der JointingFrame aus
Stahl, oder Edelstahl und das Flächenbauteil
aus CFK ausgebildet, wobei die Konstruktion eine Bodengruppe für Personenkraftwagen
bildet. Das Außenrohr
stellt hier gleichzeitig den Schwellerkasten eines PKW dar. In einer
kostengünstigeren
Variante besteht das Flächenbauteil
aus glasfaserverstärktem Kunststoff
(GFK).
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Es ist leicht ersichtlich, dass das
erfindungsgemäße konstruktive
Grundprinzip eine große
Werkstoffvielfalt für
die einzelnen Komponenten des JointFrame oder Steckrahmens zulässt. So
können
für die einzelnen
Komponenten neben Stahl, auch Leichtmetalle oder faserverstärkte Kunststoffe
eingesetzt werden. Mittels der Verklebung lassen sich in einfacher
Weise unterschiedlichste Werkstoffe zuverlässig aneinanderfügen.
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Das der Erfindung zugrundeliegende
Konstruktionsprinzip ist indes nicht auf die Bildung einer die Bodengruppe
umschließenden
Zelle beschränkt. In
analoger Weise lässt
sich ebenfalls eine Dachkonstruktion aufbauen, wobei das Flächenbauteil
dann entsprechend das Dach ausbildet. Auch hier bildet die Steifigkeit
der Konstruktion einen wesentlichen Anwendungsvorteil. Bevorzugter
Werkstoff für
die Hohlprofil-Elemente
ist hierbei CFK oder GFK.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
liegt in der Prozessvereinfachung gegenüber der konventionellen Verbindungstechnik über Verbindungselemente.
So müssen
für einen
annähernd
flächigen
Kraftschluss zahlreiche Nieten oder Schrauben einzeln gesetzt werden,
während
die Verklebung in einem einzigen Arbeitsschritt eine flächige Verbindung
zwischen Rahmen und Flächenbauteil ergibt.
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Die Verbindung zwischen Querträgern und Flächenbauteil
(1) erfolgt ebenfalls durch Verklebung. Gegebenenfalls
kann bei den Querträgern
auf U-förmige,
beziehungsweise die Kante beidseitig umschließende wulstartige Vorsprünge, verzichtet werden.
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Das Flächenbauteil kann, insbesondere wenn
es die Bodengruppe einer Fahrgastzelle eines größeren Kraftfahrzeuges bildet,
ebenso mit einem oder mehreren metallischen Längsträgern verstärkt sein, deren Konstruktionsprinzip
bevorzugt den Hohlprofilrohren der Außenrohre (2) entspricht,
in die mit den Querträgern
verbundene Innenrohre eingefahren werden können.
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Die Verklebung selbst kann durch
die bekannten Klebesysteme auf ein oder Mehrkomponentenbasis erfolgen.
Bevorzugt werden kalthärtende Polymere
verwendet, besonders bevorzugt auf der Basis von Epoxiden, Polyurethanen
oder Acrylaten. Je nach Werkstoffkombination können in der Fahrgastzelle unterschiedliche
Kleber zur Anwendung kommen.
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Zumindest die Hohlprofil-Innenrohre
sind zur besseren Verteilung des Klebstoffes bevorzugt mit Klebekanälen versehen,
die zumeist parallel zur Längsrichtung
der Rohre verlaufen. Beispielsweise wird zuerst ein Ringkanal gefüllt und
dann der Klebstoff über
die parallelen Kanäle
verteilt. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn nach dem
Fügen beziehungsweise
Einstecken der Innenrohre Klebstoff über ein Injektionsverfahren
zugeführt
werden soll.
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Die Klebekanäle können auch in der Weise angelegt
werden, dass sie die Kontaktfläche
der Knotenpunkte vollständig
mit Klebstoff versorgen.
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In einer weiteren vorteilshaften
Ausgestaltung der Erfindung weisen die Hohlprofilrohre (2, 3, 3') korrespondierende
topf förmige
Aussparungen (7, 7')
zur Aufnahme von weiteren Profilrohren oder Säulenelementen (5, 5') in Steckverbindung
auf. Hierdurch werden Verbindungsknoten (8) definiert.
Im zusammengeschobenen Zustand der Hohlprofilrohre kommen die korrespondierenden
Aussparungen exakt übereinander
zu liegen. Die Säulenelemente
werden mittels der hierdurch gebildeten Töpfe formschlüssig gehalten.
Die kraftschlüssige
Verbindung erfolgt danach durch Verklebung.
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Um in konventionellen Rahmenkonstruktionen
eine vergleichbare mechanische Festigkeit des Knotens zu erreichen
ist im allgemeinen eine aufwändige
Schraub- und/oder Schweißkonstruktion
notwendig.
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Typischerweise werden in dieser Weise 4 Knotenpunkte
einer Fahrgastzelle gebildet. Bevorzugt weisen die Töpfe der 4 Knotenpunkte
die gleiche Struktur auf, so dass sich die Anzahl unterschiedlicher
Strukturelemente weiter verringern lässt. So können beispielsweise die Innenrohre
(3) und (3') baugleich
sein. Diese Reduzierung von Strukturelementen, beziehungsweise unterschiedlichen
Bauteilen stellt einen weiteren Vorteil der Erfindung dar.
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Ein weiterer Vorteil, der sich aus
der Durchsteckverbindung der Säulenelemente
in die Knotenpunkte ergibt, ist das Verkeilen der Hohlprofilrohre, so
dass ein Verschieben der Innen- und Außenrohre gegeneinander völlig unterbunden
wird.
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In einer besonders bevorzugten Ausführung der
Erfindung werden durch die Säulenelemente
(5) die B-Säule
und durch die Säulenelemente
(5') die A-Säule der
Fahrgastzelle eines PKW gebildet. Die Säulenelemente können dabei
vor dem Einstecken bereits weitere Komponenten der Fahrgastzelle,
wie beispielsweise Rückenplatte,
oder Träger
für Windschutzscheibe
oder Armaturenbrett beinhalten. Dies ist exemplarisch in 2 ausgeführt.
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Als weiterer Vorteil der Verwendung
von Klebeverbindungen ist die gute Geräuschisolierung der polymeren
Klebstoffe zu nennen. Dieser Effekt lässt sich gezielt weiter verbessern,
indem als Klebstoff aufgeschäumte
Polymere, beispielweise Polyurethane, verwendet werden. Das Flächenbauteil
lässt sich so
akustisch vollständig
vom JointingFrame abkoppeln.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung
ist ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe für die Fahrgastzelle
eines Kraftfahrzeuges in Hybridbauweise.
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Das erfindungsgemäße Verfahren gliedert sich
in die wesentlichen Prozessschritte
- a) Herstellen
eines Flächenbauteiles
(1) aus faserverstärktem
Kunststoff, insbesondere aus CFK, oder GFK
- b) Zusammenstecken oder Fügen
des Flächenbauteiles
und der Hohlprofil-Außenrohre
(2)
- c) Einstecken und Zusammenfahren der Hohlprofil-Innenrohre (3, 3') in die Außenrohre
(2)
- d) gegebenenfalls Einstecken von Säulenelementen (5)
und/oder (5')
in die topfförmigen
Aussparungen (7, 7')
an den Knotenpunkten (8)
- e) Endverklebung der gefügten
oder gesteckten Verbindungen, wobei eine teilweise Verklebung auch
direkt nach b) oder c) erfolgen kann
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Das erfindungsgemäße Baukonzept sieht also vor,
das zentrale Flächenbauteil
der Baugruppe sukzessive mit den Komponenten des Steckrahmens oder
JointFrame zu umgeben und weicht daher prinzipiell von der konventionellen
Bauweise ab, zunächst
einen Rahmen zu fertigen und in diesen die Flächenbauteile einzupassen.
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Das erfindungsgemäße Baukonzept lässt sich
auch als modulares Konzept auffassen. Die einzelnen Module, umfassend
Außenrohr/Flächenbauteil
(Flächenmodul)
oder Innenrohre/Querträger (Querträgermodul)
lassen sich in unterschiedlichster Weise oder verschiednen Varianten
ausführen
und mit den anderen Modulen verbinden, ohne dass das Konstruktionsprinzip
oder die anderen Module verändert
werden müssten.
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Dabei ist es offensichtlich, dass
der Erfindungsgedanke auch die Fertigungsvarianten umfasst, bei
denen die einzelnen Module bereits weitere Komponenten oder ganze
Baugruppen umfassen.
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Als weiteres Modul treten die Säulenelemente
(5, 5')
(Seitensäulenmodul)
auf, die beispielsweise bereits Rahmen für Windschutzscheibe, Armaturenbrett
oder Rückenplatte
umfassen können.
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Bevorzugt ist der zur kraftschlüssigen Verbindung
vorgesehene Klebstoff bereits vor Schritt b) auf die entsprechenden
Seitenkanten des Flächenbauteils
oder in das U-Profil des Hohlprofilrohrs aufgetragen worden. Gegebenenfalls
können
Flächenbauteil
und Hohlprofil Nut/Steg-Segmente aufweisen, die beim Zusammenstecken
einrasten und ein Verrücken
oder Verschieben der Bauteile gegeneinander verhindern.
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In einer weiteren bevorzugten Verfahrensvariante
wird vor Schritt b) in das äußere Hohlprofilrohr ein
Klebstoffreservoir eingebracht, das das beim Zusammenfahren von
Außen-
und Innenrohr gleichmäßig über die
Oberfläche
des Hohlprofil-Innenrohrs beziehungsweise
die Kontaktfläche
verteilt wird. Damit der Kleber durch das Hohlprofil-Innenrohr verdrängt und
verteilt wird, ist es an der Stirnseite die eingefahren wird geschlossen.
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Die Verklebung, das heißt das Aushärten des Klebstoffes,
des Flächenbauteils
(1) mit den Hohlprofil-Außenrohren (2) kann
vor oder zusammen mit der Verklebung von Innen- (3, 3)
und Außenrohren
(2) erfolgen.
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Bei der letzten Verklebung (Endverklebung) können somit
auch unterschiedliche Kleberschichten gemeinsamen ausgehärtet werden.
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Durch die Steckverbindung der Innenrohre
in die Außenrohre
wird bereits ohne Verklebung eine sehr feste und steife Konstruktion
erhalten, die sich im allgemeinen auch ohne besondere Spannvorrichtungen
oder Halterungselemente der weiteren Montage zuführen lässt.
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Ebenso kann die Verklebung der weiteren Profilrohre
oder Säulenelemente
(5, 5')
mit den ineinandergeschobenen Hohlprofilrohren (2, 3, 3') zusammen oder
zeitlich getrennt von den anderen Klebeprozessen erfolgen.
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Bevorzugt wird die gesamte Fahrgastzelle, umfassend
das Flächenbauteil,
die Profilrohre, die Querträger
und die Säulenelemente
zunächst
nur zusammengesteckt und erst hierauf verklebt. Dabei wird der Kleber
bevorzugt mittels eines Injektionsverfahrens in die noch nicht mit
Kleber ausgestatteten Kontaktflächen
eingepresst.
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Besonders bevorzugt wird zunächst das
Flächenmodul
zusammengeklebt, hierauf die Querträgermodule eingefahren und die
Säulenmodule
eingesteckt und zuletzt der benötigte
Kleber mittels Injektion zugeführt.