DE19501208C2 - Hybridrahmenträger - Google Patents
HybridrahmenträgerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Hybridrahmenträger.
Um bei Kraftfahrzeugen die Kraftstoffausnutzung zu verbessern
und die Herstellungskosten zu verringern, versucht man, ihr
Gewicht zu reduzieren. Dies bedeutet, daß man das Gewicht
verschiedener Bauteile reduzieren muß, beispielsweise das
Gewicht der Karosserieplatten, Türabdeckungen, Kofferraumdeckel,
Seitenteile, Motorhauben, Fahrgestellabdeckungen, Kopf
leisten und dergleichen. Zur Herstellung dieser Bauteile
werden leichte Aluminiumlegierungen, keramische Stoffe, hoch
feste Kunststoffe und -schäume verwendet.
Einen wesentlichen Anteil eines Gesamtgewichts eines Kraft
fahrzeugs bildet der Motor bzw. die Brennkraftmaschine. Man
setzt deshalb zur Gewichtsreduzierung keramische Materialien
bei der Herstellung von Motorbauteilen einschließlich des
Motorblocks selbst ein. Die keramischen Materialien haben eine
mit Metallen vergleichbare Festigkeit und gute Wärmewider
standseigenschaften.
Durch die Bereitstellung von Karosserieplatten und Fahrzeug
motoren mit geringerem Gewicht bestand bisher kein Bedürfnis,
auch das Gewicht eines Fahrzeugrahmens und des Chassis zu
verringern.
Ein konventioneller Fahrzeugrahmenträger 12 aus Stahl (inter
ner Stand der Technik) ist in der perspektivischen Ansicht
eines Kraftfahrzeugs 10 in Fig. 1 dargestellt. Der herkömm
liche Fahrzeugrahmenträger 12 aus Stahl ist in einem Stück mit
einem insgesamt C-förmigen Querschnitt hergestellt. Obwohl
seine strukturellen Charakteristika für die Verwendung als
Träger bei Kraftfahrzeugen ausreichen, ist er sehr schwer, was
zu einem ungünstigen Kraftstoffnutzungswirkungsgrad des Kraft
fahrzeugs, in das er eingebaut wird, führt.
Aus dem DE-GM 73 45 633 ist ein Bauelement aus elastomerem
Werkstoff, wie Gummi, bekannt, das zwei zueinander parallele
bandförmige Gurte hat, die durch ein Stegelement oder mehrere
Stegelemente miteinander verbunden sind, die über der Breite
des Gurtes in unterschiedlichen Positionen angeordnet sind;
wozu auch eine wellenförmig angeordnete Stegwand gehört. Das
Bauelement soll nachgiebig und flexibel sein und ein weiches
Auffangen von stoßförmigen Belastungen ermöglichen. Ferner
soll es korrosionsfest, billig herstellbar und aufrollbar
sein.
Das DE 86 00 280 U1 beschreibt ein Leichtbaumetallprofil mit
genau festlegbarer Belastbarkeit, das aus zwei parallelen
bandförmigen Gurten besteht, die durch einen beidseitig kon
tinuierlich angeschweißten, hin- und hergebogenen Steg ver
bunden sind. Das Leichtmetallprofil soll eine Reduzierung von
Material, Masse und Gewicht gegenüber ähnlichen Profilen bei
gleichbleibender Festigkeit und wirtschaftlicher Herstellung
verwirklichen.
Die DE 42 08 670 A1 gibt in ihrer Beschreibungseinleitung eine
ausführliche Übersicht über den Stand der Technik der bis
dahin bei Kfz-Stoßfängern eingesetzten Träger, nämlich Stahl
träger mit Doppel-T-Profil, die ein hohes Eigengewicht haben,
Träger aus Kunststoff, die unter Verwendung von mit Polye
sterharz getränkten Glasfasermatten hergestellt werden, was
hohe Werkzeugkosten erfordert und umweltschädlich sein soll,
Träger mit einer Matrix aus Thermoplast, die hohe Werkzeug
kosten bedingen und deren Eigenschaften nicht vollständig
kontrollierbar sein sollen, sowie durch Blasformen hergestell
te Träger in Form geschlossener Querschnitte aus Kunststoff
mit eingebetteten Verstärkungen, die einen hohen Materialauf
wand erfordern sollen.
Die DE 42 08 670 A1 beschreibt ferner einen Träger aus faser
verstärktem Kunststoff für Kfz-Stoßfänger, der mit erhöhter
Produktionsgeschwindigkeit herstellbar sein soll und dabei ein
geringes Gewicht und eine größtmögliche Stabilität aufweisen
soll. Dabei wird Kunststoff, beispielsweise in Form eines
Doppel-T-Profils, extrudiert, in das gerichtet Faserstränge,
Faserbänder oder Faserschläuche eingebettet werden, wobei zur
Schaffung eines Faserhybridaufbaus auch unterschiedliche
Fasern, beispielsweise aus Glas, Aramid und Kohle, verwendet
werden sollen.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht deshalb
darin, einen relativ kostengünstig herstellbaren, hochbelast
baren Rahmenträger mit geringem Gewicht zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen Hybridrahmenträger mit einem
Steg aus faserverstärktem Verbundwerkstoff, der einen langge
streckten Mittelteil aufweist, an dessen
längsverlaufenden Enden jeweils ein quer zum Mittelteil und in
dessen Längsrichtung verlaufendes langgestrecktes Bandelement
vorgesehen ist, das zwei gegenüberliegende seitliche Ränder
hat, und mit zwei Flanschen aus Metall gelöst, von denen jeder
auf einem Bandelement auf seiner vom Mittelteil abgewandten Seite
befestigt ist, wodurch der Steg sandwichartig zwischen den
Flanschen aus Metall eingeschlossen ist.
Zweckmäßigerweise ist wenigstens der Mittelteil einstückig
ausgebildet. In der Regel sind jedoch der Mittelteil und die
langgestreckten Bandelemente einstückig ausgebildet.
Zur Erhöhung der Festigkeit und Stabilität ist der Mittelteil
in seiner Längsrichtung durchgehend abwechselnd zu dem einem
und zu dem anderen seitlichen Rand der langgestreckten Band
elemente hin versetzt, so daß bezogen auf einen seitlichen
Rand abwechselnd Vorsprungsabschnitte und Vertiefungsabschnit
te ausgebildet sind, die bezogen auf den anderen Rand ent
sprechend Vertiefungsabschnitte und Vorsprungsabschnitte sind
und die miteinander verbunden sind.
Die Vertiefungsabschnitte und die Vorsprungsabschnitte sind
vorteilhafterweise ebene, sich in Längsrichtung des Stegs
erstreckende Abschnitte, die durch ebene, sich unter einem
stumpfen Winkel zur Längsrichtung des Stegs erstreckende
Übergangsabschnitte verbunden sind. Durch diese Ausgestaltung
wird eine einfache Ausformung des Stegs gewährleistet. Die
einzelnen Abschnitte können auch ohne Kanten ineinanderüberge
hend ausgebildet sein, wodurch im Querschnitt der Mittelteil
gewellt erscheint.
Für spezielle Ausgestaltungen erstrecken sich die Vertiefungs
abschnitte, Vorsprungsabschnitte und Übergangsabschnitte nur
über einen Teil des Mittelteils zwischen den Bandelementen.
Die Erstreckung des Mittelteils zwischen den Bandelementen
beträgt vorzugsweise wenigstens das Dreifache der Querer
streckung eines Bandelements zwischen seinen Rändern.
Die Erstreckung des Mittelteils zwischen den Bandelementen
beträgt vorteilhafterweise wenigstens das Zweifache der Que
rerstreckung eines Flansches aus Metall zwischen seinen Rän
dern.
Bevorzugt wird ferner, daß die Quererstreckung eines Flansches
zwischen seinen Rändern wenigstens das Doppelte der Querer
streckung eines Bandelements zwischen seinen Rändern beträgt.
Die Ränder der Bandelemente können parallel zu den Rändern der
Flansche verlaufen. Sie können sich jedoch auch parallel zu
dem Vertiefungsabschnitte, Vorsprungsabschnitte und Übergangs
abschnitte aufweisenden Mittelteil erstrecken und dadurch ent
sprechende Abschnitte aufweisen.
Der Steg soll eine Zugfestigkeit von wenigstens 70 MN/m²
aufweisen.
Bevorzugt wird ein Steg aus einem glasfaserverstärkten Ver
bundmaterial.
Die Flansche sollen aus einem Metall oder einer Metallegierung
bestehen, die aus der Gruppe ausgewählt wird, die hochfeste
korrosionsbeständige Stähle oder hochfestes Aluminium auf
weist.
Die Flansche sind zweckmäßigerweise mit den langgestreckten
Bandelementen des Stegs verklebt.
Der erfindungsgemäße Hybridrahmenträger widersteht Verformun
gen auch bei schweren Belastungen, hat ein geringes Gewicht,
was zur Reduzierung des Kraftfahrzeuggewichts und dadurch zu
einer besseren Kraftstoffnutzung führt, ist einfach und ohne
großen Aufwand herstellbar und hat eine große Auslegungsflexi
bilität, wodurch sich in ausgewählten Bereichen die gewünsch
ten Aufbauten verbessern lassen, ohne daß sie ein zu hohes
Gewicht erhalten. Außerdem ist die Auslegung des Hybridrahmen
trägers hinsichtlich seiner geometrischen Form abwandelbar, so
daß er um Fahrzeugbauteile herum gepackt werden kann, was mit
den bekannten gestanzten Stahlträgern nicht möglich ist.
Anhand von Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfin
dung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 2 perspektivisch eine erste Ausführungsform eines Hybrid
rahmenträgers gemäß der Erfindung,
Fig. 3 den Schnitt 3-3 von Fig. 2,
Fig. 4 eine Draufsicht auf den Hybridrahmenträger von Fig. 1
bis 3 und
Fig. 5 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines
Hybridrahmenträgers.
Der in Fig. 2 bis 5 gezeigte Hybridrahmenträger 14 hat einen
H- oder I-förmigen Querschnitt. Der Hybridrahmenträger 14 hat
ein Paar von Flanschen 16 und 16A, die durch einen Steg 20
getrennt sind. Die Flansche 16 und 16A sind langgestreckte
Metallbänder aus einem Stahl mit hoher Zugfestigkeit und hoher
Korrosionsbeständigkeit. Beim Einsatz in einem Kraftfahrzeug
hat jeder Flansch 16, 16A des Hybridrahmenträgers 14 eine
Dicke im Bereich von 3,5 bis 6 mm, was von den Spezifikationen
der Herstellung abhängt. Die Länge eines jeden Flansches 16,
16A ergibt sich insgesamt aus Längen- und Breitenabmessungen
des Kraftfahrzeugs.
Der sich zwischen den Längsrändern der Flansche 16 und 16A
erstreckende Steg 20 hat ein Mittelteil 22 und ein Paar von
sich an seinen gegenüberliegenden längsverlaufenden Enden
senkrecht dazu angeordneten langgestreckten Bandelementen 24
und 24A, die in einem Stück mit dem Mittelteil 22 ausgebildet
sind. Die langgestreckten Bandelemente 24 und 24A sind relativ
dünne Bänder, deren seitliche Ränder 38 und 38A sich bei der
Ausführungsform von Fig. 2 bis 4 parallel zu den seitlichen
Längsrändern 32 und 32A der Flansche 16 bzw. 16A erstrecken.
Die Flansche 16 und 16A sowie die langgestreckten Bandelemente
24 und 24A sind im allgemeinen gerade verlaufend und relativ
eben ausgebildet. Wenn die Flansche 16 und 16A gekrümmte
Abschnitte aufweisen, die nicht gezeigt sind, folgen die
Bandelemente 24 und 24a dieser Krümmung komplementär. Die
Befestigung der Flansche 16 und 16A an dem zugeordneten Band
element 24 und 24A erfolgt in der Regel durch Verkleben.
Beim Einsatz des Hybridrahmenträgers 14 bei einem Kraftfahr
zeug haben der Mittelteil 22 und die langgestreckten Band
elemente 24 und 24A vorzugsweise eine Dicke zwischen etwa 2,5
und 6 mm. Die langgestreckten Bandelemente 24 und 24A haben
eine mittlere Breite, d. h. Quererstreckung zwischen ihren
Rändern 38 und 38A zwischen etwa 23 und 32 mm.
Bei den gezeigten Ausführungsformen ist der Mittelteil 22 des
Stegs 20 im Querschnitt zahnprofilartig ausgebildet, so daß
gesehen von dem einen Rand 38 des Bandelements 24 aus abwech
selnd ein Vorsprungsabschnitt 28 und ein Vertiefungsabschnitt
30 aufeinanderfolgen, die jeweils durch einen Übergangsab
schnitt 34 verbunden sind. Jedem Vorsprungsabschnitt 28 ent
spricht gesehen vom anderen Rand 38A des langgestreckten
Bandelements 24 aus ein Vertiefungsabschnitt 30A, jedem Ver
tiefungsabschnitt 30 ein Vorsprungsabschnitt 28A (Fig. 3). Bei
dem gezeigten Ausführungsbeispiel bilden die Übergangsab
schnitte 34 mit den Vorsprungsabschnitten 28 bzw. den Ver
tiefungsabschnitten 30 jeweils einen stumpfen Winkel α. Die
Vertiefungsabschnitte 30, die Vorsprungsabschnitte 28 und die
Übergangsabschnitte 34 sind im wesentlichen ebene Flächen
abschnitte, die sich zwischen den Bandelementen 24 und 24A im
wesentlichen senkrecht dazu erstrecken. Die Mittellängsebene
des Stegs 20 geht bei der gezeigten Ausführungsform durch die
Mitten der Quererstreckung der Übergangsabschnitte 34.
Die Vertiefungsabschnitte 30 und Vorsprungsabschnitte 28
brauchen sich nicht über die gesamte Länge des Stegs 20 zu
erstrecken. Die seitliche Versetzung zwischen einem Vor
sprungsabschnitt 28 und einem Vertiefungsabschnitt 30 liegt
zwischen 10 mm und 15 mm. Der Steg 20 ist aus einem glasfaser
verstärkten Verbundmaterial hergestellt und hat eine Zugfe
stigkeit von wenigstens 70 N/mm² (10 150 psi).
Während bei der Ausführungsform von Fig. 2 bis 4 die Flansche
16 und 16A und die langgestreckten Bandelemente 24 und 24A in
Längsrichtung durchgehend verlaufende gerade Ränder 32 und 32A
bzw. 38 und 38A aufweisen, folgen bei der Ausführungsform von
Fig. 5 die Ränder 40 und 40A der langgestreckten Bandelemente
24 und 24A parallel dem Verlauf der Vorsprungsabschnitte 28,
Vertiefungsabschnitte 30 und Übergangsabschnitte 34. Wenn
beispielsweise die Erstreckung des Vorsprungsabschnitts 28
bzw. eines Vertiefungsabschnitts 30 in Längsrichtung des
Mittelteils 22 jeweils 5 cm beträgt, hat im Idealfall der
zugeordnete Rand 40 bzw. 40A des Bandelements 24A ebenfalls
eine Länge von etwa 5 cm.
Zur Verbindung eines Stegs 20 mit den Flanschen 16 und 16A
wird entweder auf den den Bandelementen 24 und 24A zugewandten
Flächen 18 und 18A der Flansche 16 und 16A oder auf die den
Flanschen 16 und 16A zugewandten Außenflächen 26 und 26A der
Bandelemente 24 und 24A oder auf beide Flächen Klebstoff
aufgebracht. Dann werden die Flansche 16 und 16A auf die Band
elemente 24 und 24A so aufgelegt, daß Symmetrie bezüglich der
Längsmittelebene des Hybridrahmenträgers 14 gegeben ist. Für
die Verklebung werden im Handel erhältliche Klebstoffe auf
Epoxy- oder Urethanbasis verwendet.
Es können auch andere Befestigungsarten, wie mechanische
Befestigung durch Muttern und Bolzen, Zapfen und Nieten zur
Anwendung gelangen. An den von den Bandelementen 24 und 24A
abgewandten Flächen können mit den Flanschen 16 und 16A ande
ren Rahmenbauelemente wie Querträger, Motorlager oder Feder
aufhängungen durch Verschweißen, Vernieten oder Verschrauben
verbunden werden.
Claims (14)
1. Hybridrahmenträger (14)
- - mit einem Steg (20) aus faserverstärktem Verbundwerk stoff, der einen langgestreckten Mittelteil (22) auf weist, an dessen längsverlaufenden Enden jeweils ein quer zum Mittelteil (22) und in dessen Längsrichtung verlaufendes langgestrecktes Bandelement (24, 24A) vor gesehen ist, das zwei gegenüberliegende seitliche Ränder (38, 38A; 40, 40A) hat, und
- - mit zwei Flanschen (16, 16A) aus Metall, von denen jeder auf einem Bandelement (24, 24A) auf seiner vom Mittel teil (22) abgewandten Seite befestigt ist, wodurch der Steg (20) sandwichartig zwischen den Flanschen (16, 16A) aus Metall eingeschlossen ist.
2. Hybridrahmenträger (14) nach Anspruch 1, bei welchem
wenigstens der Mittelteil (22) einstückig ausgebildet ist.
3. Hybridrahmenträger (14) nach Anspruch 1, bei welchem der
Mittelteil (22) und die langgestreckten Bandelemente (24,
24A) einstückig ausgebildet sind.
4. Hybridrahmenträger (14) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, bei welchem der Mittelteil (22) in seiner
Längsrichtung durchgehend abwechselnd zu dem einem und zu
dem anderen seitlichen Rand (38, 38A; 40, 40A) der langge
streckten Bandelemente (24, 24A) hin versetzt ist, so daß
bezogen auf den einen seitlichen Rand (38) abwechselnd
Vorsprungsabschnitte (28) und Vertiefungsabschnitte (30)
ausgebildet sind, die bezogen auf den anderen Rand (38A)
entsprechend Vertiefungsabschnitte (30A) und Vorsprungsab
schnitte (28A) sind, und die miteinander verbunden sind.
5. Hybridrahmenträger (14) nach Anspruch 4, bei welchem die
Vertiefungsabschnitte (30, 30A) und die Vorsprungsab
schnitte (28, 28A) ebene, sich in Längsrichtung des Stegs
(20) erstreckende Abschnitte sind, die durch ebene, sich
unter einem stumpfen Winkel (α) zur Längsrichtung des
Stegs (20) erstreckende Übergangsabschnitte (34) verbunden
sind.
6. Hybridrahmenträger (14) nach Anspruch 4 oder 5, bei wel
chem sich die Vertiefungsabschnitte (30, 30A), die Vor
sprungsabschnitte (28, 28A) und die Übergangsabschnitte
(34) nur über einen Teil des Mittelteils (22) zwischen den
Bandelementen (24, 24A) erstrecken.
7. Hybridrahmenträger (14) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, bei welchem die Erstreckung des Mittelteils
(22) zwischen den Bandelementen (24, 24A) wenigstens das
Dreifache der Quererstreckung eines Bandelements (24, 24A)
zwischen seinen Rändern (38, 38A) beträgt.
8. Hybridrahmenträger (14) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, bei welchem die Erstreckung des Mittelteils
(22) zwischen den Bandelementen (24, 24A) wenigstens das
Zweifache der Quererstreckung eines Flansches (16, 16A)
aus Metall zwischen seinen Rändern (32, 32A) beträgt.
9. Hybridrahmenträger (14) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, bei welchem die Quererstreckung eines Flansches
(16, 16A) zwischen seinen Rändern (32, 32A) wenigstens das
Doppelte der Quererstreckung eines Bandelements (24, 24A)
zwischen seinen Rändern (38, 38A; 40, 40A) beträgt.
10. Hybridrahmenträger (14) nach einem der Ansprüche 4 bis 9,
bei welchem sich die Ränder (40, 40A) der Bandelemente
(24, 24A) parallel zu dem Vertiefungsabschnitte (30, 30A),
Vorsprungsabschnitte (28, 28A) und Übergangsabschnitte
(34) aufweisenden Mittelteil (22) erstrecken und dadurch
entsprechende Abschnitte aufweisen.
11. Hybridrahmenträger (14) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, bei welchem der Steg (20) eine Zugfestigkeit
von wenigstens 70 N/mm² aufweist.
12. Hybridrahmenträger (14) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, bei welchem der Steg (20) aus einem glasfaser
verstärkten Verbundmaterial besteht.
13. Hybridrahmenträger (14) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, bei welchem die Flansche (16, 16A) aus einem
Metall oder einer Metallegierung bestehen, die aus der
Gruppe ausgewählt wird, die hochfeste korrosionsbeständige
Stähle oder hochfestes Aluminium aufweist.
14. Hybridrahmenträger (14) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, bei welchem die Flansche (16, 16A) mit den
langgestreckten Bandelementen (24, 24A) des Stegs (20)
verklebt sind.
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