DE19501208C2 - Hybridrahmenträger - Google Patents

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.