DE19813092A1

DE19813092A1 - Structural component for motor vehicles

Info

Publication number: DE19813092A1
Application number: DE19813092A
Authority: DE
Inventors: Stephan Blaeser; Reiner Wilpsbaeumer
Original assignee: Adam Opel GmbH
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 1998-03-25
Filing date: 1998-03-25
Publication date: 1999-09-30

Abstract

The structural element (5) is of sheet steel, and has a hollow foam-filled chamber. The filling is of aluminum foam (2), and a border layer between steel and foam has a strength between that of steel and foam. The chamber is fluid-tight and almost gas-proof. The chamber may be only partially filled with foam, and the filled sections are subject to higher loads. The sheet steel forming the chamber are identical independent of the vehicle loads, adaptation to load is via variable aluminum foam filling.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Strukturelemente von Kraftfahrzeugen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie auf deren Verwendung.The invention relates to structural elements of Motor vehicles according to the preamble of the claim 1 and their use.

Bekannte Strukturelemente von Fahrzeugen umschließen oft Hohlräume, wie dies beispielsweise in der DE 39 32 121 A1, DE 37 22 490 C2 oder der DE 195 02 307 A1 gezeigt ist. Besonders preisgünstig, gut zu verarbeiten und in der Praxis bewährt ist die Verwendung von Stahlblechen zur Bildung der Strukturelemente (DE 39 32 121 A1). Aber auch Kunststoffe (DE 37 22 490 C2) oder Aluininium (DE 195 02 307 A1) kommen zur Anwendung. Das Ausschäumen der von den jeweiligen Hüllen gebildeten Hohlräume mit Kunst stoffschäumen ist eine relativ häufig angewendete Maßnah me zur Schalldämmung, nicht jedoch zur Strukturverstär kung.Known structural elements of vehicles often enclose Cavities, as for example in DE 39 32 121 A1, DE 37 22 490 C2 or DE 195 02 307 A1 shown is. Particularly inexpensive, easy to work with and in The use of steel sheets has proven itself in practice to form the structural elements (DE 39 32 121 A1). But also plastics (DE 37 22 490 C2) or aluminum (DE 195 02 307 A1) are used. The foaming of the respective cavities formed with art Foam is a relatively common measure me for sound insulation, but not for structural reinforcement kung.

Aus der DE 195 02 307 A1 ist es auch bekannt, einen Alu miniumträger mit Aluminiumschaum auszufüllen, wobei der Träger relativ teuer ist und nur aufwendig mit Stahlka rosserieelementen kombiniert werden kann. Der schaumge füllte Träger hat jedoch ein günstiges Gewicht, Energie aufnahmevermögen und er ist auch gut recyclebar.From DE 195 02 307 A1 it is also known an aluminum to fill the mini carrier with aluminum foam, the Carrier is relatively expensive and only expensive with Stahlka body elements can be combined. The foam filled vehicle, however, has a convenient weight, energy absorption capacity and it is also easily recyclable.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein kostengünstig herstell bares Strukturelement für Kraftfahrzeuge aus Stahlblech zu schaffen, das an variable Stabilitätsanforderungen an zupassen ist und damit für den Einsatz bei unterschiedli chen Fahrzeugbelastungen geeignet ist.It is an object of the invention to produce an inexpensive bares structural element for motor vehicles made of sheet steel to create that to variable stability requirements is to be adapted and therefore for use with differ Chen vehicle loads is suitable.

Zur Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich das Strukturele ment durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale aus. Weitere Einzelheiten ergeben sich aus den Patentan sprüchen 2 und 3 sowie der Beschreibung. Die Eigenschaf ten dieses Strukturelementes ermöglichen die im Patentan spruch 4 angegebenen Verwendungen.The structural element is used to solve this task ment by the features specified in claim 1 out. Further details emerge from the patent Proverbs 2 and 3 and the description. The property ten of this structural element enable the in the patent pronounced 4 uses.

Strukturelemente von Fahrzeugen aus Stahl können als Rohr ausgebildet sein oder aus mehreren verschweißten Blechen bestehen, wovon zumindest eines wannenartig ausgebildet ist, so daß auch diese Bleche einen Hohlraum bilden. Im Fertigungsprozeß sind die Hohlräume der Strukturelemente zunächst nicht vollständig geschlossen, sondern weisen Öffnungen auf. Bei Rohren sind dies die Rohrenden und bei tiefgezogenen Blechen sind dies die Öffnungen, aus denen das Tiefziehwerkzeug abgezogen wird. Es können weitere Öffnungen, wie Bohrungen oder Ausstanzungen vorhanden sein.Structural elements of steel vehicles can be used as a pipe be formed or from several welded sheets exist, of which at least one is trough-shaped is, so that these sheets also form a cavity. in the Manufacturing process are the cavities of the structural elements initially not completely closed, but point Openings on. For pipes, these are the pipe ends and at deep-drawn sheet metal, these are the openings from which the deep-drawing tool is pulled off. There can be more Openings, such as holes or punched holes be.

Gemäß der Erfindung wird durch die genannten Öffnungen des Strukturelementes Aluminiumschaum-Grundmaterial in festgelegter Menge in den Hohlraum eingebracht und dieses Material wird anschließend durch Erwärmung aufgeschäumt. Bei dem Aluminiumschaum-Grundmaterial handelt es sich um vorgepreßtes Halbzeug, bestehend aus Aluminiumpulver und einem Treibmittel. Das Halbzeug kann in Form von Granu lat, aber auch in einer räumlich an das Strukturelement angepaßten Form vorliegen. Beim Aufschäumen bildet sich eine Grenzschicht zwischen dem Stahlblech und dem Alumi niumschaum, deren Festigkeit zwischen der des Stahlblechs und der des Aluminiumschaums liegt. Die Festigkeit ent spricht etwa der des Aluminiumschaum-Grundmaterials. Die genannte Grenzschicht entsteht durch Diffusion, womit eine intensive Verbindung zwischen Stahl und Aluminium schaum entsteht. In der Folge wird die Festigkeit (Be lastbarkeit) des Strukturelementes deutlich erhöht gegen über einem nicht ausgeschäumten oder einem mit Kunst stoffschaum ausgeschäumten Strukturelement. Die Blech stärke des Strukturelementes kann geringer gewählt werden als bei nicht ausgeschäumtem Strukturelement oder dieses kann kleiner dimensioniert werden, ohne daß Abstriche bei der Stabilität zu machen sind.According to the invention through the openings mentioned of the structural element aluminum foam base material in set amount introduced into the cavity and this Material is then foamed by heating. The aluminum foam base material is pre-pressed semi-finished product, consisting of aluminum powder and a blowing agent. The semi-finished product can be in the form of granules lat, but also in a spatially related to the structural element adapted form. When foaming forms a boundary layer between the steel sheet and the aluminum nium foam, the strength of which is between that of the steel sheet and that of the aluminum foam. The strength ent speaks about that of the aluminum foam base material. The called boundary layer arises through diffusion, with what an intensive connection between steel and aluminum foam is created. As a result, the strength (Be resilience) of the structural element significantly increased against over a non-foamed one or one with art structural element foamed in foam. The tin Thickness of the structural element can be chosen lower than with a non-foamed structural element or this can be dimensioned smaller without sacrificing of stability.

Das Ausschäumen mit Aluminiumschaum muß nicht den gesam ten Hohlraum des Strukturelementes betreffen, sondern kann lokal begrenzt werden auf besonders hoch belastete Bereiche des Strukturelementes. Gleichfalls ist es mög lich, ein und dasselbe Strukturelement für verschiedene Fahrzeugtypen zu verwenden. Ist die Belastung des Struk turelementes in diesen Fahrzeugtypen unterschiedlich, er folgt eine Anpassung an diese Anforderung durch variables- abschnittsweises oder vollständiges - Ausschäumen.The foaming with aluminum foam does not have to be the whole relate to the th cavity of the structural element, but can be limited locally to particularly high traffic Areas of the structural element. It is also possible Lich, one and the same structural element for different To use vehicle types. Is the load on the structure turements different in these vehicle types, he follows an adaptation to this requirement by variables- section by section or complete - foaming.

Eine Begrenzung des auszuschäumenden Bereiches der Hohl räume kann durch die Form des Aluminiumschaum-Grundmate rial-Halbzeuges erfolgen oder bestimmte Bereiche des Hohlraums werden beim Ausschäumen "zugehalten", so daß der Aluminiumschaum sich nicht in diese Bereiche ausdeh nen kann.A limitation of the area of the hollow to be foamed The shape of the aluminum foam base material allows spaces rial semi-finished or certain areas of the Cavities are "locked" when foaming, so that the aluminum foam does not expand into these areas can.

Zur Erreichung einer Korrosionsbeständigkeit der fertigen Strukturelemente sind diese flüssigkeitsdicht und nahezu gasdicht zu verschließen. Es ist zu vermeiden, daß die entstandenen Grenzschichten zwischen Stahl und Aluminium schaum mit salzhaltigen Lösungen beaufschlagt werden. Der Verschluß kann je nach Einbauart und Form des Struktur elementes durch Stopfen, durch Zuschweißen, durch Lackie rung oder andere Verfahren erfolgen.To achieve corrosion resistance of the finished Structural elements are liquid-tight and almost sealed gas-tight. It is to be avoided that the resulting boundary layers between steel and aluminum of foam containing saline solutions. Of the Closure can vary depending on the type of installation and the shape of the structure element by plugging, by welding, by Lackie tion or other procedures.

Von besonderem Vorteil ist, daß derartige Strukturelemen te Verwendung in verschiedenen Belastungen unterliegenden Fahrzeugen finden können, womit die Bauteile wesentlich kostengünstiger herstellbar sind als eine Vielzahl ver schiedener Strukturelemente. Die Anpassung an die konkre te Belastung erfolgt durch variables Ausschäumen.It is particularly advantageous that such structural elements te use subject to various loads Vehicles can find what the components are essential are cheaper to produce than a variety ver different structural elements. The adaptation to the conc The load is caused by variable foaming.

Details der Erfindung werden im folgenden anhand zweier Ausführungsbeispiele erläutert. Von den zugehörigen Figu ren zeigenDetails of the invention are described below with reference to two Exemplary embodiments explained. From the associated figu show

Fig. 1a, 1b: einen Längsträger für Kraftfahrzeuge in perspektivischer, teilweise ge schnittener Darstellungsweise mit variabler Ausschäumung mit Alumini umschaum; Fig. 1a, 1b: a side member for motor vehicles in a perspective, partially ge sectioned representation with variable foaming with aluminum umschaum;

Fig. 2a bis 2d: ein wannenförmiges Strukturelement für Kraftfahrzeuge in seiner Ur sprungsform und bei variabler Aus schäumung mit Aluminiumschaum. FIG. 2a to 2d: a trough-shaped structural element for motor vehicles in its originating form and at variable from foaming with aluminum foam.

Bei dem in Fig. 1 verdeutlichten rohrförmigen Träger aus Stahlblech handelt es sich um einen Längsträger 1 für Kraftfahrzeuge. Er hat eine abgekröpfte Form, wie dies von verschiedenen Kraftfahrzeugen her bekannt ist. Die Stahlblechdicke oder -querschnittsfläche ist jedoch ge genüber der bei bekannten Kraftfahrzeugen verringert, so daß der Längsträger 1 an sich geringer belastbar ist als dies den Anforderungen entspricht. Die Anpassung an die auftretenden Belastungen erfolgt durch Ausschäumung mit Aluminiumschaum 2 in der weiter oben beschriebenen Weise. Der Hohlraum des in Fig. 1a gezeigten Längsträgers 1 ist vollständig ausgeschäumt mit Aluminiumschaum 2, so daß sich über die gesamte Länge des Längsträgers 1 ein mit dem Stahl verbundener Aluminiumkern bildet und damit ein Strukturelement 3 entsteht, das hohen Belastungen stand hält. The tubular support made of sheet steel illustrated in FIG. 1 is a side member 1 for motor vehicles. It has a cranked shape, as is known from various motor vehicles. The steel sheet thickness or cross-sectional area is, however, reduced compared to that in known motor vehicles, so that the side member 1 is per se less resilient than this meets the requirements. The adaptation to the occurring loads is carried out by foaming with aluminum foam 2 in the manner described above. The cavity of the longitudinal member 1 shown in Fig. 1a is completely foamed with aluminum foam 2 , so that an aluminum core connected to the steel forms over the entire length of the longitudinal member 1 and thus a structural element 3 is formed which withstands high loads.

In Fig. 1b ist der Hohlraum des Längsträgers 1 nur be reichsweise mit Aluminiumschaum 2 ausgefüllt. Insbesonde re ist der Bereich 4 der Abkröpfung ausgeschäumt worden. Das so gebildete Strukturelement 5 ist für geringer bela stete Kraftfahrzeuge verwendbar als das Strukturelement 3.In Fig. 1b, the cavity of the side member 1 is only partially filled with aluminum foam 2 be . In particular, area 4 of the elbow has been foamed. The structural element 5 thus formed can be used for motor vehicles with lower loads than the structural element 3 .

Die Art und Weise des Verschlusses der Strukturelemente 3, 5 ist in den Fig. 1a, 1b nicht dargestellt. Es ist möglich, die Rohrenden zuzuschweißen oder mit Stopfen zu verschließen.The manner in which the structural elements 3 , 5 are closed is not shown in FIGS. 1a, 1b. It is possible to weld the pipe ends closed or to close them with plugs.

In Fig. 2a ist ein wannenförmiges Kraftfahrzeugbauteil 6 dargestellt, welches aus Stahlblech besteht und durch Tiefziehen hergestellt wurde. Es hat eine große obere Öffnung 7, aus der das Tiefziehwerkzeug entfernt wurde. Im Anschluß an das Tiefziehen (und Entfetten) wird das Bauteil 6 variabel ausgeschäumt, wofür zwei von diversen Möglichkeiten in den Fig. 2b, 2c gezeigt sind. Für An wendungen bei mittlerer Belastung erfolgt ein teilweises Ausschäumen (Fig. 2b). Hier hat eingebrachter Aluminium schaum B die Form eines Kreuzes, wobei die Höhe des Schaumes 8 auf die Höhe eines Flansches 9 des Bauteils 6 begrenzt wurde. Das Halbzeug des Schaum-Grundmaterials kann bereits kreuzförmig ausgebildet sein, und beim Aus schäumen (Erwärmen) werden die in Fig. 2b gezeigten freien Bereiche des Hohlraumes mit einem Werkzeug "zu gehalten". Dieses Werkzeug kann auch gleichzeitig die Begrenzung nach oben bilden, so daß die Schaumhöhe der des Flansches 9 entspricht.In Fig. 2a, a tub-shaped motor vehicle component 6 is shown, which consists of sheet steel and was made by deep drawing. It has a large upper opening 7 from which the deep-drawing tool has been removed. Following deep drawing (and degreasing), component 6 is variably foamed, for which two of the various possibilities are shown in FIGS. 2b, 2c. For medium load applications, partial foaming takes place ( Fig. 2b). The aluminum foam B introduced here has the shape of a cross, the height of the foam 8 being limited to the height of a flange 9 of the component 6 . The semi-finished product of the foam base material can already be cross-shaped, and when foaming (heating), the free areas of the cavity shown in FIG. 2b are "locked" with a tool. This tool can also form the upper limit at the same time, so that the foam height corresponds to that of the flange 9 .

Das Bauteil 6 kann auch, wie in Fig. 2c gezeigt, voll ständig mit Aluminiumschaum 8 ausgefüllt werden, so daß es für hohe Belastung geeignet ist. Dazu kann granulatar tiges Schaum-Grundmaterial in den Hohlraum eingebracht werden, und das Ausschäumen erfolgt nach Schließen des Bauteils 6 durch ein Abdeckelement 10 aus Stahlblech.The component 6 can also, as shown in Fig. 2c, be completely filled with aluminum foam 8 so that it is suitable for high loads. For this purpose, granular foam base material can be introduced into the cavity, and the foaming takes place after the component 6 has been closed by a cover element 10 made of sheet steel.

Ein geschlossenes Strukturelement 11 ist in Fig. 2d dar gestellt. Das Abdeckelement 10 ist mit dem Bauteil 6 durch Punktschweißen im Bereich des Flansches 9 verbun den. Es kann zusätzlich mit dem kreuzförmigen Schaumkern (nach Fig. 2b), der ja nicht durch Diffusion mit dem Ab deckelement 10, sondern nur mit dem Bauelement 6 verbun den ist, durch Kleben verbunden werden. Erfolgt das Aus schäumen des Aluminiumschaumes erst nach dem Verschließen des Bauteils 6 (Variante nach Fig. 2c), bildet sich die genannte Grenzschicht auch zwischen dem Aluminiumschaum 8 und dem Abdeckelement 10.A closed structural element 11 is shown in Fig. 2d. The cover member 10 is connected to the component 6 by spot welding in the region of the flange 9 . It can also be connected to the cruciform foam core (according to FIG. 2b), which is not connected by diffusion with the cover element 10 , but only with the component 6 , by gluing. If the foaming of the aluminum foam takes place only after the component 6 has been closed (variant according to FIG. 2 c), the above-mentioned boundary layer also forms between the aluminum foam 8 and the cover element 10 .

Derartige Strukturelemente 11 sind äußerst stabil. Die Blechdicke des Bauteils 6 und des Abdeckelementes 11 kann gegenüber herkömmlichen Bauelementen herabgesetzt werden, und eine Verwendung der Strukturelemente 11 für verschie dene Fahrzeuge wird bei variabler Ausschäumung mit Alumi niumschaum 8 möglich.Structural elements 11 of this type are extremely stable. The sheet thickness of the component 6 and the cover member 11 can be reduced compared to conventional components, and the use of the structural elements 11 for various vehicles is possible with variable foaming with aluminum foam 8 .

Claims

1. Structural element ( 3 , 5 , 11 ) of a motor vehicle, which is formed by at least one steel sheet which encloses a cavity, the cavity being at least partially filled with a foam ( 2 , 8 ), characterized in that the foam ( 2, 8) an aluminum foam (2, 8) and a boundary layer between the steel sheet and aluminum foam (2, 8), of which the strength between the lies of the foam (2, 8) and of the steel sheet.

2. Structural element ( 3 , 5 , 11 ) according to claim 1, characterized in that the foamed cavity is liquid-tight and at least almost gas-tight ver closed.

3. Structural element ( 3 , 5 , 11 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the cavity is only partially filled with aluminum foam ( 2 , 8 ), the filled areas are subject to an increased load compared to unfilled areas un.

4. Use of structural elements ( 3 , 5 , 11 ) according to egg nem of claims 1 to 3 in motor vehicles with un different load profile, the steel sheets forming the cavity are identical regardless of the vehicle load and a load adjustment is carried out by variable aluminum foaming.