Die Erfindung bezieht sich auf ein Verstärkungselement
für einen Hohlkörper, insbesondere für einen Fahrzeugka
rosserieholm, ein Verfahren zum Einbringen eines solchen
Verstärkungselementes in einen Hohlkörper und auf eine
Fahrzeugkarosserie mit einem derart verstärkten Karosse
rieholm.
Die Karosserie eines Fahrzeuges soll möglichst leicht
sein und trotzdem eine ausreichende Steifigkeit aufwei
sen, um z. B. gute fahrdynamische Werte erzielen zu kön
nen. Das Fahrverhalten eines Fahrzeuges wird nämlich
nicht unerheblich z. B. von einer ausreichenden Verwin
dungssteifigkeit der Karosserie bestimmt. Außerdem müssen
bestimmte Bereiche der Karosserie, z. B. die Teile, die
die Fahrgastzelle formen, so widerstandsfähig sein, daß
bei Unfällen für die Insassen ein genügend großer Überle
bensraum verbleibt. Kritisch ist hier insbesondere der
Bereich der B-Säule und dessen Anbindung an den oberen
und unteren Seitenholm. Es wurden schon die unterschied
lichsten Vorschläge unterbreitet, um mit einfachen Mit
teln bei einer Seitenkollision Intrusionen der Seitenwand
in die Fahrgastzelle zu unterbinden.
So wird in der DE 19 71 089.4 A1 vorgeschlagen, den Sei
tenschweller mit Querwänden zu versehen, die diesen
schottartig versteifen. Auf diese Weise lassen sich gute
Erfolge erzielen. Der Zusammenbau ist aber aufwendig.
Des weiteren wird vorgeschlagen, u. a. die Seitenholme
und die B-Säule, die üblicherweise aus zwei an ihren
flanschartig ausgebildeten Rändern zusammengeschweißten
Halbschalen bestehen, mit einer weiteren Zwischenwand zu
versehen, die zwischen den Verbindungsflanschen liegt und
mit diesen verschweißt ist. Nachteilig hierbei ist, daß
durch die zusätzliche Wand eine deutliche Gewichtszunahme
zu verzeichnen ist. Außerdem ist ein Verschweißen von
drei Lagen äußerst kritisch, insbesondere dann, wenn es
sich um verzinkte Bleche handelt.
Es wird auch vorgeschlagen (DE 40 16 730 C2), Rohre in
den Holmen einzusetzen. Auch hier ergibt sich das Problem
der Gewichtszunahme. Außerdem bedeutet es einigen Auf
wand, diese Rohre in den Holmen zu fixieren. Hierzu müs
sen gesonderte Böcke vorgesehen werden, so daß für die
Montage der Rohre ein hoher Aufwand betrieben werden muß.
Des weiteren wird z. B. in der DE 195 46 352 A1 vorge
schlagen, die Holme des Fahrzeuges vollständig mit Alumi
niumschaum zu füllen. Zwar ist dieser Schaum relativ
leicht, trägt aber trotzdem, da große Bereiche gefüllt
werden müssen, nicht unerheblich zum Gewicht des Fahrzeu
ges bei. Außerdem ist es schwierig, die Schaummenge ein
deutig zu portionieren und zu steuern. Es dürfe daher
nicht einfach sein zu verhindern, daß es beim Aufschäumen
zu Ausbeulungen der Karosserieholme kommt und zum Ver
schließen von freizuhaltenden Öffnungen für Befestigungs
elemente.
Die momentan von den Fahrzeugherstellern im Hinblick auf
ein annehmbares Kosten-Nutzen-Verhältnis eingesetzte Kom
promißlösung besteht darin, zusätzliche Versteifungs
bleche vorzusehen. Allerdings muß bei dieser Lösung eine
deutliche Gewichtszunahme der Fahrzeugkarosserie in Kauf
genommen werden.
Die Erfindung beruht somit auf der Aufgabe, ein Verstär
kungselement für einen Hohlkörper darzustellen, das ko
stengünstig gefertigt werden kann, leicht anzuwenden ist,
möglichst leicht ist und einen signifikanten Beitrag zur
Versteifung bzw. Verstärkung z. B. einer Fahrzeugkarosse
rie zu leisten vermag.
Es wird daher ein Verstärkungselement vorgeschlagen, das
aus einem Träger und einer damit verbundenen aufschäumba
ren Masse zusammengesetzt ist, wobei das Verstärkungsele
ment in den Hohlkörper einbringbar ist und wobei die
Masse derart am Träger angeordnet ist und in einer sol
chen Menge vorliegt, daß die aufgeschäumte Masse in der
Lage ist, den Träger im Hohlkörper zu halten.
Die Erfindung stellt sich somit als geschickte Kombina
tion einer Rohrverstärkung und der Verstärkung durch Aus
schäumung dar. Der besondere Vorteil liegt darin, daß ei
nerseits keine aufwendigen Montageschritte notwendig
sind, um das Rohr im Hohlkörper form- und kraftschlüssig
zu fixieren, und andererseits nur kleine Bereiche, näm
lich der Zwischenraum zwischen dem Träger und dem Hohl
körper, von einem Schaum ausgefüllt wird, was insbeson
dere die Materialkosten gering hält.
Dabei hat der Schaum nicht nur die Aufgabe, den Träger im
Hohlkörper zu positionieren, sondern trägt vielmehr
selbst zur Verstärkung des Hohlkörpers bei. Die Wirkungen
treten um so deutlicher zutage, je größer die Abschnitte
des Spaltes sind, die mit aufgeschäumtem Material ausge
füllt sind. Daher sollten zumindest ein oder mehrere Ab
schnitte des Spaltes vollständig ausgeschäumt sein. Opti
mal wird das Ergebnis zumindest im Hinblick auf eine be
sonders gute Aussteifung, wenn nahezu der gesamte Spalt
ausgefüllt ist.
Des weiteren hat sich herausgestellt, daß der Träger kei
neswegs massiv sein muß, um gute Versteifungswerte zu er
zielen, sondern selbst hohl ausgeführt sein kann, z. B.
als Rohr. Dabei braucht das Rohr im Außendurchmesser nur
wenig kleiner zu sein als der zu versteifende Hohlkörper,
so daß nur ein relativ kleiner Spalt verbleibt. Dies hat
zur Folge, daß nur wenig aufzuschäumende Masse eingesetzt
zu werden braucht und die Gewichtserhöhung nur gering
ausfällt.
Das Rohr selbst ist aus einem Metallblech hergestellt. Es
hat sich aber gezeigt, daß Kunststoffrohre, z. B. aus Po
lyamid, zum Teil ebenso gute Ergebnisse erzielen, wenn
nicht sogar bessere. Dabei ergibt sich noch der Vorteil,
daß solche Kunststoffrohre kostengünstig herzustellen
sind, nahezu beliebig geformt und somit der Form des
Hohlkörpers angepaßt werden können. Denkbar ist auch die
Herstellung der Rohre aus Stranggußprofilen, vorzugsweise
aus Aluminium-Stranggußprofilen.
Mit wenig Aufwand kann die Verstärkungswirkung verbessert
werden, indem das Rohr mit Schottwänden, z. B. mit sich
kreuzenden Verstärkungsblechen versehen ist. Eine Ver
stärkungswirkung wird auch schon dann erreicht, wenn an
der Innenseite des Rohrs auf den Umfang verteilt mehrere
nach innen gerichtete Längsstege verlaufen.
Die aufschäumbare Masse wird dabei am Träger angebracht
und mit einer Kontur versehen, die zumindest in einzelnen
Punkten der Innenkontur des Hohlkörpers entspricht. Auf
diese Weise wird erreicht, daß der Träger mit der noch
nicht aufgeschäumten Masse lediglich in den Hohlkörper
eingelegt werden muß, damit er dort eine vordefinierte
Position einnimmt. Es müssen dann keine weiteren Hilfs
mittel verwandt werden, um den Träger mit der noch nicht
aufgeschäumten Masse im Hohlkörper zu fixieren, bis der
Aufschäumprozeß stattfindet. Aber auch der Träger kann
mit Außenelementen versehen werden, die durch die Masse
hindurchragen und in Kontakt treten mit der Innenwand des
Holms, um so eine Positionierung zu ermöglichen. Da in
diesem Stadium nur in einzelnen Punkten eine Kontaktie
rung der aufzuschäumenden Masse mit der Innenwand des
Hohlkörpers erfolgt, verbleibt ein ausreichend großer
Spalt zwischen der Masse und der Innenseite des Holms, so
daß z. B. Mittel, die für den Rostschutz oder zur Vorbe
reitung einer Lackierung in den Hohlkörper eingebracht
werden, an alle Stellen des Hohlkörpers gelangen können.
Ansonsten wird sich die Kontur der aufzuschäumenden Masse
an der Menge orientieren, die notwendig ist, um den Spalt
zu füllen. Dabei ist die lokale Menge der Variation der
Spaltbreite angepaßt.
Als aufzuschäumende Masse haben sich organische Materia
lien bewährt, die unter Temperatureinfluß zu einem Struk
turschaum aufquellen und aushärten. Hierbei handelt es
sich um einen expansionsfähigen synthetischen Kautschuk,
insbesondere um eine mit einer Amino-Verbindung behan
delte feste Zusammensetzung auf Epoxidbasis, der ver
schiedene Modifizierer, insbesondere Copolymere auf Äthy
len-Basis zugesetzt sind. In dem Material befindet sich
weiterhin eine Verbindung, die bei einer Erwärmung Stick
stoff freigibt.
Dieses Material ist im Grundzustand fest genug, um z. B.
von einem Roboter gehandhabt zu werden, ohne daß eine
Formänderung auftritt. Es ist außerdem leicht zu verar
beiten und kann in einfacher Weise mit dem Träger z. B.
durch Kleben verbunden werden.
Das Material hat die Eigenschaft, bei Hitzeeinwirkung
(ca. 150°C) aufzuschäumen und auszuhärten. Es entsteht
ein Schaum mit geschlossenen Zellen, in denen sich der
freigesetzte Stickstoff befindet. Dies ermöglicht es,
insbesondere im Bereich des Karosseriebaus das folgende
Verfahren anzuwenden, um einen Hohlkörper bzw. einen Ka
rosserieholm mit einem derartigen Verstärkungselement zu
versehen.
Karosserieholme sind in der Regel aus zwei Halbschalen
hergestellt. Das Verfahren besteht darin, den vom aufzu
schäumenden Material ummantelten Träger in die eine Halb
schale einzulegen, wobei sich durch die gewählte Außen
kontur der aufzuschäumenden Masse eine Lagefixierung er
gibt. Dann wird der Holm durch die andere Schale ge
schlossen und die beiden Schalen miteinander verschweißt.
Die Lagefixierung gewährleistet, daß der Holm frei bewegt
werden kann, ohne daß sich das Verstärkungselement im
Holm verschiebt oder verdreht.
Der so vorbereitete Holm wird Teil einer Fahrzeugkarosse
rie, die, nachdem sie vollständig aufgebaut ist, im
Tauchverfahren beschichtet wird. Zum Trocknen und Aushär
ten der Beschichtung wird die Karosserie in einen Ofen
verbracht. Die dort herrschende Temperatur bewirkt, daß
das Material aufschäumt und, wie oben erläutert, den Zwi
schenraum zwischen Träger und Holm im gewünschten Maße
ausfüllt. Dabei bildet der ausgehärtete Schaum eine wi
derstandsfähige Ummantelung des Trägers. Dadurch ergibt
sich eine innige Verbindung zwischen dem Träger und dem
Holm, der nun sowohl durch den vom Schaum fixierten Trä
ger als auch durch den Schaum selbst versteift ist.
Ein mögliches Einsatzgebiet derartiger Verstärkungsele
mente ist die Versteifung des Dachholms eines Fahrzeugs
im Knoten zur B-Säule. Das Verstärkungselement wird in
den Dachholm wie oben beschrieben oberhalb der B-Säule
eingebracht, wobei die Enden des Verstärkungselements, da
es etwas länger ist als die Breite des B-Holms, in die
geschlossenen Bereiche des Dachholms hineinragen. Ein
dort plaziertes aufgeschäumtes Verstärkungselement zeigt
das Ergebnis, daß die Eindringtiefe der B-Säule bei stan
dardisierten Seitenaufprallversuchen gegenüber einem
nicht versteiften Holm reduziert ist.
Prinzipiell können alle Bereiche der Karosserie versteift
werden, die von einem Hohlkörper gebildet sind, so z. B.
die Seitenschweller, die B-Säule und die Längsträger, die
insbesondere gegen eine seitliche Belastung gesichert
sein müssen, sowie alle Holme, bei denen die Neigung be
steht, unter Belastung jedweder Art einzufallen oder ein
zuknicken. Denkbar wäre es auch, auf diese Weise die in
den Türen eingelassenen Verstärkungsholme selbst zu ver
stärken.
Im folgenden soll anhand eines Ausführungsbeispiels und
eines Anwendungsbeispiels die Erfindung näher erläutert
werden. Dazu zeigen
Fig. 1 ein Verstärkungselement in perspektivischer
Darstellung,
Fig. 2 eine Fahrzeugkarosserie mit derartigen Ver
stärkungselementen und
Fig. 3 einen Schnitt durch den Dachholm einer Fahr
zeugkarosserie mit einem noch nicht aufge
schäumten Verstärkungselement.
Zunächst wird auf die Fig. 1 Bezug genommen. Das Verstär
kungselement 1 besteht aus einem Rohr 2, das als Träger
für eine aufschäumbare Masse 5 fungiert. Das Rohr 2 ist
mittels zweier im Inneren des Rohres über Kreuz angeord
neter und sich in Längsrichtung erstreckender Verstär
kungsbleche 3, 3' verstärkt. Das eine Blech 3' ist dabei
etwas länger als das andere, so daß sein Endbereich als
Griffzunge fungiert, die von z. B. einer Roboterzange bei
der Montage gefaßt werden kann.
Das Rohr 2 und die Verstärkungsbleche 3, 3' können aus
einem dünnen Metallblech hergestellt sein, aber auch Aus
führungen in Kunststoff, z. B. Polyamid sind denkbar.
Das Rohr 2 ist über seinen ganzen Umfang und seine ganze
Länge mit einer aufschäumbaren Masse 5 umkleidet. Hierbei
handelt es sich um ein Material bzw. eine Materialkompo
sition, das bzw. die unter Einwirkung von Hitze auf
schäumt und einen relativ leichten aber dennoch stabilen
Strukturschaum bildet. Aber schon die nicht aufgeschäumte
Masse 5 weist eine ausreichende Festigkeit auf, so daß
das Verstärkungselement 1 problemlos gehandhabt werden
kann.
Die Außenkontur der Masse 5 hat in etwa die Form einer
Hantel. Die beiden Verdickungen 6, 6' an den Enden des
Rohres 2, die jeweils mit mehreren, auf den Umfang ver
teilten Ausnehmungen 7 versehen sind, dienen dazu, das
Verstärkungselement 1 z. B. in einem Fahrzeugkarosserie
holm zu positionieren. D. h., nachdem das Verstärkungs
element 1 in den Holm eingebracht worden ist, soll es
dort unverrückbar liegen, so daß es beim weiteren Zusam
menbau der Fahrzeugkarosserie keine Lageänderung im Holm
erfährt. Daher entsprechen die Verdickungen 6, 6' der In
nenkontur des Holms.
Mit den Ausnehmungen 7 wird u. a. erreicht, daß die Kon
takte der die Ausnehmungen 7 eingrenzenden Erhebungen 7'
mit der Innenwand des Holms möglichst kleinflächig sind.
Außerdem bewirken die Ausnehmungen 7, daß Mittel zum Rei
nigen des Holms von Fettrückständen und zur Innenraumkon
servierung an alle Stellen des Holms gelangen können. Die
Hanteldarstellung ist insofern nur exemplarisch.
Ansonsten entspricht die Verteilung der Masse 5 um das
Rohr 2 der jeweils benötigten Menge, um den ggf. in der
Größe variierenden Zwischenraum zwischen Rohr 2 und Holm
lokal auszufüllen. Außerdem soll eine bestimmte Menge des
aufgeschäumten Materials in evtl. vorhandene Seitenholme
eindringen können, um den vom Holm und Seitenholm gebil
deten Knoten optimal zu verstärken. Dazu sind zwei Höcker
8, 8' vorgesehen, die zum Teil schon im nicht aufge
schäumten Zustand in den Seitenholm eingreifen und damit
zur Fixierung des Verstärkungselementes im Holm beitra
gen.
Außerdem sind in der Mantelfläche des Verstärkungsele
ments 1 mehrere Vertiefungen 9 vorgesehen, die Löchern im
Holm für Befestigungsmittel gegenüberliegen. Dadurch
steht an den entsprechenden Stellen weniger aufschäumbare
Masse zur Verfügung, so daß die Löcher nach dem Aufschäu
men frei bleiben und Befestigungsclipse problemlos einge
setzt werden können.
Wie schon erläutert wird ein solches Verstärkungselement
1 in die eine Halbschale des Holms eingelegt. Anschlies
send wird der Holm durch die andere Halbschale geschlos
sen, wobei die beiden Schalen miteinander verschweißt
werden. Die Aufschäumung und Aushärtung erfolgt in einem
Ofen, in den die Karosserie, nachdem sie in einem Be
schichtungstauchbad war, gebracht wird, um die Beschich
tung auszuhärten und zu trocknen. Bei der im Ofen herr
schenden Temperatur von ca. 150-180°C schäumt das ent
sprechend ausgewählte Material so auf, daß der Zwischen
raum zwischen Rohr und Holm vollständig ausgefüllt wird.
Fig. 2 zeigt eine typische Fahrzeugkarosserie 10 mit ei
nem Vorderwagen 11, in dem normalerweise ein Antriebsmo
tor untergebracht ist, einer Fahrgastzelle 12 und einem
Hinterwagen 13 mit einem Kofferraum. Die Fahrgastzelle 12
umfaßt eine Bodenplatte 14 sowie zwei Seitenwände 15,
15', die jeweils aus einem Seitenschweller 16, einer A-
Säule 17, einer B-Säule 18 und einer C-Säule 19 bestehen.
Im Übergang zum Dach des Fahrzeuges erstreckt sich je
weils ein Dachholm 20.
Bei standardisierten Seitenaufprallversuchen hat sich ge
zeigt, daß insbesondere der Übergang der B-Säule 18 in
den Dachholm 20 kritisch ist. Der Einsatz des oben be
schriebenen Verstärkungselementes an dieser Stelle er
zeugt die nötige Steifigkeit, wodurch ein Einknicken des
Knotens verhindert wird. Dies wird insbesondere auch da
durch erreicht, daß das Verstärkungselement 1 mit seinen
beiden Enden in die geschlossenen Bereiche des Dachholms
20 eingreift, und die Menge des aufschäumbaren Materials
so gewählt ist, daß nicht nur der besagte Spalt ausge
füllt wird, sondern ein Teil der aufgeschäumten Masse
auch in die B-Säule 18 eindringt, so daß der Knoten ins
gesamt sehr gut versteift ist.
Andere Einsatzmöglichkeiten sind in der Zeichnung jeden
falls angedeutet. So kann ein derartiges Verstärkungsele
ment 1 auch an weiteren Stellen des Dachholms 20, in der
B-Säule 18, der A-Säule 17 oder in der C-Säule 19 einge
setzt werden. Im Grunde sind alle Teile der Karosserie,
die Hohlräume bilden und die in der einen oder anderen
Weise versteift sein sollten, mögliche Einsatzorte.
Fig. 3 zeigt exemplarisch in einer Schnittdarstellung die
Anordnung eines Verstärkungselements 1 im Dachholm einer
Fahrzeugkarosserie. Der Schnitt erfolgte quer zur Längs
achse des Holms im Bereich einer der Verdickungen 6, 6'.
Man erkennt zunächst, daß die Schnittkontur des Verstär
kungselements der Querschnittsform des Dachholms angepaßt
ist. Die Erhebungen 7' kontaktieren die Innenwand des
Dachholms und sorgen so dafür, das sich das Rohr nicht im
Holm drehen kann. Die Höcker 8, 8' gewährleisten die La
gesicherung in axialer Richtung. Die Fig. 3 soll insbe
sondere deutlich machen, daß das Verstärkungselement 1
durch eine Anpassung an die jeweils gegebene Form in un
terschiedlichsten Hohlräumen eingesetzt werden kann.
Nicht dargestellt ist eine Ausführungsform, bei der das
Rohr aus Kunststoff hergestellt ist und an der Außenwand
mehrere Stege aufweist, deren Lage und Höhe so bemessen
sind, daß sie die Vorpositionierung im Holm bewirken. Dies
hat den Vorteil, daß die Verteilung der Masse um den Trä
ger lediglich in Hinblick auf eine gute Ausschäumung des
Spalts gestaltet werden braucht. Die Verstärkung des
Rohrs erfolgt durch einige Längsstege bzw. -rippen an der
Innenseite des Rohrs, die sich in etwa zum Zentrum des
Rohrs erstrecken. Der Querschnitt des Rohrs ist dem Quer
schnitt des Holms angepaßt und z. B. für den Einsatz im
Dachholm oberhalb der B-Säule mehreckig, wobei die Ver
bindungsflächen zwischen den Eckgeraden zum Teil konkav
und zum Teil konvex ausgeführt sind.