DE202014102720U1

DE202014102720U1 - Stoßfängerholm mit einem röhrenförmigen Aluminiumsubstrat, das mit vorimprägnierten Kohlenstofffasergewebeschichten umwickelt ist

Info

Publication number: DE202014102720U1
Application number: DE202014102720.3U
Authority: DE
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-06-17
Filing date: 2014-06-12
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2024-06-13
Also published as: CN203958048U; US20140367981A1

Abstract

Stoßfängerholm für ein Fahrzeug, der Folgendes umfasst: einen Metallträger; mehrere Schichten aus Kohlenstofffasergewebe mit Kohlenstofffasern, die sich in einer Richtung erstrecken, die um den Träger gewickelt sind, wobei das Gewebe mit einem Harz und einem Härtungsmittel vorimprägniert ist und wobei das Gewebe um den Träger gewickelt ist, wobei das Gewebe so angeordnet ist, dass die Kohlenstofffasern in abwechselnden Schichten senkrecht zu benachbarten Schichten orientiert sind.

Description

Diese Offenbarung bezieht sich auf leichtgewichtige Fahrzeugstoßfänger, die eine überlegene Eigenschaft der Festigkeit zum Gewicht aufweisen.
Es besteht ein wesentlicher Bedarf, das Fahrzeuggewicht zu verringern, um strenge Kraftstoffsparsamkeitsstandards zu erfüllen. Fahrzeugstoßfänger sind relativ große Teile, die aufgrund der Notwendigkeit, das Fahrzeug und die Insassen während einer Kollision zu schützen, relativ schwer sind.
Diese Offenbarung ist auf die Schaffung einer Lösung für das obige Problem und andere Probleme gerichtet, wie nachstehend zusammengefasst.
Gemäß einem Aspekt dieser Offenbarung wird ein Stoßfängerholm für ein Fahrzeug geschaffen, der einen Metallträger und mehrere Schichten aus Kohlenstofffasergewebe umfasst. Das Gewebe ist um den Träger gewickelt und weist Kohlenstofffasern auf, die sich in einer Richtung erstrecken. Das Gewebe ist mit einem Harz und einem Härtungsmittel vorimprägniert. Das Gewebe ist um den Träger gewickelt, wobei das Gewebe so angeordnet ist, dass die Kohlenstofffasern in abwechselnden Schichten senkrecht zu benachbarten Schichten orientiert sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung sind die Kohlenstofffasern in einem ersten Satz von Schichten so orientiert, dass sie sich in der Längsrichtung erstrecken, die auf die Länge des Stoßfängerholms ausgerichtet ist. Die Kohlenstofffasern in einem zweiten Satz von Schichten sind so orientiert, dass sie sich in der Querrichtung, die auf die vertikale Richtung ausgerichtet ist, an einer Vorderwand und einer Rückwand des Stoßfängers erstrecken und auf die Fahrzeuglängsrichtung an einer oberen Wand und einer unteren Wand des Stoßfängerholms ausgerichtet sind.
Gemäß weiteren Aspekten dieser Offenbarung kann der Metallträger ein Aluminiumrohr mit rechteckigem Querschnitt sein. Das Aluminiumrohr kann eine Vorderwand, eine Rückwand, eine obere Wand und eine untere Wand aufweisen. Ein Halter für eine Aufprallhülse ist an der Rückwand des Rohrs und über den Gewebeschichten befestigt. Der Halter kann eine obere Klemme und eine untere Klemme umfassen, die die Gewebeschichten an die obere Wand bzw. die untere Wand klemmen.
Das Harz und das Härtungsmittel sind zwei Teile eines Epoxidbindungssystems. Mindestens fünfzehn Schichten aus Kohlenstofffasergewebe können um den Stoßfängerholm gewickelt sein. In einer anderen Ausführungsform kann der Stoßfängerholm zwischen sechzehn und zwanzig Schichten aus Kohlenstofffasergewebe aufweisen, die um den Stoßfängerholm gewickelt sind.
1 ist eine bruchstückhafte perspektivische Ansicht eines Teils eines Vorderendes eines Fahrzeugs mit einem Stoßfängerholm, der gemäß einem Aspekt dieser Offenbarung hergestellt ist, Aufprallhülsen, Aufprallhülsenhaltern und vorderen Schienen.
2 ist eine bruchstückhafte perspektivische Ansicht eines Stoßfängerholms, der die Kohlenstofffaser-Verstärkungsschichten teilweise entfernt zeigt.
3 ist eine schematische Darstellung einer Testaufspannvorrichtung, die zum Testen einer Stoßfängerstange verwendet wird.
4 ist ein Graph, der die Widerstandskraft über die Zeit für eine Borstoßfängerstange und eine Aluminiumstoßfängerstange, eine Aluminiumstoßfängerstange mit 20 Schichten aus Kohlenstofffasergewebe und eine Aluminiumstange mit 16 Schichten aus Kohlenstofffasergewebe vergleicht.
Eine ausführliche Beschreibung der dargestellten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird nachstehend bereitgestellt. Die offenbarten Ausführungsformen sind Beispiele der Erfindung, die in verschiedenen und alternativen Formen verkörpert sein können. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstäblich. Einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Details von speziellen Komponenten zu zeigen. Die spezifischen Struktur- und Funktionsdetails, die in dieser Anmeldung offenbart sind, sollen nicht als Begrenzung, sondern lediglich als repräsentative Basis zum Lehren eines Fachmanns auf dem Gebiet, wie die Erfindung auszuführen ist, interpretiert werden.
Mit Bezug auf 1 und 2 umfasst ein Stoßfängerholm 10 für ein Fahrzeug einen Träger 12, der mit einem Kohlenstofffasergewebe 14 umwickelt ist. Das Kohlenstofffasergewebe 14 umfasst mehrere Kohlenstofffasern 16 (in 2 gezeigt), die in einer Richtung orientiert sind. Wenn angegeben wird, dass sich die Kohlenstofffasern 16 in einer Richtung erstrecken, erstreckt sich selbstverständlich die Mehrheit der Kohlenstofffasern 16 im Kohlenstofffasergewebe 14 in dieser einen Richtung, während einige der Kohlenstofffasern in einer anderen Richtung orientiert sein können. Der Stoßfängerholm 10 weist eine Länge L, eine Höhe H und eine Breite W auf, die in 1 und 2 angegeben sind.
Der Träger 12 umfasst eine Vorderwand 18 und eine Rückwand 20. Eine obere Wand 22 und eine untere Wand 24 erstrecken sich zwischen der Vorderwand 18 und der Rückwand 20. Der Träger 12 ist durch einen Halter 26 befestigt, der an einer Aufprallhülse 28 montiert ist. Ein oberes Klemmelement 30 und ein unteres Klemmelement 32 sind durch den Halter 26 vorgesehen, um den Träger 12 in der Position vor der Aufprallhülse 28 festzuhalten.
Das Kohlenstofffasergewebe 14 ist mit einem Harz vorimprägniert. Das Harz ist vorzugsweise als Teil eines zweiteiligen Harzsystems wie z. B. eines Epoxidharzes, das ein Härtungsmittel umfasst, enthalten. Alternativ können andere Harzsysteme verwendet werden, um das Kohlenstofffasergewebe 14 vorzuimprägnieren, wie z. B. ein Harz, das beim Aufbringen von Wärme härtet.
Mit spezifischem Bezug auf 2 ist der Stoßfängerholm 10 mit mehreren Schichten aus Kohlenstofffasergewebe 14 umwickelt gezeigt. Die Kohlenstofffasern 16 in der äußeren Schicht erstrecken sich in der Richtung L und die nächste Schicht umfasst Kohlenstofffasern 16, die in der Höhenrichtung H orientiert sind. Das Kohlenstofffasergewebe 14 ist über die obere Wand 22 und die untere Wand 24 gewickelt, wobei sich die Kohlenstofffasern in der Breitenrichtung W erstrecken. Die Anzahl von Schichten des Kohlenstofffasergewebes 14, die auf den Träger 12 gewickelt sind, ist durch die gewünschte Festigkeit des Stoßfängerholms 10 bestimmt.
Mindestens fünfzehn Schichten aus Kohlenstofffasergewebe sollten um ein extrudiertes Aluminiumrohr mit einer Wanddicke von 1 mm gewickelt werden, um die erforderliche Festigkeit zu erhalten.
In einem Beispiel sind sechzehn Lagen von Kohlenstofffasergewebe 14 um einen Träger 12 gewickelt, der Aluminiumwände mit einer Dicke von 1 mm aufweist. Das kombinierte Gewicht der sechzehn Lagen von Kohlenstofffasergewebe und des Aluminiumträgers ist 2,541 kg.
Als weiteres Beispiel sind zwanzig Schichten von Kohlenstofffasergewebe 14 um einen Träger 12 mit Aluminiumwänden mit einer Dicke von 1 mm gewickelt. Der Träger 12 und zwanzig Schichten aus Kohlenstofffasergewebe weisen ein Gewicht von 2,715 kg auf.
Mit Bezug auf 3 wird eine Testaufspannvorrichtung 34 verwendet, um die Festigkeit eines Stoßfängerholms durch Auswerten der über die Zeit durch den Stoßfängerholm 10 absorbierten Kraft zu testen. Die Testaufspannvorrichtung 34 umfasst ein Paar von Stützpfosten 36, die um einen vorbestimmten Abstand beabstandet sind und mit der Rückwand 20 des Stoßfängerholms 10 in Eingriff kommen. Ein Schlagpfosten 38 wird in den Stoßfängerholm 10 an einer zentralen Stelle relativ zum Stützpfosten 36 in einer durch den Pfeil in 3 gezeigten Richtung getrieben. Der Schlagpfosten 38 kommt mit der Vorderwand 18 des Trägers 12 in Eingriff, um eine gemessene Kraft aufzubringen, um die Festigkeit des Stoßfängerholms 10 zu testen.
Mit Bezug auf 4 ist ein Diagramm vorgesehen, das Lasttestergebnisse für mit Kohlenstofffasergewebe umwickelte Stoßfängerholme mit Stoßfängerholmen, die aus Bor bestehen, mit einer Wanddicke von 1,46 mm und einem Gewicht von 4,123 kg und einem Aluminiumstoßfängerholm mit einer Wanddicke von 3,5 mm und einem Gewicht von 3,421 kg vergleicht. Alle dargestellten Stoßfängerholmtestergebnisse werden insofern als annehmbar betrachtet, als sie die Belastungsspezifikationen für einen Fahrzeugstoßfänger erfüllten. Das erste obige Beispiel eines Aluminiumträgers mit Aluminiumwänden mit einer Dicke von 1 mm, der mit sechzehn Lagen von Kohlenstofffasergewebe umwickelt war, hatte eine größere anfängliche Belastungssteifigkeit als entweder der Aluminium- oder der Borstoßfängerholm. Die Gesamtfestigkeit des mit sechzehn Lagen umwickelten Stoßfängerholms war vergleichbar zum Borstoßfängerholm und zum extrudierten Aluminiumstoßfängerholm und lag innerhalb ungefähr 3 kN während der letzten Hälfte des Tests.
Durch den Graphen ist gezeigt, dass der Stoßfängerholm 10 mit einem Aluminiumträger mit 1 mm dicken Wänden, der mit 20 Lagen von Kohlenstofffasergewebe 14 umwickelt ist, eine geringfügig größere anfängliche Schlagfestigkeit von mehr als 20 kN bei ungefähr sieben ms aufweist. Die Festigkeit des Holms über die ganze letzte Hälfte des Tests ist fast identisch zum Borstoßfängerholm und zum Aluminiumstoßfängerholm, die getestet wurden. Die mit Kohlenstofffaser umwickelten Stoßfängerholme zeigen ein 20 bis 38 % leichteres Gewicht im Vergleich zu herkömmlichen Borstahl- und extrudierten Aluminiumstoßfängerholmen. Der mit Kohlenstofffasergewebe umwickelte Stoßfänger mit zwanzig Wicklungen erreicht Gewichtseinsparungen von 1,4 kg oder 34 % im Vergleich zu einem Borstoßfängerholm. Der mit Kohlenstofffasergewebe umwickelte Aluminiumträger mit sechzehn Wicklungen erreicht Gewichtseinsparungen von 1,582 kg oder Gewichtseinsparungen von 38 % im Vergleich zu einem Borstoßfängerholm.
Die Gewichtseinsparung im Vergleich zu einem extrudierten Aluminiumstoßfänger ist ungefähr eine Gewichtseinsparung von 20 % im Vergleich zu einem mit 20 Lagen von Kohlenstofffasergewebe umwickelten Aluminiumträger. Im Vergleich zu einem mit 16 Lagen von Kohlenstofffasergewebe umwickelten Träger überschritten die Gewichtseinsparungen 25 % im Vergleich zum extrudierten Aluminiumstoßfänger.
Obwohl beispielhafte Ausführungsformen vorstehend beschrieben sind, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der offenbarten Vorrichtung beschreiben. Vielmehr sind die in der Patentbeschreibung verwendeten Worte Worte zur Beschreibung und nicht zur Begrenzung, und selbstverständlich können verschiedene Änderungen durchgeführt werden, ohne vom Gedanken und Schutzbereich der Offenbarung, wie beansprucht, abzuweichen. Die Merkmale von verschiedenen Implementierungsausführungsformen können kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der offenbarten Konzepte zu bilden.

Claims

Stoßfängerholm für ein Fahrzeug, der Folgendes umfasst: einen Metallträger; mehrere Schichten aus Kohlenstofffasergewebe mit Kohlenstofffasern, die sich in einer Richtung erstrecken, die um den Träger gewickelt sind, wobei das Gewebe mit einem Harz und einem Härtungsmittel vorimprägniert ist und wobei das Gewebe um den Träger gewickelt ist, wobei das Gewebe so angeordnet ist, dass die Kohlenstofffasern in abwechselnden Schichten senkrecht zu benachbarten Schichten orientiert sind.
Stoßfängerholm nach Anspruch 1, wobei die Kohlenstofffasern in einem ersten Satz von Schichten so orientiert sind, dass sie sich in der Längsrichtung erstrecken, die auf die Länge des Stoßfängerholms ausgerichtet ist, und die Kohlenstofffasern in einem zweiten Satz von Schichten so orientiert sind, dass sie sich in der Querrichtung, die auf die vertikale Richtung ausgerichtet ist, an einer Vorderwand und einer Rückwand des Stoßfängers erstrecken, und auf eine Fahrzeuglängsrichtung an einer oberen Wand und einer unteren Wand des Stoßfängerholms ausgerichtet sind.
Stoßfängerholm nach Anspruch 1, wobei der Metallträger ein Aluminiumrohr mit rechteckigem Querschnitt ist.
Stoßfängerholm nach Anspruch 3, wobei das Aluminiumrohr eine Vorderwand, eine Rückwand, eine obere Wand und eine untere Wand aufweist und wobei ein Halter für eine Aufprallhülse an der Rückwand des Rohrs und über den Gewebeschichten befestigt ist.
Stoßfängerholm nach Anspruch 4, wobei der Halter eine obere Klemme und eine untere Klemme umfasst, die die Gewebeschichten an die obere Wand bzw. die untere Wand klemmen.
Stoßfängerholm nach Anspruch 1, wobei das Harz und das Härtungsmittel zwei Teile eines Epoxidbindungssystems sind.
Stoßfängerholm nach Anspruch 1, wobei mindestens fünfzehn Schichten aus Kohlenstofffasergewebe um den Stoßfängerholm gewickelt sind.
Stoßfängerholm nach Anspruch 1, wobei zwischen sechzehn und zwanzig Schichten aus Kohlenstofffasergewebe um den Stoßfängerholm gewickelt sind.