DE3723450A1 - Vorrichtung zum erkennen von ueberbeanspruchungen an bauteilen aus faserverstaerktem kunststoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erkennen von Überbean­ spruchungen an Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff.

Beispielsweise im Automobilbau finden vermehrt Bauteile aus faser­ verstärktem Kunststoff Anwendung, weil diese bei geringem Gewicht unter anderem hohe Festigkeitseigenschaften, günstige Formgestaltun­ gen und definierte Materialbeanspruchungen ermöglichen. Bei sicher­ heitsrelevanten Teilen, wie an der Lenkung des Kraftfahrzeuges (Lenk­ säule, Lenkrad, Spurstangen etc.) ergeben sich aber Probleme hinsicht­ lich der Bauteilebeurteilung bei Schädigungen, z. B. nach einem Un­ fall. Wurde dabei die zulässige Belastung des Bauteiles überschrit­ ten, dieses aber nicht sichtbar zerstört, so kann eine Strukturschä­ digung (Faserrisse) vorliegen, die visuell nicht erkennbar ist. Zur Prüfung des Bauteiles wären labormäßige Tests, Steifigkeitsuntersu­ chungen oder eine Röntgen- oder Ultraschallprüfung mit dem entspre­ chenden apparativen Aufwand erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache Vorrichtung an den Bau­ teilen zu schaffen, mit der gezielt und ohne zusätzlichen appara­ tiven Aufwand eine mögliche Strukturschädigung der Bauteile erkennbar ist.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentan­ spruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist an dem Bauteil zumindest ein Indikator angeordnet, der hinsichtlich seiner Dehnfähigkeit und/oder seines Deformationsverhaltens so ausgelegt ist, daß er die maximal auftretenden Betriebsbelastungen des Bauteiles unbeschadet übersteht, bei höheren als den Betriebsbelastungen jedoch vor der ersten Schädi­ gung des Bauteils eine bleibende Deformation oder Zerstörung erfährt. Der Indikator reagiert also oberhalb des normalen Betriebsbereichs, doch noch in dem Bereich, in dem eine Überbelastung mit einer ggf. auftretenden Strukturschädigung des Bauteiles mit Sicherheit auszu­ schalten ist und die visuell erkennbare Schädigungsgrenze des Bauteiles ebenfalls noch nicht erreicht ist. Der Indikator wird demzufolge auch bei Überbelastung des Bauteiles irreversibel beschädigt und liefert somit visuell erkennbar ein Indiz, daß das Bauteil erneuert oder zumindest einer gründlichen apparativen Überprüfung unterzogen werden muß. In den nachstehend geschilderten Anwendungsfällen wird man das Bauteil aus Kosten- und Sicherheitsgründen bei geschädigtem Indikator erneuern.

Erfährt das Bauteil z. B. bei maximaler Betriebsbelastung eine Deh­ nung von +0,2 bis -0,1% und dessen Schädigungsgrenze (Bruch etc.) bei Überbeanspruchung liegt bei +0,8 bzw. -0,3%, so kann der In­ dikator so ausgelegt sein, daß er bei einer Belastung zwischen +0,2 und +0,8% und zwischen -0,1 und -0,3%, z. B. bei ca. +/-0,25% bleibend geschädigt wird. Das Überschreiten der Betriebsbelastung ist dann an dem Indikator ablesbar. Der Indikator ist dabei so an dem Bauteil anzuordnen, daß er mit dessen Betriebsbelastung gekoppelt ist bzw. daß er im elastischen und ggf. plastischen Deformationsbereich des Bauteiles liegt. Nähere Hinweise dazu gibt die nachfolgende Be­ schreibung von Ausführungsbeispielen.

Der Indikator kann entsprechend den Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 9 durch eine auf die Oberfläche des Bauteiles aufgebrachte Beschichtung, durch in das Bauteil eingebundene Formkörper oder durch an dem Bauteil festgelegte Streifen oder Folien gebildet sein.

Besonders einfach kann entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 2 und 3 eine Beschichtung, insbesondere ein auf die Oberfläche des Bauteiles aufgetragener Lack verwendet sein. Der Lack ist hinsicht­ lich seiner Dehnfähigkeit so eingestellt, daß bei einer Belastung oberhalb der Betriebslast des Bauteiles aber vor einer Schädigung des Bauteiles Risse oder Abplatzungen entstehen. Es ist jedoch darauf zu achten, daß bei der Montage oder beim Betrieb des Bauteiles dessen Oberfläche durch andere äußere Einflüsse nicht beschädigt wird.

Bei hohlen Bauteilen, beispielsweise bei einer Lenksäule eines Kraft­ fahrzeuges mit ggf. einem daran angeformten Deformationsteil, kann der Indikator als dünnwandiger Formkörper bzw. Büchse aus z. B. ge­ blasenem Glas oder einem Kunststoff geringer Dehnfähigkeit gebildet sein. Dies ergibt den besonderen Vorteil, daß der Indikator zugleich als verlorener Kern bei der Herstellung bzw. Wicklung des Deforma­ tionsteiles dient.

Ferner können als Indikatoren Streifen oder Folien verwendet sein, die an dem im besonderen Maße spannungsbelasteten Bereichen des Bau­ teiles an dessen Oberfläche angeordnet bzw. festgelegt sind. Bei einer Belastung oberhalb der Betriebslast aber unterhalb der Schädi­ gungsgrenze des Bauteiles werden wiederum die Indikatoren bleibend verformt oder z. B. durch Einreißen beschädigt, so daß auch eine Überbelastung mit Sicherheit bleibend erkennbar ist. Die Streifen oder Folien können aus Blech, aus sprödem Kunststoff, aus Hartpappe etc. gebildet sein.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die schematische Zeichnung zeigt in

Fig. 1 ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm eines Bauteiles aus Fa­ serverbundwerkstoff, welches die Betriebsbelastung, die Schädigungsgrenze und den Indikatorbereich des Bauteiles aufzeigt;

Fig. 2 ein rohrförmiges Bauteil aus Faserverbundwerkstoff mit einer Lack-Beschichtung an seiner äußeren Umfangsfläche;

Fig. 3 ein Deformationsglied aus Faserverbundwerkstoff einer Lenksäule eines Kraftfahrzeuges mit einem verlorenen Kern als Indikator; und

Fig. 4 ein Lenkhandrad aus Faserverbundwerkstoff für ein Kraft­ fahrzeug mit streifenförmigen Indikatoren an den Spei­ chen.

In dem Diagramm der Fig. 1 ist in der Horizontalen die Spannungs­ belastung in MPa (Megapascal) und in der Vertikalen die Dehnung in Prozent eines Bauteiles aus Faserverbundwerkstoff aufgetragen (Kurve 10). Dabei kennzeichnet der schraffierte Bereich die Betriebsbela­ stung, die zwischen -0,1% und +0,2% Dehnung und zwischen -40 MPa und +80 MPa Spannung (Druck und Zug) liegt. Die Schädigungs­ grenze (strichpunktierte Linie), bei der das Bauteil durch erste Faserrisse, Delaminationen, Brechen, Reißen, Knicken etc. zerstört wird, liegt bei +0,3% bzw. +0,8% Bruchdehnung und -120 MPa bzw. +320 MPa Druck-, Zugspannung. Zwischen der Betriebsbelastunggrenze (gestrichelte Linie) und der Schädigungsgrenze (strichpunktierte Linie) liegt der Belastungsbereich, in dem das Bauteil nicht struk­ turgeschwächt wird. In diesem Bereich, z. B. bei -0,25% oder + 0,25% Bruchdehnung und -100 MPa oder +100 MPa Spannung, wird der Indikator (vgl. Fig. 2 bis 4) zerstört, verformt, etc. und somit eine Belastung oberhalb der Betriebslast, mit Sicherheit also auch eine schädigende Überbelastung des Bauteiles signalisiert.

Die 2 zeigt ein im Querschnitt birnenförmiges, rotationssym­ metrisches Deformationsglied 12 aus Faserverbundwerkstoff, welches an seinen Endabschnitten 14, 16 mit Anschlußteilen 18, 20 einer nicht dargestellten Lenksäule eines Kraftfahrzeuges verbunden ist. Das Deformationsglied 12 besteht aus einem rohrförmigen Wickelkörper, der aus in einer Kunstharzmatrix eingebetteten Glasfasern gebildet ist. Die Glasfasern 22 verlaufen in einem Wickelwinkel von +/-45 Grad um den Umfang des Deformationsgliedes 12. Über das Deformations­ glied 12 wird als Betriebsbelastung sowohl ein Drehmoment als auch eine axiale Kraft ausgeübt. Bei einem Unfall kann sowohl als Folge eines erhöhten Drehmomentes als auch einer axialen Stauchkraft auf die Lenksäule eine Überbelastung des Deformationsgliedes 12 auftreten.

Zum Erkennen einer derartigen Überbelastung ist die äußere Oberflä­ che bzw. Umfangsfläche des Deformationsgliedes 12 mit einer Beschich­ tung 24 aus einem hochvernetzten Zweikomponenten-PUR-Lack mit 30% Calciumcarbonat als Füllstoff versehen. Dieser Lack ist hinsicht­ lich der Füllmasse, der Härtungsbedingungen, der Haftungsbedingun­ gen auf der Oberfläche des Deformationsgliedes und seiner Dehnfähig­ keit derart eingestellt, daß er bei einer über der Betriebsbeanspru­ chung des Deformationsgliedes 12 liegenden Belastung (vgl. Punkte "Einsatz Indikator" der Kurve 10 in Fig. 2) zerstört wird bzw. Risse und Abplatzungen 26 aufweist. Die Risse und Abplatzungen 26 bilden ein visuell leicht erkennbares Indiz dafür, daß das Deformationsglied 12 überbelastet wurde und demzufolge ausgetauscht bzw. erneuert wer­ den muß.

Die Beschichtung 24 kann auch aus einem anderen Lack oder beispiels­ weise aus einem Glasüberzug bestehen. Entscheidend ist, daß die Be­ schichtung eine Dehnfähigkeit aufweist, die zwischen der maximalen Betriebsbelastung des Deformationsgliedes 12 als untere Grenze und der Schädigungsgrenze des Deformationsgliedes 12 als obere Grenze liegt. Es muß jedenfalls sichergestellt sein, daß zuerst eine Schä­ digung des Indikators bzw. der Beschichtung und erst bei wesentlich höheren Belastungen eine Schädigung des Deformationsgliedes 12 auf­ tritt. Andererseits darf keine Schädigung des Indikators im Bereich der Betriebsbelastung oder durch normale äußere mechanische oder chemische Einflüsse auftreten.

Die Fig. 3 zeigt ein weiteres Deformationsglied 28 einer nicht näher dargestellten Lenksäule eines Kraftfahrzeuges. Das Deformationsglied 28 ist gebildet durch zwei Rohrstutzen 30, 32, an die ein im Durch­ messer vergrößerter Abschnitt nach Art eines Jägerzaunes angewickelt ist. Der Wickelwinkel der sich kreuzenden Faserstränge 34, die wie­ derum in Kunstharz eingebettet sind, beträgt +/-60 Grad. Die Faser­ stränge 34 sind dabei um eine rohrförmige, dünnwandige Büchse 36 als verlorener Kern gewickelt, wobei die Büchse 36 zugleich als In­ dikator für eine ggf. auftretende Überbelastung des Deformations­ gliedes 28 dient. Die Büchse 36 besteht aus geblasenem Glas, um das herum die Faserstränge 34 des Jägerzaun-Abschnittes des Deformations­ gliedes 28 gewickelt sind. Bei einer Belastung des Deformationsgliedes 28 über dessen maximale Betriebsbelastung hinaus wird die Bruchdeh­ nung der gläsernen Büchse 36 überschritten, so daß diese noch vor Erreichen der Schädigungsgrenze des Deformationsgliedes 28 zerstört wird.

Anstelle einer gläsernen Büchse kann auch ein Kunststoffrohr, z.B. ein feucht verarbeitetes Polybutylenterephthalat oder eine der üb­ lichen duroplastischen Formmassen, z. B. auf Melamin-/Formaldehyd­ basis verwendet sein. Das Kunststoffrohr kann hinsichtlich seiner Dehnfähigkeit und Dimensionierung so eingestellt sein, daß es vor einer schädigenden Überbelastung des Deformationsgliedes 28 einreißt bzw. Risse aufweist oder splittert und dadurch auch eine stattgefun­ dene schädigende Überbelastung mit Sicherheit signalisiert.

Die Fig. 4 zeigt ein Lenkhandrad 38 eines Kraftfahrzeuges mit einer Lenkradnabe 40, mehreren Speichen 42 und einem Lenkradkranz 44. Das Lenkrad 38 ist mit Ausnahme eines metallischen Nabeneinsatzes 46 aus Faserverbundwerkstoff hergestellt. An den Lenkradspeichen 42 sind an definierten Stellen Metallstreifen bzw. Blechstreifen 46, 48 als Indikatoren befestigt. Die Blechstreifen 46, 48, deren Endab­ schnitte (nicht dargestellt) beispielsweise in die Speichen mit ein­ gewickelt sind, sind an Stellen angeordnet, die aufgrund von empiri­ schen Versuchen und Messungen als potentiell besonders belastete Stellen ermittelt wurden. Es sind somit Stellen, an denen sowohl bei unzulässig hohen Betriebsbelastungen als insbesondere auch bei Unfällen Strukturschäden oder Spannungsspitzen nachgewiesen wurden. Ferner sind Bereiche relevant, die während der Überbelastung in er­ höhtem Maße elastischen Deformationen unterliegen.

Tritt eine Belastung oberhalb der Betriebsbelastung des Lenkhandra­ des auf, so stellt sich durch dessen elastische Verformung im Bela­ stungsmoment eine Deformierung der Blechstreifen 46, 48 ein, die bleibend ist und somit visuell leicht erkennbar eine Überbelastung anzeigt. Das Lenkhandrad 38 ist somit bei deformierten Blechstrei­ fen 46, 48 auszuwechseln oder aber einer fundierten Überprüfung zu unterziehen.

Es versteht sich, daß die streifenförmigen Indikatoren bzw. Blech­ streifen 46, 48 auch an anderen als an den gezeigten Stellen des Lenkhandrades angeordnet sein können, beispielsweise im Bereich der Nabe 40. Anstelle von Blechstreifen können auch extrem spröde Kunst­ stoffstreifen verwendet sein, die sich bei entsprechender Verformung an den Knick- oder Verformungsstellen verfärben (sogenannter Weiß­ bruch). Ferner kann es zweckmäßig sein, die Indikatoren gemäß den Fig. 2 bis 4 in einer Kontrastfarbe zum übrigen Bauteil auszubilden, so daß dessen besondere Bedeutung für die Funktionsfähigkeit des Bauteiles entsprechend hervorgehoben und die Schadensfeststellung noch erleichtert wird.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Erkennen von Überbeanspruchungen an Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff, gekennzeichnet durch zumindest einen am Bauteil angeordneten Indikator (Beschichtung 24; Hülse 36; Blechstreifen 46, 48), der vor einer schädigenden Beanspruchung des Bauteiles bleibend und visuell erkennbar geschädigt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bau­ teil (12) mit einer Beschichtung (24) als Indikator versehen ist, wobei die Beschichtung eine Dehnfähigkeit aufweist, die über der bei Betriebsbelastung des Bauteiles auftretenden Dehnung, jedoch unterhalb der an der Schädigungsgrenze des Bauteiles auftreten­ den Dehnung liegt.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung ein hochvernetzter Zweikomponenten-PUR-Lack mit ca. 30% Füllstoff, wie Calciumcarbonat (Kreide) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Indi­ kator ein in das Bauteil (28) eingebundener Formkörper (Hülse 36) mit einer wesentlich geringeren Dehnfähigkeit ist, welcher bei einer oberhalb der Betriebsbelastung des Bauteiles auftreten­ den Dehnung visuell erkennbar geschädigt wird.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (Hülse 36) bei der Herstellung des Bauteiles (28) zugleich als verlorener Kern dient.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Formkörper (36) aus geblasenem Glas oder einem spröden Kunststoff mit einer geringeren Bruchdehnung besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumin­ dest ein streifen- oder folienförmiger Indikator an deformations- oder bruchgefährdeten Stellen des Bauteiles angeordnet ist, wel­ cher vor einer schädigenden Belastung des Bauteiles bleibende Veränderungen wie Verbiegung, Risse, Verfärbungen (z. B. Weiß­ bruch) etc. erfährt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die In­ dikatoren durch Blechstreifen (46, 48) gebildet sind, die an ih­ ren Enden mit dem Bauteil (38) verbunden, insbesondere in das Bauteil (38) eingebunden sind.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Indikatoren aus duroplasti­ schem Kunststoff (z. B. auf Melamin-/Formaldehydbasis) oder aus einem spröden thermoplastischen Kunststoff, z. B. einem feucht verarbeiteten Polybutylenterephthalat bestehen, die in einer Kon­ trastfarbe zum Bauteil (38) hergestellt sind und die sich bei über der Betriebsbelastung des Bauteiles liegender Belastung zer­ stören oder durch Verformung verfärben (Weißbruch).