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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen Fahrzeugrahmen.
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Hindergrund
der Erfindung
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Im
Allgemeinen weist eine Stößfänger-Struktur
eines Fahrzeugs Stößfänger-Halter
auf, welche an jeder Vorderseite von Seitenelementen mittels Stößfänger-Stegverstärkungen
montiert sind. Wenn das Fahrzeug in eine Frontalkollision verwickelt
ist, werden die Front-Seitenelemente und die Stößfänger-Halter in Längsrichtung
davon zum Absorbieren der Aufprall-Energie zusammengedrückt.
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Wie
in 1 gezeigt, sind die Seitenelemente 2-1 und 2-2 an
der Vorderseite und der Hinterseite eines Fahrzeugrahmens 1 angeordnet.
Das Seitenelement hat eine Kastengestalt eines im Querschnitt geschlossenen
Elements und erstreckt sich in Längsrichtung
des Fahrzeugrahmens. Insbesondere das Front-Seitenelement 2-1 ist
ein Bauteil der Fahrzeug-Karosserie und muss zum Verhindern, dass
der Motor in den Fahrgastraum eindringt und zum Schutz der Karosserie
bei der Frontalkollision, eine ausreichende Steifigkeit aufweisen.
Zusätzlich
kann ein Verstärkungselement
an einen strukturell schwachen Abschnitt zum Vergrößern der
Steifigkeit zugegeben werden.
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Das
Front-Seitenelement 2-1 muss einen Aufprall-Schutz haben,
welcher geeignet ist, die Passagiere vor Verletzungen zu schützen, indem
Aufprall-Energie absorbiert wird, welche von der Kollision herrührt.
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Um
die Seitenelemente 2-1 und 2-2 mit der Steifigkeit
und dem Aufprall-Schutz zu versehen, sind Studien für die Auswahl
des Materials oder des Strukturdesigns durchgeführt worden, aber es gibt beachtlich
schwere Aufgaben. Ferner bewirkt die ansteigende Anforderung an
das Leichtbaufahrzeug, dass die Aufgabe noch schwerer ist.
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Mit
Bezug auf das Leichtbau-Seitenelement ist eine von mehreren Versuchs-Ansätzen ein
Verwenden einer hochfesten Stahlplatte. Da das Seitenelement zum
Tragen eines Antriebsstranges und einer Aufhängungsstruktur die ausreichende
Steifigkeit sicherzustellen hat, ohne dass die Absorbierkapazität von Aufprall-Energie
herabgesetzt wird, weist der Versuchs-Ansatz mehrere zu lösende Probleme
auf.
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Ein
anderer Versuchs-Ansatz zum Reduzieren des Gewichts des Fahrzeugrahmens
ist, das Seitenelement unter Verwendung von faserverstärkten Kunststoffen
herzustellen. Es ist für
faserverstärkte Kunststoffe
schwierig, eine kontinuierliche Aufprall-Last zu absorbieren, da
er die Eigenschaft eines Sprödbruches
aufweist. Demgemäß wird zum
Erzielen des stabilen Zusammendrückens
des Seitenelements das im Querschnitt geschlossene Rohr zum Aufweisen
eines spitzzulaufendes Endes unter Verwendung eines Triggermechanismus
bearbeitet. Außerdem
weist, falls die Richtung der an dem Seitenelement angelegten Aufprall-Last
nicht mit der Axialrichtung des Seitenelements übereinstimmt (das Seitenelement
wird mit einer Biegelast belastet), der faserverstärkte Kunststoff
ein geringes Energieabsorbiervermögen auf.
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Um
dem instabilen Zusammendrücken
des Seitenelements zu begegnen und es auch mit einem Leichtbau und
einer guten Energieabsorptionskapazität zu versehen, schlugen die
Erfinder einen Fahrzeugrahmen vor, mit einem Seitenelement, welches eine
Hybridrohrstruktur aufweist, welche durch Laminieren von glasfaserverstärkten Kunststoffen
(GFRP) auf einer Außenseite
eines Aluminiumrohrs und durch simultanes Aushärten des GFRP hergestellt wird.
Siehe Axial Crush and Energy Absorbtion Characteristics of Aluminium/GFRP
hybrid Square Tubes, Key Engineering Materials, Vol. 183–187, Nr. Part
2, Seiten 1147–1152.
Gemäß der Struktur
des Rohres wird die Sprödigkeit
des GFRP durch die duktile Eigenschaft des Aluminiums beeinflusst,
was daher das stabile Zusammendrücken
in dem Rohr ergibt. Das Zusammenwirken von zwei Materialien bewirkt,
dass die Absorptionskapazität
pro Masseneinheit vergrößert ist.
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Gemäß einem
Verfahren zum Herstellen des obigen Hybrid-Seitenelements wird Glasfaser/Epoxy Prepreg
(Semiausgehärteter
Zustand von Glasfaser und Epoxy) direkt mehrmals um den Außenumfang des
Hybrid-Aluminiumrohrs gewunden und dann mittels eines Autoklaven
(Aushärtofen
mit hoher Temperatur und Druck) ausgehärtet, wobei dadurch einige Nachteile
geschaffen werden, indem die Produktivität niedrig ist und die Herstellungskosten
hoch sind. Außerdem
steigert das Verfahren zum Herstellen des vollständigen Seitenelements durch
Anwenden des obigen Vorgangs noch mehr die Kosten, wobei daher der
praktische Nutzen reduziert wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Demgemäß betrifft
die Erfindung einen Fahrzeugrahmen, welcher mit geringen Kosten
herstellbar und im Falle eines axialen Crashs reparierbar ist und
welcher gute axiale Crash-Eigenschaften
bereitstellt. Dies wird mit einem Fahrzeugrahmen gemäß Anspruch
1 erzielt.
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Ein
Verfahren zum Herstellen des Seitenelements des Fahrzeugrahmens
weist vorzugsweise die Schritte auf:
Vorbereiten eines Hybridrohrs,
welches eine Dualstruktur hat, welche ein Aluminium-Innenrohr und
ein aus einem glasfaserverstärkten
Verbundmaterial gemachtes Hybrid-Außenrohr
aufweist, und Verbinden des Hybridrohrs mit einem Stahlrohr.
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Der
Vorbereitungsschritt weist die Schritte auf:
Ausbilden eines
Faser-Vorformlings, welcher den Außenumfang des Innen-Aluminiumrohrs
umschließt, Imprägnieren
des Vorformlings mit einem Harz und Aushärten des mit dem Harz imprägnierten
Vorformlings.
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Der
Faser-Vorformling wird ausgebildet, indem eine Glasfasermatte um
den Außenumfang
des Aluminiumrohrs herum gewunden wird. Die Glasfasermatte weist
eine kontinuierliche Faser-Matte und eine Matte beliebig zerkleinerter
Fasern auf.
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Das
Harz ist ein ungesättigtes
Polyester, vorzugsweise ein Heißfixierungsharz.
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Der
Verbindungsschritt weist die Schritte des Einsetzens von einem Ende
des Hybridrohrs in ein Ende des Stahlrohrs hinein bis das Stahlrohr
zum Teil auf das Hybridrohr überdeckend
angeordnet ist, und des Befestigens des Überdeckungsabschnitts des Stahlrohrs
und des Hybridrohrs mit einem Befestigungselement auf.
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Das
Aluminiumrohr wird mit dem ausgebildeten Vorformling in eine Gießform hinein
eingesetzt, und das Harz wird in die Gießform in einem Druckzustand
für die
Harz-Imprägnierung
eingeführt.
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Es
ist verständlich,
dass sowohl die vorhergehende allgemeine Beschreibung als auch die
folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung exemplarisch und
erklärend
sind und vorgesehen sind, eine weitere Erklärung der Erfindung wie beansprucht
bereitzustellen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
beiliegenden Zeichnungen, welche zum besseren Verständnis der
Erfindung beigefügt
sind, sind eingegliedert in die und bilden einen Teil von dieser
Anmeldung, stellen eine Ausführungsform
(Ausführungsformen)
der Erfindung dar und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erklären des Prinzips
der Erfindung. In der Zeichnung ist:
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1 eine
Perspektivansicht eines konventionellen Fahrzeugrahmens;
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2 eine
Perspektivansicht eines Seitenrahmens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung;
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3 eine
Explosionsansicht eines Seitenrahmens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung; und
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4 eine
Querschnittansicht, welche entlang Linie A-A' aus 2 geschnitten
ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Es
wird nun ein detaillierter Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung gemacht.
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2 bis 4 zeigen
ein Seitenelement gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung.
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Das
Seitenelement 200 der Erfindung weist, wie in 2 bis 4 gezeigt,
ein aus einer hochfesten Stahlplatte gemachtes Stahlrohr 210 und
ein Hybridrohr 220 auf, welches zwischen dem Stahlrohr 210 und
einem Stoßfänger (welcher
in doppelpunktierten Linien in 4 gezeigt
ist) angeordnet ist und mit dem Stahl-Stoßfänger verbunden ist.
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Das
Hybridrohr 220 der Erfindung weist eine Dualstruktur auf,
welche ein Aluminium-Innrohr 221 und ein Hybrid-Außenrohr 222 aufweist,
welches aus glasfaserverstärktem
Kompositmaterial ist.
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Das
Stahlrohr 210 und das Hybridrohr 220 der Erfindung
können
eine kreisförmige
oder rechteckige im Querschnitt geschlossene Struktur wie ein Rohr
für das
konventionelle Seitenelement aufweisen.
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Die
Verbindung des Stahlrohrs 210 mit dem Hybridrohr 220 wird
wie in 3 und 4 gezeigt erzielt, indem das
eine Ende des Hybridrohrs 220 in ein Ende des Stahlrohrs
zu einem solchen Ausmaß eingesetzt
ist, dass das Stahlrohr teilweise das Hybridrohr überdeckt,
und indem ein Überdeckungsabschnitt 230 des
Stahlrohrs und des Hybridrohrs durch Verwendung von mindestens einem,
vorzugsweise zwei, Befestigungselement (z.B. Bolzen/Mutter oder Niet)
befestigt wird. Zu diesem Zweck sind die Rohre 210 und 220 an
dem überdeckenden
Abschnitt 230 mit mindestens einem, vorzugsweise mindestens zwei,
Befestigungslöchern 251 und 252 zum
Aufnehmen des Bolzens oder des Niets versehen. Demgemäß ist es
wünschenswert,
an dem Ende des Hybridrohrs, welches in das Stahlrohr 210 eingesetzt
wird, kein glasfaserverstärktes
Kompositmaterial zu laminieren.
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Da
das Hybridrohr 220 der Erfindung die Dualstruktur hat,
welche das Aluminium-Innenrohr 221 und das Außenrohr 222 aufweist,
welches aus glasfaserverstärkten
Kompositmaterial ist, kann das Zusammenwirken des Aluminiums und
des glasfaserverstärkten
Kompositmaterials die Aufprall-Energie auf eine stabile Zusammenwirk-Weise
absorbieren. Zusätzlich
ist es im Fall einer Kollision bei niedriger Geschwindigkeit nicht
notwendig, das gesamte Seitenelement auszuwechseln, sondern nur
das Hybridrohr 222 kann ausgewechselt werden, wobei dadurch
die Wartungskosten reduziert werden.
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Ein
Verfahren zum Herstellen des Seitenelements der Erfindung wird nun
beschrieben.
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Das
Hybridrohr 222 der Erfindung wird mittels eines Harzinjektion-
(RTM) Verfahrens hergestellt, mittels dessen, nachdem eine Aussteifung
zuvor in der Gießform
angeordnet ist, das Harz injiziert und ausgehärtet wird, indem Druck von
außen
angelegt wir, wobei es dadurch geformt wird. Mit diesem Verfahren
kann ein Gegenstand mit guten mechanischen Eigenschaften mit hoher
Produktivität
angefertigt werden und ein großdimensioniertes
Bauteil mit komplizierter Gestalt kann einfach geformt werden. Zusätzlich kann
eine physikalische Eigenschaft des Gegenstandes durch das Steuern der
Menge und der Ausrichtung von der Aussteifung verbessert werden.
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Ein
Vorformling, welcher für
das Ausformen einer Gießform
geeignet ist, sollte unter Verwendung eines Bindemittels angefertigt
werden. Der Vorformling wird geformt, indem Glaswolle, wie beispielsweise
eine kontinuierliche Faser-Matte oder eine Matte beliebig zerkleinerter
Fasern, um einen Außenumfang
des vorher vorbereiteten Aluminiumrohrs 221 gewickelt wird.
In diesem Fall ist es wünschenswert, die
Permeabilität
des Vorformlings zum Vorhersehen des Harzflusses in der Gießform zu
messen.
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Das
Aluminiumrohr wird mit dem ausgebildeten Vorformling innerhalb der
Gießform
angeordnet und wird mit einem Druck von außen versehen, sodass das Harz
in den Vorformling hinein injiziert wird. Und dann wird der imprägnierte
Vorformling ausgehärtet.
Das verwendete Harz ist ungesättigtes
Polyester, das heißt,
ein Heißfixierungs-Harz,
welches eine relativ geringe Viskosität (100–1000 cP) hat. Da das ungesättigte Polyester
mit einem geringen Druck injiziert werden kann, ist es möglich, einen
Formmechanismus und eine Gießform
einer Gießmaschine zu
vereinfachen und die Gießkosten
gegenüber
dem Spritzgießen
oder Pressgießen
zu reduzieren.
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Ein
Hauptprozess, der einen Einfluss auf die Produktivität des Harz-Injizierungs-Vorganges
ausübt,
sind die Imprägnier-
und Aushärtprozesse.
Bedingungen, wie beispielsweise der Druck, die Temperatur und die
Viskosität
und so weiter, müssen
beim Injizieren des Harzes berücksichtigt
und optimiert werden, um das schnelle Aushärten und Fließen zu erzielen,
indem der Druck und die Temperatur geregelt werden.
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Das
Hybridrohr 220, welches wie oben beschrieben angefertigt
ist, wird an das vorher vorbereitete Stahlrohr 210 angeschlossen.
Die Verbindung des Stahlrohrs 210 mit dem Hybridrohr 220 wird
wie oben beschrieben erzielt, indem ein Ende des Hybridrohrs 220 in
das hohle Ende des Stahlrohrs zu solche einem Ausmaß eingesetzt
wird, dass das Stahlrohr das Hybridrohr teilweise überdeckt,
und indem der Überdeckungsabschnitt 230 des
Stahlrohrs und des Hybridrohrs durch ein Befestigungsverfahren befestigt
wird wie beispielsweise Vernieten, Bolzen/Mutter-Sichern oder Schweißen. Zu
diesem Zweck sind die Rohre 210 und 220 an dem Überdeckungsabschnitt 230 mit
einer Anzahl von Befestigungslöchern 251 und 252 versehen.
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Mit
der oben beschriebenen Konstruktion kann, da das Hybridrohr der
Erfindung die Dualstruktur hat, welche das Aluminium-Innenrohr und
das Außenrohr
aufweist, welches aus glasfaserverstärkten Kompositmaterial ist,
das Zusammenwirken des Aluminiums und des glasfaserverstärkten Kompositmaterials
die Aufprall-Energie auf eine stabile Zusammendrück-Weise absorbieren. Außerdem ist
es im Falle einer Kollision bei niedriger Geschwindigkeit nicht
notwendig, das gesamte Seitenelement auszuwechseln, sondern nur
das Hybridrohr 222 kann ausgewechselt werden, wobei dadurch
die Wartungskosten reduziert werden. Außerdem wird der vordere Abschnitt
des Seitenelements von der Erfindung ersetzt, wobei dadurch der
Leichtbaueffekt vergrößert wird.
Auch ist der RTM-Prozess für
die Massenproduktion und Kostenreduzierung sehr vorteilhaft.
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Die
vorhergehende Ausführungsform
ist lediglich exemplarisch und ist nicht als Einschränkung der
Erfindung ausgelegt. Diese Lehren können leicht an anderen Vorrichtungs-Typen
angewendet werden. Die Beschreibung der Erfindung ist erklärend vorgesehen
und soll nicht den Umfang der Ansprüche beschränken. Viele Alternativen, Modifikationen
und Variationen sind dem Fachmann ersichtlich.