WO2010031827A1 - Verstärkte struktur eines fahrzeugs - Google Patents

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WO2010031827A1
WO2010031827A1 PCT/EP2009/062083 EP2009062083W WO2010031827A1 WO 2010031827 A1 WO2010031827 A1 WO 2010031827A1 EP 2009062083 W EP2009062083 W EP 2009062083W WO 2010031827 A1 WO2010031827 A1 WO 2010031827A1
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connecting means
structural
outside
deformation probability
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PCT/EP2009/062083
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Thomas Kraushaar
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Sika Technology Ag
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Definitions

  • the invention is based on a reinforced structure comprising a structural component and a reinforcing part arranged in the cavity of the structural component comprising a carrier part and a connecting means arranged between structural component and carrier part, according to the preamble of the first claim. Furthermore, the invention is based on a reinforcing part and a method for reinforcing structural components according to the preamble of further independent claims.
  • hollow structural components are used in structures of any kind, especially in transportation structures.
  • This construction makes it possible to keep the weight of the construction and the cost of materials low.
  • this can lead to a reduction in the stability of the component, which is a problem especially in the case of stability in traffic accidents for transport structures.
  • reinforcement parts are typically used in such cavities.
  • Such reinforcing members normally comprise support members, which are typically made of rigid materials, as well as connecting means which firmly anchor the reinforcement member in the cavity.
  • the structural components reinforced in this way also referred to below as reinforced structures, have the disadvantage that, on the one hand, they are uniformly reinforced against external loads, and, on the other hand, they often have a uniform amount of connecting means between the carrier part and the structural component. Both leads to a high cost of materials and weight of the reinforcing member and thus the reinforced structure.
  • An uneven distribution of connecting means between the carrier part and the structural component is disclosed in US Pat. No. 6,378,933 B1 for increasing the bending strength of automotive bodywork.
  • the carrier part is a hollow body, which is surrounded by a booster foam mass.
  • the shape of the hollow body is designed such that regions of the structural components having a high bending load have the highest possible proportion of the booster foam mass.
  • the disadvantage of this system is that compared to materials of support parts with moduli of elasticity of 5,000 - 200,000 MPa, the modulus of elasticity of booster foams of 400 - 2,000 MPa is massively smaller and thus less stabilizing effect in the case of a traffic accident.
  • Object of the present invention is therefore, in a reinforced
  • the essence of the invention is thus that the carrier part is arranged in the cavity so that the distance between the carrier part and the structural component at locations of the structural component with a higher deformation probability with force from the outside to the structural component is smaller compared to locations of the structural component lower deformation probability with forces in effect from outside.
  • the Connecting means especially when it is a foamed material, usually has a lower reinforcing property with respect to the stability of the structural member than the support member.
  • a smaller amount of connecting means at said point thus allows a closer positioning of the support member, which usually has a higher reinforcing property, on the structural component at the mentioned location.
  • the structural component in the case of loading retains its original shape, in particular its original cross-section, more, which has an advantageous effect on the stability of the structural component.
  • the advantages of the invention can be seen in the fact that the reinforced structure is more stable compared to the prior art force application by means of an inventive construction, and thus produced with less material for the reinforcing member, and thus with less weight can be used to ensure the desired stability.
  • FIG. 1 a - 1 c are schematic cross-sections through reinforced according to the invention structures with a reinforcing member according to the invention in a cavity of a structural member after activation of the bonding agent.
  • FIGS. 2a-2d are schematic cross-sections through reinforced structures according to the invention with a reinforcing member according to the invention with ribs and rib supports in a cavity of a structural component after activation of the connecting means.
  • 3a-3d show schematic cross-sections through structures reinforced according to the invention with a reinforcement part according to the invention in a cavity of a structural component before activation of the connection means.
  • 4a-4d are schematic cross-sections through reinforced structures according to the invention with a reinforcement part according to the invention with ribs and rib supports in a cavity of a structural component before activation of the connection means.
  • FIGS. 1a-1c and 2a-2d respectively show a reinforced structure 1 according to the invention comprising a structural component 2 and a reinforcement member 4 arranged in the cavity 3 of the structural component, this reinforcement member 4 comprising a support member 5 and a structural member 2 and Carrier part 5 arranged, connecting means 6 comprises, shown.
  • a reinforced structure 1 comprises a carrier part 5, which is arranged in the cavity 3 so that the distance between the carrier part and the structural component 2 at locations of the structural component with a higher deformation probability 7 under the action of force 8 from the outside to the structural component is smaller compared to locations of Structural component with a lower 9 deformation probability when force 8 is applied from the outside.
  • Structural components are usually reinforced in places where a particular load on the structural component is expected.
  • Such expected loads or load cases are often known as standardized load cases and allow one skilled in the art to investigate the behavior, in particular the deformation behavior, of structural components in the case of an external force on the structural component.
  • Such standardized load cases are of great importance, in particular in the vehicle industry. They allow the behavior of reinforced structures in typical load cases, especially in vehicle accidents, to be analyzed on the basis of standardized load cases.
  • the vehicle industry knows a variety of such standardized load cases, in particular the block impact, impact against obstacle, crash barrier impact, vehicle-vehicle crash, side impact or rear impact.
  • Standardized load cases include crash test programs such as the European New Car Assessment Program (Euro NCAP) or the US New Car Assessment Program (US NCAP).
  • the force 8 from the outside corresponds to a standardized load case, in particular a standardized load case from the vehicle industry, as previously mentioned.
  • the resistance to compressive forces in particular the resistance to deformation when force is applied from the outside, is of particular importance when the shape of the structural component, in particular the cross-section, is designed such that the structural component contributes to the stability of the means of transport.
  • the structural component 2 is, for example, a B-beam of a vehicle
  • the structural component loses stability in the event of deformation, in particular if the deformation has an effect on the cross-section, for example in the event of a kink, due to a force 8 from the outside.
  • the stability of the vehicle also decreases.
  • the deformation probability is determined empirically and / or theoretically, in particular by means of an FE model of the structural component 2, whereby the probability of deformation of a structural component 2 before arranging a support part 5 in the cavity 3 is understood by the probability of deformation.
  • the deformation probability can be determined empirically, in particular in real load tests. However, such attempts often require the construction of a prototype and are therefore associated with a high expenditure of time and high costs. Therefore, it is advantageous if one can reduce the number of real load tests to a few experiments with finished components.
  • the deformation probability is theoretically determinable, in particular with the aid of a finite element model (FE model), for example an FE model of a structural component 2. Such determinations can be carried out, inter alia, with the help of computers and are thus faster and cheaper than the real load tests and especially during the development of components suitable.
  • the carrier part 5 is arranged in the cavity 3 in such a way that the distance between the carrier part and the structural component 2 at locations of the structural component with a higher deformation probability is less on the structural component 2 than on the structural component with a lower deformation probability when force is applied externally.
  • the deformation probability of the structural component 2 decreases and thus the stability of the structural component increases.
  • the amount of bonding agent at the location of the structural component 2 with the highest deformation probability is 0-60%, preferably 10 to 30% of the amount of bonding agent at the location of the structural member 2 having the lowest deformation probability at external forces.
  • the connecting means 6, in particular when it is a foamed material, in its activated state usually has a lower reinforcing property than the carrier part 5.
  • a smaller amount of connecting means 6 at said point thus allows a closer positioning of the carrier part, which usually has a higher reinforcing property has, at the structural component at said point.
  • the structural component 2 in the event of loading retains its shape, in particular its cross-section, more, which has an advantageous effect on the stability of the structural component.
  • the structural member 2 may be made of any material and have any shape.
  • the structural component 2 is typically made of metal, in particular aluminum or steel.
  • it is such structural components to bodies and / or frames of means of transport and locomotion, in particular of vehicles by water or land or aircraft, such as bodies or frames of automobiles, trucks, railway cars, boats, ships, helicopters and aircraft, most preferably of automobiles ,
  • structural components 2 which are surface-treated during their production, are typically treated in immersion baths, in particular are cleaned, phosphated or coated in cleaning, phosphating or dip-coating baths. These surface treatments are typically used for corrosion protection.
  • the reinforced structure 1 comprises a reinforcing part 4 arranged in the cavity 3 of the structural component 2, comprising a carrier part 5 and a connecting means 6 arranged between the structural component 2 and the carrier part 5.
  • any material which is suitable for fixing the carrier part 5 in the cavity 3 of the structural component 2 can be used as the connecting means 6.
  • the connecting means can also take over sealing and amplification functions.
  • the connecting means 6 can be connected to the entire outer side of the carrier part 5 facing the structural component 2, as shown for example in FIGS. 1 a or 2 d, or only partially, as for example in FIGS. 1 b, 1 c, 2 a, 2 b or 2c shown.
  • the connecting means of the reinforced structure has been activated thermally, by moisture or by electromagnetic radiation, in particular thermally.
  • activatable connection means makes it possible to reinforce and / or seal structural components 2 during their production only when the structural components have been surface-treated. This is the case for example in the production of transport structures.
  • the structural components are usually surface-treated, in particular in cleaning, phosphating and / or dip-coating treated to protect the structural member from corrosion.
  • a gap 14 between connector and structural member 2 remains for the circulation of surface treatment agents, particularly liquids, during surface treatment.
  • the activatable connection means can also be applied to the structural component or arranged in any other way between the structural component and the support member.
  • the connecting means 6 of the reinforced structure 1 may be a foamed material and / or a cured adhesive composition.
  • any foamable material can be used as the foamed material, in particular such that can be controlled to foam by activation.
  • This material may or may not have reinforcing properties.
  • the foamable material is thermally foamed, by moisture or by electromagnetic radiation.
  • Such a foamable material typically comprises a chemical or a physical blowing agent.
  • Chemical blowing agents are organic or inorganic compounds which decompose under the influence of temperature, moisture, or electromagnetic radiation, at least one of the decomposition products being a gas.
  • physical blowing agents it is possible, for example, to use compounds which, on increasing the temperature, change into the gaseous state of aggregation.
  • both chemical and physical blowing agents are able to produce foam structures in polymers.
  • the foamable material is thermally foamed using chemical blowing agents.
  • Suitable chemical blowing agents are, for example, azodicarbonamides, sulfohydrazides, bicarbonates or carbonates.
  • Suitable blowing agents are also commercially available, for example, under the trade name Expancel® from Akzo Nobel, Netherlands, or under the trade name Celogen® from Chemtura Corp., USA.
  • the heat required for the foaming can be introduced by external or by internal heat sources, such as an exothermic chemical reaction.
  • the foamable material is preferably at a
  • Temperature of 110 0 C to 250 0 C in particular from 150 0 C to 200 ° C, preferably from 160 0 C to 180 0 C, foamable.
  • Suitable foamable materials are, for example, one-component epoxy resin systems which do not flow at room temperature, which in particular have an increased impact strength and contain thixotropic agents such as aerosils or nanoclays.
  • epoxy resin systems 20 to 50 wt .-% of an epoxy resin, 0 to 30 wt .-% of an epoxy solid resin, 5 to 30 wt .-% toughness modifiers, 1 to 5 wt .-% physical or chemical leavening, 10 to 40% by weight of fillers, 1 to 10% by weight of thixotropic agent and 2 to 10% by weight of heat-activatable hardener.
  • crystalline polyepoxides such as triglycidyl isocyanurates, terephthalic acid diglycidyl ethers, mixtures of terephthalic acid diglycidyl ether with trimellitic triglycidyl ether, hydroquinone diglycidyl ether and adducts of trimethylolpropane diglycidyl ether with diisocyanates such as 4,4'-, 2,4'- and 2,2'-diphenylmethane diisocyanate (MDI), 2,4- and 2,6-toluene diisocyanate (TDI) or 1-isocyanato-3,3,5-trimethyl-5-isocyanatomethylcyclohexane (IPDI).
  • Suitable toughening modifiers are reactive liquid rubbers
  • foamable materials are propellant-containing one-component polyurethane compositions composed of crystalline, OH-containing polyesters in admixture with other polyols, preferably polyether polyols, and polyisocyanates with blocked isocyanate groups.
  • the melting point of the crystalline polyester should be> 50 ° C.
  • the isocyanate groups of the polyisocyanate may be blocked, for example, with nucleophiles such as caprolactam, phenols or benzoxalones.
  • blocked Polysocyanate acceptors as are, for example, the powder coating technology is used, and for example, under the trade names Vestagon ® BF 1350 and BF 1540 Vestagon ® commercially available from Degussa GmbH, Germany.
  • isocyanates are so-called encapsulated or surface-deactivated polyisocyanates which are known to the person skilled in the art and are described, for example, in EP 0 204 970.
  • blowing agent-containing two-component epoxy / polyurethane compositions are also suitable as foamable materials, as described, for example, in WO 2005/080524 A1, the disclosure of which is hereby incorporated by reference.
  • foamable materials are, for example, sold under the trade name SikaBaffle ® 240, SikaBaffle ® 250 or SikaBaffle ® 255 by Sika Corp., U.S.A. and are described in patents US 5,266,133 and US 5,373,027, the disclosure of which is hereby incorporated.
  • foamable materials with reinforcing properties are for example those preferred which are marketed under the trade name SikaReinforcer ® 941 by Sika Corp., USA. These are described in US 6,387,470, the disclosure of which is hereby incorporated by reference. In the foamed state, the foamable material in particular
  • Activation controlled can be brought to the curing. This is preferably done thermally, by moisture, electromagnetic radiation or particle radiation, in particular thermally.
  • thermosetting adhesive compositions at a temperature of> 110 0 C, in particular from 150 0 C to 220 0 C, preferably from 160 0 C to 200 0 C, are suitable to cure.
  • the curable adhesive composition is a one-part epoxy resin composition, a one-part polyurethane composition or a one-part acrylate composition.
  • the curable adhesive composition is a one-part, thermosetting epoxy resin composition comprising at least one epoxy resin A and at least one epoxy resin hardener B which is activated by elevated temperature.
  • the epoxy resin A which has on average more than one epoxide group per molecule, is preferably an epoxy liquid resin or a solid epoxy resin.
  • solid epoxy resin is well known to the person skilled in the art and is used in contrast to "liquid epoxy resin".
  • the glass transition temperature of solid resins is above room temperature, i. they can be ground at room temperature to give pourable powders.
  • Such solid epoxy resins are, for example, commercially available from The Dow Chemical Company, USA, from Huntsman International LLC, USA, or Hexion Specialty Chemicals Ine, USA.
  • Such liquid resins are, for example, under the trade names
  • Hardener B for epoxy resins is activated by increased temperature.
  • This is preferably a hardener which is selected from the group consisting of dicyandiamide, guanamines, guanidines, amino guanidines and their derivatives.
  • accelerating effective curing agents such as substituted ureas, such as 3-chloro-4-methyl-phenylurea (chlorotoluron), or phenyl-dimethylureas, in particular p-chlorophenyl-N, N-dimethylurea (monuron), 3-phenyl-1 , 1-dimethylurea (fenuron) or 3,4-dichlorophenyl-N, N-dimethylurea (diuron).
  • substituted ureas such as 3-chloro-4-methyl-phenylurea (chlorotoluron)
  • phenyl-dimethylureas in particular p-chlorophenyl-N, N-di
  • the curable adhesive composition is a one-component, thermosetting polyurethane composition which is composed of polymeric polyols and polyisocyanates.
  • Suitable polyisocyanates are in particular di- and triisocyanates.
  • the polyurethane composition further contains at least one curing agent B 'which contains isocyanate-reactive groups and is present in blocked form.
  • the blocking can be chemical or physical nature.
  • the curable adhesive composition may be a one-part, thermosetting acrylate composition. This preferably comprises at least one di- or polyfunctional monomer containing acrylic or methacrylic groups and at least one monofunctional monomer containing acrylic or methacrylic groups.
  • a hardener B "contains the acrylate a thermal initiator in blocked form, which triggers the polymerization of the acrylate or methacrylate monomers.
  • the support member 5 may consist of any materials.
  • Preferred materials are plastics, especially polyurethanes, polyamides, polyesters and polyolefins, preferably high temperature resistant polymers such as poly (phenylene ether), polysulfones or polyethersulfones; Composites, in particular of polyamides and glass fiber; Metals, in particular aluminum and steel; or any combination of these materials.
  • the support member 5 may have any structure and any structure.
  • it may be solid, as shown in FIGS. 1 a, 1 b, 3 a, 3 b, and 3 c, or hollow, or have through openings 13, as shown in FIGS. 1 c and 3d.
  • the carrier part 5 can have at least one rib 11 and at least one rib carrier 12, in particular at least one rib carrier arranged substantially perpendicular to the at least one rib.
  • Carrier parts 5 which through openings and / or ribs and
  • the carrier part 5 can consist of a component, as shown for example in FIGS. 2 a, 2 b, 4 a, or 4 b, or of a plurality of components which are connected to one another, as shown in FIGS. 2 c, 2 d, 4 c and 4 d.
  • the invention comprises a reinforcing part 4 for reinforcing cavities 3 of structural components 2 comprising a carrier part 5 and a connecting means 6, which can be activated and is mounted on the outside of the carrier part 5.
  • these are reinforcing members as well as structural members previously mentioned as being suitable for the reinforced structure 1.
  • the reinforcing member 4 is formed so that after activation of the connecting means 6, the distance between the support member 5 and structural member 2 at locations of the structural component with higher 7 probability of deformation when force 8 from the outside to the structural member 2 is smaller compared to locations of the structural component with a lower 9 deformation probability when force 8 is applied from the outside.
  • the force 8 from the outside is a load case in vehicle accidents, preferably a block impact, impact against obstacle,
  • the deformation probability is determined by
  • the amount of connecting means 6 of the support part 5 is at the
  • the connecting means 6 is thermally, by heat or by electromagnetic radiation, in particular thermally activated. It is furthermore advantageous that the connecting means 6 is a foamable material and / or an adhesive, in particular an adhesive which has an expansion of 0-5% upon activation.
  • the carrier part 5 has at least one rib 11 and at least one rib carrier 12, in particular at least one rib carrier arranged substantially perpendicular to the at least one rib.
  • the distance between the reinforcement part 4 and structural component 2 allows the access of liquids, in particular surface treatment liquids, to the reinforcing member 4 facing surface of the structural component.
  • the invention comprises a method for reinforcing structural components 2 by placing at least one reinforcement part 4, comprising a carrier part 5 and a connection means 6, which can be activated and arranged between structural component 2 and carrier part 5, in the cavity 3 of the structural component.
  • the method comprises the steps: i) creating an FE model of the structural component 2, without the at least one reinforcement part 4 being arranged in the cavity 3 thereof; or i ') Creating an FE model of the structural component 2, in whose
  • the at least one reinforcing member 4 is arranged; ii) calculation of the crash behavior of the FE model; iii) reducing the amount of activatable bonding agent at high strain sites versus low structural component sites, particularly in the structural member cross section, in the calculated crash behavior of the FE model; iv) producing the reinforcing member having a distribution of the bonding agent according to the findings of the previous steps; v) placing the reinforcing member in the structural cavity
  • the crash behavior of step ii) is a behavior in the case of a standardized load case from the vehicle industry, in particular a standardized load case in the case of vehicle accidents.
  • these are reinforcing members 4 and structural members 2 previously mentioned as being suitable for the reinforced structure 1
  • Structures 1 are used. It may be particularly advantageous during the
  • Method for Reinforcing Structural Components 2 Determine minimum requirement and / or maximum requirements for the FE model in crash behavior, such as the mass of the reinforcement part or the depth, respectively the speed of the intrusion.
  • the method additionally includes a step for achieving the minimum requirements and / or maximum requirements for the FE model in crash behavior.
  • the preparation of the reinforcing parts 4 can be done in various ways.
  • the production takes place by injection molding.
  • a two-component injection molding process can be used.
  • first a first component, in this case the carrier part 5 are injected.
  • the cavity in the tool is enlarged or adapted, or the manufactured injection molding is placed in a new tool, and a second component, in this case the connecting material, is injection-molded onto the first component with a second injection unit.
  • a first component in this case the carrier part 5
  • a second component in this case the connecting material
  • the placement of the reinforcing member 4 in the cavity 3 of the structural member 2 is preferably done with a clip 10, such as shown in Figure 4c, which quickly and easily connects the reinforcing member to the structural member prior to activation of the connector 6 and holds it in place because time savings and simplicity of the assembly steps in the industrial production of great economic value.
  • the clip 10 is part of the reinforcement part.
  • the clip is advantageously of sufficient strength to hold the reinforcing member in place despite fluid flow stress, for example during cleaning, phosphating or dip coating baths.
  • the clip can be made of any materials. However, preferred materials are those materials which have been previously mentioned as preferred materials for the support member 5.
  • the placement of the reinforcement 4 in the cavity 3 of the structural member 2 can be done in any other way, in particular by simply wedging the amplifier part in the cavity of the structural component.

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Abstract

Bei einer verstärkten Struktur umfassend ein strukturelles Bauteil (2) sowie ein im Hohlraum (3) des strukturellen Bauteils (2) angeordnetes Verstärkungsteil (4), wobei dieses Verstärkungsteil ein Trägerteil (5) und ein Verbindungsmittel (6) umfasst, ist das Trägerteil (5) so im Hohlraum (3) angeordnet ist, dass der Abstand zwischen Trägerteil (5) und strukturellem Bauteil (2) an Stellen des strukturellen Bauteils (2) mit höherer (7) Verformungswahrscheinlichkeit bei Kräfte in Wirkung (8) von aussen auf das strukturelle Bauteil (2) kleiner ist gegenüber Stellen des strukturellen Bauteil (2) mit tieferer (9) Verformungswahrscheinlichkeit bei Krafteinwirkung (8) von aussen.

Description

VERSTÄRKTE STRUKTUR EINES FAHRZEUGS
Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einer verstärkten Struktur umfassend ein strukturelles Bauteil sowie ein im Hohlraum des strukturellen Bauteils angeordnetes Verstärkungsteil umfassend ein Trägerteil und ein, zwischen strukturellem Bauteil und Trägerteil angeordnetes, Verbindungsmittel, nach dem Oberbegriff des ersten Anspruches. Weiterhin geht die Erfindung aus von einem Verstärkungsteil und einem Verfahren zur Verstärkung von strukturellen Bauteilen nach dem Oberbegriff weiterer unabhängiger Ansprüche.
Stand der Technik
Oftmals werden bei Konstruktionen jeglicher Art, insbesondere bei Transportmittelstrukturen, hohlräumige strukturelle Bauteile eingesetzt. Diese Bauweise erlaubt es, das Gewicht der Konstruktion und den Materialaufwand niedrig zu halten. Dies kann jedoch zu einer Herabsetzung der Stabilität des Bauteils führen, was besonders im Falle der Stabilität bei Verkehrsunfällen für Transportmittelstrukturen ein Problem darstellt.
Um der Herabsetzung der Stabilität entgegenzuwirken und gleichzeitig die Verwendung von Hohlräumen zu ermöglichen, werden in solchen Hohlräumen typischerweise Verstärkungsteile eingesetzt. Solche Verstärkungsteile umfassen normalerweise Trägerteile, welche typischerweise aus steifen Materialien bestehen, sowie Verbindungsmittel, welche das Verstärkungsteil im Hohlraum fest verankern.
Die so verstärkten strukturellen Bauteile, im Folgenden auch verstärkte Strukturen genannt, haben den Nachteil, dass sie einerseits gleichmässig gegen Belastungen von Aussen verstärkt sind, und andererseits oft eine gleichmässige Menge an Verbindungsmittel zwischen Trägerteil und strukturellem Bauteil aufweisen. Beides führt zu einem hohen Materialaufwand und Gewicht des Verstärkungsteils und somit der verstärkten Struktur. Eine ungleichmässige Verteilung von Verbindungsmittel zwischen Trägerteil und strukturellem Bauteil offenbart US 6'378'933 B1 zur Erhöhung der Biegebruchfestigkeit von Automobilkarossehen. Bei dem Trägerteil handelt es sich um einen Hohlkörper, welcher von einer Verstärkerschaummasse umgeben ist. Die Form des Hohlkörpers ist so ausgestaltet, dass Bereiche der strukturellen Bauteile mit hoher Biegebelastung einen möglichst hohen Anteil an der Verstärkerschaummasse aufweisen. Der Nachteil von diesem System ist das im Vergleich zu Materialien von Trägerteilen mit Elastizitätsmoduli von 5.000 - 200.000 MPa der Elastizitätsmodul von Verstärkerschaummassen mit 400 - 2.000 MPa massiv kleiner ist und somit im Falle eines Verkehrsunfalls weniger stabilisierend wirkt.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, bei einer verstärkten
Struktur der eingangs genannten Art das Gewicht zu verringern und gleichzeitig die benötigte Stabilität zu gewährleisten.
Erfindungsgemäss wird dies durch die Merkmale des ersten Anspruches erreicht.
Kern der Erfindung ist es also, dass das Trägerteil so im Hohlraum angeordnet ist, dass der Abstand zwischen Trägerteil und strukturellem Bauteil an Stellen des strukturellen Bauteils mit höherer Verformungswahr- scheinlichkeit bei Krafteinwirkung von aussen auf das strukturelle Bauteil kleiner ist gegenüber Stellen des strukturellen Bauteil mit tieferer Verformungswahrscheinlichkeit bei Kräfte in Wirkung von aussen.
Es ist besonders zweckmässig, wenn die Menge an Verbindungsmittel kleiner ist an Stellen des strukturellen Bauteils mit höherer
Verformungswahrscheinlichkeit bei Kräfte in Wirkung von aussen auf das strukturelle Bauteil gegenüber Stellen des strukturellen Bauteils mit tieferer
Verformungswahrscheinlichkeit bei Krafteinwirkung von aussen. Das Verbindungsmittel, insbesondere wenn es sich um ein geschäumtes Material handelt, hat üblicherweise eine geringere Verstärkungseigenschaft im Bezug auf die Stabilität des strukturellen Bauteils als das Trägerteil. Eine geringere Menge an Verbindungsmittel an erwähnter Stelle erlaubt also eine nähere Positionierung des Trägerteils, welches üblicherweise eine höhere Verstärkungseigenschaft aufweist, am strukturellen Bauteil an erwähnter Stelle. Dadurch behält das strukturelle Bauteil im Belastungsfall seine ursprüngliche Form, insbesondere seinen ursprünglichen Querschnitt, eher bei, was sich vorteilhaft auf die Stabilität des strukturellen Bauteils auswirkt.
Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass durch eine erfindungsgemässe Bauweise die verstärkte Struktur im Vergleich zur Bauweise im Stand der Technik stabiler gegenüber erwähnter Krafteinwirkung von aussen ist und dadurch mit weniger Material für das Verstärkungsteil, und dadurch mit weniger Gewicht, hergestellt werden kann, um die gewünschte Stabilität zu gewährleisten.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Weitere Aspekte der Erfindung sind Gegenstand weiterer unabhängiger Ansprüche. Besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Im Folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
Fig. 1 a - 1c schematische Querschnitte durch erfindungs- gemäss verstärkte Strukturen mit einem erfindungsgemässen Verstärkungsteil in einem Hohlraum eines strukturellen Bauteils nach Aktivierung des Verbindungsmittels.
Fig. 2a - 2d schematische Querschnitte durch erfindungsgemäss verstärkte Strukturen mit einem erfindungsgemässen Verstärkungsteil mit Rippen und Rippenträger in einem Hohlraum eines strukturellen Bauteils nach Aktivierung des Verbindungsmittels.
Fig. 3a - 3d schematische Querschnitte durch erfindungsgemäss verstärkte Strukturen mit einem erfindungsgemässen Verstärkungsteil in einem Hohlraum eines strukturellen Bauteils vor Aktivierung des Verbindungsmittels.
Fig. 4a - 4d schematische Querschnitte durch erfindungsgemäss verstärkte Strukturen mit einem erfindungsgemässen Verstärkungsteil mit Rippen und Rippenträger in einem Hohlraum eines strukturellen Bauteils vor Aktivierung des Verbindungsmittels.
Es sind nur die für das unmittelbare Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.
Wege zur Ausführung der Erfindung
In den Figuren 1 a - 1c und 2a - 2d sind jeweils eine erfindungsgemässe verstärkte Struktur 1 umfassend ein strukturelles Bauteil 2 sowie ein im Hohlraum 3 des strukturellen Bauteils angeordnetes Verstärkungsteil 4, wobei dieses Verstärkungsteil 4 ein Trägerteil 5 und ein, zwischen strukturellem Bauteil 2 und Trägerteil 5 angeordnetes, Verbindungsmittel 6 umfasst, dargestellt. Eine solche verstärkte Struktur 1 umfasst ein Trägerteil 5, welches so im Hohlraum 3 angeordnet ist, dass der Abstand zwischen Trägerteil und strukturellem Bauteil 2 an Stellen des strukturellen Bauteils mit höherer 7 Verformungswahrscheinlichkeit bei Krafteinwirkung 8 von aussen auf das strukturelle Bauteil kleiner ist gegenüber Stellen des strukturellen Bauteil mit tieferer 9 Verformungswahrscheinlichkeit bei Krafteinwirkung 8 von aussen. Strukturelle Bauteile werden in der Regel an Orten verstärkt, wo eine besondere Belastung auf das strukturelle Bauteil zu erwarten ist. Solche zu erwartenden Belastungen oder Lastfälle sind oft als standardisierte Lastfälle bekannt und erlauben dem Fachmann, das Verhalten, insbesondere das Verformungsverhalten, von strukturellen Bauteilen im Falle einer Krafteinwirkung von aussen auf das strukturelle Bauteil zu untersuchen. Solche standardisierten Lastfälle sind insbesondere in der Fahrzeugindustrie von grosser Bedeutung. Sie erlauben es, das Verhalten von verstärkten Strukturen in typischen Belastungsfällen, insbesondere bei Fahrzeugunfällen, anhand von standardisierten Lastfällen zu analysieren. Die Fahrzeugindustrie kennt eine Vielzahl von solchen standardisierten Lastfällen, insbesondere den Blockanprall, Anprall gegen Hindernis, Schutzplanken-Anprall, Fahrzeug- Fahrzeug-Anprall, Seitenanprall oder Rückseitenanprall. Standardisierte Lastfälle beinhalten unter anderem Crashtest-Programme wie das European New Car Assessment Program (Euro NCAP) oder das US New Car Assessment Program (US NCAP).
Die Krafteinwirkung 8 von aussen entspricht einem standardisierten Lastfall, insbesondere einem standardisierten Lastfall aus der Fahrzeugindustrie, wie sie vorhergehend erwähnt wurden.
Verformt sich ein strukturelles Bauteil 2 aufgrund einer Krafteinwirkung 8 von aussen, büsst das strukturelle Bauteil üblicherweise von seiner Stabilität ein.
Die Widerstandsfähigkeit gegenüber Druckkräften, insbesondere die Widerstandsfähigkeit gegenüber Verformung bei Krafteinwirkung von aussen, ist insbesondere dann von Wichtigkeit, wenn die Form des strukturellen Bauteils, insbesondere der Querschnitt, so ausgestaltet ist, dass das strukturelle Bauteil einen Beitrag zur Stabilität das Transportmittel liefert. Ist das strukturelle Bauteil 2 beispielsweise ein B-Träger eines Fahrzeugs, so verliert das strukturelle Bauteil im Falle einer Verformung, insbesondere wenn sich die Verformung auf den Querschnitt auswirkt, beispielsweise bei einem Knick, aufgrund einer Krafteinwirkung 8 von aussen an Stabilität. Dies hat zur Folge, dass die Stabilität des Fahrzeugs auch abnimmt. Die Verformungswahrscheinlichkeit wird empirisch und/oder theoretisch, insbesondere durch Zuhilfenahme eines FE-Modells des strukturellen Bauteils 2, bestimmt, wobei unter Verformwahrscheinlichkeit die Verformwahrscheinlichkeit eines strukturellen Bauteils 2 vor Anordnen eines Trägerteils 5 im Hohlraum 3 verstanden wird. Die Verformungswahrscheinlichkeit lässt sich einerseits empirisch, insbesondere in realen Belastungsversuchen, ermitteln. Solche Versuche benötigen jedoch oft die Konstruktion eines Prototyps und sind dadurch mit hohem Zeitaufwand und hohen Kosten verbunden. Daher ist es vorteilhaft, wenn man die Anzahl der realen Belastungsversuche auf wenige Versuche mit fertig entwickelten Bauteilen reduzieren kann. Andererseits ist die Verformungswahrscheinlichkeit theoretisch, insbesondere unter Zuhilfenahme eines Finite-Elemente Modells (FE Modell), bestimmbar, beispielsweise einem FE-Modell eines strukturellen Bauteils 2. Solche Bestimmungen lassen sich unter anderem mit Hilfe von Rechnern durchführen und sind somit schneller und billiger als die realen Belastungsversuche und besonders während der Entwicklung von Bauteilen geeignet.
Im Fahrzeugbau werden Softwareprogramme eingesetzt, die FE- Modelle zur Simulation von Lastfällen, insbesondere Fahrzeugunfälle, verwendet, wie beispielsweise PAM-Crash von ESI-Group, Frankreich oder LS Dyna® von Livermore Software Technology Corporation, USA.
Erfindungsgemäss wird das Trägerteil 5 so im Hohlraum 3 angeordnet, dass der Abstand zwischen Trägerteil und strukturellem Bauteil 2 an Stellen des strukturellen Bauteils mit höherer 7 Verformungswahrscheinlichkeit bei Krafteinwirkung 8 von aussen auf das strukturelle Bauteil 2 kleiner ist gegenüber Stellen des strukturellen Bauteil mit tieferer 9 Verformungswahrscheinlichkeit bei Krafteinwirkung von aussen. Mit zunehmender Nähe des Trägerteils sinkt die Verformungswahrscheinlichkeit des strukturellen Bauteils 2 und damit steigt die Stabilität des strukturellen Bauteils.
Die Menge an Verbindungsmittel an der Stelle des strukturellen Bauteils 2 mit der höchsten Verformungswahrscheinlichkeit beträgt 0 - 60%, bevorzugt 10 - 30% der Menge an Verbindungsmittel an der Stelle des strukturellen Bauteils 2 mit der tiefsten Verformungswahrscheinlichkeit bei Kräfte in Wirkung von aussen.
Vorteilhafterweise beträgt der Abstand zwischen Trägerteil 5 und strukturellem Bauteil 2 an der Stelle des strukturellen Bauteils mit der höchsten Verformungswahrscheinlichkeit bei Krafteinwirkung 8 von aussen 20 - 0 mm, insbesondere 10 - 0 mm, bevorzugt 5 bis 0 mm.
Es ist besonders zweckmässig, wenn die Menge an Verbindungsmittel
6 zwischen strukturellem Bauteil 2 und Trägerteil 5 kleiner ist an Stellen des strukturellen Bauteils 2 mit höherer 7 Verformungswahrscheinlichkeit bei Kräfte in Wirkung 8 von aussen auf das strukturelle Bauteil gegenüber Stellen des strukturellen Bauteils 2 mit tieferer 9 Verformungswahrscheinlichkeit bei Krafteinwirkung von aussen. Dies ist beispielsweise in den Figuren 1a, 2a, 2b und 2d gezeigt. Es kann insbesondere von Vorteil sein, wenn gar kein Verbindungsmittel an Stellen des strukturellen Bauteils 2 mit höherer 7 Verformungswahrscheinlichkeit vorhanden ist, wie dies beispielsweise in den Figuren 1 b, 1 c und 2c gezeigt ist.
Das Verbindungsmittel 6, insbesondere wenn es sich um ein geschäumtes Material handelt, hat in seinem aktivierten Zustand üblicherweise eine geringere Verstärkungseigenschaft als das Trägerteil 5. Eine geringere Menge an Verbindungsmittel 6 an erwähnter Stelle erlaubt also eine nähere Positionierung des Trägerteils, welches üblicherweise eine höhere Verstärkungseigenschaft aufweist, am strukturellen Bauteil an erwähnter Stelle. Dadurch behält das strukturelle Bauteil 2 im Belastungsfall seine Form, insbesondere seinen Querschnitt, eher bei, was sich vorteilhaft auf die Stabilität des strukturellen Bauteils auswirkt.
Das strukturelle Bauteil 2 kann aus jedem Material bestehen und jede Form aufweisen. Das strukturelle Bauteil 2 besteht typischerweise aus Metall, insbesondere Aluminium oder Stahl. Beispielsweise handelt es sich bei derartigen strukturellen Bauteilen um Karosserien und/oder Rahmen von Transport- und Fortbewegungsmitteln, insbesondere von Fahrzeugen zu Wasser oder zu Land oder von Luftfahrzeugen, wie Karosserien oder Rahmen von Automobilen, Lastkraftwagen, Eisenbahnwagen, Booten, Schiffen, Hubschraubern und Flugzeugen, meist bevorzugt von Automobilen.
Bevorzugt handelt es sich um strukturelle Bauteile 2, die bei ihrer Fertigung oberflächenbehandelt, typischerweise in Tauchbädern behandelt werden, insbesondere in Reinigungs-, Phosphatierungs-, beziehungsweise Tauchlackierungsbädern gereinigt, phosphatiert, beziehungsweise beschichtet werden. Diese Oberflächenbehandlungen dienen typischerweise dem Korrosionsschutz.
Die verstärkte Struktur 1 umfasst ein im Hohlraum 3 des strukturellen Bauteils 2 angeordnetes Verstärkungsteil 4 umfassend ein Trägerteil 5 und ein, zwischen strukturellem Bauteil 2 und Trägerteil 5 angeordnetes, Verbindungsmittel 6.
Als Verbindungsmittel 6 kann grundsätzlich jedes beliebige Material eingesetzt werden, welches geeignet ist, das Trägerteil 5 im Hohlraum 3 des strukturellen Bauteils 2 zu fixieren. Neben der erwähnten Verbundfunktion, kann das Verbindungsmittel auch Dicht- und Verstärkungsfunktionen übernehmen.
Das Verbindungsmittel 6 kann mit der gesamten, dem strukturellen Bauteil 2 zugewanden Aussenseite des Trägerteils 5 in Verbindung sein, wie beispielsweise in den Figuren 1 a oder 2d gezeigt, oder nur teilweise, wie beispielsweise in den Figuren 1 b, 1 c, 2a, 2b oder 2c gezeigt.
Vorteilhafterweise wurde das Verbindungsmittel der verstärkten Struktur thermisch, durch Feuchtigkeit oder durch elektromagnetische Strahlung, insbesondere thermisch, aktiviert. Der Einsatz von aktivierbaren Verbindungsmitteln erlaubt es, strukturelle Bauteile 2 während ihrer Herstellung erst dann zu verstärken und/oder abzudichten, wenn die strukturellen Bauteile oberflächenbehandelt wurden. Dies ist etwa bei der Herstellung von Transportmittelstrukturen der Fall. Nach dem Einsetzen von Verstärkungsteilen 4, jedoch vor der Aktivierung der Verbindungsmittel 6, werden die strukturellen Bauteile üblicherweise oberflächenbehandelt, insbesondere in Reinigungs-, Phosphatierungs- und/oder Tauchlackierungs- bädern behandelt, um das strukturelle Bauteil vor Korrosion zu schützen. Typischerweise bleibt vor der Aktivierung des Verbindungsmittels 6, wie in den Figuren 3a - 3d und 4a - 4d gezeigt, ein Zwischenraum 14 zwischen Verbindungsmittel und strukturellem Bauteil 2 zur Zirkulation von Oberflächenbehandlungsmitteln, insbesondere Flüssigkeiten, während der Oberflächenbehandlung. Das aktivierbare Verbindungsmittel kann jedoch auch auf dem strukturellen Bauteil aufgetragen werden oder auf jede andere Art und Weise zwischen strukturellem Bauteil und Trägerteil angeordnet werden.
Das Verbindungsmittel 6 der verstärkten Struktur 1 kann ein geschäumtes Material und/oder eine ausgehärtete Klebstoffzusammensetzung sein.
Als geschäumtes Material kann dabei grundsätzlich jedes beliebige schäumbare Material eingesetzt werden, insbesondere solches, das durch Aktivierung kontrolliert zur Schäumung gebracht werden kann. Dieses Material kann dabei Verstärkungseigenschaften aufweisen oder auch nicht. Typischerweise wird das schäumbare Material thermisch, durch Feuchtigkeit oder durch elektromagnetische Strahlung geschäumt.
Ein solches schäumbares Material weist typischerweise ein chemisches oder ein physikalisches Treibmittel auf. Chemische Treibmittel sind organische oder anorganische Verbindungen, welche sich unter Einfluss von Temperatur, Feuchtigkeit, oder elektromagnetischer Strahlung zersetzen, wobei mindestens eines der Zersetzungsprodukte ein Gas ist. Als physikalische Treibmittel können beispielsweise Verbindungen eingesetzt werden, welche bei Erhöhung der Temperatur in den gasförmigen Aggregatszustand übergehen. Dadurch sind sowohl chemische als auch physikalische Treibmittel in der Lage Schaumstrukturen in Polymeren zu erzeugen. Bevorzugt wird das schäumbare Material thermisch geschäumt wobei chemische Treibmittel eingesetzt werden. Als chemische Treibmittel eignen sich beispielsweise Azodicarbonamide, Sulfohydrazide, Hydrogencarbonate oder Carbonate. Geeignete Treibmittel sind beispielsweise auch kommerziell erhältlich unter dem Handelsnamen Expancel® von der Firma Akzo Nobel, Niederlande, oder unter dem Handelsnamen Celogen® von der Firma Chemtura Corp., USA.
Die für die Schäumung erforderliche Wärme kann durch externe oder durch interne Wärmequellen, wie einer exothermen chemischen Reaktion, eingebracht werden. Das schäumbare Material ist vorzugsweise bei einer
Temperatur von 110 0C bis 250 0C, insbesondere von 150 0C bis 200 °C, bevorzugt von 160 0C bis 180 0C, schäumbar.
Als schäumbare Materialien geeignet sind beispielsweise einkomponentige bei Raumtemperatur nicht fliessende Epoxidharzsysteme, welche insbesondere eine erhöhte Schlagzähigkeit aufweisen und Thixotropiermittel wie Aerosile oder Nanoclays enthalten. Beispielsweise weisen derartige Epoxidharzsysteme 20 bis 50 Gew.-% eines Epoxid- Füssigharzes, 0 bis 30 Gew.-% eines Epoxid-Festharzes, 5 bis 30 Gew.-% Zähigkeitsmodifikatoren, 1 bis 5 Gew.-% physikalische oder chemische Triebmittel, 10 bis 40 Gew.-% Füllstoffe, 1 bis 10 Gew.-% Thixotropiermittel und 2 bis 10 Gew.-% hitzeaktivierbare Härter auf. Neben Epoxid-Festharzen eignen sich auch kristalline Polyepoxide wie Triglycidylisocyanurate, Terephthalsäurediglycidylether, Gemische aus Terephthalsäurediglycidylether mit Trimellitsäuretriglycidylether , Hydrochinondiglycidylether sowie Addukte aus Trimethylolpropandiglycidylether mit Diisocyanaten wie 4,4'-, 2,4'- und 2,2'- Diphenylmethandiisocyanat (MDI), 2,4- und 2,6-Toluylendiisocyanat (TDI) oder 1 -lsocyanato-3,3,5-trimethyl-5-isocyanatomethyl-cyclohexan (IPDI). Als Zähigkeitsmodifikatoren eignen sich reaktive Flüssigkautschuke auf
Basis von Nitrilkautschuk oder Derivate von Polyetherpolyol-Polyurethanen, Core-Shell Polymere und ähnliche dem Fachmann bekannte Systeme. Ebenfalls geeignete schäumbare Materialien sind Treibmittel enthaltende einkomponentige Polyurethanzusammensetzungen aufgebaut aus kristallinen, OH-Gruppen aufweisenden Polyestern im Gemisch mit weiteren Polyolen, vorzugsweise Polyetherpolyolen, und Polyisocyanaten mit blockierten Isocyanatgruppen. Der Schmelzpunkt des kristallinen Polyesters sollte > 50 0C sein. Die Isocyanatgruppen des Polyisocyanats können beispielsweise mit Nucleophilen wie Caprolactam, Phenolen oder Benz- oxalonen blockiert sein. Weiterhin eignen sich blockierte Polysocyanate wie sie beispielsweise in der Pulverlacktechnologie zum Einsatz kommen und beispielsweise unter den Handelsnamen Vestagon® BF 1350 und Vestagon® BF 1540 kommerziell erhältlich sind von Degussa GmbH, Deutschland. Als Isocyanate sind ebenfalls so genannte verkapselte oder oberflächendeaktivierte Polyisocyanate, welche dem Fachmann bekannt und beispielsweise beschreiben sind in EP 0 204 970.
Weiterhin eignen sich als schäumbare Materialien Treibmittel enthaltende zweikomponentige Epoxid/Polyurethan-Zusammensetzungen, wie sie beispielsweise beschrieben sind in WO 2005/080524 A1 , dessen Offenbarung hiermit eingeschlossen ist.
Ebenfalls geeignete schäumbare Materialien werden beispielsweise unter dem Handelsnamen SikaBaffle® 240, SikaBaffle® 250 oder SikaBaffle® 255 von der Sika Corp., USA, vertrieben und sind in den Patenten US 5,266,133 und US 5,373,027 beschrieben, deren Offenbarung hiermit eingeschlossen ist.
Als schäumbare Materialien mit Verstärkungseigenschaften sind beispielsweise diejenigen bevorzugt, welche unter dem Handelsnamen SikaReinforcer® 941 von der Sika Corp., USA, vertrieben werden. Diese sind beschrieben in US 6,387,470, dessen Offenbarung hiermit eingeschlossen ist. Im geschäumten Zustand kann das schäumbare Material insbesondere
Dicht-, Verbund- und/oder Verstärkungsfunktionen, bevorzugt Verbundfunktionen übernehmen. Als ausgehärtete Klebstoffzusammensetzungen können verschiedene
Systeme zur Anwendung kommen, insbesondere solche, welche durch
Aktivierung kontrolliert zur Aushärtung gebracht werden können. Dies geschieht vorzugsweise thermisch, durch Feuchtigkeit, elektromagnetische Strahlung oder Partikelstrahlung, insbesondere thermisch.
Als härtende Klebstoffzusammensetzungen eignen sich insbesondere hitzehärtende Klebstoffzusammensetzungen, welche bei einer Temperatur von von > 110 0C, insbesondere von 150 0C bis 220 0C, bevorzugt von 160 0C bis 200 0C, aushärten.
Bevorzugt ist die härtende Klebstoffzusammensetzung eine einkomponentige Epoxidharzzusammensetzung, eine einkomponentige Polyurethanzusammensetzung oder eine einkomponentige Acrylat- Zusammensetzung.
Meist bevorzugt ist die härtende Klebstoffzusammensetzung eine einkomponentige, hitzehärtende Epoxidharzzusammensetzung umfassend mindestens ein Epoxidharz A und mindestens einen Härter B für Epoxidharze, welcher durch erhöhte Temperatur aktiviert wird.
Das Epoxidharz A, welches durchschnittlich mehr als eine Epoxidgruppe pro Molekül aufweist, ist vorzugsweise ein Epoxid-Flüssigharz oder ein Epoxid-Festharz. Der Begriff „Epoxid-Festharz" ist dem Epoxid- Fachmann bestens bekannt und wird im Gegensatz zu „Epoxid-Flüssigharz" verwendet. Die Glastemperatur von Festharzen liegt über Raumtemperatur, d.h. sie lassen sich bei Raumtemperatur zu schüttfähigen Pulvern zerkleinern. Derartige Epoxid-Festharze sind beispielsweise kommerziell erhältlich von The Dow Chemical Company, USA, von Huntsman International LLC, USA, oder von Hexion Specialty Chemicals Ine, USA. Derartige Flüssigharze sind beispielsweise unter den Handelsnamen
Araldite® GY 250, Araldite® PY 304, Araldite® GY 282 von der Firma Huntsman International LLC, USA, oder D.E.R.® 331 oder D.E.R.® 330 von der Firma The Dow Chemical Company, USA, oder unter dem Handelsnamen Epikote® 828 oder Epikote® 862 von der Firma Hexion Specialty Chemicals Ine, USA, kommerziell erhältlich.
Der Härter B für Epoxidharze wird durch erhöhte Temperatur aktiviert. Es handelt sich hierbei vorzugsweise um einen Härter, welcher ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Dicyandiamid, Guanamine, Guanidine, Amino- guanidine und deren Derivate. Weiterhin möglich sind beschleunigend wirksame Härter, wie substituierte Harnstoffe, wie beispielsweise 3-Chlor-4-Methyl- phenylharnstoff (Chlortoluron), oder Phenyl-Dimethylharnstoffe, insbesondere p-Chlorphenyl-N,N-dimethylharnstoff (Monuron), 3-Phenyl-1 ,1 -dimethylharn- stoff (Fenuron) oder 3,4-Dichlorphenyl-N,N-dimethylharnstoff (Diuron). Weiterhin können Verbindungen der Klasse der Imidazole und Amin-Komplexe eingesetzt werden.
Ebenfalls geeignet ist die härtende Klebstoffzusammensetzung eine einkomponentige, hitzehärtende Polyurethanzusammensetzung, welche aufgebaut ist aus polymeren Polyolen und Polyisocyanaten. Geeignete Polyisocyanate sind insbesondere Di- und Triisocyanate.
Die Polyurethanzusammensetzung enthält weiterhin mindestens einen Härter B', welcher gegenüber Isocyanaten reaktive Gruppen enthält und in blockierter Form vorliegt. Die Blockierung kann dabei chemischer oder physikalischer Natur sein.
Weiterhin kann die härtende Klebstoffzusammensetzung eine einkomponentige, hitzehärtende Acrylatzusammensetzung sein. Diese umfasst vorzugsweise mindestens ein zwei- oder mehrwertiges Acryl- oder Methacryl- gruppen enthaltendes Monomer sowie mindestens ein monofunktionelles Acryl- oder Methacrylgruppen enthaltendes Monomer.
Als Härter B" enthält die Acrylatzusammensetzung einen thermischen Initiator in blockierter Form, welcher die Polymerisation der Acrylat- oder Methacrylatmonomere auslöst.
Es kann weiterhin von Vorteil sein, dass die härtende Klebstoffzusammensetzung beim Aushärten eine Expansion von 0 bis 5% aufweist. Das Trägerteil 5 kann aus beliebigen Materialien bestehen. Bevorzugte Materialien sind Kunststoffe, insbesondere Polyurethane, Polyamide, Polyester und Polyolefine, bevorzugt hochtemperaturbeständige Polymere wie Poly(phenylenether), Polysulfone oder Polyethersulfone; Verbundstoffe, insbesondere aus Polyamiden und Glasfaser; Metalle, insbesondere Aluminium und Stahl; oder beliebige Kombinationen dieser Materialien.
Weiterhin kann das Trägerteil 5 einen beliebigen Aufbau und eine beliebige Struktur aufweisen. Es kann beispielsweise massiv, wie in den Figuren 1 a, 1 b, 3a, 3b und 3c gezeigt, oder hohl sein, oder durchgehende Öffnungen 13 aufweisen, wie in den Figuren 1 c und 3d gezeigt.
Wie in den Figuren 2a - 2d und 4a - 4d gezeigt, kann das Trägerteil 5 mindestens eine Rippe 11 und mindestens einen Rippenträger 12, insbesondere mindestens einen im Wesentlichen senkrecht zur mindestens einen Rippe angeordneten Rippenträger, aufweisen.
Trägerteile 5, welche durchgehende Öffnungen und/oder Rippen und
Rippenträger aufweisen, sind dahingehend von Vorteil, dass
Oberflächenbehandlungsflüssigkeiten besser im strukturellen Bauteil 2 zirkulieren können. Des Weiteren weisen solche Trägerteile ein geringeres
Gewicht auf und benötigen bei ihrer Fertigung weniger Material.
Weiterhin kann das Trägerteil 5 aus einer Komponente bestehen, wie beispielsweise in Figuren 2a, 2b, 4a, oder 4b gezeigt, oder aus mehreren Komponenten, welche miteinander verbunden sind, wie in den Figuren 2c, 2d, 4c und 4d gezeigt.
Weiterhin umfasst die Erfindung ein Verstärkungsteil 4 zur Verstärkung von Hohlräumen 3 von strukturellen Bauteilen 2 umfassend ein Trägerteil 5 und ein Verbindungsmittel 6, welches aktivierbar ist und auf der Aussenseite des Trägerteils 5 angebracht ist. Typischerweise handelt es sich um Verstärkungsteile sowie strukturelle Bauteile, wie sie vorhergehend als geeignet für die verstärkte Struktur 1 erwähnt wurden. Das Verstärkungsteil 4 ist so ausgeformt ist, dass nach der Aktivierung des Verbindungsmittel 6 der Abstand zwischen Trägerteil 5 und strukturellem Bauteil 2 an Stellen des strukturellen Bauteils mit höherer 7 Verformungswahrscheinlichkeit bei Krafteinwirkung 8 von aussen auf das strukturelle Bauteil 2 kleiner ist gegenüber Stellen des strukturellen Bauteils mit tieferer 9 Verformungswahrscheinlichkeit bei Krafteinwirkung 8 von aussen.
Bei der Krafteinwirkung 8 von aussen handelt es sich um einen Lastfall bei Fahrzeugunfällen, bevorzugt um ein Blockanprall, Anprall gegen Hindernis,
Schutzplanken-Anprall, Fahrzeug-Fahrzeug-Anprall, Seitenanprall oder Rückseitenanprall. Die Verformungswahrscheinlichkeit wird durch
Zuhilfenahme eines FE-Modells des strukturellen Bauteils 2 bestimmt.
Die Menge an Verbindungsmittel 6 des Trägerteil 5 beträgt an der
Stelle des entsprechenden strukturellen Bauteils 2 mit der höchsten
Verformungswahrscheinlichkeit 0 - 60%, bevorzugt 10 - 30% der Menge an Verbindungsmittel 6 an der Stelle des strukturellen Bauteils 2 mit der tiefsten
Verformungswahrscheinlichkeit bei Krafteinwirkung von aussen.
Es ist weiterhin von Vorteil, dass die Menge an Verbindungsmittel 6 kleiner ist an Stellen des strukturellen Bauteils mit höherer 7
Verformungswahrscheinlichkeit bei Kräfte in Wirkung von aussen auf das strukturelle Bauteil gegenüber Stellen des strukturellen Bauteils mit tieferer 9
Verformungswahrscheinlichkeit bei Krafteinwirkung von aussen.
Es auch von Vorteil, dass das Verbindungsmittel 6 thermisch, durch Feuchtigkeit oder durch elektromagnetische Strahlung, insbesondere thermisch, aktivierbar ist. Es ist des Weiteren von Vorteil, dass das Verbindungsmittel 6 ein schäumbares Material und/oder ein Klebstoff, insbesondere ein Klebstoff, der bei der Aktivierung eine Expansion von 0 - 5 % aufweist, ist.
Es ist vorteilhaft, dass das Trägerteil 5 mindestens eine Rippe 11 und mindestens einen Rippenträger 12, insbesondere mindestens einen im Wesentlichen senkrecht zur mindestens einen Rippe angeordneten Rippenträger, aufweist.
Es ist weiterhin von Vorteil, dass vor Aktivierung des Verbindungsmittels 6 der Abstand zwischen Verstärkungsteil 4 und strukturellem Bauteil 2 den Zugang von Flüssigkeiten, insbesondere Oberflächenbehandlungsflüssigkeiten, zu der dem Verstärkungsteil 4 zugewandten Oberfläche des strukturellen Bauteils ermöglicht.
Die Vorteile der erwähnten Ausführungsformen wurden vorhergehend erwähnt.
Weiterhin umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Verstärkung von strukturellen Bauteilen 2 durch Platzieren von mindestens einem Verstärkungsteil 4, umfassend ein Trägerteil 5 und ein, aktivierbares und zwischen strukturellem Bauteil 2 und Trägerteil 5 angeordnetes, Verbindungsmittel 6, im Hohlraum 3 des strukturellen Bauteils. Das Verfahren umfasst die Schritte: i) Erstellen eines FE-Modells des strukturellen Bauteils 2, ohne das in dessen Hohlraum 3 das mindestens eine Verstärkungsteil 4 angeordnet ist; oder i') Erstellen eines FE-Modells des strukturellen Bauteils 2, in dessen
Hohlraum 3 das mindestens eine Verstärkungsteil 4 angeordnet ist; ii) Berechnung des Crashverhaltens des FE-Modells; iii) Verringerung der Menge aktivierbaren Verbindungsmittels an Stellen mit hoher Verformung gegenüber Stellen mit geringer Verformung des strukturellen Bauteils, insbesondere im Querschnitt des strukturellen Bauteils, im berechneten Crashverhalten des FE-Modells; iv) Herstellung des Verstärkungsteils, welches eine Verteilung des Verbindungsmittels entsprechend den Erkenntnissen aus den vorhergegangenen Schritten aufweist; v) Plazieren des Verstärkungsteils im Hohlraum des strukturellen
Bauteils; vi) Aktivieren des Verbindungsmittels 6.
Insbesondere handelt es sich bei dem Crashverhalten von Schritt ii) um ein Verhalten bei einem standardisierten Lastfall aus der Fahrzeugindustrie, insbesondere einem standardisierten Lastfall bei Fahrzeugunfällen. Typischerweise handelt es sich um Verstärkungsteile 4 sowie strukturelle Bauteile 2, wie sie vorhergehend als geeignet für die verstärkte Struktur 1 erwähnt wurden
Wie vorhergehend erwähnt, können FE-Modelle mit Vorteil zur Konzipierung und Optimierung der Verstärkungsteile 4 und der verstärkten
Strukturen 1 eingesetzt werden. Es kann insbesondere von Vorteil sein, beim
Verfahren zur Verstärkung von strukturellen Bauteilen 2 Minimalanforderung und/oder Maximalanforderungen an das FE-Modell im Crashverhalten festzulegen, wie beispielsweise die Masse des Verstärkungsteils oder die Tiefe, respektive die Geschwindigkeit der Intrusion.
Es ist weiterhin von Vorteil, wenn das Verfahren zusätzlich einen Schritt zur Erreichung der Minimalanforderungen und/oder Maximalanforderungen an das FE-Modell im Crashverhalten beinhaltet.
Dies würde gewährleisten, dass trotz gewichtsreduzierender Modifikationen am FE-Modell, insbesondere in Schritt iii) und/oder in einem möglichen Schritt zur Verringerung des Gewichts des Trägerteils 5 durch Materialverringerung, das FE-Modell den geforderten Minimalanforderungen und/oder Maximalanforderungen genügt. Solche gewichtsreduzierende Modifikationen bringen nicht nur den Vorteil der Gewichtsreduktion sondern senken auch zusätzlich den Materialaufwand.
Es ist weiterhin von Vorteil, wenn mindestens einer der Schritte i), i'), ii), iii) und, falls vorhanden, die Schritte zur Verringerung des Gewichts des Trägerteils durch Materialverringerung und zur Erreichung von Minimalanforderung und/oder Maximalanforderungen an das FE-Modell im Crashverhalten mehrere Male durchlaufen werden.
Die Herstellung der Verstärkungsteile 4 kann auf verschiedenste Arten erfolgen. In einer möglichen Variante erfolgt die Herstellung im Spritzgussverfahren. Dabei kann beispielsweise ein Zweikomponenten-Spritzgussverfahren eingesetzt werden. Dabei kann beispielsweise zuerst eine erste Komponente, in diesem Fall das Trägerteil 5, gespritzt werden. Nach Erstarren dieser ersten Komponente wird die Kavität im Werkzeug vergrössert, bzw. angepasst, oder der hergestellte Spritzling wird in ein neues Werkzeug gelegt, und eine zweite Komponente, in diesem Fall das Verbindungsmaterial, wird mit einem zweiten Spritzaggregat an die erste Komponente angespritzt. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, das Verstärkungsteil 4 durch beliebige andere Herstellungsarten herzustellen.
Das Plazieren des Verstärkungsteils 4 im Hohlraum 3 des strukturellen Bauteils 2 geschieht vorzugsweise mit einem Clip 10, wie beispielsweise in Figur 4c gezeigt, welcher das Verstärkungsteil vor der Aktivierung des Verbindungsmittels 6 schnell und einfach mit dem strukturellen Bauteil verbindet und es an Ort und Stelle hält, da Zeitersparnis und Einfachheit der Montageschritte bei der industriellen Fertigung von grossem wirtschaftlichem Wert ist. Typischerweise ist der Clip 10 Teil des Verstärkungsteils. Weiterhin ist der Clip vorteilhafterweise von genügender Festigkeit, um das Verstärkungsteil trotz Strömungsbelastungen durch Flüssigkeiten, beispielsweise während Reinigungs-, Phosphatierungs- oder Tauchlackierungsbädern, an Ort und Stelle zu halten. Der Clip kann aus beliebigen Materialien bestehen. Bevorzugte Materialien sind jedoch jene Materialien, welche vorgehend schon als bevorzugte Materialien für das Trägerteil 5 genannt wurden.
Das Plazieren des Verstärkungsteils 4 im Hohlraum 3 des strukturellen Bauteils 2 kann jedoch auch auf jede andere Art und Weise erfolgen, insbesondere durch einfaches Verkeilen des Verstärkerteils im Hohlraum des strukturellen Bauteils.
Das Aktivieren des Verbindungsmittels 6 wurde vorhergehend erwähnt.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
Bezugszeichenliste
1 verstärkte Struktur strukturelles Bauteil
Hohlraum
Verstärkungsteil
Trägerteil
Verbindungsmittel höhere Verformungswahrscheinlichkeit
Kräfte in Wirkung tiefere Verformungswahrscheinlichkeit
Clip
Rippe
Rippenträger durchgehende Öffnung
Zwischenraum

Claims

Patentansprüche
1. Verstärkte Struktur (1 ) umfassend ein strukturelles Bauteil (2) sowie ein im Hohlraum (3) des strukturellen Bauteils (2) angeordnetes Verstärkungsteil (4), wobei dieses Verstärkungsteil (4) ein Trägerteil (5) und ein, zwischen strukturellem Bauteil (2) und Trägerteil (5) angeordnetes, Verbindungsmittel (6) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerteil (5) so im Hohlraum (3) angeordnet ist, dass der Abstand zwischen Trägerteil (5) und strukturellem Bauteil (2) an Stellen des strukturellen Bauteils (2) mit höherer (7) Verformungswahrscheinlichkeit bei Krafteinwirkung (8) von aussen auf das strukturelle Bauteil (2) kleiner ist gegenüber Stellen des strukturellen Bauteil (2) mit tieferer (9) Verformungswahrscheinlichkeit bei Krafteinwirkung (8) von aussen; wobei es sich bei der Kräfte in Wirkung (8) von aussen um einem standardisierten Lastfall aus der Fahrzeugindustrie handelt; die Verformungswahrscheinlichkeit empirisch und/oder theoretisch, insbesondere durch Zuhilfenahme eines FE-Modells, des strukturellen Bauteils (2), bestimmt wird;und die Menge an Verbindungsmittel (6) an der Stelle des strukturellen
Bauteils (2) mit der höchsten Verformungswahrscheinlichkeit 0 - 60%, bevorzugt 10 - 30%, der Menge an Verbindungsmittel (6) an der Stelle des strukturellen Bauteils (2) mit der tiefsten Verformungswahrscheinlichkeit bei Krafteinwirkung von aussen beträgt.
2. Verstärkte Struktur gemäss Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Trägerteil (5) und strukturellem Bauteil (2) an der Stelle des strukturellen Bauteils (2) mit der höchsten Verformungswahrscheinlichkeit bei Krafteinwirkung (8) von aussen 20 - 0 mm, insbesondere 10 - 0 mm, bevorzugt 5 bis 0 mm, beträgt.
3. Verstärkte Struktur gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an Verbindungsmittel (6) zwischen strukturellem Bauteil (2) und Trägerteil (5) kleiner ist an Stellen des strukturellen Bauteils (2) mit höherer (7) Verformungswahrscheinlichkeit bei Krafteinwirkung (8) von aussen auf das strukturelle Bauteil (2) gegenüber Stellen des strukturellen Bauteils (2) mit tieferer (9) Verformungswahrscheinlichkeit bei Krafteinwirkung
(8) von aussen.
4. Verstärkte Struktur gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel (6) thermisch, durch Feuchtigkeit oder durch elektromagnetische Strahlung, insbesondere thermisch, aktiviert wurde.
5. Verstärkte Struktur gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel (6) ein geschäumtes Material und/oder eine ausgehärtete Klebstoff ist.
6. Verstärkte Struktur gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerteil (5) mindestens eine Rippe (11 ) und mindestens einen Rippenträger (12), insbesondere mindestens einen im Wesentlichen senkrecht zur mindestens einen Rippe (11 ) angeordneten Rippenträger (12), aufweist.
7. Verstärkungsteil (4) zur Verstärkung von Hohlräumen (3) von strukturellen Bauteilen (2) umfassend ein Trägerteil (5) und ein Verbindungsmittel (6), welches aktivierbar ist und auf der Aussenseite des Trägerteils (5) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerteil (5) so ausgeformt ist, dass nach der Aktivierung des Verbindungsmittels (6) der Abstand zwischen Trägerteil (5) und strukturellem Bauteil (2) an Stellen des strukturellen Bauteils (2) mit höherer (7) Verformungswahrscheinlichkeit bei Krafteinwirkung (8) von aussen auf das strukturelle Bauteil (2) kleiner ist gegenüber Stellen des strukturellen Bauteils (2) mit tieferer (9) Verformungswahrscheinlichkeit bei Krafteinwirkung (8) von aussen, wobei es sich bei der Kräfte in Wirkung (8) von aussen um einen Lastfall bei Fahrzeugunfällen, insbesondere ein Blockanprall, Anprall gegen Hindernis, Schutzplanken- Anprall, Fahrzeug-Fahrzeug-Anprall, Seitenanprall oder Rückseitenanprall, handelt und die Verformungswahrscheinlichkeit durch Zuhilfenahme eines FE-Modells des Verstärkungsteils (4) im Hohlraum (3) des strukturellen Bauteils (2) bestimmt wird und die Menge an Verbindungsmittel (6) an der Stelle des entsprechenden strukturellen Bauteils (2) mit der höchsten Verformungswahrscheinlichkeit 0 - 60%, bevorzugt 10 - 30% der Menge an Verbindungsmittel (6) an der Stelle des strukturellen Bauteils (2) mit der tiefsten Verformungswahrscheinlichkeit bei Krafteinwirkung von aussen, beträgt.
8. Verstärkungsteil gemäss Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an Verbindungsmittel (6) kleiner ist an Stellen des strukturellen
Bauteils (2) mit höherer (7) Verformungswahrscheinlichkeit bei Krafteinwirkung (8) von aussen auf das strukturelle Bauteil (2) gegenüber Stellen des strukturellen Bauteils (2) mit tieferer (9) Verformungswahrscheinlichkeit bei Krafteinwirkung (8) von aussen.
9. Verstärkungsteil gemäss Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel (6) thermisch, durch Feuchtigkeit oder durch elektromagnetische Strahlung, insbesondere thermisch, aktivierbar ist.
10. Verstärkungsteil gemäss einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel (6) ein schäumbares Material und/oder ein Klebstoff, insbesondere ein Klebstoff, der bei der Aktivierung eine Expansion von 0 - 5 % aufweist, ist.
11. Verstärkungsteil gemäss einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerteil (5) mindestens eine Rippe (11 ) und mindestens einen Rippenträger (12), insbesondere mindestens einen im Wesentlichen senkrecht zur mindestens einen Rippe (11 ) angeordneten Rippenträger (12), aufweist.
12. Verstärkungsteil gemäss einem der Ansprüche 7 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass vor Aktivierung des Verbindungsmittels (6) der
Abstand zwischen Verstärkungsteil (4) und strukturellem Bauteil (2) den Zugang von Flüssigkeiten, insbesondere Oberflächenbehandlungsflüssigkeiten, zu der dem Verstärkungsteil (4) zugewandten Oberfläche des strukturellen Bauteils (2) ermöglicht.
13. Verfahren zur Verstärkung von strukturellen Bauteilen (2) durch
Platzieren von mindestens einem Verstärkungsteil (4), umfassend ein Trägerteil (5) und ein, aktivierbares und zwischen strukturellem Bauteil (2) und Trägerteil (5) angeordnetes, Verbindungsmittel (6), im Hohlraum (3) des strukturellen Bauteils (2), umfassend die Schritte i) Erstellen eines FE-Modells des strukturellen Bauteils (2), ohne das in dessen Hohlraum (3) das mindestens eine Verstärkungsteil (4) angeordnet ist; oder i') Erstellen eines FE-Modells des strukturellen Bauteils (2), in dessen Hohlraum (3) das mindestens eine Verstärkungsteil (4) angeordnet ist; ii) Berechnung des Crashverhaltens des FE-Modells; iii) Verringerung der Menge aktivierbaren Verbindungsmittels (6) an Stellen mit hoher Verformung gegenüber Stellen mit geringer Verformung des strukturellen Bauteils (2) im berechneten Crashverhalten des FE-Modells; iv) Herstellung des Verstärkungsteils (4), welches eine Verteilung des Verbindungsmittels (6) entsprechend den Erkenntnissen aus den vorhergegangenen Schritten aufweist; v) Plazieren des Verstärkungsteils (4) im Hohlraum (3) des strukturellen
Bauteils (2); vi) Aktivieren des Verbindungsmittels (6).
14. Verfahren gemäss Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Crashverhalten um ein Verhalten bei einem standardisierten Lastfall aus der Fahrzeugindustrie handelt, insbesondere einem standardisierten Lastfall bei Fahrzeugunfällen.
15. Verfahren gemäss Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zusätzlich einen Schritt zur Erreichung von
Minimalanforderungen und/oder Maximalanforderungen an das FE- Modell im Crashverhalten beinhaltet.
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