WO2019115109A1 - Fahrzeugstrukturbauteil und verfahren zur herstellung eines fahrzeugstrukturbauteils - Google Patents

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WO2019115109A1
WO2019115109A1 PCT/EP2018/081044 EP2018081044W WO2019115109A1 WO 2019115109 A1 WO2019115109 A1 WO 2019115109A1 EP 2018081044 W EP2018081044 W EP 2018081044W WO 2019115109 A1 WO2019115109 A1 WO 2019115109A1
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WO
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structural component
vehicle structural
plastic
vehicle
metallic element
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/081044
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Hogger
Michael Brauch
Sebastian Krull
Andreas Beil
Simon Spitzer
Tobias Preuß
Octavian Knoll
Oleg Konrad
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D29/00—Superstructures, understructures, or sub-units thereof, characterised by the material thereof
    • B62D29/001—Superstructures, understructures, or sub-units thereof, characterised by the material thereof characterised by combining metal and synthetic material
    • B62D29/004—Superstructures, understructures, or sub-units thereof, characterised by the material thereof characterised by combining metal and synthetic material the metal being over-moulded by the synthetic material, e.g. in a mould
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
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    • B62D29/001—Superstructures, understructures, or sub-units thereof, characterised by the material thereof characterised by combining metal and synthetic material
    • B62D29/005—Superstructures, understructures, or sub-units thereof, characterised by the material thereof characterised by combining metal and synthetic material preformed metal and synthetic material elements being joined together, e.g. by adhesives
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    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
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    • B62D29/043—Superstructures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D25/00—Superstructure or monocoque structure sub-units; Parts or details thereof not otherwise provided for
    • B62D25/06—Fixed roofs

Definitions

  • the present invention relates to a vehicle structural component and a method for producing a vehicle structural component.
  • Vehicle structural components serve to stiffen the vehicle structure, for example, vertical pillars or the vehicle roof structure. Furthermore, they can serve for the connection of flaps and their functional elements, such as spring-damper elements.
  • Such vehicle structural components are often made of fiber-reinforced plastic to achieve lightweight, since these parts have a lower weight than structural steel components.
  • the disadvantage here is that structural components made of plastic can not be connected by conventional methods with the vehicle structure, for example by welding.
  • the vehicle structural component to be produced in mass production.
  • a vehicle structural component comprising at least a first and at least one second fiber-reinforced plastic insert and the plastic inserts connecting injection-molded rib structure, which is molded onto the plastic inserts, and at least one metallic element through which a connection region of the vehicle structural component is formed.
  • Such a vehicle structural component has a number of advantages:
  • the integrated metallic elements a high local ductility for energy absorption is achieved at high structural load. Furthermore, a selective application of force is made possible.
  • the same or additional metallic elements can be used to attach moving elements, for example a hinge for attaching a tailgate.
  • the fiber-reinforced plastic inserts provide the necessary rigidity of the vehicle structural component. Due to the injection-molded rib structure, which makes up the majority of the vehicle structural component in terms of volume, the vehicle structural component fulfills the requirements with respect to lightweight construction.
  • At least one of the fiber reinforced plastic inserts protrudes through a recess in the metallic element.
  • a good power transmission from the vehicle structural component to the rest of the vehicle structure is possible, for example on a side frame.
  • the at least one metallic element is designed as an insert, which has a plurality of recesses which are filled with plastic.
  • the metallic element is surrounded, preferably encapsulated, by the injection-molded rib structure.
  • the at least one metallic element can be connected to the injection-molded ribbed structure, fabric bond, frictional connection and / or positive connection, in particular by gluing, riveting and / or screwing.
  • a reliable connection between the metallic element and the injection-molded rib structure can also be achieved.
  • the injection-molded rib structure can be seen in a cross section opposite the plastic inserts and mutually angled extending stiffening webs. As a result, a truss-like structure is formed, which is particularly stable.
  • At least two adjacent stiffening webs with one of the plastic inserts form a local one Stiffener assembly.
  • a plurality of, in particular two adjacent stiffening webs extend at an angle to one another and are connected to the at least one first and / or to the at least one second fiber-reinforced plastic insert in a connection point.
  • the stiffening webs are molded onto fiber-reinforced plastic inserts.
  • the stiffening webs are connected to one another via the connection point and enable a framework-like distribution of force, wherein the connection points act as nodes.
  • a plurality of stiffening webs preferably run one behind the other in the longitudinal direction of the vehicle structural component transversely to the longitudinal direction and / or the plastic inserts extend in the longitudinal direction of the structural component.
  • the fiber-reinforced plastic inserts preferably run along an outer surface of the vehicle structural component.
  • a part of the outer surface of the vehicle structural component is formed by a surface of a plastic insert. This facilitates the manufacture of the vehicle structural component, since the fiber-reinforced plastic inserts can be easily inserted into a tool.
  • the at least one first fiber-reinforced plastic insert extends along an upper side of the vehicle structural component and the at least one second fiber-reinforced plastic insert extends along an underside of the vehicle structural component.
  • the plastic inserts may extend in an edge region of the vehicle structural component. An edge region of the vehicle structural component is arranged in the vehicle direction forward or rearward. By such an arrangement, the plastic inserts form a profile which is connected by the injection-molded rib structure. In this way, the vehicle structural component can absorb particularly high loads.
  • the stiffening webs may be arranged spaced apart from one another in the longitudinal direction of the vehicle structural component. In this way, material can be saved because fewer stiffening webs must be formed. In particular, the number of stiffening webs can be adapted to the respective requirements in the vehicle structure.
  • the injection-molded rib structure has a short-fiber-reinforced thermoplastic and / or the plastic inserts have an endless fiber material.
  • the plastic inserts are cut longitudinally to a predetermined length.
  • Short fiber reinforced thermoplastics are particularly suitable for injection molding applications.
  • the continuous fibers of the plastic inserts can be impregnated with a resin.
  • the continuous fibers in the plastic inserts run unidirectionally, so that they show an anisotropic material behavior.
  • the vehicle structural component has a high rigidity, especially in the longitudinal direction.
  • the metallic element may be spaced over its entire surface to the plastic inserts. This avoids that voltage peaks occur in the vehicle structural component.
  • the vehicle structural component is preferably integrally connected by means of the metallic element with an adjacent vehicle structure, in particular by spot welding or gluing.
  • a reliable, durable attachment of the vehicle structural component to a vehicle structure can be achieved.
  • the object of the invention is further achieved by a method for producing a vehicle structural component, which is designed as described above, the method comprising the following steps: a) providing a tool mold, b) heating at least one first and at least one second fiber-reinforced plastic insert, c) reshaping the at least one first and at least one second plastics ingredient, d) inserting the at least one first and at least one second reshaped plastic insert into the tool mold, e) encapsulating the plastic inserts with plastic and f) attaching at least one metallic element to the vehicle structural component by encapsulation in step e) and / or fastening means such that at least one plastic insert protrudes through a recess in the metallic element.
  • the tool may comprise at least one upper tool part and at least one lower tool part, wherein the at least one first fiber-reinforced plastic insert in the upper tool and the at least one second fiber-reinforced plastic insert is inserted into the lower tool part such that the plastic inserts bear against an inner surface of the tool parts.
  • the plastic inserts after injection molding form at least part of an outer surface of the vehicle structural component.
  • the upper tool part and the lower tool part respectively comprise
  • Engagement means for engagement from the side between the fiber reinforced plastic inserts.
  • the engagement means have a complementary shape with mutually predetermined offset as injection releases, wherein the plastic is injected into the injection releases.
  • FIG. 1 shows a vehicle structural component according to the invention in a bottom view
  • FIG. 2 shows the vehicle structural component from FIG. 1 in a front view
  • FIG. 3 shows the vehicle structural component from FIG. 1 in a top view
  • FIG. 4 shows the vehicle structural component from FIG. 1 in a side view
  • FIG. 5 shows a section through the vehicle structural component along the line AA in FIG. 2
  • FIG. 6 shows a section through the vehicle structural component along the line BB in FIG. 2
  • FIG. 7 shows a detailed view of the vehicle structural component of the region designated C in FIG. 1,
  • FIG. 8 shows a detailed view of the vehicle structural component of the region denoted by D in FIG. 3,
  • FIG. 9 shows a section along the line E-E in FIG. 8, FIG.
  • FIG. 10 shows a section along the line G-G in FIG. 9,
  • FIG. 11 is an isometric view of the vehicle structural component
  • FIG. 12 shows a further detail view of the region designated by F in FIG. 11,
  • FIG. 13 shows another vehicle structural component according to the invention
  • FIG. 14 shows a detailed view of the vehicle structural component from FIG. 13.
  • FIG. 1 shows a vehicle structural component 10 according to the invention.
  • the vehicle structural component 10 is, for example, a bracing, in particular a roof transverse structural component, which connects a left roof frame and a right roof frame in the vehicle transverse direction.
  • the embodiment of the vehicle structural component 10 shown in FIGS. 1 to 12 represents a roof bow.
  • the vehicle structural component 10 is designed as a hybrid component and has an injection-molded rib structure 12 made of a short-fiber-reinforced thermoplastic and a metallic element 14 at the longitudinal ends.
  • the injection-molded rib structure 12 essentially gives the vehicle-structural component 10 its shape.
  • the use of plastic in terms of vehicle weight is advantageous.
  • the vehicle structural component 10 can be connected to the vehicle body by known manufacturing methods, for example by spot welding.
  • a region of the metallic elements 14 is free of the surrounding injection-molded rib structure 12.
  • the metallic elements 14 may, for example, be insert parts, in particular steel sheets, which are partially encapsulated by the injection-molded rib structure and thus connected to the injection-molded rib structure 12.
  • the metallic elements 14 recesses 16, which are visible in the following figures, for example in Figure 6. These recesses 16 are filled with the plastic of the injection-molded rib structure 12.
  • depressions 18 are arranged in the injection-molded rib structure 12 in order to avoid material accumulations. Such accumulations of material could lead to sink marks in the finished component.
  • the metallic elements 14 may be connected to the injection-molded rib structure 12 by material bonding, frictional engagement and / or positive locking, in particular by gluing, riveting and / or screwing.
  • the vehicle structural component 10 in particular the injection-molded rib structure 12, has a multiplicity of stiffening webs 20 which run one behind the other transversely to the longitudinal direction and which are each spaced apart in the longitudinal direction of the vehicle structural component 10. These provide the necessary stability of the vehicle structural component 10.
  • the stiffening webs 20 extend substantially over the entire width of the vehicle structural component 10, in particular over the entire width of the vehicle structural component 10. In the assembled state, the width of the vehicle structural component 10 extends in the longitudinal direction of the vehicle.
  • the vehicle structural component 10 furthermore comprises a plurality of fiber-reinforced plastic inserts 22, 23, in particular four fiber-reinforced plastic inserts 22, 23. These extend essentially along a longitudinal direction of the vehicle structural component 10 and are partially surrounded by the injection-molded rib structure 12 and embedded in it. In this case, two first fiber-reinforced plastic inserts 22 run along an upper side and two second fiber-reinforced plastic inserts 23 along an underside of the vehicle structural component 10, as can be seen in FIGS. 1 and 3.
  • the fiber-reinforced plastic inserts 22 are arranged such that they form a profile, wherein the injection-molded rib structure 12 is at least partially disposed between the plastic inserts 22.
  • the Fiber reinforced plastic inserts 22 are preferably fiber bundles comprising a continuous fiber material.
  • the metallic elements 14 are spaced over their entire surface to the fiber reinforced plastic inserts 22, 23.
  • the stiffening webs 20 of the injection-molded rib structure 12 extend opposite the plastic inserts 22, 23 and are angled relative to one another.
  • the vehicle structural component 10 has a framework-like structure, which makes possible a particularly good distribution of force in the vehicle structural component 10.
  • the vehicle structural component 10 may comprise further metallic inserts, for example an insert 24 which extends in the longitudinal direction of the vehicle structural component 10 between the two metallic elements 14, in particular adjacent to the metallic elements 14.
  • the insert 24 has an exposed surface 26 in a plan view of the vehicle structural component 10, which may be painted.
  • the insert 24 can serve for fastening further vehicle components.
  • FIG. 5 shows a section through the vehicle structural component along the section line A-A shown in FIG.
  • the plastic inserts 22, 23 are arranged in the edge regions of the vehicle structural component 10. Only a plastic insert 22 is slightly offset inwards, since the metal insert 24 is already arranged on an edge region on the upper side of the vehicle structural component 10.
  • FIG. 6 shows a section along the line BB shown in FIG.
  • the recesses 16 of the metallic element 14 can be seen, which are filled with the plastic material of the injection-molded rib structure 12, in particular encapsulated.
  • the fiber-reinforced plastic inserts 22, 23 have a variable cross-section.
  • the plastic inserts 22, 23 In the middle region of the vehicle structural component 10, the plastic inserts 22, 23 have a substantially rectangular cross-section.
  • the cross section adapts to the flattening geometry of the vehicle structural component 10 and to the geometry of the metallic element 14, such that the plastic inserts 22, 23 and the metallic element 14 spaced apart from each other.
  • the metallic element 14 is spaced over its entire surface to the plastic inserts 22, 23.
  • FIG. 7 shows a detailed view C of the connection between the injection-molded rib structure 12 and the metallic element 14.
  • the metallic element 14 has an exposed connection region 28 that is not surrounded by the injection-molded rib structure 12.
  • a plurality of circular surfaces 30, 32, 34 of the metallic element 14 are recessed from the injection-molded rib structure 12. For example, welding spots can be set on these surfaces 30, 32, 34 and in the connection region 28.
  • FIG. 8 shows, in a detailed view D, the geometry of the insert 24, the injection-molded rib structure 12 being shown transparent.
  • the insert 24 has T-shaped tabs 36 with backgrounds 38.
  • the tabs 36 are overmolded by the plastic of the injection-molded rib structure 12, so that the insert 24 is anchored firmly in the injection-molded rib structure 12 due to the undercuts 38.
  • FIG. 9 shows a section through the insert 24 along a line E-E.
  • the insert 24 is bent inwards.
  • the tabs 36 extend parallel to a main surface 40 of the insert 24, but offset inwardly.
  • the surface 40 of the insert 24 can be free from the injection-molded rib structure 12 to the outside, while the tabs 36 are anchored in the injection-molded rib structure 12 and thus fix the insert 24 to the vehicle-structural component 10.
  • FIG. 10 shows a section along the line GG shown in FIG. The cut extends along a longitudinal direction of the vehicle structural component.
  • the fiber-reinforced plastic insert 22 protrudes through one of the recesses 16 in the metallic element 14 (see the right-hand recess with the clip).
  • the remaining recesses 16 are filled only by the plastic of the injection-molded rib structure 12. In this way, in the case of a transverse load on the vehicle, a force can be transferred particularly well from the vehicle structural component 10 to an surrounding vehicle structure.
  • the edge of the recess 16 is contacted by the plastic of the injection-molded rib structure 12, so that it forms a kind of bridge from the metal edge to the prefabricated plastic insert 22, which projects into and through the recess 16 in this area.
  • the plastic insert 22 thus does not contact the element 14.
  • Figures 1 1 and 12 show an additional isometric view of the vehicle structural component 10 and a further detail view.
  • the embodiment of the vehicle structural component 10 shown in FIGS. 13 and 14 represents a rear window frame.
  • the vehicle structural component 10 is constructed in exactly the same way as described in FIGS. 1 to 12, only the geometry is correspondingly adapted to the vehicle structure in the rear area.
  • the vehicle structural component 10, in particular the metallic element 14 has an additional exposed area 42, that is to say a region which is free of the injection-molded rib structure 12.
  • the vehicle structural component can be materially connected by means of the metallic element 14 to an adjacent, not-shown vehicle structure, in particular by spot welding or gluing.
  • the fiber-reinforced plastic inserts 22, 23 and the metallic elements 14 are inserted into a tool, in such a way that at least one plastic insert 22, 23 protrudes through a recess 16 of the metallic element 14, but with a gap to the element 14th Subsequently, the plastic inserts 22, 23 are encapsulated together with the metallic elements 14, whereby the gap is filled.
  • the metallic elements 14 may be attached to the vehicle structural component 10 only after the injection process, for example by gluing, screwing or riveting.
  • the plastic inserts 22, 23 are heated and formed in a previous process step.

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Abstract

Es wird ein Fahrzeugstrukturbauteil (10) angegeben, umfassend mindestens einen ersten und mindestens einen zweiten faserverstärkten Kunststoffeinsatz (22, 23) sowie eine die Kunststoffeinsätze (22, 23) verbindende Spritzgussrippenstruktur (12), die an die Kunststoffeinsätze (22, 23) angespritzt ist, und mindestens ein metallisches Element (14), durch das ein Anbindungsbereich (28) des Fahrzeugstrukturbauteils (10) gebildet ist. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines Fahrzeugstrukturbauteils (10) vorgeschlagen.

Description

Fahrzeugstrukturbauteil und Verfahren zur Herstellung eines
Fahrzeugstrukturbauteils
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeugstrukturbauteil und ein Verfahren zur Herstellung eines Fahrzeugstrukturbauteils.
Fahrzeugstrukturbauteile dienen zur Versteifung der Fahrzeugstruktur, beispielsweise von Vertikalsäulen oder der Fahrzeugdachstruktur. Des Weiteren können sie zur Anbindung von Klappen und deren Funktionselementen, wie Feder- Dämpfer-Elementen dienen.
Solche Fahrzeugstrukturbauteile werden zur Erzielung von Leichtbau häufig aus faserverstärktem Kunststoff gefertigt, da diese Teile ein geringeres Gewicht aufweisen als Strukturbauteile aus Stahl. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass sich Strukturbauteile aus Kunststoff nicht durch herkömmliche Verfahren mit der Fahrzeugstruktur verbinden lassen, zum Beispiel durch Schweißen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fahrzeugstrukturbauteil für ein Kraftfahrzeug bereit zu stellen, das über ein geringes Gewicht bei gleichzeitig hoher Steifigkeit und Festigkeit verfügt und durch warme Verbindungstechniken mit einer Karosseriestruktur verbunden werden kann. Darüber hinaus soll das Fahrzeugstrukturbauteil in Großserie produzierbar sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Fahrzeugstrukturbauteil, umfassend mindestens einen ersten und mindestens einen zweiten faserverstärkten Kunststoffeinsatz sowie eine die Kunststoffeinsätze verbindende Spritzgussrippenstruktur, die an die Kunststoffeinsätze angespritzt ist, und mindestens ein metallisches Element, durch das ein Anbindungsbereich des Fahrzeugstrukturbauteils gebildet ist.
Ein derartiges Fahrzeugstrukturbauteil hat eine Reihe von Vorteilen: Durch die integrierten metallischen Elemente wird eine hohe lokale Duktilität zur Energieaufnahme bei hoher struktureller Belastung erreicht. Des Weiteren wird eine punktuelle Krafteinleitung ermöglicht. Zudem ist eine Verbindung des Fahrzeugstrukturbauteils mit einer angrenzenden Fahrzeugstruktur durch warme Verbindungstechniken für metallische Materialien, beispielsweise durch Schweißen, möglich. Des Weiteren können dieselben oder zusätzliche metallische Elemente genutzt werden, um bewegliche Elemente, zum Beispiel ein Scharnier zur Anbindung einer Heckklappe, anzubringen. Die faserverstärkten Kunststoffeinsätze sorgen für die nötige Steifigkeit des Fahrzeugstrukturbauteils. Durch die Spritzgussrippenstruktur, die volumenmäßig den Hauptanteil des Fahrzeugstrukturbauteils ausmacht, erfüllt das Fahrzeugstrukturbauteil die Anforderungen hinsichtlich der Leichtbauweise.
Vorzugsweise ragt mindestens einer der faserverstärkten Kunststoffeinsätze durch eine Aussparung in dem metallischen Element hindurch. Dadurch ist eine gute Kraftübertragung von dem Fahrzeugstrukturbauteil auf die übrige Fahrzeugstruktur möglich, zum Beispiel auf einen Seitenrahmen.
Gemäß einer Ausführungsform ist das mindestens eine metallische Element als Einlegeteil ausgebildet ist, welches mehrere Aussparungen aufweist, die mit Kunststoff gefüllt sind. Insbesondere ist das metallische Element in einem Bereich, in welchem die Aussparungen angeordnet sind, von der Spritzgussrippenstruktur umgeben, vorzugsweise umspritzt. Dadurch ist das metallische Element zuverlässig mit der Spritzgussrippenstruktur verbunden, ohne dass zusätzliche Befestigungselemente benötigt werden.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann das mindestens eine metallische Element mit der Spritzgussrippenstruktur Stoffschluss, Reibschluss und oder Formschluss verbunden sein, insbesondere durch Kleben, Nieten und/oder Verschrauben. Dadurch kann ebenso eine zuverlässige Verbindung zwischen dem metallischen Element und der Spritzgussrippenstruktur erreicht werden.
Die Spritzgussrippenstruktur kann in einem Querschnitt gesehen gegenüber den Kunststoffeinsätzen und zueinander gewinkelt verlaufende Versteifungsstege aufweist. Dadurch ist eine fachwerkähnliche Struktur gebildet, die besonders stabil ist.
Im Querschnitt gesehen bilden vorzugsweise jeweils mindestens zwei benachbarte Versteifungsstege mit einem der Kunststoffeinsätze eine lokale Versteifungseinheit. Beispielsweise verlaufen mehrere, insbesondere zwei benachbarte Versteifungsstege gewinkelt zueinander und sind an dem mindestens einen ersten und/oder an dem mindestens einen zweiten faserverstärkten Kunststoffeinsatz in einem Verbindungspunkt verbunden. Dabei sind die Versteifungsstege an faserverstärkten Kunststoffeinsätzen angespritzt. Über den Verbindungspunkt sind die Versteifungsstege darüber hinaus miteinander verbunden und ermöglichen eine fachwerkähnliche Kraftverteilung, wobei die Verbindungspunkte als Knotenpunkte wirken.
Eine Vielzahl von Versteifungsstegen verläuft vorzugsweise in Längsrichtung des Fahrzeugstrukturbauteils quer zur Längsrichtung hintereinander und/oder die Kunststoffeinsätze verlaufen in Längsrichtung des Strukturbauteils. Dadurch kann eine besonders gute Kraftverteilung in dem Fahrzeugstrukturbauteil bewirkt werden.
Die faserverstärkten Kunststoffeinsätze verlaufen vorzugsweise entlang einer Außenfläche des Fahrzeugstrukturbauteils. Insbesondere ist ein Teil der Außenfläche des Fahrzeugstrukturbauteils durch eine Fläche eines Kunststoffeinsatzes gebildet. Dies erleichtert die Herstellung des Fahrzeugstrukturbauteils, da die faserverstärkten Kunststoffeinsätze einfach in ein Werkzeug eingelegt werden können.
Besonders bevorzugt erstreckt sich der mindestens eine erste faserverstärkte Kunststoffeinsatz entlang einer Oberseite des Fahrzeugstrukturbauteils und der mindestens eine zweite faserverstärkte Kunststoffeinsatz entlang einer Unterseite des Fahrzeugstrukturbauteils. Alternativ oder zusätzlich können sich die Kunststoffeinsätze in einem Randbereich des Fahrzeugstrukturbauteils erstrecken. Ein Randbereich des Fahrzeugstrukturbauteils ist in Fahrzeugrichtung gesehen vorne oder hinten angeordnet. Durch eine derartige Anordnung bilden die Kunststoffeinsätze ein Profil, das durch die Spritzgussrippenstruktur verbunden ist. Auf diese Weise kann das Fahrzeugstrukturbauteil besonders hohe Belastungen aufnehmen.
Die Versteifungsstege können in Längsrichtung des Fahrzeugstrukturbauteils jeweils beabstandet zueinander angeordnet sein. Auf diese Weise kann Material eingespart werden, da weniger Versteifungsstege ausgebildet werden müssen. Insbesondere kann die Anzahl der Versteifungsstege an die jeweiligen Anforderungen in der Fahrzeugstruktur angepasst sein.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Spritzgussrippenstruktur einen kurzfaserverstärkten Thermoplast auf und/oder die Kunststoffeinsätze weisen ein Endlosfasermaterial auf. Insbesondere sind die Kunststoffeinsätze in Längsrichtung auf eine vorbestimmte Länge abgeschnitten. Kurzfaserverstärkte Thermoplaste eignen sich besonders gut für Spritzgussanwendungen. Die Endlosfasern der Kunststoffeinsätze können mit einem Harz getränkt sein. Vorzugsweise verlaufen die Endlosfasern in den Kunststoffeinsätzen unidirektional, sodass diese ein anisotropes Materialverhalten zeigen. Dadurch weist das Fahrzeugstrukturbauteil vor allem in Längsrichtung eine hohe Steifigkeit auf.
Das metallische Element kann über seine gesamte Oberfläche zu den Kunststoffeinsätzen beabstandet sein. Dadurch wird vermieden, dass im Fahrzeugstrukturbauteil Spannungsspitzen auftreten.
Das Fahrzeugstrukturbauteil ist vorzugsweise mittels des metallischen Elements mit einer angrenzenden Fahrzeugstruktur stoffschlüssig verbunden, insbesondere durch Punktschweißen oder Kleben. Somit kann eine zuverlässige, langlebige Befestigung des Fahrzeugstrukturbauteils an einer Fahrzeugstruktur erreicht werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird des Weiteren gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Fahrzeugstrukturbauteils, welches wie vorhergehend beschrieben ausgebildet ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Bereitstellen einer Werkzeugform, b) Erwärmen von mindestens einem ersten und mindestens einem zweiten faserverstärkten Kunststoffeinsatz, c) Umformen des mindestens einen ersten und mindestens einen zweiten Ku n ststoffei n satzes , d) Einlegen des mindestens einen ersten und mindestens einen zweiten umgeformten Kunststoffeinsatzes in die Werkzeugform, e) Umspritzen der Kunststoffeinsätze mit Kunststoff und f) Anbringen von mindestens einem metallischen Element an das Fahrzeugstrukturbauteil durch Umspritzen in Schritt e) und/oder durch Befestigungsmittel derart, dass mindestens ein Kunststoffeinsatz durch eine Aussparung in dem metallischen Element hindurchragt.
Durch ein derartiges Verfahren wird die Herstellung eines erfindungsgemäßen Fahrzeugstrukturbauteils in Großserie ermöglicht.
Das Werkzeug kann mindestens ein Werkzeugoberteil und mindestens ein Werkzeugunterteil umfassen, wobei der mindestens eine erste faserverstärkte Kunststoffeinsatz in das Werkzeugoberteil und der mindestens eine zweite faserverstärkte Kunststoffeinsatz in das Werkzeugunterteil derart eingelegt wird, dass die Kunststoffeinsätze an einer Innenfläche der Werkzeugteile anliegen. Dadurch bilden die Kunststoffeinsätze nach dem Spritzgießen zumindest einen Teil einer Außenfläche des Fahrzeugstrukturbauteils. Das Werkzeugoberteil und das Werkzeugunterteil umfassen jeweils
Eingriffsmittel zum Eingriff von der Seite zwischen die faserverstärkten Kunststoffeinsätze. Die Eingriffsmittel weisen eine komplementäre Form mit zueinander vorbestimmtem Versatz als Einspritz-Freilassungen auf, wobei der Kunststoff in die Einspritz-Freilassungen eingespritzt wird. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1 ein erfindungsgemäßes Fahrzeugstrukturbauteil in einer Unteransicht,
Figur 2 das Fahrzeugstrukturbauteil aus Figur 1 in einer Frontansicht,
Figur 3 das Fahrzeugstrukturbauteil aus Figur 1 in einer Draufsicht,
Figur 4 das Fahrzeugstrukturbauteil aus Figur 1 in einer Seitenansicht,
Figur 5 einen Schnitt durch das Fahrzeugstrukturbauteil entlang der Linie A-A in Figur 2, Figur 6 einen Schnitt durch das Fahrzeugstrukturbauteil entlang der Linie B-B in Figur 2,
Figur 7 eine Detailansicht des Fahrzeugstrukturbauteils des mit C bezeichneten Bereichs in Figur 1 ,
Figur 8 eine Detailansicht des Fahrzeugstrukturbauteils des mit D bezeichneten Bereichs in Figur 3,
Figur 9 einen Schnitt entlang der Linie E-E in Figur 8,
Figur 10 einen Schnitt entlang der Linie G-G in Figur 9,
Figur 1 1 eine isometrische Ansicht des Fahrzeugstrukturbauteils,
Figur 12 eine weitere Detailansicht des mit F bezeichneten Bereichs in Figur 1 1 ,
Figur 13 eine weiteres erfindungsgemäßes Fahrzeugstrukturbauteil und
Figur 14 eine Detailansicht des Fahrzeugstrukturbauteils aus Figur 13.
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Fahrzeugstrukturbauteil 10. Das Fahrzeugstrukturbauteil 10 ist beispielsweise eine Verstrebung, insbesondere ein Dachquerstrukturbauteil, die in Fahrzeugquerrichtung einen linken Dachrahmen und einen rechten Dachrahmen miteinander verbindet. Die in den Figuren 1 bis 12 gezeigte Ausführungsform des Fahrzeugstrukturbauteils 10 stellt einen Dachspriegel dar. Das Fahrzeugstrukturbauteil 10 ist als Hybridbauteil ausgebildet und weist eine Spritzgussrippenstruktur 12 aus einem kurzfaserverstärkten Thermoplast und an den längsseitigen Enden jeweils ein metallisches Element 14 auf. Die Spritzgussrippenstruktur 12 gibt dem Fahrzeugstrukturbauteil 10 im Wesentlichen seine Form. Zudem ist die Verwendung von Kunststoff hinsichtlich des Fahrzeuggewichts vorteilhaft. Über die metallischen Elemente 14 kann das Fahrzeugstrukturbauteil 10 mit bekannten Fertigungsverfahren an die Fahrzeugkarosserie angebunden werden, zum Beispiel durch Punktschweißen. Zu diesem Zweck ist ein Bereich der metallischen Elemente 14 frei von der umgebenden Spritzgussrippenstruktur 12. Die metallischen Elemente 14 können beispielsweise Einlegeteile, insbesondere Stahlbleche, sein, die von der Spritzgussrippenstruktur teilweise umspritzt und so mit der Spritzgussrippenstruktur fest 12 verbunden sind. Zu diesem Zweck weisen die metallischen Elemente 14 Aussparungen 16 auf, die in den nachfolgenden Figuren, beispielsweise in Figur 6, sichtbar sind. Diese Aussparungen 16 sind mit dem Kunststoff der Spritzgussrippenstruktur 12 gefüllt. Im Bereich der Aussparungen 16 sind in der Spritzgussrippenstruktur 12 Vertiefungen 18 (siehe Figur 1 ) angeordnet, um Materialanhäufungen zu vermeiden. Solche Materialanhäufungen könnten zu Einfallstellen im fertigen Bauteil führen.
Alternativ können die metallischen Elemente 14 durch Stoffschluss, Reibschluss und/oder Formschluss, insbesondere durch Kleben, Nieten und/oder Verschrauben mit der Spritzgussrippenstruktur 12 verbunden sein.
In Längsrichtung gesehen weist das Fahrzeugstrukturbauteil 10, insbesondere die Spritzgussrippenstruktur 12, eine Vielzahl von Versteifungsstegen 20 auf, die quer zur Längsrichtung hintereinander verlaufen und in Längsrichtung des Fahrzeugstrukturbauteils 10 jeweils beabstandet zueinander sind. Diese sorgen für die notwendige Stabilität des Fahrzeugstrukturbauteils 10. Die Versteifungsstege 20 erstrecken sich im Wesentlichen über die gesamte Breite des Fahrzeugstrukturbauteils 10, insbesondere über die gesamte Breite des Fahrzeugstrukturbauteils 10. In montiertem Zustand verläuft die Breite des Fahrzeugstrukturbauteils 10 in Längsrichtung des Fahrzeugs.
Das Fahrzeugstrukturbauteil 10 umfasst weiterhin mehrere faserverstärkte Kunststoffeinsätze 22, 23 insbesondere vier faserverstärkte Kunststoffeinsätze 22, 23. Diese erstrecken sich im Wesentlichen entlang einer Längsrichtung des Fahrzeugstrukturbauteils 10 und sind teilweise von der Spritzgussrippenstruktur 12 umgeben und in sie eingebettet. Dabei verlaufen zwei erste faserverstärkte Kunststoffeinsätze 22 entlang einer Oberseite und zwei zweite faserverstärkte Kunststoffeinsätze 23 entlang einer Unterseite des Fahrzeugstrukturbauteils 10, wie in den Figuren 1 und 3 sichtbar ist.
Insbesondere sind die faserverstärkten Kunststoffeinsätze 22 derart angeordnet, dass sie ein Profil bilden, wobei die Spritzgussrippenstruktur 12 zumindest teilweise zwischen den Kunststoffeinsätzen 22 angeordnet ist. Die faserverstärkten Kunststoffein sätze 22 sind vorzugsweise Faserbündel, die ein Endlosfasermaterial aufweisen.
Die metallischen Elemente 14 sind über ihre gesamte Oberfläche zu den faserverstärkten Kunststoffeinsätzen 22, 23 beabstandet.
In einem Querschnitt gesehen verlaufen die Versteifungsstege 20 der Spritzgussrippenstruktur 12 gegenüber den Kunststoffeinsätzen 22, 23 und zueinander gewinkelt.
Außerdem bilden im Querschnitt gesehen jeweils mindestens zwei benachbarte Versteifungsstege 20 mit einem der Kunststoffeinsätze 22, 23 eine lokale Versteifungseinheit. Somit weist das Fahrzeugstrukturbauteil 10 eine fachwerkartige Struktur auf, die eine besonders gute Kraftverteilung im Fahrzeugstrukturbauteil 10 möglich macht.
Gemäß einer Variante kann das Fahrzeugstrukturbauteil 10 weitere metallische Einleger aufweisen, zum Beispiel einen Einleger 24, der sich in Längsrichtung des Fahrzeugstrukturbauteils 10 zwischen den beiden metallischen Elemente 14 erstreckt, insbesondere an die metallischen Elemente 14 angrenzt. Der Einleger 24 weist eine in einer Draufsicht auf das Fahrzeugstrukturbauteil 10 freiliegende Fläche 26 auf, die lackiert sein kann. Der Einleger 24 kann zur Befestigung weiterer Fahrzeugkomponenten dienen.
Figur 5 zeigt einen Schnitt durch das Fahrzeugstrukturbauteil entlang der in Figur 2 dargestellten Schnittlinie A-A.
In dieser Darstellung sind die Anordnung und Form der faserverstärkten Kunststoffeinsätze 22, 23 veranschaulicht.
Insbesondere sind die Kunststoffeinsätze 22, 23 in den Randbereichen des Fahrzeugstrukturbauteils 10 angeordnet. Lediglich ein Kunststoffeinsatz 22 ist leicht nach innen versetzt, da an einem Randbereich auf der Oberseite des Fahrzeugstrukturbauteils 10 bereits der metallische Einleger 24 angeordnet ist.
Figur 6 zeigt einen Schnitt entlang der in Figur 2 dargestellten Linie B-B. In dieser Schnittdarstellung sind die Aussparungen 16 des metallischen Elements 14 zu sehen, die mit dem Kunststoff material der Spritzgussrippenstruktur 12 gefüllt, insbesondere umspritzt sind. Aus den Figuren 5 und 6 wird deutlich, dass die faserverstärkten Kunststoffeinsätze 22, 23 einen variablen Querschnitt aufweisen. Im mittleren Bereich des Fahrzeugstrukturbauteils 10 haben die Kunststoffeinsätze 22, 23 einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt. Im Randbereich, insbesondere in dem Bereich, in dem die metallischen Elemente angeordnet sind, passt sich der Querschnitt an die abflachende Geometrie des Fahrzeugstrukturbauteils 10 und an die Geometrie des metallischen Elements 14 an, derart, dass die Kunststoffeinsätze 22, 23 und das metallische Element 14 voneinander beabstandet sind. Insbesondere ist das metallische Element 14 über seine gesamte Oberfläche zu den Kunststoffeinsätzen 22, 23 beabstandet.
Figur 7 zeigt in einer Detailansicht C nochmals die Verbindung zwischen der Spritzgussrippenstruktur 12 und dem metallischen Element 14. Das metallische Element 14 weist einen freiliegenden Anbindungsbereich 28 auf, der nicht von der Spritzgussrippenstruktur 12 umgeben ist. Zusätzlich sind mehrere kreisförmige Flächen 30, 32, 34 des metallischen Elements 14 von der Spritzgussrippenstruktur 12 ausgespart. An diesen Flächen 30, 32, 34 und im Anbindungsbereich 28 können beispielsweise Schweißpunkte gesetzt werden.
Figur 8 zeigt in einer Detailansicht D die Geometrie des Einlegers 24, wobei die Spritzgussrippenstruktur 12 transparent dargestellt ist. Der Einleger 24 weist T-förmige Laschen 36 mit Hinterscheidungen 38 auf. Die Laschen 36 werden vom Kunststoff der Spritzgussrippenstruktur 12 umspritzt, sodass der Einleger 24 aufgrund der Hinterscheidungen 38 fest in der Spritzgussrippenstruktur 12 verankert ist.
Figur 9 zeigt einen Schnitt durch den Einleger 24 entlang einer Linie E-E. In einem Randbereich, insbesondere im Bereich der Laschen 36, ist der Einleger 24 nach innen gebogen. Dabei verlaufen die Laschen 36 parallel zu einer Hauptfläche 40 des Einlegers 24, jedoch nach innen versetzt. Dadurch kann die Fläche 40 des Einlegers 24 nach außen hin frei von der Spritzgussrippenstruktur 12 sein, während die Laschen 36 in der Spritzgussrippenstruktur 12 verankert sind und so den Einleger 24 am Fahrzeugstrukturbauteil 10 fixieren.
Figur 10 zeigt einen Schnitt entlang der in Figur 7 dargestellten Linie G-G. Der Schnitt erstreckt sich entlang einer Längsrichtung des Fahrzeugstrukturbauteils. In dieser Darstellung ist ersichtlich, dass der faserverstärkte Kunststoffeinsatz 22 durch eine der Aussparungen 16 in dem metallischen Element 14 hindurchragt (siehe die rechte Aussparung mit der Klammer). Die übrigen Aussparungen 16 sind nur durch den Kunststoff der Spritzgussrippenstruktur 12 gefüllt. Auf diese Weise kann bei einer Querbelastung des Fahrzeugs eine Kraft besonders gut von dem Fahrzeugstrukturbauteil 10 auf eine umliegende Fahrzeugstruktur übertragen werden. Zu sehen ist bei der rechten Aussparung 16 auch, dass der Rand der Aussparung 16 vom Kunststoff der Spritzgussrippenstruktur 12 kontaktiert wird, so dass er eine Art Brücke vom Metallrand zum vorgefertigten Kunststoffeinsatz 22 bildet, der in diesem Bereich in und durch die Aussparung 16 ragt. Der Kunststoffeinsatz 22 kontaktiert das Element 14 somit nicht.
Die Figuren 1 1 und 12 zeigen ergänzend eine isometrische Ansicht des Fahrzeugstrukturbauteils 10 und eine weitere Detailansicht.
Die in den Figuren 13 und 14 dargestellte Ausführungsform des Fahrzeugstrukturbauteils 10 stellt einen Heckfensterrahmen dar. Grundsätzlich ist das Fahrzeugstrukturbauteil 10 in dieser Ausführungsform genauso aufgebaut wie in den Figuren 1 bis 12 beschrieben, lediglich die Geometrie ist entsprechend an die Fahrzeugstruktur im Heckbereich angepasst. Um eine Heckklappenanbindung zu ermöglichen, weist das Fahrzeugstrukturbauteil 10, insbesondere das metallische Element 14, einen zusätzlichen freiliegenden Bereich 42 auf, das heißt einen Bereich, der frei von der Spritzgussrippenstruktur 12 ist.
Das Fahrzeugstrukturbauteil kann mittels des metallischen Elements 14 mit einer angrenzenden, nicht dargestellten Fahrzeugstruktur stoffschlüssig verbunden sein, insbesondere durch Punktschweißen oder Kleben.
Zur Herstellung eines Fahrzeugstrukturbauteils 10 werden die faserverstärkten Kunststoffeinsätze 22, 23 und die metallischen Elemente 14 in ein Werkzeug eingelegt, und zwar derart, dass mindestens ein Kunststoffeinsatz 22, 23 durch eine Aussparung 16 des metallischen Elements 14 hindurchragt, aber mit einem Spalt zum Element 14. Anschließend werden die Kunststoffeinsätze 22, 23 zusammen mit den metallischen Elementen 14 umspritzt, wobei dabei der Spalt ausgefüllt wird. Alternativ können die metallischen Elemente 14 erst nach dem Spritzprozess an dem Fahrzeugstrukturbauteil 10 angebracht werden, zum Beispiel durch Kleben, Schrauben oder Nieten. Die Kunststoffeinsätze 22, 23 werden in einem vorhergehenden Prozessschritt erwärmt und umgeformt.

Claims

Patentansprüche
1 . Fahrzeugstrukturbauteil (10), umfassend mindestens einen ersten und mindestens einen zweiten faserverstärkten Kunststoffeinsatz (22, 23) sowie eine die Kunststoffeinsätze (22, 23) verbindende Spritzgussrippenstruktur (12), die an die Kunststoffeinsätze (22, 23) angespritzt ist, und mindestens ein metallisches Element (14), durch das ein Anbindungsbereich (28) des Fahrzeugstrukturbauteils (10) gebildet ist.
2. Fahrzeugstrukturbauteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der faserverstärkten Kunststoffeinsätze (22, 23) durch eine Aussparung (16) in dem metallischen Element (14) hindurchragt.
3. Fahrzeugstrukturbauteil (10) nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine metallische Element (14) als Einlegeteil ausgebildet ist, welches mehrere Aussparungen (16) aufweist, die mit Kunststoff gefüllt sind.
4. Fahrzeugstrukturbauteil (10) nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine metallische Element (14) mit der Spritzgussrippenstruktur (12) durch Stoffschluss, Reibschluss und/oder Formschluss verbunden ist.
5. Fahrzeugstrukturbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzgussrippenstruktur (12) in einem Querschnitt gesehen gegenüber den Kunststoffeinsätzen (22, 23) und zueinander gewinkelt verlaufende Versteifungsstege (20) aufweist.
6. Fahrzeugstrukturbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Querschnitt gesehen jeweils mindestens zwei benachbarte Versteifungsstege (20) mit einem der Kunststoffeinsätze (22, 23) eine lokale Versteifungseinheit bilden.
7. Fahrzeugstrukturbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Längsrichtung des Fahrzeugstrukturbauteils (10) eine Vielzahl von Versteifungsstegen quer zur Längsrichtung hintereinander verlaufen und/oder die Kunststoffeinsätze (22, 23) in Längsrichtung des Fahrzeugstrukturbauteils (10) verlaufen.
8. Fahrzeugstrukturbauteil (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsstege in Längsrichtung des Fahrzeugstrukturbauteils (10) jeweils beabstandet zueinander angeordnet sind.
9. Fahrzeugstrukturbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzgussrippenstruktur (12) einen kurzfaserverstärkten Thermoplast aufweist und/oder die Kunststoffeinsätze (22, 23) ein Endlosfasermaterial aufweisen. Fahrzeugstrukturbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Element (14) über seine gesamte Oberfläche zu den Kunststoffein Sätzen (22, 23) beabstandet ist.
10. Fahrzeugstrukturbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeugstrukturbauteil (10) mittels des metallischen Elements (14) mit einer angrenzenden Fahrzeugstruktur stoffschlüssig verbunden ist, insbesondere durch Punktschweißen oder Kleben.
1 1. Verfahren zur Herstellung eines Fahrzeugstrukturbauteils (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend folgende Schritte: a) Bereitstellen einer Werkzeugform, b) Erwärmen von mindestens einem ersten und mindestens einem zweiten faserverstärkten Kunststoffeinsatz (22, 23), c) Umformen des mindestens einen ersten und mindestens einen zweiten Kunststoffeinsatzes (22, 23), d) Einlegen des mindestens einen ersten und mindestens einen zweiten umgeformten Kunststoffeinsatzes (22, 23) in die Werkzeugform, e) Umspritzen der Kunststoffeinsätze (22, 23) mit Kunststoff und f) Anbringen von mindestens einem metallischen Element (14) an das Fahrzeugstrukturbauteil (10) durch Umspritzen in Schritt e) und/oder durch Befestigungsmittel derart, dass mindestens ein Kunststoffeinsatz (22, 23) durch eine Aussparung (16) in dem metallischen Element (14) hindurchragt.
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