DE4232953A1

DE4232953A1 - Fertigungsverfahren zur Verstärkung von Fahrzeugkarosserien oder anderer verwindungsanfälliger Bauteile

Info

Publication number: DE4232953A1
Application number: DE4232953A
Authority: DE
Inventors: Johann Knapp
Original assignee: NITEC ENGINEERING GmbH
Current assignee: NITEC ENGINEERING GmbH
Priority date: 1992-04-03
Filing date: 1992-10-01
Publication date: 1993-10-14

Description

(Grundlegende Betrachtung:)

Im serienmäßigen Zustand lassen Stahlblechkarosserien von Kraft fahrzeugen gerade unter folgenden Aspekten den Wunsch nach höherer Stabilität aufkommen:

a) Verbesserung des Fahrverhaltens durch eine genauere und stabilere Radführung
Folgerung:
Anzustreben ist eine Erhöhung der Steifigkeit der Karosseriestruktur, die die Radaufhängungsbauteile miteinander verbinde.
b) Erhöhung der Crashsicherheit mit den Schwerpunkten:
- - geringeres Verletzungsrisiko des Fahrers durch ein stabilere Fahrgastzelle
- - geringere Instandsetzungskosten infolge der erhöhten Widerstandsfähigkeit der Karosserie- Rahmenstruktur gegen Verziehen.
Folgerung:
Die Auslegung von Fahrgastzellen erfolgt zur Zeit hauptsächlich unter dem Gesichtspunkt einer hohen Steifigkeit bezüglich Kraftwirkungen in Fahrzeug längsrichtung.
Anzustreben ist daher eine Erhöhung der Steifigkeit der Fahrgastzellenflanken im Hinblick auf Kraftein wirkungen in Fahrzeugquerrichtung.

(Stand der Technik:)

Es ist bekannt, daß Kraftfahrzeugkarosserien für bestimmte Anfor derungen durch den lösbaren oder unlösbaren Einbau von eigenstän digen Bauteilen (z. B. einzelnen Rohren, Rohrkonstruktionen, Platten, Blechen etc.) entsprechend besonderen Anforderungen verstärkt wer den. Ferner ist es bekannt, eigenständige Bauteile, bestehend aus fa serverstärkten Verbundmaterialdeckschichten, einer abstandhaltenden Zwischenschicht mit wabenähnlicher Struktur und Klebefilm (für die Deckschichten sind auch Metallbleche üblich) herzustellen, die als Sandwichbauteile bezeichnet werden.

(Kritik des Standes der Technik:)

Für die nachträgliche Verstärkung von Fahrzeugkarosserien durch die Verwendung eigenständiger Bauteile ergibt sich aufgrund der fehlenden Fähigkeit dieser Bauteile, sich dem Karosserieblechver lauf genau anzupassen der Nachteil eines erhöhten Platzbedarfs. Zudem ist für sie, mit Ausnahme von eigenständigen Sandwichbautei len, ein bezüglich der Steifigkeit deutlich höheres spezifisches Gewicht kennzeichnend.

Hinsichtlich eigenständiger Sandwichbauteile mit Deckschichten aus dem gleichen Material, wie in dem hier beschriebenen Verstärkungs verfahren verwendeten, ist der Nachteil des höheren auf die Stei figkeit bezogenen Gewichtes zwar etwas geringer, dafür ergeben sich für diese eigenständigen Bauteile erhebliche Probleme bezüglich einer stabilen und kraftübertragenden Verbindung mit dem Karos serieblech, sowie die o.a. Nachteile in Bezug auf den Platzbedarf durch die ihnen ebenfalls fehlende Fähigkeit, sich dem Karosserie blechverlauf genau anzupassen.

(Problem:)

Der in Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrun de, den auf die Steifigkeit bezogenen spezifischen Platzbedarf von nachträglichen Karosserieverstärkungen zu verringern, sowie die auf die Steifigkeit bezogene Gewichtszunahme zu optimieren.

(Erzielbare Vorteile:)

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere darin begründet, daß zum einen Materialien mit sehr geringem spezifischen Gewicht (Gewicht/Volumen) verwendet werden und zum zweiten die aufgebrachte Verstärkungsstruktur zusammen mit dem Karosserie blech, auf dem sie aufgebracht wird, zu einem Gesamtbauteil in Sandwichbauweise wird und auch als solches wirkt. Die durch die Erfindung genutzte Eigenschaft solcher Sandwichbauteile ist die, daß ihr Widerstandsmoment gegen Biegung überproportional von dem Abstand ihrer Deckschichten abhängt, nicht aber von der eigenen Biegesteifigkeit der Zwischenschicht. Dadurch ist es möglich für sich biegeflexible Zwischenschichten sehr geringen spezifischen Gewichtes zu verwenden, die allein die Fähigkeit besitzen müssen im späteren Gesamtverbund den vorgegebenen Abstand der Deckschichten (bei der vorliegenden Erfindung sind dies die Verbundmaterialdeck schicht aus harzgetränkten Gewebematten und das Karosserieblech) unter Belastung sicherzustellen.

Im Sinne der Problemstellung der Erfindung bezüglich geringstem Gewichtes bei hoher Steifigkeit eignen sich als abstandhaltende Zwischenschicht insbesondere Hohlkörpermaterialien mit einer auf das Gewicht bezogenen hohen Druckfestigkeit in mindestens einer Richtung (z. B. wabenähnliche Strukturen, Hartschäume etc.).

Die daraus folgenden Vorteile der Erfindung stellen sich wie folgt dar:

- ein erheblicher auf die Steifigkeit bezogener Gewichtsvorteil gegenüber bekannten Karosserieverstärkungen zum einen aufgrund der speziellen Eigenschaften der erstellten Gesamtstruktur (Sandwichbauteil), zum zweiten aufgrund der Tatsache, daß das vorhandene Karosserieblech in die Verstärkungsstruktur mitein bezogen wird,
- ein auf die Steifigkeit bezogener deutlich geringerer Platzbe darf gegenüber bekannten Karosserieverstärkungen aufgrund der speziellen Eigenschaften der erstellten Gesamtstruktur (Sand wichbauteil).

Mit der zusätzlichen Eigenschaft der beschriebenen Verstärkungs struktur, sich dem Karosserieblechverlauf genau anzupassen, ergeben sich die weiteren Vorteile:

- die Möglichkeit, eine wirksame Verstärkung der Karosserie auch an solchen Stellen zu erreichen, an denen es mit den bekannten Mit teln aufgrund des geringen zur Verfügung stehenden Platzes nicht möglich ist,
- die bestehende Einbauposition vorhandener Bauteile kann fast immer beibehalten werden,da deren Raumbedarf durch den der Ver stärkung - im Gegensatz zu den bekannten Verfahren - nur in den seltensten Fällen beeinträchtigt wird,
- die Möglichkeit, Bereiche der Karosserie mit einer deutlich höheren Wirkung, als mit bekannten Verfahren punktuell zu verstärken.

Betreffen alle beschriebenen Vorteile der Erfindung die Ziel setzung nach Punkt a) der "grundlegenden Betrachtung" gleicher maßen, so sind speziell die zuletzt aufgezählten drei weiteren Vorteile die Grundlage für eine Anwendung gemäß der unter Punkt b) der "grundlegenden Betrachtung" genannte Zielsetzung der Flanken steifigkeitserhöhung (z. B. Verstärkungen im knapp bemessenen Türinnenraum).

Außer Kraftfahrzeugkarosserien lassen sich mit der Erfindung in gleicher Weise auch beliebige andere Bauteile verstärken. Voraus setzung ist allein, daß das Material des zu verstärkenden Bauteils sich als einseitige Deckschicht für die entstehende Sandwich- Struktur eignet.

(Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele)

Anhand der folgenden Systemzeichnungen werden zwei prinzipielle Möglichkeiten des Aufbaus der Karosserieverstärkung erläutert:

Fig. 1 perspektivische Darstellung eines Ausschnitts aus einer Verstärkungsstruktur mit einer Klebe filmlage;

Fig. 2 Schnitt durch einen Ausschnitt einer Verstär kungsstruktur mit einer Klebefilmlage;

Fig. 3 Schnitt durch einen Ausschnitt einer Verstär kungsstruktur mit zwei Klebefilmlagen.

Begriffserklärungen harzimprägnierte Gewebematten

Mit diesem Begriff werden Gewebematten aus künstlichen Fasern (z. B.: Kohlenstoff-, Glas- o. Aramidfasern) bezeichnet, die mit dem die Matrix des späteren Verbundwerkstoffs bildenden Harzsystem in der Weise getränkt sind, daß die im Verarbeitungszustand flexible, leicht klebrige Matte nach dem Aushärten einen vollständigen Verbundwerkstoff darstellt.

Als Harzsysteme werden Kunstharze (z. B.: Epoxidharz) verwendet. Die Aushärtung erfolgt unter Wärme. (Fachausdruck: "Prepreg"-Verbundwerkstoffsystem).

Zwischenschicht wabenähnlicher Struktur:

Es handelt sich hierbei um ein in Form flexibler oder hochflexi bler Platten beliebiger Stärke angeliefertes Material mit einer Struktur aus nebeneinander angeordneten Waben sehr dünner Wand stärke, deren Orientierung senkrecht zur Plattenausdehnung ist. Für die Wabengestaltung werden verschiedene Raumkörperformen gewählt (z. B.: Sechseck, Viereck, Zylinder, Freiformkörper).

Als Werkstoffe werden Leichtmetalle (z. B.: Aluminium) oder Nichtmetalle (z. B.: Nomex) verwendet (Fachausdruck: "Honeycomb"). Als Zwischenschicht können auch Platten aus Hartschaum verwendet werden.

Klebefilm:

Bezeichnet wird hiermit ein in Folienform vorliegender Klebstoff. Der Klebstoff basiert auf Kunstharzen (z. B.: Epoxydharz). Die Aushärtung erfolgt unter Wärme.

Beschreibung des Aufbaus 1. Verstärkungsstruktur mit einer Klebefilmlage (Fig. 1 u. 2)

Mit dem blanken und durch entsprechende Verfahren aufgerauhten Karosserieblech (4), welches zu verstärken ist, wird die die Deck schichten (Karosserieblech (4) und Prepreg-Verbundmaterialdeck schicht (1)) auf Abstand haltende Zwischenschicht (2) - in den Zeichnungen handelt es sich um Honeycomb - mittels des Klebefilms (3) verbunden.

Die Deckschicht aus Prepreg-Verbundmaterial geht infolge der Klebeeigenschaften des enthaltenden Harzes wiederum eine feste Verbindung mit der Zwischenschicht ein.

2. Verstärkungsstruktur mit zwei Klebefilmlagen (Fig. 3)

Der Aufbau dieser Ausführung unterscheidet sich nur dadurch von der in Position 1 beschriebenen Variante, daß zur Unterstützung der Klebekräfte der Verbundmaterialdeckschicht (1) zwischen dieser und der Zwischenschicht (2) eine zusätzliche Klebefilmlage (3) einge baut wird.

Dies wird an solchen Stellen vorgenommen, an denen zu erwarten ist, daß infolge der Belastungen im Einsatz das Bestreben der Gewebela gendeckschicht, sich von der Zwischenschicht abzulösen, die der Ge webeschicht eigenen Klebekräfte überfordern könnte.

Beschreibung des Herstellungsverfahrens

Nachdem die einzelnen Materialschichten formschlüssig auf das zu verstärkende Karosserieblech entsprechend der vorangegangenen Beschreibung aufgebracht wurden, erfolgt die Aushärtung des(der) Klebefilmlage(n) und der Verbundmaterialdeckschicht in der Weise, daß zum einen die Gesamtstruktur auf die zur Aushärtung notwendige Temperatur erwärmt wird, zum zweiten durch Druck auf die Deckschichten ein lückenloser Kontakt der Bestandteile der Ver stärkungsstruktur während des Aushärtens sichergestellt wird.

Claims

1. Fertigungsverfahren zur Verstärkung von Fahrzeugkarosserien oder anderer verwindungsanfälliger Bauteile, insbesondere zur Anpassung von Fahrzeug-Serienkarosserien an über deren Grundauslegung hinausgehende spezielle Anforderungen, dadurch gekennzeichnet, daß

- eine Verbundstruktur (bestehend aus einer faserverstärkten Ver bundmaterialdeckschicht, einer abstandhaltenden Zwischenschicht z. B. wabenähnlicher Struktur und Klebefilm) direkt auf das Karos serieblech unlösbar aufgebracht wird,
- durch die kraftschlüssige Verbindung der aufgebrachten Verstär kungsstruktur mit dem Karosserieblech beide an diesen Stellen als Sandwich-Bauteil gelten und auch als solches wirken,
- aufgrund der Verwendung einer hochflexiblen Zwischenschicht z. B. wabenähnlicher Struktur die Möglichkeit gegeben ist, die Ver stärkungsstruktur dem Karosserieblechverlauf genau folgen zu lassen.

2. Verfahren zur Verstärkung von Fahrzeugkarosserien nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren vor dem Zusammenbau der Gesamtkarosserie für die Verstärkung einzelner Karosserieeinzelteile verwendet wird.