DE10112688A1 - Vorrichtung zur Verstärkung eines Hohlteils eines Fahrzeugs - Google Patents
Vorrichtung zur Verstärkung eines Hohlteils eines FahrzeugsInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verstärkung eines Hohlteils (16) eines Fahrzeugs, insbesondere einer Karosseriesäule, bestehend aus mindestens einem in das Hohlteil (16) einsetzbaren langgestreckten formsteifen Stützskelett (10) aus Kunststoff, welches mit der Innenwandung (32) des Hohlteils (16) in Eingriff bringbare freie Stützflächen (18) aufweist.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verstärkung
eines Hohlteils eines Fahrzeugs, insbesondere einer Ka
rosseriesäule.
Zu diesem Zweck sind im Automobilbau Verstärkungsteile
bekannt, welche als Verbundkörper aus einer geometrisch
einfachen Tragstruktur und einem schäumbaren Material
bestehen. Die Tragstruktur dient dabei in erster Linie
zur Halterung und Plazierung des schäumbaren Materials
in dem Hohlraum ohne besondere Konturanpassung. Nach
folgend wird der Hohlraum vollvolumig ausgeschäumt, wo
bei das expandierte Schaummaterial den Wandanschluß und
somit die Kraftaufnahme und die Lastverteilung vermit
telt. Der Verstärkungseffekt beruht also maßgeblich auf
den Materialeigenschaften des Schaumstoffs. Als nach
teilig hat sich dabei herausgestellt, daß der Schäum
vorgang eine chemische Reaktion erfordert, die auf den
Herstellungsprozeß des Fahrzeugs insbesondere hinsicht
lich der auftretenden Temperaturen abgestimmt sein muß.
Die Verstärkungsfunktion hängt somit von der genauen
und gleichbleibenden Einhaltung der Prozeßparameter ab.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Struktur
teile nicht mehr einfach voneinander trennbar sind und
dadurch das Recycling erschweren. Außerdem führt das
vollständige Ausschäumen zu einem mehr oder weniger ho
mogenen Verstärkungseffekt, ohne daß räumlich variie
renden Designanforderungen Rechnung getragen werden
könnte.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zu
grunde, die vorgenannten Nachteile zu beseitigen und
eine Hohlraumverstärkung zu schaffen, welche einfach
herstellbar und einsetzbar ist, sich entsprechend den
spezifischen Beanspruchungen variabel gestalten läßt,
Gewichtseinsparungen ermöglicht und keine besonderen
Entsorgungsprobleme bereitet.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird die im Patentanspruch 1
angegebene Merkmalskombination vorgeschlagen. Vorteil
hafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, einen Verstär
kungskörper als Leichtbauteil frei von lasttragenden
Schäumteilen zu schaffen. Dementsprechend wird erfin
dungsgemäß ein in das Hohlteil einsetzbares langge
strecktes formsteifes Stützskelett aus Kunststoff vorgeschlagen,
welches mit der Innenwandung des Hohlteils
in Eingriff bringbare freie Stützflächen aufweist.
Durch die Kunststoff-Skelettstruktur wird bei weitge
hender Gewichtsreduktion eine geometrisch komplexe
Formgebung und ein räumlich angepaßtes Verstärkungsver
halten realisierbar, wobei die außenseitigen Stützflä
chen eine direkte Lastaufnahme erlauben. Das Stützske
lett besitzt eine definierte Funktion aufgrund seiner
vorgegebenen Baustruktur. Seine Montage kann ohne be
sonderen Aufwand in den bestehenden Fertigungsablauf
des Fahrzeugs eingebunden werden, während eine einfache
sortenreine Trennung im Entsorgungsfall möglich ist.
Vorteilhafterweise besitzt das Stützskelett eine der
Innenform des Hohlteils entsprechende Hüllkontur, so
daß auch bei punktueller Beanspruchung eine weitrei
chende Lastverteilung erfolgt.
Ein optimales Design wird dadurch ermöglicht, daß das
Stützskelett als einstückiges Formteil vorzugsweise als
Spritzgußteil ausgebildet ist. Dabei ist es im Hinblick
auf die Formbeständigkeit bei der Herstellung und beim
Einsatz des Fahrzeugs von Vorteil, wenn das Stützske
lett aus einem wärmebeständigen Kunststoff, vorzugswei
se aus Polyphenylsulfid als Hochleistungskunststoff
oder aus Polyamid besteht.
Eine konstruktiv vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor,
daß das Stützskelett über seine Länge verteilt eine
Mehrzahl von quer zu seiner Längsrichtung sich erstrec
kende Aussteifungsrippen aufweist. Dabei sollte gewähr
leistet sein, daß die Aussteifungsrippen jeweils einen
lichten Innenquerschnitt des Hohlteils vorzugsweise
vollflächig überspannen, um eine optimale Aussteifung
zu erzielen. Ein weiterer Vorteil in dieser Hinsicht
ergibt sich dadurch, daß die Aussteifungsrippen über
Längsträger des Stützskeletts im Abstand voneinander
gehalten sind. Hier ist es günstig, wenn das Stützske
lett mindestens einen, vorzugsweise zwei in seiner
Längsrichtung durchgehende, die Aussteifungsrippen quer
durchsetzende Längsstege aufweist.
Zur Optimierung der Krafteinleitung ist es von Vorteil,
wenn die Randkanten der Aussteifungsrippen und gegebe
nenfalls der Längsstege unter Bildung der Stützflächen
an die Kontur der Innenwandung des Hohlteils angepaßt
sind.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung
sieht vor, daß die Strukturfestigkeit des Stützskeletts
nach Maßgabe einer räumlich variablen Betriebssteifigkeit
und/oder Crash-Beanspruchung angepaßt bzw. model
liert ist. Dies läßt sich entsprechend dem gewünschten
Deformationsverhalten dadurch erreichen, daß die Wand
stärke, der gegenseitige Abstand und/oder die Orientie
rung der Aussteifungsrippen und/oder Längsstege über
das Stützskelett variieren.
Zur strukturoptimierten Gewichtseinsparung ist es von
Vorteil, wenn das Stützskelett eine Vielzahl von durch
die Aussteifungsrippen in Längsrichtung des Stützske
letts voneinander getrennte, in einer Querrichtung of
fene Hohlkammern aufweist.
Vorteilhafterweise besitzen die Aussteifungsrippen über
die Längsstege seitlich nach außen hinausstehende
Schulterpartien.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung sieht vor, daß das
Stützskelett Aussparungen für in das Hohlteil inte
grierte Funktionsteile, beispielsweise Gurtroller auf
weist.
Zur unmittelbaren Krafteinleitung bzw. Abstützung kann
das Stützskelett an seinen Stützflächen formschlüssig
an die Innenwandung des Hohlteils anliegen. Um die Be
triebssteifigkeit weiter zu verbessern, ist es günstig,
wenn das Stützskelett über vorzugsweise an seinen
Stützflächen schichtförmig applizierte Verbindungsmit
tel kraft- und/oder stoffschlüssig mit der Innenwandung
des Hohlteils in Eingriff bringbar ist, wofür ein vor
zugsweise unter Wärmeeinwirkung aktivierbarer Klebstoff
oder klebender Schaumstoff von Vorteil ist. Ergänzend
oder alternativ kann das Stützskelett über gesonderte
mechanische Verbindungsmittel in dem Hohlteil fixiert
sein.
Eine Zusatzfunktion wird dadurch erreicht, daß an dem
Stützskelett aufschäumbare Schäumteile zur Abdichtung
bzw. Abschottung eines Querschnitts des Hohlteils ange
ordnet sind.
Bei längeren Hohlteilen können mehrere Stützskelette
hintereinander angeordnet sein, Toleranzprobleme zu
vermeiden. Gegebenenfalls können die Stützskelette vor
zugsweise über Steck- oder Gelenkverbindungen endseitig
miteinander gekoppelt sein.
Ein weiterer Erfindungsaspekt betrifft ein Strukturteil
eines Fahrzeugs bestehend aus einem Hohlteil und minde
stens einem darin eingesetzten erfindungsgemäßen
Stützskelett.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der
Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausfüh
rungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein Stützskelett zum Einsetzen in eine B-Säule
eines Kraftfahrzeugs in einer perspektivischen
Ansicht;
Fig. 2 eine Seitenansicht des Stützskeletts nach
Fig. 1;
Fig. 3 das in die B-Säule formschlüssig eingesetzte
Stützskelett in einer perspektivischen Ansicht;
Fig. 4 einen Vertikalschnitt durch die abgebrochen dar
gestellte Innenwandung der B-Säule und das darin
eingesetzte Stützskelett;
Fig. 5 bis 7 einen Schnitt entlang der entsprechend
numerierten Schnittlinien der Fig. 4.
Die in Fig. 1 gezeigte langgestreckte Stützskelett 10
besteht als einstückiges Kunststoff-Formteil aus zwei
in Skelettlängsrichtung parallel zueinander verlaufen
den Längsstegen 12 und einer Mehrzahl von quer dazu
sich erstreckenden, im seitlichen voneinander befindlichen
Aussteifungsrippen 14. Die durch das Stützskelett
10 aufgespannte Hüllkontur entspricht der Innenform der
B-Säule 16 oder allgemein eines Hohlteils eines nicht
eigens dargestellten Fahrzeugs. Im eingesetzten Zustand
ermöglicht das Stützskelett 10 somit eine Strukturver
stärkung und insbesondere eine den Belastungsanforde
rungen angepaßte Aussteifung.
Zu diesem Zweck bilden die Aussteifungsrippen 14 und
die Längsstege 12 mit ihren Rändern nach außen weisende
freie Stützflächen bzw. Stützkanten 18, die mit dem
Hohlteil innenseitig punktuell oder linienförmig in
Eingriff bringbar sind. Um räumlich variierenden Fe
stigkeitsanforderungen an das Stützskelett 10 zu genü
gen, sind die Wandstärke und der gegenseitige Abstand
zumindest der Aussteifungsrippen 14 entsprechend ange
paßt, d. h. über das Stützskelett abschnittsweise unter
schiedlich ausgebildet. Die konstruktive Gestaltung er
folgt dabei nach Maßgabe einer rechnerischen oder expe
rimentellen Analyse der Betriebs- und Crashbeanspru
chungen des Fahrzeugs.
Das Stützskelett 10 weist in Leichtbauweise eine Viel
zahl von in Skelett-Längsrichtung reihenförmig angeord
nete, quer dazu offenen Hohlkammern 20 auf, welche
durch die Aussteifungsrippen 14 und die Längsstege 12
fachwerkartig voneinander getrennt sind. Um auch kom
plexe Hohlraumquerschnitte vollflächig überspannen zu
können, weisen die Aussteifungsrippen 14 zwischen den
Längsstegen 12 sich erstreckende Zentralabschnitte 22
und über die Längsstege 12 seitlich hinauskragende
Schulterpartien 24 auf. Zur Aufnahme von in das Hohl
teil integrierten Funktionsteile, beispielsweise einem
nicht gezeigten Gurtroller, ist das Stützskelett 10 mit
entsprechenden Aussparungen 26 versehen (Fig. 2).
Wie am besten aus Fig. 3 ersichtlich, läßt sich das
Stützskelett 10 in das komplementär geformte, nach au
ßen offene Blechteil 28 der B-Säule 16 einsetzen. Gege
benenfalls können nicht gezeigte mechanische Befesti
gungsmittel zur zusätzlichen Fixierung vorgesehen sein.
Im Zuge der weiteren Fahrzeugmontage wird die B-Säule
durch ein außenseitiges Blechteil 30 unter Einschluß
des Stützskeletts 10 geschlossen. Die Blechteile 28, 30
bilden dabei die geometrisch komplex geformte Innenwan
dung 32 der B-Säule 16 (Fig. 4).
Fig. 5 bis 7 zeigen Querschnitte in verschiedenen Höhen
durch das aus der den Blechteilen 28, 30 und dem darin
angeordneten Stützskelett 10 gebildete Strukturteil 34.
Die Aussteifungsrippen 14 ermöglichen mit ihren Stütz
kanten 18 eine umlaufende Abstützung über die jeweilige
Querschnittskontur der Innenwandung 32, während die
Stützkanten 18 der Längsstege 12 der Längskontur des
Hohlteils 16 folgen. Auf diese Weise können auch punk
tuell auftretende Knick- und Stauchbelastungen aufge
nommen und über große Stützweiten über das Stützskelett
10 abgeleitet werden.
Grundsätzlich ist es möglich, daß das Stützskelett 10
über zweckmäßig an seinen Stützkanten 18 insbesondere
stellenweise applizierte Verbindungsmittel kraft-
und/oder stoffschlüssig mit der Innenwandung 32 verbun
den wird. Zu diesem Zweck kann gemäß Fig. 5 ein unter
Wärmeeinwirkung schäumbares Material 34 vorgesehen
sein, beispielsweise ein Schaumstoff auf Polyethylen-
Basis. Dadurch lassen sich etwaige Toleranzen und Wär
medehnungen ausgleichen und es kann eine sichere und
klapperfreie Verbindung erreicht werden. Vorteilhafter
weise erfolgt das Ausschäumen während einer nachfolgen
den Aufheizung der Fahrzeugkarosserie beispielsweise
bei der Kataphorese-Beschichtung. Selbstverständlich
muß gewährleistet sein, daß das Stützskelett 10 aus ei
nem entsprechend temperaturbeständigen Werkstoff be
steht, um den dabei auftretenden Temperaturen von ca.
150 bis 190°C standzuhalten.
Stützskelette der vorstehend beschriebenen Art lassen
sich bevorzugt in Karosseriesäulen, aber auch Rahmen
teilen, Dachholmen, Motorträgern oder Fahrwerkteilen
von Kraftfahrzeugen ohne nennenswerten Montageaufwand
einsetzen, um bei geringem Gewicht eine sehr wirksame
Versteifung zu erzielen. Dabei kann die konstruktive
Gestaltung lokal unterschiedlichen Festigkeitsanforde
rungen Rechnung tragen, was sich insbesondere bei sol
chen Hohlteilen vorteilhaft erweist, die aus Gründen
der Gewichtsersparnis durch Blechteile unterschiedli
cher Wandstärke gebildet sind.
Claims (23)
1. Vorrichtung zur Verstärkung eines Hohlteils (16)
eines Fahrzeugs, insbesondere einer Karosseriesäu
le, bestehend aus mindestens einem in das Hohlteil
(16) einsetzbaren langgestreckten formsteifen
Stützskelett (10) aus Kunststoff, welches mit der
Innenwandung (32) des Hohlteils (16) in Eingriff
bringbare freie Stützflächen (18) aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß das Stützskelett (10) eine der Innenform
des Hohlteils (16) entsprechende Hüllkontur auf
weist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Stützskelett (10) als einstücki
ges Formteil vorzugsweise als Spritzgußteil ausge
bildet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß das Stützskelett (10) aus
einem wärmebeständigen Kunststoff, vorzugsweise
Polyphenylsulfid besteht.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß das Stützskelett (10)
über seine Länge verteilt eine Mehrzahl von quer zu
seiner Längsrichtung sich erstreckende Ausstei
fungsrippen (14) aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich
net, daß die Aussteifungsrippen (14) jeweils einen
lichten Innenquerschnitt des Hohlteils (16) vor
zugsweise vollflächig überspannen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Aussteifungsrippen (14) über
Längsträger (12) des Stützskeletts (10) im Abstand
voneinander gehalten sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, da
durch gekennzeichnet, daß das Stützskelett (10)
mindestens einen, vorzugsweise zwei in seiner
Längsrichtung durchgehende, die Aussteifungsrippen
(14) quer durchsetzende Längsstege (12) aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, da
durch gekennzeichnet, daß die Randkanten der Aus
steifungsrippen (14) und gegebenenfalls der Längs
stege (12) als Stützflächen (18) an die Kontur der
Innenwandung (32) des Hohlteils (16) angepaßt sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da
durch gekennzeichnet, daß die Strukturfestigkeit
des Stützskeletts (10) nach Maßgabe einer räumlich
variablen Betriebssteifigkeit und/oder Crash-
Beanspruchung angepaßt ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, da
durch gekennzeichnet, daß die Wandstärke, der ge
genseitige Abstand und/oder die Orientierung der
Aussteifungsrippen (14) und/oder Längsstege (12)
über das Stützskelett (10) variieren.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, da
durch gekennzeichnet, daß das Stützskelett (10) ei
ne Vielzahl von durch die Aussteifungsrippen (14)
in Längsrichtung des Stützskeletts (10) voneinander
getrennte, in einer Querrichtung offene Hohlkammern
(20) aufweist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, da
durch gekennzeichnet, daß die Aussteifungsrippen
(14) über die Längsstege (12) seitlich nach außen
hinausstehende Schulterpartien (24) aufweisen.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da
durch gekennzeichnet, daß das Stützskelett (10)
Aussparungen (26) für in das Hohlteil (16) inte
grierte Funktionsteile, beispielsweise Gurtroller
aufweist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, da
durch gekennzeichnet, daß das Stützskelett (10) an
seinen Stützflächen (18) formschlüssig an die In
nenwandung (32) des Hohlteils (16) anliegt.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, da
durch gekennzeichnet, daß das Stützskelett (10)
über vorzugsweise an seinen Stützflächen (18)
schichtförmig applizierte Verbindungsmittel (34)
kraft- und/oder stoffschlüssig mit der Innenwandung
(32) des Hohlteils (16) in Eingriff bringbar ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich
net, daß ein Klebstoff oder klebender Schaumstoff
als Verbindungsmittel (34) vorgesehen ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich
net, daß der Klebstoff oder klebende Schaumstoff
unter Wärmeeinwirkung aktivierbar ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, da
durch gekennzeichnet, daß das Stützskelett (10)
über gesonderte mechanische Verbindungsmittel in
dem Hohlteil (16) fixierbar ist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, da
durch gekennzeichnet, daß an dem Stützskelett (10)
aufschäumbare Schäumteile zur Abdichtung bzw. Ab
schottung eines Querschnitts des Hohlteils (16) an
geordnet sind.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, da
durch gekennzeichnet, daß mehrere Stützskelette
(10) über die Länge des Hohlteils (16) verteilt an
geordnet sind.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeich
net, daß die Stützskelette (10) vorzugsweise über
Steck- oder Gelenkverbindungen endseitig aneinander
gekoppelt sind.
23. Strukturteil eines Fahrzeugs bestehend aus einem
Hohlteil (16) und mindestens einem darin eingesetz
ten Stützskelett (10) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche.
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