DE102008061463A1

DE102008061463A1 - Lasteinleitungseinrichtung

Info

Publication number: DE102008061463A1
Application number: DE200810061463
Authority: DE
Inventors: Andreas Winkler
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2008-12-10
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2010-06-24
Anticipated expiration: 2028-12-11
Also published as: DE102008061463B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lasteinleitungseinrichtung (10) in ein Strukturteil (12), das mindestens ein Faserverbundteil (12a, 12b) umfasst, mit mindestens einem mit dem Strukturteil (12) verbundenen Einlegeteil (14), welches einen Lastpfad ausbildet. Erfindungsgemäß besteht das mindestens eine Einlegeteil (14) aus einem nichtmetallischen Werkstoff.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lasteinleitungseinrichtung sowie ein Strukturteil eines Fahrzeugs mit mindestens einer Lasteinleitungseinrichtung nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche.
Um insbesondere im Fahrzeugbau Gewicht einzusparen, werden Strukturteile verwendet, die ganz oder teilweise aus Faserverbundwerkstoffen bestehen. Faserverbundwerkstoffe bzw. Faserverbundmaterialien sind im Stand der Technik hinreichend bekannt. Sie umfassen üblicherweise eine Kunststoffmatrix, die durch ein Fasermaterial verstärkt ist. Diese Strukturteile weisen ein Hohlprofil auf. Die Strukturteile werden in Fahrzeugkarosserien aller Art, insbesondere Kraftfahrzeugen, Fahrräder, Flugzeugen und Schiffen eingesetzt. Derartige Strukturteile werden bevorzugt im Leichtbau eingesetzt. Jedoch gibt es auch andere Anwendungen, die von den Eigenschaften derartiger Leichtbauaufbauten profitieren. Diese Strukturteile müssen je nach Einsatzgebiet, insbesondere bei Unfällen, großen mechanischen Belastungen standhalten. Die Strukturteile dienen nicht nur zur stabilen Formgebung der Anordnung in Leichtbauweise, sondern auch als Verbindungsglied für weitere Komponenten und/oder zur Lasteinleitung.
Vorteile dieser Strukturteile sind insbesondere in ihrem niedrigen Gewicht, ihrer hohen Festigkeit, ihrer hohen Steifigkeit, ihrer geringen Wärmeausdehnung, ihrer hohen Lastwechselbeständigkeit, ihrer guten chemischen Beständigkeit, ihrer hohen Röntgentransparenz, ihrer guten Wärmeleitfähigkeit sowie dem Fehlen von magnetischen Eigenschaften zu sehen. Die im Stand der Technik aus Faserverbundwerkstoffen bestehenden Strukturteile erweisen sich jedoch auf Grund ihrer hohen spezifischen Festigkeiten und Steifigkeiten im Hinblick auf ihre Eignung als Verbindungsglied für weitere Komponenten und/oder zur Lasteinleitung als nachteilig. Die Strukturteile sind nicht nur sehr hart, sondern auch sehr spröde, so dass konventionelle Verbindungstechniken, wie beispielsweise Schraub- und Bolzenverbindungen, die zur Verbindung und/oder Lasteinleitung dienen sollen, schlecht einsetzbar sind. Zur Anwendung dieser Verbindungstechniken werden jedoch entweder Gewindebohrungen oder Bohrungen im Strukturteil benötigt, welche zu einer Materialschwächung bzw. zu einer Störung des Faserverlaufes und damit zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des Strukturteils führen können.
Um diesen Nachteil zu umgehen, weisen Strukturteile in der Regel als Metalleinsätze ausgebildete Einlegeteile mit Gewindebohrungen auf, in welche ein Verbindungselement, wie beispielsweise eine Schraube einbringbar ist. Hierbei wird jedoch ein Faserverbundteil des Strukturteiles zwischen Einlegeteil und Schraube geklemmt, d. h. es ergibt sich ein Kontakt zwischen Metall und Faserverbundteil, wodurch sich ein ungünstiges Setzverhalten der Schraubverbindung ergibt. Dieser Nachteil kann nur durch ein teures Frästeil bzw. Blechteil in Form einer Unterlegscheibe mit Bund ausgeglichen werden, indem sich der Bund der Unterlegscheibe auf dem Metalleinsatz abstützt, und sich die Schraube auf der Unterlegscheibe abstützt, so dass sich ein Kontakt zwischen zwei Metallteilen ergibt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lasteinleitungseinrichtung in ein Strukturteil anzugeben, welche ohne Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften des Strukturteils die Bildung mindestens eines definierten Lastpfades in dem Strukturteil ermöglicht.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch Bereitstellung einer Lasteinleitungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Um eine Lasteinleitungseinrichtung in ein Strukturteil anzugeben, welche ohne Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften des Strukturteils die Bildung mindestens eines definierten Lastpfades in dem Strukturteil ermöglicht, besteht das mindestens eine mit dem Strukturteil verbundene Einlegeteil aus einem nichtmetallischen Werkstoff. In vorteilhafter Weise erfolgen hierdurch eine verbesserte Einleitung der auftretenden Lasten und eine gleichmäßigere Verteilung dieser Lasten im Strukturteil. Zusätzlich wird durch die erfindungsgemäße Lasteinleitungseinrichtung ein ungünstiges Setzverhalten eines Verbindungselementes verhindert. Ferner ermöglicht die Ausbildung des Einlegeteiles aus einem nichtmetallischen Werkstoff die Realisierung auch komplexer Geometrien der Einlegeteile auf einfache Weise. Des Weiteren kann durch die vorliegende Erfindung eine flexible bzw. gezielte Bildung von Lastpfaden im Strukturteil vorgesehen werden, d. h. die Lasteinleitung kann gezielt gesteuert beziehungsweise verteilt werden.
Bei einer Ausführung des Strukturteils mit mindestens einem ersten Faserverbundteil und mindestens einem zweiten Faserverbundteil, ist das mindestens eine Einlegeteil beispielsweise im Strukturteil angeordnet und bildet den Lastpfad zwischen den Faserverbundteilen aus.
In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lasteinleitungseinrichtung ist mindestens ein Einsatz aus Metall in das Einlegeteil integriert. Bevorzugt weist der mindestens eine Einsatz eine Gewindebohrung auf. In vorteilhafter Weise eignet sich der Metalleinsatz zum Einbringen einer Bohrung bzw. eines Gewindes, ohne, dass dies zu einer Materialschwächung des Metalleinsatzes bzw. zu einer Störung des Faserverlaufes des Einlegeteiles und damit zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des Strukturteils führt. Hierdurch ergibt sich insbesondere eine optimale Lastaufnahme in das Strukturteil.
In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lasteinleitungseinrichtung weist der mindestens eine Einsatz mindestens eine Hinterschneidung auf. In vorteilhafter Weise verhindert die Hinterschneidung, dass sich der Einsatz aus dem Einlegeteil herausarbeiten kann. Bevorzugt verläuft die Hinterschneidung in radialer Richtung, so dass der Einsatz gegen ein Herausbewegen aus dem Einlegeteil in Richtung der Hochachse bzw. in Richtung der Lasteinwirkung gesichert ist.
Vorzugsweise ist das mindestens eine Einlegeteil durch Verkleben und/oder mechanisches Fügen mit dem Strukturteil verbindbar. Somit ist eine Verbindung der Bauteile mit einfachen und kostengünstigen Mitteln realisierbar.
Eine bevorzugte Realisierung der erfindungsgemäßen Lasteinleitungseinrichtung sieht vor, dass die Faserverbundteile und/oder das Einlegeteil zumindest teilweise aus mindestens einem Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff bestehen. Da Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe in der Regel hohe spezifische Steifigkeiten und Festigkeiten aufweisen, eignen sie sich in vorteilhafter Weise für Strukturteile in Leichtbauweise.
In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lasteinleitungseinrichtung ist vorgesehen, dass die Faserverbundteile aus CFK und das mindestens eine Einlegeteil aus CFK-SMC bestehen. In vorteilhafter Weise ergibt sich hierdurch ein besonders leichtes Strukturteil mit hoher gewichtsspezifischer Festigkeit und Steifigkeit.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lasteinleitungseinrichtung ist vorgesehen, dass das mindestens eine Einlegeteil bei der Herstellung des Strukturteils durch einen Harzinjektionsprozess oder durch Pressen in das Strukturteil einbringbar ist.
Bevorzugt kann hierdurch das Einlegeteil bereits bei der Herstellung des Strukturteils in das Strukturteil eingebracht werden, so dass weitere, kostenverursachende Fertigungsschritte unterbleiben können.
Bevorzugt bildet das erste Faserverbundteil den äußeren Teilbereich und das zweite Faserverbundteil den inneren Teilbereich des Strukturteils. Vorzugsweise kann sich hierdurch der Lastpfad von dem äußeren Faserverbundteil in das innere Faserverbundteil erstrecken, so dass von außen auf das Strukturteil einwirkende Lasten besser in das Strukturteil eingeleitet und im Strukturteil verteilt werden können.
Vorzugsweise weist ein Strukturteil eines Fahrzeugs mindestens eine erfindungsgemäße Lasteinleitungseinrichtung auf.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
Dabei zeigen:
1 einen schematischen Querschnitt durch ein Strukturteil mit erfindungsgemäßen Lasteinleitungseinrichtungen, welche Einlegeteile in einer ersten Ausführungsform umfassen,
2 eine perspektivische Darstellung eines Einlegeteiles in einer zweiten Ausführungsform, und
3 eine perspektivische Darstellung eines Einlegeteiles in einer dritten Ausführungsform.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Strukturteil 12 mit erfindungsgemäßen Lasteinleitungseinrichtungen 10. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Strukturteil 12 um ein Karosseriebauteil eines Fahrzeugs. Bei dem Fahrzeug kann es sich beispielsweise um einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen oder einen Omnibus handeln.
Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst das Strukturteil 12 mindestens ein erstes Faserverbundteil 12a und mindestens ein zweites Faserverbundteil 12b. Faserverbundwerk stoffe bzw. Faserverbundmaterialien sind im Stand der Technik hinreichend bekannt. Sie umfassen üblicherweise eine Matrix, die durch ein Fasermaterial verstärkt ist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bestehen die Faserverbundteile 12a, 12b zumindest teilweise aus mindestens einem Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff. Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe umfassen in der Regel eine Kunststoffmatrix, die beispielsweise Duroplaste oder Thermoplaste aufweist, die durch ein Fasermaterial, beispielsweise Glasfasermaterial oder Kohlenstofffasermaterial, verstärkt ist. Zur Herstellung derartiger Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe werden üblicherweise ungerichtete oder gerichtete Kurzfasern oder Langfasern, Faserstränge (Rovings), Fasermatten oder Faservliese verwendet, die zumindest teilweise von dem Matrixmaterial umgeben werden.
Zu den bekannten Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen gehören beispielsweise glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK), polymerfaserverstärkte Kunststoffe (PFK) und kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK). Als Kunststoffmatrix werden hauptsächlich Duroplaste, wie beispielsweise ungesättigtes Polyesterharz (UP), Epoxidharz (EP), oder Thermoplaste verwendet. Als Verstärkungsfasern dienen insbesondere Glasfasern, Aramidfasern oder Kohlenstofffasern. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bestehen die Faserverbundteile 12a, 12b aus einem Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff, der kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) aufweist.
Um eine Lasteinleitung in das Strukturteil 12 zu ermöglichen, ist in dem Strukturteil 12 mindestens eine Lasteinleitungseinrichtung 10 vorgesehen, die mindestens ein in dem Strukturteil 12 angeordnetes, auch Insert genanntes Einlegeteil 14 aufweist, welches einen Lastpfad bildet, der sich zwischen den Faserverbundteilen 12a, 12b erstreckt. In der Regel weist ein Strukturteil 12 mehrere Lasteinleitungseinrichtungen 10 auf, wobei in 1 zwei Lasteinleitungseinrichtungen 10 vorgesehen sind. Die Einlegeteile 14 können hierbei jeweils als separate Einzelteile oder als zusammenhängende Baueinheiten vorliegen. 1 zeigt zwei Lasteinleitungseinrichtungen 10, deren Einlegeteile 14 als zusammenhängende, über Eck gehende Baueinheit ausgeführt ist, d. h. die Einlegeteile 14 schließen einen Winkel ein.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bildet das erste Faserverbundteil 12a den äußeren Teilbereich und das zweite Faserverbundteil 12b den inneren Teilbereich des Strukturteils 12. Vorzugsweise erstreckt sich der Lastpfad von dem äußeren Faserverbundteil 12a in das innere Faserverbundteil 12b.
Um eine Lasteinleitungseinrichtung 10 in ein Strukturteil 12 anzugeben, welche ohne Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften des Strukturteils 12 die Bildung mindestens eines definierten Lastpfades in dem Strukturteil 12 ermöglicht, besteht das mindestens eine Einlegeteil 14 aus einem nichtmetallischen Werkstoff. Bei einer alternativen nicht dargestellten Ausführungsform kann das Strukturteil nur ein Faserverbundteil umfassen, mit dem das mindestens eine Einlegeteil aus einem nichtmetallischen Werkstoff verbunden ist, in dem der Lastpfad für das Strukturteil ausbildet ist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht das Einlegeteil 14 zumindest teilweise aus mindestens einem Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff. Vorzugsweise besteht das mindestens eine Einlegeteil 14 aus einem Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff, der kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) und ein Sheet-Molding-Compound (SMC) aufweist. Bei einem Sheet-Molding-Compound wird aus einer teigartigen Pressmasse aus duroplastischen Reaktionsharzen und Glasfasern ein Faser-Kunststoff-Verbund hergestellt. Durch Mischen der Komponenten entsteht ein SMC-Halbzeug bzw. ein Faser-Matrix-Halbzeug, welches sich beispielsweise durch Pressen zum fertigen Strukturteil weiterverarbeiten lässt.
In vorteilhafter Weise ist das mindestens eine Einlegeteil 14 durch Verkleben und/oder mechanisches Fügen mit dem Strukturteil 12 verbindbar. In einer besonders vorteilhaften Alternative ist das mindestens eine Einlegeteil 14 gleich bei der Herstellung des Strukturteils 12 durch einen Harzinjektionsprozess oder beim Pressen des SMC-Halbzeugs in das Strukturteil 12 einbringbar. D. h. beim Pressen des SMC-Halbzeugs können beispielsweise bereits Einlegeteile 14 in die Pressform einlegt werden.
In vorteilhafter Weise ist in das Einlegeteil 14 mindestens ein Einsatz 16 aus Metall integriert. Zur sicheren Selbsthemmung des vorzugsweise zylinderförmigen Einsatzes 16 im Einlegeteil 14 in Richtung einer Hochachse 22, d. h. in Richtung der Lasteinwirkung weist der mindestens eine Einsatz 16 mindestens eine Hinterschneidung 18 auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der zylinderförmige Einsatz 16 mehrere Hinterschneidungen 18 auf, welche als radial nach außen stehende Nasen ausgebildet sind.
Zur Aufnahme eines Verbindungselementes, vorzugsweise einer Schraube 24, weist der mindestens eine Einsatz 16 eine Gewindebohrung 20 auf, die mit einer zum Durchstecken einer Schraube 24 vorgesehenen Öffnung 26 im Strukturteil 12 fluchtet. Auf dem Strukturteil 12 ist vorzugsweise eine Unterlegscheibe 28 mit einem Bund 28a angeord net, welcher in der Öffnung 26 des Strukturteils 12 aufgenommen ist, so dass die Unterlegscheibe 28 unverrückbar und flächig auf dem Strukturteil 12 aufliegt. Alternativ hierzu ist ein Verbindungselement 24a mit entsprechendem Bund vorgesehen. 1 zeigt die in die Gewindebohrung 20 eingedrehte Schraube 24, wobei sich der Bund 28a der Unterlegscheibe 28 auf dem Einlegeteil 14 und die Schraube 24 vorzugsweise über eine Scheibe 30 auf der Unterlegscheibe 28 abstützt.
In 1 ist das Einlegeteil 14 in einer ersten Ausführungsform dargestellt. Die 2 und 3 zeigen weitere Einlegeteile 14a, 14b mit unterschiedlichen Geometrien. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Einlegeteiles 14a in einer zweiten, geometrisch einfachen Ausführungsform mit einem Metalleinsatz 16a und 3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Einlegeteiles 14b in einer dritten, geometrisch aufwändigen Ausführungsform mit mehreren Metalleinsätzen 16b.
Obgleich die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. So ist die Erfindung beispielsweise nicht auf die angegebenen Werkstoffe beschränkt. Vielmehr sind diese beliebig austauschbar, sofern sie eine vergleichbare oder ähnliche Eigenschaft aufweisen, wenngleich aber die angegebenen Werkstoffe besonders vorteilhaft sind.

10: Lasteinleitungseinrichtung
12: Strukturbauteil
12a: Faserverbundteil (äußeres)
12b: Faserverbundteil (inneres)
14: Einlegeteil (erste Ausführungsform)
14a: Einlegeteil (zweite Ausführungsform)
14b: Einlegeteil (dritte Ausführungsform)
16: Einsatz (erste Ausführungsform)
16a: Einsatz (zweite Ausführungsform)
16b: Einsatz (dritte Ausführungsform)
18: Hinterschneidung
20: Gewindebohrung
22: Hochachse
24: Verbindungselement (Schraube)
24a: Verbindungselement
26: Öffnung
28: Unterlegscheibe
28a: Bund
30: Scheibe

Claims

Lasteinleitungseinrichtung (10) in ein Strukturteil (12), das mindestens ein Faserverbundteil (12a, 12b) umfasst, mit mindestens einem mit dem Strukturteil (12) verbundenen Einlegeteil (14, 14a, 14b), welches einen Lastpfad ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Einlegeteil (14, 14a, 14b) aus einem nichtmetallischen Werkstoff besteht.
Lasteinleitungseinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturteil (12) mindestens ein erstes Faserverbundteil (12a) und mindestens ein zweites Faserverbundteil (12b) umfasst, wobei das mindestens eine Einlegeteil (14, 14a, 14b) im Strukturteil (12) angeordnet ist und den Lastpfad zwischen den Faserverbundteilen (12a, 12b) ausbildet.
Lasteinleitungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Einsatz (16) aus Metall in das Einlegeteil (14, 14a, 14b) integriert ist.
Lasteinleitungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Einsatz (16) mindestens eine Hinterschneidung (18) aufweist.
Lasteinleitungseinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Einsatz (16) eine Gewindebohrung (20) aufweist.
Lasteinleitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Einlegeteil (14, 14a, 14b) durch Verkleben und/oder mechanisches Fügen mit dem Strukturteil (12) verbindbar ist.
Lasteinleitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundteile (12a, 12b) und/oder das Einlegeteil (14, 14a, 14b) zumindest teilweise aus mindestens einem Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff bestehen.
Lasteinleitungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundteile (12a, 12b) aus CFK und das mindestens eine Einlegeteil (14, 14a, 14b) aus CFK-SMC bestehen.
Lasteinleitungseinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Einlegeteil (14, 14a, 14b) bei der Herstellung des Strukturteils (12) durch einen Harzinjektionsprozess oder beim Pressen in das Strukturteil (12) einbringbar ist.
Lasteinleitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Faserverbundteil (12a) den äußeren Teilbereich und das zweite Faserverbundteil (12b) den inneren Teilbereich des Strukturteils (12) bildet.
Lasteinleitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Lastpfad von dem äußeren Faserverbundteil (12a) in das innere Faserverbundteil (12b) erstreckt.
Strukturteil eines Fahrzeugs mit mindestens einer Lasteinleitungseinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.