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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Bauteil, das aus einem Faserkunststoffverbund hergestellt ist, wobei der Faserkunststoffverbund Fasern aufweist, welche in eine Kunststoffmatrix eingebettet sind. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs bei einem Zusammenstoß mit einem Objekt, wobei das Fahrzeug ein Bauteil aus einem Faserkunststoffverbund enthält, welcher in eine Kunststoffmatrix eingebettet ist.
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Faser-Kunst-Verbunde (FKV) eignen sich aufgrund ihrer hohen spezifischen Kennwerte sehr gut als Strukturen zur gezielten Energieabsorption in so genannten „Crashlastfällen” beim Zusammenstoß eines Fahrzeugs mit einem Objekt. Ein progressives Versagensverhalten, welches insbesondere durch Faserbrüche, Delamination und Reibung gekennzeichnet ist, sorgt hierbei maßgeblich für die hohe Energieabsorption des Bauteils. Um dieses Versagensverhalten in einer FKV-Struktur zu erzielen, muss das Bauteil eine lokale Schwachstelle (Triggerung) besitzen. Diese muss so ausgelegt sein, dass es zu einem gezielten Versagen unter Druckbelastung kommt. Eine Möglichkeit, eine derartige lokale Schwachstelle zu realisieren ist z. B. eine lokale Reduktion der Wandstärke. Da energieabsorbierende Bauteile zusätzlich als tragende Struktur mit steifigkeits- und festigkeitsrelevanter Auslegung eingesetzt werden, limitieren derartige Schwachstellen die maximal ertragbare Last in allen Belastungsrichtungen.
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Die Problematik besteht somit darin, dass mit gegenwärtigen Methoden eine definierte Reduzierung der Druckfestigkeit die übrigen Festigkeitswerte (z. B. Zug- und Schubfestigkeit) ebenfalls erheblich herabsetzt. Somit kann nicht das volle Leichtbaupotential genutzt werden. Hierbei gilt das Prinzip „die Kette ist nur so stark wie ihr schwächstes Glied” – wobei im vorliegenden Fall die Triggerung das schwächste Glied ist.
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Gängige Maßnahmen zur Initiierung des energieabsorbierten Versagensverhaltens werden u. a. über die Bauteilgeometrie realisiert. Hierbei können sowohl die Querschnittsfläche als auch die Wanddicken an einem Ende reduziert werden, wodurch eine Spannungsüberhöhung und somit eine Triggerung entsteht.
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Weitere Möglichkeiten zum Verwirklichen einer definierten Schwachstelle sind das Anbringen einer Fase (Bevel-Trigger) oder eines Schrägbeschnitts (Tulip-/Kri-Trigger) sowie das definierte Kürzen von Faserlagen während der Fertigung (ply-drop-off).
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Alle genannten Lösungen basieren im Wesentlichen auf einer der beiden Wirkweisen:
- – eine Reduktion des tragenden Querschnitts oder
- – eine Absenkung der lokalen Festigkeit.
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Nachteilig ist hierbei, dass diese Maßnahmen nicht nur die Druckfestigkeit, sondern auch die restlichen Kennwerte des Bauteils beeinflussen (wie z. B. Zug- und Schubfestigkeit). Des Weiteren erfordern viele der oben genannten Maßnahmen einen zusätzlichen Prozessschritt zur mechanischen Bearbeitung.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2008 036 175 A1 ist ein Karosserieteil aus einem Faserverbundwerkstoff für ein Kraftfahrzeug bekannt. Ein Sitzquerträger kann aus diesem Faserverbundwerkstoff gebildet werden.
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Darüber hinaus offenbart die Patentschrift
DE 199 40 828 C1 ein Verfahren zur Herstellung eines Krafteinleitungsbereichs an einem Bauteil aus faserverstärktem Duroplast. Dabei wird das Bauteil auf eine Temperatur im Bereich der Glasübergangstemperatur erhitzt und gezielt verformt. Schließlich wird es unter Beibehaltung der gezielten Verformung abgekühlt.
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Ferner offenbart die Druckschrift
DE 10 2006 033 011 A1 ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Werkstücke aus Faserverbundwerkstoffen. Ein Blasling wird mit einem CFK-Gewebe beschickt und in einem Ofen mit diesem verbunden sowie ausgehärtet.
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Ein Verfahren zum Herstellen von schalenförmigen, fasermatten-verstärkten Kunststoffteilen ist aus der Patentschrift
DE 100 35 237 C1 bekannt. Eine harzgetränkte Fasermatte wird während einer abgestimmten Zeitspanne in einem umgeformten und gepressten Zustand gehalten und dabei das Matrixharz innerhalb eines Formwerkzeugs thermisch ausgehärtet.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Bauteil bereitzustellen, bei dem die Druckfestigkeit gezielt reduziert werden kann, ohne gleichzeitig andere Kennwerte, insbesondere die Schubfestigkeit wesentlich zu verändern.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Fahrzeug nach Anspruch 1.
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Darüber hinaus wird erfindungsgemäß bereitgestellt ein Verfahren nach Anspruch 10.
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In vorteilhafter Weise wird also ein Bauteil aus einem Faserkunststoffverbund bereitgestellt, dessen Kunststoffmatrix durch die Erwärmung lokal an Festigkeit verliert, so dass es in diesem Bereich im Crash-Fall deutlich Energie aufnehmen kann. Da aber die Fasern in dem Kunststoffverbund ihre mechanischen Eigenschaften trotz der lokalen Erwärmung nicht verändern, ändern sich die Eigenschaften des Bauteils, die auf die Fasern zurückzuführen sind, kaum. Damit sind bestimmte Eigenschaften des Bauteils allein durch die Temperatur besser steuerbar. So ändern sich beispielsweise in einem Temperaturbereich bestimmte Bauteileigenschaften, während sich in einem anderen Temperaturbereich andere Bauteileigenschaften ändern.
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Vorzugsweise ist der Abschnitt des Bauteils aus dem Faserkunststoffverbund mit der Wärmequelle auf über 200°C erwärmbar. Bei diesen Temperaturen verlieren übliche Epoxid-Matrixsystem deutlich an Festigkeit.
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Darüber hinaus ist es von besonderem Vorteil, wenn die Fasern des Faserkunststoffverbunds bei einer Erwärmung bis 500°C im Wesentlichen ihre Zugfestigkeit behalten. Damit kann für die Triggerung beispielsweise ein verhältnismäßig großer Temperaturbereich (z. B. von 200°C bis 500°C) genutzt werden. In diesem großen Temperaturbereich werden die mechanischen Eigenschaften des Bauteils dann im Wesentlichen durch die Fasern bestimmt.
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Als Wärmequelle kann eine ausgewählt werden, die hauptsächlich durch Wärmestrahlung Energie an den Abschnitt des Bauteils abgibt. Mit Wärmestrahlung lässt sich sehr rasch und örtlich sehr gezielt Wärme in ein Bauteil einbringen.
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Alternativ kann die Wärmequelle so ausgebildet sein, dass sie hauptsächlich durch Konvektion Energie an den Abschnitt des Bauteils abgibt. Damit kann ebenfalls wie auch bei Wärmestrahlung berührungslos Energie auf das Bauteil übertragen werden.
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In einer weiteren Alternative gibt die Wärmequelle für die Triggerung hauptsächlich durch Wärmeleitung Energie an den Abschnitt des Bauteils ab. Dadurch können sehr große Energiemengen übertragen werden. Grundsätzlich kann aber auch eine Wärmequelle eingesetzt werden, die mehr als eine der genannten Wärmeübertragungsvarianten (Wärmestrahlung, Konvektion, Wärmeleitung) für die Bauteilerwärmung nutzt.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Abschnitt des Bauteils von der Wärmequelle so weit erwärmt, dass die im Wesentlichen durch die Kunststoffmatrix gegebene Druckfestigkeit des Bauteils deutlich abnimmt, während die im Wesentlichen durch die Fasern gegebene Zugfestigkeit des Bauteils erhalten bleibt. Damit kann durch Erwärmen des Bauteils bis zu einer Temperatur in einem vorgegebenen Temperaturbereich gezielt die Druckfestigkeit unabhängig von der Zugfestigkeit des Bauteils verändert werden. Somit können grundsätzlich Bauteile bereitgestellt werden, die ihre Wirkung in einem Fahrzeugrahmen hinsichtlich Zugfestigkeit nicht verlieren, wenn sie in einem Crashfall eine andere Funktion hinsichtlich der Druckfestigkeit erfüllen sollen.
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Speziell kann das Bauteil aus dem Faserkunststoffverbundteil einer Fahrzeug(boden)struktur sein. Insbesondere kann das Bauteil ein Sitzquerträger oder ein Längsträgerelement sein. Ebenso kann es natürlich auch ein Querträgerelement oder ein anderes Rahmenbauteil sein, welches im Crashfall Energie absorbiert. Somit kann im Falle eines bevorstehenden Crashs ein Bauelement des Rahmens, welches aller Voraussicht nach Energie bei dem Zusammenprall aufnehmen muss, in seiner Druckfestigkeit reduziert werden, während es in seiner Zugfestigkeit unverändert gehalten wird, sodass es weiterhin entsprechende Versteifungsfunktionen ausüben kann.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
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1 einen Ausschnitt einer Fahrzeugbodenstruktur mit Sitzquerträger und
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2 einen Schnitt A-A durch einen der Sitzträger von 1.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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Ein Fahrzeug, das mit einem Objekt zusammenstößt, muss die anfallende Bewegungsenergie in Verformungsenergie wandeln. Hierfür können zahlreiche Bauteile des Fahrzeugs eingesetzt werden. Insbesondere nehmen aber in erster Linie Bauteile des Fahrzeugrahmens die anfallende Energie bei einem Crash auf. Daher bezieht sich das nachfolgende Ausführungsbeispiel speziell auf ein Bauteil eines Fahrzeugrahmens. Bauteile von Fahrzeugrahmen werden vielfach bereits aus FKV-Materialien gefertigt, da diese in der Regel sehr leicht sind und trotzdem eine verhältnismäßig hohe Zugfestigkeit aufweisen.
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Obwohl das Gesamtverhalten eines FKV-Bauteils immer durch das Zusammenwirken der beiden Komponenten, Fasern und Matrix, bestimmt wird, zeigen sich je nach Belastungsart unterschiedliche Dominanzen. So wird z. B. eine Zugbelastung in Faserlängsrichtung vorrangig durch die Fasern dominiert, während bei Druckbelastung die Fasern durch die Matrix gestützt werden müssen. Daher ist der Einfluss der Matrix auf die Druckfestigkeit größer als auf die Zugfestigkeit des Gesamtverbundes.
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Dieses Prinzip wird im Rahmen der vorliegendenden Erfindung genutzt. Für die Triggerung wird daher nur die Matrix gezielt lokal geschwächt, sodass die Stützwirkung für die Fasern in diesem Bereich reduziert und somit die Druckfestigkeit gesteuert wird. Die Zugfestigkeit in Faserlängsrichtung soll jedoch größtenteils erhalten bleiben, was durch die lokale Erwärmung erreicht werden kann. Das Bauteil wird also nicht über die gesamte Länge der Faser erwärmt, sodass sie außerhalb des lokalen Bereichs weiterhin fest in die Kunststoffmatrix eingebettet sind.
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In 1 ist ein Ausschnitt einer Fahrzeugbodenstruktur 1 des Rahmens eines Fahrzeugs in schräger Draufsicht dargestellt. Die Fahrzeugbodenstruktur 1 weist hier zwei Längsträgerelemente 2 und 3 auf, welche hier in etwa parallel verlaufen. Quer zu den Längsträgerelementen 2 und sind hier zwei Sitzquerträger 4 und 5 angeordnet. Die beiden Sitzquerträger 4 und 5 sind beispielsweise durch Schrauben an den Längsträgerelementen 2 und 3 befestigt. Sie können aber auch anderweitig an den Längsträgerelementen 2, 3 befestigt sein. Wie aus 1 zu entnehmen ist, verlaufen die beiden Sitzquerträger 4, 5 in etwa parallel und besitzen einen vorgegebenen Abstand. Auf ihnen wird gegebenenfalls ein Fahrzeugsitz montiert.
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In 2 ist ein Schnitt A-A durch den Sitzquerträger 4 von 1 dargestellt. Der Sitzquerträger 4 ist auf der linken Seite an dem Längsträgerelement 3 und auf der rechten Seite an dem Längsträgerelement 2 befestigt.
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Bei einem Crash bzw. Aufprall (z. B. Pfahlaufprall) erfolgt beispielsweise eine Druckbelastung auf den Sitzquerträger 4 gemäß Pfeil 8. Dies bedeutet, dass der Sitzquerträger die Druckkräfte absorbieren sollte, damit andere Elemente der Fahrzeugbodenstruktur nicht weiter beschädigt werden. Im normalen Betriebszustand ist jedoch der Sitzquerträger entlang seiner Längserstreckung so druckfest, dass er den Druck 8 auf das Längsträgerelement 2 weiterleiten würde. Wird nun jedoch in der Nähe oder unmittelbar an dem Sitzquerträger 4 eine Wärmequelle platziert, so kann das mechanische Verhalten des Sitzquerträgers 4, der aus dem FKV-Material hergestellt ist, beeinflusst werden.
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Konkret wird mit einer nicht dargestellten Wärmequelle das Bauteil 4 aus dem Faserkunststoffverbund lokal, d. h. in einem vorgegebenen Abschnitt 6 erwärmt. Die Erwärmung erfolgt durch Zufuhr von Energie 7 speziell in dem Abschnitt 6 des Bauteils 4. Generell kann die lokale Wärmebehandlung bzw. Energiezufuhr am Einzelteil oder auch am Zusammenbau erfolgen.
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Es stehen mehrere Möglichkeiten zur Einbringung der Wärme in das Bauteil zur Verfügung. Zum einen kann die Wärme durch Strahlung eingebracht werden. Hierzu eignen sich insbesondere Mikrowellen, mit denen hohe Energiedichten erreicht werden können. Eine weitere Möglichkeit, Wärme 7 in das Bauteil 4 einzubringen besteht durch Konvektion. Dazu ist beispielsweise ein elektrisches Heizelement und ein Gebläse notwendig, mit dem die erwärmte Luft zu dem Bauteil transportiert werden kann. Als dritte Möglichkeit, Wärme in das Bauteil einzubringen, ist Wärmeleitung anzusehen. Dabei wird die Wärme unmittelbar von einem Heizelement auf das Bauteil 4 übertragen. Die beiden Komponenten können sich berühren, sodass eine direkte Wärmeleitung stattfindet, oder aber sie berühren sich nur mittelbar, sodass die Wärmeleitung ebenfalls mittelbar über ein weiteres Element erfolgt. Beispielsweise könnte durch einen Heizdraht der Abschnitt 6 des Sitzquerträgers 4 lokal durch elektrische Energie rasch aufgeheizt werden.
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Gängige Fasern für FKV können aufgrund ihrer Beschaffenheit relativ hohe Temperaturen (> 500°C) ohne große Eigenschaftsverluste ertragen, während gängige Epoxid-Matrixsysteme bei Temperaturen ab ca. 200°C Eigenschaftseinbußen erleiden. Wird also beispielsweise der Sitzquerträger lokal auf etwa 300°C erhitzt, verliert das Matrixsystem an Festigkeit, aber die im FKV enthaltenen Fasern behalten ihre Zugfestigkeit. Dieser Unterschied in der Temperaturempfindlichkeit soll in der vorliegenden Erfindung genutzt werden, um vorrangig die Matrix lokal zu schädigen, wenn beispielsweise ein Aufprall auf das Fahrzeug erwartet wird. Es soll dabei eine gezielte Überhitzung in einem definierten Bereich vorgenommen werden, um somit eine Triggerung zu erreichen. Die Matrix wird geschwächt und die Druckfestigkeit des Bauteils bzw. Sitzquerträgers 4 wird reduziert und seine Energieaufnahmefähigkeit bezüglich des Aufpralls wird gesteigert.
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Der wesentliche Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht also in der gezielten Überhitzung des Matrixsystems in einem lokalen Bereich 6 zur Herabsetzung der Druckfestigkeit bei annähernd unveränderten Zugkennwerten. Somit können FKV-Strukturen zur Energieabsorption genutzt werden, behalten aber weiterhin ihre hohen spezifischen Kennwerte in faserdominierten Richtungen.
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In vorteilhafter Weise kann also ein FKV-Bauteil zur Energieabsorption bei gleichzeitig unverändert hohen Kennwerten in Faserrichtung (insbesondere Zugfestigkeit) getriggert werden. Zusätzlich ist die Triggerung unabhängig von der Bauteilgeometrie, der Fügepartner oder den Fasern.
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Der Prozess der Wärmeeinbringung kann berührungsfrei, automatisiert geschehen und ist zudem von der Bauteilherstellung entkoppelt. Ein Bauteil bzw. ein Fahrzeug kann entsprechend nachgerüstet werden.
