DE19813092A1 - Strukturelement eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Strukturelemente (5) eines Kraftfahrzeugs, welche von zumindest einem Stahlblech gebildet werden und einen Hohlraum umschließen, wobei der Hohlraum zumindest abschnittsweise mit einem Aluminiumschaum (2) ausgefüllt ist und sich eine Grenzschicht zwischen dem Stahlblech und dem Aluminiumschaum (2) bildet, deren Festigkeit zwischen der des Schaums (2) und der des Stahlbleches liegt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Strukturelemente von Kraftfahrzeugen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie auf deren Verwendung.

Bekannte Strukturelemente von Fahrzeugen umschließen oft Hohlräume, wie dies beispielsweise in der DE 39 32 121 A1, DE 37 22 490 C2 oder der DE 195 02 307 A1 gezeigt ist. Besonders preisgünstig, gut zu verarbeiten und in der Praxis bewährt ist die Verwendung von Stahlblechen zur Bildung der Strukturelemente (DE 39 32 121 A1). Aber auch Kunststoffe (DE 37 22 490 C2) oder Aluininium (DE 195 02 307 A1) kommen zur Anwendung. Das Ausschäumen der von den jeweiligen Hüllen gebildeten Hohlräume mit Kunst­ stoffschäumen ist eine relativ häufig angewendete Maßnah­ me zur Schalldämmung, nicht jedoch zur Strukturverstär­ kung.

Aus der DE 195 02 307 A1 ist es auch bekannt, einen Alu­ miniumträger mit Aluminiumschaum auszufüllen, wobei der Träger relativ teuer ist und nur aufwendig mit Stahlka­ rosserieelementen kombiniert werden kann. Der schaumge­ füllte Träger hat jedoch ein günstiges Gewicht, Energie­ aufnahmevermögen und er ist auch gut recyclebar.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein kostengünstig herstell­ bares Strukturelement für Kraftfahrzeuge aus Stahlblech zu schaffen, das an variable Stabilitätsanforderungen an­ zupassen ist und damit für den Einsatz bei unterschiedli­ chen Fahrzeugbelastungen geeignet ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich das Strukturele­ ment durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale aus. Weitere Einzelheiten ergeben sich aus den Patentan­ sprüchen 2 und 3 sowie der Beschreibung. Die Eigenschaf­ ten dieses Strukturelementes ermöglichen die im Patentan­ spruch 4 angegebenen Verwendungen.

Strukturelemente von Fahrzeugen aus Stahl können als Rohr ausgebildet sein oder aus mehreren verschweißten Blechen bestehen, wovon zumindest eines wannenartig ausgebildet ist, so daß auch diese Bleche einen Hohlraum bilden. Im Fertigungsprozeß sind die Hohlräume der Strukturelemente zunächst nicht vollständig geschlossen, sondern weisen Öffnungen auf. Bei Rohren sind dies die Rohrenden und bei tiefgezogenen Blechen sind dies die Öffnungen, aus denen das Tiefziehwerkzeug abgezogen wird. Es können weitere Öffnungen, wie Bohrungen oder Ausstanzungen vorhanden sein.

Gemäß der Erfindung wird durch die genannten Öffnungen des Strukturelementes Aluminiumschaum-Grundmaterial in festgelegter Menge in den Hohlraum eingebracht und dieses Material wird anschließend durch Erwärmung aufgeschäumt. Bei dem Aluminiumschaum-Grundmaterial handelt es sich um vorgepreßtes Halbzeug, bestehend aus Aluminiumpulver und einem Treibmittel. Das Halbzeug kann in Form von Granu­ lat, aber auch in einer räumlich an das Strukturelement angepaßten Form vorliegen. Beim Aufschäumen bildet sich eine Grenzschicht zwischen dem Stahlblech und dem Alumi­ niumschaum, deren Festigkeit zwischen der des Stahlblechs und der des Aluminiumschaums liegt. Die Festigkeit ent­ spricht etwa der des Aluminiumschaum-Grundmaterials. Die genannte Grenzschicht entsteht durch Diffusion, womit eine intensive Verbindung zwischen Stahl und Aluminium­ schaum entsteht. In der Folge wird die Festigkeit (Be­ lastbarkeit) des Strukturelementes deutlich erhöht gegen­ über einem nicht ausgeschäumten oder einem mit Kunst­ stoffschaum ausgeschäumten Strukturelement. Die Blech­ stärke des Strukturelementes kann geringer gewählt werden als bei nicht ausgeschäumtem Strukturelement oder dieses kann kleiner dimensioniert werden, ohne daß Abstriche bei der Stabilität zu machen sind.

Das Ausschäumen mit Aluminiumschaum muß nicht den gesam­ ten Hohlraum des Strukturelementes betreffen, sondern kann lokal begrenzt werden auf besonders hoch belastete Bereiche des Strukturelementes. Gleichfalls ist es mög­ lich, ein und dasselbe Strukturelement für verschiedene Fahrzeugtypen zu verwenden. Ist die Belastung des Struk­ turelementes in diesen Fahrzeugtypen unterschiedlich, er­ folgt eine Anpassung an diese Anforderung durch variables- abschnittsweises oder vollständiges - Ausschäumen.

Eine Begrenzung des auszuschäumenden Bereiches der Hohl­ räume kann durch die Form des Aluminiumschaum-Grundmate­ rial-Halbzeuges erfolgen oder bestimmte Bereiche des Hohlraums werden beim Ausschäumen "zugehalten", so daß der Aluminiumschaum sich nicht in diese Bereiche ausdeh­ nen kann.

Zur Erreichung einer Korrosionsbeständigkeit der fertigen Strukturelemente sind diese flüssigkeitsdicht und nahezu gasdicht zu verschließen. Es ist zu vermeiden, daß die entstandenen Grenzschichten zwischen Stahl und Aluminium­ schaum mit salzhaltigen Lösungen beaufschlagt werden. Der Verschluß kann je nach Einbauart und Form des Struktur­ elementes durch Stopfen, durch Zuschweißen, durch Lackie­ rung oder andere Verfahren erfolgen.

Von besonderem Vorteil ist, daß derartige Strukturelemen­ te Verwendung in verschiedenen Belastungen unterliegenden Fahrzeugen finden können, womit die Bauteile wesentlich kostengünstiger herstellbar sind als eine Vielzahl ver­ schiedener Strukturelemente. Die Anpassung an die konkre­ te Belastung erfolgt durch variables Ausschäumen.

Details der Erfindung werden im folgenden anhand zweier Ausführungsbeispiele erläutert. Von den zugehörigen Figu­ ren zeigen

Fig. 1a, 1b: einen Längsträger für Kraftfahrzeuge in perspektivischer, teilweise ge­ schnittener Darstellungsweise mit variabler Ausschäumung mit Alumini­ umschaum;

Fig. 2a bis 2d: ein wannenförmiges Strukturelement für Kraftfahrzeuge in seiner Ur­ sprungsform und bei variabler Aus­ schäumung mit Aluminiumschaum.

Bei dem in Fig. 1 verdeutlichten rohrförmigen Träger aus Stahlblech handelt es sich um einen Längsträger 1 für Kraftfahrzeuge. Er hat eine abgekröpfte Form, wie dies von verschiedenen Kraftfahrzeugen her bekannt ist. Die Stahlblechdicke oder -querschnittsfläche ist jedoch ge­ genüber der bei bekannten Kraftfahrzeugen verringert, so daß der Längsträger 1 an sich geringer belastbar ist als dies den Anforderungen entspricht. Die Anpassung an die auftretenden Belastungen erfolgt durch Ausschäumung mit Aluminiumschaum 2 in der weiter oben beschriebenen Weise. Der Hohlraum des in Fig. 1a gezeigten Längsträgers 1 ist vollständig ausgeschäumt mit Aluminiumschaum 2, so daß sich über die gesamte Länge des Längsträgers 1 ein mit dem Stahl verbundener Aluminiumkern bildet und damit ein Strukturelement 3 entsteht, das hohen Belastungen stand­ hält.

In Fig. 1b ist der Hohlraum des Längsträgers 1 nur be­ reichsweise mit Aluminiumschaum 2 ausgefüllt. Insbesonde­ re ist der Bereich 4 der Abkröpfung ausgeschäumt worden. Das so gebildete Strukturelement 5 ist für geringer bela­ stete Kraftfahrzeuge verwendbar als das Strukturelement 3.

Die Art und Weise des Verschlusses der Strukturelemente 3, 5 ist in den Fig. 1a, 1b nicht dargestellt. Es ist möglich, die Rohrenden zuzuschweißen oder mit Stopfen zu verschließen.

In Fig. 2a ist ein wannenförmiges Kraftfahrzeugbauteil 6 dargestellt, welches aus Stahlblech besteht und durch Tiefziehen hergestellt wurde. Es hat eine große obere Öffnung 7, aus der das Tiefziehwerkzeug entfernt wurde. Im Anschluß an das Tiefziehen (und Entfetten) wird das Bauteil 6 variabel ausgeschäumt, wofür zwei von diversen Möglichkeiten in den Fig. 2b, 2c gezeigt sind. Für An­ wendungen bei mittlerer Belastung erfolgt ein teilweises Ausschäumen (Fig. 2b). Hier hat eingebrachter Aluminium­ schaum B die Form eines Kreuzes, wobei die Höhe des Schaumes 8 auf die Höhe eines Flansches 9 des Bauteils 6 begrenzt wurde. Das Halbzeug des Schaum-Grundmaterials kann bereits kreuzförmig ausgebildet sein, und beim Aus­ schäumen (Erwärmen) werden die in Fig. 2b gezeigten freien Bereiche des Hohlraumes mit einem Werkzeug "zu­ gehalten". Dieses Werkzeug kann auch gleichzeitig die Begrenzung nach oben bilden, so daß die Schaumhöhe der des Flansches 9 entspricht.

Das Bauteil 6 kann auch, wie in Fig. 2c gezeigt, voll­ ständig mit Aluminiumschaum 8 ausgefüllt werden, so daß es für hohe Belastung geeignet ist. Dazu kann granulatar­ tiges Schaum-Grundmaterial in den Hohlraum eingebracht werden, und das Ausschäumen erfolgt nach Schließen des Bauteils 6 durch ein Abdeckelement 10 aus Stahlblech.

Ein geschlossenes Strukturelement 11 ist in Fig. 2d dar­ gestellt. Das Abdeckelement 10 ist mit dem Bauteil 6 durch Punktschweißen im Bereich des Flansches 9 verbun­ den. Es kann zusätzlich mit dem kreuzförmigen Schaumkern (nach Fig. 2b), der ja nicht durch Diffusion mit dem Ab­ deckelement 10, sondern nur mit dem Bauelement 6 verbun­ den ist, durch Kleben verbunden werden. Erfolgt das Aus­ schäumen des Aluminiumschaumes erst nach dem Verschließen des Bauteils 6 (Variante nach Fig. 2c), bildet sich die genannte Grenzschicht auch zwischen dem Aluminiumschaum 8 und dem Abdeckelement 10.

Derartige Strukturelemente 11 sind äußerst stabil. Die Blechdicke des Bauteils 6 und des Abdeckelementes 11 kann gegenüber herkömmlichen Bauelementen herabgesetzt werden, und eine Verwendung der Strukturelemente 11 für verschie­ dene Fahrzeuge wird bei variabler Ausschäumung mit Alumi­ niumschaum 8 möglich.

Claims (4)

1. Strukturelement (3, 5, 11) eines Kraftfahrzeuges, das von zumindest einem Stahlblech gebildet wird, welches einen Hohlraum umschließt, wobei der Hohl­ raum zumindest abschnittsweise mit einem Schaum (2, 8) ausgefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaum (2, 8) ein Aluminiumschaum (2, 8) ist und eine Grenzschicht zwischen Stahlblech und Aluminium­ schaum (2, 8) besteht, deren Festigkeit zwischen der des Schaums (2, 8) und der des Stahlbleches liegt.

2. Strukturelement (3, 5, 11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgeschäumte Hohlraum flüs­ sigkeitsdicht und zumindest nahezu gasdicht ver­ schlossen ist.

3. Strukturelement (3, 5, 11) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum nur be­ reichsweise mit Aluminiumschaum (2, 8) ausgefüllt ist, wobei die ausgefüllten Bereiche einer gegenüber nicht ausgefüllten Bereichen erhöhten Belastung un­ terliegen.

4. Verwendung von Strukturelementen (3, 5, 11) nach ei­ nem der Ansprüche 1 bis 3 in Kraftfahrzeugen mit un­ terschiedlichem Belastungsprofil, wobei die den Hohlraum bildenden Stahlbleche unabhängig von der Fahrzeugbelastung identisch ausgebildet sind und eine Belastungsanpassung durch variable Aluminium- Ausschäumung erfolgt.