Träqerstruktur und Verfahren zum Herstellen einer Träqerstruktur
Die Erfindung betrifft eine Trägerstruktur, insbesondere einen Achsträger für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Trägerstruktur.
Zur Aufnahme von Fahrwerksbauteilen, wie beispielsweise Lenker, Federung, etc., verfügen Kraftfahrzeuge (PKW und LKW) über eine Trägerstruktur in Form eines Achsträgers bzw. Hilfsrahmens. Dieser Achsträger verteilt die Lasten der Fahr- werksbauteile an geeignete Anschlussstellen der Karosserie und bietet dabei gleichzeitig teilweise auch eine elastische Entkopplung des Fahrwerks gegenüber der Karosserie. Die elastische Entkopplung ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf den Fahrkomfort und die beim Fahren auftretende Akustik. Darüber hinaus dient der Achsträger auch als Montagehilfe des Fahrwerks als voreingestelltes Modul.
Im Stand der Technik sind Achsträger bekannt, welche aus metallischen Schweißkonstruktionen, beispielsweise in Stahlblechbauweisen oder in Aluminium- Gussbauweisen kombiniert mit Profilen, bestehen. Darüber hinaus ist es im Stand der Technik ebenfalls bekannt, Achsträger aus faserverstärktem Kunststoff herzustellen.
Beispielsweise ist aus DE 695 22 950 T3 ein Front- und/oder Heckaufhängungsaufbau mit einem im Wesentlichen Omega-förmigen Fahrwerkbauteil aus faserverstärktem Kunststoff bekannt, welches in einem zweischaligen Hilfsrahmen integriert ist. Der Hilfsrahmen kann dabei aus Stahl, Aluminium oder Magnesium hergestellt sein kann. Alternativ kann der Hilfsrahmen auch aus faserverstärkten Kunststoff hergestellt sein.
Bisher existiert aufgrund der komplexen Anforderungen im Hinblick auf die mechanischen Eigenschaften, wie Festigkeit und Steifigkeit, an den Krafteinleitungsstellen der bekannten Hilfsrahmen bzw. Achsträger noch keine Lösung für eine wirtschaftliche serienmäßige Herstellung. Insbesondere ist hierbei problematisch, dass die bekannten Konstruktionen elastische Lager beispielsweise in Form von Gummi-
lagern benötigen, welche derart ausgebildet sein müssen, dass sie parallel zu der Fahrzeuglängsachse eine hohe Elastizität aufweisen, jedoch senkrecht zu der Fahrzeuglängsachse eine hohe Steifigkeit aufweisen. Ein zusätzlicher Nachteil im Hinblick auf die bekannten Konstruktionen ist darüber hinaus, dass bei Achsträgern bzw. Hilfsrahmen aus faserverstärktem Kunststoff an den Ecken bei der Herstellung viel überstehendes Material auftritt, welches in einem zusätzlichen Verfahrensschritt entfernt, insbesondere weggeschnitten, werden muss.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Trägerstruktur, insbesondere einen Achsträger für ein Kraftfahrzeug, bereitzustellen, welche wirtschaftlich herstellbar ist und dennoch die mechanischen Anforderungen, insbesondere an den Krafteinleitungsstellen der Trägerstruktur, erfüllt. Weiterhin ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein entsprechendes Herstellungsverfahren für eine derartige Trägerstruktur bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Trägerstruktur mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Herstellen einer Trägerstruktur mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 5 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert.
Es wird eine Trägerstruktur, insbesondere ein Achsträger für ein Kraftfahrzeug, bereitgestellt, welche als ein- oder mehrschalig ausgebildetes Rahmenelement aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt ist, wobei das Rahmenelement zumindest eine elastische Anschlussstelle zum Anschluss an ein Aggregat aufweist, wobei die zumindest eine elastische Anschlussstelle einstückig mit dem Rahmenelement ausgebildet ist. Durch diese Konfiguration der einstückig mit dem Rahmenelement ausgebildeten elastischen Anschlussstellen kann eine wirtschaftliche Herstellung bei gleichzeitiger Erfüllung der hohen mechanischen Anforderungen an die Trägerstruktur gewährleistet werden. Auch werden durch elastisches Ausbilden der Anschlussstellen selbst zusätzliche Gummilager vermieden, was die Wirtschaftlichkeit des Herstellungsverfahrens weiter verbessert, da einerseits Kosten für die zusätzlichen Gummilager eingespart werden können und andererseits auch ein zusätzlicher Herstellungsschritt zu Montage der Gummilager entfallen kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Trägerstruktur mindestens zwei elastische Anschlussstellen, insbesondere vier elastische Anschlussstellen auf. Die Zahl der vorgesehenen elastischen Anschlussstellen kann je nach Einsatzgebiet bzw. Anforderungen an die Trägerstruktur variiert werden.
Gemäß noch einer bevorzugten Ausführungsform ist das Rahmenelement zweischalig, insbesondere mit einer oberen Schale und einer unteren Schale, ausgebildet, wobei zwischen der oberen Schale und der unteren Schale ein Hohlraum gebildet ist. Alternativ kann das Rahmenelement jedoch auch einschalig mit einem offenen Profil ausgebildet sein, was Materialkosten einspart und einen zusätzlichen Schritt des Aneinanderfügens, beispielsweise mittels Kleben, der oberen und unteren Schale überflüssig macht.
Vorzugsweise weist das Rahmenelement einen im Wesentlichen S-förmigen Querschnitt auf. Die S-förmige Ausbildung hat den Vorteil, dass bei der Verklebung der oberen und unteren Schale diese auf im Wesentlichen geraden Flächen erfolgen kann.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die zumindest eine elastische Anschlussstelle in Richtung einer Längsachse des Kraftfahrzeugs im Wesentlichen elastisch ist und in einer Richtung senkrecht zu der Längsachse im Wesentlichen steif ist. Durch die hohe Elastizität in Fahrzeuglängsrichtung wird eine parallele Verschiebung entlang der Fahrzeuglängsachse nach hinten und vorne ermöglicht, was der Reduzierung der Stößigkeit des Fahrwerks beispielsweise beim Überfahren von Fahrbahnunebenheiten dient. In der Praxis kann die Verschiebung bis zu 6 mm betragen. Weiterhin sei angemerkt, dass die Elastizität in den elastischen Anschlussstellen durch einen geringen Querschnitt und ein geringes Flächenträgheitsmoment der Trägerstruktur im Bereich der elastischen Anschlussstellen erzielt wird. Die hohe Steifigkeit in der Querrichtung wird dagegen durch die Kraftübertragung in der gesamten Fläche, welche als Druck- oder Zugstrebe ausgebildet ist bzw. wirkt, ermöglicht. Dies wird durch einen entsprechenden Verlauf der Fasern in dem Kunststoff in einer Seitenfläche der Trägerstruktur sichergestellt.
Vorzugsweise ist die zumindest eine elastische Anschlussstelle durch textile Faltenbildung gebildet, was das Herstellungsverfahren vereinfacht.
Vorzugsweise ist der faserverstärkte Kunststoff mit langfaserigen und/oder endlosfaserigen Kunststofffasern (Organoblech) verstärkt. Insbesondere Endlosfasern sind im Hinblick auf die textile Faltenbildung vorteilhaft.
Vorteilhaft ist auch, wenn das Rahmenelement im Bereich der zumindest einen elastischen Anschlussstelle verjüngt ausgebildet ist. Insbesondere ist hierbei in dem Bereich der Anbindung an die Fahrzeugkarosserie je nach Anforderung an die Anschlusssteifigkeit der durch die obere und untere Schale gebildete Hohlraum verjüngt ausgebildet. Dies reduziert die oben erwähnte Stößigkeit des Fahrwerks beim Überfahren von Fahrbahnunebenheiten noch weiter.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Rahmenelement einen im Wesentlichen rechteckigen Körper mit vier Eckabschnitten auf, wobei von jedem Eckabschnitt eine elastische Anschlussstelle in der Richtung quer zur Längsachse des Kraftfahrzeugs abragt. Es ist dabei vorteilhaft, wenn die elastischen Anschlussstellen im Wesentlichen in Fahrzeugquerrichtung angeordnet sind bzw. von der Trägerstruktur abragen, so dass die im Stand der Technik verwendeten Gummilager hierdurch effektiv substituiert werden können und die oben genannten elastischen Eigenschaften in Fahrzeuglängsrichtung erzielt werden können.
Das Rahmenelement kann jedoch alternativ lediglich zwei elastische Anschlussstellen aufweisen, welche dann durch ein bügelartiges Element verbunden sind.
Ein weiterer Vorteil kann dadurch erzielt werden, dass die Trägerstruktur mit Verstärkungselementen, insbesondere mit Verstärkungsrippen, ausgebildet ist, wobei die Verstärkungselemente aus Kunststoff-Pressmassen, beispielsweise langfaserverstärkte Thermoplaste oder SMC/BMC (Duroplast), hergestellt sind. Hierdurch wird auf vorteilhafte Weise sichergestellt, dass die hohen mechanischen Anforderungen an die Trägerstruktur erfüllt werden können und es nicht zu einem vorzeitigen Versa-
gen der Trägerstruktur kommt. Die Kunststoff-Pressmassen können innen und/oder au ßen an dem Rahmenelement vorgesehen sein. Die textile Verstärkungsstruktur kann ein Gelege, Gewebe, Gestrick, Gewirk oder eine Matte sein und quasi endlose oder geschnittene Langfasern enthalten. Die textilen Halbzeuge können trocken oder vorimprägniert sein, ein Hybridgarn enthalten oder ein Bindermaterial zum Fixieren trockener Lagen enthalten. Zum Aufbau und Formen trockener textiler Halbzeuge ist der Einsatz thermoplastischer oder reaktiver Binder, beispielsweise auf der Basis einer Harzkomponente, vorteilhaft. Als Harze sind Thermoplaste wie Polyamide (PA), Polysulfone (PS), Polypropylen (PP) oder PEEK einsetzbar. Als Duroplaste sind Epoxid-Harze, Polyurethane, Venylester oder hybride Harzsysteme geeignet. Als Herstellungsprozess ist vorzugsweise ein Heißpressen für vorimprägnierte Halbzeuge und ein Liquid Composite Moulding (LCM) Verfahren (RIM, RTM, etc.) für die Verwendung trockener textiler Halbzeuge implementierbar.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die obere Schale und die untere Schale mittels Fügen, insbesondere durch Kleben, Nieten oder Schrauben, oder durch Schweißen miteinander verbunden. Schweißen mittels Ultraschall, Laser oder Vibration ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn für die Trägerstruktur thermoplastische Werkstoffe verwendet werden.
Der Hohlraum kann von einem Material mit geringer Dichte, insbesondere von einem Schaum, Waben oder Balsaholz, ausgefüllt sein. Dies kann im Herstellungsprozess vorteilhafterweise dazu genutzt werden, um die obere und untere Schale in einem Schritt zu Formen.
Gemäß der Erfindung wird weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer Trägerstruktur bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Herstellen eines textilen Halbzeugs oder eines Halbzeugs aus textilverstärktem Kunststoff zur Bildung der Trägerstruktur mit einem im Wesentlichen rechteckigen Körper mit vier Eckabschnitten; Verformen des textilen Halbzeugs bzw. des Halbzeugs aus textilverstärktem Kunststoff von einem ursprünglichen ersten Umfang auf einen gegenüber einer Bezugsebene des textilen Halbzeugs bzw. des Halbzeugs aus textilverstärktem Kunststoff versetzten kleineren zweiten Umfang; Bilden von Falten aus
den bei dem Verformungsschritt gestauchten Bereichen, um zumindest zwei, insbesondere vier, elastische Anschlussstellen und weitere durch die Falten gebildete Krafteinleitungsstellen zu formen. Dieses Verfahren ist besonders wirtschaftlich, da, wie oben bereits ausgeführt, zusätzliche Gummilager überflüssig sind und die Trägerstruktur einstückig auf einfache Weise herstellbar ist, da das überschüssige Material der oberen Schale und der unteren Schale nicht mehr weggeschnitten werden muss, sondern in der/den elastischen Anschlussstelle/-n weiterverwendet wird.
Vorzugsweise ist der Aufbau der Trägerstruktur mehrlagig, wobei die Lagen in einem sogenannten Preformingprozess in Zwischenschritten fixiert werden.
Im Nachfolgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 A - 1 C verschiedene Ansichten einer Trägerstruktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines vorderen Teils einer Trägerstruktur gemäß einer Ausführungsform.
Figuren 1 A bis 1 C zeigen verschiedene Ansichten einer Trägerstruktur 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei Figur 1 A eine perspektivische Ansicht der Trägerstruktur zeigt, Figur 1 B eine Draufsicht auf die Trägerstruktur und Figur 1 C einen Schnitt entlang der in Figur 1 B dargestellten Linie A-A. Die Trägerstruktur 1 bildet einen Achsträger bzw. Hilfsrahmen für ein Kraftfahrzeug. In der hier dargestellten Ausführungsform ist die Trägerstruktur 1 zweischalig mit einer oberen Schale 2 und einer unteren Schale 3 (siehe insbesondere Figur 1 C) ausgebildet, welche miteinander fest verbunden sind und ein Rahmenelement 7 bilden. Die obere Schale 2 und die untere Schale 3 sind jeweils S-förmig (hier spiegelbildlich verkehrt herum dargestellt) ausgebildet, so dass die Verbindung der oberen Schale 2 mit der unteren Schale 3 an deren jeweiligen im Wesentlichen geraden oberen bzw. unteren Flächen 4, 4', 5, 5' beispielsweise mittels Kleben erfolgt. Zwischen der oberen Schale 2 und der unteren Schale 3 ist ein Hohlraum 6 gebildet, welcher jedoch auch mit
einem Material geringer Dichte, wie oben bereits beschrieben, gefüllt sein kann. Die Wandstärke der oberen bzw. unteren Schale 2, 3 beträgt 4 bis 5 mm. Das Rahmenelement 7 ist aus einem faserverstärkten Kunststoff hergestellt und weist eine im Wesentlichen viereckige Form mit vier Eckabschnitten 8, 8', 8", 8"' auf, wobei von jedem Eckabschnitt 8, 8', 8", 8"' eine elastische Anschlussstelle 9, 9', 9", 9"' in der Richtung quer zur Längsachse L des Kraftfahrzeugs abragt. Die elastischen Anschlussstellen 9, 9', 9", 9"', welche als Krafteinleitungsstellen dienen, sind einstückig mit dem Rahmenelement 7 durch textiles Falten gebildet. Durch die so ausgebildeten elastischen Anschlussstellen 9, 9', 9", 9"' ist eine Elastizität bzw. Flexibilität in Richtung der Längsachse L gegeben und gleichzeitig eine Steifigkeit in der Richtung quer zu der Längsachse L.
Um eine weitere Reduzierung der Stößigkeit des Fahrwerks wie oben bereits beschrieben zu erreichen, ist die Trägerstruktur 1 in dem Bereich der Anbindung an die Karosserie, also an den elastischen Anschlussstellen 9, 9', 9", 9"' verjüngt ausgebildet bzw. der zwischen der oberen Schale 2 und der unteren Schale 3 ausgebildete Hohlraum 6 wird verjüngt. Der Abstand zwischen der oberen und der unteren Schale 2, 3 beträgt dabei in den verjüngten elastischen Anschlussstellen 9, 9', 9", 9"' maximal 5 mm. Im Verlauf von den jeweiligen elastischen Anschlussstellen 9, 9', 9", 9"' in Richtung zu dem viereckigen Rahmenelement 7 laufen die obere Schale 2 bzw. die untere Schale 3 V-förmig über eine Länge von 10 bis 20 cm in einen Öffnungsabstand von 10 cm.
Wenn in einer alternativen Ausführungsform, welche hier im Detail nicht dargestellt ist, die Trägerstruktur 1 lediglich zwei elastische Anschlussstellen 9, 9"' aufweist, dann würde das Rahmenteil 7 in etwa an der durch das Bezugszeichen 10 gekennzeichneten gestrichelten Linie in Figur 1 B enden, so dass die elastischen Anschlussstellen 9, 9"' lediglich durch ein bügelartiges Element, welches hier durch das Bezugszeichen 1 1 gekennzeichnet ist, verbunden sind. In der Variante mit vier elastischen Anschlussstellen 9, 9', 9", 9"' sind dagegen auch vier bügelartige Elemen- te 1 1 , 1 1 ', 1 1 ", 1 1 "' vorhanden, welche dann das Rahmenelement 7 aufbauen.
Durch Vorsehen der einstückig mit dem Rahmenelement 7 ausgebildeten elastischen Anschlussstellen 9, 9', 9", 9"' wie oben beschrieben, ist das Vorsehen zusätzlicher Gummilager überflüssig. Die durch textile Faltenbildung entlang der Kanten der Trägerstruktur 1 gebildeten Falten 12, 12' (siehe Figur 2) und der ebenso gebildeten elastischen Anschlussstellen 9, 9', 9", 9"' dienen aufgrund der durchgängigen Faserstruktur aus Lang- oder Endlosfasern in dem Kunststoff der Trägerstruktur 1 als Krafteinleitungsstellen.
Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines vorderen Teils einer Trägerstruktur 1 gemäß einer Ausführungsform, wobei die Trägerstruktur 1 zusätzlich mit Verstärkungselementen 13, welche hier als Verstärkungsrippen ausgebildet sind, versehen ist. Auch der durch die textile Faltung an der Unterseite 15 der Trägerstruktur 1 entstehende Kragen 14 kann zusätzlich mit Verstärkungselementen versehen sein. Die Verstärkungselemente 13 können aus Kunststoff-Pressmassen, insbesondere aus faserverstärkten Thermoplasten oder Duroplasten, hergestellt sein.
Bezuqszeichen
Trägerstruktur
obere Schale
untere Schale
, 4' obere gerade Flächen, 5' untere gerade Flächen
Hohlraum
Rahmenelement
, 8', 8" ,8"' Eckabschnitte
, 9 , 9 . elastische Anschlussstelle0 gestrichelte Linie
1, 11', 11", 11"' bügelartige Elemente2, 12· Falten
3 Verstärkungselement4 Kragen
5 Unterseite