WO2020173690A1 - Strukturbauteil für einen fahrgestellrahmen und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Strukturbauteil für einen fahrgestellrahmen und verfahren zu seiner herstellung Download PDF

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Evelyn Osterwald
Christoph Osterwald
Vicky Rosenmeyer
Christopher Walczak
Stefan Wolf
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    • F17C2270/0171—Trucks

Definitions

  • the invention relates to a structural component for a chassis frame of a vehicle with at least one flange end for fastening the structural component to the chassis frame, and a storage container.
  • the storage container is connected to the at least one flange end via a connecting element, a connecting area being formed between these elements.
  • this connecting element there is at least one
  • Adhesive connection provided.
  • the invention also relates to a method for producing such a structural component.
  • Chassis frames for vehicles usually have two longitudinal members and several cross members. Typically these are made from steel components.
  • cross members were known which are made from material combinations, for example from steel components and fiber composite laminates.
  • the stresses resulting from the different coefficients of thermal expansion are present in particular when the joining partners are joined entirely or partially with an adhesive joint in addition to the connection by means of a fiber composite laminate.
  • the composite experiences high temperatures for curing over a certain period of time.
  • the laminate hardens and the adhesive fully crosslinks. At this high temperature there is no tension in the structural component formed in this way.
  • stresses form in the boundary layers and in the adhesive layer of the joining partners due to the different coefficients of thermal expansion. As already described, this can lead to disruptions in the transmission of loads and even failure of the entire structural component.
  • the invention is now based on the object of proposing a structural component and a method for its production that allows functional integration and the use of different materials and joining techniques, while avoiding the damage caused by the stresses mentioned.
  • a structural component for a chassis frame of a vehicle has at least one flange end and a storage container.
  • the flange end is designed for fastening the structural component to the chassis frame.
  • the storage container is a liner, that is to say a
  • Hollow body that can take up, contain and release a medium.
  • a storage container usually has at least one end at which or through which it can be placed in a receptacle provided for this purpose. For example, such a
  • Storage container has a convex inner shape and an overall elongated outer contour, so that the two end faces of the shape of the storage container thus formed form the respective ends.
  • the at least one flange end has a flange receptacle which loosely receives the storage container at the end.
  • the device according to the invention consequently has at least one flange receptacle, which is why this formulation is also used synonymously in the following text. Accordingly, the end of the storage container is in the at least one
  • Flange mount inserted, inserted or otherwise placed in it. Only a form fit is achieved, but no force-fit or material connection.
  • the storage container is at least partially along its outer surface with an as
  • Fiber composite laminate executed connecting element envelops, which at least partially surrounds the flange receptacle of the at least one flange end in a connection area.
  • Under fiber composite laminate is a fiber plastic composite made of a
  • Plastic matrix can be understood as bedding compound and reinforcing fibers, in particular carbon fibers, embedded in the bedding compound.
  • the process used for this is usually also referred to as the wet winding process.
  • the at least partial wrapping that is, the wrapping of at least a partial area of the outer surface of the storage container with the reinforcing fibers, is
  • Connecting element formed. It is designed or configured in such a way that when the storage container is inserted into the at least one flange receptacle, it at least partially engages around, in other words, overlaps it. This area in which the overlap or encompassing is achieved is referred to below as the connection area.
  • the connecting element By designing the connecting element as a fiber composite laminate, the design of the shape of the storage container is not limited to circular cylindrical geometries, but can be freely selected.
  • the outer surface of the storage tank can also be completely or partially enveloped by means of the RTM process (abbreviation: Resin Transfer Molding).
  • RTM process abbreviation: Resin Transfer Molding
  • This is a resin injection process in which reinforcing fibers, in particular carbon fibers, are applied and only impregnated afterwards.
  • Plastic matrix made of a thermosetting plastic is used as bedding material, such as polyester, epoxy or phenolic resin, in which reinforcing fibers are in turn embedded.
  • bedding material such as polyester, epoxy or phenolic resin, in which reinforcing fibers are in turn embedded.
  • the fibers used are almost completely utilized can.
  • the fibers are deposited around a shaping core, which corresponds to the winding core of the wet winding process and specifies the shape of the component to be manufactured.
  • the fibers are placed or braided around the shaping core in such a way that they form the contour of the component to be produced, with neither folds nor holes forming in the braid to be produced.
  • the fibers are then injected, for example with an epoxy resin.
  • connection element in particular if no storage container is required, or if the fiber composite laminate is to be manufactured with a constant cross section, is the pultrusion process, i.e. a drawing process for manufacturing the fiber composite laminate.
  • connection area at least one groove for receiving an adhesive is provided on the surface of the at least one flange receptacle facing the connection element.
  • at least one injection opening is made in the connection element, corresponding to the at least one groove. It is therefore provided that at least one injection opening is made in the connection area in the connection element, and at least one groove is also provided in the connection area on the surface of the at least one flange receptacle facing the connection element.
  • the at least one injection opening and the at least one groove should correspond to one another, that is to say they should be arranged such that an adhesive can be introduced into the at least one groove through the at least one injection opening.
  • Several injection openings can also be made in the connecting element, all of which correspond to one and the same groove. There can also be several grooves in one
  • Connection area can be provided, each with one or more
  • the adhesive is introduced into the at least one groove through the at least one injection opening and cured, so that the connecting element is fixed to the at least one flange end and thus the storage container is indirectly fixed to the at least one
  • the Flange mount is connected.
  • the connecting element is firmly connected, ie glued, to the at least one flange end by means of an adhesive that has been injected through at least one injection opening into at least one groove and cured there.
  • the storage container is indirectly fixed to the flange receptacle at the same time.
  • the storage container is thus arranged in a fixed position in the structural component, but is not directly connected to the flange receptacle, they are indirectly connected via the connecting element and the adhesive connection.
  • the storage container can contract within the space available between the inner surface of the fiber composite laminate and its outer surface when the temperature drops and expand when the temperature increases.
  • the structural component according to the invention and the storage container arranged therein form in their entirety a pressure tank.
  • the storage container should be selected so that it can hold a medium and preferably have at least one opening for introducing and / or removing a medium at at least one of its ends, which opening corresponds to a corresponding opening in the associated flange end.
  • the medium can be pressurized air, but also other gaseous or liquid media.
  • the storage container represents a sealing layer, while the connecting element enveloping the storage container absorbs the pressure loads or the mass loads when the storage element is filled with a medium.
  • the storage container can serve as an envelope core during the production of the structural component when the fiber composite laminate is applied, as will be explained below.
  • the storage container can, for example, made of a plastic material, in particular a thermoplastic, particularly preferably made of polyethylene, polyamide or
  • the flange end of the structural component can be made from one or more lightweight materials, such as aluminum.
  • a very low weight is achieved, so that a structural component according to the invention also has only a low weight in its entirety.
  • installation space can be created that previously had to be found outside the structural component.
  • the structural component has the necessary stability and strength, while at the same time it has a low weight.
  • the inside contour of the flange mount should therefore be shaped in such a way that it corresponds to the outer contour of the storage container to be received and a form fit is brought about when the storage container is positioned, i.e. inserted or plugged into the flange receptacle.
  • the flange receptacle can be designed like a shell, and the outer contour of one end of the storage container can be designed to correspond to it, that is to say, for example, like a cap.
  • the adhesive which is injected through the at least one injection opening into the at least one groove is based on acrylate, epoxy resin and / or based on polyurethane.
  • the adhesive should therefore essentially be formed with acrylates, epoxy resins and / or polyurethane.
  • reactive, two-component acrylate-based adhesives are ideal for bonding metals with coated surfaces and plastics.
  • Epoxy resin adhesives are extremely strong.
  • Polyurethane adhesives are suitable for bonding larger areas of a wide variety of materials, especially for components that are permanently or temporarily exposed to vibrations.
  • the at least one groove is formed circumferentially around the flange receptacle. This is to be understood as meaning that the groove in the connection area is preferably continuous along the entire length of the
  • Connecting element facing surface of the flange receptacle is formed. If, for example, the flange receptacle is designed to be rotationally symmetrical, in this preferred embodiment the groove is guided around the entire circumference of the surface of the flange receptacle facing the connecting element and thus forms one
  • the width of the at least one groove is approximately 60% to 95% of the width of the connecting area.
  • the overlap area between the at least one flange receptacle and the connecting element forms the connecting area.
  • the amount by which the connecting element overlaps the flange mount is to be referred to as the width of the connecting area.
  • the width of the groove should have the same orientation and denote the area which is within this connection area and in the same direction as the width of the
  • Connection area indicates the dimension of the groove.
  • the width of the groove is dependent on the geometric conditions and the loads that occur customized.
  • the width of the groove, but also its length and depth, must be adapted to the respective conditions.
  • the width of the groove should be in the range of about 60% to 95% of the width of the
  • connection area The geometric dimensions of the groove can optionally be reduced or adapted if more than one groove is in / on one
  • Flange mount is provided.
  • At least one injection opening which corresponds to the at least one groove, must be provided in the connecting area of the connecting element.
  • the number of injection openings can also vary and be adapted to suit the situation.
  • the structural component is designed as a cross member in a chassis frame, the two flange ends with one each
  • Chassis frame are arranged in a vehicle and is designed for this purpose. It has two flange ends, each one in turn
  • the storage container is between the two
  • Flange mounts arranged, these receiving the storage container loosely at its respective ends, so only by means of a form fit.
  • the storage container the outer contour of which corresponds to the inner contours of the flange receptacles, is inserted into the latter.
  • a connection area is thus formed between the respective flange receptacle and the connection element, in which one
  • Flange mount at least partially encompassed by the connecting element
  • the respective flange receptacle has at least one groove on the surface facing the connection element, and in the
  • At least one injection opening is introduced in each case in the connection area corresponding to the at least one groove.
  • a flange end with a flange receptacle is thus arranged in each end of the storage container, and at least one groove is provided in each of the two flange receptacles and at least one injection opening is in each case in the connecting areas in the
  • Connecting element introduced. This ensures that the connecting element after Injecting and curing the adhesive is firmly connected to both flange ends and thus the storage container is indirectly firmly connected to the two flange receptacles.
  • the structural component formed in this way can now be used as a cross member between the longitudinal members of a
  • Chassis frame of a vehicle are installed, wherein the forces acting on the flange ends are advantageously transmitted via the connecting element, while the storage container stores the medium to be accommodated and thereby assumes a sealing function.
  • the structural component according to the invention is carried out using a method with at least the following steps:
  • Flange mount has at least one groove
  • At least one flange end with a flange receptacle and the storage container are initially manufactured.
  • the storage tank is finished, it is
  • the at least one injection opening can be made in the area of the connecting element which, when all elements are joined together, the connecting area with the
  • the at least one injection opening should be introduced into the connecting element in such a way that, after being inserted into the flange receptacle, it corresponds to the at least one groove of the flange receptacle. Subsequently, the storage container is plugged or inserted into the at least one flange receptacle, which the Storage container loosely takes up the end.
  • the flange end and the storage container, which is at least partially enclosed by the connecting element are aligned with one another, that is, with one another, that the at least one groove of the at least one
  • Flange receptacle correspond to the at least one injection opening of the connecting element.
  • Flange mount is connected.
  • each of these flange mounts having at least one groove.
  • Fiber composite laminate introduced in each of the two resulting connecting areas at least one injection opening.
  • the storage container is now inserted at the end into the two flange receptacles and loosely received by them.
  • the flange ends and the storage container must be aligned with one another in such a way that the at least one injection opening per connection area in the connection element corresponds to the at least one groove of the respective flange receptacle.
  • the adhesive can then be introduced into the respective injection openings and cured.
  • the storage container Enveloping the storage container in a winding device, the storage container being arranged in, on and / or between two winding cores.
  • the storage container is therefore used, for example, between two winding cores and then in the
  • the connecting element enveloping the storage container is cut to size after hardening, that is, areas that are not required or that are made too large for joining with the at least one flange receptacle are separated. Also adjustments to special geometric Requirements can be realized by cutting, such as cutouts.
  • the injection and curing of the adhesive is carried out at a temperature equal to or below 40 degrees Celsius, very particularly preferably below 25 degrees Celsius.
  • the joining of the at least one flange end to the storage container and the gluing can thus take place at a temperature which approximately corresponds to the temperatures in the later state of use. This has the advantage of being joined and glued
  • a structural component according to the invention and the method according to the invention for producing this structural component allow a functional integration in the form of a storage container that is located within a structural component, such as, for example, in a cross member for a
  • Chassis frame of a vehicle is arranged, and so to save space and weight at the same time, and yet to meet the requirements of such a structural component in terms of stability and strength.
  • the adhesive connection between the connecting element and the at least one flange receptacle is a particular advantage: on the one hand, this creates a firm connection between the connecting element and the flange end and, at the same time, an indirect, firm connection between the storage container and the flange receptacle, so that the storage container can move within the space available if the temperature increases expand and contract when the temperature drops.
  • a temperature range can be selected independently of the lamination and curing of the fiber composite laminate, in which the risk of damage as a result of
  • Figure 1 shows a chassis frame 100 of a utility vehicle N in a perspective
  • FIG. 2 shows a sectional view of a cross member 1, T as a structural component 10 according to the prior art
  • FIG. 3 shows a perspective illustration of the structural component 10 according to the invention in a production step
  • FIG. 4 shows a perspective illustration of the structural component 10 according to the invention in a next production step
  • FIG. 5 shows a perspective illustration of the structural component 10 according to the invention in a production step but one
  • FIG. 6 shows a sectional illustration of the structural component 10 according to the invention in a further production step
  • FIG. 7 shows a sectional illustration of a detail A from FIG.
  • the direction lying in the vehicle is designated with “x”, the horizontal direction perpendicular to the x-direction is designated with “y” and the vertical direction perpendicular to the x-direction is designated with “z”.
  • FIG. 1 shows a chassis frame 100 of a vehicle, in particular one
  • the utility vehicle N comprises a plurality of wheel axles Y1, Y2 and Y3 which are arranged transversely to the longitudinal members 2 of the chassis frame 100.
  • the chassis frame 100 has a plurality of cross members 1, T, at least one cross member 1, T being arranged parallel to a wheel axis Y2, Y3 at least close to an axle suspension.
  • the extracted detail I shows a cross member 1, T, in the axial extension of which in the y-direction the axle suspension 3 is formed.
  • the cross member marked T is designed without an axle suspension 3.
  • a structural component 10 according to the invention can be designed as a cross member 1, 1 ′ for such a chassis frame 100 and can be designed with or without axle suspension 3.
  • the cross member 1, 1 ‘shown in Figure 1 can be made in one piece from cast iron or as
  • cross members 1, T were known in the prior art as structural components 10 with an integrated storage container 10E, as is shown by way of example in FIG.
  • the structural component 10 shown in a section has a storage container 10E and two flange ends 10A, each with a flange receptacle 10A-2.
  • the storage container 10E and the flange ends 10A are connected via a connecting element 10B, which as
  • Fiber composite laminate is formed, at least partially enveloped.
  • Fiber composite laminate takes place in the wet winding process, the storage container 10E being arranged between the flange ends 10A and then the flange ends 10A and the storage container 10E in their entirety being fed to the wet winding process.
  • the structural component 10 formed in this way then experiences a curing process as a whole at elevated temperatures.
  • the flange ends 10A can be glued to the storage container 10E.
  • an adhesive 60 must be used before
  • the fiber composite laminate and the adhesive 60 are cured and crosslinked at high temperatures. This creates a stress-free in this high temperature range
  • the method according to the invention for producing a structural component 10 according to the invention is selected individually in a preferred embodiment as a cross member for a chassis frame 100 of a utility vehicle N
  • two flange ends 10A which are later used to fasten the structural component 10 to the longitudinal members 2 of the chassis frame 100, are produced.
  • the two flange ends 10A each have one
  • Flange mount 10A-2 In these flange mounts 10A-2, in turn, is on the
  • Connecting element 10B in the connecting region 40 which is then formed faces, each having a groove 50 formed.
  • a storage container 10E which has at least one opening for filling and / or removing a medium.
  • Storage container 10E corresponds to the inner contour of the flange receptacles 10A-2.
  • FIG. 3 shows a perspective illustration of the structural component according to the invention in a production step.
  • the previously manufactured storage container 10E is arranged at the end between two winding cores 80, each of which has an angular comb 20.
  • This arrangement of storage container 10E and Wckelkern 80 is inserted into a Wckel device 70 (not shown) and there for example using the winding combs 20 with a wet winding process at least partially wrapped and cured with a fiber composite laminate.
  • the coating can also be carried out using the RTM process (abbreviation: Resin Transfer Molding).
  • FIG. 4 the storage container 10E, encased by the connecting element 10B, with the angular cores 80 is shown in a perspective view, as they are removed from the angular device 80 after the fiber composite laminate has hardened and cooled. Now protruding areas of the connecting element 10B forming
  • Fiber composite laminate separated or trimmed This so-called waste is now removed and the angular cores 80 are removed.
  • the angular cores 80 can first be removed and then the fiber composite laminate cut to size.
  • this blank can also meet specific requirements for the geometry of the connecting element 10B, for example in the form of cutouts.
  • FIG. 5 shows the cut connecting element 10B, which encloses the storage container 10E, in a perspective view. Two at least partially protruding areas can be seen, which after the storage container 10E has been inserted into the
  • Flange receptacles 10A-2 for forming a cross member for a chassis frame 100 of a utility vehicle N form the connecting areas 40. At least one injection opening 30 is made in each of these connecting areas, for example by drilling. These injection openings 30 are introduced in such a way that, after the joining of the
  • Storage container 10E with the flange ends 10A correspond to the grooves 50 provided on the flange receptacles 10A-2.
  • FIG. 6 shows a sectional illustration of a structural component 10 according to the invention embodied as a cross member for a chassis frame 100 of a utility vehicle N.
  • the sub-area marked “A” therein is shown in more detail in FIG.
  • the storage container 10E covered with the connecting element 10B is inserted at the end into the flange receptacles 10A-2 of two flange ends 10A, where it is loosely received.
  • the storage container 10E is aligned with the connecting element 10B surrounding it in such a way that the injection openings 30 in the connecting areas 40 correspond to the grooves 50 of the flange receptacles 10A-2.
  • FIG. 7 the detail area marked "A" in FIG. 6 is shown enlarged. The corresponding arrangement of injection opening 30 and groove 50 can be seen.
  • the width b of the groove 50 corresponds to approximately 60% to 95% of the width bv of the connecting area. According to the definition of the coordinate system given above, the width b and the width b are aligned along the y-direction. In order to ensure a secure and permanent bond between the connecting element 10B and the flange receptacles 10A-2, the groove 50 is on each of the two
  • Flange receptacles 10A-2 are each formed circumferentially around the entire surface facing the connecting element 10B.
  • An adhesive 60 which is formed on the basis of polyurethane, is introduced through the injection openings 30 and fills the groove 50 largely completely.
  • the introduction of the adhesive 60 can advantageously take place at room temperature, that is to say below 25 degrees Celsius.
  • Epoxy resin base can be used. After the adhesive 60 has cured, the connecting element 10B is fixed to the
  • connection area (40) bv width of the connection area (40)

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil für einen Fahrgestellrahmen eines Fahrzeuges, insbesondere in Form eines Querträgers, in das ein Speicherbehälter integriert ist und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Es ist vorgesehen, dass die Mantelfläche des Speicherbehälters zumindest teilweise mit einem Verbindungselement, das als Faserverbundlaminat ausgeführt ist, umhüllt wird und das Strukturbauteil zusätzlich zumindest bereichsweise verklebt wird. Zur Herstellung des Strukturbauteils werden mindestens ein Flanschende mit einer Flanschaufnahme und ein Speicherbehälter vorgefertigt. Der Speicherbehälter wird endseitig lose von der mindestens einen Flanschaufnahme aufgenommen und mit dieser verklebt. Dazu ist es erforderlich, dass in dem Verbindungsbereich, in dem die Klebeverbindung ausgebildet werden soll, auf Seiten der Flanschaufnahme mindestens eine Nut zur Aufnahme eines Klebstoffes, und auf Seiten des Verbindungselements mindestens eine Injektionsöffnung, die mit der Nut korrespondiert, vorgesehen sind beziehungsweise eingebracht werden. Nach dem Zusammenfügen aller Bauteile kann der Klebstoff durch die mindestens eine Injektionsöffnung in die mindestens eine Nut eingebracht und ausgehärtet werden. Dabei entsteht eine direkte feste Verbindung zwischen Flanschende und Verbindungselement und daraus resultierend eine indirekte feste Verbindung zwischen Flanschaufnahme und Speicherbehälter.

Description

Beschreibung
Strukturbauteil für einen Fahrgestellrahmen und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil für einen Fahrgestellrahmen eines Fahrzeuges mit mindestens einem Flanschende zur Befestigung des Strukturbauteils am Fahrgestellrahmen, und einem Speicherbehälter. Der Speicherbehälter ist über ein Verbindungselement mit dem mindestens einen Flanschende verbunden, wobei ein Verbindungsbereich zwischen diesen Elementen ausgebildet wird. In diesem Verbindungselement ist mindestens eine
Injektionsöffnung und an dem Flanschende mindestens eine Nut zur Ausbildung einer
Klebverbindung vorgesehen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Strukturbauteils.
Fahrgestellrahmen für Fahrzeuge, insbesondere Lastfahrzeuge, weisen üblicherweise zwei Längsträger und mehrere Querträger auf. Typischerweise sind diese aus Stahlbauteilen gefertigt. Im Zuge der zunehmenden Entwicklung hin zu Fahrzeugen mit einem geringeren Treibstoffverbrauch und einem geringeren C02-Ausstoß wurden Querträger bekannt, die aus Materialkombinationen, beispielsweise aus Stahlbauteilen und Faserverbundlaminaten, hergestellt werden.
Auch wurde eine Funktionsintegration angestrebt. Zu diesem Zweck wurden unter anderem Hochdrucktanks in die Querträger von Fahrgestellrahmen integriert. Dazu sei auf die
Druckschrift DE 10 2017 106 024 A1 verwiesen. In dieser Schrift wurde ein Strukturbauteil mit einem integrierten Querträger offenbart, bei dem ein Speicherbehälter von mindestens einem Flanschende aufgenommen und mit diesem mittels eines Faserverbundlaminats verbunden wird. Nach dem Laminieren des Strukturbauteils muss dieses in seiner Gesamtheit bei hohen Temperaturen aushärten. Dabei wird in diesem Verfahrensschritt ein spannungsfreier Zustand erreicht. Durch die verschiedenen eingesetzten Materialien in solchen Strukturbauteilen kommt es beim Abkühlen auf Raumtemperatur oder darunter in den Grenzschichten der Fügepartner aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu Spannungen, so dass Schädigungen auftreten können. In der Folge können keine Lasten mehr übertragen werden und bei ungünstiger Auslegung des Bauteils können diese Schädigungen zu einem Versagen der Bauteile führen.
Die aus den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten resultierenden Spannungen sind insbesondere dann vorhanden, wenn die Fügepartner zusätzlich zu der Verbindung mittels Faserverbundlaminat ganz oder teilweise mit einer Klebeverbindung gefügt sind. Nach dem Fügen der einzelnen Bauteile zu einem Strukturbauteil mittels eines Faserverbundlaminats in Kombination mit einer Klebeverbindung erfährt der Verbund zum Aushärten über eine gewisse Zeit hohe Temperaturen. Dabei härtet das Laminat aus und der Klebstoff vernetzt sich vollständig. Bei dieser hohen Temperatur herrscht Spannungsfreiheit in dem so gebildeten Strukturbauteil. Bei der Abkühlung des Strukturbauteils auf Raumtemperatur oder darunter bilden sich in den Grenzschichten und in der Klebeschicht der Fügepartner Spannungen aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Wie schon beschrieben, kann dies zu Störungen bei der Übertragung von Lasten bis hin zum Versagen des gesamten Strukturbauteils führen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Strukturbauteil und ein Verfahren zu seiner Herstellung vorzuschlagen, das eine Funktionsintegration sowie die Verwendung verschiedener Werkstoffe und Fügetechniken erlaubt und dabei die Schädigungen durch die genannten Spannungen vermeidet.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit dem in Anspruch 1 offenbarten Strukturbauteil und dem in Anspruch 7 offenbarten Verfahren gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß weist ein Strukturbauteil für einen Fahrgestellrahmen eines Fahrzeuges mindestens ein Flanschende und einen Speicherbehälter auf. Dabei ist das Flanschende zur Befestigung des Strukturbauteils an dem Fahrgestellrahmen ausgebildet.
Der Speicherbehälter ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ein Liner, also ein
Hohlkörper, der ein Medium aufnehmen, beinhalten und abgeben kann. Ein Speicherbehälter weist üblicherweise mindestens ein Ende auf, an dem oder durch welches er in eine dafür vorgesehene Aufnahme platziert werden kann. Beispielsweise weist ein solcher
Speicherbehälter eine konvexe Innenform und eine insgesamt lang gezogene Außenkontur auf, so dass die beiden Stirnseiten der so gebildeten Form des Speicherbehälters die jeweiligen Enden bilden. Das mindestens eine Flanschende weist eine Flanschaufnahme auf, die den Speicherbehälter endseitig lose aufnimmt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist also folglich mindestens eine Flanschaufnahme auf, weswegen diese Formulierung im folgenden Text auch gleichbedeutend verwendet wird. Demnach wird der Speicherbehälter endseitig in die mindestens eine
Flanschaufnahme eingesetzt, eingesteckt oder anderweitig darin platziert. Dabei wird lediglich ein Formschluss, jedoch keine kraft- oder stoffschlüssige Verbindung erreicht.
Der Speicherbehälter ist entlang seiner Mantelfläche zumindest teilweise mit einem als
Faserverbundlaminat ausgeführten Verbindungselement umhüllt, welches die Flanschaufnahme des mindestens einen Flanschendes in einem Verbindungsbereich zumindest teilweise umgreift. Unter Faserverbundlaminat soll dabei ein Faserkunststoffverbund aus einer
Kunststoffmatrix als Bettungsmasse und in der Bettungsmasse einliegende Verstärkungsfasern, insbesondere Kohlenstofffasern, verstanden werden. Das dazu verwendete Verfahren wird üblicherweise auch als Nasswickelverfahren bezeichnet.
Durch das zumindest teilweise Umhüllen, also das Umwickeln zumindest eines Teilbereiches der Mantelfläche des Speicherbehälters mit den Verstärkungsfasern, wird das
Verbindungselement ausgebildet. Es wird dabei so ausgebildet oder ausgestaltet, dass es beim Einsetzen des Speicherbehälters in die mindestens eine Flanschaufnahme diese zumindest teilweise umgreift, in anderen Worten überlappt. Dieser Bereich, in dem die Überlappung beziehungsweise das Umgreifen erreicht ist, wird nachfolgend als Verbindungsbereich bezeichnet. Durch die Ausbildung des Verbindungselements als Faserverbundlaminat ist die Ausgestaltung der Form des Speicherbehälters nicht auf kreiszylindrische Geometrien beschränkt, sondern kann frei gewählt werden.
Alternativ zur Ausbildung des Faserverbundlaminats mit einer Kunststoffmatrix als
Bettungsmasse und in der Bettungsmasse einliegende Verstärkungsfasern, kann die
Mantelfläche des Speicherbehälters auch mittels RTM-Verfahren (Abkürzung englisch: Resin Transfer Molding) ganz oder teilweise umhüllt werden. Dies ist ein Harzinjektionsverfahren, bei dem Verstärkungsfasern, insbesondere Kohlenstofffasern, aufgebracht und erst im Nachhinein imprägniert werden. Dabei wird für die Bildung des Faserkunststoffverbunds mit einer
Kunststoffmatrix aus einem duroplastischen Kunststoff als Bettungsmasse, wie beispielsweise Polyester, Epoxid- oder Phenolharz, verwendet, in der wiederum Verstärkungsfasern einliegen. Eine weitere Alternative zur Ausbildung des Faserverbundlaminats ist das sogenannte
Flechten, bei dem eine nahezu vollständige Ausnutzung der verwendeten Fasern erfolgen kann. Dazu erfolgt die Faserablage um einen formgebenden Kern, der dem Wickelkern des Nasswickelverfahrens entspricht und die Form des herzustellenden Bauteils vorgibt. Die Fasern werden dabei so um den formgebenden Kern gelegt beziehungsweise geflochten, dass sie die Kontur des herzustellenden Bauteils bilden, wobei weder Falten noch Löcher in dem zu fertigenden Geflecht entstehen. Anschließend erfolgt die Injektion der Fasern, beispielsweise mit einem Epoxydharz.
Noch eine weitere Alternative zur Fertigung des Verbindungselementes, insbesondere wenn kein Speicherbehälter benötigt wird, oder aber wenn das Faserverbundlaminat mit einem gleichbleibenden Querschnitt gefertigt werden soll, ist das Pultrusionsverfahren, also ein Strangziehverfahren zur Herstellung des Faserverbundlaminats.
In dem Verbindungsbereich ist an der dem Verbindungselement zugewandten Oberfläche der mindestens einen Flanschaufnahme mindestens eine Nut zur Aufnahme eines Klebstoffes vorgesehen. Im Verbindungsbereich ist in das Verbindungselement korrespondierend zu der mindestens einen Nut mindestens eine Injektionsöffnung eingebracht. Es ist also vorgesehen, das in dem Verbindungsbereich in das Verbindungselement mindestens eine Injektionsöffnung eingebracht ist, und ebenfalls im Verbindungsbereich an der dem Verbindungselement zugewandten Oberfläche der mindestens einen Flanschaufnahme mindestens eine Nut vorgesehen ist. Dabei sollen die mindestens eine Injektionsöffnung und die mindestens eine Nut zueinander korrespondieren, also so angeordnet, sein, dass durch die mindestens eine Injektionsöffnung ein Klebstoff in die mindestens eine Nut eingebracht werden kann. Es können auch mehrere Injektionsöffnungen in das Verbindungselement eingebracht sein, die alle mit ein und derselben Nut korrespondieren. Es können auch mehrere Nuten in einem
Verbindungsbereich vorgesehen werden, die jeweils mit einer oder mehreren
Injektionsöffnungen korrespondieren.
Durch die mindestens eine Injektionsöffnung ist der Klebstoff in die mindestens eine Nut eingebracht und ausgehärtet, so dass das Verbindungselement fest mit dem mindestens einen Flanschende und somit der Speicherbehälter indirekt fest mit der mindestens einen
Flanschaufnahme verbunden ist. In einem erfindungsgemäßen Querträger ist also mittels eines Klebstoffes, der durch mindestens eine Injektionsöffnung in mindestens eine Nut injiziert und dort ausgehärtet wurde, das Verbindungselement fest mit dem mindestens einen Flanschende verbunden, also verklebt. Infolge dieser festen Verbindung ist gleichzeitig der Speicherbehälter indirekt fest mit der Flanschaufnahme verbunden. Der Speicherbehälter ist also lagefest in dem Strukturbauteil angeordnet, aber nicht direkt fest mit der Flanschaufnahme verbunden, sie sind indirekt über das Verbindungselement und die Klebeverbindung verbunden. Dadurch kann sich der Speicherbehälter im Rahmen des zur Verfügung stehenden Zwischenraumes zwischen der Innenfläche des Faserverbundlaminates und seiner Außenfläche bei Temperaturverringerung zusammenziehen und bei einer Temperaturerhöhung ausdehnen.
Das erfindungsgemäße Strukturbauteil und der darin angeordneten Speicherbehälter bilden in ihrer Gesamtheit einen Drucktank. Der Speicherbehälter sollte dabei so ausgewählt sein, dass der ein Medium aufnehmen kann, und bevorzugt an mindestens einem seiner Enden mindestens eine Öffnung zum Einbringen und/oder Entnehmen eines Mediums aufweisen, die mit einer entsprechenden Öffnung in dem zugehörigen Flanschende korrespondiert. Bei dem Medium kann es sich um unter Druck stehende Luft, aber auch andere gasförmige oder flüssige Medien handeln.
In dem erfindungsgemäßen Strukturbauteil stellt der Speicherbehälter eine Dichtschicht dar, während das den Speicherbehälter umhüllende Verbindungselement bei einer Befüllung des Speicherelements mit einem Medium die Drucklasten beziehungsweise die Masselasten aufnimmt. Gleichzeitig kann der Speicherbehälter während der Herstellung des Strukturbauteils als Hüllkern beim Aufbringen des Faserverbundlaminats dienen, wie im Folgenden noch ausgeführt wird.
Der Speicherbehälter kann beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial, insbesondere einem thermoplastischen Kunststoff, besonders bevorzugt aus Polyethylen, Polyamid oder
Polyoxymethylen gefertigt sein. Das Flanschende des Strukturbauteiles kann aus einem oder mehreren Leichtbaumaterial/ien, wie beispielweise aus Aluminium, gefertigt sein. In
Kombination mit dem als Faserverbundlaminat ausgebildeten Verbindungselement wird ein sehr geringes Gewicht erreicht, so dass ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil auch in seiner Gesamtheit nur ein geringes Gewicht aufweist.
Durch die Funktionsintegration des Speicherbehälters in einem Strukturbauteil kann
vorteilhafterweise Bauraum geschaffen werden, der zuvor außerhalb des Strukturbauteils gefunden werden musste. Gleichzeitig weist das Strukturbauteil die notwendige Stabilität und Festigkeit auf, während sie gleichzeitig ein geringes Gewicht aufweist.
In einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Innenkontur der Flanschaufnahme des mindestens einen Flanschendes eine der Außenkontur des
Speicherbehälters korrespondierende Form aufweist. Die Innenkontur der Flanschaufnahme sollte also so geformt sein, dass sie der Außenkontur des aufzunehmenden Speicherbehälters entspricht und beim Positionieren, also Einsetzen oder Einstecken des Speicherbehälters in die Flanschaufnahme ein Formschluss bewirkt wird. Beispielsweise kann die Flanschaufnahme schalenartig ausgebildet sein, und die Außenkontur eines Endes des Speicherbehälters dazu korrespondierend, also zum Beispiel kappenartig, ausgebildet sein.
In einer nächsten bevorzugten Ausführungsform ist der Klebstoff, der durch die mindestens eine Injektionsöffnung in die mindestens eine Nut injiziert wird, auf Acrylatbasis, Epoxydharzbasis und/oder Polyurethanbasis gebildet. Der Klebstoff soll also im Wesentlichen mit Acrylaten, Epoxidharzen und/oder Polyurethan gebildet sein. So bieten sich für das Kleben von Metallen mit beschichteten Oberflächen und Kunststoffen beispielsweise reaktive, zweikomponentige Klebstoffe aus Acrylatbasis an. Epoxydharzklebstoffe weisen höchste Festigkeiten auf.
Polyurethanklebstoffe sind geeignet, um größere Flächen unterschiedlichster Materialien zu verkleben, vor allem auch bei Bauteilen, die dauerhaft oder temporär Vibrationen ausgesetzt sind.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine Nut um die Flanschaufnahme umlaufend ausgebildet ist. Darunter soll verstanden werden, dass die Nut im Verbindungsbereich vorzugsweise durchgehend entlang der gesamten, dem
Verbindungselement zugewandten Oberfläche der Flanschaufnahme ausgebildet ist. Ist zum Beispiel die Flanschaufnahme rotationssymmetrisch ausgebildet, wird die Nut in dieser bevorzugten Ausgestaltung entlang des gesamtem Umfangs auf der der Verbindungselement zugewandten Oberfläche der Flanschaufnahme herumgeführt und bildet damit einen
umlaufenden Ring um die Flanschaufnahme.
In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt die Breite der mindestens einen Nut etwa 60 % bis 95 % der Breite des Verbindungsbereiches. Der Überlappungsbereich zwischen der mindestens einen Flanschaufnahme und dem Verbindungselement bildet den Verbindungsbereich. Das Maß, um welches das Verbindungselement die Flanschaufnahme überlappt, soll als Breite des Verbindungsbereiches bezeichnet werden. Daraus folgend soll die Breite der Nut dieselbe Orientierung aufweisen, und den Bereich bezeichnen, der innerhalb dieses Verbindungsbereiches und in der gleichen Richtung wie die Breite des
Verbindungsbereiches das Maß der Nut angibt.
Um eine möglichst haltbare und langlebige Klebeverbindung herzustellen und zu gewährleisten, ist die Breite der Nut an die geometrischen Gegebenheiten und die auftretenden Belastungen angepasst. So muss die Breite der Nut, aber auch deren Länge und Tiefe an die jeweiligen Gegebenheiten angepasst werden. Um die gewünschte Stabilität und Gebrauchstauglichkeit zu erreichen, sollte die Breite der Nut im Bereich von etwa 60 % bis 95 % er Breite des
Verbindungsbereiches liegen. Die geometrischen Maße der Nut können gegebenenfalls reduziert beziehungsweise angepasst werden, wenn mehr als eine Nut in/an einer
Flanschaufnahme vorgesehen ist.
Um die mindestens eine Nut zu befüllen, muss mindestens eine Injektionsöffnung in dem Verbindungsbereich des Verbindungselements vorgesehen sein, die mit der mindestens einen Nut korrespondiert. In Abhängigkeit vom geometrischen Verlauf der Nut auf oder entlang der mindestens einen Flanschaufnahme sowie ihrer geometrischen Maße kann auch die Anzahl der Injektionsöffnungen variieren und situationsadäquat angepasst werden.
In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Strukturbauteil als Querträger in einem Fahrgestellrahmen ausgebildet, der zwei Flanschenden mit jeweils einer
Flanschaufnahme aufweist, die den Speicherbehälter endseitig lose aufnehmen. In anderen Worten, das Strukturbauteil in seiner Gesamtheit soll als Querträger in einem
Fahrgestellrahmen in einem Fahrzeug angeordnet werden und wird zu diesem Zweck ausgebildet. Dabei weist es zwei Flanschenden auf, die jeweils wiederum eine
Flanschaufnahme aufweisen. Der Speicherbehälter wird zwischen den beiden
Flanschaufnahmen angeordnet, wobei diese den Speicherbehälter an seinen jeweiligen Enden lose, also nur mittels Formschluss aufnehmen. Dazu wird der Speicherbehälter, dessen Ende in seiner Außenkontur den Innenkonturen der Flanschaufnahmen entsprechen, in diese eingesetzt. An jedem der beiden Flanschenden ist damit ein Verbindungsbereich zwischen der jeweiligen Flanschaufnahme und dem Verbindungselement ausgebildet, in dem je eine
Flanschaufnahme zumindest teilweise von dem Verbindungselement umgriffen
beziehungsweise überlappt wird.
In jedem der beiden Verbindungsbereiche weist in die jeweilige Flanschaufnahme mindestens eine Nut an der dem Verbindungselement zugewandten Oberfläche auf, und in dem
Verbindungselement ist jeweils im Verbindungsbereich korrespondierend zu der jeweils mindestens einen Nut mindestens eine Injektionsöffnung eingebracht. In jedem Ende des Speicherbehälters ist damit ein Flanschende mit einer Flanschaufnahme angeordnet, und in jeder der beiden Flanschaufnahmen ist mindestens eine Nut vorgesehen und jeweils passend dazu ist in den Verbindungsbereichen jeweils mindestens eine Injektionsöffnung in das
Verbindungselement eingebracht. Damit wird erreicht, dass das Verbindungselement nach dem Injizieren und Aushärten des Klebstoffes fest mit beiden Flanschenden verbunden ist und damit der Speicherbehälter indirekt fest mit den beiden Flanschaufnahmen verbunden ist. Das so gebildete Strukturbauteil kann nun als Querträger zwischen den Längsträgern eines
Fahrgestellrahmens eines Fahrzeuges eingebaut werden, wobei die auf die Flanschenden einwirkenden Kräfte vorteilhafterweise über das Verbindungselement übertragen werden, während der Speicherbehälter das aufzunehmende Medium speichert und dabei dichtende Funktion übernimmt.
Das erfindungsgemäße Strukturbauteil wird mit einem Verfahren mit mindestens den folgenden Schritten ausgeführt:
a) Fertigen mindestens einen Flanschendes mit einer Flanschaufnahme, wobei die
Flanschaufnahme mindestens eine Nut aufweist,
b) Fertigen eines Speicherbehälters und
c) Umhüllen der Mantelfläche des Speicherbehälters zumindest teilweise mit dem einen
Verbindungselement aus einem Faserverbundlaminat und Aushärten des
Faserverbundlaminats, und
d) Einbringen mindestens einer Injektionsöffnung in einen Verbindungsbereich des
Verbindungselements mit der Flanschaufnahme, und
e) Einstecken des Speicherbehälters in die mindestens eine Flanschaufnahme, so dass die Flanschaufnahme den Speicherbehälter endseitig lose aufnimmt und die mindestens eine Injektionsöffnung mit der mindestens einen Nut korrespondiert, und
f) Injizieren eines Klebstoffes durch die mindestens eine Injektionsöffnung in die mindestens eine Nut und Aushärten des Klebstoffes, wodurch das Verbindungselement fest mit dem mindestens einen Flanschende und somit der Speicherbehälter indirekt fest mit der mindestens einen Flanschaufnahme verbunden wird.
Demnach werden als zunächst mindestens ein Flanschende mit einer Flanschaufnahme und der Speicherbehälter gefertigt. Ist der Speicherbehälter fertiggestellt, wird dieser,
beziehungsweise seine Mantelfläche, zumindest teilweise mit einem Verbindungselement aus einem Faserverbundlaminat umhüllt, welches ausgehärtet wird. Nach dem Aushärten kann die mindestens eine Injektionsöffnung in den Bereich des Verbindungselements eingebracht werden, der bei dem Zusammenfügen aller Elemente den Verbindungsbereich mit der
Flanschaufnahme bilden wird. Dabei sollte die mindestens eine Injektionsöffnung so in das Verbindungselement eingebracht werden, dass sie nach dem Einfügen in die Flanschaufnahme mit der mindestens einen Nut der Flanschaufnahme korrespondiert. Im Anschluss wird der Speicherbehälter in die mindestens eine Flanschaufnahme eingesteckt oder eingesetzt, die den Speicherbehälter endseitig lose aufnimmt. Dabei wird das Flanschende und der mit dem Verbindungselement zumindest teilweise umhüllte Speicherbehälter so zueinander, also relativ zueinander, ausgerichtet, dass die mindestens eine Nut der mindestens einen
Flanschaufnahme mit der mindestens einen Injektionsöffnung des Verbindungselements korrespondieren. Nun wird ein Klebstoff durch die mindestens eine Injektionsöffnung in die mindestens eine Nut injiziert und ausgehärtet, wodurch das Verbindungselement fest mit dem mindestens einen Flanschende und somit der Speicherbehälter indirekt fest mit der
Flanschaufnahme verbunden wird.
Bei der Herstellung eines Strukturbauteils als Querträger, der in einen Fahrgestellrahmen eines Fahrzeuges eingebaut werden soll, werden daher zwei Flanschenden mit jeweils einer
Flanschaufnahme gefertigt, wobei jede dieser Flanschaufnahmen mindestens eine Nut aufweist. In das Verbindungselement werden nach dem Fertigen und Aushärten des
Faserverbundlaminats in den beiden sich ergebenden Verbindungsbereichen jeweils mindestens eine Injektionsöffnung eingebracht. Der Speicherbehälter wird nun endseitig in die beiden Flanschaufnahmen eingesteckt und lose von ihnen aufgenommen. Dabei müssen die Flanschenden und der Speicherbehälter so zueinander ausgerichtet werden, dass die mindestens eine Injektionsöffnung je Verbindungsbereich im Verbindungselement zu der jeweils mindestens einen Nut der jeweiligen Flanschaufnahme korrespondiert. Dann kann der Klebstoff in die jeweiligen Injektionsöffnungen eingebracht und ausgehärtet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das
Umhüllen des Speicherbehälters in einer Wickelvorrichtung, wobei der Speicherbehälter in, auf und/oder zwischen zwei Wickelkernen angeordnet ist. Der Speicherbehälter wird also beispielsweise zwischen zwei Wickelkernen eingesetzt und anschließend im
Nasswickelverfahren, wie es weiter oben schon beschrieben ist, zumindest teilweise mit einem Faserverbundlaminat umhüllt und dieses ausgehärtet. Sofern kein Speicherbehälter erforderlich wäre oder der Speicherbehälter keine konvexe Innenform aufweisen muss, kann das Umhüllen alternativ auch auf einem durchgehenden Wickelkern verwirklicht werden. Nach dem Aushärten des Faserverbundlaminats werden die Wickelkerne oder der Wickelkern entfernt.
In einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das den Speicherbehälter umhüllende Verbindungselement nach dem Aushärten zugeschnitten, also für das Zusammenfügen mit der mindestens einen Flanschaufnahme nicht erforderliche oder zu groß gefertigte Bereiche abgetrennt. Auch Anpassungen an besondere geometrische Anforderungen können durch das Zuschneiden realisiert werden, wie beispielsweise Aussparungen.
In noch einer weiteren Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Injizieren und Aushärten des Klebstoffes bei einer Temperatur von gleich oder unterhalb von 40 Grad Celsius, ganz besonders bevorzugt unterhalb von 25 Grad Celsius, durchgeführt. Damit kann das Zusammenfügen des mindestens einen Flanschendes mit dem Speicherbehälter und das Verkleben bei einer Temperatur erfolgen, die annähernd den Temperaturen im späteren Gebrauchszustand entspricht. Dies hat den Vorteil, dass das gefügte und verklebte
Strukturbauteil beim Aushärten des Klebstoffes oder danach keine großen
Temperaturunterschiede erfährt, die zu Spannungen in den Grenzschichten und/oder der Klebeschicht aufgrund von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten führen, in deren Folge Schädigungen bis hin zum Versagen des Bauteils entstehen könnten. Das sogenannte Spannungsnull beziehungsweise der spannungsarme Zustand des Strukturbauteils kann also auf ein günstigeres Temperaturniveau, insbesondere annähernd auf Raumtemperatur gesenkt werden.
Ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil und das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung dieses Strukturbauteils erlauben eine Funktionsintegration in Form eines Speicherbehälters, der innerhalb eines Strukturbauteils, wie beispielsweise in einem Querträger für einen
Fahrgestellrahmen eines Fahrzeuges angeordnet ist, und so Bauraum und gleichzeitig Gewicht zu sparen, und dennoch die Anforderungen an ein solches Strukturbauteil hinsichtlich Stabilität und Festigkeit zu erfüllen.
Durch das zumindest teilweise Umhüllen des Speicherbehälters mit einem Faserverbundlaminat ist eine flexible Gestaltung der Form und Größe des Speicherbehälters möglich. Von
besonderem Vorteil ist die Klebeverbindung zwischen dem Verbindungselement und der mindestens einen Flanschaufnahme: zum einen entsteht so eine feste Verbindung zwischen Verbindungselement und Flanschende und gleichzeitig eine indirekte feste Verbindung zwischen Speicherbehälter und Flanschaufnahme, so dass der Speicherbehälter im Rahmen des zur Verfügung stehenden Bauraums sich bei Temperaturerhöhungen ausdehnen und bei Temperaturverringerung zusammenziehen kann. Anderseits kann durch die Ausbildung der Klebeverbindung unabhängig vom Laminieren und Aushärten des Faserverbundlaminats ein Temperaturbereich gewählt werden, bei dem die Gefahr von Schädigungen infolge von
Spannungen aus unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, beispielsweise beim Abkühlen des gefügten Strukturbauteils, minimiert oder sogar vermieden werden können. Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen
Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen Fahrgestellrahmen 100 eines Nutzfahrzeugs N in einer perspektivischen
Darstellung mit einem als Einzelheit I herausgezogenen Querträger 1 , T als Strukturbauteil 10 als Stand der Technik,
Figur 2 eine Schnittdarstellung eines Querträgers 1 , T als Strukturbauteil 10 nach dem Stand der Technik,
Figur 3 eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils 10 in einem Fertigungsschritt,
Figur 4 eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils 10 in einem nächsten Fertigungsschritt,
Figur 5 eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils 10 in einem übernächsten Fertigungsschritt,
Figur 6 eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils 10 in einem weiteren Fertigungsschritt und
Figur 7 eine Schnittdarstellung eines Details A aus Figur 6.
Für die folgende Beschreibung der Figuren soll das in der Kraftfahrzeugindustrie allgemein verwendete Koordinatensystem Anwendung finden, wonach die in Längsrichtung eines
Fahrzeuges liegende Richtung mit„x“, die in der Horizontalen quer zur x-Richtung liegende Richtung mit„y“ und die in der Vertikalen quer zur x-Richtung liegende Richtung mit„z“ bezeichnet wird.
Figur 1 zeigt einen Fahrgestellrahmen 100 eines Fahrzeuges, insbesondere eines
Nutzfahrzeuges N, in einer perspektivischen Ansicht. Außerdem ist eine Einzelheit mit I gekennzeichnet und herausgezogen.
Das Nutzfahrzeug N umfasst mehrere Radachsen Y1 , Y2 und Y3, die quer zu den Längsträgern 2 des Fahrgestellrahmens 100 angeordnet sind. Zudem weist der Fahrgestellrahmen 100 mehrere Querträger 1 , T auf, wobei mindestens ein Querträger 1 , T parallel zu einer Radachse Y2, Y3 zumindest nahe einer Achsaufhängung angeordnet ist. Die herausgezogene Einzelheit I zeigt einen Querträger 1 , T, in dessen achsialer Verlängerung in y-Richtung die Achsaufhängung 3 ausgebildet ist. Der mit T bezeichnete Querträger ist ohne Achsaufhängung 3 ausgebildet. Ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil 10 kann als Querträger 1 , 1‘ für einen solchen Fahrgestellrahmen 100 ausgebildet und mit oder ohne Achsaufhängung 3 ausgebildet sein.
Der in Figur 1 dargestellte Querträger 1 , 1‘ kann einteilig aus Gusseisen oder als
Stahlkonstruktion ausgebildet sein.
Um die Fahrzeuge leichter zu gestalten, Bauraum zu schaffen und gleichzeitig C02-Emissionen einzusparen, wurden im Stand der Technik Querträger 1 , T als Strukturbauteile 10 mit integriertem Speicherbehälter 10E bekannt, wie ein solcher in Figur 2 beispielhaft dargestellt ist. Das in einem Schnitt gezeigte Strukturbauteil 10 weist einen Speicherbehälter 10E und zwei Flanschenden 10A mit jeweils einer Flanschaufnahme 10A-2 auf. Der Speicherbehälter 10E und die Flanschenden 10A sind über ein Verbindungselement 10B, das als
Faserverbundlaminat ausgebildet ist, zumindest teilweise umhüllt. Die Ausbildung des
Faserverbundlaminats erfolgt dabei in Nasswickelverfahren, wobei der Speicherbehälter 10E zwischen den Flanschenden 10A angeordnet wird und dann die Flanschenden 10A und der Speicherbehälter 10E in ihrer Gesamtheit dem Nasswickelverfahren zugeführt werden. Das so gebildete Strukturbauteil 10 erfährt dann als Ganzes einen Aushärteprozess bei erhöhten Temperaturen.
Zusätzlich zu der Umhüllung mit einem Faserverbundlaminat können die Flanschenden 10A mit dem Speicherbehälter 10E verklebt sein. Dazu muss jedoch ein Klebstoff 60 vor dem
Zusammensetzen der Flanschenden 10A mit dem Speicherbehälter 10E auf die Kontaktflächen aufgebracht werden.
Bei einem auf diese Weise gefertigten Strukturbauteil 10 nach dem Stand der Technik werden das Faserverbundlaminat und der Klebstoff 60 bei hohen Temperaturen ausgehärtet und vernetzt. Dabei entsteht in diesem hohen Temperaturbereich ein spannungsfreier
beziehungsweise spannungsarmer Zustand. Wenn nun das Strukturbauteil 10 abgekühlt wird, können infolge der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der verschiedenen eingesetzten Werkstoffe Spannungen in den Grenzflächen der einzelnen Bauteile und in den Klebeschichten entstehen, so das spannungsbedingte Schädigungen bis hin zum Versagen des Strukturbauteils 10 unter Belastung führen können. In den folgenden Figuren 3 bis 6 wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils 10 in einer bevorzugten Ausführungsform als Querträger für einen Fahrgestellrahmen 100 eines Nutzfahrzeuges N in einzelnen, ausgewählten
Verfahrensschritten veranschaulicht.
Dazu werden in dieser beispielhaften Ausführungsform zwei Flanschenden 10A, die später zur Befestigung des Strukturbauteils 10 an den Längsträgern 2 des Fahrgestellrahmens 100 verwendet werden, gefertigt. Die beiden Flanschenden 10A weisen jeweils eine
Flanschaufnahme 10A-2 auf. In diesen Flanschaufnahmen 10A-2 wiederum ist auf der
Oberfläche, die im zusammengefügten erfindungsgemäßen Strukturbauteil 10 dem
Verbindungselement 10B in dem dann gebildeten Verbindungsbereich 40 zugewandt ist, jeweils eine Nut 50 ausgebildet.
Außerdem wird ein Speicherbehälter 10E gefertigt, der mindestens eine Öffnung zum Befüllen und/oder Entnehmen eines Mediums aufweist. Die Außenkontur der beiden Enden des
Speicherbehälters 10E korrespondiert dabei mit der Innenkontur der Flanschaufnahmen 10A-2.
Figur 3 zeigt eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils in einem Fertigungsschritt. Der zuvor gefertigter Speicherbehälter 10E wird endseitig zwischen zwei Wickelkernen 80, die jeweils einen Wckelkamm 20 aufweisen, angeordnet. Diese Anordnung aus Speicherbehälter 10E und Wckelkernen 80 wird in eine Wckelvorrichtung 70 (nicht gezeigt) eingesetzt und dort beispielsweise unter Verwendung der Wickelkämme 20 mit einem Nasswickelverfahren zumindest teilweise mit einem Faserverbundlaminat umhüllt und ausgehärtet. Alternativ kann das Umhüllen auch mittels RTM-Verfahren (Abkürzung englisch: Resin Transfer Molding) erfolgen.
In Figur 4 ist der mit dem Verbindungselement 10B umhüllte Speicherbehälter 10E mit den Wckelkernen 80 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt, wie sie nach dem Aushärten und Abkühlen des Faserverbundlaminats aus der Wckelvorrichtung 80 entnommen werden. Nun werden überstehende Bereiche des das Verbindungselement 10B bildenden
Faserverbundlaminats getrennt beziehungsweise beschnitten. Dieser so genannte Verschnitt wird nun abgenommen und die Wckelkerne 80 entfernt. Es können aber auch in Abhängigkeit von der Geometrie des Faserverbundlaminats und der zuvor gebildeten Anordnung erst die Wckelkerne 80 entfernt und danach das Faserverbundlaminat zugeschnitten werden. Durch diesen Zuschnitt können auch spezifische Anforderungen an die Geometrie des Verbindungselements 10B erfüllt werden, beispielsweise in Form von Aussparungen.
Figur 5 zeigt das beschnittene Verbindungselement 10B, das den Speicherbehälter 10E umhüllt, in einer perspektivischen Ansicht. Dabei sind zwei zumindest teilweise überstehende Bereiche erkennbar, die nach dem Einstecken des Speicherbehälters 10E in die
Flanschaufnahmen 10A-2 zur Ausbildung eines Querträgers für einen Fahrgestellrahmen 100 eines Nutzfahrzeugs N die Verbindungsbereiche 40 ausbilden. In diese Verbindungsbereiche werden jeweils mindestens eine Injektionsöffnung 30 eingebracht, beispielsweise durch Bohren. Diese Injektionsöffnungen 30 werden so eingebracht, dass sie nach dem Fügen des
Speicherbehälters 10E mit den Flanschenden 10A mit den an den Flanschaufnahmen 10A-2 vorgesehenen Nuten 50 korrespondieren.
In Figur 6 ist eine Schnittdarstellung eines als Querträger für einen Fahrgestellrahmen 100 eines Nutzfahrzeugs N ausgebildeten erfindungsgemäßen Strukturbauteils 10 dargestellt. Der darin mit„A“ gekennzeichnete Teilbereich wird in Figur 7 detaillierter gezeigt.
Der mit dem Verbindungselement 10B umhüllte Speicherbehälter 10E ist dabei endseitig in die Flanschaufnahmen 10A-2 zweier Flanschenden 10A eingesteckt, wo er lose aufgenommen ist. Dabei wird der Speicherbehälter 10E mit dem ihn umhüllenden Verbindungselement 10B so ausgerichtet, dass die Injektionsöffnungen 30 in den Verbindungsbereichen 40 mit den Nuten 50 der Flanschaufnahmen 10A-2 korrespondieren. Dazu sei auch auf Figur 7 verwiesen. In dieser Figur 7 ist der in Figur 6 mit„A“ gekennzeichnete Detailbereich vergrößert dargestellt. Dabei ist die korrespondierende Anordnung von Injektionsöffnung 30 und Nut 50 erkennbar.
Zudem kann der Figur 7 entnommen werden, dass die Breite b der Nut 50 etwa 60 % bis 95 % der Breite bv des Verbindungsbereiches entspricht. Gemäß der zuvor erfolgten Definition des Koordinatensystems sind die Breite b und die Breite b entlang der y-Richtung ausgerichtet. Um einen sicheren und dauerhaften Verbund zwischen dem Verbindungselement 10B und den Flanschaufnahmen 10A-2 sicherzustellen, ist die Nut 50 an jedem der beiden
Flanschaufnahmen 10A-2 jeweils umlaufend um die gesamte dem Verbindungselement 10B zugewandte Fläche ausgebildet. Durch die Injektionsöffnungen 30 ist ein Klebstoff 60, der auf Polyurethanbasis gebildet ist, eingebracht und füllt die Nute 50 weitgehend vollständig aus. Das Einbringen des Klebstoffes 60 kann vorteilhafterweise bei Raumtemperatur, also unterhalb von 25 Grad Celsius erfolgen. Alternativ können auch Klebstoffe 60 auf Acrylatbasis oder
Epoxydharzbasis verwendet werden. Nach dem Aushärten des Klebstoffes 60 ist das Verbindungelement 10B fest mit den
Flanschenden 10A und somit der Speicherbehälter 10E indirekt fest mit den Flanschaufnahmen 10A-2 verbunden. Vorbehaltlich einer Ausbildung eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils 10 mit weiteren Bauteilen ist dieses nun fertiggestellt und zum Einbau in einen Fahrgestellrahmen 100 eines Nutzfahrzeuges N bereit.
Bezugszeichenliste
1 Querträger
1‘ Querträger
2 Längsträger
3 Achsaufhängung
10 Strukturbauteil
100 Fahrgestellrahmen
10A Flanschende
10A-2 Flanschaufnahme
10B Verbindungselement
10E Speicherbehälter (Liner)
20 Wickelkamm
30 Injektionsöffnung
40 Verbindungsbereich
50 Nut
60 Klebstoff
70 Wckelvorrichtung
80 Wckelkern
N Fahrzeug
b Breite der Nut (50)
bv Breite des Verbindungsbereiches (40)
x Längsrichtung eines Fahrzeugs
y Richtung in der Horizontalen quer zur Längsrichtung x z Richtung in der Vertikalen quer zur Längsrichtung x

Claims

Patentansprüche
1. Strukturbauteil (10) für einen Fahrgestellrahmen (100) eines Fahrzeuges (N) mit
mindestens einem Flanschende (10A), das zur Befestigung des Strukturbauteils (10) an dem Fahrgestellrahmen (100) ausgebildet ist, und einem Speicherbehälter (10E),
wobei das mindestens eine Flanschende (10A) eine Flanschaufnahme (10A-2) aufweist, die den Speicherbehälter (10E) endseitig lose aufnimmt,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Speicherbehälter (10E) zumindest teilweise mit einem als
Faserverbundlaminat ausgebildeten Verbindungselement (10B) umhüllt ist, das die Flanschaufnahme (10A-2) des mindestens einen Flanschendes (10A) in einem
Verbindungsbereich (40) zumindest teilweise umgreift, und
in dem Verbindungsbereich (40) an der dem Verbindungselement (10B) zugewandten Oberfläche der Flanschaufnahme (10A-2) mindestens eine Nut (50) zur Aufnahme eines Klebstoffes (60) vorgesehen ist, und
in dem Verbindungsbereich (40) in das Verbindungselement (10B) korrespondierend zu der mindestens einen Nut (50) mindestens eine Injektionsöffnung (30) zum Einbringen des Klebstoffes (60) eingebracht ist, und
durch die mindestens eine Injektionsöffnung (30) in die mindestens eine Nut (50) der Klebstoff (60) injiziert und ausgehärtet ist, so dass das Verbindungselement (1 OB) fest mit dem mindestens einen Flanschende (10A) und somit der Speicherbehälter (10E) indirekt fest mit der mindestens einen Flanschaufnahme (10A-2) verbunden ist.
2. Strukturbauteil (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkontur der Flanschaufnahme (10A-2) des mindestens einen Flanschendes (10A) eine mit der Außenkontur des Speicherbehälters (10E) korrespondierende Form aufweist.
3. Strukturbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Klebstoff (60) gebildet ist auf Acrylatbasis, Epoxydharzbasis und/oder Polyurethanbasis.
4. Strukturbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Nut (50) um die Flanschaufnahme (10A-2) umlaufend ausgebildet ist.
5. Strukturbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Breite (b) der Nut (50) etwa 60 % bis 95 % der Breite (bv) des Verbindungsbereiches (40) beträgt.
6. Strukturbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass
das Strukturbauteil (10) ein in einem Fahrgestellrahmen (100) anordbarer Querträger 1 , 1‘ ist, der zwei Flanschenden (10A) mit jeweils einer Flanschaufnahme (10A-2) aufweist, die den Speicherbehälter (10E) endseitig lose aufnehmen, wobei
an jedem der beiden Flanschenden (10A) ein Verbindungsbereich (40) zwischen jeweils einer Flanschaufnahme (10A-2) und dem Verbindungselement (1 OB) gebildet ist, und
in jedem der beiden Verbindungsbereiche (40) jeweils an der dem Verbindungselement (1 OB) zugewandten Oberfläche der jeweiligen Flanschaufnahme (10A-2) mindestens eine Nut (50) vorgesehen ist, und
in jedem der beiden Verbindungsbereiche (40) jeweils korrespondierend zu der mindestens einen Nut (50) mindestens eine Injektionsöffnung (30) in dem
Verbindungselement (10B) eingebracht ist.
7. Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteiles (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mindestens folgenden Schritten:
a) Fertigen mindestens eines Flanschendes (10A) mit einer Flanschaufnahme (10A-2), wobei die Flanschaufnahme (10A-2) mindestens eine Nut (50) aufweist, und
b) Fertigen eines Speicherbehälters (10E) und
c) Umhüllen der Mantelfläche des Speicherbehälters (10E) zumindest teilweise mit einem Verbindungselement (10B) aus einem Faserverbundlaminat und Aushärten des Faserverbundlaminats, dadurch gekennzeichnet, dass
d) mindestens eine mit der mindestens einen Nut (50) korrespondierende
Injektionsöffnung (30) in mindestens einen Verbindungsbereich (40) des
Verbindungselements (10B) mit der mindestens einen Flanschaufnahme (10A-2) eingebracht wird und
e) der mit dem Verbindungselement (10B) umhüllte Speicherbehälter (10E) in die mindestens eine Flanschaufnahme (10A-2) eingesteckt wird, so dass die mindestens eine Flanschaufnahme (10A-2) den Speicherbehälter (10E) lose aufnimmt und die mindestens eine Injektionsöffnung (30) mit der mindestens einen Nut (50)
korrespondiert, und
f) ein Klebstoff (60) durch die mindestens eine Injektionsöffnung (30) injiziert und ausgehärtet wird, wodurch das Verbindungselement (1 OB) fest mit der mindestens einen Flanschaufnahme (10A) und somit der Speicherbehälter (10E) indirekt fest mit der mindestens einen Flanschaufnahme (10A-2) verbunden wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Umhüllen der
Mantelfläche des Speicherbehälters (10E) in einer Wickelvorrichtung (70) erfolgt, wobei der Speicherbehälter (10E) während des Umhüllens in, auf und/oder zwischen zwei Wckelkernen (80) angeordnet ist.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das den
Speicherbehälter (10E) umhüllende Verbindungselement (10B) nach dem Aushärten zugeschnitten wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das
Injizieren und Aushärten des Klebstoffes (60) bei einer Temperatur von gleich oder unterhalb von 40 Grad Celsius durchgeführt wird.
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