DE10017205B4 - Karosserie-oder Fahrwerksbauteil - Google Patents

Abstract

Karosserie- oder Fahrwerksbauteil mit zumindest einer partiellen Carbonfaser-Verstärkung (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Carbonfaser-Verstärkung (6) aus mittels Ultraschallschweißen in das Bauteil (1) eingearbeiteten Carbonfasern (7) besteht.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Karosserie- oder Fahrwerksbauteil und ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridwerkstoffs für die Fertigung von Karosserie- oder Fahrwerksbauteilen.
• Karosserie- und Fahrwerksbauteile von Kraftfahrzeugen unterliegen im Betrieb hohen statischen und dynamischen Belastungen. Überwiegend werden derzeit bei der Herstellung solcher Bauteile unlegierte oder niedriglegierte Stähle verwendet. Diese stellen einen Kompromiss zwischen der Umformbarkeit und der Streckgrenze des Werkstoffs dar, weil mit steigender Streckgrenze im allgemeinen die Umformbarkeit des Werkstoffs sinkt und die nach einer Kaltumformung verbleibende Restbruchdehnung verringert wird. Höherfeste Stähle können oftmals nur durch Warmumformung zu Endprodukten verarbeitet werden.
• Der Einsatz von Leichtmetallwerkstoffen wie Aluminium ermöglicht gegenüber Stahlkonstruktionen eine Gewichtsreduzierung und eine Steigerung der Korrosionsbeständigkeit. Die Leichtmetallwerkstoffe bringen jedoch nicht immer die besten Voraussetzungen hinsichtlich der Steifigkeit und des Betriebsfestigkeitsverhaltens mit sich.
• Die verschiedenen Karosserie- bzw. Fahrwerksbauteile werden heute teilweise überdimensioniert, weil die Wanddicke der Bauteile nach der höchsten Belastung ausgelegt wird, obwohl in niedriger belasteten Bereichen diese maximale Wanddicke gar nicht benötigt würde. Aus diesen Gründen werden, der generellen Tendenz zum Leichtbau folgend, zunehmend sogenannte Tailored Blanks verwandt. Hierbei handelt es sich um zusammengeschweißte Blechplatinen unterschiedlicher Festigkeitseigenschaften und/oder unterschiedlicher Blechdicke. Die hieraus gefertigten Karosserie- oder Fahrwerksbauteile sind dann in unterschiedlichen Bauteilzonen hinsichtlich ihrer Dicke auf die im Fahrbetrieb auftretenden Belastungen bzw. Spannungen unter Einhaltung notwendiger Sicherheitsfaktoren abgestimmt.
• Die Herstellung der Tailored Blanks ist jedoch aufwendig. Auch ist deren weitere Umformung wegen der Blechdickensprünge nicht unproblematisch. Grundsätzlich muss aber herausgestellt werden, dass diese Technik innovativ ist.
• Die EP 0 232 738 A2 offenbart eine selbst- oder mittragende Karosserie, deren Untergestell und der Aufbau in bekannter Weise aus Blech bestehen, welche miteinander durch Schweißen verbunden sind. Um die Karosserie zu verstärken, werden auf der Innenseite großflächig dünne Matten mittels eines reaktionshärtenden Kunstharzes verklebt. Als Werkstoff für die Matten können Glasfasern, Kohlefasern oder Fasern aus reißfestem Kunststoff verwendet werden.
• Im Umfang der DE 197 08 143 A1 wird eine Radialkolbenpumpe behandelt mit einem Kolben, dessen exzenterseitiges Ende verstärkt ist. Soweit der Kolben aus Kunststoff besteht kann die Verstärkung aus Glasfasern bestehen. Möglich ist auch die Verwendung eines Verstärkungseinsatzes, der durch Ultraschallschweißen eingeschweißt wird oder als Einlegeteil beim Spritzen des Kolbens eingefügt werden soll.
• Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, Karosserie- oder Fahrwerksbauteile betriebstechnisch zu verbessern und bei material- und gewichtssparender Bauweise die Abstimmung auf die in unterschiedlichen Bauteilzonen auftretenden Belastungen effizienter zu gestalten. Desweiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines innovativen Hybridwerkstoffs für die Fertigung von Karosserie- oder Fahrwerksbauteilen aufzuzeigen.
• Der gegenständliche Teil der Aufgabe wird durch Anspruch 1 gelöst. Danach besitzen die erfindungsgemäßen Karosserie- bzw. Fahrwerksbauteile zumindest eine partielle Carbonfaser-Verstärkung aus mittels Ultraschallschweißen in das Bauteil eingearbeitete Carbonfasern bzw. einem Carbonfasergewebe.
• Durch die Carbonfaser-Verstärkung kann eine gezielte Versteifung in kritischen Bereichen der Karosserie- oder Fahrwerksbauteile erzielt werden, beispielsweise in Beul- und Knickbereichen oder in rissgefährdeten Bereichen der Bauteile. Auf diese Weise ist eine vorteilhafte Abstimmung der Festigkeit und Steifigkeit in verschiedenen Bauteilzonen und die hier zu erwartenden Belastungen möglich.
• Carbonfasern haben bei ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften eine wesentlich niedrigere Dichte als Metalle. Hierdurch kann zu einer weiteren Gewichtsreduzierung der Karosserie- bzw. Fahrwerksbauteile beigetragen werden.
• Die Carbonfaser-Verstärkung kann grundsätzlich aus Fasern, Gewebe, Gewirke ebenso wie aus Fasersträngen gebildet sein. Die Wahl der Fasern ist abhängig von den geforderten mechanischen Eigenschaften des partiell verstärkten Karosserie- bzw. Fahrwerksbauteils, insbesondere hinsichtlich Zug- und Schlagfestigkeit sowie Steifigkeit. Hieraus resultiert eine bestmögliche Anpassung auf die betrieblichen Beanspruchungen bei einer Minimierung der Bauteilmasse.
• Einzelne Carbonfasern oder ein Carbonfasergewebe werden gezielt appliziert. Anschließend erfolgt die Ultraschallverschweißung. Hierbei werden die Teile unter Druck mechanischen Schwingungen im Ultraschallbereich ausgesetzt und dadurch miteinander verbunden. Es tritt sowohl eine Erwärmung des Grundwerkstoffs der Karosserie- bzw. Fahrwerksbauteile als auch ein Aufreißen der ein Verbinden verhindernden Oberflächenschichten (Oxide) auf. Der Grundwerkstoff aus Metall oder Kunststoff, vorzugsweise aber Leichtmetall, insbesondere Aluminium, Magnesium bzw. deren Legierungen, wird durch die Ultraschallerwärmung in einen breiigen bis flüssig-teigigen Aggregatzustand gebracht. Durch entsprechend abgestimmten Druck werden die Carbonfasern in die Matrix des Grundwerkstoffs eingebettet. Die innige Verbindung zwischen den verschiedenartigen Materialien stellt sich beim Abkühlen ein.
• Die wesentlichen Eigenschaften des Grundwerkstoffs der Karosserie- bzw. der Fahrwerksbauteile mit den versteifenden Eigenschaften der Carbonfasern werden vorteilhaft kombiniert. Die erfindungsgemäßen Karosserie- oder Fahrwerksbauteile zeichnen sich durch ihr gutes Betriebsfestigkeitsverhalten aus. Die Bauteile sind hoch beanspruchbar bei geringer Rissanfälligkeit. Die Carbonfasern wirken insbesondere in hoch belasteten Bereichen als Rissstopper und unterdrücken eine Ausbreitung von Rissansätzen. Infolge der höheren Festigkeitswerte ist es möglich, die Wanddicken der Bauteile weiter zu reduzieren, wodurch eine zusätzliche Gewichts- und Kosteneinsparung erzielt werden kann.
• Verfahrensmäßig wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch Anspruch 2 gelöst. Kernpunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens bildet die Maßnahme, die Carbonfasern mit dem Grundwerkstoff durch Ultraschallschweißen zu verbinden.
• Beim Ultraschallschweißen erzeugen hochfrequente mechanische Schwingungen eine örtliche Reibung zwischen dem zu verbindenden Grundwerkstoff und den Carbonfasern, welche zusammengepresst werden. Die Schweißteile liegen auf einem Werkstückhalter. Die Zuführung der Energie erfolgt durch senkrecht zur Oberfläche verlaufende Ultraschallschwingungen, die den Grundwerkstoff teilweise aufschmelzen, wodurch die Carbonfasern unter Druckeinwirkung in den Grundwerkstoff eingebettet werden. Beim anschließenden Abkühlen entsteht eine innige Verbindung zwischen den Fasern und der Matrix des Grundwerkstoffs.
• Der so entstandene Hybridwerkstoff kombiniert die Vorteile einer hohen Steifigkeit und Festigkeit bei geringem Gewicht sowie einer geringen Sprödigkeit und Rissanfälligkeit. Seine materialspezifischen Eigenschaften ergeben sich additiv aus denen des Grundwerkstoffs und der Carbonfasern. Der Hybridwerkstoff ist auf den Verwendungszweck als Karosserie- oder Fahrwerksbauteil synergetisch angepasst und kann mit üblichen Fertigungsverfahren zu den Karosserie- bzw. Fahrwerksbauteilen weiter verarbeitet werden.
• Vorzugsweise kommt Leichtmetall, insbesondere Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung, als Grundwerkstoff zur Anwendung (Anspruch 3). Aluminium weist eine hohe Duktilität auf. Der carbonfaserverstärkte Hybridwerkstoff zeichnet sich durch eine geringe Rissanfälligkeit bei größerer Dehnung aus. Aluminium nimmt ferner keine Feuchtigkeit auf, so dass auch von einer hohen Langzeitfestigkeit auszugehen ist. Durch den festen Einschluss der Carbonfasern im Aluminium wird ein Eindiffundieren von Feuchtigkeit in diese vermieden.
• Grundsätzlich ist es auch möglich, dass ein Formkörper aus Kunststoff den Grundwerkstoff bildet, worauf Anspruch 4 abzielt. In den Formkörper werden Karbonfasern zumindest in betrieblich stark belasteten Bereichen ultraschweißtechnisch eingebettet.
• Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben.
• Die Figur zeigt einen Querlenker 1 mit zwei annähernd rechtwinklig zueinander angeordneten Schenkeln 2 und 3. Der Querlenker 1 ist aus Aluminium, welches den Grundwerkstoff 4 bildet. Im Übergangsbereich 5 zwischen Schenkel 2 und Schenkel 3, welcher im Fahrbetrieb statisch und dynamisch hoch belastet ist, weist der Querlenker 1 eine partielle Carbonfaser-Verstärkung 6 auf.
• Die Carbonfaser-Verstärkung 6 besteht aus mittels Ultraschallschweißen im Übergangsbereich 5 in den Querlenker 1 eingearbeitete Carbonfasern 7. Vorzugsweise kommt ein Carbonfasergewebe zur Anwendung.
• Beim Fügevorgang wird das Aluminium 4 im Übergangsbereich 5 durch die Ultraschallerwärmung in einen breiigen bis teigig-flüssigen Aggregatzustand gebracht. Unter spezifisch abstimmbarem Druck des Fügewerkzeugs werden dann die Carbonfasern 7 in die Aluminiummatrix gedrückt. Mit dem Abkühlen ergibt sich eine innige Verbindung zwischen dem Grundwerkstoff 4 und den Carbonfasern 7.
• Der Querlenker 1 zeichnet sich bei geringem Gewicht durch eine hohe Steifigkeit im stark belasteten Übergangsbereich 5 aus. Der Querlenker 1 besitzt zudem gutes Festigkeitsverhalten bei geringen Dehnungen sowie geringer Sprödbrüchigkeit und Rissanfälligkeit. Die vorteilhaften mechanischen Eigenschaften des Aluminiums 4 und der Carbonfasern 7 werden gezielt kombiniert, wobei die ultraschweißtechnische Verbindung der beiden Werkstoffe für die Praxis eine rationelle Vorgehensweise darstellt.
• Besonders vorteilhaft wird durch die Carbonfaser-Verstärkung 6 eine Versteifung in den kritischen Bereichen von Karosserie- oder Fahrwerksbauteilen, insbesondere in Beul- oder Knickbereichen ebenso wie in durch Dauerwechselbelastung rissgefährdeten Bereichen erzielt.

1

Querlenker

2

Schenkel

3

Schenkel

4

Grundwerkstoff

5

Übergangsbereich

6

Carbonfaser-Verstärkung

7

Carbonfaser

Claims (4)

1. Karosserie- oder Fahrwerksbauteil mit zumindest einer partiellen Carbonfaser-Verstärkung (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Carbonfaser-Verstärkung (6) aus mittels Ultraschallschweißen in das Bauteil (1) eingearbeiteten Carbonfasern (7) besteht.
2. Verfahren zur Herstellung eines Hybridwerkstoffs für die Fertigung von Karosserie- oder Fahrwerksbauteilen, dadurch gekennzeichnet, dass Carbonfasern (7) mit einem Grundwerkstoff (4) durch Ultraschallschweißen verbunden werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Leichtmetall, vorzugsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, als Grundwerkstoff (4) verwendet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Formkörper aus Kunststoff den Grundwerkstoff bilden.