Diagonalstrebenvorrichtung verstärkter Kraftfahrzeugunterboden

Die Erfindung betrifft eine Diagonalstrebenvorrichtung zur aussteifenden Anordnung an einem Unterboden eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zu der Herstellung der Diagonalstrebenvorrichtung bei dem eine Mehrzahl an Streben aus einem faserverstärkten Kunststoffverbundmaterial mit jeweils einem ersten Endabschnitt nahe zueinander angeordnet und gefügt werden sowie einen Kraftfahrzeugunterboden nach dem Oberbegriff des

Patentanspruchs 13, in dem die Diagonalstrebenvorrichtung zum Einsatz kommt.

Diagonalstreben zur Anordnung am Unterboden eines Kraftfahrzeugs sind zur Erhöhung der Torsionssteifigkeit bekannt. Dies ist insbesondere bei Cabrios mit selbsttragender Karosserie aufgrund der fehlenden starren Dachstruktur wichtig. Über die Diagonalstreben werden Zug- und Druckkräfte von äußeren Randbereichen der Karosserie bis in einen weiter innen nahe einer vertikalen Fahrzeuglängsmittelebene liegenden Bereich beispielsweise über die Reserveradmulde eingeleitet. Diese Zug- und Druckkräfte entstehen durch unerwünschte Schwingungen und Verwindungen der Karosserie, die im Fahrbetrieb auftreten können, wodurch nachteilig Fahrsicherheit und -komfort beeinträchtigt werden und die Fahrzeugstruktur belastet wird.

So beschreibt die DE 10 2004 018 977 A1 ein Fahrzeug mit erweiterten Möglichkeiten des Strebenverlaufs und ihrer Anbindung an der Karosserie. Dazu weist das Fahrzeug vier aussteifende Streben auf, die an einem Verbindungsträger befestigt sind, der in der vertikalen Längsmittelebene des Fahrzeugs frei unter dem Unterboden und mit Abstand zu diesem angeordnet ist. Die Streben erstrecken sich von diesem Verbindungsträger weg und sind an ihren von dem Verbindungsträger abgewandten Enden an die Karosserie in deren Unterbodenbereich angebunden. Die Streben können aus Metall oder einem faserverstärkten Kunststoff gebildet sein.

Im Zuge der Leichtbauweise der Kraftfahrzeuge finden immer mehr Hybridbauelemente Verwendung, die unterschiedliche Materialien verbinden, beispielsweise Leichtmetallelemente mit faserverstärkten Kunststoffen. So offenbart die DE 698 36 259 T2 ein Leichtmetall/CFK-Bauelement, bei dem ein Kohlefaserkunststoffmaterial auf ein Leichtmetallmaterial mittels einer Haftschicht aufgeklebt ist, die ein Epoxyhaftmittel enthält und in ei- ner Dicke von 10 bis 500 μιτι vorgesehen ist. Die Haftschicht soll zur Vermeidung von Kontaktkorrosion zwischen dem Kohlefasernkunststoffmaterial und dem Leichtmetallmaterial einen spezifischen Volumenwiderstand von mindestens 1 -10 ¹³ Ω-cm und eine Haftfestigkeit bei Raumtemperatur von zumindest 15 MPa aufweisen.

Aus der DE 102006 047 51 1 A1 ist ein gewichtsoptimierter Achsträger aus einem

Leichmetall-Werkstoff oder aus einem Nichteisenmetall-Werkstoff, beispielsweise aus einem faserverstärktem Kunststoff, bekannt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ergibt sich die Aufgabe, eine die Torsionsstei- figkeit eines Kraftfahrzeugs erhöhende Diagonalstrebenvorrichtung zur Anordnung an einem Kraftfahrzeugunterboden bereitzustellen, die dem Leichtbaugedanken Rechnung trägt und damit hohe Zug- und Druckfestigkeit mit geringem Gewicht verbindet und einfach in wenigen Schritten gefertigt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Diagonalstrebenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 , sowie einen Kraftfahrzeugunterboden mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.

Weiterbildungen der Vorrichtung und des Verfahrens sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.

Ferner wird durch die Verwendung der Diagonalstrebenvorrichtung an dem Unterboden eines Kraftfahrzeugs gemäß den Merkmalen des Anspruchs 13 ein verbesserter Kraftfahrzeugunterboden offenbart.

Eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Diagonalstrebenvorrichtung, die zur aussteifenden Anordnung an einem Unterboden eines Kraftfahrzeugs geeignet ist, bezieht sich darauf, dass die Diagonalstrebenvorrichtung mehrere Streben umfasst, die aus einem faserverstärkten Kunststoffverbundmaterial bestehen und die sich von einem Zentralknotenelement weg erstrecken. Die Diagonalstrebenvorrichtung kann über die von dem Zentralknotenelement abgewandten Enden der Streben an dem Unterboden angebunden werden. Dazu weist jede Strebe an ihrem von dem Zentralknotenelement abgewandten Ende ein erfindungsgemäßes Anbindungsknotenelement auf, das genau wie das Zentralknotenelement, aus einem Leichtmetallmaterial ausgeführt ist. Damit führen die erfindungsgemäßen Anbindungsknotenelemente zusammen mit den FVK-Streben vorteilhaft zu einem deutlich geringeren Gewicht der Aussteifungskonstruktion als die herkömmlich verwendeten Diagonalstreben aus Stahlmaterial.

Durch die fachwerkartige Konstruktion der Diagonalstrebenvorrichtung aus mehreren Streben, die einenends über einen Knoten verbunden sind und deren andere Enden an der Karosserie festlegbar sind, entstehen in den einzelnen FVK-Streben nur Zug- und Druckkräfte, wodurch die hohe Torsionssteif ig keit der Diagonalstrebenvorrichtung zu Stande kommt. Über diese können die Zug- und Druckkräfte, die an einem Kraftfahrzeugunterboden mit erfindungsgemäßer Diagonalstrebenvorrichtung vorliegen, in die Karosserie eingeleitet werden. Vorteilhaft sind die Zentral- und Anbindungsknotenelemente als Gussknotenelemente ausgeführt und so stoffschlüssig mit den Streben verbunden, indem die Zentral- und Anbindungsknotenelemente einfach an die Streben angegossen sind.

Denkbar ist aber auch, dass die Streben an ihren Endabschnitten in die Zentral- und Anbindungsknotenelemente nicht nur an- sondern eingegossen sind, oder dass die Streben zumindest an den Endabschnitten ein Hohlprofil aufweisen, in das sich das gegossene Zentralknotenelement und/oder das Anbindungsknotenelement erstreckt. Für die Vielzahl von Gussverbindungen zwischen Streben und Knotenelementen kommt auch eine Kombination der vorgenannten Verbindungstypen in Frage.

Zudem können die Streben der Diagonalstrebenvorrichtung an ihren Endabschnitten, an denen die Knoten an- oder eingegossen werden, Durchbrüche aufweisen, die durch das Gussmaterial der Gussverbindung durchdrungen werden und einen Formschluss ausbilden. Alternativ oder zusätzlich können die Endabschnitte der Streben mit Strukturen versehen sein, die durch das Gussmaterial der Gussverbindung formschlüssig umgeben werden.

In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Diagonalstrebenvorrichtung ist vorgesehen, dass die Streben zumindest an ihren Endabschnitten, an denen die Gussverbindung vorgesehen ist, mit einer thermisch isolierenden Beschichtung versehen sind. Diese thermisch isolierende Beschichtung verhindert während des Angießens der Knotenelemente eine Beschädigung des FVK-Materials der Streben. Alternativ oder zusätzlich zur thermisch isolierenden Beschichtung kann eine metallische Beschichtung der Endabschnitte sinnvoll sein, so dass die metallische Beschichtung die stoffschlüssige Verbindung mit den gegossenen Knotenelementen bereitstellt. Auch ist es denkbar, die Streben zumindest an ihren Endabschnitten mit einer haftverbessernden Beschichtung auszustatten, die beispielsweise eine strukturierte Oberfläche aufweist und somit eine mechanische Verklammerung des Gussknotenelements an den Endabschnitten bewirkt.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform der Diagonalstrebenvorrichtung bezieht sich darauf, dass die Diagonalstrebenvorrichtung Fügehilfsmittel aufweist, mittels derer sie einfacher an den Kraftfahrzeug-Unterboden, der gegebenenfalls korrespondierende Fügemittel aufweisen kann, gefügt werden kann. Die Fügehilfsmittel sind an den Anbin- dungsknotenelementen vorgesehen und es kann sich dabei um Bohrungen, Inserts, Gewinde, Klebeflächen, Clinchelemente und/oder Schweißflächen handeln.

Ferner kann die stoffschlüssige Gussverbindung der Streben mit dem Zentralknotenelement und den Anbindungsknotenelementen zusätzlich durch eine kraftschlüssige Verbindung, die durch die Verwendung von Nieten oder Schrauben erreicht werden kann, verstärkt werden, die die Anbindung eines jeweiligen Elements an den Streben sichert.

Die Streben der Diagonalstrebenvorrichtung können FVK-Pultrusionsprofile sein, die insbesondere einen Faseranteil von bis zu 70 %, bezogen auf das Gesamtgewicht der Profile, und damit eine hohe Zug- und Druckfestigkeit aufweisen können.

Bevorzugt wird die Diagonalstrebenvorrichtung aus bis zu vier Streben gebildet. In einer besonderen Ausführungsform wird die Diagonalstrebenvorrichtung aus vier Streben gebildet, die X-förmig an dem Zentralknotenelement angeordnet sind. Bei einer solchen Diagonalstrebenvorrichtung, aber auch bei hinsichtlich der Strebenanzahl oder -an- ordnung anders ausgeführten Diagonalstrebenvorrichtungen, können die Streben in Bezug zueinander geneigt an dem Zentralknotenelement angeordnet sein, so dass das Zentralknotenelement von der Ebene, die die an den anderen Enden der Streben befindlichen Anbindungselemente aufspannen, beabstandet ist. Diese Beabstandung ermöglicht auch die Anbringung der Diagonalstrebenvorrichtung an einem Unterboden mit schwierigen Karosserieverhältnissen.

Bei dem Leichtmetallmaterial zur Bildung der Knotenelemente handelt es sich um ein Leichtmetall oder eine Leichtmetalllegierung wie Aluminium oder Magnesium beziehungs- weise deren Legierungen beispielsweise mit Silicium.

Ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren für die Diagonalstrebenvorrichtung umfasst die Schritte:

- Bereitstellen der FVK-Streben und Einlegen in ein Druckgusswerkzeug, wobei die FVK- Streben mit einem ersten Endabschnitt nahe zueinander in einem zur Ausbildung des Zentralknotenelements vorgesehenen Bereich in einer Kavität und mit ihren zweiten Endabschnitten beabstandet voneinander in jeweils einem zur Ausbildung der Anbindungs- knotenelemente vorgesehenen Bereich in einer Kavität zu liegen kommen,

- Schließen des Werkzeugs und Druckgießen eines geschmolzenen Leichtmetallmaterials in die Kavitäten, dabei Ausbilden des Zentralknotenelements und der Anbindungsknoten- elemente und gleichzeitig stoffschlüssig Verbinden des Zentralknotenelements und der Anbindungsknotenelemente mit den Streben, und

- Entnehmen der Diagonalstrebenvorrichtung.

Das Herstellungsverfahren erfordert vorteilhaft lediglich das Einlegen der FVK-Streben in das Werkzeug und das Umgießen mit Leichtmetallguss und ist daher einfach und effizient auszuführen. Weitere Schritte zum Zusammenfügen der Zentralknoten- und Anbindungsknotenelemente mit den Streben entfallen.

Während des Druckgießens kann die Wärme der Leichtmetallschmelze mittels eines Kühlsystems des Werkzeugs abgeführt werden, um eine Beschädigung der FVK-Streben zu vermeiden.

Alternativ oder additiv dazu kann eine thermisch isolierende und geschlossene Schicht auf eine Oberfläche eines Abschnitts der faserverstärkten Kunststoff-Strebe, der von einem flüssigen Leichtmetall oder einer flüssigen Leichtmetalllegierung umgössen werden soll, aufgebracht werden. Die thermisch isolierende Schicht ist vorzugsweise thermisch beständig, stabil, geschlossen und/oder gasdicht. Vorzugsweise weist die thermisch isolierende Schicht wenigstens ein metallisches oder keramisches oder polymeres Material oder eine Kombination der vorgenannten Materialien auf. Die thermisch isolierende Schicht weist eine bevorzugte Dicke von 10 μιη bis 1000 μηι auf. Die thermisch isolierende Schicht weist ferner vorzugsweise eine die Haftung des Leichtmetallmaterials auf der faserverstärkten Kunststoff-Strebe unterstützende Beschaffenheit auf. Das Aufbringen der thermisch isolierenden Schicht kann vorzugsweise mittels Wickeln, Tauchen, Sprü- hen, Pulverbeschichten, Schleuderbeschichten, Plasmaspritzen oder auf eine andere geeignete Weise erfolgen.

Die erfindungsgemäße Diagonalstrebenvorrichtung eignet sich zur aussteifenden Anordnung an einem Unterboden eines Kraftfahrzeugs, wobei das Zentralknotenelement der Diagonalstrebenvorrichtung unter dem Unterboden in einer vertikalen Längsmittelebene des Kraftfahrzeugs angeordnet wird und die Diagonalstrebenvorrichtung mittels der An- bindungsknotenelemente mit dem Unterboden in der Montage oder im Rohbau vernietet, verschraubt, geklebt, geclincht und/oder verschweißt wird.

Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.

Dabei zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der

Diagonalstrebenvorrichtung,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht von unten auf eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Diagonalstrebenvorrichtung.

Die erfindungsgemäße Diagonalstrebenvorrichtung bezieht sich auf eine beispielhaft in den Figuren dargestellte sogenannte Fachwerkskonstruktion.

Die Diagonalstrebenvorrichtung 1 besteht aus vier pultrudierten FVK-Profilstreben 2, die über einen zentralen Leichtmetallgussknoten 3 miteinander verbunden sind. Selbstverständlich ist eine andere Strebenanzahl, etwa sechs Streben, möglich. Die zur Anbindung an einen Kraftfahrzeug-Unterbau vorgesehenen Anbindungsknotenelemente 4 bestehen ebenfalls aus einem Leichtmetallmaterial. Die so gestaltete Diagonalstrebenvorrichtung 1 kann am Unterboden in der Montage oder auch schon im Rohbau befestigt werden. Dies wird durch die gegossenen Anbindungsknotenelemente 4 ermöglicht, die dazu

entsprechende Fügehilfsmittel aufweisen können. Durch den Einsatz eines Leichtmetallmaterials zur Schaffung der Knoten 3,4 kann der Gewichtsvorteil der FVK-Streben 2 erhalten bleiben. Leichtmetallmaterialien sind Leichtmetalle und Legierungen mit einer Dichte unter 5 g/cm ³ . Vor allem Aluminium, Magnesium, Titan sowie in geringem Umfang Beryllium und Lithium finden technischen Einsatz. Sowohl für Aluminium- als auch Magnesiumlegierungen lassen sich im Druckguss Bauteile endabmessungsnah ohne kostenintensive Nachbearbeitung fertigen. Eine spanende Nachbearbeitung ist möglich.

Die in den Figuren gezeigte Diagonalstrebenvorrichtung 1 kann zur Aussteifung der Karosserie an einem Unterboden eines Kraftfahrzeugs angeordnet werden, wobei das Zentralknotenelement 3 der Diagonalstrebenvorrichtung 1 unter dem Unterboden in einer vertikalen Längsmittelebene des Kraftfahrzeugs angeordnet wird und die Diagonalstrebenvorrichtung 1 mittels der Anbindungsknotenelemente 4 mit dem Unterboden in der Montage oder im Rohbau vernietet, verschraubt, geklebt, geclincht und/oder verschweißt wird.

Die Diagonalstrebenvorrichtung 1 in den Figuren weist vier Streben 2 aus einem faserverstärkten Kunststoffverbundmaterial auf, bei denen es sich um FVK-Pultrusionsprofile 2 handelt, die einen Faseranteil bis zu 70 % haben können und die sich von dem Zentralknotenelement 3 X-förmig und geneigt weg erstrecken, so dass die von dem Zentralknotenelement 3 abgewandten Enden der Streben 2, an denen die Anbindungsknotenelemente 4 vorliegen, eine Ebene aufspannen, die von dem Zentralknotenelement 3 beabstandet ist.

Dadurch, dass die Knotenelemente 3,4 an die Endabschnitte der Streben 2 angegossen sind, wird eine stoffschlüssige Verbindung bereitgestellt. Je nach Gestaltung der Knotenelemente 3,4 bezüglich der Strebenanordnung und auch in Bezug auf die vorgesehene Karosserieanbindung genügt es, wenn die Knotenelemente 3,4 lediglich an die Endabschnitte der Streben 2 angegossen sind, die Endabschnitte der Streben 2 können aber auch in das Zentralknotenelement 3 und/oder die Anbindungsknotenelemente 4 eingegossen sein, um die Verbindung zu stärken. Es kann sich aber auch ein Abschnitt des jeweiligen Gussknotens 3,4 in das Innere eines als Hohlprofil ausgeführten Streben-Endabschnitts erstrecken, so dass das Zentralknotenelement 3 und/oder das Anbindungskno- tenelement 4 teilweise in die Streben-Endabschnitte eingegossen sind. Die Gussverbindung kann durch Durchbrüche und/oder Strukturen verstärkt werden, die die Streben 2 an ihren Endabschnitten aufweisen können und die durch das Gussmaterial der Gussverbindung formschlüssig durchdrungen und/oder umgeben werden.

Ferner ist zum Schutz der FVK-Streben 2 vor Wärmeeintrag der Leichtmetallschmelze während des Angießens, da die Schmelzbereiche der Leichtmetallschmelze zwischen 400 und 660 °C liegen, denkbar, dass die Streben 2 zumindest an ihren Endabschnitten, an denen die Gussverbindung vorgesehen ist, mit einer thermisch isolierenden Beschich- tung und/oder einer metallischen Beschichtung versehen sind.

Eine Beschichtung der Endabschnitte der Streben 2 kann auch zur Haftverbesserung beitragen, indem die Beschichtung eine strukturierte Oberfläche bereitstellt, die eine Verklammerung des an die Streben 2 angegossenen Knotenelementematerials erlaubt.

Die Anbindungsknotenelemente 4 weisen gegebenenfalls Fügehilfsmittel auf, mittels derer die Diagonalstrebenvorrichtung 1 leicht an einen Unterboden gefügt werden kann, der in diesem Falle den Anbindungsknotenelementen 4 entsprechende Fügestellen aufweisen sollte. Als Fügehilfsmittel kommen Bohrungen 7 oder Inserts, mit oder ohne Gewinde in den Anbindungsknotenelementen 4 in Frage, die ein Fügen mit Nieten oder Schrauben gestatten. Denkbar ist aber auch, dass die Anbindungsknotenelemente 4 zum Kleben oder Schweißen vorgesehene Flächen bereitstellen. Eine andere Fügemöglichkeit für die Anbindungsknotenelemente 4 liegt in der Ausbildung von Clinchelementen 6, die eine druckknopfähnliche Form aufweisen und mit einem korrespondierenden Gegenelement (an dem Unterboden) eine form- und kraftschlüssige Verbindung eingehen.

Die verschiedenen Anbindungsknotenelemente 4 einer Diagonalstrebenvorrichtung 1 können dabei unterschiedliche Fügehilfsmittel aufweisen.

Das Zentralknotenelement 3 oder die Anbindungsknotenelemente 4 oder beide können zusätzlich durch eine kraftschlüssige Verbindung wie mittels Nieten oder Schrauben 5 mit den Streben 2 verbunden sein.

Zur Herstellung der Diagonalstrebenvorrichtung 1 werden die benötigten FVK-Streben 2 vorzugsweise durch Pultrusion hergestellt und in ein Druckgusswerkzeug eingelegt. Das Druckgusswerkzeug weist für die auszubildenden Knotenelemente Kavitäten sowie Aus- nehmungen für die einzulegenden Streben auf. Eine zentrale Kavität dient der Bildung des Zentralknotenelements 3. Die eingelegten Streben 2 ragen einenends an oder in die zentrale Kavität, so dass dort die Gussverbindung hergestellt werden kann. An den anderen Enden der Strebenausnehmungen befinden sich im Gusswerkzeug die zur Bildung der Anbindungsknotenelemente 4 vorgesehenen Kavitäten, an die oder in die sich die eingelegten Streben 2 erstrecken. Mit den eingelegten Streben 2 wird das Werkzeug geschlossen und ein Druckgussvorgang gestartet. Das geschmolzene Leichtmetallmaterial gelangt in die Kavitäten und bildet dort das Zentralknotenelement 3 und die Anbindungsknotenelemente 4 aus, wobei gleichzeitig der stoffschlüssige Verbund mit den Streben 2 entsteht. Nach Erstarrung der gegossenen Knotenelemente 3,4 kann die Diagonalstrebenvorrichtung 1 entnommen werden.

Zum Schutz der FVK-Streben vor Wärmeschaden kann die mit der Schmelze eingeführte Wärme während des Druckgießens mittels eines Kühlsystems des Werkzeugs abgeführt werden.