Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fahrzeugkarosserie bestehend aus einem Rahmen aus geschlossenen Profilen und Oberflächenteilen sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Fahrzeugkarosserie.

Fahrzeuge, insbesondere Personenkraftwagen (PKW), werden häufig in

Blechbauweise als tragende Karosserie/Chassis Kombination gefertigt. Dazu werden Bleche aus Stahl in Formen gepresst und danach verschweißt. Um die Masse dieser Karosserien zu reduzieren, werden zunehmend auch andere Materialien wie beispielsweise Aluminium oder Magnesium eingesetzt. Teilweise werden Blechteile auch durch vergleichsweise leichte Carbonteile ersetzt, die dann in die Karosserie eingeklebt werden.

Gute Leichtbaukennwerte werden bereits durch die nach dem Stand der Technik bekannte Spaceframe-Konstruktion erzielt, bei der Aluminiumprofile, Gussteile und Knotenbleche zu einem Rahmen gefügt werden, in den anschließend die Bleche eingeklebt und/oder genietet werden.

Die durch die Betriebslasten und ggf. auch durch Crashlasten auftretenden

Werkstoffspannungen in der fertigen Karosserie sind nicht gleichmäßig in den Blechoberflächen verteilt, sondern treten im Wesentlichen an den Karosserierändern auf, insbesondere an den Ausschnitten der Türen, der Verglasung und der Hauben sowie an den Schwellern und an den Lasteintragspunkten des Fahrwerks und der Antriebselemente.

Die Spaceframe-Bauweise liefert deswegen Vorteile, weil die Profile so angeordnet werden können, dass sie den Hauptspannungslinien den auftretenden Lasten folgen.

Eine maximale Stabilität wird durch die Verwendung von Hohlprofilen erreicht, deren Steifigkeit, Festigkeit und insbesondere Sicherheit gegen eine Knickung und Beulung deutlich höher ist, als die analogen Werte von Blechen oder offenen Profilen, die erst nach dem Fügen im eingebauten Zustand ihre Kennwerte erreichen.

Dennoch sind Nachteile der Spaceframe-Bauweise bekannt, die darin liegen, dass die Hohlprofile nur verwendet werden können, wenn zwischen den Hohlprofilen und der Außenfläche der Karosserie ein gewisser Abstand besteht, da die Hohlprofile im Strangpressverfahren gefertigt werden und somit keine beliebige und vorgebbare variable Außenkontur aufweisen.

Parallele Bemühungen, große Teile oder sogar die ganze Karosserie aus

Verbundfaserstoffen aufzubauen, waren bisher nicht großserienfähig, da sowohl die Verfahrenskosten (Werkzeuge und Taktzeiten) als auch die Kosten für den

Materialeinsatz zu hoch sind.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestehende Probleme des Standes der Technik zumindest teilweise zu beheben und eine vorteilhafte

Fahrzeugkarosserie sowie ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung einer

Fahrzeugkarosserie anzugeben. Insbesondere sollen die Vorteile der Spaceframe- Bauweise ausgebaut werden und es soll ein neues Konstruktionsprinzip für

Fahrzeugkarosserien angegeben werden, die mit einem geringen Materialeinsatz eine hinreichende und vorzugsweise erhöhte Stabilität liefert.

Diese Aufgabe wird durch die Fahrzeugkarosserie nach Anspruch 1 und das

Verfahren nach Anspruch 17 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Außenfläche der Fahrzeugkarosserie bereichsweise durch die Oberflächenteile und bereichsweise durch Außenflächen der geschlossenen Profile des Rahmens gebildet ist. Die vorliegende Erfindung löst die beschriebenen Probleme daher so, dass die Fahrzeugkarosserie (bzw. das Fahrzeug-Monocoque) in zwei Bereiche aufgeteilt ist, nämlich einerseits den hochbelasteten Bereich des Rahmens und andererseits den vergleichsweise geringer belasteten Bereich der Oberflächen. Die

Fahrzeugkarosserie besteht dann aus einem in die Oberfläche der

Fahrzeugkarosserie integrierten Rahmen und Oberflächenteilen, die mit den Profilen des Rahmens verbunden sind. Damit bildet die Außenkontur der Profile zumindest teilweise die Außenfläche der Karosserie, womit der Rahmen keinen zusätzlichen Raum benötigt und neben der Aufgabe, die Hauptlasten zu tragen, auch die Funktion erfüllt, den Rahmen für eine Verglasung, Türausschnitte, Hauben und Klappen etc. zu bilden.

Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Fahrzeugkarosserie werden nachfolgend und in den Unteransprüchen beschrieben.

Nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Fahrzeugkarosserie ist vorgesehen, dass die geschlossenen Profile des Rahmens als Hohlprofile

ausgestaltet sind, die vorzugsweise aus Verbundfaserwerkstoffen, beispielweise aus einer Carbonfaser-Epoxydharz-Matrix oder auch einer Thermoplast-Matrix bestehen.

Insbesondere werden die Profile des Rahmens aus Schläuchen gefertigt, die in einem entsprechenden Werkzeug aufgeblasen werden und anschließend aushärten. In einer bevorzugten Ausführung sind diese Schläuche geflochtene Faserschläuche, insbesondere Carbonschläuche, die mit einem Harz getränkt sind und die um einen luftdichten Innenschlauch gezogen sind, der zum Aushärten in einer Form mit Druckluft aufgeblasen wird.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Oberflächenteile derart mit den Profilen des Rahmens verbunden sind, das zwischen jeweils einem Profil und jeweils einem Oberflächenteil ein nutenfreier oder

lückenfreier Übergang entsteht. Hierzu werden die Oberflächenteile vorzugweise mit einer dünnen Wandstärke an den Stellen ausgeführt, an denen sie auf den Profilen des Rahmens aufliegen und die Wandstärke weist dort einen Sprung entlang der Kanten zum Rahmen auf, so dass sich die Oberflächen automatisch im jeweils vorgesehenen Bereich des Rahmens zentrieren und so neben der Verklebung auch ein Formschluss in der Fügung entsteht. Die Nähte zwischen den Oberflächenteilen auf der Außenseite werden entweder in das Design der Fahrzeugkarosserie einbezogen oder durch eine Nachbearbeitung mechanisch geschlossen (gefugt) und/oder geschliffen. In einer weiteren Alternative sind die Oberflächenteile in dem Bereich, wo sie nicht mit dem Rahmen verbunden sind, als Sandwich ausgestaltet.

Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Rahmen entlang der Lasteintragungspunkte und der

Massenkrafteintragungspunkte der Fahrzeugkarosserie geführt ist. Mithin sind die Profile des Rahmens vorzugsweise so geführt, dass sie direkte Verbindungen zwischen den Lasteintragungspunkten aus dem Fahrwerk und den

Massenkonzentrationen herstellen, wie beispielsweise dem Motor, dem Getriebe, den Batterien und/oder den Sitzen.

Darüber hinaus ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass der Rahmen entlang der Fenster-, Tür-, Klappen- und/oder Deckelkonturen der Fahrzeugkarosserie geführt ist. Der Rahmen bildet damit die wesentlichen Konturen der Fahrzeugkarosserie ab, wie zum Beispiel die Schweller, die Querträger im Fahrzeugboden, die Domstreben, die A-, B-, und C-Säulen, die Fensterrahmen, die Rahmen von Hauben und Deckeln, die Radausschnitte, die Stoßstangenhinterfütterungen, die Crashstrukturen, die Motorträger und die Anschlüsse der Federung, der Fahrwerkaufhängung sowie der Lenkung.

Die erzielbaren Steifigkeiten, Festigkeiten und die erreichbare Energieabsorption gegen Crashlasten ist damit in vergleichbarer Größenordnung möglich, wie bei den bekannten Metallüberrollkäfigen in Rennfahrzeugen, die im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung nicht der Oberflächenkontur folgen und damit den Innenraum der Rennfahrzeuge komplett verbrauchen und sowohl den Einstieg als auch die Rundumsicht für den Fahrer massiv beschränken.

Da sowohl die Oberfläche als auch das Volumen des Rahmens nur einen geringen Teil der Masse der Fahrzeugkarosserie ausmachen, sind einerseits die Kosten für das Fertigungswerkzeug gering (kleine Oberfläche=geringer Werkzeugdruck) und andererseits bleiben auch die Materialkosten überschaubar. Die Oberflächenteile der Fahrzeugkarosserie werden in beliebigen Materialien und Verfahren gefertigt und können weitgehend frei nach den Kriterien des Verfahrens festgelegt werden, nicht aber nach der Frage der erzielbaren Festigkeit, Steifigkeit und/oder Stabilität. Für sehr große Stückzahlen können Blechteile verwendet werden. Bei kleineren Stückzahlen sind vorzugsweise Verbundfaserteile, Tiefziehteile oder Thermoplaste vorgesehen.

Es wurde bereits angedeutet, dass die Profile des Rahmens vorzugsweise variable Querschnitte und Wandstärken aufweisen, die in bevorzugter Ausführungsform über Strecken, Stauchen und/oder Vervielfachung der Faserlagen erzielt werden. Zur lokalen Verstärkung des Rahmens werden die vorbereiteten Schläuche an

ausgewählten Stellen mehrfach übereinander gezogen. Um unterschiedliche

Querschnitte zu erzeugen, werden die Schläuche in Längsrichtung gezogen. Um demgegenüber größere Querschnitte zu erreichen, werden die Schläuche gestaucht. In einer besonderen Ausführung sind die Schläuche deswegen so lose und zumindest bereichsweise ohne Querverbinder geflochten, dass auch große

Querschnittsänderungen ohne eine Faltenbildung (Knittern oder Knicken) erzielt werden können. Ein derart ausgestalteter Rahmen nimmt somit alle im Fahrzeug anfallenden Kräfte auf und stellt aber nur einen relativ geringen Teil der Oberfläche beziehungsweise des Volumens der Fahrzeugkarosserie dar. Damit ist der

Materialeinsatz der teuren und hochfesten Carbonfasern auf einen sehr geringen Massenanteil beschränkt. Außerdem ist der anfallende Verschnitt bei der

Konfektionierung vergleichsweise gering. Auch die Herstellung des sogenannten Preforms ist ebenfalls sehr preiswert und unkritisch bei der Qualitätssicherung.

Zum Zusammensetzen des Rahmens ist nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die geschlossenen Profile des Rahmens über formschlüssige Verbindungen, Einsteckteile und/oder Knotenverbinder miteinander verbunden sind. Der Rahmen wird in diesem Fall so gestaltet, dass einzeln gefertigte Teile über Knotenverbinder gefügt und geklebt und/oder genietet werden, wobei vorzugsweise an dem Knoten gleichzeitig die sogenannten Hardpoints zum Eintrag der Lasten angeordnet sind, die zur Befestigung der Beschläge von Fahrwerksteilen, Hilfsrahmen oder Antriebskomponenten dienen.

Die Oberflächenteile der Fahrzeugkarosserie sind vorzugsweise derart mit dem Rahmen verbunden, dass die Oberflächenteile ein Verknicken und/oder Verbiegen des Rahmens und/oder der Knoten verhindern, womit die einzelnen Oberflächenteile der Fahrzeugkarosserie als Schubfeldträger ausgebildet sind. Insbesondere aufgrund der als Schubfeldträger wirkenden Oberflächenteile braucht der Rahmen keine - oder nur sehr wenige - Diagonalverbindungen, was den erforderlichen

Materialeinsatz weiter reduziert.

Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Innenseite mindestens eines Oberflächenteils als Dekorationsund/oder Funktionsteil des Fahrzeuginnenraums ausgebildet ist. Im Interieur werden die Oberflächenteile vorzugsweise auch auf den Innenseiten des Fahrzeugs angebracht, die damit gleichzeitig das Innendekor und die Geräuschdämmung darstellen. Zwischen den inneren und den äußeren Oberflächenteilen kann bei dieser Ausgestaltung der Raum für die Unterbringung von Elektronikkomponenten,

Lüftungen, Schläuchen, Radiatoren und vieles mehr genutzt werden. Auch die Profile des Rahmens sind vorzugsweise als Kabelkanal ausgestaltet, was ebenfalls die Aufnahme von Kabeln, Schläuchen und/oder sonstigen Komponenten des

Fahrzeugs erlaubt.

Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass die einzelnen Profile des Rahmens und/oder einzelne Oberflächenteile auswechselbar ausgestaltet sind. Die

Fahrzeugkarosserie erlaubt daher auch einfache Reparatureingriffe zur Beseitigung von Unfallschäden, indem an vorgesehenen Stellen sowohl der Rahmen als auch die Oberflächenteile entfernt werden und passende Reparaturkits eingesetzt werden. Die Verbindung der Profile des Rahmens wird dabei über Knotenverbinder und/oder über Inserts in den Hohlquerschnitten dargestellt. Vorzugsweise weisen die Profile des Rahmens und/oder die Oberflächenteile einen Kern aus Schaum und/oder Wabenmaterial auf. Ein Schaumkern kann insbesondere derart ausgestaltet sein, dass Fahrgeräusche gedämmt werden, während das beschriebene Wabenmaterial eine zusätzliche Steifigkeit in die Profile einbringt. Eine Kombination aus Schaum und Wabenmaterial ist dabei auch vorgesehen, womit beide Vorteile miteinander verbunden werden.

Die Oberflächenteile können aus Metallblechen und/oder Metallschäumen und/oder Thermoplasten bestehen. Hierbei sind auch teilweise oder vollständig transparent ausgestaltete Oberflächenteile möglich.

Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass insbesondere für den Bau eines Transportfahrzeugs die zur Fahrtrichtung quer laufenden Bauteile, insbesondere die Profile des Rahmens und/oder die

Oberflächenteile, in unterschiedlichen Längen gefertigt werden, so dass mit weitgehender Gleichheit der übrigen Bauteile und der Werkzeugformen breite und schmale Fahrzeuge gefertigt werden können. Die breite Version des Fahrzeugs hat ein großes Ladevolumen und fährt als Transportfahrzeug von Lager zu Lager und die vergleichsweise schmalere Version des Fahrzeugs fährt die sog. Last Mile und kann am Straßenrand zur Auslieferung von Transportgütern halten, ohne die Fahrspur zu blockieren.

Schließlich ist nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Oberflächenteile mit Anbauteilen des Fahrzeugs verbunden sind, insbesondere Leuchten, Blinker, Displays, insbesondere OLED-Displays und/oder von innen oder außen zugängliche Staufächer.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung wird zudem durch das Verfahren zur Herstellung einer Fahrzeugkarosserie bestehend aus einem Rahmen aus geschlossenen Profilen und Oberflächenteilen nach Anspruch 17 gelöst.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die geschlossenen Profile aus geflochtenen und/oder gewebten Schläuchen hergestellt werden, die als vorimprägnierte Fasern (Prepreg) ausgeführt sind und verarbeitet werden. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die geflochtenen und/oder gewebten Schläuche des Rahmens mittels Resin Transfer Molding (RTM) zu einem Profil des Rahmens verarbeitet werden. Das RTM (bzw. Spritzpressen) ist ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen, wie

beispielsweise die für den Rahmen erforderlichen Profilen. Hierzu werden die Schläuche in einem geeigneten Werkzeug aufgeblasen und härten anschließend aus. Dabei sind die Schläuche mit einem Harz getränkt und sind um einen luftdichten Innenschlauch gezogen, der zum Aushärten in einer Form aufgeblassen wird. Den Formen sind dabei keine konstruktionsbedingten Grenzen gesetzt, so dass die Formen individuell an das erforderliche Profil angepasst werden können und womit der Rahmen der gewünschten Außenfläche der Fahrzeugkarosserie folgen kann. Hierdurch ergibt sich ein einfaches Verfahren, was die kostengünstige Herstellung einer Vielzahl von unterschiedlichen Profilen ermöglicht.

Konkrete Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 einen Rahmen einer Fahrzeugkarosserie,

Fig. 2 eine Fahrzeugkarosserie mit Rahmen und Oberflächenteilen,

Fig. 3 eine Querschnittsdarstellung eines Profils mit hieran befestigten

Oberflächenteilen und

Fig. 4a, b Ausschnitte eines Rahmens.

Fig. 1 zeigt einen Rahmen 1 einer Fahrzeugkarosserie, der aus mehreren Profilen 2 zusammengesetzt ist. Die Profile 2 und mithin der Rahmen 1 folgen dabei den äußeren Konturen der Fahrzeugkarosserie und bilden insbesondere die äußeren Begrenzungen für die Windschutzscheibe, die Türen, die Dachabschnitte und sonstige Öffnungen der Fahrzeugkarosserie. Die dargestellten Profile 2 bestehen aus Hohlprofilen aus Faserverbundmaterial, insbesondere Carbon. Dabei sind die Profile 2 an den Knoten mit geeigneten Verbindungselementen miteinander verbunden. Um aus dem aus Fig. 1 gezeigten Rahmen 1 eine fertige Fahrzeugkarosserie zu bilden, werden Oberflächenteile 3 eingesetzt, die an den Rändern mit den Profilen 2 des Rahmens 1 verbunden sind. Fig. 2 zeigt zumindest teilweise eine fertige

Fahrzeugkarosserie 4, die sowohl einen Rahmen 1 mit Profilen 2 und

Oberflächenteilen 3 aufweist. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Außenflächen der Profile und mithin die Außenfläche des Rahmens zumindest teilweise die

Außenfläche der Fahrzeugkarosserie 4 bilden.

Fig. 3 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Profils 2 mit insgesamt vier daran angeordneten Oberflächenteilen 3. Das dargestellte Profil 2 ist als Hohlprofil ausgestaltet und besitzt einen Hohlraum 5, der mit (nicht dargestelltem)

Wabenmaterial und/oder (nicht dargestellten) Schäumen gefüllt sein kann. Zu Gunsten einer stabilen Verbindung der Oberflächenteile 3 mit dem Profil 2 sind abgestufte Auflagen 6 vorgesehen, die einen stabilen Sitz der Oberflächenteile 3 an den Profilen 2 ermöglichen. Ferner ist zu erkennen, dass die Oberseite 7 des

Profils 2 die Außenfläche der Fahrzeugkarosserie 4 zumindest bereichsweise darstellt. Die übrigen Oberflächen der Fahrzeugkarosserie 4 werden von den

Oberflächenteilen 3 gebildet.

Die Fig. 4a und b zeigen schließlich beispielhaft ein Teilstück eines Rahmens 1 mit einem T-förmigen Knotenverbinder 8 und insgesamt drei Profilen 2 in einer

Explosionsdarstellung (Fig. 4a) und im zusammengesetzten Zustand (Fig. 4b). Die Knotenverbinder 8 besitzen an den Verbindungspunkten zum jeweiligen Profil abgestufte Abschnitte 9, auf die die Profile 2 derart aufgesteckt werden können, dass zwischen den Knotenverbindern 8 und den Profilen 2 jeweils ein bündiger und mithin versatzfreier Übergang entsteht. Zum Zusammensetzen der kompletten

Fahrzeugkarosserie sind unterschiedliche Knotenverbinder 8 vorgesehen, die eine beliebige Anzahl von Profilen 2 in beliebiger Winkelstellung miteinander verbinden.