DE60214699T2

DE60214699T2 - Verbesserte konstruktionsverstärkung

Info

Publication number: DE60214699T2
Application number: DE2002614699
Authority: DE
Inventors: Dominique Busseuil; Eric Le Gall; Jean-Philippe Bourdin; Serge Bieber; Jean-Philippe Lutz
Original assignee: L & L Products Inc Romeo; L&L Products Inc
Current assignee: L & L Products Inc Romeo; L&L Products Inc
Priority date: 2001-05-08
Filing date: 2002-05-07
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2022-05-08
Also published as: EP1387789A1; ATE339344T1; GB2375328A; US20020174954A1; CA2442544A1; US6941719B2; GB0111151D0; ES2272743T3; US7790280B2; EP1387789B1; WO2003000535A1; US20050276970A1; DE60214699D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verstärkungsmaterialien und insbesondere auf Verstärkungsmaterialien, die in hohlen Querschnittselementen bereitgestellt werden können, insbesondere um eine Verstärkung zur Verbesserung der strukturellen Intaktheit von Fahrzeugen zur Verfügung zu stellen. Die Erfindung stellt des Weiteren ein System bereit, wodurch Verstärkung bereitgestellt werden kann, während eine effektive Bereitstellung einer Antikorrosionsbeschichtung auf der Innenfläche des hohlen Querschnittselements durch den Elektrobeschichtungsprozess sichergestellt wird. Der Elektrobeschichtungsprozess, der bei der Fahrzeugherstellung verwendet wird, ist ein Prozess, in dem die Fahrzeugstruktur durch ein Bad eines Antikorrosionsfluids hindurchgeführt wird und die Fahrzeugstruktur als Elektrode verwendet wird, wodurch eine Antikorrosionsbeschichtung durch Elektrolyse von dem Fluid auf die Fahrzeugstruktur durch Elektrolyse abgelagert wird. Die Beschichtung wird dann durch Erhitzen eingebrannt.
Der Trend in der Kraftfahrzeugkonstruktion geht hin zu leichteren Fahrzeugen, um den Kraftstoffverbrauch zu verbessern. Gleichzeitig werden die Sicherheitsstandards und Erfordernisse strikter, wie dies die Erfordernisse der Europäischen Union und die Euro-NCAP Aufpralltests zeigen. Die Verwendung leichterer Materialien, wie beispielsweise Aluminium, um die hohlen Querschnittselemente herzustellen, die als Fahrzeughilfsrahmen verwendet werden, führte zu dem Erfordernis zusätzlicher Verstärkung. Es besteht ein Bedarf nach Verstärkung an verschiedenen Stellen in der Fahrzeugstruktur, einschließlich des Hilfsrahmens und einer oberen Struktur, wobei die Form der erforderlichen Verstärkung von einer Stelle im Fahrzeug zu einer anderen und von Fahrzeug zu Fahrzeug variieren kann. Die vorliegende Erfindung verbessert deshalb die Festigkeit von Fahrzeugstrukturen, die aus existierenden Materialien hergestellt sind und erlaubt Fahrzeugstrukturen, die auf leichteren Materialien basieren, zu Sicherheitserfordernissen beizutragen.
Es gibt fünf Hauptanwendungsarten, bei denen Strukturverstärkung in Fahrzeugen erforderlich ist. Unfallschutz, bei dem das Verhindern einer Fahrzeugkarosseriedeformation wichtig ist, um Schutz für die Insassen bereitzustellen. Energieabsorption, um das Vermögen hinsichtlich Einsinkweg zu verbessern. Die Verringerung mechanischer Beschränkungen, wie beispielsweise Stauchen, Schertorsion und Biegen oder Karosseriebewegung in der Fahrzeugstruktur, insbesondere, um die Lebensdauer zu verbessern und um Spannungsbrüche und die Punktbeweglichkeitsprobleme zu verbessern, die die Verringerung von Resonanz durch das Bereitstellen von Versteifung erfordert. Das Erfordernis nach Verstärkung besteht unabhängig von den Materialien, die verwendet werden, um die Fahrzeugstruktur herzustellen und das Erfordernis variiert von Material zu Material und entsprechend der Beschaffenheit der vorzusehenden Verstärkung. Die Verstärkungsbauteile können auch Geräusche verringern, die durch die Bewegung eines Fahrzeugs erzeugt werden, indem ein schalldämpfender Effekt als Ergebnis des Blockieren von Luftpfaden in Hohlräumen zur Verfügung gestellt wird.
Es ist bekannt, schäumbare Kunststoffformteile in hohlen Querschnitten von Fahrzeugen bereitzustellen, welche auf das Anlegen von Hitze hin, wie sie durch den Aushärteschritt im Elektrobeschichtungsprozess bereitgestellt wird, geschäumt werden, um eine geschäumte Schallsperre bereitzustellen, die den Querschnitt füllt, um eine Geräuschadsorption bereitzustellen. Solche Systeme sind in den europäischen Patentanmeldungen EP-0383498 und EP-0611778 beschrieben. Die Schaum-Schallsperre liefert Schalldämpfung und Vibrationswiderstand. In diesen Systemen ist der gesamte Einsatz schäumbar und es wird vorgeschlagen, dass das schäumbare Material so ausgewählt wird, dass es während dem Aushärteprozess schäumt, der dem Elektrobeschichtungsprozess folgt, der typischerweise bei der Fahrzeugherstellung verwendet wird, um einen Widerstand gegenüber Metallkorrosion zur Verfügung zu stellen. Die Materialien dieser Patente sind jedoch keine Verstärkungsmaterialien, sondern werden verwendet, um Akustik-Schallsperren und Abdichtungen bereitzustellen.
In dem Elektrobeschichtungsprozess wird eine Fahrzeugstruktur in ein Bad eines Beschichtungsfluids eingetaucht, von dem eine Antikorrosionsbeschichtung durch Elektrolyse auf dem Metall abgelagert wird. Die Fahrzeugmetallstruktur wird nachfolgend erhitzt, um die Beschichtung auf dem Me tall einzubrennen. Der Elektrobeschichtungsprozess wird typischerweise bei kompletten Fahrzeugstrukturen angewendet, in denen hohle Sektionen verdeckt wurden. Dementsprechend werden Verstärkungsstrukturen vorzugsweise in hohlen Sektionen vor dem Elektrobeschichten vorgesehen. Es ist deshalb wichtig, dass die Verstärkungsstruktur minimale Auswirkungen auf den Betrieb und die Effizienz des Elektrobeschichtungsprozesses hat.
Wo Verstärkungsmaterialien bereitgestellt wurden, wurden diese entweder an Metallstrukturen geklebt, bevor die Fahrzeugstruktur dem Elektrobeschichtungsprozess unterworfen wurde oder wurde nach dem Elektrobeschichtungsprozess vorgesehen. Bei ersterer Technik besteht das Problem, dass es nicht möglich ist, das Elektrobeschichten über die gesamte Fläche durchzuführen, was zu lokalen Korrosionsbereichen führen kann. Letztere Technik ist mühselig und erfordert das Bereitstellen von Befestigungsmitteln nach dem Elektrobeschichten, welche die Elektrobeschichtung zerstören können und ebenfalls zu lokalen Korrosionsbereichen führen können.
Es ist ebenso bekannt, eine Strukturverstärkung in dem Strukturelement von Automobilrahmen durch das Bereitstellen von Metall- oder Kunststoffverstärkungselementen zur Verfügung zu stellen, welche an die Innenfläche des Strukturelements mittels eines Strukturschaums gehaftet werden. Beispielsweise offenbaren die PCT-Veröffentlichungen WO 99/61280 und WO 97/43501 ein Strukturverstärkungselement gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, die europäische Veröffentlichung 1122152 und das US-Patent 6092864 offenbaren Metallverstärkungselemente, die durch einen Strukturschaum an die Innenfläche eines Automobilstrukturelements gehaftet sind und die anhängige GB-Parallelanmeldung 0106911.1 und die US-Anmeldungen 09/676335 und 09/502686 offenbaren geformte Kunststoff-, insbesondere glasverstärkte Nylon-Formteile, die an die Innenfläche einer Automobilstruktur mittels eines Strukturschaums gehaftet sind.
Bei der Produktion dieser verstärkten Strukturelemente wird das Metallelement oder das geformte Element mit einem expandierbaren Klebematerial beschichtet. Das expandierbare Klebematerial wird als solches bei Temperaturen expandieren, denen das Kraftfahrzeug während der Herstellung ausgesetzt ist, wie beispielsweise in dem Aushärteschritt des Elektrobeschichtungsprozesses oder in dem Lackierofen. Das Verstärkungselement wird deshalb in dem Hohlraum des Fahrzeugs platziert, wobei die Beschichtung des expandierbaren Klebematerials in einem ungeschäumten Zustand ist. Während der Automobilherstellung wird das expandierbare Klebematerial auf seine Expansionstemperatur gebracht und wird expandieren, um die Spalte zwischen der Innenfläche des Fahrzeugsstrukturelements und dem Verstärkungselement zu fühlen, um das Klebematerial an die Innenfläche des Fahrzeugstrukturelements zu haften. Auf diese Weise wird eine leichte und feste Strukturverstärkung bereitgestellt.
Trotz dieser Techniken besteht ein fortwährender Bedarf, eine höhere Verstärkung und gleichzeitig leichtere Fahrzeuge bereitzustellen, was wiederum leichtere Verstärkungselemente erfordert. Deshalb besteht ein Bedarf, das Gewicht und folglich die im Verstärkungselement verwendete Materialmenge zu verringern. Deshalb besteht ein wirtschaftlicher Bedarf, die Menge des verwendeten expandierbaren Klebematerials zu verringern und übereinstimmend dazu den gewünschten Verstärkungsgrad zu erlangen.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf, solche Strukturverstärkungssysteme bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung stellt deshalb ein Strukturverstärkungselement zum Verstärken eines hohlen Strukturelements gemäß Anspruch 1 bereit.
Das Bereitstellen von Verlängerungen am Formteil gemäß der vorliegenden Erfindung kann zwei Funktionen dienen. Einige oder alle Verlängerungen können lokale Bereiche des Verstärkungselements bereitstellen, welche im eingebauten Zustand näher zur Innenfläche des hohlen Strukturelements sind als die restliche Hauptmasse des Verstärkungselements. Auf diese weise können die Verlängerungen so angeordnet und konstruiert sein, dass sie die Deformation des hohlen Strukturelements bei einem Aufprall verringern. Zumindest eines, vorzugsweise zumindest zwei, der Paare von Verlängerungen richten auch die Expansion des expandierbaren Klebematerials aus, um sicherzustellen, dass zwischen dem Verstärkungselement und der Innenfläche des Strukturelements, wo Klebung erforderlich ist, eine Klebung vorhanden ist. Dies wiederum ermöglicht die selektive Verwendung des expandierbaren Klebematerials und kann das Erfordernis, die gesamten Flächen des Verstärkungselements, welche den Innenflächen des hohlen Strukturelements zugewandt sind, mit expandierbaren Klebematerial zu beschichten, überflüssig machen.
Die Abmessungen des steifen Verstärkungselements und die Dicke und Beschaffenheit des expandierbaren Klebematerials sind wichtig für die Erreichung der gewünschten Strukturverstärkung. Die Außenform des Verstärkungselements ist im Wesentlichen konform zum Querschnitt des hohlen Strukturelements, für dessen Verstärkung es konstruiert ist. Die Form kann entlang der Länge des Verstärkungselements variieren während sich die Abmessungen des Querschnitts des hohlen Strukturelements verändern. Die Größe des Verstärkungselements, einschließlich des expandierbaren Klebematerials, sollten derart sein, dass ein kleiner Zwischenraum zwischen dem Ende des Verstärkungselements und den Innenwänden des hohlen Strukturelements besteht, um ein passieren des Elektrobeschichtungsfluids zu ermöglichen. Wir bevorzugen ebenso, dass das Verstärkungselement eine zellulare, wabenförmige oder gerippte Innenstruktur aufweist, um eine Verstärkung entlang mehrere verschiedener Achsen mit minimalem Gewicht bereitzustellen.
Die Verlängerungen, die auf der Außenfläche des Strukturverstärkungselements vorgesehen sind, können Rippen, erhöhte Erhebungen oder ein Teil eines geprägten Bereichs sein. Die Verlängerungen können einstückig mit einem Formteil ausgebildet sein, wenn die Bauteile durch Spritzgießen hergestellt werden oder können gestanzt oder in sonstiger Weise auf Metallverstärkungselementen ausgebildet werden. Alternativ, aber weniger bevorzugt, können die Verlängerungen nachfolgend zum Formen des Verstärkungselements angebracht werden. Die Positionierung der Verlängerungen auf der Außenfläche des Verstärkungselements wird durch die Form des Elements und die Position bestimmt, in der es innerhalb des hohlen Strukturelements zu platzieren ist, welche durch die Beschaffenheit der Aufpralldeformation bestimmt werden kann, der das Verstärkungselement widerstehen soll.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Strukturverstärkungselement ebenfalls mit kleinen Distanzstücken versehen, welche ihm ein Beabstanden von den Innen wänden des hohlen Strukturelements ermöglichen. Auf diese Weise sind keine Befestigungsvorrichtungen erforderlich und der Kontaktbereich zwischen dem Strukturverstärkungselement und den Innenwänden des hohlen Strukturelements wird minimiert. In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann der Zwischenraum zwischen dem Ende des schäumbaren Klebematerials auf dem Verstärkungselement und den Innenwänden des Strukturelements als breit genug bestimmt werden, um der in dem Elektrobeschichtungsbad verwendeten Flüssigkeit zu ermöglichen, zwischen das Verstärkungselement und die Innenwände des hohlen Strukturelements in ausreichender Quantität zu fließen, um zu ermöglichen, dass eine effektive Antikorrosionsbeschichtung abgelagert wird. Andererseits kann der Zwischenraum als nicht zu weit bestimmt werden, da dies in einem Steifigkeitsverlust der Struktur resultieren könnte, wenn der expandierbare Klebstoff expandiert ist, um den Zwischenraum zu füllen und um das Strukturverstärkungselement an die Innenwände des Strukturelements zu haften. Wir bevorzugen, dass der Zwischenraum nicht mehr als 1 Zentimeter und vorzugsweise 2 bis 10 Millimeter, vorzugsweise 3 bis 7 Millimeter beträgt. Ein gleichmäßiger Zwischenraum um die gesamte Struktur herum ermöglicht, dass eine gleichmäßigere Schaumstruktur erlangt wird.
Das steife Verstärkungselement kann aus irgendeinem geeigneten Material hergestellt sein, beispielsweise kann es aus Metall oder Kunststoff hergestellt sein und das Material wird entsprechend dem bevorzugten Herstellungsverfahren ausgewählt. Der Kunststoff kann eine thermoplastischer oder duroplastischer sein. Dies wird wiederum durch Wirtschaftlichkeitsaspekte und die Komplexität des zu verstärkenden Querschnitts bestimmt. Verstärkungselemente für einfache Querschnitte können durch Extrusion hergestellt werden, während Spritzgießen für komplexere Strukturen erforderlich sein kann. Metallelemente können durch Stanzen und/oder Formen hergestellt werden. Wenn Extrusion verwendet wird, können die Elemente aus Metall oder Thermoplasten hergestellt sein; wenn Spritzgießen verwendet wird, werden Thermoplaste bevorzugt; wenn Druckgießen verwendet wird, können Thermoplaste oder Duroplaste verwendet werden. Polyamide, insbesondere glasgefüllte- oder kohlefasergefüllte Polyamide sind geeignete Materialien, insbesondere für Druckgießen, aufgrund ihres hohen Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht. Alternativ kann Spritzgießen oder Druckgießen von Metalllegierungen verwendet werden. Es wird bevorzugt, dass das Formteil mit Mitteln versehen ist, die eine Fluiddrainage ermöglichen. Beispielsweise können Löcher oder Kanäle in dem Formteil vorgesehen sein, um das Entweichen von Wasser, welches in der Struktur über die Zeit kondensieren kann, zu erlauben.
Die Erfindung ist insbesondere nützlich für das Bereitstellen von Verstärkungen in Fahrzeugen, insbesondere für die Bereitstellung von Unfallresistenz. Die bevorzugte Form und Struktur der Verstärkungselemente hängt davon ab, wo es in der Fahrzeugstruktur anzuordnen ist und welche Funktion es ausführen soll. Wenn es beispielsweise in der vorderen Längssektion des Fahrzeugs angeordnet wird, wird es für die Unfall- oder Aufprallresistenz konstruiert sein. Andererseits kann es konstruiert sein, um die Punktbeweglichkeit ("point mobility"), wie beispielsweise an der Basis der seitlichen und hinteren Säulen im Fahrzeug, zu verringern. Die Verringerung der Punktbeweglichkeit ist insbesondere bei Fahrzeugen mit hohen Seiten wichtig, wo die Verstärkung Fahrzeugschwingen verringern oder verhindern kann, was folglich Metallermüdung verringert. Andere Anwendungen umfassen die Deformationsresistenz der hinteren Längssektion, insbesondere um eine Deformation durch einen hinteren Aufprall nach oben zu verhindern, welche ein Öffnen der Türen verhindern könnte. Andere Bauteile des Fahrzeugs, welche durch die Techniken der vorliegenden Erfindung verstärkt werden können, umfassen Dachstrukturen, Säulen, Rahmenquerträger, wie beispielsweise Motoraufhängungen und Fensterrahmen, insbesondere hintere Fensterrahmen.
Das expandierbare Klebematerial dient zwei Hauptfunktionen, es expandiert, um den Raum zwischen dem Verstärkungselement und dem Inneren des hohlen Elements zu füllen und es haftet auch an die Innenwand des hohlen Elements. Dementsprechend bedeutet Klebematerial, dass das Material sowohl zum Expandieren (typischerweise Schäumen) als auch zum Agieren als Klebstoff aktiviert werden kann, wobei es im Allgemeinen als Klebstoff bei Bedingungen, gewöhnlicherweise Temperaturen, wirkt, bei denen es expandiert. Dessen Aktivierung ermöglicht dem expandierbaren Material, eine Spalte zwischen dem Verstärkungselement und dem hohlen Strukturelement zu füllen, es ist konstruiert, die Innenfläche der hohlen Struktur zu verstärken und an diese zu haften. Dementsprechend muss der expandierbare Klebstoff bei der gewünschten Temperatur expandieren und ausreichend klebend sein, um das Verstärkungselement an die Innenfläche des hohlen Strukturelements zu haften. Das expandierbare Produkt sollte ausreichend fest sein, so dass es nicht die gesamte bereitgestellte Verstärkungswirkung schwächt.
Während dies nicht wesentlich ist, wird bevorzugt, dass vor der Aktivierung das expandierbare Klebematerial trocken und bei Berührung klebefrei ist. Es wird bevorzugt, dass dies das expandierbare Material bei Berührung klebefrei ist, da dies das Versenden und Handhaben des Strukturverstärkungselements erleichtert und eine Verschmutzung verhindert. Beispiele bevorzugter expandierbarer Klebematerialien enthalten schäumbare epoxydbasierte Harze und Beispiele solcher Materialien sind die handelsüblichen Produkte L5206, L5207, L5208 und L5209 von L & L Products aus Romeo, Michigan, USA, und die Betacore-Produkte BC 5204, 5206, 5207, 5208 und 5214, die von den Core Products, Straßburg, Frankreich verfügbar sind. Das expandierbare Klebematerial sollte gemäß der Expansionsrate und der erforderlichen Schaumdichten ausgewählt werden. Es wird ferner bevorzugt, dass es bei Temperaturen expandiert, denen man im Elektrobeschichtungsofen begegnet, typischerweise 130°C–200°C. Alternativ kann das Material durch eine infrarote Hochfrequenz, Mikrowelle oder Induktionserhitzen, welches insbesondere in Systemen nützlich ist, welche keinen Elektrobeschichtungsprozess verwenden, expandiert werden.
Das expandierbare Klebematerial wird an die Fläche des Verstärkungselements an Stellen angebracht, wo seine Expansionsrichtung durch zumindest zwei Paare von Verlängerungen gesteuert wird, die an der Fläche des Verstärkungselements ausgebildet sind. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Verstärkungselement mit zwei oder mehr Sätzen von Rippenpaaren versehen und das expandierbare Klebematerial wird zwischen den Rippen der Sätze vorgesehen. Auf diese Weise kann das Verstärkungselement in dem hohlen Strukturelement angeordnet werden, so dass die Enden der Rippen nahe zur Innenfläche des hohlen Strukturelements sind, so dass die Resistenz gegenüber Deformationen des hohlen Strukturelements erhöht wird. Gleichzeitig richten Rippenpaare die Expansion des expandierbaren Klebematerials durch den Kanal, der zwischen den Rippen ausgebildet ist, hin zur Innenfläche des hohlen Strukturelements. Auf diese Weise kann eine effektive Haftung zwischen dem steifen Verstärkungselement und dem hohlen Strukturelement mit einer verringerten Menge an expandierbaren Klebematerial erlangt werden, da es nicht erforderlich ist, dass das expandierbare Material die gesamte Fläche des Verstärkungselements bedeckt.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann eine Serie von Rippenpaaren entlang einer oder mehrerer Flächen des Verstärkungselements vorgesehen sein und das expandierbare Klebematerial kann zwischen den Rippen eines oder mehrerer Paare angeordnet sein. Auf diese Weise können auf die Expansion hin Anhaftungen zwischen dem Verstärkungselement und der Innenfläche des hohlen Strukturelements an unterschiedlichen Positionen entlang der Länge und/oder Breite des Verstärkungselements ausgebildet werden. Die bevorzugte Anzahl von Anhaftungspunkten und ihre Platzierung hängt von der Größe und der Form des Verstärkungselements und den Kräften ab, denen zu widerstehen es konstruiert ist.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann eine einzige Verlängerung vorgesehen und das expandierbare Material nahe zu der einzelnen Verlängerung angeordnet werden, so dass sein Expandieren durch die Verlängerung in eine Richtung gesteuert wird. In diesem Ausführungsbeispiel kann die Größe und Form des Hohlraums zwischen dem hohlen Strukturelement und dem Verstärkungselement derart sein, dass es die Expansion des expandierbaren Klebematerials in einer anderen Richtung steuert.
Das expandierbare Klebematerial sollte zumindest auf einen Abschnitt der Fläche des steifen Verstärkungselements aufgebracht werden, die an eine Innenfläche der zu verstärkenden hohlen Struktur angrenzen wird. Diese Optimalanordnung des expandierbaren Klebstoffs hängt von der Form der zu verstärkenden hohlen Struktur ab, aber ist vorzugsweise so vorgesehen, dass sie ein Anhaften an zwei nichtparallele Flächen bereitstellt, um zumindest in zwei Dimensionen eine Steifigkeit zu bieten. Es wird bevorzugt, dass das expandierbare Klebematerial über zumindest einen Teil der Oberseite, der Unterseite und der Seiten des Verstärkungselements aufgebracht wird. Wenn auf diese Weise das Material expandiert, kann es in der Spalte um die gesamte Fläche des Verstärkungselements herum expandieren, die zu den Innenwänden der hohlen Struktur angrenzt. Das expandierbare Klebematerial kann an das steife Verstärkungselement angebracht werden, indem ein Streifen des Materials an das Element gehaftet wird, beispielsweise mittels Extrusionsbeschichten oder Spritzgießen. Wenn das Verstärkungselement durch Spritzgießen hergestellt wird, kann das expandierbare Klebematerial durch Over-Moulding (einen Überzug aus Schmelze aufbringen) oder durch Zweikomponentenspritzgießen aufgebracht werden. Das Material sollte jedoch unter Bedingungen aufgebracht werden, bei denen kein Expandieren stattfindet.
Es wird bevorzugt, dass das Verstärkungselement mit dem darauf befindlichen, expandierbaren Klebematerial in dem hohlen Strukturelement, für dessen Verstärkung es konstruiert ist, in einer Weise angeordnet wird, die einen Zwischenraum zwischen der Außenfläche des beschichteten Elements und er Innenfläche des hohlen Strukturelements zu rücklässt. Dies erlaubt das Passieren des Elektrobeschichtungsfluids zwischen dem hohlen Strukturelement und der Innenfläche und erlaubt auch ein gleichmäßiges Expandieren des Schaums um das Element herum, um eine gleichmäßigere Verstärkung bereitzustellen.
Dementsprechend werden in einem bevorzugten Verfahren zum Bereitstellen einer Verstärkung in einem hohlen Strukturelement, wie beispielsweise einem Fahrzeugrahmen, geformte Verstärkungselemente mit Paaren von Verlängerungen und mit einer Schicht darauf befindlichen expandierbaren Klebematerials, das zwischen Verlängerungen vorgesehen ist, welche ein Paar von Verlängerungen bilden, während der Montage des Fahrzeugrahmens installiert. Anordnungsdistanzstücke sind vorzugsweise in das Verstärkungselement oder das expandierbare Klebematerial geformt, so dass das Verstärkungselement in dem hohlen Strukturelement angeordnet ist, wobei ein Raum zwischen dem Element und den Innenwänden des zu verstärkenden, hohlen Strukturelements zurückgelassen wird, wodurch auf diese weise kein Bedarf an Befestigungs- und Klebemitteln besteht, um das Element an die Innenwände des hohlen Strukturelements zu befestigen. Die montierte Struktur wird dann dem Elektrobeschichtungsprozess unterworfen, in dem es durch ein Bad eines Beschichtungsmaterials hindurchgeführt wird und durch Elektrolyse eine korrosionsbeständige Beschichtung auf der Struktur abgelagert wird. Die Fahrzeugstruktur wird dann in einem Ofen getrocknet, um die Beschichtung auszuhärten; wobei der expandierbare Klebstoff vorzugsweise so ausgewählt wird, dass er durch die Bedingungen, die in dem Ofen zum Aushärten der Beschichtung verwendet werden, zum Expandieren und Entwickeln der Klebeeigenschaften aktiviert wird. Das expandier bare Klebematerial expandiert deshalb unter den Aushärtebedingungen, um einen Schaum bereitzustellen, der den Raum zwischen dem Element und den Innenwänden des hohlen Strukturelements füllt und eine feste Haftung zwischen dem Verstärkungselement und der Innenwand des hohlen Strukturelements bereitstellt. Typischerweise wird die beschichtete Struktur bei ungefähr 165°C für ungefähr 20 Minuten ausgehärtet und dementsprechend sollte das expandierbare Klebematerial unter diesen Bedingungen aktiviert werden. Die Kraftfahrzeugindustrie sieht sich jedoch danach um, niedrigere Aushärtetemperaturen und kürzere Trocknungszeiten zu verwenden, was die Auswahl des expandierbaren Klebematerials beeinflussen könnte. Wenn andere Komponenten, beispielsweise Bolzen, durch die Verstärkungselemente während der nachfolgenden Montage hindurchgeführt werden, kann es erforderlich sein, zu beachten, dass sichergestellt wird, dass im Verstärkungselement ausgebildete Löcher für das Hindurchführen der Bolzen nicht durch das Expandieren des expandierbaren Klebematerials blockiert werden.
Die Techniken der vorliegenden Erfindung können für die Verstärkung irgendeiner Konstruktion verwendet werden, die auf einer hohlen Rahmenstruktur basiert. Sie kann beispielsweise in der Bauindustrie, bei Booten, bei Luftfahrzeugen und bei Schienenfahrzeuganwendungen verwendet werden. Die Techniken sind jedoch besonders nützlich, Verstärkungen in Kraftfahrzeugen, einschließlich Autos, Lkws, Bussen, Wohnwagen und dergleichen bereitzustellen. Die Techniken sind besonders nützlich beim gegenwärtigen Trend hin zur Verwendung leichterer und manchmal schwächerer Materialien für die Produktion von Kraftfahrzeug-Hilfsrahmen, wo ein größerer Bedarf nach Verstärkung besteht, um die Ver ringerung der Festigkeit des Basismaterials zu kompensieren und dazu beizutragen, die Sicherheitserfordernisse zu erfüllen. Dies ist insbesondere der Fall bei der Verwendung von Aluminium für die Herstellung von hohlen Hilfsrahmen für Kraftfahrzeuge.
Die vorliegende Erfindung ist unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen veranschaulicht, wobei die 1A und 2A eine Verstärkung gemäß dem Stand der Technik veranschaulichen, 1A das System vor der Aktivierung des expandierbaren Klebematerials darstellt und 2A das System nach der Aktivierung darstellt.
Die 3A und 4A veranschaulichen eine Verstärkung gemäß der vorliegenden Erfindung. 3A zeigt das System vor der Aktivierung des expandierbaren Klebematerials und 4A zeigt das System nach der Aktivierung.
Die 1B und 2B veranschaulichen eine andere Form einer herkömmlichen Verstärkung, 1B zeigt das System vor der Aktivierung des expandierbaren Klebematerials und 2B zeigt das System nach der Aktivierung.
5A veranschaulicht eine potentielle Deformation des Verstärkungssystems aus 2A, wenn dies einer Kraft in der Richtung unterworfen wird, die durch einen Pfeil "A" dargestellt ist, und 5B veranschaulicht die potentielle Deformierung des Systems aus 4A bei Unterwerfung gegenüber derselben Kraft.
6A veranschaulicht eine potentielle Deformierung des Verstärkungssystems aus 2B, wenn es einer Kraft in der Richtung unterworfen wird, die durch einen Pfeil "A" dargestellt ist, und 6B veranschaulicht die potentielle Deformierung des Verstärkungssystems aus 4B, wenn es derselben Kraft unterworfen wird.
7 zeigt ein geformtes Strukturverstärkungselement umfassend eine Vielzahl von Paaren von Rippen, zwischen denen das expandierbare Klebematerial angeordnet sein kann.
1A zeigt einen Querschnitt eines hohlen Fahrzeugstrukturelements 4, in dem ein Verstärkungselement 2 mit einem "M"-förmigen Querschnitt, beispielsweise bei XX' in 7B angeordnet ist. Ein expandierbares Klebematerial 3 ist auf der Fläche 2 angrenzend zur Innenfläche des Strukturelements 4 vorgesehen. 2A zeigt denselben Querschnitt wie 1A, aber nach der Expansion des expandierbaren Klebstoffs 3, wie sie durch den Aushärteschritt des Elektrobeschichtungsprozesses verwirklicht werden kann. 2A zeigt, wie der Klebstoff 3 zwischen dem Verstärkungselement und dem Strukturelement 4 expandiert, um einen Schaum bereitzustellen, der das Verstärkungselement und das Strukturelement aneinander haftet.
3A zeigt denselben Querschnitt des hohlen Fahrzeugstrukturelements 4, welcher ein "M"-förmiges Verstärkungselement 2 enthält. In diesem Fall ist das Verstärkungselement mit einem Paar Rippen 1 an den drei Positionen versehen, wo der expandierbare Klebstoff vorgesehen ist. Diese Paare von Rippen bilden Rillen aus, welche den expandierbaren Klebstoff 3 enthalten. 4A zeigt, wie das Expandieren des expandierbaren Klebstoffs durch die Rippen 1 gesteuert wird, um eine angemessene Anhaftung zwischen dem Strukturelement 2 und dem Verstärkungselement 4 mit einer kleineren Menge an expandierbarem Klebstoff, wie für das System aus 1A erforderlich ist, zu ermöglichen. Der Vergleich der 5A und 5B zeigt, wie das Vorsehen der Rippen 1 an dem Verstärkungselement 2 (wie in 5B) die Deformation der verstärkten Struktur verglichen mit der Deformation des Systems ohne die erfindungsgemäßen Rippen, welche in 5A dargestellt sind, verringert.
Die 1B und 2B zeigen Kraftfahrzeugstrukturelement 4 von ähnlichem Querschnitt zu dem in den vorhergehenden Figuren. In diesem Fall enthält das Strukturelement ein "U"-förmiges Verstärkungselement 2. In 1B ist das Strukturverstärkungselement 2 mit expandierbaren Klebstoff 3 an den Ecken der "U"-Form versehen. 2B zeigt, wie der expandierbare Klebstoff über den Hohlraum hinweg zwischen dem Strukturelement 4 und dem Verstärkungselement 2 expandieren kann, um die zwei zusammen zu haften.
Die 6A und 6B zeigen die Deformation des Strukturelements 4, die auftritt, wenn die in 2B und 4B jeweils veranschaulichten Systeme derselben Druckfestigkeit in der Richtung des Pfeiles A unterworfen werden.
7 zeigt ein Verstärkungselement, welches aus glasverstärktem Nylon geformt ist, welches das in den 1B und 2B verschaulichte System verwendet. Das Element besteht aus einer strukturverstärkten Komponente 5, die mit einem Labyrinth aus inneren Verstärkungsrippen 6 versehen ist. Eine Serie von Paaren von Rippen (7, 7); (8, 8); (9, 9) usw. sind in die Außenfläche des Formteils eingeformt. Das expandierbare Klebematerial (nicht dargestellt) kann dann in den Rillen abgelagert werden, die zwischen den Paaren von Rippen ausgebildet sind, erfindungsgemäß kann das expandierbare Klebematerial auch in den Kanälen 10 angeordnet werden, so dass seine Expansion in einer Querrichtung durch die Rippen gesteuert wird, wie durch Bezugszeichen 3 in 4A dargestellt. Das Formteil kann dann verwendet wer den, um eine Strukturverstärkung in einem Fahrzeughilfsrahmen in der hier beschriebenen Weise vorzusehen.
Die Erfindung liefert dementsprechend sowohl gerippte Formteile, die ungeschäumten, expandierbaren Klebstoff enthalten, als auch verstärkte hohle Elemente, die das gerippte Formteil enthalten, welches durch den expandierbaren Klebstoff an die Innenfläche des hohlen Strukturelements gehaftet ist.
Wie veranschaulicht, ermöglichen die Systeme der vorliegenden Erfindung, dass eine verbesserte oder vergleichbare Verstärkung erlangt wird, während eine geringere Menge von expandierbaren Klebematerial verwendet- wird.

Claims

Strukturverstärkungselement zum Verstärken eines hohlen Strukturelements (4) umfassend ein Verstärkungselement (2), welches auf einem Abschnitt seiner Oberfläche ein expandierbares Klebematerial (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Verstärkungselements (2) mit zwei oder mehr Paaren von Verlängerungen (1) versehen ist, welche sich der Innenfläche des hohlen Strukturelements (4) annähern, wenn das Verstärkungselement (2) innerhalb des hohlen Strukturelements (4) platziert ist, wobei sich auf der Oberfläche des Verstärkungselements (2) zwischen zumindest zwei der Paare von Verlängerungen kein expandierbares Klebematerial befindet und das expandierbare Klebematerial (3) innerhalb von zumindest zwei der Paare von Verlängerungen so angeordnet ist, dass die Verlängerungen innerhalb derer das expandierbare Klebematerial (3) angeordnet ist, die Expansion des expandierbaren Klebematerials (3) führen.
Strukturverstärkungselement gemäß Anspruch 1, wobei die Außenform des Verstärkungselements (2) im Wesentlichen konform zum Querschnitt des hohlen Strukturelements (4) ist.
Strukturverstärkungselement gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Größe des Verstärkungselements (2), welches das expandierbare Klebematerial (3) einschließt, derart ist, dass ein kleiner Zwischenraum zwischen dem Ende des Verstärkungselements (2) und den Innenwänden des hohlen Strukturelements (4) existiert.
Strukturverstärkungselement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verstärkungselement (2) eine zellulare, honigwabenförmige oder gerippte Innenstruktur aufweist.
Strukturverstärkungselement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verlängerungen (1) Rippen, erhöhte Erhebungen oder ein Teil eines geprägten Bereichs sind.
Strukturverstärkungselement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verlängerungen (1) einstückig mit dem Verstärkungselement ausgebildet sind.
Strukturverstärkungselement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welches mit kleinen Distanzstücken versehen ist, welche das Strukturverstärkungselement von den Innenwänden des hohlen Strukturelements (4) beabstanden.
Strukturverstärkungselement gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei der Zwischenraum nicht größer als 1 Zentimeter ist.
Strukturverstärkungselement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welches aus gefülltem Polyamid hergestellt ist.
Strukturverstärkungselement gemäß Anspruch 9, wobei der Füller Glasfasern sind.
Strukturverstärkungselement gemäß Anspruch 9, wobei der Füller Kohlefasern sind.
Strukturverstärkungselement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, welches aus einem wärmehärtenden Harz hergestellt ist.
Strukturverstärkungselement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das expandierbare Klebematerial (3) sowohl zum Expandieren als auch zum Wirken als Klebestoff aktiviert werden kann, wenn es erhitzt wird.
Strukturverstärkungselement gemäß Anspruch 13, wobei das expandierbare Klebematerial (3) bei der Temperatur des Aushärteschrittes im Elektrobeschichtungsverfahren aktiviert werden kann.
Strukturverstärkungselement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor der Aktivierung das expandierbare Klebematerial (3) berührungstrocken ist.
Strukturverstärkungselement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das expandierbare Klebematerial (3) ein schäumbares, epoxydbasiertes Harz ist.
Strukturverstärkungselement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das expandierbare Klebematerial (3) zumindest auf einen Abschnitt der Oberflächen des steifen Verstärkungselements aufgebracht ist, welcher zu zwei nichtparallelen Oberflächen der Innenfläche des hohlen Strukturelements (4) angrenzen wird.
Strukturverstärkungselement gemäß Anspruch 17, wobei das expandierbare Klebematerial (3) über zumindest einen Teil von jeweils der Oberseite, der Unterseite und der Seiten des Verstärkungselements (2) aufgebracht ist.
Strukturverstärkungselement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Serie von Paaren von Rippen (7, 8, 9) entlang einer oder mehrerer Oberflächen des Verstärkungselements (2) vorgesehen ist.
Verwendung eines Strukturverstärkungselements gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, um eine Verstärkung in einem Fahrzeug zur Verfügung zu stellen.
Verwendung gemäß Anspruch 20, um eine Punktbeweglichkeit zu verringern.
Verwendung gemäß Anspruch 20, um eine Verstärkung der vorderen Längssektion eines Fahrzeugs zur Verfügung zu stellen.
Verwendung gemäß Anspruch 20, um einen Deformationswiderstand der hinteren Längssektion zur Verfügung zu stellen.
Verwendung gemäß Anspruch 20, um Säulen, Rahmenquerelemente und Fensterrahmen zu verstärken.
Verfahren zum Bereitstellen einer Verstärkung innerhalb von hohlen Strukturen, in denen ein Strukturverstärkungselement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19 während des Zusammenbaus eines Fahrzeugrahmens installiert wird, und das System erhitzt wird, wodurch das expandierbare Klebematerial expandiert, um einen Schaum zwischen dem Strukturverstärkungselement und den Innenwänden des hohlen Strukturelements zur Verfügung zu stellen, und das Strukturverstärkungselement an die Innenwand des hohlen Strukturelements haftet.
Verfahren gemäß Anspruch 25, wobei das. Erhitzen in dem Elektrobeschichtungsaushärteprozess stattfindet.
Verfahren gemäß Anspruch 26, wobei durch Infrarot, Hochfrequenz, Mikrowelle oder Induktionserhitzen erhitzt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 25 bis 27, wobei das Erhitzen zwischen 130°C und 200°C stattfindet.