DE102017106878B4

DE102017106878B4 - Anbindungsstruktur zur Anbindung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils an ein Anbindungsbauteil und Anordnung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils an mindestens einem Anbindungsbauteil

Info

Publication number: DE102017106878B4
Application number: DE102017106878.3A
Authority: DE
Inventors: Patrick Kühner; Markus Flaig
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2017-03-30
Filing date: 2017-03-30
Publication date: 2024-05-29
Anticipated expiration: 2037-03-31
Also published as: GB2562159B; CN108688730B; GB201804362D0; DE102017106878A1; FR3064525A1; FR3064525B1; GB2562159A; CN108688730A; US10676139B2; KR20180111561A; US20180281872A1; KR102093016B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anbindungsstruktur (1) zur Anbindung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils (2) an ein Anbindungsbauteil, umfassend einen Grundkörper (3), der aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt ist und einen Anbindungsabschnitt (4) aufweist, der so ausgebildet und geformt ist, dass eine Befestigungsschraube durch den Anbindungsabschnitt (4) hindurchführbar ist, die mit dem Anbindungsteil verschraubbar ist, wobei der Anbindungsabschnitt (4) zwei einander gegenüberliegende Stirnseiten aufweist und wobei zwischen den beiden Stirnseiten des Anbindungsabschnitts (4) ein faserverstärktes Gelege (7) ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anbindungsstruktur zur Anbindung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils an ein Anbindungsbauteil, umfassend einen Grundkörper, der aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt ist und einen Anbindungsabschnitt aufweist, der so ausgebildet und geformt ist, dass eine Befestigungsschraube durch den Anbindungsabschnitt hindurchführbar ist, die mit dem Anbindungsteil verschraubbar ist, wobei der Anbindungsabschnitt zwei einander gegenüberliegende Stirnseiten aufweist, und wobei zwischen den beiden Stirnseiten des Anbindungsabschnitts ein faserverstärktes Gelege ausgebildet ist. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Anordnung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils an mindestens einem Anbindungsbauteil, wobei das faserverstärkte Kunststoffbauteil mittels mindestens einer Anbindungsstruktur, die einen Anbindungsabschnitt aufweist und mittels einer Befestigungsschraube, die durch den Anbindungsabschnitt hindurchgeführt ist, an dem Anbindungsbauteil befestigt ist.
Bei der Entwicklung von Kraftfahrzeugen spielen konstruktive Maßnahmen zur Verringerung der Gesamtmasse des Kraftfahrzeugs eine wichtige Rolle. So ist es aus dem Stand der Technik zum Beispiel bekannt, Teile einer Fahrzeugkarosserie aus einem Faserverbundwerkstoff herzustellen. Aus der DE 10 2010 053 850 A1 ist eine Anbindungsstruktur für eine aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellte Versteifungsstrebe bekannt, bei der ein gesamter Anbindungsabschnitt oder zumindest eine Fügestelle eine Verstärkungsstruktur aufweist. Diese Verstärkungsstruktur kann zum Beispiel durch einen innenliegenden Metallkern, einen Metalleinsatz oder eine Metallverkleidung der Fügestelle oder des Anbindungsabschnitts gebildet sein.
Es hat sich gezeigt, dass bei der Anbindung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils an ein Anbindungsbauteil das Vorsehen eines oder mehrerer Metalleinsätze in einer ebenfalls aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellten Anbindungsstruktur nicht ausreichend ist, um bei einer Verschraubung der Anbindungsstruktur mit dem Anbindungsbauteil eine ausreichend hohe Druckfestigkeit und Drucksteifigkeit zu erhalten.
Eine gattungsgemäße Anbindungsstruktur zur Anbindung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils an ein Anbindungsbauteil ist zum Beispiel aus der DE 10 2013 005 570 A1 bekannt.
Die vorliegende Erfindung macht es sich zur Aufgabe, eine Anbindungsstruktur der eingangs genannten Art zur Anbindung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils an ein Anbindungsbauteil sowie eine gattungsgemäße Anordnung zur Verfügung zu stellen, mittels derer die Druckfestigkeit und die Drucksteifigkeit im Bereich der Verschraubung vergrößert werden können.
Die Lösung dieser Aufgabe liefert eine Anbindungsstruktur der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Hinsichtlich der Anordnung wird diese Aufgabe durch eine Anordnung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 7 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Eine erfindungsgemäße Anbindungsstruktur zeichnet sich dadurch aus, dass an jeder der beiden einander gegenüberliegenden Stirnseiten des Anbindungsabschnitts jeweils ein Metalleinsatz angeordnet ist. Durch das in die Anbindungsstruktur integrierte und zwischen den beiden Stirnseiten vorgesehene faserverstärkte Gelege, das integral mit dem Grundkörper ausgebildet ist, kann der Verschraubungsbereich der Anbindungsstruktur in vorteilhafter Weise höheren Druckbelastungen ausgesetzt werden. Die Gesamtmasse der Anbindungsstruktur wird dabei durch das Vorsehen des faserverstärkten Geleges nicht beziehungsweise allenfalls nicht signifikant vergrößert. Die gemäß der Erfindung stirnseitig vorgesehenen Metalleinsätze, die wie das faserverstärkte Gelege integral mit dem Grundkörper ausgebildet sind, werden insbesondere aufgrund der maximal zulässigen Grenzflächenpressung eingesetzt, damit in vorteilhafter Weise stirnseitig im faserverstärkten Kunststoffbauteil keine Abzeichnungen durch die Verschraubung sichtbar sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass das faserverstärkte Gelege eine Querschnittsform aufweist, die mit einer Querschnittsform des Anbindungsabschnitts korrespondiert. Das faserverstärkte Gelege und der Anbindungsabschnitt können zum Beispiel einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweisen. Andere Querschnittsformen des faserverstärkten Geleges und des Anbindungsabschnitts, die nicht beziehungsweise nur teilweise miteinander korrespondieren, sind grundsätzlich ebenfalls möglich.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass die Metalleinsätze eine Querschnittsform aufweisen, die mit einer Querschnittsform des Anbindungsabschnitts korrespondiert. Beispielsweise können die Metalleinsätze und der Anbindungsabschnitt einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweisen. Andere Querschnittsformen der beiden Metalleinsätze und des Anbindungsabschnitts sind aber grundsätzlich ebenfalls möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das Gelege unidirektional-faserverstärkt ausgebildet ist. Durch diese Maßnahme können die Druckfestigkeit und die Drucksteifigkeit der Verschraubung weiter erhöht werden.
Vorzugsweise kann das unidirektional-faserverstärkte Gelege eine Faserrichtung aufweisen, die sich in axialer Richtung des Anbindungsabschnitts erstreckt. Die Faserrichtung korrespondiert somit in vorteilhafter Weise mit der Verschraubungsrichtung der Befestigungsschraube, die bei der Montage durch den Anbindungsabschnitt hindurchgeführt wird. Dieses wirkt sich ebenfalls positiv auf die Druckfestigkeit und die Drucksteifigkeit der Verschraubung aus.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass der Grundkörper aus einem C-Sheet Molding Compound (kurz: C-SMC) hergestellt ist. Dabei handelt es sich um ein flächiges Halbzeug aus einem Reaktionsharz als Matrix sowie geschnittenen Kohlenstofffasern, die zur Verstärkung vorgesehen sind. Ein C-Sheet Molding Compound zeichnet sich insbesondere durch relativ große Faserlängen aus, so dass ein Grundkörper mit hoher mechanischer Steifigkeit und Festigkeit erhalten werden kann.
Eine erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die Anbindungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgeführt ist. Durch die besondere Ausgestaltung der Anbindungsstruktur mit dem faserverstärkten Gelege zwischen den beiden Stirnseiten können die Druckfestigkeit und die Drucksteifigkeit im Bereich der Verschraubung wesentlich erhöht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass das faserverstärkte Kunststoffbauteil eine Domstrebe eines Kraftfahrzeugs ist, die mittels zweier Anbindungsstrukturen und zweier Befestigungsschrauben, die jeweils durch den Anbindungsabschnitt einer der beiden Anbindungsstrukturen hindurchgeführt sind, an zwei Federbeinaufnahmen in einem Motorraum eines Kraftfahrzeugs, welche die Anbindungsteile bilden, befestigt ist, wobei zumindest eine der Anbindungsstrukturen nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist. Eine derartige Domstrebe, die aus einem faserverstärkten Kunststoff (vorzugsweise aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff) hergestellt ist, bildet eine vorteilhafte Leichtbauvariante einer herkömmlichen, aus dem Stand der Technik bekannten Domstrebe, die aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus einem Stahlwerkstoff, hergestellt ist.
Vorzugsweise können beide Anbindungsstrukturen nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet sein. Dadurch können die Druckfestigkeit sowie die Drucksteifigkeit im Bereich beider Verschraubungen erheblich vergrößert werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Dabei zeigen

1 eine perspektivische Ansicht einer Anbindungsstruktur zur Anbindung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils an ein Anbindungsbauteil, wobei das faserverstärkte Kunststoffbauteil lediglich teilweise dargestellt ist,
2 eine Seitenansicht der Anbindungsstruktur gemäß 1,
3 einen Schnitt durch die Anbindungsstruktur entlang einer Linie III-III in 2.

Unter Bezugnahme auf 1 bis 3 umfasst eine Anbindungsstruktur 1 zur Anbindung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils 2 an ein hier nicht explizit dargestelltes Anbindungsteil einen Grundkörper 3, der aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt ist. Vorzugsweise ist der Grundkörper 3 aus einem C-Sheet Molding Compound (kurz: C-SMC) hergestellt. Dabei handelt es sich um ein flächiges Halbzeug aus einem Reaktionsharz als Matrix sowie geschnittenen Kohlenstofffasern, die zur Verstärkung vorgesehen sind. Ein C-Sheet Molding Compound hat den Vorteil, dass es relativ große Faserlängen aufweist. Dadurch wird erreicht, dass der Grundkörper 3 eine hohe Steifigkeit und Festigkeit erhält. Das faserverstärkte Kunststoffbauteil 2 kann insbesondere aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (kurz: CFK) hergestellt sein. Wie in 3 zu erkennen, weist der Grundkörper 3 einen hohlen Aufnahmeabschnitt 30 auf, in dem ein freies Ende 20 des faserverstärkten Kunststoffbauteils 2 formschlüssig aufgenommen ist. Da das faserverstärkte Kunststoffbauteil 2 vorliegend bei der Herstellung auch mit dem C-Sheet Molding Compound umpresst wird, entsteht darüber hinaus in diesem Bereich eine stoffschlüssige Fügeverbindung des freien Endes 20 des faserverstärkten Kunststoffbauteils 2 mit dem Grundkörper 3.
Der Grundkörper 3 umfasst ferner einen Anbindungsabschnitt 4, der in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweist. Der Anbindungsabschnitt 4 ist so geformt und dimensioniert, dass bei der Montage eine Befestigungsschraube durch diesen hindurchgeführt werden kann, um die Anbindungsstruktur 1 zusammen mit dem faserverstärkten Kunststoffbauteil 2 mit dem Anbindungsteil zu verschrauben. Der Anbindungsabschnitt 4 weist an seinen einander gegenüberliegenden Stirnseiten jeweils einen Metalleinsatz 5, 6 auf, der an die Querschnittsform des Anbindungsabschnitts 4 angepasst ist und somit in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls im Wesentlichen U-förmig ausgebildet ist. Diese beiden Metalleinsätze 5, 6 werden aufgrund der maximal zulässigen Grenzflächenpressung eingesetzt, damit stirnseitig im faserverstärkten Kunststoffbauteil 2 keine Abzeichnungen aufgrund der Verschraubung sichtbar sind.
Die Außenflächen der beiden einander gegenüberliegenden Metalleinsätze 5, 6 bilden zwei Anlageflächen, mit denen die Anbindungsstruktur 1 an dem Anbindungsteil anliegt. In diesem Zusammenhang ist es erforderlich, dass der Anbindungsabschnitt 4 eine hohe Druckfestigkeit und Drucksteifigkeit sowie ein geringes Setzverhalten aufweist, um eine stabile Verschraubung der Anbindungsstruktur 1 mit dem Anbindungsteil zu erhalten. Es hat sich gezeigt, dass der Faserverbundwerkstoff C-SMC, aus dem der Grundkörper 3 der Anbindungsstruktur 1 hergestellt ist, der Schraubverbindung im Bereich des Anbindungsabschnitts 4 keine ausreichend hohe Festigkeit und Steifigkeit zur Verfügung stellen kann.
Um diesem vorstehend genannten Problem abzuhelfen, könnte ein auf den ersten Blick vielleicht naheliegender Ansatz darin bestehen, den Anbindungsabschnitt 4 vollständig aus einem metallischen Werkstoff herzustellen. Dieser Ansatz würde jedoch dem Leichtbauansatz der vorliegenden Konstruktion der Anbindungsstruktur 1 mit dem damit verbundenen faserverstärkten Kunststoffbauteil 2 nachteilig entgegenstehen.
Um der Schraubverbindung im Bereich des Anbindungsabschnitts 4 eine hohe mechanische Festigkeit und Steifigkeit zur Verfügung zu stellen, wird daher vorgeschlagen, bei der Herstellung des Grundkörpers 3 zwischen den beiden an den Stirnseiten des Anbindungsabschnitts 4 ausgebildeten Metalleinsätzen 5, 6 ein unidirektionalfaserverstärktes Gelege 7 vorzusehen. Dadurch werden in vorteilhafter Weise die Druckfestigkeit und die Drucksteifigkeit im Bereich des Anbindungsabschnitts 4 der Anbindungsstruktur 1 erhöht, ohne dass dabei die Gesamtmasse der Anbindungsstruktur 1 (wenn überhaupt) nennenswert vergrößert wird. Die Faserrichtung 8, die in 2 durch einen Doppelpfeil symbolisiert wurde, erstreckt sich in axialer Richtung des Anbindungsabschnitts 4 und somit entlang der Verschraubungsrichtung der Befestigungsschraube. Die Wahl dieser Faserrichtung wirkt sich positiv auf die Druckfestigkeit sowie die Drucksteifigkeit der Verschraubung aus.
Die hier beschriebene Anbindungsstruktur 1 kann in ganz unterschiedlichen Anbindungsbereichen faserverstärkter Kunststoffbauteile 2 eingesetzt werden. Durch das integrierte unidirektional-faserverstärkte Gelege 7 kann der Verschraubungsbereich in vorteilhafter Weise höheren Druckbelastungen ausgesetzt werden, ohne dass die Gesamtmasse der Anbindungsstruktur 1 vergrößert wird.
Das in 1 lediglich teilweise dargestellte faserverstärkte Kunststoffbauteil 2 kann zum Beispiel eine Domstrebe eines Kraftfahrzeugs sein und vorzugsweise aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff hergestellt sein. Die Domstrebe ist mit Hilfe zweier Anbindungsstrukturen 1 der vorstehend beschriebenen Art an zwei einander gegenüberliegenden Federbeinaufnahmen, die in einem Motorraum eines Kraftfahrzeugs angeordnet sind und die Anbindungsteile im oben beschriebenen Sinne bilden, befestigt. Eine Domstrebe aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff weist in vorteilhafter Weise eine geringere Masse auf als eine Domstrebe, die in herkömmlicher Weise aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus einem Stahlwerkstoff, hergestellt ist.

Claims

Anbindungsstruktur (1) zur Anbindung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils (2) an ein Anbindungsbauteil, umfassend einen Grundkörper (3), der aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt ist und einen Anbindungsabschnitt (4) aufweist, der so ausgebildet und geformt ist, dass eine Befestigungsschraube durch den Anbindungsabschnitt (4) hindurchführbar ist, die mit dem Anbindungsteil verschraubbar ist, wobei der Anbindungsabschnitt (4) zwei einander gegenüberliegende Stirnseiten aufweist, und wobei zwischen den beiden Stirnseiten des Anbindungsabschnitts (4) ein faserverstärktes Gelege (7) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass an jeder der beiden einander gegenüberliegenden Stirnseiten des Anbindungsabschnitts (4) jeweils ein Metalleinsatz (5, 6) angeordnet ist.
Anbindungsstruktur (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das faserverstärkte Gelege (7) eine Querschnittsform aufweist, die mit einer Querschnittsform des Anbindungsabschnitts (4) korrespondiert.
Anbindungsstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalleinsätze (5, 6) eine Querschnittsform aufweisen, die mit einer Querschnittsform des Anbindungsabschnitts (4) korrespondiert.
Anbindungsstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelege (7) unidirektional-faserverstärkt ausgebildet ist.
Anbindungsstruktur (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das unidirektional-faserverstärkte Gelege (7) eine Faserrichtung (8) aufweist, die sich in axialer Richtung des Anbindungsabschnitts (4) erstreckt.
Anbindungsstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (3) aus einem C-Sheet Molding Compound hergestellt ist.
Anordnung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils (2) an mindestens einem Anbindungsbauteil, wobei das faserverstärkte Kunststoffbauteil (2) mittels mindestens einer Anbindungsstruktur (1), die einen Anbindungsabschnitt (4) aufweist und mittels einer Befestigungsschraube, die durch den Anbindungsabschnitt (4) hindurchgeführt ist, an dem Anbindungsbauteil befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindungsstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgeführt ist.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das faserverstärkte Kunststoffbauteil (2) eine Domstrebe eines Kraftfahrzeugs ist, die mittels zweier Anbindungsstrukturen (1) und zweier Befestigungsschrauben, die jeweils durch den Anbindungsabschnitt (4) einer der beiden Anbindungsstrukturen (1) hindurchgeführt sind, an zwei Federbeinaufnahmen in einem Motorraum eines Kraftfahrzeugs, welche die Anbindungsteile bilden, befestigt ist, wobei zumindest eine der Anbindungsstrukturen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass beide Anbindungsstrukturen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet sind.