DE60211741T2

DE60211741T2 - Verstärkte strukturteile für kraftfahrzeugassemblage

Info

Publication number: DE60211741T2
Application number: DE2002611741
Authority: DE
Inventors: E. Paul Royal Oak JURAS; Kousay Birmingham SAID; Gary Clarkston LAWREY; G. David Rochester MCLEOD
Original assignee: Dow Global Technologies LLC
Current assignee: Dow Global Technologies LLC
Priority date: 2001-11-29
Filing date: 2002-11-22
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2022-11-23
Also published as: ATE327138T1; EP1451057A1; EP1451057B1; US20030099826A1; US7041355B2; CA2468647A1; CN1592697A; WO2003047951A1; JP2005511389A; KR20050058246A; BR0213674A; DE60211741D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft tragende Verstärkungsteile, die bei Kraftfahrzeuganwendungen von Nutzen sind.
Das Gewicht des Kraftfahrzeugs zu reduzieren, während gleichzeitig die Anforderungen hinsichtlich Sicherheit und Tragleistung erfüllt werden, ist für Kraftfahrzeugingenieure ein Schlüsselproblem bei der Konstruktion. Die Minimierung der Fahrzeugmasse ist außerdem ein wesentlicher Gesichtspunkt, wenn es darum geht, den immer strengeren Anforderungen hinsichtlich Kraftstoffverbrauch, CAFE (Durchschnittsverbrauch aller jährlich verkauften Fahrzeuge eines Herstellers) und Emissionen gerecht zu werden. Die Ingenieure müssen neue Methoden, Verfahren und Technologien finden, um das Fahrzeuggewicht zu minimieren, ohne hinsichtlich der Anforderungen an die technische Konstruktion Einbußen zu machen.
Herkömmliche Verfahren zur Verbesserung der Tragleistung der Karosserie beinhalten die Modifikation der Blechstärken, die Modifikation der Querschnittsabmessungen der Konstruktion und das Anbringen weiterer Verstärkungs- und Blechteile.
Die US 5,194,199 offenbart ein tragendes Teil, wie zum Beispiel einen Holm zum Fahrzeugbau, der aus einem hohlen Metallteil und einem vorgefertigten Verstärkungskern aus leichtem Material besteht. Das Teil wird hergestellt, indem der Kern mit einer Ummantelung aus thermisch aufschäumbarem Material versehen wird und indem die Baugruppe einem Vorgang der Tauchbeschichtung unter Erwärmung unterzogen wird, um das thermisch aufschäumbare Material aufzuschäumen. Dieses Verfahren erfordert jedoch eine schäumbare Ummantelung, was zu einer gewissen Unsicherheit hinsichtlich Form und Größe der Ummantelung führt.
Die WO 01/55523 offenbart ein Verstärkungsteil für ein tragendes Bauteil mit einem Träger und einem tragenden Verstärkungselement aus einem thermisch aufschäumbaren Material. Das thermisch aufschäumbare Verstärkungsmaterial ist ein Kunstharz, das bei dem Prozess der Kraftfahrzeugherstellung während des Brennens bei hoher Temperatur schäumt (zum Beispiel in der Phase des Brennens der Lackierung bzw. Pulverlackierung). Diese Verfahren des Schäumens vor Ort werden nicht bevorzugt, weil es schwierig ist, Weg und Richtung der Ausdehnung des Kernschaums zu kontrollieren, und weil es außerdem schwierig ist, Menge und Gewicht des Schaums in dem Kern zu minimieren.
Die WO 01/58741 offenbart ein tragendes Verstärkungssystem für Kraftfahrzeuge mit einem Gerüstteil und einem schäumbaren Material, das darauf angeordnet ist, um das Verstärkungssystem mit dem Kraftfahrzeugrahmen zu verbinden. Die WO 01/68394 offenbart eine wärmeaktivierbare Verstärkungshülse gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 7, mit einem polymeren Träger und einem wärmeaktivierbaren tragenden Verstärkungsmedium aus Schaumstoff, wie zum Beispiel aus Epoxidharz. Diese Systeme erfordern jedoch komplexe Rahmen mit einer Vielzahl von Verstärkungsrippen.
Es besteht daher nach wie vor ein Bedarf an leistungsfähigen, leichten, kostengünstigen, verarbeitungsfreundlichen tragenden Verstärkungsteilen zur Verwendung bei Anwendungen im Bereich des Kraftfahrzeugrahmens und der Karosseriekonstruktion.
In einer Ausgestaltung handelt es sich bei der vorliegenden Erfindung um ein tragendes Verstärkungsteil zur Verwendung bei Kraftfahrzeuganwendungen, mit:

1) einem tragenden Füllmaterial;
2) einer polymeren Ummantelung mit einer Außenseite, wobei die Ummantelung das tragende Füllmaterial enthält, so dass das Füllmaterial im Wesentlichen den Hohlraum der Ummantelung einnimmt; und
3) einem wärmeaktivierbaren schäumbaren Klebstoff, der mit der Außenseite der polymeren Ummantelung in Kontakt steht;

In einer weiteren Ausgestaltung handelt es sich bei der vorliegenden Erfindung um ein Verfahren zur Herstellung des tragenden Verstärkungsteils zur Fahrzeugmontage nach Anspruch 1, mit den folgenden Schritten:

1) Bildung einer geformten polymeren Ummantelung mit einem Hohlraum und einer Außenseite;
2) Einspritzen eines tragenden Füllmaterials oder von Bestandteilen desselben in den Hohlraum, so dass der Hohlraum im Wesentlichen gefüllt ist; und
3) einen schäumbaren Klebstoff mit der Außenseite der polymeren Ummantelung in Kontakt bringen;

Spezielle Merkmale und Eigenschaften der oben aufgeführten Bestandteile des Materials können manipuliert und modifiziert werden, um eine signifikante Flexibilität der Konstruktion bereitzustellen, so dass jedes Teil den Leistungsanforderungen seiner speziellen Anwendung bei kleinstmöglichem Teilegewicht gerecht werden kann. Die geformte Ummantelung kann hinsichtlich Materialtyp, Form, Dicke und Zahl der integrierten Konstruktionsmerkmale schwanken. Art und Dichte des tragenden Füllmaterials können ebenfalls variiert werden, um optimale Leistungsstufen bereitzustellen. Das Verhalten des gesamten, in dem Teil enthaltenen Materials führt in Kombination zu einer überlegenen Tragleistung in Bezug auf Festigkeit, Steifigkeit und Energieabsorption.
Die spezifizierten Bauteile können in mehreren verschiedenen Ausführungsformen realisiert werden. Eine dickwandige Ummantelung kann von einem Schaumstoff geringerer Dichte umgeben sein, so dass der Großteil der Festigkeit des Teils durch die es umgebende Ummantelung bereitgestellt wird. Eine weitere Ausführungsform beinhaltet eine dünnere, halbtragende Ummantelung, die mit einem tragenden Füllmaterial von höherer Dichte gefüllt ist, so dass beide Materialien die Anforderungen an die Tragfähigkeit erfüllen. Bei einer weiteren Ausführungsform wird eine dünnwandige geformte Ummantelung verwendet, die hauptsächlich als Träger und Übertragungsmittel für das hochfeste und energieabsorbierende Füllmaterial des Kerns dient. Verschiedene Ausführungsformen können außerdem einen doppelten Zweck als Schalldämmung sowie als tragende Verstärkung erfüllen.
Dieses vereinfachte tragende Verstärkungsteil erfordert kein Aufschäumen des tragenden Füllmaterials vor Ort wie im Stand der Technik und ergibt ein stabiles tragendes Teil von geringem Gewicht, das über den schäumbaren Klebstoff auf den Fahrzeugrahmen geklebt werden kann, nachdem es während des Prozesses der Fahrzeugmontage Wärme ausgesetzt wurde. Dieses tragende Verstärkungsteil ist leicht zu montieren, da keine voluminösen Systeme, Pumpen oder zusätzlichen Geräte erforderlich sind.
A ist eine Querschnittsansicht eines tragenden Verstärkungsteils, wobei I die umgebende Konstruktion des Fahrzeugrahmens, II der schäumbare Klebstoff, III die geformte Ummantelung und IV das tragende Füllmaterial ist.
Das tragende Verstärkungsteil der vorliegenden Erfindung umfasst eine geformte Ummantelung mit einer vorgegebenen Form und Größe, wobei die Ummantelung eine Polymerwand mit einer Innenseite und einer Außenseite und einen durch die Innenseite begrenzten Raum umfasst. Die geformte Ummantelung kann aus jedem temperaturbeständigen Hochleistungskunststoff hergestellt werden, der den Umgebungsbedingungen des Verfahrens und den Ofentemperaturen im Fahrzeugmontagewerk standhalten kann, ohne eine signifikante Verschlechterung in der Leistung zu zeigen. Das heißt, die geformte Ummantelung wird bei den im Prozess der Fahrzeugmontage auftretenden Temperaturen ihre Form und Größe ohne irgendeine nachteilige Verformung behalten. Typische Kunststoffmaterialien sind unter anderem semikristalline oder amorphe Materialien, einschließlich Polyamide wie zum Beispiel Nylon 6, Nylon 6/6, Nylon 6/6/6, Polyolefine wie zum Beispiel Polyethylen oder Polypropylen, syndiotaktische aromatische Vinylpolymere wie zum Beispiel syndiotaktisches Polystyrol (SPS) und Mischungen davon. Weitere mögliche Polymere sind Polyester, Polyesteramide, Polyarylate, Polyurethane, Polyharnstoffe, Polyphenylensulfide und Polyetherimide.
Die geformte Ummantelung kann nach jedem Formverfahren hergestellt werden, mit dem eine Ummantelung hergestellt wird, die eine vorgegebene Form und Grö ße, eine Polymerwand mit einer Innen- und Außenseite und einen durch die Innenseite der Polymerwand begrenzten Raum bzw. eine innere Begrenzung der Ummantelung aufweist. Typische Formverfahren sind unter anderem wohlbekannte Verfahren wie zum Beispiel Blasformen, Spritzgießen, Rotationsformen, Druckformen und dergleichen.
Die geformte Ummantelung kann je nach der gewünschten Größe des Hohlraums und den Anforderungen der jeweiligen Anwendung hinsichtlich Form, Größe und Dicke schwanken, um die gewünschte Festigkeit, Formbeständigkeit und Masse auszugleichen. Vorzugsweise ist die geformte Ummantelung von rechteckiger oder quadratischer Form, mit einem einzigen durch die Innenseite der Ummantelung begrenzten Raum, in den akzeptables tragendes schäumbares Material zu füllen ist. In die Geometrie der geformten Ummantelung können auch noch andere Konstruktionsmerkmale integriert sein, wie zum Beispiel Rippen, örtliche Konturen oder abgeklebte Stellen, um die Funktionsleistung des Teils zu optimieren. Typischerweise wird die Polymerwand eine solche Dicke haben, dass Material gespart und das Gewicht reduziert wird. Die Wandstärke wird typischerweise von 1,5 mm bis 10 mm schwanken, je nach den verwendeten Materialien und den speziellen Anforderungen der jeweiligen Anwendung.
Das tragende Füllmaterial kann jedes Material sein, das verwendet werden kann, um der geformten Ummantelung eine strukturelle Verstärkung zu bieten. Das Material kann je nach den bei der speziellen Anwendung erforderlichen Eigenschaften ausgewählt werden.
Typischerweise schließt die geformte Ummantelung ein tragendes Füllmaterial aus Schaumstoff ein, das vor dem Einbau von Teilen aufgeschäumt und gehärtet wird. Das Schaumstoffmaterial ist in dem innerhalb der Innenseite der Polymerwand definierten Raum angeordnet und füllt diesen aus. Mit anderen Worten, das Schaumstoffmaterial steht im Wesentlichen durchgehend in Kontakt mit der Innenseite der Polymerwand. Das Schaumstoffmaterial wird typischerweise eine Dichte von 5 lbs./ft³ (80 kg/m³) bis 25 lbs./ft³ (400 kg/m³) haben, sobald es einmal ganz aufgeschäumt ist. Das Füllmaterial aus Schaumstoff wird vor Einbau in einen Fahrzeugkarosseriehohlraum eingespritzt, aufgeschäumt und vollständig ausgehärtet.
Bei einer Ausführungsform ist das tragende Füllmaterial ein warmhärtender Polymerschaum aus Polyurethan. Es können jedoch auch andere Arten von tragendem Füllmaterial verwendet werden, wie zum Beispiel andere duroplastische und thermoplastische Füllstoffe einschließlich Epoxidharze, Polyurethanhybride, Polyolefine, syndiotaktische Polymere, Verbundstoffe und sonstige Hartschaumstoffe. Nicht aus Kunststoff bestehende Füllmaterialien wie zum Beispiel Aluminiumschaum, organische und nichtorganische (keramische und metallische) Schaumstoffe können ebenfalls verwendet werden.
Zum Anbringen des tragenden Füllmaterials kann jedes Verfahren zum Einleiten in die geformte Ummantelung verwendet werden. Typischerweise wird Füllmaterial vor dem Einsetzen in den Hohlraum der Fahrzeugkarosseriestruktur in dem Hohlraum der geformten Ummantelung angeordnet oder darin eingespritzt und vollständig darin umgesetzt. Eine Pumpeinheit oder ein sonstiges geeignetes Einspritzverfahren kann verwendet werden, um das Füllmaterial in die geformte Ummantelung einzuspritzen.
Tragendes Füllmaterial wird bei dem Prozess der Fahrzeugmontage typischerweise vor dem Anbringen der Teile in die geformte Ummantelung eingespritzt. Die geformte Ummantelung wird ein Mittel zum Einleiten des tragenden Füllmaterials, wie zum Beispiel ein Einführungsloch, haben. Dieses Mittel kann jede Ausführungsform sein, die das Einspritzen oder Einsetzen von tragendem Füllmaterial oder Bestandteilen desselben erlaubt. Typischerweise werden die Bestandteile ein Polymer oder Monomere und ein Treibmittel umfassen. In einigen Fällen wird das Material aus der Kombination von Bestandteilen der "A-Seite" und der "B-Seite" hergestellt, die unter Umgebungsbedingungen aushärten. Zum Beispiel kann die A-Seite aus Isocyanatvorpolymer oder polymerem Methylendiphenylisocyanat (MDI) bestehen, und die B-Seite kann aus einer Polyolmischung bestehen, die nominell aus verschiedenen Polyolen, Tensiden, Katalysatoren und Wasser besteht. Das Füllmaterial kann auch Füllstoffe wie Glaskügelchen, thixotrope Zusatzstoffe und sonstige Mischfasern enthalten. Treibmittel schließen jedes Treibmittel mit ein, das bei dem als tragendes Füllmaterial ausgewählten Material verwendet werden kann, und können entweder chemische, physikalische Treibmittel oder Kombinationen davon sein. Die Treibmittel können mit dem Polymer in einem vorgemischten Zustand kombiniert und in die geformte Ummantelung eingespritzt werden oder können gleichzeitig mit dem Polymer oder den Polymerbestandteilen zugegeben werden. Einkomponenten-Schaumstoffe und -Systeme können ebenfalls verwendet werden, wie zum Beispiel jene, die in den US-Patenten 4,923,902 und 4,995,545 beschrieben sind.
Außer der geformten Ummantelung und dem tragenden Füllmaterial umfasst das tragende Verstärkungsteil noch einen schäumbaren Klebstoff, der mit der Außenseite der geformten Ummantelung in Kontakt steht. Der schäumbare Klebstoff kann jedes organische Material sein, das bei Temperaturen, die bei relevanten Fahrzeugkarosseriebehandlungsverfahren wie zum Beispiel beim Elektrophoresebeschichten, Lackieren oder in Versiegelungsöfen auftreten, d.h. bei 110°C oder höher, aktiviert wird, um aufzuschäumen und an der umgebenden Struktur zu haften. Ein typischer schäumbarer Klebstoff umfasst ein polymeres Basismaterial, wie zum Beispiel ein Epoxidharz oder ein Polymer auf Ethylenbasis, das beim Compoundieren mit entsprechenden Bestandteilen (typischerweise ein Treibmittel und ein Härtungsmittel) aufschäumt und unter Wärmeeinwirkung zuverlässig und vorhersagbar aushärtet. Der schäumbare Klebstoff wird außerdem beim Aushärten vernetzen oder seine endgültige Form erreichen, was das Material nicht mehr weiter fließen oder seine Form ändern lässt. Jedes Material, das durch Wärme aktiviert wird und unter entsprechenden Bedingungen zuverlässig und vorhersagbar aufschäumt und aushärtet, wobei es den strukturellen Anforderungen für die ausgewählte Anwendung gerecht wird, kann verwendet werden. Weitere nützliche Materialien sind Polyolefine, Copolymere und Terpolymere, wobei mindestens ein Monomertyp ein α-Olefin ist, Phenol/Formaldehyd-Materialien, Phenoxymaterialien und Polyurethanmaterialien mit einer hohen Glasübergangstemperatur, wie in den US-Patenten 5,766,719; 5,755,486; 5,575,526; 5,932,680.
Der fließfähige schäumbare Klebstoff kann auf jede beliebige Weise auf die Außenseite der Ummantelungswand aufgebracht werden, einschließlich durch Tauchen, Laminieren, Bürsten, Walzen, Coextrudieren. Außerdem kann der schäumbare Klebstoff vorgeformt oder zu Stücken ausgestanzt werden, die auf die Außenseite der Ummantelungswand gelegt oder geklebt werden können. Bei einer Ausführungsform ist der schäumbare Klebstoff auf dem gesamten Umfang der Außenseite im Wesentlichen durchgehend.
Sobald das tragende Verstärkungsteil hergestellt ist, kann das tragende Teil während der Montage des Kfz-Produkts in den gewünschten Hohlraum eingesetzt werden. Unter der Einwirkung von Temperaturen von 110°C oder höher wird der schäumbare Klebstoff auf der Außenseite der Ummantelung aufschäumen und außerdem an dem jeweiligen Rahmen haften, während das tragende Schaumstoffmaterial unter diesen Bedingungen nicht weiter reagieren oder aufschäumen wird. Es ist möglich, dass das tragende Teil eine Art von vorübergehendem mechanischem Befestigungselement oder Klebstoff erfordern wird, um festgehalten zu werden, bis der Klebstoff aktiviert ist. Außerdem wird der Klebstoff aufschäumen, um die Lücken zu füllen, die zwischen dem äußeren schäumbaren Material und dem umgebenden Rahmen bzw. der umgebenden Struktur vorhanden sind.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht maximale Flexibilität bei der Konstruktion eines tragenden Verstärkungsteils wegen der Freiheit bei der Wahl des Materials sowohl für die geformte Ummantelung als auch für das tragende Füllmaterial. Es ist leicht, und die Festigkeit des Materials des Teils kann durch Erhöhen oder Verringern der Dichte des Schaumstoffs, durch die Stärke der Ummantelung, den Materialtyp der Ummantelung, die Konstruktionsmerkmale der Ummantelung oder die gesamte Geometrie der Ummantelung optimiert werden.
Bei einer Ausführungsform ist die geformte Ummantelung aus einer Zusammensetzung mit einem Nylonpolymer hergestellt, der tragende Füllstoff ist ein Polyurethanschaum, und der schäumbare Klebstoff ist ein durch Wärme aktivierter schäumbarer Schaumstoff.

Claims

Die vorliegende Erfindung ist ein tragendes Verstärkungsteil zur Verwendung bei Kraftfahrzeuganwendungen, mit: 1) einem tragenden Füllmaterial (IV); 2) einer polymeren Ummantelung (III) mit einer Außenseite, wobei die Ummantelung das tragende Füllmaterial enthält, so dass das Füllmaterial im Wesentlichen den Hohlraum der Ummantelung einnimmt; und 3) einem wärmeaktivierbaren schäumbaren Klebstoff (II), der mit der Außenseite der polymeren Ummantelung in Kontakt steht; dadurch gekennzeichnet, dass das tragende Füllmaterial (IV) nach dem Einbau von Teilen oder während der Fahrzeugmontage keine chemische Reaktion oder Ausdehnung erfährt oder erfordert.
Tragendes Verstärkungsteil nach Anspruch 1, bei dem die geformte Ummantelung (III) aus einem Polyamid, einem Polyolefin, einem syndiotaktischen aromatischen Vinylpolymer oder einer Mischung davon hergestellt ist.
Tragendes Verstärkungsteil nach Anspruch 1, bei dem die geformte Ummantelung (III) aus einem Polyamid hergestellt ist.
Tragendes Verstärkungsteil nach einem der Ansprüche 1–3, bei dem das tragende Füllmaterial (IV) ein Polyurethanschaum oder ein Aluminiumschaum ist.
Tragendes Verstärkungsteil nach Anspruch 4, bei dem das tragende Füllmaterial (IV) ein Polyurethanschaum ist.
Tragendes Verstärkungsteil nach einem der Ansprüche 1–5, bei dem der schäumbare Klebstoff (II) ein schäumbares Epoxidharz, Polyolefin oder thermoplastisches Polyurethan ist.
Verfahren zur Herstellung des tragenden Verstärkungsteils zur Fahrzeugmontage nach Anspruch 1, mit den folgenden Schritten: 1) Bildung einer geformten polymeren Ummantelung (III) mit einem Hohlraum und einer Außenseite; 2) Einspritzen eines tragenden Füllmaterials (IV) oder von Bestandteilen desselben in den Hohlraum, so dass der Hohlraum im Wesentlichen gefüllt ist; und 3) einen schäumbaren Klebstoff (II) mit der Außenseite der polymeren Ummantelung in Kontakt bringen; dadurch gekennzeichnet, dass das tragende Füllmaterial (IV) nach dem Einbau von Teilen oder während der Fahrzeugmontage keine chemische Reaktion oder Ausdehnung erfährt.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die geformte Ummantelung (III) blasgeformt, rotationsgeformt oder spritzgegossen wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem der schäumbare Klebstoff (II) auf die Außenseite der Polymerwand aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem der schäumbare Klebstoff (II) vorgeformt oder geschnitten und auf die Außenseite der Polymerwand geklebt wird.