DE102024118543A1 - Motor vehicle with stiffening structure - Google Patents

Motor vehicle with stiffening structure

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DE102024118543A1
DE102024118543A1 DE102024118543.0A DE102024118543A DE102024118543A1 DE 102024118543 A1 DE102024118543 A1 DE 102024118543A1 DE 102024118543 A DE102024118543 A DE 102024118543A DE 102024118543 A1 DE102024118543 A1 DE 102024118543A1
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reinforced outer
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Michael Johann
Frank Häusler
Hubert Stadtfeld
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Dr Ing HCF Porsche AG
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Dr Ing HCF Porsche AG
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug (1) mit einer Aussteifungsstruktur (2) zum Aussteifen eines Bauteils (3).
Erfindungswesentlich ist dabei,
- dass die Aussteifungsstruktur (2) eine einstückige Stringer-Spanten-Struktur mit Spanten (4) und Stringern (5) aufweist,
- dass die Spanten (4) und/oder die Stringer (5) aus Kunststoff ausgebildet sind und auf zumindest einer Seite eine faserverstärkte Randschicht (10) aufweisen,
- dass die faserverstärkte Randschicht (10) zumindest teilweise in den Kunststoff eingebettet oder mit diesem verklebt ist. The present invention relates to a motor vehicle (1) with a stiffening structure (2) for stiffening a component (3).
The essential element of the invention is that
- that the stiffening structure (2) has a one-piece stringer-frame structure with frames (4) and stringers (5),
- that the frames (4) and/or the stringers (5) are made of plastic and have a fiber-reinforced outer layer (10) on at least one side,
- that the fiber-reinforced outer layer (10) is at least partially embedded in or bonded to the plastic.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Bauteil, welches mit einer Aussteifungsstruktur ausgesteift ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a motor vehicle with a component which is stiffened by a stiffening structure, according to the preamble of claim 1.

Aus der EP 2 504 186 B1 ist eine Heckklappe für ein Kraftfahrzeug mit einer Teiltragstruktur aus faserverstärktem, thermoplastischem Kunststoff bekannt. Mit der Faserverstärkung soll insbesondere eine leichtere, steifere und sowohl einfacher als auch kostengünstiger herstellbare Kunststoff-Heckklappe geschaffen werden können.From the EP 2 504 186 B1 A tailgate for a motor vehicle with a partial load-bearing structure made of fiber-reinforced thermoplastic is known. The fiber reinforcement is intended to create a lighter, stiffer, and both simpler and more cost-effective plastic tailgate.

Aus der DE 10 2018 204 732 B4 ist eine Heckklappe für ein Kraftfahrzeug bekannt, aufweisend einen Grundkörper aus einem spritzgegossenen und faserverstärkten Kunststoffmaterial und wenigstens ein an und/oder in dem Grundkörper angeordneten faserverstärkten Kunststoffband. An dem Grundkörper ist dabei eine Fensteröffnung zur Aufnahme eines Heckfensters angeordnet, wobei wenigstens ein zumindest teilweise in den Grundkörper eingebettetes Zusatzteil vorgesehen ist, das wenigstens zwei Verbindungsabschnitte aufweist, um die jeweils eine Schlaufe des faserverstärkten Kunststoffbandes herumgeführt ist. Das faserverstärkte Kunststoffband ist zudem umlaufend um die Fensteröffnung und einen umlaufenden Randbereich des Grundkörpers angeordnet. Hierdurch soll eine Heckklappe mit verbesserten Lastübertragungs- und Lastverteilungseigenschaften bereitgestellt werden können.From the DE 10 2018 204 732 B4 A tailgate for a motor vehicle is known, comprising a base body made of an injection-molded, fiber-reinforced plastic material and at least one fiber-reinforced plastic strip arranged on and/or in the base body. A window opening for receiving a rear window is arranged on the base body, wherein at least one additional part, at least partially embedded in the base body, is provided, which has at least two connecting sections around which a loop of the fiber-reinforced plastic strip is guided. The fiber-reinforced plastic strip is also arranged circumferentially around the window opening and a circumferential edge region of the base body. This is intended to provide a tailgate with improved load transfer and load distribution properties.

Aus der DE 10 2022 107 379 A1 ist ein Ladeboden für insbesondere einen Kofferraum eines Kraftfahrzeugs bekannt, aufweisend einen schichtförmigen Aufbau mit einer Kernschicht, eine erste und zweite Verstärkungsschicht, wobei die Kernschicht zwischen der ersten und der zweiten Verstärkungsschicht angeordnet ist. Darüber hinaus besitzt der Ladeboden eine, insbesondere aus Polypropylen gefertigte, Wabenstruktur. Die erste und/oder zweite Verstärkungsschicht besitzt darüber hinaus ein Geflecht aus einer Vielzahl von thermoplastischen Endlosfaser-Tapes (UD-Tapes). Hierdurch soll eine Steifigkeit des Ladebodens sowie eine Belastbarkeit verbessert werden.From the DE 10 2022 107 379 A1 A loading floor, particularly for the trunk of a motor vehicle, is known, comprising a layered structure with a core layer, a first and a second reinforcement layer, wherein the core layer is arranged between the first and the second reinforcement layer. Furthermore, the loading floor has a honeycomb structure, particularly made of polypropylene. The first and/or second reinforcement layer also has a mesh of numerous thermoplastic continuous fiber tapes (UD tapes). This is intended to improve the stiffness and load-bearing capacity of the loading floor.

Aus der US 9 527 250 B2 ist ein Verfahren zur Verringerung einer Verformung eines Kunststoffbauteils aus Polymer mit eingebetteten Endlosfasern bekannt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bestimmen eines ersten Schrumpfungsbetrages einer Schicht aus Endlosfasern als Reaktion auf ein Abkühlen, Bestimmen eines zweiten Schrumpfungsbetrages einer Schicht aus Polymer in Reaktion auf die Abkühlung, bestimmen eines Vorspannungsbetrages, der bewirkt, dass die Schicht aus Endlosfasern dimensionsmäßig kleiner ist als die Polymerschicht, sofern die Endlosfaserschicht um den Vorspannungsbetrag vorgespannt wird, Vorspannen der Endlosfaserschicht um ungefähr den Vorspannungsbetrag, Erhitzen der Polymerschicht und Einbetten der vorgespannten Endlosfaserschicht, Abkühlen der miteinander verbundenen Schichten mit Freigabe der vorgespannten Endlosfaserschicht.From the US 9 527 250 B2 A method for reducing the deformation of a polymer plastic component with embedded continuous fibers is known, the method comprising the following steps: determining a first shrinkage amount of a layer of continuous fibers in response to cooling, determining a second shrinkage amount of a polymer layer in response to cooling, determining a prestress amount that causes the layer of continuous fibers to be dimensionally smaller than the polymer layer if the continuous fiber layer is prestressed by the prestress amount, prestressing the continuous fiber layer by approximately the prestress amount, heating the polymer layer and embedding the prestressed continuous fiber layer, cooling the interconnected layers with release of the prestressed continuous fiber layer.

Aus der DE 10 2021 108 564 A1 ist ein Bauteil eines Kraftfahrzeugs bekannt, welches in zumindest einem zugbelasteten Bereich mit Pads zumindest eines Versteifungsbandes mit in Kunststoff eingebetteten Fasern verstärkt ist. Hierdurch soll eine lokale und gewichtsoptimierte Aussteifung erreicht werden können.From the DE 10 2021 108 564 A1 A motor vehicle component is known which, in at least one tensile-loaded area, is reinforced with pads of at least one stiffening band with fibers embedded in plastic. This is intended to achieve local and weight-optimized stiffening.

Aus der DE 10 2015 008 561 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines im Inneren mindestens einen Hohlraum aufweisenden Kunststoffrahmens für ein Zweirad mittels Kunststoffspritzguss bekannt.From the DE 10 2015 008 561 A1 A method for manufacturing a plastic frame for a two-wheeler, which has at least one cavity inside, is known by means of plastic injection molding.

Aus der DE 20 2023 102 167 U1 ist ein Strukturbauteil bekannt, das mittels einer Fluidinjektionstechnik hergestellt ist und mindestens einen ersten Abschnitt, in dem ein Hohlprofile vorgesehen ist, und mindestens einen zweiten Abschnitt, der mit Endlosfasern verstärkt ist, aufweist.From the DE 20 2023 102 167 U1 A structural component is known which is manufactured using a fluid injection technique and has at least a first section in which a hollow profile is provided and at least a second section which is reinforced with continuous fibers.

Aussteifungsstrukturen in Kraftfahrzeugen sind bereits vielfältig bekannt, wozu beispielsweise Endlosfasermatten bzw. in Kunststoff eingebettete Endlosfasern genutzt werden. Derartige Aussteifungsstrukturen sind dabei jedoch entweder flächig oder lokal begrenzt.Stiffening structures in motor vehicles are already well-known, for example, continuous fiber mats or continuous fibers embedded in plastic. However, such stiffening structures are either surface-wide or locally limited.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, eine Aussteifungsstruktur zum Aussteifen flächiger Kunststoffbauteile anzugeben, mittels welcher insbesondere eine nahezu beliebige geometrische Form der Aussteifungselemente bei gleichzeitig hohem Aussteifungsgrad erreicht werden kann.The present invention deals with the problem of providing a stiffening structure for stiffening flat plastic components, by means of which, in particular, an almost arbitrary geometric shape of the stiffening elements can be achieved while simultaneously achieving a high degree of stiffening.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This problem is solved according to the invention by the subject matter of independent claim 1. Advantageous embodiments are the subject matter of the dependent claims.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, erstmals eine üblicherweise ausschließlich aus der Luftfahrt bzw. dem Schiffsbau bekannte Stringer-Spanten-Struktur auf eine Aussteifungsstruktur für ein Kraftfahrzeug zu übertragen und dadurch eine hinsichtlich einer Form nahezu beliebige und zugleich hohe Aussteifungsgrade erzielende Variante zu erreichen. Die Aussteifungsstruktur zum Aussteifen flächiger Kunststoffbauteile weist dabei eine sogenannte Stringer-Spanten-Struktur, bekannt aus dem Boots- und Flugzeugbau, mit Spanten und Stringer auf. Die Spanten und/oder die Stringer sind dabei einstückig aus Kunststoff ausgebildet und besitzen auf zumindest einer Seite, insbesondere einer Außenseite, eine faserverstärkte Randschicht. Die faserverstärkte Randschicht ist dabei zumindest teilweise in den Kunststoff eingebettet. Die faserverstärkte Randschicht dient dabei als Zugverstärkungsband, wodurch der im Vergleich zu den Fasern der faserverstärkten Randschicht vergleichsweise weiche Kunststoff, deutlich steifer ausgebildet werden kann. Durch die erfindungsgemäß erstmals im Bereich eines Kraftfahrzeugs eingesetzte Stringer-Spanten-Struktur kann eine hinsichtlich einer Form nahezu beliebige Aussteifungsstruktur geschaffen werden, die nicht nur in der Lage ist, ebene und flächige Bauteile in dem Kraftfahrzeug auszusteifen, sondern auch gebogene, gekrümmte bzw. gewölbte Bauteile. Die Aussteifungsstruktur ist dabei nicht nur kostengünstig, sondern zugleich auch gewichtsoptimiert herstellbar, wodurch sich die insbesondere der Einsatz in Sportwagen bzw. Elektrofahrzeugen anbietet. Die Aussteifungsstruktur bietet darüber hinaus den großen Vorteil, dass diese problemlos recyclebar ist.The present invention is based on the general idea of transferring, for the first time, a stringer-frame structure typically known exclusively from aerospace and shipbuilding to a stiffening structure for a motor vehicle, thereby achieving a variant that is virtually arbitrary in shape and simultaneously achieves high degrees of stiffening. The stiffening structure for stiffening flat plastic components features a so-called stringer-frame The structure, known from boat and aircraft construction, comprises frames and stringers. The frames and/or stringers are formed in one piece from plastic and have a fiber-reinforced outer layer on at least one side, particularly an outer side. The fiber-reinforced outer layer is at least partially embedded in the plastic. This fiber-reinforced outer layer serves as a tensile reinforcement band, allowing the plastic, which is comparatively soft compared to the fibers of the fiber-reinforced outer layer, to be made significantly stiffer. The stringer-frame structure, used for the first time in a motor vehicle according to the invention, enables the creation of a stiffening structure of virtually any shape, capable not only of stiffening flat and planar components in the vehicle, but also curved, bent, or arched components. The stiffening structure is not only cost-effective but can also be manufactured with optimized weight, making it particularly suitable for use in sports cars and electric vehicles. Furthermore, the stiffening structure offers the great advantage that it is easily recyclable.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs weist die faserverstärkte Randschicht Carbonfasern, Aramidfasern, Naturfasern oder Glasfasern auf. Carbonfasern ermöglichen aufgrund ihrer hohen Festigkeit sehr dünne Lagen, wodurch die Aussteifungsstruktur nicht nur gewichtsoptimiert, sondern auch äußerst dünn ausgebildet werden kann und trotzdem eine hohe Steifigkeit und damit auch eine hohe Aussteifungswirkung besitzt. Im Vergleich zu Glasfasern besitzen Carbonfasern eine höhere Festigkeit und auch eine deutlich höhere Steifigkeit bei gleichzeitig geringerem spezifischen Gewicht. Glasfasern wiederum besitzen Festigkeitseigenschaften, die denen von Metallen entsprechen, wobei jedoch das spezifische Gewicht deutlich geringer im Vergleich zu Metallfasern ist. Im Vergleich zu Carbonfasern können Glasfasern auch deutlich kostengünstiger hergestellt werden. Aramidfasern wiederum sind kostengünstiger als Carbonfasern, weisen jedoch eine geringere Steifigkeit auf. Die Steifigkeit von Carbonfasern gegenüber Aramidfasern ist ungefähr doppelt so hoch, während Aramidfasern eine mehr als doppelt so hohe Steifigkeit wie Glasfasern aufweisen. Auch der Einsatz von Naturfasern ist denkbar, wodurch insbesondere die Nachhaltigkeit des Kraftfahrzeugs erheblich gesteigert werden kann. Die aufgezählten Fasern sollen dabei jedoch nicht abschließend sein, sodass auch andere Fasern für die faserverstärkte Randschicht eingesetzt werden können.In an advantageous embodiment of the vehicle according to the invention, the fiber-reinforced outer layer comprises carbon fibers, aramid fibers, natural fibers, or glass fibers. Due to their high strength, carbon fibers enable very thin layers, allowing the stiffening structure to be not only weight-optimized but also extremely thin, while still possessing high stiffness and thus a high stiffening effect. Compared to glass fibers, carbon fibers have higher strength and significantly higher stiffness with a lower specific weight. Glass fibers, in turn, possess strength properties comparable to those of metals, but with a significantly lower specific weight compared to metal fibers. Glass fibers can also be produced much more cost-effectively than carbon fibers. Aramid fibers, on the other hand, are less expensive than carbon fibers but exhibit lower stiffness. The stiffness of carbon fibers is approximately twice that of aramid fibers, while aramid fibers have more than twice the stiffness of glass fibers. The use of natural fibers is also conceivable, which can significantly increase the sustainability of the vehicle. However, the fibers listed are not exhaustive, so other fibers can also be used for the fiber-reinforced outer layer.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs weist die faserverstärkte Randschicht ein Fasergewebe und/oder eine unidirektionale bandartige Faserverstärkung auf. Besonders Rovings ermöglichen eine Aussteifung der Randschicht in mehrere Richtungen, wodurch eine vergleichsweise homogene und richtungsunabhängige Aussteifung erreicht werden kann. Mittels unidirektionalen bandartigen Faserverstärkungen können insbesondere Zugbänder geschaffen werden.In a further advantageous embodiment of the motor vehicle according to the invention, the fiber-reinforced outer layer comprises a fiber fabric and/or a unidirectional, tape-like fiber reinforcement. Rovings, in particular, enable stiffening of the outer layer in multiple directions, thereby achieving a comparatively homogeneous and direction-independent stiffening. Tension bands, in particular, can be created by means of unidirectional, tape-like fiber reinforcements.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs ist die Aussteifungsstruktur eben, gewölbt oder gekrümmt. Auch hier soll kein Anspruch auf Vollständigkeit erhoben werden, sodass auch andere Formen denkbar sind.In a further advantageous embodiment of the motor vehicle according to the invention, the stiffening structure is flat, arched, or curved. Again, this list is not exhaustive, so other shapes are also conceivable.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs sind auf zwei gegenüberliegenden Oberflächen der Spanten und/oder der Stringer faserverstärkte Randschichten angeordnet. Hierdurch kann eine besonders effektive und zugleich hohe Aussteifung der Aussteifungsstruktur und damit des in dem Kraftfahrzeug auszusteifenden Bauteils erreicht werden. Die Aussteifungsstruktur bzw. deren Stringer können in der Form von Wellrippen ausgebildet sein, sodass immer außenseitig auf einem Tal bzw. einem Berg eine derartige faserverstärkte Randschicht angeordnet ist. Die Spanten können dabei orthogonal zu den Stringern verlaufen, wodurch die Aussteifungsstruktur sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung optimal aussteifend wirkt.In a further advantageous embodiment of the motor vehicle according to the invention, fiber-reinforced edge layers are arranged on two opposing surfaces of the frames and/or stringers. This allows for a particularly effective and simultaneously high degree of stiffening of the stiffening structure and thus of the component to be stiffened in the motor vehicle. The stiffening structure or its stringers can be designed in the form of corrugated ribs, so that such a fiber-reinforced edge layer is always arranged on the outer side at a valley or peak. The frames can run orthogonally to the stringers, whereby the stiffening structure provides optimal stiffening in both the longitudinal and transverse directions.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform stoßen sich die faserverstärkten Randschichten in Kreuzungspunkten oder überlagern sich dort. Insbesondere eine Überlagerung und eine eingebettete Überlagerung zweier faserverstärkter Randschichten bietet eine besonders steife Anbindung der Kreuzungspunkte an die Spanten bzw. die Stringer, wodurch die Steifigkeit der erfindungsgemäßen Aussteifungsstruktur weiter erhöht werden kann.In a particularly preferred embodiment, the fiber-reinforced edge layers abut or overlap at intersection points. In particular, an overlap and an embedded overlap of two fiber-reinforced edge layers provides a particularly rigid connection of the intersection points to the frames or stringers, thereby further increasing the stiffness of the stiffening structure according to the invention.

Zweckmäßig ist zumindest eine faserverstärkte Randschicht mit dem Kunststoff hinterspritzt oder hinterpresst. Ein Hinterspritzen bzw. Hinterpressen der faserverstärkten Randschicht bietet dabei den großen Vorteil eines Durchdringens der faserverstärkten Randschicht mit dem Kunststoffmaterial des Kunststoffs, wodurch eine besonders feste Verbindung geschaffen werden kann. Alternativ ist selbstverständlich auch ein Verkleben der faserverstärkten Randschicht mit den Spanten bzw. den Stringern der Aussteifungsstruktur denkbar.It is advisable to at least one fiber-reinforced outer layer to be back-injected or back-pressed with the plastic. Back-injection or back-pressing of the fiber-reinforced outer layer offers the significant advantage of allowing the fiber-reinforced outer layer to penetrate the plastic material, thus creating a particularly strong bond. Alternatively, bonding the fiber-reinforced outer layer to the frames or stringers of the stiffening structure is also conceivable.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs ist das mittels der Aussteifungsstruktur auszusteifende Bauteil als eine Heckklappe, eine Frontklappe, eine Tür, eine Ablage, eine Gepäckwanne oder als ein Ladeboden ausgebildet. Bereits diese nicht abschließende Aufzählung lässt erahnen, welch mannigfaltige Möglichkeiten sich in einem Kraftfahrzeug für die Aussteifung mit der Aussteifungsstruktur bieten. Durch eine nahezu beliebig frei wählbare Ausgestaltung der Spanten, der Stringer und der faserverstärkten Randschichten können sowohl kleine und dünne als auch große und dicke Aussteifungsstrukturen in nahezu unbegrenzter Form und Größe hergestellt werden. Durch die erfindungsgemäße erstmalige Übertragung der aus dem Boots- und Flugzeugbau bekannten Stringer-Spanten-Struktur kann die Aussteifung von insbesondere aus Kunststoff ausgebildeten Bauteilen im Kraftfahrzeug nahezu revolutioniert werden, da die Stringer-Spanten-Struktur bereits aufgrund ihrer geometrischen Form zusätzlich verstärkt. Durch die faserverstärkte Randschicht kann zudem eine ressourcenschonende, bauraumoptimierte, kostengünstig und zugleich hocheffektive Aussteifung ermöglicht werden.In a further advantageous embodiment of the motor vehicle according to the invention, the structure to be stiffened by means of the stiffening structure The component can be designed as a tailgate, a front hatch, a door, a storage compartment, a luggage compartment, or a loading floor. Even this non-exhaustive list hints at the diverse possibilities for stiffening a vehicle using this stiffening structure. By allowing for virtually unlimited customization of the frames, stringers, and fiber-reinforced outer layers, stiffening structures of almost unlimited shapes and sizes can be produced, from small and thin to large and thick. The invention's first-ever application of the stringer-frame structure known from boat and aircraft construction revolutionizes the stiffening of components, particularly those made of plastic, in motor vehicles, as the stringer-frame structure itself provides additional reinforcement due to its geometric form. Furthermore, the fiber-reinforced outer layer enables resource-efficient, space-optimized, cost-effective, and highly effective stiffening.

Ein weiterer großer Vorteil der Aussteifungsstruktur liegt darin, dass für die Stringer-Spanten-Struktur nahezu 100 % Recyclingmaterial verwendet werden kann, sodass nur ca. 1 % Neuware (für die faserverstärkte Randschicht) eingesetzt werden muss.Another major advantage of the stiffening structure is that almost 100% recycled material can be used for the stringer-frame structure, so that only about 1% new material (for the fiber-reinforced outer layer) needs to be used.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, the drawings and the associated description of the figures based on the drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den durch die Ansprüche definierten Rahmen der Erfindung zu verlassen. Vorstehend genannte und nachfolgend noch zu nennende Bestandteile einer übergeordneten Einheit, wie z.B. einer Einrichtung, einer Vorrichtung oder einer Anordnung, die separat bezeichnet sind, können separate Bauteile bzw. Komponenten dieser Einheit bilden oder integrale Bereiche bzw. Abschnitte dieser Einheit sein, auch wenn dies in den Zeichnungen anders dargestellt ist.It is understood that the features mentioned above and those to be explained below can be used not only in the combinations specified, but also in other combinations or individually, without departing from the scope of the invention as defined by the claims. Components of a higher-level unit, such as a device, apparatus, or arrangement, mentioned above and those to be mentioned below, which are designated separately, can form separate parts or components of this unit or be integral areas or sections of this unit, even if this is depicted differently in the drawings.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.Preferred embodiments of the invention are shown in the drawings and are explained in more detail in the following description, wherein identical reference numerals refer to identical or similar or functionally identical components.

Es zeigen, jeweils schematisch,

  • 1 eine Ansicht auf eine Aussteifungsstruktur für ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug,
  • 2 eine Ansicht auf die in der 1 gezeigte Aussteifungsstruktur,
  • 3 eine Ansicht aus einer anderen Richtung auf die in der 1 gezeigte Aussteifungsstruktur, mit einem durch die Aussteifungsstruktur auszusteifenden Bauteil,
  • 4 eine Draufsicht auf die entsprechend der 1 gezeigte Aussteifungsstruktur,
  • 5 eine Ansicht auf eine weitere mögliche Ausführungsform der Aussteifungsstruktur,
  • 6 eine Darstellung wie in 5, jedoch bei einer weiteren alternativen Ausführungsform,
  • 7 eine Darstellung wie in 6, jedoch mit geringerer Breite.
They show, schematically,
  • 1 a view of a stiffening structure for a motor vehicle according to the invention,
  • 2 a view of the in the 1 shown stiffening structure,
  • 3 a different perspective on the issue in the 1 shown stiffening structure, with a component to be stiffened by the stiffening structure,
  • 4 a top view of the corresponding to the 1 shown stiffening structure,
  • 5 a view of another possible embodiment of the stiffening structure,
  • 6 a representation as in 5 , however, in another alternative embodiment,
  • 7 a representation as in 6 , but with a narrower width.

Entsprechend der 3 weist ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug 1 eine Aussteifungsstruktur 2 zum Aussteifen eines Bauteils 3, insbesondere eines flächigen Kunststoffbauteils, auf. Das Bauteil 3 ist dabei der Übersichtlichkeit halber lediglich in der 3 dargestellt, während die Aussteifungsstruktur 2 in den 1 - 7 dargestellt ist. Erfindungsgemäß weist nun die Aussteifungsstruktur 2 eine Stringer-Spanten-Struktur mit Spanten 4 und Stringern 5 auf. Die Stringer 5 verlaufen dabei in den gemäß den 1 - 7 dargestellten Ausführungsformen orthogonal zu den Spanten 4, wobei entsprechend den 1 - 5 lediglich ein Spant 4 dargestellt ist. Die Stringer 5 gehen mit einer Oberseite 6 eines Berges 7 fluchtend in die Oberseite des Spanten 4 über, während eine Unterseite 8 eines Tales 9 der Stringer 5 fluchtend in eine Unterseite des Spanten 4 übergeht.According to the 3 A motor vehicle 1 according to the invention has a stiffening structure 2 for stiffening a component 3, in particular a flat plastic component. For the sake of clarity, the component 3 is shown only in the 3 shown, while the stiffening structure 2 is in the 1 - 7 is shown. According to the invention, the stiffening structure 2 now has a stringer-frame structure with frames 4 and stringers 5. The stringers 5 run in the manner shown. 1 - 7 The illustrated embodiments are orthogonal to the frames 4, wherein, according to the 1 - 5 Only one frame 4 is shown. The stringers 5 merge flush with the upper surface 6 of a mountain 7 into the upper surface of frame 4, while the lower surface 8 of a valley 9 of the stringers 5 merges flush with the lower surface of frame 4.

Die Spanten 4 und die Stringer 5 sind dabei einstückig aus Kunststoff ausgebildet, beispielsweise als Kunststoffspritzgussteil aus einem Thermoplast, und besitzen auf zumindest einer Seite eine faserverstärkte Randschicht 10. Diese faserverstärkte Randschicht 10 ist beispielsweise auf einer Oberseite und einer Unterseite des Spanten 4 sowie auf der Oberseite 6 des Berges 7 als auch auf der Unterseite 8 des Tales 9 der Stringer 5 angeordnet. Die Stringer 5 besitzen dabei in den gemäß den 1 - 7 gezeigten Ausführungsformen eine wellrippenartige Gestalt und werden durch die eine hohe Zugfestigkeit aufweisende faserverstärkte Randschicht 10 weiter ausgesteift. Die faserverstärkte Randschicht 10 ist dabei zumindest teilweise in den Kunststoff der Spanten 4 bzw. der Stringer 5 eingebettet, insbesondere mit deren Kunststoff hinterspritzt bzw. hinterpresst, wodurch eine besonders formschlüssige Verbindung erreicht werden kann. Alternativ ist selbstverständlich auch denkbar, dass die faserverstärkte Randschicht 10 mit der jeweiligen Oberfläche der Spanten 4 bzw. der Stringer 5 verklebt ist.The frames 4 and the stringers 5 are formed in one piece from plastic, for example as an injection-molded thermoplastic part, and have a fiber-reinforced outer layer 10 on at least one side. This fiber-reinforced outer layer 10 is arranged, for example, on a top and a bottom surface of the frame 4, as well as on the top surface 6 of the mountain 7 and on the bottom surface 8 of the valley 9 of the stringers 5. The stringers 5 have, according to the 1 - 7 The embodiments shown have a corrugated, rib-like shape and are further stiffened by the fiber-reinforced outer layer 10, which has high tensile strength. The fiber-reinforced outer layer 10 is at least partially embedded in the plastic of the frames 4 or the stringers 5, in particular by back-injection or back-pressing with their plastic, thereby achieving a particularly positive-locking connection. Alternatively, it is of course also conceivable that the fiber-reinforced outer layer 10 is bonded to the respective surface of the frames 4 or the stringers 5.

Die faserverstärkte Randschicht 10 kann beispielsweise Carbonfasern, Aramidfasern, Naturfasern oder Glasfasern aufweisen. Diese nicht abschließende Aufzählung lässt bereits erahnen, welch mannigfaltige und unterschiedliche Fasern hier zum Einsatz kommen können. Durch die Verwendung von Naturfasern kann die Nachhaltigkeit zusätzlich gesteigert werden.The fiber-reinforced outer layer 10 can, for example, contain carbon fibers, aramid fibers, natural fibers, or glass fibers. This non-exhaustive list already suggests the wide variety of fibers that can be used. The use of natural fibers can further increase sustainability.

Die faserverstärkte Randschicht 10 kann auch zusätzlich oder alternativ eine unidirektionale bandartige Faserverstärkung aufweisen. Weiter ist denkbar, dass die faserverstärkte Randschicht 10 ein bereits mit einem Thermoplast imprägniertes Fasergewebe und/oder eine bereits mit einem Thermoplast imprägnierte, unidirektionale, bandartige Faserverstärkung aufweist.The fiber-reinforced outer layer 10 can also additionally or alternatively have a unidirectional, band-like fiber reinforcement. Furthermore, it is conceivable that the fiber-reinforced outer layer 10 has a fiber fabric already impregnated with a thermoplastic and/or a unidirectional, band-like fiber reinforcement already impregnated with a thermoplastic.

Die Aussteifungsstruktur 2 kann nahezu vollständig, mit Ausnahme der faserverstärkten Randschicht 10 und damit zu mehr als 98 % aus Recyclingmaterial hergestellt werden, wodurch die Nachhaltigkeit der Aussteifungsstruktur 2 ebenfalls zusätzlich erhöht werden kann.The stiffening structure 2 can be manufactured almost entirely, with the exception of the fiber-reinforced edge layer 10, and thus to more than 98% recycled material, which can further increase the sustainability of the stiffening structure 2.

Betrachtet man die 1, 2 bis 3 sowie 5 - 7, so kann man erkennen, dass die faserverstärkte Randschicht 10 auf zwei gegenüberliegenden Oberflächen, nämlich auf der Oberseite 6 des Berges 7 sowie auf der Unterseite 8 des jeweiligen Tales 9 der Stringer 5 als auch auf der Oberseite und der Unterseite der Spanten 4 angeordnet ist. Hierdurch kann eine besonders effektive Aussteifung erreicht werden.If one considers the 1 , 2 until 3 As shown in Figures 5-7, the fiber-reinforced outer layer 10 is arranged on two opposing surfaces: the upper surface 6 of the mountain 7 and the lower surface 8 of the respective valley 9 of the stringers 5, as well as on the upper and lower surfaces of the frames 4. This allows for particularly effective stiffening.

Die faserverstärkten Randschichten 10 können sich bei einem Übergang von einem Stringer 5 in einen Spanten 4 oder umgekehrt in einem Kreuzungspunkten 11 kreuzen und dort beispielsweise überlagert sein, wodurch eine besonders effektive und feste Verbindung zweier sich kreuzender faserverstärkte Randschichten 10 geschaffen werden kann. Denkbar ist selbstverständlich auch, dass die faserverstärkten Randschichten 10 in den Kreuzungspunkten 11 auf Stoß aneinandergelegt sind.The fiber-reinforced outer layers 10 can intersect at intersection points 11 at the transition from a stringer 5 to a frame 4 or vice versa, and may overlap there, for example, thereby creating a particularly effective and strong connection between two intersecting fiber-reinforced outer layers 10. It is also conceivable, of course, that the fiber-reinforced outer layers 10 are butted together at the intersection points 11.

Das mittels der Aussteifungsstruktur 2 auszusteifende Bauteil 3 kann als eine Heckklappe, eine Frontklappe, eine Tür, eine Ablage, eine Gepäckwanne oder als ein Ladeboden ausgebildet sein. Durch eine nahezu beliebig frei wählbare Ausgestaltung der Spanten 4, der Stringer 5 und der faserverstärkten Randschichten 10 können sowohl kleine und dünne als auch große und dicke Aussteifungsstrukturen 2 in nahezu unbegrenzter Form und Größe hergestellt werden.The component 3 to be stiffened by means of the stiffening structure 2 can be designed as a tailgate, a front flap, a door, a shelf, a luggage compartment, or a loading floor. By allowing for virtually unlimited design of the frames 4, the stringers 5, and the fiber-reinforced edge layers 10, stiffening structures 2 of almost unlimited shape and size can be produced, ranging from small and thin to large and thick.

Entsprechend den 1 - 7 sind lediglich Aussteifungsstrukturen 2 mit ebener Gestalt dargestellt, wobei selbstverständlich durch eine entsprechende Krümmung der Stringer 5 bzw. der Spanten 4 auch gewölbte bzw. gekrümmte Aussteifungsstrukturen 2 geschaffen werden können. Die faserverstärkten Randschichten 10 können dabei, beispielsweise als sogenannte Profiprojekt-Endlosfasern-Gurte (UD-Tapes) hergestellt und in einem entsprechenden Kunststoffspritzgießvorgang mit dem Kunststoff, insbesondere einer Thermoplast-Schmelze, hinterspritzt werden. Durch eine entsprechende Gestaltung der Kavität des Spritzgießwerkzeugs können nahezu unbegrenzte Formen für die Aussteifungsstruktur 2 geschaffen werden.According to the 1 - 7 Only planar stiffening structures 2 are shown, although curved stiffening structures 2 can, of course, also be created by appropriately curving the stringers 5 or the frames 4. The fiber-reinforced outer layers 10 can be produced, for example, as so-called Profiprojekt continuous fiber tapes (UD tapes) and back-injected with the plastic, in particular a thermoplastic melt, in a corresponding plastic injection molding process. By appropriately designing the cavity of the injection mold, virtually unlimited shapes can be created for the stiffening structure 2.

Durch die wellrippenartige Struktur der Stringer 5 und/oder durch die hohlkörperartige Struktur der Spanten 4 kann darüber hinaus die Steifigkeit der Aussteifungsstruktur 2 allein aufgrund der geometrischen Form der Spanten 4 und der Stringer 5 erhöht werden.Furthermore, the stiffness of the stiffening structure 2 can be increased solely due to the geometric shape of the frames 4 and the stringers 5, thanks to the wave-rib-like structure of the stringers 5 and/or the hollow body-like structure of the frames 4.

Alles in allem kann mit dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug 1 erstmals eine bislang lediglich aus dem Boots- bzw. Flugzeugbau bekannte Stringer-Spanten-Struktur zur Aussteifung von Bauteilen 3 in dem Kraftfahrzeug 1 genutzt werden, wodurch eine besonders effektive Aussteifung sowohl durch die geometrische Form der Spanten 4 und der Stringer 5 als auch durch die zusätzlich aufgebrachten faserverstärkten Randschichten 10 erreicht werden kann. Aufgrund der nahezu frei wählbaren Form der Stringer 5 der faserverstärkten Randschichten 10 und der Spanten 4 lassen sich Aussteifungsstrukturen 2 in nahezu frei wählbarer Form gestalten. Zudem ist die Herstellung derartiger Aussteifungsstrukturen 2 kostengünstig möglich.In summary, the motor vehicle 1 according to the invention enables, for the first time, the use of a stringer-frame structure, previously known only from boat and aircraft construction, for stiffening components 3 in the motor vehicle 1. This allows for particularly effective stiffening through both the geometric shape of the frames 4 and the stringers 5, as well as through the additionally applied fiber-reinforced outer layers 10. Due to the almost freely selectable shape of the stringers 5, the fiber-reinforced outer layers 10, and the frames 4, stiffening structures 2 can be designed in virtually any desired shape. Furthermore, the production of such stiffening structures 2 is cost-effective.

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Claims (9)

Kraftfahrzeug (1) mit einer Aussteifungsstruktur (2) zum Aussteifen eines Bauteils (3), dadurch gekennzeichnet, - dass die Aussteifungsstruktur (2) eine einstückige Stringer-Spanten-Struktur mit Spanten (4) und Stringern (5) aufweist, - dass die Spanten (4) und/oder die Stringer (5) aus Kunststoff ausgebildet sind und auf zumindest einer Seite eine faserverstärkte Randschicht (10) aufweisen, - dass die faserverstärkte Randschicht (10) zumindest teilweise in den Kunststoff eingebettet oder mit diesem verklebt ist.Motor vehicle (1) with a stiffening structure (2) for stiffening a component (3), characterized in that - the stiffening structure (2) has a one-piece stringer-frame structure with frames (4) and stringers (5), - the frames (4) and/or the stringers (5) are made of plastic and have a fiber-reinforced outer layer (10) on at least one side, - the fiber-reinforced outer layer (10) is at least partially embedded in or bonded to the plastic. Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die faserverstärkte Randschicht (10) Carbonfasern, Aramidfasern, Naturfasern oder Glasfasern aufweist.motor vehicle (1) according to Claim 1 , characterized in that the fiber-reinforced outer layer (10) comprises carbon fibers, aramid fibers, natural fibers or glass fibers. Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die faserverstärkte Randschicht (10) ein Fasergewebe und/oder eine unidirektionale bandartige Faserverstärkung aufweist.motor vehicle (1) according to Claim 1 or 2 , characterized in that the fiber-reinforced outer layer (10) has a fiber fabric and/or a unidirectional ribbon-like fiber reinforcement. Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die faserverstärkte Randschicht (10) ein bereits mit einem Thermoplast imprägniertes Fasergewebe und/oder eine bereits mit einem Thermoplast imprägnierte, unidirektionale, bandartige Faserverstärkung aufweist.motor vehicle (1) according to Claim 3 , characterized in that the fiber-reinforced outer layer (10) has a fiber fabric already impregnated with a thermoplastic and/or a unidirectional, ribbon-like fiber reinforcement already impregnated with a thermoplastic. Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussteifungsstruktur (2) eben, gewölbt oder gekrümmt ist.Motor vehicle (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the stiffening structure (2) is flat, arched or curved. Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die faserverstärkte Randschicht (10) auf zwei gegenüberliegenden Oberflächen der Spanten (4) und/oder der Stringer (5) angeordnet ist.Motor vehicle (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the fiber-reinforced outer layer (10) is arranged on two opposite surfaces of the frames (4) and/or the stringers (5). Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich faserverstärkte Randschichten (10) in Kreuzungspunkten (11) überlagern oder dort aneinander anstoßen.Motor vehicle (1) according to one of the preceding claims, characterized in that fiber-reinforced outer layers (10) overlap at intersection points (11) or abut each other there. Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine faserverstärkte Randschicht (10) mit dem Kunststoff hinterspritzt oder hinterpresst ist.Motor vehicle (1) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one fiber-reinforced outer layer (10) is back-injected or back-pressed with the plastic. Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (3) als eine Heckklappe, eine Frontklappe, eine Tür, eine Ablage, eine Gepäckwanne oder als ein Ladeboden ausgebildet ist.Motor vehicle (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the component (3) is designed as a tailgate, a front flap, a door, a storage compartment, a luggage tray or as a loading floor.
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