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Dokumentenidentifikation DE102004051666B4 15.02.2007
Titel Fahrzeugkarosserien und Verfahren zum Verschliessen einer Öffnung in einer Fahrzeugkarosserie
Anmelder Ford Global Technologies, LLC (n.d.Ges.d. Staates Delaware), Dearborn, Mich., US
Erfinder Kapp, Jeff, Billericay, GB;
Davis, Roger, London, GB;
Fawcett, Nigel, Dr., London, GB
Vertreter Patentanwälte Effert, Bressel und Kollegen, 12489 Berlin
DE-Anmeldedatum 22.10.2004
DE-Aktenzeichen 102004051666
Offenlegungstag 02.06.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 15.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.02.2007
IPC-Hauptklasse B60J 9/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fahrzeugkarosserie, die eine Metallkonstruktion mit einer darin vorgesehenen Öffnung umfasst, wobei die Öffnung durch eine mittels Klebstoff an der Metallkonstruktion befestigte Blende aus Kunststoff verschlossen wird, sowie ein Verfahren zum Verschließen einer in einer Fahrzeugkarosserie mit einer Metallkonstruktion vorhandenen Öffnung.

Aus der DE-OS 44 23 576 A1 ist ein Verschluss zum festen Verbinden durch Kleben für eine auf einem Blech der Karosserie eines Automobils angeordnete Öffnung bekannt. Der Verschluss besteht aus geformtem Kunststoff. Die Verbindung der beiden Teile erfolgt mittels schmelzbarem Klebstoff. Mit dieser Lösung wird ein festes und dichtes Verschließen von relativ kleinen Öffnungen erreicht. Größere Öffnungen können nicht sicher verschlossen werden.

Es ist allgemeine Praxis, ein verglastes Fahrzeug in einen Lieferwagen umzuwandeln, indem die Verglasung durch feste Verschlussblenden ersetzt wird, so dass verhindert wird, dass Leute von außen sehen können, was in dem Fahrzeug transportiert wird und um so das Fahrzeug besser vor Gelegenheitsdieben zu schützen. Beispiele hierfür umfassen das hintere Seitenfenster bei dreitürigen Fahrzeugen und die hinteren Fenster. Anstelle üblicher Verglasung wird dabei eine gestanzte Stahlplatte verwendet, die durch Schweißen, Kleben oder mechanische Befestigungsmittel in ihrer Position gehalten wird.

Obwohl derartige Verschlussblenden aus Stahl galvanisiert sein können, kann es durch Korrosion an den Rändern der Blende immer noch zu Problemen kommen. Weiterhin kann diese Konstruktion ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellen. Stahl ist ein isotropes Material mit in allen Richtungen gleichen Eigenschaften. Eine durch einen Schlag auf die Mitte der Blende hervorgerufene Deformation der Blende kann dazu führen, dass die Blendenecken sich heben und aus der sie umgebenden Fahrzeugkarosserie herausstehen. Indem die Blende von einer der Ecken aus abgezogen wird, kann sie leicht in einem Stück entfernt werden, was einem Dieb leichten Zugang zum Inneren des Fahrzeugs verschafft.

Von daher liegt der Erfindung das Problem zugrunde, eine Fahrzeugkarosserie und ein Verfahren zum Verschließen derselben mit verbesserter Widerstandskraft gegen äußere Angriffe zu schaffen.

Das Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 11. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Fahrzeugkarosserie vorgesehen, die eine Metallkonstruktion mit einer darin vorgesehenen Fensteröffnung umfasst, wobei die Öffnung mittels einer Blende verschlossen wird, wobei die Blende aus einem Harzmatten umfassenden Faserschichtstoff besteht, der an der Metallkonstruktion mittels eines strangförmig aufgetragenen Niedrigmodul-Klebstoffs befestigt ist. Durch die Verwendung einer aus einem Faserschichtstoff hergestellten Blende resultiert jegliche Out-of-plane-Belastung in einer Delaminierung des Materials. Da die Delaminierung bei Faserschichtstoffen jedoch eine hochenergetische Beschädigungsart ist, und da die für eine Vergrößerung eines Risses erforderliche Energie ähnlich hoch wie die zum Erzeugen eines neuen Risses erforderliche Energie ist, erfordert diese Art von Beschädigung das Aufbringen einer erheblichen Energiemenge. Indem die Eigenschaften des Klebstoffes, der zum Anbringen der Verschlussblende verwendet wird, sorgfältig den Gegebenheiten angepasst werden, wird jeder Versuch die Blende von der Karosserie wegzuhebeln, ein Delaminieren der Verschlussblende zur Folge haben.

Zweckmäßigerweise hat der Klebstoff ein Zugmodul von 0,5 MPa bis 10 MPa. Vorzugsweise hat der Klebstoff ein Zugmodul von 1 MPa bis 4 MPa Der Klebstoff hat insbesondere eine Zugfestigkeit von mehr als 1 MPa und vorzugsweise von mehr als 2,5 MPa.

Zweckmäßigerweise hat der Klebstoff eine Reiß- und Dehnfestigkeit von mehr als 50 % und vorzugsweise von mehr als 100 %.

Es ist sinnvoll, dass der Klebstoff (7) keine Volumenänderung oder nur eine geringfügige Volumenvergößerung nach der Aushärtung aufweist.

Der Klebstoff kann Butyl-, Polyurethan oder Silikonklebstoffe umfassen, vorzugsweise umfasst der Klebstoff einen Polyurethanklebstoff.

Vorzugweise ist die Blende von einem Flansch umgeben, um den umlaufend aufgetragenen Klebstoffstrang vor einem Angriff zu schützen.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Verschließen einer Öffnung in einer Fahrzeugkarosserie mit Metallkonstruktion vorgesehen, das gekennzeichnet ist durch das Verbinden einer Blende aus Harzmatten umfassenden Faserschichtstoff mit der die Öffnung umgebenden Metallkonstruktion mittels eines strangförmig aufgetragenen Niedrigmodul-Klebstoffes.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.

Es zeigen:

1 einen Schnitt durch eine Fahrzeugskarosserie mit einer Blende, die mit der sie umgebenden Konstruktion verbunden ist, gemäß der Erfindung:

2 eine vergrößerte Ansicht einer der in 1 dargestellten Verbindungen,

3A3D Verteilung der Spannungen im verwendeten Material über dessen Breite/Dicke.

3A eine grafische Darstellung der Verteilung der Belastung in einer In-plane-Richtung entlang der durch den Schichtstoff in 2 gehenden Punktlinie unter Verwendung eines Hochmodul-Klebstoffs,

3B eine grafische Darstellung der Verteilung der Belastung in einer In-plane-Richtung entlang der durch den Schichtstoff in 2 gehenden Punktlinie unter Verwendung eines Niedrigmodul-Klebstoffs,

3C eine grafische Darstellung der Verteilung der Belastung in einer Out-of-plane-Richtung entlang der durch die Verklebung in 2 gehenden Strichpunktlinie unter Verwendung eines Hochmodul-Klebstoffs und

3D eine grafische Darstellung der Verteilung der Belastung in einer Out-of-plane-Richtung entlang der durch die Verklebung in 2 gehenden Strichpunktlinie unter Verwendung eines Niedrigmodul-Klebstoffs.

Wie in der 1 gezeigt, umfasst eine Fahrzeugkarosserie gemäß der Erfindung eine Stahlblechkonstruktion 1, in der ein eingelassener Rahmen 3 den Umfang einer Fensteröffnung begrenzt. Die Öffnung wird mittels einer Blende 5 aus einer Harzmatte (SMC) verschlossen. SMC ist ein Faserschichtstoff-Material, das unter Verwendung eines Formpressverfahrens hergestellt wird und eine auf Polyester basierende Harzmasse umfasst, die mit ungefähr 28 Gewichtsprozenten Fasern verstärkt wurde und weiterhin Kalzit-Füllstoffe enthält. Die Fasern bestehen aus kurzen (ungefähr 20 bis 30 mm langen) Glasfasern, wobei jedoch auch andere Arten von Fasern verwendet werden können.

Die Out-of-plane-Eigenschaften der Faserschichtstoffe weichen von den In-plane-Eigenschaften sehr stark ab. Typischerweise beträgt die In-plane-Festigkeit ungefähr 80 bis 90 MPa und die Out-of-plane-Festigkeit ungefähr 20 bis 30 MPa. Die Schichtstruktur bewirkt, dass jegliche Belastung in der Out-of-plane-Richtung bewirkt, dass das Material unter Verbrauch einer erheblichen Menge Energie delaminiert.

Die Blende 5 ist an dem eingelassenen Rahmen 3 der Stahlkonstruktion mittels eines Klebstoffstranges 7 befestigt. Faserschichtstoffe sind besonders empfindlich gegenüber den durch die Klebeverbindung bei Belastung erzeugten konzentrierten Beanspruchungen. Die Bewältigung der Beanspruchungen um die Verbindungen herum bestimmt die Ausfallart und Belastungsgrenze einer Klebeverbindung. Es ergeben sich Beanspruchungen im Material, die im Bereich der Verbindungsstelle zwischen dem Klebstoff und dem Substrat der Blende konzentriert sind. Die Stärke einer Klebeverbindung wird durch Kriterien der "Maximalbeanspruchung" bestimmt, d.h. sobald ein Bereich des Verbindungssystems die Beanspruchungsgrenze erreicht, führt dies im allgemeinen zum Versagen der Verbindung. Das Vorhandensein einer Beanspruchungskonzentration führt zum Versagen einer Verbindung bei einer niedrigeren Belastung als dies der Fall ist, wenn es keine konzentrierte Belastung gibt. Am Rand eines Klebstoffstranges erzeugt die konzentrierte Beanspruchung im Allgemeinen hohe Belastungen des Haftvermögens, was (durch die inhärente niedrige Kohäsionskraft) zum Delaminieren des Substratmaterials führen kann. Eine weitere Eigenschaft einer derartigen Klebeverbindung besteht darin, dass durch die an der Verbindungsstelle konzentrierte Beanspruchung ein Riss entstehen kann, der sich dann im "Schnelltempo" zwischen Substrat und Klebstoff fortsetzt.

Die konventionelle Art zum Verbinden von Faserschichtstoffen ist die Verwendung von hochfesten/Hochmodul-Klebstoffen und schmalen hochbelastbaren Verbindungsfugen. Wenn ein Hochmodul-Klebstoff verwendet wird, sind die in der Oberfläche des Schichtsubstrats erzeugten Beanspruchungen sehr hoch, wie in den 3A und 3C gezeigt ist, was dazu führt, dass die oberste Schicht des Schichtstoffes bei geringer Belastung entfernt wird, wenn die Verbindungsstelle belastet wird. Typischerweise werden Beanspruchungen dadurch umgangen, dass das Substrat konisch ausgebildet wird, so dass seine Steifigkeit an den Kanten der Verbindungen geringer ist.

Die Erfinder haben jetzt jedoch herausgefunden, dass die Verwendung von Niedrigmodul-Klebstoffen zu einer konstanteren Beanspruchungsverteilung durch die Verbindungsstelle führt, wie in den 3B und 3D dargestellt ist, was bedeutet, dass höhere Belastungsgrenzen erreicht werden können, bevor sich der erste Riss zeigt, ohne dass Bedarf an einem konisch zulaufenden Substrat oder hochbelastbaren Verbindungsfugen besteht. Um eine günstige Beanspruchungsverteilung und damit die gewünschte Hochenergie-Ausfallart zu erreichen, müssen die ausgewählten Klebstoffe bestimmte mechanische Eigenschaften aufweisen. Die Tabelle 1 gibt einen Hinweis auf die Eigenschaften, die in Anwendungsfällen der Erfindung erforderlich sein könnten:

Ein geeigneter Klebstoff ist beispielsweise das Produkt mit der Bezeichnung Dow Betaseal 1753TM – als Polyurethanklebstoff 7. Dieser Klebstoff vereint die Eigenschaften eines niedrigen Zugmoduls von ungefähr 2,5 MPa, einer mittleren Zugfestigkeit von 9 MPa, einer hohen Reiß- und Dehnfestigkeit von 500 % und 0 % Volumenänderung beim Aushärten. Es können jedoch auch andere Arten von Klebstoffen mit geeigneten Eigenschaften, einschließlich Butyl- und Silikonkleber, verwendet werden.

Die Verschlussblende aus Faserschichtstoff wird mit einem sich um ihren Umfang erstreckenden Flansch 6 ausgebildet, um den Klebstoffstrang vor Angriffen zu schützen. Weiterhin stellt der in eine Karosserie eingelassene Rahmen 3 einer beispielhaft aus Stahl – Alternativen sind zum Beispiel Aluminium oder andere Metalle – bestehenden Konstruktion sicher, dass die Oberfläche der Blende nicht gegenüber der sie umgebenden Konstruktion hervorsteht, wodurch der Zugang zur Kante der Blende und zum Klebstoffstrang erschwert wird.

Tests haben gezeigt, dass Versuche, die Blende 5 von der umgebenden Konstruktion 3 wegzuhebeln, in einer Delaminierung der Verschlussblende resultieren.

Wenn das Fahrzeug Ziel eines versuchten Einbruchs/Angriffes ist, bietet das Delaminieren der Blende mehrere Vorteile:

  • – Das Delaminieren ist eine hochenergetische Art der Beschädigung.
  • – Das Delaminieren ist damit eine "stabile" Art der Beschädigung, d.h. wenn sich ein Riss in der Blende gebildet hat, gibt es für diesen Riss keinen offensichtlichen Weg, sich fortzusetzen, so dass das Erweitern des Risses einen ähnlich hohen Energieaufwand erfordert wie das erste Erzeugen des Risses. Wenn der erste Riss in der Verbindungsstelle zwischen dem Klebstoff und der Blende erzeugt worden wäre, würde er sich rasch in unstabiler Weise entlang dieser Verbindungsstelle fortsetzen und dabei wenig Energie absorbieren
  • – Es ist unwahrscheinlich, dass die Blende sauber in einem Stück abgezogen werden kann, was bedeutet, dass der Angreifer weitere Bereiche der Blende zerstören muss, um sie vollständig aus der Öffnung zu entfernen.
  • – Sogar, wenn der größte Teil der Blende entfernt wurde, hält der Rand der Öffnung weiterhin Fragmente der Blende fest, wobei Glasfasern frei liegen. Es wäre sehr unangenehm, unter diesen Bedingungen durch die Öffnung hindurch zu greifen.
  • – Materialien aus Faserschichtstoffen sind sehr zäh, daher sind Versuche, die Blende durch Schläge zu durchbrechen sinnlos und verursachen sehr viel Lärm.
  • – Die anisotropische Beschaffenheit des Faserschichtstoffes begünstigt die Ausdehnung des Risses in Richtung der Ebene des Materials, verhindert jedoch die Ausdehnung des Risses durch die Stärke der Blende hindurch.

Obwohl in dieser Beschreibung SMC als Faserschichtstoff verwendet wurde, ist es klar, dass andere Arten von Faserschichtstoffen ebenfalls verwendet werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Derartige Faserschichtstoffe können Materialien umfassen, die unter Verwendung eines Harzpressspritzverfahrens hergestellt wurden.


Anspruch[de]
Fahrzeugkarosserie, die eine Metallkonstruktion mit einer darin vorgesehenen Öffnung umfasst, wobei die Öffnung durch eine mittels Klebstoff an der Metallkonstruktion befestigte Blende aus Kunststoff verschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (5) aus einem Faserschichtstoff mit Harzmatten besteht, einen die Blende umgebenden Flansch (6) hat und die Blende mit Niedrigmodul-Klebstoff (7) an der Metallkonstruktion (1, 3) befestigt ist. Fahrzeugkarosserie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (7) ein Zugmodul von 0,5 MPa bis 10 MPa aufweist. Fahrzeugkarosserie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (7) ein Zugmodul von 1 MPa bis 4 MPa aufweist. Fahrzeugkarosserie nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (7) eine Zugfestigkeit von mehr als 1 MPa aufweist. Fahrzeugkarosserie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (7) eine Zugfestigkeit von 2,5 MPa aufweist. Fahrzeugkarosserie nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (7) eine Reiß- und Dehnfestigkeit von mehr als 50 % aufweist. Fahrzeugkarosserie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (7) eine Reiß- und Dehnfestigkeit von mehr als 100 % aufweist. Fahrzeugkarosserie nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (7) nur eine geringfügige Volumenvergößerung nach der Aushärtung aufweist. Fahrzeugkarosserie nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (7) Butyl-, Polyurethan- oder Silikonklebstoff umfasst. Fahrzeugkarosserie nach einem der vorangehenden Ansprüche, die weiterhin einen die Blende (5), um den umlaufend aufgetragenen Klebstoffstrang (7) vor Angriffen zu schützen, einen umgebenden Flansch (6) umfasst. Verfahren zum Verschließen einer in einer Fahrzeugkarosserie mit einer Metallkonstruktion vorhandenen Öffnung, gekennzeichnet durch das Verbinden einer Blende (5) aus einem Harzmatten enthaltenden Faserschichtstoff mit der die Öffnung umgebenden Metallkonstruktion (1, 3) mittels eines als Klebstoffstrang so aufzutragenden Niedrigmodul-Klebstoffes (7), dass er von der Blende (5) überdeckt wird. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Klebstoff (7) mit einem Zugmodul von 0,5 MPa bis 10 MPa verwendet wird. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (7) ein Zugmodul von 1 MPa bis 4 MPa aufweist. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (7) eine Zugfestigkeit von mehr als 1 MPa aufweist. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (7) eine Zugfestigkeit von 2,5 MPa aufweist. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (7) eine Reiß- und Dehnfestigkeit von mehr als 50 % aufweist. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (7) eine Reiß- und Dehnfestigkeit von mehr als 100 % aufweist. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff Butyl-, Polyurethan- oder Silikonklebstoff umfasst.






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