Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verstärkung eines Strukturelementes sowie ein System eines verstärkten Strukturelementes in einem Kraftfahrzeug.

Vielfach weisen Bauelemente, wie beispielsweise Karosserien und/oder Rahmen von Transport- und Fortbewegungsmitteln, insbesondere von Fahrzeugen zu Wasser oder zu Land oder von Luftfahrzeugen, Strukturen mit Hohlräumen auf, um leichtgewichtige Konstruktionen zu ermöglichen. Diese Hohlräume verursachen jedoch verschiedenste Probleme. Je nach Art des Hohlraumes muss dieser zum Verhindern des Eindringens von Feuchtigkeit und Verschmutzungen, die zur Korrosion der Bauelemente führen können, abgedichtet werden. Oft ist es auch wünschenswert, die Hohlräume und somit das Bauelement wesentlich zu verstärken, jedoch das geringe Gewicht beizubehalten. Oft ist es auch notwendig, die Hohlräume und somit die Bauelemente zu stabilisieren, um Geräusche, die sonst den Hohlraum entlang oder durch diesen hindurch übertragen werden würden, zu reduzieren. Viele dieser Hohlräume weisen eine unregelmässige Form oder ein enges Ausmass auf, wodurch es erschwert wird, sie richtig abzudichten, zu verstärken und zu dämpfen.

Insbesondere im Automobilbau, aber auch im Flugzeug- und Bootsbau, werden deshalb Abdichtungselemente (englisch: baffle) verwendet, um Hohlräume abzudichten und/oder akustisch abzuschotten, oder Verstärkungselemente (englisch: reinforcer) verwendet, um Hohlräume zu verstärken.

In Fig. 1 ist eine Karosserie eines Automobils schematisch dargestellt. Die Karosserie 10 weist dabei verschiedene Strukturen mit Hohlräumen, wie beispielsweise Säulen 14 und Träger bzw. Verstrebungen 12, auf. Solche Strukturelemente 12, 14 mit Hohlräumen werden üblicherweise mit Abdichtungs- und/oder Verstärkungselementen 16 abgedichtet bzw. verstärkt.

In Fig. 2 ist schematisch ein bekanntes Konzept zum Abdichten und/oder Verstärken von solchen Strukturelementen mit Hohlräumen in Kraftfahrzeugen dargestellt. Dabei zeigt die Fig. 2 ein Verstärkungselement 16 in einem Strukturelement 12, 14 vor einer Expansion eines expandierbaren Materials 13. In diesem Beispiel ist das expandierbare Material 13 auf Oberflächen eines Trägerelementes 11 angeordnet, welche in einer Nähe zum Strukturelement 12, 14 angeordnet sind. Das Trägerelement 11 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen M- bzw. W-förmigen Querschnitt auf. Dadurch wird eine Steifigkeit des Trägerelementes 11 erhöht.

Dieses Trägerelement 11 bzw. das Verstärkungselement 16 gemäss dem Stand der Technik ist im Querschnitt derart ausgebildet, dass es auf einfache Art und Weise im Spritzgussverfahren hergestellt werden kann. Hierzu sind benachbarte Flächen des Trägerelementes 11 mit einem Winkel 15 ausgebildet, welcher geringfügig grösser als 90° ist. Durch eine solche Ausgestaltung des Querschnittes des Trägerelementes 11 kann das spritzgegossene Trägerelement 11 einfach von der Form der Spritzgussmaschine abgezogen werden.

Eine Oberfläche des Trägerelementes 11, welche jeweils einer Innenseite des Strukturelementes 12, 14 zugewandt ist, weist typischerweise eine schachbrettartige Form auf. Dabei kann das Verbindungsmaterial bzw. das expandierbare Material 13 jeweils nur auf Flächen angeordnet werden, welche in der Nähe des Strukturelementes 12, 14 angeordnet sind.

Nachteilig an solchen Verstärkungselementen 16 ist es, dass das Trägerelement 11 nicht auf optimale Art und Weise mit dem Strukturelement 12, 14 verbunden werden kann, weil hierzu nicht genügend Oberflächen des Trägerelementes 11 zur Verfügung stehen, welche sich in der Nähe des Strukturelementes 12, 14 befinden und sich dadurch zur Anbringung von Verbindungsmaterial 13 eignen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche erlaubt, den Träger besser mit dem Strukturelement zu verbinden. Zudem soll die Vorrichtung kosteneffizient und einfach herzustellen sein. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Verstärkung eines Strukturelementes in einem Kraftfahrzeug, umfassend: einen ersten Träger, welcher eine Aussenseite mit einer mehrheitlich geschlossenen Oberfläche hat und eine Innenseite mit einer mehrheitlich durch Rippen definierte Oberfläche hat, wobei auf der geschlossenen Oberfläche der Aussenseite zumindest teilweise ein erstes expandierbares Material angeordnet ist; einen zweiten Träger, welcher eine Aussenseite mit einer mehrheitlich geschlossenen Oberfläche hat und eine Innenseite mit einer mehrheitlich durch Rippen definierte Oberfläche hat, wobei auf der geschlossenen Oberfläche der Aussenseite zumindest teilweise ein zweites expandierbares Material angeordnet ist; wobei der erste Träger und der zweite Träger derart miteinander verbunden sind, dass die Innenseiten der Träger einander zugewandt sind; und wobei die Aussenseiten der Träger in einem Verwendungszustand jeweils gegen eine Wand des Strukturelementes gerichtet sind, sodass das erste expandierbare Material und das zweite expandierbare Material nach einer Expansion die Träger mit Wänden des Strukturelements verbinden.

Diese Lösung hat den Vorteil, dass dadurch eine markant bessere Verbindung des Trägers mit dem Strukturelement erreicht werden kann. Durch die geschlossene bzw. im Wesentlichen geschlossene Oberfläche des Trägerelementes bietet sich die Möglichkeit, Klebstoff flächendeckend beidseitig des Trägers anzuordnen und somit den Träger mit dem Strukturelement besser zu verbinden. Dadurch können wesentlich bessere Verstärkungen von Hohlräumen erzielt werden im Vergleich zu Vorrichtungen gemäss dem Stand der Technik.

Ein Kemgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass durch das Vorsehen von zwei Trägern, welche miteinander verbunden sind, eine neuer Gesamtträger bereitgestellt werden kann, welcher viel Anbindungsfläche für Klebstoff bietet, um diesen Gesamtträger mit dem Strukturelement zu verbinden. Dabei können die Träger gewissermassen modular zusammengestellt werden. Dadurch kann eine solche Vorrichtung der jeweiligen Situation ideal angepasst werden.

In einer beispielhaften Ausführungsform ist das zweite expandierbare Material des zweiten Trägers derart in einem Randbereich der Aussenseite angeordnet, dass das zweite expandierbare Material bei einer Expansion sowohl den zweiten Träger mit einer Wand des Strukturelementes als auch mit der Innenseite des ersten Trägers verbindet

Dies hat den Vorteil, dass dadurch eine mechanisch belastbare Verbindung zwischen den Trägern entsteht, nachdem das zweite expandierbare Material expandiert ist.

In einer beispielhaften Weiterbildung ist das zweite expandierbare Material auf zumindest 40%, insbesondere auf zumindest 50%, insbesondere auf zumindest 60%, insbesondere auf zumindest 70%, insbesondere auf zumindest 80% des Randbereiches der Aussenseite angeordnet.

Dies hat den Vorteil, dass dadurch eine grössere Fläche der beiden Träger miteinander verbunden werden kann, und/oder dass dadurch eine Verbindung auf verschiedenen Seitenflächen des zweiten Trägers mit dem ersten Träger erreicht werden kann. Beides führt zu mechanisch belastbareren Verbindungen zwischen den Trägern.

In einer beispielhaften Ausführungsform ist das zweite expandierbare Material im Randbereich der Aussenseite in einer vordefinierten Distanz und im Wesentlichen parallel zu einer Rippe des ersten Trägers angeordnet, sodass bei einer Expansion eine längliche Verbindung zwischen erstem und zweitem Träger durch das zweite expandierbare Material entsteht.

Dies hat den Vorteil, dass dadurch eine geeignete Anbindungsfläche des ersten Trägers verwendet werden kann, um eine möglichst mechanisch belastbare Verbindung zwischen den Träger zu erreichen.

In einer beispielhaften Weiterbildung beträgt die vordefinierte Distanz zwischen 0.1 mm und 5 mm, insbesondere zwischen 0,2 mm und 3 mm, insbesondere zwischen 0.2 mm und 1 mm.

In einer beispielhaften Ausführungsform ist der erste Träger grösser als der zweite Träger. In einer beispielhaften Ausführungsform beträgt eine Fläche der Innenseite des zweiten Trägers zwischen 10 % und 80 %, insbesondere zwischen 20 % und 70 %, insbesondere zwischen 30 % und 60 % einer Fläche der Innenseite des ersten Trägers.

In einer beispielhaften Ausführungsform hat die Aussenseite des ersten Trägers und/oder des zweiten Trägers auf zumindest 70 %, insbesondere auf zumindest 75 %, insbesondere auf zumindest 80 % eine geschlossene Oberfläche.

Dies hat den Vorteil, dass dadurch eine grössere Fläche zur Anbindung an das Strukturelement zur Verfügung steht, sodass eine bessere Verstärkung erreicht werden kann.

In einer beispielhaften Ausführungsform hat die Innenseite des ersten Trägers und/oder des zweiten Trägers auf zumindest 70 %, insbesondere auf zumindest 85 %, insbesondere auf zumindest 80 % eine durch Rippen definierte Oberfläche.

In einer beispielhaften Ausführungsform sind der erste Träger und der zweite Träger durch zumindest zwei mechanische Verbindungen miteinander verbunden, wobei jeder Träger jeweils zwei Kopplungselemente umfasst, welche mechanisch verbindbar sind mit den Kopplungselementen des jeweils anderen Trägers.

Dies hat den Vorteil, dass dadurch auf kostengünstige und zuverlässige Art eine Vorfixierung der Träger zueinander erreicht werden kann.

In einer beispielhaften Ausführungsform sind die Kopplungselemente als Clips und Clipöffnungen ausgebildet.

In einer beispielhaften Ausführungsform sind die Kopplungselemente am zweiten Träger in einem Randbereich der Innenseite angeordnet, und wobei die Kopplungselemente am ersten Träger an dessen Innenseite angeordnet sind. In einer beispielhaften Ausführungsform fixiert die mechanische Verbindung den ersten Träger und den zweiten Träger für eine Montage miteinander, aber verbindet die Träger nicht für einen vorgesehenen Lastfall mechanisch miteinander.

In einer beispielhaften Ausführungsform haben das erste expandierbare Material und das zweite expandierbare Material dieselbe Zusammensetzung.

In einer alternativen Ausführungsform haben das erste expandierbare Material und das zweite expandierbare Material nicht dieselbe Zusammensetzung, wobei sich die Materialien insbesondere durch eine unterschiedliche Expansionsrate unterscheiden.

In einer beispielhaften Ausführungsform haben das erste expandierbare Material und/oder das zweite expandierbare Material eine Expansionsrate von mehr als 100 % und von weniger als 800 %, insbesondere von mehr als 200 % und von weniger als 700 %, insbesondere von mehr als 250 % und von weniger als 600 %.

Als expandierbares Material können grundsätzlich verschiedenartige Materialien verwendet werden. Beispielsweise können folgende im Handel erhältliche Klebstoffe verwendet werden: SikaReinforcer®-911, SikaReinforcer®-940, SikaReinforcer®-941, SikaReinforcer®-942, SikaReinforcer®-943, SikaReinforcer®-951 und SikaReinforcer®- 955.

In einer beispielhaften Ausführungsform ist das erste expandierbare Material und/oder das zweite expandierbare Material durch eine Temperatur von mehr als 120° härtbar.

In einer beispielhaften Ausführungsform ist der erste Träger und/oder der zweite Träger mit dem jeweils darauf angeordneten expandierbaren Material durch ein Zweikomponenten-Spritzgussverfahren hergestellt.

Dies hat den Vorteil, dass dadurch kostengünstige Vorrichtungen hergestellt werden können. In einer beispielhaften Ausführungsform enthält der Träger Kunststoff, faserverstärkten Kunststoff (insbesondere karbonfaserverstärkter Kunststoff oder glasfaserverstärkter Kunststoff), oder eine Kombination dieser Materialien.

Die eingangs gestellte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein System eines verstärkten Strukturelementes in einem Kraftfahrzeug, wobei das System umfasst: ein Strukturelement; eine Vorrichtung nach obiger Beschreibung, wobei die Vorrichtung im Strukturelement angeordnet ist; wobei das expandierte Material die Träger mit dem Strukturelement und die Träger untereinander verbindet.

Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf schematische Zeichnungen beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 beispielhafte Darstellung einer Karosserie;

Fig. 2 schematische Darstellung einer beispielhaften Vorrichtung gemäss dem Stand der Technik;

Fig. 3a und 3b schematische Darstellung eines beispielhaften ersten Trägers;

Fig. 4a und 4b schematische Darstellung eines beispielhaften zweiten Trägers;

Fig. 5 schematische Darstellung einer beispielhaften Vorrichtung; und

Fig. 6a und 6b schematische Darstellung einer beispielhaften Vorrichtung.

In den Fig. 3a und 3b ist ein beispielhafter erster Träger 2 dargestellt. Dabei ist in Fig. 3a die Aussenseite des ersten Trägers 2 sichtbar, welche eine mehrheitlich geschlossenen Oberfläche hat, wobei auf dieser geschlossenen Oberfläche ein erstes expandierbares Material 4 angeordnet ist. In Fig. 3b ist die Innenseite des Trägers 2 sichtbar, welche eine mehrheitlich durch Rippen 6 definierte Oberfläche hat.

In diesem Ausführungsbeispiel hat der erste Träger 2 eine erste Öffnung 8, welche sich von der Aussenseite bis zur Innenseite erstreckt.

In den Fig. 4a und 4b ist ein beispielhafter zweiter Träger 3 dargestellt. Dabei ist in Fig. 4a die Innenseite des zweiten Trägers 3 sichtbar, welche eine mehrheitlich durch Rippen 6 definierte Oberfläche hat. In Fig. 4b ist die Aussenseite des zweiten Trägers 3 sichtbar, welche eine mehrheitlich geschlossenen Oberfläche hat, wobei auf dieser geschlossenen Oberfläche ein zweites expandierbares Material 5 angeordnet ist.

In diesem Ausführungsbeispiel hat der zweite Träger 2 eine zweite Öffnung 9, welche sich von der Aussenseite bis zur Innenseite erstreckt.

In Fig. 5 ist eine beispielhafte Vorrichtung 1 dargestellt, welche sowohl den ersten Träger 2 als auch den zweiten Träger 3 umfasst. Dabei sind die Träger 2, 3 derart miteinander verbunden, dass die Innenseiten der Träger 2, 3 einander zugewandt sind.

In diesem Ausführungsbeispiel hat der erste Träger 2 und der zweite Träger 3 jeweils zwei Kopplungselemente 7, welche jeweils mechanisch mit den Kopplungselementen 7 des anderen Trägers 2, 3 verbindbar sind.

In den Fig. 6a und 6b ist wiederum eine beispielhafte Vorrichtung 1 dargestellt. Dabei zeigt Fig. 6b eine Situation vor einer Verbindung des ersten Trägers 2 und des zweiten Trägers 3, und die Fig. 6a zeigt die Vorrichtung 1 mit miteinander verbundenen Trägem 2, 3. Auch in diesem Beispiel sind die Träger 2, 3 mechanisch miteinander verbunden, indem Kopplungselemente 7 jeweils in entsprechende Kopplungselemente 7 des anderen Trägers 2, 3 eingreifen.

Die Öffnungen 8, 9 der Träger 2, 3 sind dabei so ausgebildet, dass sie in einem verbundenen Zustand der Träger 2, 3 im Wesentlichen übereinander liegen, sodass die Vorrichtung 1 eine Öffnung aufweist, welche sowohl durch den ersten Träger 2 als auch durch den zweiten Träger 3 hindurchreicht.

Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung

2 erster Träger

3 zweiter Träger

4 erstes expandierbares Material

5 zweites expandierbares Material

6 Rippe

7 Kopplungselement

8 erste Öffnung

9 zweite Öffnung

10 Karosserie

11 Träger

12 Strukturelement

13 Klebstoff

14 Strukturelement

15 Winkel

16 Verstärkungselement