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Die
Erfindung betrifft ein Strukturbauelement für den Fahrzeugbau, insbesondere
für Karosserien von
Kraftfahrzeugen, mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch
1.
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Strukturbauelemente
der in Rede stehenden Art sind im Fahrzeugbau, insbesondere in Karosserien
von Kraftfahrzeugen an verschiedenen Stellen im Einsatz. Sie werden
als Querträger
oder als Längsträger der
Fahrgastzelle und anderer Karosseriebereiche, als Aufprallträger beispielsweise
im Bereich des Armaturenbretts, als Aufprallträger in Türen und Seitenteilen (Seitenaufprallschutz),
insbesondere auch als Stoßfängerquerträger eingesetzt.
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Ein
Beispiel eines Strukturbauelements in Form eines Stoßfängerquerträgers, der
sich über
die Breite eines Fahrzeugs erstreckt und über Deformationselemente mit
der Karosserie verbunden ist, bildet den konkreten Ausgangspunkt
für die
Lehre der Erfindung (
US
5,785,367 A ). Das bekannte Strukturbauelement weist zwei
Halbschalen auf, die an ihren offenen Enden unter Ausbildung eines
Hohlprofils miteinander verbunden sind. Zur Erhöhung der Steifigkeit bei Belastungen
quer zur Längsrichtung
des Profils ist das Strukturbauelement an seiner Ober- und seiner
Unterseite mit in Längsrichtung
verlaufenden Profilierungen versehen. Zur weiteren Versteifung des
Strukturbauelements ist zudem zwischen den beiden Halbschalen ein
Verstärkungsblech
vorgesehen. Hierbei ist es von Nachteil, daß das Einziehen eines Verstärkungsblechs
in das Hohlprofil einerseits zu einer unerwünschten Gewichtszunahme des Strukturbauelements
führt und
andererseits nur mit einem erheblich höheren Fertigungsaufwand zu
realisieren ist.
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Weitere
Maßnahmen
zur Verbesserung der Kraftaufnahme quer zur Längsrichtung des Strukturbauelements
sind aus der Praxis bekannt und bestehen darin, ein Material mit
höherer
Festigkeit und/oder größerer Materialdicke
zur Herstellung des Strukturbauelements zu verwenden oder eine Warmumformung
mit entsprechender Strukturveränderung
des Materials vorzunehmen. Aus Gründen von Gewicht und Kosten
führt jedoch
keiner dieser Ansätze
in der Praxis zu zufriedenstellenden Ergebnissen.
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Bei
einem weiteren Strukturbauelement für ein Kraftfahrzeug, das ebenfalls
als geschlossenes Hohlprofil ausgeführt ist, sind Profilierungen
in regelmäßigen Abständen quer
zur Längserstreckung
des Strukturbauelements angeordnet (
US 4,702,515 A ). Durch diese Profilierungen
wird sichergestellt, daß das
Strukturbauelement bei Einwirkung einer Kraft in Längsrichtung
des Strukturbauelements kontrolliert deformiert. Eine Verbesserung
der Kraftaufnahme quer zur Längsrichtung
spielt bei diesem Strukturbauelement keine Rolle.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur Verbesserung der Kraftaufnahme eines Strukturbauelements besteht
darin, in ein stranggepreßtes
Gehäuse
einen aufgeschäumten
elastischen Körper
einzubringen, der einen Teil der Stoßenergie absorbiert (
DE 100 54 104 A1 ).
Nachteilig ist in diesem Zusammenhang, daß der elastische Körper ein
nicht unerhebliches Eigengewicht aufweist und nur bei Kollisionen
mit geringen Geschwindigkeiten einen relevanten Anteil der Stoßenergie
absorbiert.
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Bekannt
sind auch Strukturbauelemente der in Rede stehenden Art, die als
U-Profile ausgeführt und
beispielsweise durch entsprechendes Abkanten eines Flachbandmaterials
hergestellt werden. Dabei weist das U-Profil einen Mittelschenkel
und zwei daran anschließende
Seitenschenkel auf, die nach Bedarf nach außen abstellbare Flansche aufweisen können. Ein
entsprechender Stoßfängerquerträger ist
quer zur Fahrzeugkarosserie in einer stetigen Kurve, die aber unterschiedliche
Kurvenradien hat, gebogen und im Bereich des Mittelschenkels mit
in Längsrichtung
verlaufenden Profilierungen versehen (
DE 198 29 566 A1 ).
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Der
Lehre liegt das Problem zugrunde, ein gattungsgemäßes Strukturbauelement
für den
Fahrzeugbau zur Verfügung
zu stellen, das sich durch eine verbesserte Kraftaufnahme quer zur
Längsrichtung
ohne maßgebliche
Gewichtserhöhung
und erheblichen Fertigungsaufwand auszeichnet.
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Die
zuvor aufgezeigte Problemstellung wird bei dem Strukturbauelement
mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 durch die Merkmale
des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst.
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Nach
der Lehre des Anspruchs 1 erfolgt eine partielle Materialverdichtung
und/oder Materialanhäufung
im Bereich der Flächen,
die der Kraftaufnahme der Kräfte
dienen, die quer zur Längsrichtung
des Strukturbauelementes auf den Mittelschenkel und damit in der
Ebene des Seitenschenkels wirken. Durch die Materialverdichtung/-anhäufung im
Seitenschenkel jedenfalls partiell vermeidet man eine Erhöhung des
Gesamtgewichts des Strukturbauelementes und auch die Notwendigkeit,
insgesamt ein Material höherer
Festigkeit einzusetzen, von der Notwendigkeit einer Warmverformung
ganz zu schweigen. Mit üblichen
verformungstechnischen Maßnahmen wie
beispielsweise Ziehen und Prägen,
läßt sich
die zuvor beschriebene Materialverdichtung und/oder -anhäufung realisieren.
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Zusätzlich werden
Profilierungen quer zur Längsachse
im Seitenschenkel eingebracht. Durch eine solche Profilierung ergibt
sich eine höhere
Steifigkeit des Seitenschenkels. Beispielsweise für einen Stoßfängerquerträger bedeutet
dies, daß man
den Seitenschenkel mit als Kraftaufnahmemittel nutzt und nicht wie
bisher den Mittelschenkel des Strukturbauelementes direkt an die
Crashboxen anbindet.
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Die
Materialverdichtung und/oder -anhäufung im Seitenschenkel führt dann
im Ergebnis dazu, daß die
Materialdicke im Seitenschenkel trotz der Profilierungen und der
damit im Seitenschenkel vergrößerten gestreckten
Länge gegenüber der
Einbaulänge
im wesentlichen gleich der Materialdicke des Materials im Mittelschenkel
ist. Geringfügige
Abweichungen nach der einen oder anderen Richtung sind dabei natürlich zulässig. Durch
die Kombination aus diesen beiden Funktionen erreicht man eine wesentlich
erhöhte
Kraftaufnahme quer zur Längsrichtung des
Profils bei unverändert
möglicher
Kaltverformung des Materials, ohne Erhöhung des Gewichts, ggf. sogar
mit einem geringeren Gewicht und unter Verwendung üblichen
Metall-Materials, also beispielsweise Stahlblech oder Leichtmetallblech.
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Es
gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die
Lehre der Erfindung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu darf
zunächst
auf die Unteransprüche hingewiesen
werden.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele
darstellenden Zeichnung näher
erläutert.
Im Zuge der Erläuterung der
Ausführungsbeispiele
anhand der Zeichnung werden auch bevorzugte Ausge staltungen der
Lehre erläutert,
die nicht weiter dargestellt sind. In der Zeichnung zeigt
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1 in
perspektivischer Ansicht ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Strukturbauelementes,
beispielsweise einsetzbar als Aufprallträger in der Fahrgastzelle einer
Kraftfahrzeugkarosserie,
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2 das
Strukturbauelement aus 1 im Schnitt, gestrichelt eine
Variante mit Bodenplatte angedeutet,
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3 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Strukturbauelementes
in einer 2 ähnlichen Schnitt-Darstellung.
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Anhand
von 1 darf zunächst
erläutert werden,
daß es
sich hier um ein als Profil aus Metall ausgeführtes Strukturbauelement 1 für den Fahrzeugbau,
insbesondere für
den Einbau in einer Kraftfahrzeugkarosserie als Querträger, insbesondere Stoßfängerquerträger, Aufprallträger für Seitenteile, Aufprallträger für die Fahrgastzelle
etc. handelt. Ein solches Strukturbauelement 1 besteht
regelmäßig aus
Metall, insbesondere aus Stahl entsprechend passender Qualität, oder
aus Leichtmetall, insbesondere aus Aluminium/ einer Aluminiumlegierung.
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In
1 ist
angedeutet, daß das
Strukturbauelement
1 in der Praxis natürlich eine erhebliche Länge hat,
beispielsweise bei Einbau quer zur Kraftfahrzeugkarosserie eine
Länge von
ca. 150 cm. Quer zur Längsrichtung
des Strukturbauelementes
1 soll das Strukturbauelement
1 erhebliche
Kräfte
aufnehmen können,
insbesondere Kräfte
wie sie bei einer Kollision auftreten. Ein besonderes Beispiel ist
ein Strukturbauelement
1 als Stoßfängerquerträger, der quer zur Fahrzeugkarosserie
an Crashboxen aufgehängt
ist. Ein solches Strukturbauelement
1 erstreckt sich in
seiner Längsachse,
also quer zur Fahrzeugkarosserie, mit einem Verlauf einer stetigen
Kurve, die aber unterschiedliche Kurvenradien hat. Diesen Verlauf
quer zur Fahrzeugkarosserie bezeichnet man als Strak. Der Strak
des Stoßfängerquerträgers ist
für jeden
Fahrzeugtyp unterschiedlich. Wesentlich ist, daß der Stoßfängerquerträger bei einem Aufprall die
Kräfte
in genau bestimmter Weise aufnimmt und über die Crashboxen letztlich
dann in die Karosserie ableitet. Die Crashboxen und dieses Strukturbauelement
1 sind
verantwortlich dafür,
daß die
Kräfte
in der Fahrgastzelle unter einem Grenzwert, beispielsweise unter
einem Grenzwert von 40 kN bleiben. Im einzelnen darf für die Erläuterung
dieses Hintergrundes auf die
DE 198 29 566 A1 verwiesen werden, die bereits
eingangs genannt worden ist.
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Strukturbauelemente 1 gemäß der Erfindung sind
auch an anderen Stellen in der Fahrzeugkarosserie einzusetzen, beispielsweise
weniger stark gebogen als Aufprallträger für Seitenteile (Seitenaufprallschutz)
oder an anderen Stellen in der Fahrgastzelle. Immer geht es besonders
darum, quer zur Längsrichtung
des Strukturbauelementes 1 auftretende Kräfte besonders
gut und kontrolliert aufzunehmen. Ein unkontrolliertes Wegknicken
des Strukturbauelementes 1 soll dabei möglichst sicher vermieden werden.
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Typisch
für ein
Strukturbauelement 1 der in Rede stehenden Art ist eine
bestimmte Einbaulänge LE. Das Strukturbauelement 1 besteht
mindestens aus einem Mittelschenkel 2 aus Material einer
bestimmten Ausgangs-Materialdicke und -dichte DA und einem
einstückig
in einem Winkel, und zwar vorzugsweise rechtwinklig, daran anschließenden Seitenschenkel 3.
Im Regelfall wird man zwei Seitenschenkel 3 haben wie das
auch in der Zeichnung dargestellt ist. Für die Lehre der Erfindung ist
jedoch im Grundsatz nur die Existenz eines Seitenschenkels 3, an
dem sich die Erfindung realisiert, erforderlich. Ebenso wird im
Rahmen der Lehre im Regelfall nur ein Mittelschenkel 2 vorhanden
sein, gleichwohl ist es ohne weiteres möglich, auch zwei Mittelschenkel
zu haben, die einen Seitenschenkel (funktional, geometrisch dann
ein Mittelschenkel) zwischen sich einschließen. Es hängt von der Beanspruchungsrichtung
bezüglich
des Strukturbauelementes 1 ab, wie die konkrete konstruktive
Gestaltung aussieht.
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Wesentlich
ist, daß der
Mittelschenkel 2 eine mit der Einbaulänge LE im
wesentlichen übereinstimmende
gestreckte Länge
LG aufweist und daß das Material im Seitenschenkel 3 im
wesentlichen ohne Veränderung
der Einbaulänge
LE im Vergleich mit dem Material im Mittelschenkel 2 verdichtet
und/oder angehäuft
ist. Das führt
zu den im allgemeinen Teil der Beschreibung bereits erläuterten
Vorteilen hinsichtlich der Kraftaufnahme quer zur Längsrichtung des
Strukturbauelements 1.
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Das
dargestellte Ausführungsbeispiel,
insbesondere 1 in Verbindung mit 2,
zeigt, daß hier
zusätzlich
das Material im Seitenschenkel 3 im we sentlichen ohne Veränderung
der Einbaulänge
LE mit quer zur Längsachse verlaufenden Profilierungen 4 versehen
ist, so daß die
gestreckte Länge
LG jedenfalls im Bereich der Profilierungen 4 des
Seitenschenkels 3 größer ist
als die Einbaulänge
LE. Unter gestreckter Länge LG versteht
man die Länge,
die das Material hätte,
wenn es ohne Veränderung
der Dicke und Dichte einfach glatt, gestreckt ausgelegt wäre.
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Die
nach Anspruch 1 geforderte Materialanhäufung im Seitenschenkel 3 verglichen
mit dem Mittelschenkel 2 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel
dadurch realisiert, daß im
Seitenschenkel 2 trotz der Profilierungen 4 und
der damit verbundenen Vergrößerung der
gestreckten Länge
LG verglichen mit der Einbaulänge LE die Dicke des Materials im wesentlichen
gleich ist wie im Mittelschenkel 2. Man erkennt das besonders
gut in 2, dort eingezeichnet die Dicke DA.
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Bereits
die Einbringung der quer zur Längsachse
laufenden Profilierungen 4 im Seitenschenkel 3 führt zu einer
wesentlichen Erhöhung
der Steifigkeit des Strukturbauelementes 1. Ohne weitere
Gewichtserhöhung
bekommt man jedoch eine optimale Kraftaufnahme, wenn man außerdem die
zuvor erläuterte
Materialanhäufung
im Seitenschenkel 3 realisiert.
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Anhand
von 1 und 2 sollen weitere Ausgestaltungen
des erfindungsgemäßen Strukturbauelementes 1 erläutert werden.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel
zeigt zunächst,
daß die
Profilierungen 4 eine bestimmte, im wesentlichen einheitliche
Profilbreite und -tiefe aufweisen. Es handelt sich also um eine
regelmäßige Profilierung
im Seitenschenkel 3. Diese regelmäßige Profilierung wird häufig verwendet
werden. Es ist aber auch möglich,
daß die
Profilierungen 4 eine vorzugsweise beanspruchungsabhängig unterschiedliche
Profilbreite und -tiefe aufweisen. Damit kann man unterschiedlichen Beanspruchungen
in unterschiedlichen Bereichen des Strukturelementes 1 Rechnung
tragen. Ebenso kann man das dadurch tun, daß die Profilierungen 4 zur
Querrichtung geneigt, vorzugsweise in einem Winkel von 5 bis 20° geneigt
ausgerichtet sind.
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Eine
richtungsabhängige
Kraftaufnahmefähigkeit
kann man insbesondere durch die Lage der Profilierungen 4 relativ
zur Hauptebene des Seitenschenkels 3 des Strukturbauelementes 1 beeinflussen.
Dazu kann man vorsehen, daß die
Profilierungen 4 von der Hauptebene des Seitenschenkels 3 aus
zu beiden Seiten in im wesentlichen gleicher Profiltiefe ausgebildet
sind. Hier erhält
man eine gegenläufige
Kraftableitung. Alternativen bestehen darin, daß die Profilierungen 4 von
der Hauptebene des Seitenschenkels 3 aus nach einer Seite
in im wesentlichen voller Profiltiefe ausgebildet sind, oder darin, daß die Profilierungen 4 in
Längsrichtung
des Seitenschenkels 3 abschnittsweise zu beiden Seiten
in im wesentlichen gleicher Profiltiefe oder nach einer Seite in
im wesentlichen voller Profiltiefe ausgebildet sind.
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1 zeigt
für die
Profilierungen 4 eine Art Trapezform, wobei die Profilierungen 4 auch
stirnseitig geschlossen sind. Das erreicht man dadurch, daß zunächst die
Profilierungen 4 in einer bestimmten Breite in den Seitenschenkel 3 des
Strukturbauelementes 1 eingebracht werden und erst danach
eine entsprechende Abkantung von Mittelschenkel 2 und Seitenschenkel 3 erfolgt.
Weitere Querschnittsformen sind beispielsweise Wellenform oder Wannenform.
Im übrigen
lassen sich viele andere Querschnittsformen beanspruchungsabhängig realisieren.
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Besondere
Bedeutung kommt der Wahl der Materialdicke des Seitenschenkels 3 bzw.
der Seitenschenkel 3 im Bereich der Profilierungen 4 zu.
Diese ist im dargestellten Ausführungsbeispiel
gleich der Ausgangs-Materialdicke DA. Im
Grundsatz kann sie aber auch größer oder
kleiner sein, wobei diese Abweichungen im dargestellten Ausführungsbeispiel, das
auch die Lehre von Anspruch 1 verwirklicht, jedenfalls nicht groß sein sollten.
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Es
hängt von
dem Verhältnis
von Materialanhäufung
im Seitenschenkel 3 einerseits und Ausformung, insbesondere
Tiefe und Breite der Profilierungen 4 im Seitenschenkel 3 andererseits
ab, welche Dickenverhältnisse
für die
Materialdicken man im Ergebnis realisiert. Das ist wiederum beanspruchungsabhängig.
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Im
Stand der Technik gemäß der
DE 198 29 566 A1 ist
vorgesehen, daß der
Mittelschenkel des Strukturbauelementes, das dort ein Stoßfängerquerträger ist, seinerseits
in Längsrichtung
verlaufende Profilierungen aufweist. Darauf darf hingewiesen werden.
Die damit verbundene Versteifungswirkung des Mittelschenkels ist
ggf. gewünscht
und kann durch entsprechende Maßnahmen
auch beim erfindungsgemäßen Strukturbauelement
erzielt werden.
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Bereits
weiter oben ist darauf hingewiesen worden, daß das dargestellte und bevorzugte
Ausführungsbeispiel
eine Version zeigt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß an dem
Mittelschenkel 2 beidseits je ein Seitenschenkel 3 gleichartig
anschließt. Weiter
ist hier vorgesehen, daß der
Seitenschenkel 3 auf der dem Mittelschenkel 2 gegenüberliegenden Seite
einen nach außen
abragenden Flansch 5 aufweist. Diesen Flansch 5 findet
man an beiden Seitenschenkeln 3. Mit Hilfe dieses Flansches 5 kann
das Strukturbauelement 1 beispielsweise an einer Trägerstruktur,
insbesondere an einer Crashbox oder an einem Träger der Fahrgastzelle, befestigt
werden. Die Flansche 5 dienen der Krafteinleitung in die
Trägerstruktur.
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In 2 ist
gestrichelt angedeutet, daß das Profil
des Strukturbauelementes 1 hier auf der dem Mittelschenkel 2 gegenüberliegenden
Seite durch eine Bodenplatte 6 zu einem geschlossenen Hohlprofil
geschlossen ist. Natürlich
muß die
Bodenplatte 6 aus einem zum Material des Strukturbauelements 1 selbst
passenden Material bestehen, sofern sie nicht nur eine bloße Unterlagsplatte
sein soll. Regelmäßig wird
die Bodenplatte 6 aus demselben Material wie das übrige Strukturbauelement 1 bestehen,
so daß die
Flansche 5 mit der Bodenplatte 6 verschweißt sein
können.
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Eine
interessante Variante zeigt 3. Hier ist
vorgesehen, daß das
Profil als Hohlprofil asymmetrisch mit einem an einer Längsseite überragenden Flansch 7 ausgeführt ist.
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Hier
ist also zunächst
im Strukturbauelement 1 mit zwei Mittelschenkeln 2 und
zwei diese verbindenden Seitenschenkeln 3 ein geschlossenes
Hohlprofil gebildet. In den Seitenschenkeln 3 erkennt man die
Profilierungen 4 in gleicher Weise wie beim Ausführungsbeispiel
von 2. Die Verbindung des einen Seitenschenkels 3 mit
dem einen Mittelschenkel 2 erfolgt über die schematisch angedeutete
Schweißnaht 8,
bei der es sich um eine Laserschweißnaht handeln kann.
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Interessant
ist hier die Realisierung eines Dreikammerprofils aus zwei dieser
asymmetrischen Profile durch Zusammensetzung der beiden asymmetrischen
Profile 1A und 1B zu dem gesamten Strukturbauelement 1.
Es liegt auf der Hand, daß dieses
Dreikammerprofil eine hervorragende Kraftaufnahmefähigkeit
hat. Man erkennt, daß die
beiden asymmetrischen Profile 1A, 1B an entsprechenden Schweißnähten 8 miteinander
verschweißt
sind. Dazu weist jedes Profil einen Absatz 9 auf, in dem der
Flansch 7 des korrespondierenden Profils bündig einliegen
kann. Auf diese Weise erreicht man, daß sich im Bereich der Mittelschenkel 2 für das Strukturbauelement 1,
das aus den beiden Profilen 1A und 1B besteht,
eine im wesentlichen bündige
Außenfläche ergibt.
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Bereits
oben ist darauf hingewiesen worden, daß erfindungsgemäß das Profil
des Strukturbauelementes 1 aus Stahlblech oder Leichtmetallblech
hergestellt ist, und zwar vorzugsweise durch Kaltverformung, insbesondere
durch Ziehen, Prägen
und Abkanten. Im einzelnen werden hier typische Verformungsverfahren
angewandt, wie Ziehen oder Prägen,
Walzen, Rollen oder auch eine Innen-Hochdruckumformung.
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Als
weitere Beeinflussungsgröße kann
man bei einem Strukturbauelement 1 der in Rede stehenden
Art auch die Bauhöhe,
also die Breite der Seitenschenkel 3, modifizieren. Das
kann man durch Stauchen oder auch durch eine zusätzliche Materialverdichtung
in diesem Bereich realisieren. Dadurch kann man in Längsrichtung
des Strukturbauelementes 1 Bereiche nochmals erhöhter Kraftaufnahmefähigkeit
realisieren, beispielsweise sind das die Enden des Strukturbauelementes 1.
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Nach
einer weiter möglichen
Variante läßt sich
das Strukturbauelement 1 auch als Strangpreßprofil
aus Leichtmetall, insbesondere aus Aluminium, herstellen, wenn man
ein Strangpreßwerkzeug
mit gesteuerter Strangpreßdüse benutzt.