DE10154215B4 - Längsträger als Teil einer Tragstruktur eines Fahrzeuges - Google Patents

Abstract

Längsträger als Teil einer Tragstruktur eines Fahrzeuges, der vor und/oder hinter der Fahrgastzelle des Fahrzeuges angeordnet ist und dessen Breiten/Höhenverhältnis (a₀/b₀) < 1 ist und der von mindestens zwei im wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Hohlprofilen (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) gebildet ist, wobei die Hohlprofile (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) jeweils ein Breiten- /Höhenverhältnis (a_1,2/b_1,2) ungefähr 1 haben und mit Abstand voneinander angeordnet sind, dadurh gekennzeichnet, dass die beiden Hohlprofile (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) an ihren beiden Enden formsteif miteinander verbunden sind, wobei sie zwischen sich und ihren formsteif miteinander verbundenen Enden einen Freiraum bilden.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Längsträger als Teil einer Tragstruktur eines Fahrzeuges, dessen Breiten/Höhenverhältnis a₀/b₀ < 1 ist und der von mindestens zwei im wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Hohlprofilen gebildet ist.
• Nach dem heutigen Stand der Technik gefertigte Längsträger sind konstruktiv hinsichtlich hoher Gewichtseinsparung bei gleichzeitig maximaler Steifigkeit bereits optimiert ausgelegt. D.h., es kann kaum noch ein Gewichteinsparungspotential allein durch Reduzierung der Blechdicke oder allein durch Verringerung der Querschnittsfläche des Trägerprofils realisiert werden. Eine weitere Reduzierung der Blechdicke hätte eine unzureichende Steifigkeit, insbesondere Biegesteifigkeit bzw. Beulsteifigkeit des Längsträgers zur Folge.
• Um dennoch zu einer Gewichtsreduzierung durch Verringerung der Blechdicke zu kommen, ist es eine bekannte konstruktive Maßnahme, einen höherfesten Werkstoff einzusetzen, der auch bei verringerter Blechdicke noch ausreichende mechanische Festigkeiten aufweist, um die Festigkeit des Längsträgers ausreichend groß zu halten und nicht unter ein gefordertes Mindestmaß absinken zu lassen. Daher scheint die bekannte Maßnahme, das Längsträgerprofil aus einem hochfesten Stahlwerkstoff zu fertigen und die Blechdicke entsprechend zu reduzieren, zunächst einmal als möglicher Lösungsweg.
• Die Verwendung hochfester Stahlwerkstoffe bringt jedoch neue Probleme in Bezug auf das Crashverhalten der Tragstruktur mit sich. Die über die Längsträger im Crashfall auf die Fahrgastzelle übertragene Kraft F berechnet sich nach der Formel F = Ó × A, wobei Ó die Streckgrenze des Werkstoffs bezeichnet und A = U × t gilt, d.h. A ist die Materialquerschnittfläche des Längsträgerprofils mit dem Umfang U und der Blechdicke t. Da bei hochfesten Stahlwerkstoffen der Wert Ó deutlich größer ist als bei Werkstoffen für herkömmliche Längsträger, ist ohne Verringerung der Blechdicke t die auf die Fahrgastzelle im Crashfall übertragene Kraft F unakzeptabel hoch (Gefährdung der Insassen). Würde dagegen zur Redzierung der im Crashfall übertragenen Kraft F die Blechdicke t verkleinert, dann würde das eine Verringerung der Biegesteifigkeit zur Folge haben und damit die Gefahr eines sogenannten Biegekollapses vergrößern. Unter Biegekollaps wird das Versagen des Längsträgers durch Ausknicken verstanden.
• Die im Crashfall übertragene Kraft F könnte auch durch Verkleinerung des Umfangs U des Längsträgerprofils, und zwar durch Verkürzung seiner Kanten erreicht werden, doch kommt eine solche Lösung nicht in Betracht, da damit eine zu große Verringerung der Steifigkeit des Längsträgers einher gehen würde, was zu einer Reduzierung der Tragfunktion führt. Eine Verringerung der Kantenlängen a₀ und b₀ erhöht außerdem die Gefahr des Biegekollapses, da das Profil schmaler wird.
• Aus den vorstehend aufgeführten Gründen lässt sich daher unter Beachtung der auf die Fahrgastzelle übertragenen Kraft auf einem für die Insassen erträglichen Niveau eine nennenswerte Gewichtseinsparung am Längsträger durch Verringerung der Kantenlänge des Profils und/oder der Blechdicke nicht erzielen.
• Ein weiterer Grund dafür, dass das Verhältnis der Kantenlängen a₀/b₀ nicht weiter verringert werden kann, ist, dass es sogenannte Stabilitätskriterien (Schriever, T.: "Zur nichtlinearen FE-Analyse des Verformungsverhaltens von Fahrzeuglängsträgern mit gezielt eingebrachten geometrischen Imperfektionen"; Institut für Kraftfahrwesen Aachen, RWTH Aachen, Aachen 1990) in Bezug auf die Faltung des Längsträgers bei seiner Deformation infolge Crash gibt, die eingehalten werden müssen. Ein mit dem Begriff "Faltungskompatibilität" bezeichnetes erstes Stabilitätskriterium besagt, dass sich bei der Deformation des Längsträgers infolge Crash die langen Seiten b₀ des Profils ungehindert auffalten können müssen, weil nur dann die größtmögliche Energiemenge aufgenommen und in Verformungsenergie umgesetzt werden kann. Es darf deshalb nicht dazu kommen, dass sich die Innenflächen des Profils an ihren Längskanten b₀ beim Auffalten berühren und so die freie Faltenbildung behindert wird. Daher darf das Kantenlängenverhältnis a₀/b₀ einen unteren Grenzwert nicht unterschreiten.
• Ein zweites Stabilitätskriterium ist das der sogenannten "Kompaktheit". Ein stabiler und regelmäßiger Faltungsprozeß infolge Crashdeformation ist abhängig vom Verhältnis der Blechdicke t zur langen Seite b₀ des Längsträgerprofils. Dieses Verhältnis t/b₀ darf daher nicht unter einen bestimmten kritischen Wert absinken, wobei die Frage, wo dieser kritische Wert liegt, u.a. davon abhängt, aus welchem Werkstoff in welcher Güte der Längsträger besteht. Es ist somit ersichtlich, dass das Stabilitätskriterium "Kompaktheit", das der Fachmann im Interesse eines stabilen und regelmäßigen Faltungsprozesses im Crashfall einzuhalten bestrebt ist, den Fachmann davon abhält, die Blechdicke t weiter zu verringern, um so Gewicht einzusparen.
• Das Stabilitätskriterium "Faltungskompatibilität" ist auch bei einem bekannten Längsträger der eingangs genannten Art (US-PS 4 986 597) nicht eingehalten. Bei diesem Träger sind zwei Hohlprofile über ihre gesamte Länge mit Flanschen verbunden, indem die Hohlprofile mit den Flanschen zwischen sich ein weiteres Hohlprofil bilden. Ein solcher Längsträger stellt eine funktionale Baueinheit dar, d.h. dass seine beiden Hohlprofile aufgrund ihrer Verbindung über ihre gesamte Länge insbesondere hinsichtlich Biegung und Torsion als Einheit belastet werden. Die Verhältnisse von Breite zur Höhe der einzelnen Hohlprofile sind bei diesem bekannten Längsträger regelmäßig größer, zum Teil sogar wesentlich größer als 1. Deshalb dürfte bei einem solchen Längsträger die Gefahr bestehen, dass im Crashfall eine freie Faltenbildung behindert wird, indem die Falten gegenüberliegender Seiten aneinander stoßen.
• Neben solchen Längsträgern, deren Hohlprofile eine funktionale Baueinheit bilden, ist eine Längsträgerstruktur mit einer doppelten Längsträgerebene mit jeweils kompakten und mit Abstand voneinander angeordneten Einzelprofilen bekannt (Stahl und Eisen 121 (2001) Nr. 7, Seiten 36 und 37). Bei einer solchen Längsträgerstruktur werden im Falle eines Frontalcrashs aber auch schon bei einer einfachen Biegebelastung die als Hohlprofile ausgebildeten Einzelprofile unabhängig voneinander belastet, weil im Gegensatz zu dem vorbeschriebenen Längsträger mangels Verbindung der Einzelprofile untereinander keine wechselseitige Unterstützung stattfinden kann. Das bedeutet, dass jedes Einzelprofil für die maximal auftretende Belastung ausgelegt sein muss, was üblicherweise mit einer dickeren Wandstärke der Einzelprofile umgesetzt wird. Deshalb stellt dieser vorbekannte Längsträger mit doppelter Längsträgerebene kein Tragelement dar, dessen Hohlprofile eine funktionale Baueinheit bilden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Längsträger für Fahrzeuge in Leichtbauweise zu schaffen, der folgende Eigenschaften aufweist:
• a) Der Längsträger hat ein geringeres Gewicht als Längsträger nach konventionellem Konstruktionsprinzip.
• b) Der Längsträger hat eine Steifigkeit, insbesondere Biegesteifigkeit, die mindestens so groß ist wie die der Längsträger nach konventionellem Konstruktionsprinzip.
• c) Der Längsträger hat ein größeres Energieaufnahmevermögen im Crashfall als die Längsträger nach konventionellem Konstruktionsprinzip.
• d) Der Längsträger beansprucht keinen größeren Bauraum als Längsträger nach konventionellem Konstruktionsprinzip.
• Unter "Längsträger nach konventionellem Konstruktionsprinzip" wird ein Längsträger verstanden, der aus einem geschlossenen Profil besteht, welches eine Höhe b₀ aufweist, die deutlich größer ist als seine Breite a₀, in der Regel um einen Faktor 2-3. Das geschlossene Profil kann aus zwei miteinander an Fügeflanschen verbundenen Profilhälften bestehen (sogenannte Schalenbauweise), es kann sich aber auch um ein geschlossenes Profil ohne Flansch handeln. Charakteristisch ist aber in jedem Fall die geometrische Bedingung "Höhe b₀ größer als Breite a₀". Der Grund dafür, dass konventionelle Längsträger diese Geometrie haben, ist die hohe Biegesteifigkeit, die ein solches Profil um eine zu seiner Längsachse senkrechte Achse aufweist.
• Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Längsträger der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die Hohlprofile jeweils ein Breiten-/Höhenverhältnis a_1,2/b_1,2 ≈ 1 haben und mit Abstand voneinander unter Bildung eines Freiraums angeordnet und an ihren beiden Enden formsteif miteinander verbunden sind. Insbesondere sollte die Gesamthöhe des Längsträgers gegenüber der Höhe eines jeden Hohlprofils viel größer sein.
• Der erfindungsgemäße Längsträger hat bei gleichen Außenabmessungen wie ein Längsträger nach konventionellem Konstruktionsprinzip eine mindestens gleiche Biegesteifigkeit, so dass er die Tragfunktion voll erfüllen kann. Er erfüllt aber auch die Stabilitätskriterien "Faltungskompatibilität" und "Kompaktheit" dadurch, dass jedes Einzelprofil diese Kriterien erfüllt. Aufgrund der Dimensionierung können sich im Crashfall alle Einzelprofile unbehindert auffalten. Dadurch ist im Crashfall eine maximale Energieaufnahme gewährleistet. Allein aufgrund der neuen geometrischen Gestaltung und Dimensionierung des Längsträgers ergibt sich ein Gewichtseinsparungspotential von 20%.
• Als formsteife Verbindung zwischen den Hohlprofilen dienen stirnseitig und/oder seitlich angebrachte Platten und/oder Bleche. Andere angrenzende Bauteile können aber auch die formsteife Verbindung bilden.
• Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:
• 1 einen Längsträger einer Tragstruktur eines Fahrzeuges aus zwei eine funktionale Baueinheit bildenden Hohlprofilen in Seitenansicht und schematischer Darstellung und mit zugehörigen Querschnitten,
• 2. zwei an eine Fahrgastzelle angeschlossene Längsträger gemäß 1 als Teil einer Tragstruktur eines Fahrzeuges in Space-Frame-Bauart in perspektivischer Darstellung mit verschiedenen zugehörigen Querschnitten,
• 3 zwei an eine Fahrgastzelle angeschlossene Längsträger gemäß 1 als Teil einer Tragstruktur eines Fahrzeuges in Space-Frame- Bauart in perspektivischer Darstellung in einer zu 2 anderen Ausführung mit verschiedenen zugehörigen Querschnitten und
• 4 eine Gegenüberstellung eines erfindungsgemäßen Längsträgers und eines Längsträgers nach konventionellem Konstruktionsprinzip in schematischer Darstellung und im Querschnitt.
• Der erfindungsgemäße Längsträger 1, 2, 3, 4 ist Teil einer Tragstruktur T eines Fahrzeuges in Space-Frame-Bauart , von der in 2 und 3 auch Teile der Fahrgastzelle dargestellt sind.
• Jeder Längsträger 1, 2, 3, 4 besteht aus zwei mit Abstand voneinander angeordneten, parallel zueinander verlaufenden Hohlprofilen 1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b aus Stahlblech. Beide Hohlprofile 1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b sind an ihren Enden formsteif miteinander verbunden, so dass sie eine funktionale Einheit bilden. In 4 sind diese formsteifen Verbindungen schematisch als Anschlussteile 1c, 1d dargestellt. Sie können verschiedenartig gestaltet sein, insbesondere können sie stirnseitige oder seitliche Platten/Bleche sein. In die formsteifen Verbindungen können aber auch die anschließende Tragstruktur T einbezogen werden, wie die 2 und 3 zeigen. Als Verbindungstechniken kommen alle herkömmlichen Techniken in Betracht, beispielsweise eine Schweiß- oder Lötverbindung, eine Schraubverbindung, eine Klebeverbindung oder eine Nietverbindung. Entscheidend ist, dass solche Verbindungen die Hohlprofile 2, 3 formsteif miteinander verbinden.
• Die in beiden Ausführungsbeispielen der 2 und 3 dargestellten vorderen Enden der Hohlprofile 1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b sind über stirnseitige Platten/Bleche 5, 6, 7, 8 verbunden. Während beim Ausführungsbeispiel der 2 die hinteren Enden einerseits überlappend an Hohlprofilen der Tragstruktur T der Fahrgastzelle stoffschlüssig, insbesondere über Lötverbindungen angeschlossen sind, sind sie andererseits über seitliche Platten/Bleche 9a, 9b, 10a, l0b miteinander formsteif verbunden. Beim Ausführungsbeispiel der 3 sind die hinteren Enden überlappend mit dem steifen Hohlprofil der Tragstruktur T der Fahrgastzelle und darüber auch miteinander formsteif verbunden.
• In 4 ist ein von einem einzigen Hohlprofil gebildeter Längsträger nach konventionellem Konstruktionsprinzip einem erfindungsgemäßen Längsträger gegenübergestellt, der aus zwei beabstandeten, eine funktionale Baueinheit bildenden Hohlprofilen 1a, 1b besteht. Der konventionelle Längsträger ist in Schalenbauweise hergestellt, d.h. dass seine beiden Schalen 11, 12 über Flansche 11a, 11b, 12a, 12b miteinander verbunden sind. Wie die Gegenüberstellung zeigt, haben beide Längsträger die gleichen Außenmaße, nämlich die Breite a₀ = a₁ = a₂. Die Höhe des herkömmlichen Längsträgers über alles beträgt b₀ = b + 2'c. Beim erfindungsgemäßen Längsträger ist die Höhe über alles identisch und beträgt b₀ = b₁ + b₂ + d mit d = Höhe des Freiraums zwischen den beiden Hohlprofilen 1a, 1b. Vorzugsweise sind b₁ ≈ b₂ und d = 0, 5 b₁ bis 1, 0 b₁. Für das Höhen/Breitenverhältnis gilt also a₀/b₀ < 1 insbesondere a₀/b₀ « 1, wobei unter „«" ein Faktor von mindestens „2" in der Regel zwischen „2" und „3" verstanden wird. Am Ende der Beschreibung sind zu diesen Längsträgern zwei Gegenüberstellungen für bestimmte Dimensionierungen gegeben. Beim Beispiel 1 ist als Werkstoff für den erfindungsgemäßen Längsträger der höherfeste Stahl DP-K 34/60 mit einer Dehngrenze R_p0,2 = 340 N/mm² für den erfindungsgemäßen Längsträger betrachtet worden, während der Vergleichslängsträger herkömmlicher Bauart aus ZStE 300 (Dehngrenze R_p0,2 = 300 N/mm²) bestand. Die Wanddicke der Einzelprofile wurde gegenüber dem herkömmlichen Längsträger um etwa 25,93% von 1,35 mm auf 1,00 mm verringert. Die für die Kraftübertragung durch den Längsträger relevante freie Schnittfläche A (im Beispiel 1 "Querschnittsfläche" genannt) beträgt bei dem erfindungsgemäßen Längsträger nur A = 496 mm², während sie bei dem herkömmlichen Längsträger A = 623,7 mm² beträgt. Da die Masse der Längsträger proportional zu ihrer freien Schnittfläche ist (Masse = p × L × A, mit p × L = const.), kann aus dem Vergleich dieser Werte bestimmt werden, dass der erfindungsgemäße Längsträger nur 79,5% der Masse des herkömmlichen Längsträgers besitzt, somit also eine Gewichtseinsparung von 20,5 realisiert werden konnte.
• Die Werte für die Kraft F_m zeigen, dass die im Crashfall absorbierte Energiemenge bei dem erfindungsgemäßen Längsträger deutlich größer ist als bei dem herkömmlichen Längsträger. Dieser Vergleich lässt sich anhand der Werte für F_m anstellen, weil die absorbierte Energie proportional ist zu der Kraft F_m, die sich aus der Formel F_m = σ_m × A berechnet, wobei σ_m die im Längsträger wirksame durchschnittliche Spannung ist

  

  Der Wert σ_m ist einerseits werkstoffabhängig (höherfeste Stähle weisen wesentlich größere σ_m-Werte auf als herkömmliche Längsträger-Stähle), andererseits ist σ_m auch abhängig von der Geometrie des Längsträgers bzw. der Einzelprofile.
• Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung ausschließlich in der geometrischen Gestaltung des neuen Längsträgers liegt. Es kann aber eine weiterreichende Gewichtseinsparung über die Auswahl der Festigkeit des Werkstoffes erzielt werden, so wie in dem vorstehenden Beispiel 1 erläutert. Allerdings lassen sich deutliche Gewichtseinsparungen auch schon erzielen, wenn derselbe Werkstoff wie beim Stand der Technik ausgewählt wird. Dazu wird auf das Beispiel 2 verwiesen.
• Beispiele

  
• Beispiel 1

  
• Beispiel 2

  

Claims (2)

1. Längsträger als Teil einer Tragstruktur eines Fahrzeuges, der vor und/oder hinter der Fahrgastzelle des Fahrzeuges angeordnet ist und dessen Breiten/Höhenverhältnis (a₀/b₀) < 1 ist und der von mindestens zwei im wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Hohlprofilen (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) gebildet ist, wobei die Hohlprofile (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) jeweils ein Breiten- /Höhenverhältnis (a_1,2/b_1,2) ungefähr 1 haben und mit Abstand voneinander angeordnet sind, dadurh gekennzeichnet, dass die beiden Hohlprofile (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) an ihren beiden Enden formsteif miteinander verbunden sind, wobei sie zwischen sich und ihren formsteif miteinander verbundenen Enden einen Freiraum bilden.
2. Längsträger nach Anspruch 1, dadurh gekennzeichnet, dass die Gesamthöhe (b₀) des Längsträgers gegenüber der Höhe (b₁,₂) eines jeden Hohlprofils (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) um mindestens den Faktor zwei größer ist.