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Die
Erfindung betrifft eine Tragstruktur für einen Personenkraftwagen
mit den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Es
zählt durch
die
DE 298 00 768
U1 ein Vorderwagen für
einen Personenkraftwagen zum Stand der Technik, bei welchem die
Längsträger eines
aus an die Stirnwand einer formsteifen Mittelzelle angeschlossenen
Hilfsrahmens mit vorgezeichneten Sollknickstellen ausgestattet sind.
Die Sollknickstellen können
z. B. nach außen
gerichtete Ausprägungen, Freischnitte
oder Faltungen sein. Diese Konstruktion soll einen optimalen Abbau
von Aufprallenergie gewährleisten
und andererseits bei einem Frontalaufprall des Fahrzeugs ein Eindringen
des Antriebsaggregats in den Fahrgastraum ausschließen.
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Die
DE 196 39 565 C1 beschreibt
ein Kraftfahrzeug mit einer Karosseriestruktur, bei welcher die Fahrgastzelle
wenigstens eine in die Karosserietragstruktur eingebundene und ebenfalls
in Fahrzeuglängsrichtung
wirksame mittlere Knautschzone aufweist. Die Knautschzone kann insbesondere
auf Höhe
der Bodenstruktur der Fahrgastzelle vorgesehen sein. Diese mittlere
Knautschzone kann durch Schwächungen
an definierten Stellen der Bodenstruktur, z. B. an den Schwellern
oder dem Mitteltunnel, ausgebildet sein. Es können z. B. mehrere in Fahrzeuglängsrichtung
hintereinander liegende Deformationssicken vorhanden sein, die bei
einem Crash energieabsorbierend wirken.
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Mit
der
EP 0 602 331 B1 zählt ein
Kraftfahrzeug mit bei Kollision leicht deformierbaren Längsträgern zum
Stand der Technik. Ein ähnlicher
Ansatz ist Gegenstand der
DE
198 11 781 B4 . Dort wird eine Karosseriestruktur für ein Kraftfahrzeug
mit mehre ren fest zusammengefügten
kraftübertragenden
Bauteilen beschrieben, von denen wenigstens eines mehrschalig ausgeführt ist.
Wenigstens eine innere dem Innenraum des Kraftwagens zugewandte
Teilschale des mehrschaligen Bauteils ist mit einer regelmäßigen Lochung
versehen, wobei die innere Teilschale des mehrschaligen Bauteils
aus einem Lochhalbzeug hergestellt ist und sich die Lochung über die
gesamte Fläche
des Halbzeugs der inneren Teilschale bis in die Fügestellen
der inneren Teilschale erstreckt. Durch die Lochung ergibt sich
zu einem Anfangszeitpunkt einer plastischen Verformung ein reduzierter
Deformationswiderstand des Bauteils gegenüber der nicht gelochten Ausführung, wodurch eine
vergleichmäßigte Deformation
erzielt wird.
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Sicherheitsrelevante
Karosseriekomponenten von Kraftfahrzeugen, insbesondere solche der Fahrgastzelle,
sind häufig
werkzeugvergütete
Formbauteile mit angepassten Werkstoffeigenschaften. Grundsätzlich wird
angestrebt, Karosserien steifer, leichter und kostengünstiger
zu gestalten, wobei hochfeste Stahlwerkstoffe zum Einsatz kommen. Durch
die fertigungstechnisch bedingte Umformung gewinnt das Stahlblech
zwar zusätzlich
an Festigkeit, allerdings geht in der Regel ein Verlust an Duktilität einher,
was sich nachteilig auf das Crashenergie-Aufnahmevermögen auswirkt.
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Hiervon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Tragstruktur
für einen
Personenkraftwagen aufzuzeigen, welche ein definiertes Crashenergie-Aufnahmevermögen besitzt,
selbst wenn sehr feste Werkstoffe mit geringer Duktilität und großer Härte zum
Einsatz kommen.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Tragstruktur mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Es
ist eine Spritzwand aus einem hochfesten oder höchstfesten Werkstoff vorgesehen.
Die Spritzwand zwischen Fahrgastzelle und Vorderwagen bildet zumindest
für die
oberen Längsträger ein
zusätzliches
Widerlager mit hohem Verformungswiderstand. Die in die Spritzwand
eingeleitete Anprallkraft kann dadurch z. B. in den Mitteltunnel
eingeleitet werden, wobei sowohl die Längsträger als auch der Tunnel in
gewisser Weise als Federelement mit zwischengeschalteter Spritzwand
dienen.
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Obwohl
eine Fahrgast- oder auch Sicherheitszelle grundsätzlich eine hohe Steifigkeit
besitzen muss, um die Insassen schützen zu können, kann beim Stahlleichtbau
unter Verwendung von hochfesten Materialien die Situation entstehen,
dass stark belastete Komponenten, insbesondere im Bereich des Mitteltunnels,
eine zu geringe Duktilität
besitzen, was sich hinsichtlich des Crashenergie-Aufnahmevermögens bei
einem Frontalanprall negativ auswirken kann. Zwar muss im Mitteltunnel
grundsätzlich
eine relativ hohe Steifigkeit besitzen, um insbesondere eine hinreichende
Widerstandskraft gegen das Eindringen des Antriebsaggregats bei
einem Frontalaufprall aufbringen zu können, allerdings kann die bei
einem Frontalanprall gewünschte
Deformationscharakteristik der Vorderwagenstruktur des Personenkraftwagens
nur dann erreicht werden, wenn die dem Vorderwagen benachbarten
Abschnitte der Fahrgastzelle und insbesondere des Mitteltunnels auf
das Deformationsvermögen
des Vorderwagens bestimmt sind. Eine im Bereich der Spritzwand ausgebildete
extrem starre Ausbildung des Mitteltunnels könnte sogar kontraproduktiv
sein und zu unerwünscht
hohen Verzögerungswerten
der Insassen bei einem Unfall führen.
Es kommt folglich wesentlich darauf an, dass der Verformungswiderstand
im dem vorderen Waren benachbarten Längenabschnitt des Mitteltunnels
auf die Tragstruktur des Vorderwagens abgestimmt ist. Daher ist
gemäß den Merkmalen
des Patentanspruchs 2 auch vorgesehen, dass auch die Längsträger wenigstens
einen Deformationsbereich mit reduziertem Verformungswiderstand
aufweisen. Vorzugsweise sind sowohl im Bereich der Längsträger als
auch im Bereich des Mitteltunnels mehrere im Abstand zueinander
angeordnete Deformationsbereiche vorgesehen (Patentanspruch 3).
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Deformationsbereich
im Sinne der Erfindung ist ein Längenabschnitt
des Mitteltunnels bzw. eines Längsträgers, der
als Sollknickstelle konfiguriert ist, wobei insbesondere eine verringerte
Härte des
Werkstoffs einem reduzierten Verformungswiderstand gleichzusetzen
ist.
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Grundsätzlich soll
im Rahmen der Erfindung das Crashenergie-Aufnahmevermögen durch
die Bereiche unterschiedlicher Härte
verbessert werden. Zusätzlich
ist es möglich,
mit geometrischen Veränderungen
Sollbiegestellen zu schaffen. In diesem Zusammenhang ist gemäß Patentanspruch
4 vorgesehen, dass die Deformationsbereiche jeweils zumindest eine
Sicke aufweisen. Sicken im Sinne der Erfindung sind aus einer ebenen
Fläche
herausragende nach innen oder außen gerichtete Ausprägungen,
die gemäß den Merkmalen
des Patentanspruchs 5 sowohl an den Längsseiten als auch an der Oberseite des
Mitteltunnels ausgebildet sein können.
Dadurch kann der Mitteltunnel eine wellenartige Oberflächenstruktur
besitzen (Patentanspruch 6). Eine solche wellenartige Oberflächenstruktur
in Kombination mit einem ohnehin reduzierten Verformungswiderstand in
derart definierten Deformationsbereich ermöglicht eine zwar hinreichend
biegesteife Ausbildung des Mitteltunnels, wobei dennoch die gewünschte Stauchung
des Mitteltunnels möglich
ist, um das angestrebte Crashenergie-Aufnahmevermögen bzw.
die angestrebte Verzögerungscharakteristik
zu realisieren.
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Gemäß Patentanspruch
7 besteht der Mitteltunnel aus einem härtbaren Stahl, wobei die Deformationsbereiche
ein anderes Werkstoffgefüge
besitzen, als die den Deformationsbereichen benachbarten Längenabschnitte.
Das unterschiedliche Werkstoffgefüge führt zu unterschiedlichen Festigkeiten bzw.
abweichenden Verformungswiderständen.
Die unterschiedliche Gefügestruktur
wird gemäß den Merkmalen
des Patentanspruchs 8 insbesondere dadurch erreicht, dass die Härte der
Deformationsbereiche mittels eines einen Wärmeeintrag bewirkenden Verfahrens
herabgesetzt und/oder die Härte
der den Deformationsbereichen benachbarten Längenabschnitte mittels eines
eine Härtung
bewirkenden Verfahrens erhöht
ist. Die spezielle Vergütung
des Mitteltunnels erfolgt vorzugsweise bereits im Umformwerkzeug.
Hier können
gezielt diejenigen Bereiche, die eine reduzierte Festigkeit besitzen
sollen bzw. beibehalten sollen, von einem Härtevorgang ausgenommen werden.
Durch numerische Berechnungen kann vorab bestimmt werden, welche
Abschnitte des Mitteltunnels mit entsprechend großer Härte ausgestaltet
sein sollen und welche nicht. Im Umformwerkzeug kann eine gezielte
sehr schnelle Abkühlung
beispielsweise durch einen Wasserstrahl oder durch einen Wassernebel
vorgenommen werden, um eine gezielte Härtung von partiellen Bereichen
zu erzielen. Eine partielle Erweichung bzw. Herabsetzung des Verformungswiderstands
ist ebenso möglich,
um im Ergebnis Bereiche unterschiedlicher Festigkeit bzw. unterschiedlicher
Härte zu
erzielen.
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Vorzugsweise
kommen bei dem Mitteltunnel der erfindungsgemäßen Tragstruktur höherfeste
oder höchstfeste
Stähle
zum Einsatz, wobei die Festigkeit vorzugsweise über 800 N/mm2,
insbesondere über 1000
N/mm2 und insbesondere über 1200 N/mm2, liegt.
Dahingegen soll die Festigkeit der Deformationsbereiche gegenüber den
zuvor genannten Werten auf weniger als 70% reduziert sein.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist in den Ausführungsformen
der Patentansprüche 10
bis 13 vorgesehen, dass auch die Längsträger aus einem härtbaren
Stahl bestehen und Bereiche mit voneinander abweichenden Werkstoffgefügen besitzen.
Die unterschiedlichen Werkstoffgefüge sind ebenso wie bei dem
Mitteltunnel mittels eines einen Wärmeeintrag bewirkenden Verfahrens
erzeugt und/oder mittels eines eine Härtung bewirkenden Verfahrens.
Um die Verformungscharakteristik des Vorderwagens an die des benachbarten
Mitteltunnelabschnitts anzupassen, kann die Festigkeit der Deformationsbereiche
der Längsträger ebenfalls
auf weniger als 70% der Festigkeit der übrigen Längenabschnitte der Längsträger herabgesetzt
sein. Auch für
die Längsträger können hochfeste
und höchstfeste
Stahlwerkstoffe zum Einsatz kommen. In der Ausführungsform des Patentanspruchs
13 besitzen auch die Längsträger in den
Deformationsbereichen Sicken.
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Die
erfindungsgemäße Tragstruktur
für einen Personenkraftwagen
verbindet die Vorteile des Stahlleichtbaus unter Verwendung von
hochfesten Stählen
mit der Möglichkeit,
Crashenergie gezielt aufnehmen zu können, um dadurch eine gewünschte Deformationscharakteristik
zu erzielen. Wesentliches Element ist die Schaffung von Deformationsbereichen an
dem Mitteltunnel, wobei die Kombination mit entsprechend gestalteten
Längsträgern im
Vorderwagenbereich als besonders vorteilhaft angesehen wird.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der schematischen Darstellung näher erläutert. Die
perspektivische Darstellung zeigt eine Tragstruktur 1 für einen
Personenkraftwagen, wobei lediglich der vordere untere Bereich einer
Fahrgastzelle sowie die tragenden Elemente des Vorderwagens 2 dargestellt sind.
Neben sich in Längsrichtung
des Personenkraftwagens erstreckenden unteren Längsträgern 3, 4 sind
bei diesem Ausführungsbeispiel
obere Längsträger 5, 6 vorgesehen,
die an einer Spritzwand 7 abgestützt sind. Die Spritzwand 7 trennt
die Fahrgastzelle 8 von dem Vorderwagenbereich 2.
Die oberen und unteren Längsträger 3, 4, 5, 6 sind
mit mehreren im Abstand zueinander angeordneten Deformationsbereichen 9 versehen,
die in dieser Darstellung lediglich durch die Geometrie der Sicken 10 zu
erkennen sind.
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Grundsätzlich ist
jeder Deformationsbereich 9 durch einen reduzierten Verformungswiderstand, das
heißt
durch eine reduzierte Härte
gekennzeichnet, wobei die dargestellten Sicken 10 zusätzlich vorgesehen
sein können.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
sind die Längsträger 3, 4, 5, 6 als
Hohlprofile konfiguriert mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt.
Die Deformationsbereiche 9 und damit auch die Sicken 10 sind
sowohl an den Längsseiten 11 als
auch an der Oberund Unterseite 12, 13 der Längsträger 3, 4, 5, 6 ausgebildet.
Dadurch besitzen die Längsträger 3, 4, 5, 6 in
gewisser Weise eine Wellenstruktur, die ein definiertes Crashenergie-Aufnahmevermögen schafft.
Diese Wellenstruktur setzt sich an den unteren Längsträgern 3, 4 bis
hinter die Spritzwand 7 fort, und zwar etwa so weit, wie
auch an dem sich im Mittellängsbereich
der Fahrgastzelle 8 erstreckenden Mitteltunnel 14 Deformationsbereiche 15 vorgesehen sind.
Die Deformationsbereiche 15 sind am Mitteltunnel 14 optisch
durch zusätzliche
Sicken 16 zu erkennen, die in diesem Ausführungsbeispiel
sowohl an den Längsseiten 17 als
auch an der Oberseite 18 des Mitteltunnels 14 angeordnet
sind. Dadurch besitzt der Mitteltunnel 14 ebenfalls in
gewisser Weise eine wellenartige Strukturierung. Der Mitteltunnel 14 ist zum
Vorderwagen 2 hin durch die Spritzwand 7 begrenzt,
die auch als Feuerwand dient. Er ist im Wesentlichen rechteckig
konfiguriert und verläuft
im Bereich zur Spritzwand 7 im vertikalen Abstand zu den unteren
Längsträgern 3, 4 bzw.
zum Bodenblech 19 der Fahrgastzelle 8.
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- 1
- Tragstruktur
- 2
- Vorderwagen
- 3
- unterer
Längsträger
- 4
- unterer
Längsträger
- 5
- oberer
Längsträger
- 6
- oberer
Längsträger
- 7
- Spritzwand
- 8
- Fahrgastzelle
- 9
- Deformationsbereich
v. 3, 4, 5, 6
- 10
- Sicken
v. 9
- 11
- Längsseiten
v. 3, 4, 5, 6
- 12
- Oberseite
v. 3, 4, 5, 6,
- 13
- Unterseite
v. 3, 4, 5, 6
- 14
- Mitteltunnel
- 15
- Deformationsbereich
V. 14
- 16
- Sicken
in 15
- 17
- Längsseite
v. 14
- 18
- Oberseite
v. 14
- 19
- Bodenblech
v. 8