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Die Erfindung betrifft einen Bodenquerträger an Kraftfahrzeugen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es ist bekannt, Tragwerkstrukturen für Kraftfahrzeuge, insbesondere Personenkraftwagen, in einer differentiellen Schalenbauweise aus Stahlblech zu fertigen. Die Karosserie bildet dabei ein selbst tragendes, räumliches Tragwerk aus unterschiedlichen, meist offenen Profil- sowie Flächenelementen. Diese Elemente sind punktuell und/oder linienförmig mit Hilfe von Fügeverfahren, wie dem Schweißen oder Kleben, stoffschlüssig und/oder vermittels an sich bekannter mechanischer Befestigungsmittel miteinander verbunden.
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Bodenquerträger derartiger Tragwerkstrukturen sind überwiegend als Hutprofil ausgebildet und werden mit dem Bodenblech und etwaigen weiteren Bauteilen oder Baugruppen, wie Seitenlängsträgern, auch als Schweller bezeichnet, einem Mitteltunnel, Säulenelementen der Kraftfahrzeugkarosserie und dgl. mehr verbunden.
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Im Falle beispielsweise eines Seitencrashes neigen diese jedoch zum unkontrollierten Kollabieren, welchem herkömmlich durch diverse Versteifungen und größere Materialstärken begegnet wird. Dieses führt jedoch in nachteiliger Weise zu erhöhtem Gewicht und demgemäß erhöhten Kosten.
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Im Hinblick auf immer weiter steigende Sicherheitsanforderungen sowie auf Bestrebungen, aus ökologischen Gründen das Fahrzeug leichter zu bauen, sind neue Maßnahmen zu finden, die besagten Anforderungen und Bestrebungen gerecht werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es demgemäß, einen Bodenquerträger zu schaffen, der im Hinblick auf herkömmliche Bodenquerträger bei verbesserter Energieabsorption im Falle eines Seitencrashes respektive einer Krafteinwirkung „F“ in Fahrzeugquerrichtung leichter baut und kostengünstiger herstellbar ist.
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Der Bodenquerträger ist durch zumindest ein, vorzugsweise zwei oder mehrere in Fahrzeugquerrichtung nacheinander und/oder in Fahrzeughochrichtung übereinander angeordnete und fest miteinander verbundene Kastenprofilsegmente mit zumindest in Fahrzeuglängsrichtung weisenden Profilwandungen gebildet. Durch diese Maßnahme ist eine erhebliche Kostensenkung zu verzeichnen, da einfache im Querschnitt geschlossene Profile Verwendung finden, die obendrein zu einer Verbesserung sowohl der Struktursteifigkeit des Bodenquerträgers selbst als auch der angeschlossenen Bauteile und Baugruppen führen.
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Erfindungsgemäß weist zumindest das am Seitenlängsträger angeschlossene Kastenprofilsegment im Inneren zusätzliche Verformungsenergie aufbrauchende Profilgeometrien auf. Diese sind aus nach innen weisenden Halbbögen, die sich ihrerseits jeweils von einer Innenkante des Kastenprofilsegmentes oder nahe derselben zur benachbarten Innenkante oder in die Nähe derselben erstrecken, gebildet und endseitig an den Profilwandungen festgelegt. Weiter ist der an den Seitenlängsträger angeschlossenen vertikalen Profilwandung und den beiden horizontalen Profilwandungen jeweils wenigstens eine Verformungsenergie aufbrauchende Profilgeometrie zugeordnet. Die Profilgeometrien sind ferner derart ausgebildet und angeordnet, dass dieselben infolge einer Krafteinwirkung „F“ in Fahrzeugquerrichtung auf den Bodenquerträger aufeinander zu bewegbar sind. Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Profilgeometrien derart ausgebildet und angeordnet sind, dass zwischen denselben in ihrer Ausgangs- respektive Normalstellung ein Freiraum gebildet ist, der seinerseits wenigstens teilweise von einem verformbaren und energieabsorbierenden Material oder Hohlkörper ausgefüllt ist. Das energieabsorbierende Material kann durch einen verformbaren Schaumkörper oder verformbare Hohlkugeln oder durch einen Körper aus einem Elastomer gebildet sein. Was den Schaumkörper und die Hohlkugeln anbelangt, können diese aus Kunststoff oder Metall bestehen. Der Bodenquerträger selbst besteht vorzugsweise aus Stahl oder Leichtmetall. Weiterhin ist vorgesehen, dass der Bodenquerträger einstückig ausgebildet oder aus einer Mehrzahl von separat gefertigten Kastenprofilsegmenten und/oder einer Mehrzahl von Platinenelementen zusammengesetzt ist, wobei die einzelnen Kastenprofilsegmente ihrerseits ebenfalls einstückig ausgebildet oder aus einer Mehrzahl von Platinenelementen zusammengesetzt sein können. Fernerhin wird im Sinne der Erfindung vorgeschlagen, dass die Mehrzahl von Kastenprofilsegmenten und/oder die Platinenelemente untereinander durch Schweißung und/oder Klebung und/oder vermittels an sich bekannter mechanischer Befestigungsmittel verbunden sind. Wie die Erfindung noch vorsieht, ist das Verformungsverhalten des Bodenquerträgers in weiten Grenzen und in Abhängigkeit von der besonderen Ausbildung, Anordnung, Anzahl, Materialwahl und/oder -stärke der Profilgeometrien und/oder Kastenprofilsegmente und/oder der Wahl des verformbaren und energieabsorbierenden Materials oder Hohlkörpers und/oder anderem einstellbar. In Weiterbildung der Erfindung kann der Bodenquerträger sich auch von einem Seitenlängsträger / Schweller zum gegenüberliegenden Seitenlängsträger / Schweller erstrecken, wobei im mittleren Bereich desselben ein Mitteltunnelsegment ausgebildet sein kann, welches in Fahrzeuglängsrichtung an einen ein Kastenprofil aufweisenden Mitteltunnel angeschlossen ist. Der Bodenquerträger kann durch einen Sitzquerträger, einen vorderen, einen hinteren oder jeglichen anderen an sich bekannten Bodenquerträger an Kraftfahrzeugen gebildet sein. Wie die Erfindung schließlich noch vorsieht, kann der Bodenquerträger in eine Doppelbodenstruktur eines Boden-Mittelteils integriert sein, woraus eine besonders hohe Struktursteifigkeit des gesamten Kraftfahrzeugbodens resultiert.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
- 1 die Bodenstruktur eines Kraftfahrzeugs nach dem Stand der Technik in einer Schnittansicht in Fahrzeugquerrichtung mit einem herkömmlichen Bodenquerträger in Form eines Sitzquerträgers,
- 2 ein erfindungsgemäß ausgebildeter Bodenquerträger nach einer ersten möglichen Ausführungsform, hier in Form eines Sitzquerträgers integriert in eine Bodenstruktur eines Kraftfahrzeugs,
- 3 ein ausgewähltes Kastenprofilsegment des Bodenquerträgers nach 2 in Normalstellung befindlich,
- 4 das Kastenprofilsegment nach 3 äußerst schematisch im deformierten Zustand infolge einer Krafteinwirkung „F“ auf dasselbe in Fahrzeugquerrichtung,
- 5 der Bodenquerträger nach 2 mit einer Fahrzeugsitzanordnung,
- 6 die perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten Bodenquerträgers gem. einer weiteren möglichen Ausführungsform; in Alleinstellung gezeigt, und
- 7 ein Boden-Mittelteil einer Bodenstruktur mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Bodenquerträger nach 6 in einer Explosionsdarstellung.
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1 zeigt die Bodenstruktur eines Kraftfahrzeugs nach dem Stand der Technik in einer Schnittansicht in Fahrzeugquerrichtung mit einem herkömmlichen Bodenquerträger 1 in Form eines Sitzquerträgers, der seinerseits als Hutprofil ausgebildet und auf das Bodenblech aufgesetzt und mit diesem durch Schweißung verbunden ist. Ferner ist der Bodenquerträger 1 an einen auch als Schweller bezeichneten Seitenlängsträger 2, der sich seinerseits aus einer Mehrzahl von einzelnen Schalenelementen zusammensetzt und u. a. ein Sitzschienenelement 3 aufnimmt, sowie an einem Mitteltunnel 4 mit einem weiteren Sitzschienenelement 3 angeschlossen. Diese an sich bekannte Bodenstruktur ist herkömmlich in Schalenbauweise ausgeführt, wobei fahrzeugspezifisch umfangreicher Fertigungs- und Montageaufwand zu verzeichnen ist.
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Wie oben bereits dargetan, neigen derartige Bodenquerträger 1 im Falle beispielsweise eines Seitencrashes zum unkontrollierten Kollabieren, welchem herkömmlich durch diverse Versteifungselemente und größere Materialstärken begegnet wird. Dieses führt jedoch zu erhöhtem Gewicht und demgemäß erhöhten Kosten.
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Der erfindungsgemäß ausgebildete Bodenquerträger 5 unterscheidet sich gem. 2 zu einem Bodenquerträger 1 nach dem Stand der Technik (1) im Wesentlichen dahingehend, dass dieser durch zumindest ein, vorzugsweise zwei oder mehrere in Fahrzeugquerrichtung nacheinander und/oder in Fahrzeughochrichtung übereinander angeordnete und fest miteinander verbundene Kastenprofilsegmente 6, 7, 8 mit zumindest in Fahrzeuglängsrichtung weisenden Profilwandungen 9, 10 gebildet ist.
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Der Bodenquerträger 5 besteht vorzugsweise aus Stahl oder Leichtmetall, wie z. B. Aluminium, wobei er einstückig ausgebildet oder aus besagter Mehrzahl von separat gefertigten Kastenprofilsegmenten 6, 7, 8 und/oder einer Mehrzahl von Platinenelementen zusammengesetzt sein kann. Ebenso können einzelne Kastenprofilsegmente 6, 7, 8 einstückig ausgebildet oder aus einer Mehrzahl von Platinenelementen zusammengesetzt sein.
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Hinsichtlich einer einstückigen Fertigung des Bodenquerträgers 5 oder einzelner Kastenprofilsegmente 6, 7, 8 bietet sich beispielsweise das an sich bekannte und demgemäß nicht näher zu beschreibende Strangpress- respektive Stranggußverfahren an.
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Als Fügeverfahren haben sich herkömmliche stoffschlüssige Verfahren, wie Schweißen und/oder Kleben, bewährt. Jedoch können auch an sich bekannte mechanische Befestigungsmittel, wie Niete, Schrauben u. dgl. Verwendung finden.
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Schon allein durch die kastenförmige Profilstruktur des Bodenquerträgers 5 ist eine verbesserte statische Biege- und Torsionssteifigkeit bei gleichzeitig niedrigem Flächengewicht gegenüber herkömmlichen Bauweisen (Schalenbauweisen) zu verzeichnen.
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Das am Seitenlängsträger 1 angeschlossene Kastenprofilsegment 6 weist des Weiteren im Inneren zusätzliche Verformungsenergie aufbrauchende Profilgeometrien 11 auf, die ihrerseits durch nach innen weisende Halbbögen gebildet und an den Profilwandungen 9, 10 festgelegt sind. Die Halbbögen sind vorzugsweise ebenfalls aus Stahl oder Leichtmetall gefertigt, können jedoch auch aus Kunststoff oder anderen Werkstoffen bestehen. Sie erstrecken sich dabei jeweils von einer Innenkante des Kastenprofilsegmentes 6 oder nahe derselben zur benachbarten Innenkante oder in die Nähe derselben (2 und 3).
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Vorliegend sind Profilgeometrien 11, 12 sowohl an der an den Seitenlängsträger 2 angeschlossenen vertikalen Profilwandung 9 als auch an den beiden horizontalen Profilwandungen 10 vorgesehen.
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Die Profilgeometrien 11, 12 sind insoweit derart ausgebildet und angeordnet, dass dieselben infolge einer Krafteinwirkung „F“ in Fahrzeugquerrichtung auf den Bodenquerträger 5 aufeinander zu bewegbar sind.
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Anhand der 4 wird nachfolgend die Funktionsweise eines derart ausgebildeten Bodenquerträgers 5 respektive dessen besonders ausgebildeten Kastenprofilsegmentes 6 näher beschrieben.
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Gesetzt den Fall, es ist eine Krafteinwirkung „F“ in Fahrzeugquerrichtung auf den Bodenquerträger 5 bzw. dessen Kastenprofilsegment 6 beispielsweise infolge eines Seitencrashes zu verzeichnen, so verformt sich der-/dasselbe nach der Deformation des Seitenlängsträgers 2 folgendermaßen.
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Zunächst geht die Profilgeometrie 11 der vertikalen Profilwandung 9 in Form eines Halbbogens durch plastische Verformung bzw. Stauchung des Profils des Bodenquerträgers 5 auf Block zu den Profilgeometrien 12 der horizontalen Profilwandungen 10.
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Die Profilgeometrien 12 verschieben sich dabei energieverzehrend vertikal zu den horizontalen Profilwandungen 10 aufgrund aufeinander abgestimmter Steifigkeit der Profilgeometrien 11, 12 zu den korrespondierenden Profilwandungen 9, 10. Insoweit sind die Profilgeometrien 11, 12 mit einer geringeren Steifigkeit als die der Profilwandungen 9, 10 auszulegen, welches sicherlich für den Fachmann leicht nachvollziehbar ist. Eine solche Auslegung der Steifigkeit ist beispielsweise durch die Wahl der Materialstärke oder verschieden gewählte Werkstoffe für Profilwandungen 9, 10 und Profilgeometrien 11, 12 bewerkstelligbar.
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In vorteilhafter Weise ist infolge der oben beschriebenen Anordnung eine Umwandlung der Verformungsrichtung gem. dem gezeigten Koordinatensystem aus der y-Richtung (Fahrzeugquerrichtung) in die z-Richtung (Fahrzeughochrichtung) über die Bogengeometrie der Profilgeometrien 11, 12 zu verzeichnen, wobei freie Volumenbereiche 13 für die Deformation bzw. sogenannte „Überlebensräume“ vorgesehen sind. Bei einem Seitencrash wird somit die Eindringtiefe der Struktur ins Fahrzeuginnere verringert, woraus sich wiederum eine Reduzierung der Belastung der Fahrzeuginsassen ergibt.
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Wie insbesondere in den 3 und 4 weiter gezeigt, können die Profilgeometrien 11, 12 derart ausgebildet und angeordnet sein, dass zwischen denselben in ihrer Ausgangs- respektive Normalstellung ein Freiraum gebildet ist, der seinerseits wenigstens teilweise von einem verformbaren und energieabsorbierenden Material 14 oder Hohlkörper ausgefüllt ist.
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Werden die Profilgeometrien 11, 12 infolge besagter Krafteinwirkung „F“ aufeinander zu bewegt, treffen diese auf das energieabsorbierende Material 14 oder den Hohlkörper und verformen dasselbe/denselben unter weiterer Energieverzehrung, indem dieses/r in die vorerwähnten freien Volumenbereiche 13 ausweicht.
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Das energieabsorbierende Material 14 ist bevorzugt durch einen verformbaren Schaumkörper oder verformbare Hohlkugeln aus Kunststoff oder Metall, beispielsweise Aluminium, oder durch einen Körper aus einem an sich bekannten geeigneten Elastomer gebildet.
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Was den Hohlkörper anbelangt, kann dieser zur Energieverzehrung aus einer Vielzahl an sich bekannter und demgemäß durch die Erfindung mit erfasster geeigneter Werkstoffe bestehen, deren Aufzählung sicherlich den Rahmen der Beschreibung dieses Ausführungsbeispieles sprengen würde.
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Im Hinblick auf vorstehende Ausführungen besteht des Weiteren die Möglichkeit, das Verformungsverhalten des Bodenquerträgers 5 in weiten Grenzen und in Abhängigkeit von der besonderen Ausbildung, Anordnung, Anzahl, Materialwahl und/oder -stärke der Profilgeometrien 11, 12 und/oder Kastenprofilsegmente 6, 7, 8 und/oder der Wahl des verformbaren und energieabsorbierenden Materials 14 oder Hohlkörpers und/oder anderem einzustellen. D. h., es ist ein an eine etwaige Krafteinwirkung „F“ angepasster Steifigkeitsverlauf des Bodenquerträgers 5 erzielbar, wobei bei gleichzeitiger Gewichtsoptimierung der „Überlebensraum“ für Fahrzeuginsassen im Falle eines Seitencrashes länger erhalten bzw. gegenüber einer konventionellen Bauweise vergrößerbar ist.
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So ist es beispielsweise auch denkbar, nicht nur das äußere Kastenprofilsegment 6 mit Profilgeometrien 11, 12 zu versehen, sondern zur Fahrzeugmitte hin für weitere Kastenprofilsegmente 7, 8 Profilgeometrien 11, 12 in bestimmter Steifigkeitsabstimmung vorzusehen.
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Ebenso kann es z. B. angezeigt sein, im Bereich eines Fahrzeugsitzes 15, der seinerseits unmittelbar über dem äußeren Kastenprofilsegment 6 angeordnet ist (5), die Verformung des Kastenprofilsegmentes 6 in y-Richtung (Fahrzeugquerrichtung) derart einzustellen, dass durch eine gezielte Schwächung der äußeren Bereiche des Kastenprofilsegmentes 6, also links bzw. rechts neben dem jeweiligen Fahrzeugsitz 15, Kraft- bzw. Beschleunigungsspitzen gemindert werden können, um beispielsweise dadurch ein gezieltes seitliches Ausweichen vor starren Hindernissen, z. B. Pfählen, bei zunehmendem Eindringen derselben ins Kraftfahrzeug, zu ermöglichen.
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Vorstehendes Ausführungsbeispiel stellt auf einen Bodenquerträger 5 in Form eines Sitzquerträgers ab, der sich seinerseits von einem Seitenlängsträger 2 zu einem Mitteltunnel 4 erstreckt und an diese angeschlossen ist, wobei Seitenlängsträger 2 und Mitteltunnel 4 herkömmlich in Schalenbauweise hergestellt sein können.
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Durch die Erfindung mit erfasst sind jedoch jedwede Bodenquerträger 5 an einem Kraftfahrzeug. So z. B. auch vordere oder hintere Bodenquerträger 5, die dann erfindungsgemäß ausgebildet sein können (nicht näher dargestellt).
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Ebenso kann es angezeigt sein, einen durchgängigen Bodenquerträger 5 vorzusehen, der sich seinerseits von einem Seitenlängsträger 2 / Schweller zum gegenüberliegenden Seitenlängsträger 2 / Schweller erstreckt, wobei im mittleren Bereich desselben ein Mitteltunnelsegment 16 ausgebildet ist, welches vorzugsweise einen kastenprofilartigen Querschnitt aufweist. Dieses Mitteltunnelsegment 16 ist zweckmäßigerweise mit einem nicht näher gezeigten, jedoch ebenfalls ein Kastenprofil aufweisenden Mitteltunnel fest verbindbar ( 6).
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Schlussendlich ist festzustellen, dass sich ein erfindungsgemäß ausgebildeter Bodenquerträger 5 besonders vorteilhaft in eine Doppelbodenstruktur eines Boden-Mittelteils eines Kraftfahrzeugs integrieren lässt.
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Gem. der äußerst schematisch in der 7 gezeigten Explosionsdarstellung einer solchen Doppelbodenstruktur besteht diese im Wesentlichen aus sieben Bauteilen und kann beispielsweise nach einer Aluminium-Hybridbauweise ausgeführt sein.
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Der Darstellung ist insbesondere der räumliche Zusammenhang der Bauteile Unterboden 17, Seitenlängsträger 2, Bodenquerträger 5, Sitzschienenelemente 3 und oberes Bodenelement 18 ersichtlich. Ferner können im Sinne des Doppelbodenkonzeptes Fahrzeugkomponenten, wie eine Heizungs- und Belüftungsanlage 19, ein Tank 20 u. ä. in freien Zwischenräumen integriert sein.
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Bei der Umsetzung des Doppelbodenkonzeptes sind die Vorteile der Schalenbauweise, wie komplexe Geometrien, Leichtbaupotential bezogen auf die Steifigkeit mit den Vorteilen der Rahmenbauweise, wie kostengünstige Halbzeuge und komplexe Querschnittsgeometrien geschlossener Hohlprofile, vorteilhaft miteinander verbunden, welches in Ansätzen auch bereits der 2 zu entnehmen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bodenquerträger (Stand der Technik)
- 2
- Seitenlängsträger
- 3
- Sitzschienenelement
- 4
- Mitteltunnel
- 5
- Bodenquerträger
- 6
- Kastenprofilsegment
- 7
- Kastenprofilsegment
- 8
- Kastenprofilsegment
- 9
- Profilwandung
- 10
- Profilwandung
- 11
- Profilgeometrie
- 12
- Profilgeometrien
- 13
- freie Volumenbereiche
- 14
- energieabsorbierendes Material
- 15
- Fahrzeugsitz
- 16
- Mitteltunnelsegment
- 17
- Unterboden
- 18
- oberes Bodenelement
- 19
- Heizungs- und Belüftungsanlage
- 20
- Tank
- „F“
- Krafteinwirkung in y-Richtung (Fahrzeugquerrichtung)
