DE102006052992A1

DE102006052992A1 - Rahmenstruktur für den Unterboden einer selbsttragenden Kraftfahrzeugkarosserie

Info

Publication number: DE102006052992A1
Application number: DE102006052992A
Authority: DE
Inventors: Ronny Bufe; Stefan Gloger; Jens Hartmann; Joachim Köhr; Heinz-Günter Lang; Hans-Joachim Patschicke; Matthias Schlelein; Matthias Seyfried; Ralph Stenger; Dirk Strehl
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-11-10
Filing date: 2006-11-10
Publication date: 2008-05-15
Also published as: DE102006052992A8

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rahmenstruktur (1) für den Unterboden einer Kraftfahrzeugkarosserie, umfassend a) einen länglichen Tunnel (2) und zwei hierzu parallele Schweller (3, 4) auf beiden Seiten des Tunnels, sowie b) einen Stirnwandquerträger (5) mit Schließblech (18), der direkt mit beiden Schwellern und dem Tunnel verbunden ist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Kraftfahrzeugkarosserie mit dieser Rahmenstruktur sowie ein Kraftfahrzeug mit dieser Kraftfahrzeugkarosserie.

Description

Die Erfindung betrifft den Unterboden einer selbsttragenden Kraftfahrzeugkarosserie, beispielsweise derjenigen eines Pkw.
Eine selbsttragende Kraftfahrzeugkarosserie besitzt einen die Fahrgastzelle nach unten hin abschließenden Unterboden, der über Hochstreben, meist A-, B- und C-Säule genannt, mit dem Dach verbunden ist. Der Unterboden selbst besteht aus mehreren Modulen, die herkömmlicherweise als Blechteile im Rahmen der Fertigung zusammengeschweißt werden. Hierzu gehören unter anderem die Seitenschweller, Sitzquerträger, Sitzauflagen und der Tunnel. Zwischen diesen sich in Fahrzeuglängsrichtung erstreckenden Modulen befinden sich Bodenplatten, nämlich im vorderen Karosseriebereich, d.h. in etwa unter den Vordersitzen, ein Boden vorne auf beiden Seiten des Tunnels, im mittleren Karosseriebereich hinter dem Fersenblech der Boden hinten und im hinteren Karosseriebereich hinter dem Hinterachsquerträger die Verlängerung Boden hinten mit der Reserveradmulde.
Aus dem Karosseriebau ist insbesondere bei LKWs und Geländewagen ein Leiterrahmen bekannt. Hierbei handelt es sich um ein konstruktiv einfaches und stabiles Fahrgestell, das Träger für eine Karosserie ist. Die Karosserie wird auf den Leiterrahmen aufgesetzt und mit diesem verschraubt und verschweißt.
Das D-LFT-Verfahren, auch Direkt-LFT-Verfahren genannt, ist ein allgemein bekanntes Verfahren der Kunststoffverarbeitung. LFT steht für langfaserverstärkter Kunststoff. Beim D-LFT Verfahren wird in einem Extruder eine Matrix aus einem thermoplastischen Kunststoff plastifiziert und in einem Mischer mit auf Länge gekürzten Endlosfasern vermengt. Das faserhaltige Plastifikat wird dann (direkt) in Form gepresst. Das Ergebnis ist ein Faser-Kunststoff-Verbund mit einer Kunststoffmatrix, in dem die Langfasern eingebettet sind. Bedingt durch den Extrudereinsatz kann die Faserlänge allgemein zwischen 1 mm und 50 mm betragen.
Es ist eine Aufgabe einer Ausführungsform der Erfindung, eine selbsttragende Kraftfahrzeugkarosserie mit geringem Gewicht bereitzustellen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und weitere Ausführungsformen ergeben sich mit den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Rahmenstruktur für den Unterboden einer selbst tragenden Kraftfahrzeugkarosserie, beispielsweise einer selbsttragenden Pkw-Karosserie. Diese umfasst einen länglichen Tunnel und zwei hierzu parallele Schweller auf beiden Seiten des Tunnels. Weiterhin besitzt die Rahmenstruktur einen Stirnwandquerträger mit Schließblech, der direkt mit beiden Schwellern und dem Tunnel verbunden ist.
Die Rahmenstruktur dient der Aufnahme der Bodenbeplankung und hierbei auch der Aufnahme des Bodens vorne. Der Tunnel der Rahmenstruktur kommt beim Fahrzeug zentral in Fahrzeuglängsrichtung zu liegen und die Schweller verlaufen außen auf beiden Seiten des Tunnels. Im vorderen Bereich des Bodens vorne ist dieser vom Tunnel, von einem Schweller sowie dem Stirnwandquerträger eingefasst. In Fahrzeuglängsrichtung weiter hinten ist das quer zum Tunnel verlaufende Fersenblech einerseits mit dem Tunnel und andererseits über je einen Knoten mit den Schwellern verbunden. Dadurch wird der Boden vorne über seinen gesamten Umfang von der Rahmenstruktur eingefasst. Mangels des im Stand der Technik üblichen Vertikalversatzes zwischen den Schwellern und dem Stirnwandquerträger ist es auf diese Weise möglich, einen Boden vorne zu wählen, der mit der ihn einfassenden Rahmenstruktur verbunden ist. Der Boden vorne kann aus Blech oder aus Kunststoff bestehen. Die letztgenannte Wahl führt zu einer beachtlichen Gewichtsersparnis bei gleichbleibender Strukturstabilität für den Fall eines Frontal- oder Seitenaufpralls. Die statische Stabilität und das Ermüdungsverhalten werden durch die Rahmenstruktur im gleichen Maße wie bei einer Karosserie nach dem Stand der Technik gewährleistet. Die Gewichtsersparnis führt zu einem geringeren Kraftstoffbedarf des Fahrzeugs und damit zu einer geringeren Umweltbelastung durch Emissionen.
Bei einer zweiten Ausführungsform ist der Stirnwandquerträger mit einem Boden vorne aus einem faserverstärkten Kunststoff verklebt. Bezugnehmend auf die Ausführungen des letzten Absatzes kann der Boden vorne zusätzlich mit dem Tunnel, einem quer zum Tunnel verlaufenen Fersenblech sowie einem Schweller verklebt sein. Der Boden vorne aus faserverstärktem Kunststoff mindert, wie oben ausgeführt, das Karosseriegewicht erheblich. Die Gewichtsersparnis wird dabei nicht, wie ausdrücklich hervorgehoben werden soll, mit einer herabgesetzten Strukturstabilität für den Fall eines Frontal- oder Seitenaufpralls erkauft. Weiterhin kann eine Unterbodenverkleidung zur Verbesserung des aerodynamischen Verhaltens eingespart werden bzw. ist der Boden vorne die Unterbodenverkleidung selbst.
Der Boden vorne ist weitgehend eben ausgebildet, weil es keinen Vertikalversatz zwischen Schweller und Stirnwandquerträger gibt. Weitgehend eben soll hier bedeuten, dass der genannte Vertikalversatz weniger als die halbe Schwellerhöhe ist. Die insofern besonders einfache Geometrie vereinfacht die Herstellung des Bodens vorne und seine Montage.
Bei weiteren Ausführungsformen besitzt die Rahmenstruktur eine zumindest teilweise im D-LFT-Verfahren hergestellten Boden vorne. Der Boden vorne besteht inso fern zumindest teilweise aus einem faserverstärkten, insbesondere langfaserverstärkten Kunststoff.
Der im D-LFT-Verfahren gefertigte Boden vorne hat, bei gleicher Strukturstabilität für den Fall eines Frontal- oder Seitenaufpralls, im Vergleich zu einem herkömmlichen, aus Blech bestehenden Boden vorne ein geringeres Gewicht bei nur maßvoll höheren Kosten. Umgekehrt bietet dieser Boden vorne die Möglichkeit, die zunehmend schärferen Anforderungen an Kfz-Karosserien bzgl. ihrer Strukturstabilität bei Seiten- oder Frontalaufpralltests, z.B. solche nach Euro-NCAP, leichter zu erfüllen. Dies gelingt bei gleichem Gewicht zum Beispiel dadurch, dass mehr höherfeste Stähle in hinreichender Materialstärke mit dem leichten, im D-LFT-Verfahren gefertigten Boden vorne kombiniert werden.
Ausführungsformen des Bodens vorne haben eine Bodenplatte mit Glasfasern, Kohlefasern oder Naturfasern. Auch hochfeste Aramidfasern, wie sie im Sicherheitsbereich Verwendung finden, können für den Boden vorne verwendet werden.
Experimente haben ergeben, dass sich bei Ausführungsformen, bei denen die durchschnittliche Faserlänge zwischen 20 mm und 40 mm betrug, die Bodenplatte zum einen im D-LFT-Verfahren gut herstellen lässt und sich andererseits über die Fasern eine Strukturstabilität erzielen lässt, die genauso gut oder besser als diejenige von Blechausführungen ist. Beste Ergebnisse ergaben sich bei Faserlängen von etwa 1 Zoll (25,4 mm). Bei kleineren Faserlängen, die in den einstelligen Millimeterbereich gehen, nimmt die Strukturverstärkung durch die Fasern zunehmend ab, wohingegen sich längere Fasern im Extruder zunehmend schlechter verarbeiten lassen.
In einer weiteren Ausführungsform wird als Material Polyamid (abgekürzt: PA) oder Polypropylen (abgekürzt: PP) gewählt. Bei Polyamid ist es wegen dessen guter Temperaturstabilität möglich, die Karosserie mit montiertem Boden vorne durch eine Lackierstraße zu führen, ohne dass sie temperaturbedingt Schaden nimmt. Auf diese Weise müssen etablierte Prozessabläufe, die sich bei der Fertigung von Blechkarosserien herausgebildet haben, nicht verändert werden. Dies vermeidet Zusatzkosten, die sonst durch eine Umstellung der Fertigungsabläufe entstünden. Polypropylen ist ein preiswerteres Material als Polyamid und macht es wegen einer geringeren Temperaturstabilität erforderlich, den Boden vorne nach dem Durchlaufen der Lackierstraße einzubauen. Der Einbau erfolgt zum Beispiel durch Verkleben.
Weitere Ausführungsformen des Bodens vorne haben einen Faseranteil zwischen 20 Gew% und 40 Gew%. Gute Ergebnisse wurden insofern mit PA6.6/GF30 bzw. PP/GF30 erzielt. Der genannte Faseranteil ist hierbei ein Kompromiss. Unter 20 Gew% ist die Stabilität der Bodenplatte unbefriedigend. Bei über 40 Gew% wird die Bodenplatte zu schwer, wobei sich gleichzeitig ihre Herstellbarkeit verschlechtert.
Eine Ausgestaltung der Rahmenstruktur sieht ferner einen Boden vorne vor, der formschlüssig mit einer Sitzbefestigung aus Kunststoff verbunden ist. Mit der sich damit ergebenden einteiligen Ausbildung von Boden vorne und Sitzbefestigung werden Montageschritte eingespart, was die Herstellungskosten mindert und die Herstellungszeit verkürzt. Gleichzeitig haben dadurch die Montagelöcher für die Sitzbefestigung eine wohl definierte Position mit engen Toleranzen, was bei der konventionellen Blechbauweise nicht der Fall ist. Dies bedingt eine vereinfachte Montage der Fahrzeugsitze. Durch die einteilige Ausbildung lässt sich auch weitergehend eine Funktionsintegration vornehmen, und zum Beispiel verschiedene Befestigungselemente wie Sitzauflagen etc. mit in den Boden vorne integrieren.
Es ist auch möglich, die Sitzbefestigung zusammen mit der Bodenplatte im D-LFT-Verfahren herzustellen und so die Bodenplatte und die Sitzbefestigung einfach und preiswert in einem Arbeitsgang herzustellen.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Stirnwandquerträger mit dem Schweller und/oder dem Tunnel verschweißt oder stanzgenietet. Die Anbindung des Stirnwandquerträgers an Schweller und Tunnel ist also direkter Art und erfolgt über etablierte Bearbeitungsverfahren.
Ferner kann vorgesehen sein, dass als Schweller ein Strangpressprofil gewählt ist. Dieses Profil ist einteilig und geschlossen und erfordert zu seiner Herstellung weniger Fügeoperationen als das häufig eingesetzte zweiteilige Hutprofil mit Schließblech.
Bei einer weiteren Ausführungsform besteht die Rahmenstruktur aus einem Stahl mit einer Streckgrenze von mindestens 600 MPa. Es handelt sich insofern um einen hoch- bis höchstfesten Stahl, der die gegenüber dem Stand der Technik geringere Strukturstabilität eines aus Kunststoff bestehenden Bodens vorne kompensieren hilft.
Für die Rahmenstruktur können ferner zwei Knoten aus Aluminiumdruckguss zur Anbindung des Bodens hinten vorgesehen sein, die jeweils mit dem Fersenblech und einem Schweller verbunden sind. Der im Vakuralgussverfahren hergestellte Knoten ist schweißbar und kann daher zum Beispiel mittels Reibrührschweißen, aber auch mittels Stanznieten mit den Stahlkomponenten der Rahmenstruktur verbunden werden.
Ferner kann eine Ausführungsform gewählt werden, bei der als Knoten Aluminiumdruckgussknoten vorgesehen sind und bei der die Aluminiumdruckgussknoten mit jeweils einem geschlossenen Profil verbunden sind. Die zwei geschlossenen Profile fassen dann eine Verlängerung Boden hinten aus einem faserverstärkten Kunststoff ein. Das geschlossene Profil bietet der Verlängerung Boden hinten eine nach oben geschlossene Auflagefläche zum Abstützen an, mit der der Boden hinten verklebt werden kann. Hierbei gewährleistet es bei geringem Materialeinsatz eine hohe Steifigkeit. Als Profil kann ein Mehreckprofil, bspw. ein Achteckprofil, gewählt werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine selbsttragende Kraftfahrzeugkarosserie mit einer Rahmenstruktur nach einem der obigen Ausführungsformen.
Ferner bezieht sich ein Aspekt der Erfindung auf ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Pkw, mit einer selbsttragenden Karosserie gemäß letztem Absatz.
Weitere Merkmale und Vorteile der beanspruchten Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erkennbar, die nachfolgend als nicht beschränkende Beispiele angegeben sind. Hierbei soll die Benutzung von Bezugszeichen in den Figuren nicht dahingehend verstanden werden, dass die Bezugszeichen den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung einschränken sollen. Es zeigen:
1 eine Rahmenstruktur in der perspektivischen Seitenansicht,
2 einen Schnitt A-A durch die 1,
3 ein Achteckprofil zum Einfassen des Bodens hinten,
4 einen Boden vorne zum Einbau in die Rahmenstruktur der 1.
1 zeigt eine Rahmenstruktur 1 für den Unterboden einer selbsttragenden Kraftfahrzeugkarosserie. Der Pfeil P gibt hierbei die Fahrzeuglängsrichtung an, wobei die Pfeilspitze nach vorne zeigt.
Die Rahmenstruktur 1 besitzt einen länglichen Tunnel 2 mit zwei hierzu parallelen und geraden Schwellern 3 und 4. Ein Stirnwandquerträger 5 mit seinem Schließblech 18, vgl. 2, ist einerseits direkt mit dem Tunnel 2 und andererseits den beiden Schwellern 3 und 4 verschweißt. Der Tunnel 2 ist zusätzlich mit dem Fersenblech 6 verschweißt, das parallel zum Stirnwandquerträger 5 verläuft. Die Schweller 3, 4 sind über einen Knoten, wegen seiner Schweißbarkeit vorliegend ein Aluminiumdruckgussknoten 10 bzw. 11, verbunden. Die beiden für den Boden vorne rechts bzw. Boden vorne links bestimmten Öffnungen 7 bzw. 8 haben damit einen umlaufenden und geschlossenen Rand. Damit ist es möglich, in diese Öffnungen 7 und 8 einen Boden vorne einzubringen, der aus einem faserverstärkten Kunststoff besteht und dessen Rand mit dem Rand der Öffnung 7 bzw. 8 zu verkleben. Durch diese Wahl wird die Gesamtkarosserie besonders leicht.
Die Rahmenstruktur 1 hat optisch Ähnlichkeit mit einem Fachwerkrahmen und besteht aus einem hochfesten Stahl mit einer Streckgrenze von 850 MPa. Im hinteren Fahrzeugbereich hinter dem Fersenblech 6 kommt der Boden hinten 17 zu liegen, der auf beiden Seiten von einem Achteckprofil 9, vgl. 3, eingefasst wird. Das Achteckprofil 9 bietet als geschlossenes Profil eine nach oben geschlossene Auflagefläche für einen Boden hinten 17 aus Kunststoff. Der Boden hinten 17 kann insofern mit seinem Rand auf die Auflagefläche 12 des Achteckprofils 9 aufgelegt und mit dieser verklebt werden. Das Achteckprofil 9 ist jeweils mit einem Aluminiumdruckgussknoten 10 bzw. 11 verschweißt und hierbei parallel zu den als Strangpressprofil ausgebildeten Schwellern 3 bzw. 4 angeordnet.
4a zeigt einen Boden vorne 13 mit einer Bodenplatte 14 aus einem im D-LFT-Verfahren hergestellten Polyamid. Die Bodenplatte 14 hat etwa einen rechteckigen Zuschnitt und besteht aus PA6.6/GF30 bei einer Materialstärke von etwa 3 mm. Formschlüssig verbunden mit der Bodenplatte 14 ist die Sitzbefestigung 15. Diese wurde in ein und demselben Arbeitsgang mit der Bodenplatte 14 hergestellt und besteht insofern ebenfalls aus PA6.6/GF30. Zur Verbesserung der Strukturstabilität für den Fall eines Seiten- oder Frontalaufpralls besitzt die Bodenplatte 14 ferner eine an ihrer Oberfläche angeordnete Metallverstärkung 16 mit einer Stärke von ca. 0,8 mm.
4b zeigt eine Metallverstärkung 16, die bei der Montage auf die Sitzbefestigung 15 aufgelegt und mit dieser formschlüssig umpresst oder nachträglich verklebt wird. Das Ergebnis der Montage zeigt 4c. Durch die Metallverstärkung 16 wird das Verhalten der Bodenplatte 14 bei einem Seiten- oder Frontalaufprall verbessert. Gegebenenfalls kann auf die Metallverstärkung 16 auch verzichtet werden.
Die Metallverstärkung 16 besitzt Befestigungselemente 17, z.B. Montagelöcher, für einen (nicht gezeigten) Kraftfahrzeugsitz. Da bei einer einteiligen Ausbildung von Bodenplatte 14 und Sitzbefestigung 15 die Streuungen in den Abmessungen geringer sind als bei der Her stellung einer mehrteiligen Blechkarosserie, bei der sich die Sitzbefestigungen 15 auf verschiedenen Bauteilen befinden, wird die Montage der Kraftfahrzeugsitze erleichtert.
Die im D-LFT-Verfahren hergestellten Module Boden vorne 13 (links bzw. rechts) sind etwa 50% leichter als konventionelle Module aus Blech. Ihr Einsatz wird durch die Rahmenstruktur 1 ermöglicht, deren Öffnungen 7 bzw. 8 die Module über ihren gesamten Umfang einfassen und die Möglichkeit bieten, die Module über ausgestellte Flansche festzukleben.
Obwohl vorstehend konkrete Ausführungsformen beschrieben wurden, wird der Fachmann erkennen, dass die Beschreibung dieser Ausführungsformen nicht zum Zweck hat, die Erfindung in der angegebenen Form zu beschränken. Die Erfindung soll vielmehr alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen umfassen, die in den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung fallen.

1: Rahmenstruktur
2: Tunnel
3: Schweller
4: Schweller
5: Stirnwandquerträger
6: Fersenblech
7: Öffnung
8: Öffnung
9: Achteckprofil
10: Aluminiumdruckgussknoten
11: Aluminiumdruckgussknoten
12: Auflagefläche
13: Boden vorne
14: Bodenplatte
15: Sitzbefestigung
16: Metallverstärkung
17: Boden hinten
18: Schließblech
P: Pfeil

Claims

Rahmenstruktur für den Unterboden einer selbsttragenden Kraftfahrzeugkarosserie, umfassend a) einen länglichen Tunnel (2) und zwei hierzu parallele Schweller (3, 4) auf beiden Seiten des Tunnels, sowie b) einen Stirnwandquerträger (5) mit Schließblech (18), der direkt mit beiden Schwellern und dem Tunnel verbunden ist.
Rahmenstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der Stirnwandquerträger mit einem Boden vorne (13) aus einem faserverstärkten Kunststoff verklebt ist.
Rahmenstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einem zumindest teilweise im Direkt-LFT-Verfahren hergestellten Boden vorne.
Rahmenstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einem zumindest teilweise faserverstärkten Boden vorne.
Rahmenstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem als Fasern Glasfasern, Kohlefasern, Aramidfasern oder Naturfasern vorgesehen sind.
Rahmenstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Fasern eine durchschnittliche Länge zwischen 20 mm und 40 mm haben.
Rahmenstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Faseranteil zwischen 20 Gew% und 40 Gew% beträgt.
Rahmenstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem als Material Polyamid oder Polypropylen vorgesehen sind.
Rahmenstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der als Material PA6.6/GF30 oder PP/GF30 gewählt ist.
Rahmenstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einem Boden vorne, der formschlüssig mit einer Sitzbefestigung (15) aus Kunststoff verbunden ist.
Rahmenstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Stirnwandquerträger mit dem Schweller und/oder dem Tunnel verschweißt oder stanzgenietet ist.
Rahmenstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem für den Schweller ein Strangpressprofil vorgesehen ist.
Rahmenstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche, gefertigt aus einem Stahl mit einer Streckgrenze von mindestens 600 MPa.
Rahmenstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem ein mit einem Fersenblech (6) und einem Schweller (3, 4) verbundener Knoten (10, 11) Aluminiumdruckguss vorgesehen ist.
Rahmenstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Aluminiumdruckgussknoten mit jeweils einem geschlossenen Profil (9) verbunden sind, die eine Verlängerung Boden hinten (17) aus einem faserverstärktem Kunststoff einfassen.
Rahmenstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem als geschlossenes Profil ein Achteckprofil vorgesehen ist.
Selbsttragende Kraftfahrzeugkarosserie mit einer Rahmenstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche.
Kraftfahrzeug, insbesondere ein Pkw, mit einer selbsttragenden Kraftfahrzeugkarosserie nach Anspruch 16.