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Die
Erfindung betrifft eine Karosseriesäule für Fahrzeuge, insbesondere für Kraftfahrzeuge,
mit einem sich bei Anordnung an einer Fahrzeugkarosserie bezogen
auf die Schwerkraftrichtung zumindest annähernd in vertikaler Richtung
erstreckenden Säulenelement.
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Die
Karosseriesäulen
eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, sind bei einem
Seitenaufprall sehr hohen Belastungen ausgesetzt. Da der für eine Verformung
der Karosseriesäulen
zur Verfügung
stehende Raum begrenzt ist, ist es bekannt, hochfeste, jedoch vergleichsweise
schwere Stahlmaterialien zu verwenden. Somit wird eine hohe Steifigkeit
einer Karosseriesäule
mit einem hohen Gewicht erkauft.
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Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde,
eine Karosseriesäule
für Fahrzeuge
zu schaffen, welche ein günstiges
Verhältnis
aus Steifigkeit und Gewicht aufweist.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Karosseriesäule der eingangs genannt Art
dadurch gelöst,
dass das Säulenelement
aus einem Faserverbundkunststoff hergestellt ist, dass das Säulenelement
mittels mindestens eines Verstärkungselements
verstärkt
ist und dass das Verstärkungselement
aus einem zu dem Faserverbundkunststoff unterschiedlichen Verstärkungsmaterial
hergestellt ist.
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Durch
die Verwendung eines Faserverbundkunststoffs für das Säulenelement kann eine leichtgewichtige
und gleichzeitig hochfeste Karosseriesäule bereitgestellt werden.
Mit Hilfe der für
den Faserverbundkunststoff verwendeten Fasermaterialien und deren
Verteilung, Anordnung und/oder Orientierung in dem Säulenelement
können
die Festigkeitseigenschaften, das Gewicht, die Verformbarkeit bzw. die
Elastizität
der Karosseriesäule
in einfacher Weise eingestellt werden. Insbesondere ist es möglich, diese
Eigenschaften ortsabhängig
zu variieren. Beispielsweise können
unterschiedliche Bereiche einer Karosseriesäule unterschiedliche Eigenschaften
haben. Darüber
hinaus können
die Eigenschaften einer Karosseriesäule entsprechend unterschiedlicher
Einbaupositionen an einer Fahrzeugkarosserie angepasst werden.
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Durch
die Verwendung eines Verstärkungselements
aus einem zu dem Faserverbundkunststoff unterschiedlichen Verstärkungsmaterial
können
die Eigenschaften der Karosseriesäule gezielt optimiert werden.
Beispielsweise lässt
sich eine lokal begrenzte, partielle Verstärkung der Karosseriesäule in besonders
einfacher Weise realisieren. Hierbei können das Säulenelement und das Verstärkungselement unterschiedliche
Funktionen erfüllen,
so dass sie jeweils im Hinblick auf eine Realisierung ihrer zugeordneten
Funktionen optimiert werden können.
Auf diese Weise kann eine hochfeste Struktur bereitgestellt werden,
die den Passagierraum eines Fahrzeugs schützt. Dabei ist auch eine elastische
Auslegung der Karosseriesäule
möglich,
so dass bei einem Unfall auftretende Beschleunigungsspitzen verringert
werden können.
Gleichzeitig ist es möglich,
eine bei einem Unfall – insbesondere
bei einem Seitenaufprall, aber auch einem Überschlag – auftretende Crashenergie
durch lokale Zerstörung
des Faserverbundkunststoffs und/oder des Verstärkungsmaterials zu absorbieren.
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Die
erfindungsgemäße Karosseriesäule eignet
sich gut für
eine Integration in eine Fahrzeugkarosserie mit Schalenbauweise,
Gitter- oder Space-Frame-Struktur.
Eine solche Fahrzeugkarosserie kann beispielsweise aus metallischen
Materialien, insbesondere aus Stahl und/oder Aluminium, und/oder
aus Kunststoffmaterialien hergestellt sein.
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Die
Karosseriesäule
kann als eine aus der Karosseriesäule und dem Verstärkungselement
gebildeten Baugruppe bereitgestellt werden, welche im Rahmen der
Montage der Fahrzeugkarosserie mit weiteren Karosserieteilen gefügt werden
kann.
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Vorzugsweise
ist die Karosseriesäule
eine A-Säule,
B-Säule
oder C-Säule.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Karosseriesäule eine
B-Säule ist.
In diesem Bereich treten bei einem Seitenaufprall besonders hohe
Belastungen, beispielsweise in Form von Druckkräften, auf.
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Nach
einer vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung ist das Säulenelement
im Querschnitt massiv. Ein solches Säulenelement eignet sich insbesondere
für ein
im Querschnitt flaches Säulenelement,
welches nur wenig Bauraum beansprucht. Ein massiver Querschnitt
des Säulenelements
verbessert die Knickstabilität
der Karosseriesäule.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist
vorgesehen, dass das Säulenelement
im Querschnitt hohl ist. Auf diese Weise kann eine Karosseriesäule mit
einem hohen Flächenträgheitsmoment
bereitgestellt werden, welche ein niedriges Gewicht aufweist.
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Bevorzugt
ist es ferner, wenn das Säulenelement
eine Verrippung aufweist. Eine solche Verrippung erhöht die Biegesteifigkeit
des Säulenelements. Eine
Verrippung schafft bei einem Seitenaufprall einen zusätzlichen
Deformationsraum, in dem durch Verformung der Verrippung eine Aufprallenergie
abgebaut werden kann.
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Vorzugsweise
umfasst der Faserverbundkunststoff Kohlefasern. Diese weisen bei
einem besonders niedrigen Gewicht eine besonders hohe Festigkeit
auf.
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Günstig ist
es ferner, wenn der Faserverbundkunststoff Glasfasern umfasst. Hierdurch
kann ein vergleichsweise leichtes, hochsteifes und preisgünstig herstellbares
Säulenelement
geschaffen werden.
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Alternativ
oder ergänzend
hierzu können
zur Herstellung des Faserverbundkunststoffes auch andere Fasermaterialien
eingesetzt werden, beispielsweise Polymerfasern und/oder Naturfasern.
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Vorteilhaft
ist es ferner, wenn der Faserverbundkunststoff Fasermaterial in
Form eines Gewebes, Geflechts und/oder Geleges umfasst. Ein solches
Fasermaterial kann als textiles Halbzeug beispielsweise in Form
einer flächigen
Matte und insbesondere in Form eines Schlauches bereitgestellt werden.
Die Verwendung eines solchen Fasermaterials erleichtert die Definition
der Lage und Orientierung der Fasern des Säulenelements.
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In
vorteilhafter Weise ist der Faserverbundkunststoff langfaserverstärkt. Langfasern
können
einem Matrixmaterial beispielsweise in loser Anordnung beige mischt
werden, so dass ein hochfestes Material mit isotropen Eigenschaften
bereitgestellt werden kann.
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Vorzugsweise
umfasst der Faserverbundkunststoff einen Thermoplast. Dieser kann
einen Matrixwerkstoff bilden und ist einfach verarbeitbar. Insbesondere
kann der Faserverbundkunststoff Polypropylen umfassen. Dieser Kunststoff
ist besonders einfach verarbeitbar und preisgünstig.
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Vorzugsweise
umfasst der Faserverbundkunststoff einen Duroplast. Duroplastische
Matrixwerkstoffe weisen hohe Festigkeiten auf, sind temperaturunempfindlich
und haben eine hohe Zeitstandfestigkeit.
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Günstig ist
es ferner, wenn die Karosseriesäule
einen Säulenkern
umfasst. Ein solcher Säulenkern
erhöht
die Knickstabilität
der Karosseriesäule. Außerdem kann
ein Säulenkern
schalldämmende Funktionen
realisieren.
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Bevorzugt
ist es, wenn der Säulenkern
aus einem Schaummaterial hergestellt ist. Hierdurch kann in besonders
einfacher Weise eine gut gedämpfte
Karosseriesäule
bereitgestellt werden. Auch die Verwendung eines Glasschlauchs ist
möglich, beispielsweise
um die Handhabung und/oder Formgebung eines Schlauchs aus einem
geflochtenen Fasermaterial zu erleichtern. Der Glasschlauch kann hohl
sein und ein Gas, insbesondere Luft enthalten. Der Glasschlauch
kann auch mit einem flüssigen oder
festen Material aufgefüllt
sein.
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Nach
einer vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung ist das mindestens eine Verstärkungselement im Querschnitt
massiv. Hierdurch kann ein flaches, nur wenig Bauraum beanspruchendes
Verstärkungselement
bereitgestellt werden.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist
das mindestens eine Verstärkungselement
im Querschnitt hohl. Hierdurch kann die Biegesteifigkeit der Karosseriesäule bei
einem nur geringen Materialeinsatz für das Verstärkungselement erhöht werden.
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Günstig ist
es ferner, wenn das mindestens eine Verstärkungselement eine Verrippung
aufweist. Hierdurch kann die Biegesteifigkeit der Karosseriesäule erhöht werden.
Außerdem
ist es möglich,
mit Hilfe der Verrippung des Verstärkungselements eine bei einem
Seitenaufprall auftretende Unfallenergie aufzunehmen, indem sich
die Verrippung verformt.
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Vorzugsweise
umfasst das Verstärkungsmaterial
ein Metall, insbesondere Aluminium und/oder Stahl. Dies hat den
Vorteil, dass an die Karosseriesäule
angrenzende Bauteile der Karosserie oder auch Anbindungsteile, beispielsweise
Scharniere für Karosserietüren, in
einfacher Weise mit dem metallischen Verstärkungselement gefügt werden
können. Hierbei
können
einfache und serientaugliche Fügeverfahren
wie Nieten, Clinchen, Schrauben, Schweißen und/oder Löten angewendet
werden. Alternativ oder ergänzend
hierzu können
auch Klebeverbindungen eingesetzt werden.
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Ein
metallisches Verstärkungselement
weist im Vergleich zu einem Faserverbundkunststoff eine niedrigere
Kerbschlagempfindlichkeit auf. Durch die Verwendung eines Verstärkungselements
aus einem duktilen Verstärkungsmaterial
ist es möglich,
das Säulenelement
aus einem vergleichsweise kerbschlag empfindlichen Faserverbundkunststoff
herzustellen, so dass insgesamt eine hochstabile und gleichzeitig
sehr leichte Karosseriesäule
bereitgestellt werden kann.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist
das mindestens eine Verstärkungselement
aus Endlosfasern hergestellt. Insbesondere kann ein solches Verstärkungselement Kohlefasern
und/oder Glasfasern umfassen. Alternativ oder ergänzend hierzu
kann ein solches Verstärkungselement
Polymerfasern und/oder Naturfasern umfassen.
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Die
Verwendung von Endlosfasern für
ein Verstärkungselement
eignet sich besonders gut für Karosseriesäulen, die
aufgrund ihrer Einbindung in eine Fahrzeugkarosserie unter einer
Zugspannung stehen. Mit Hilfe eines aus Endlosfasern hergestellten
Verstärkungselements
können
diese Zugspannungen unter Einsatz einer äußerst geringen Materialmenge
optimal aufgenommen werden.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass das mindestens eine Verstärkungselement
bei Anordnung an einer Fahrzeugkarosserie relativ zu dem Säulenelement
karosserieaußenseitig
angeordnet ist. Eine solche Anordnung ist insbesondere vorteilhaft,
wenn das Verstärkungselement
aus einem metallischen Material hergestellt ist. Mit einem karosserieaußenseitig
angeordneten Verstärkungselement
kann ein karosserieinnenseitig angeordnetes, kerbschlagempfindliches
Säulenelement
gegen ein Eindringen von Fremdkörpern
geschützt
werden. Insbesondere kann ein karosserieaußenseitig angeordnetes Verstärkungselement
einen Teil einer Außenhaut
einer Fahrzeugkarosserie bilden.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist
vorgesehen, dass das mindestens eine Verstärkungselement bei Anordnung
an einer Fahrzeugkarosserie relativ zu dem Säulenelement karosserieinnenseitig
angeordnet ist. Eine solche Anordnung eignet sich besonders gut
für nichtmetallische
Verstärkungsmaterialien.
Hierbei bildet das Säulenelement
einen mechanischen Schutz für
das mindestens eine Verstärkungselement.
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Günstig ist
es ferner, wenn das Säulenelement
im Querschnitt hohl ist und wenn das mindestens eine Verstärkungselement
innerhalb des Säulenelements
angeordnet ist. Hierdurch ist eine einfache und Raum sparende Integration
des Säulenelements
und des mindestens eines Verstärkungselements
zu einer Karosseriesäule
ermöglicht.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist
vorgesehen, dass das mindestens eine Verstärkungselement im Querschnitt
hohl ist und dass das Säulenelement
innerhalb des Verstärkungselements
angeordnet ist. Auch hierdurch kann eine Raum sparende Anordnung
geschaffen werden, bei der das Säulenelement
mit Hilfe des Verstärkungselements
vor einem Eindringen von Fremdkörpern
geschützt
ist.
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Günstig ist
es, wenn das Säulenelement
und das mindestens eine Verstärkungselement
zueinander beabstandet sind. Hierdurch kann das Flächenträgheitsmoment
und somit die Biegesteifigkeit der Karosseriesäule erhöht werden, ohne dass dies mit einem
erhöhten
Materialeinsatz einhergeht.
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Günstig ist
es ferner, wenn das Säulenelement
und das mindestens eine Verstärkungselement aneinander
anliegen. Hierdurch kann eine im Querschnitt besonders kompakte
Karosseriesäule
geschaffen werden.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind
das Säulenelement und
das mindestens eine Verstärkungselement
miteinander verbunden. Auf diese Weise kann die Schubfestigkeit
der Karosseriesäule
erhöht
werden.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Karosseriesäule mindestens eine Verbindungseinrichtung zur
Verbindung der Karosseriesäule
mit mindestens einem weiteren Karosserieteil umfasst. Dies erleichtert
die Integration der Karosseriesäule
in eine Fahrzeugkarosserie.
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In
vorteilhafter Weise sind die Karosseriesäule und das mindestens eine
weitere Karosserieteil miteinander verbunden, wobei sich das mindestens eine
weitere Karosserieteil bezogen auf die Schwerkraftrichtung in horizontaler
Richtung oder im Wesentlichen horizontaler Richtung erstreckt. Auf
diese Weise kann ein stabiler Verbund aus einer sich im Wesentlichen
in vertikaler Richtung erstreckenden Karosseriesäule und eines hierzu senkrechten
Karosserieteils, beispielsweise eines Längsspants, hergestellt werden.
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Günstig ist
es, wenn die mindestens eine Verbindungseinrichtung an dem Säulenelement
angeordnet ist. Hierdurch kann die Karosseriesäule mit dem mindestens einen
weiteren Karosserieteil verbunden werden, ohne dass hierfür ein Kraftfluss durch
das Verstärkungselement
erforderlich wäre.
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Günstig ist
es ferner, wenn die mindestens eine Verbindungseinrichtung an dem
mindestens einen Verstärkungselement
angeordnet ist. Hierdurch ist eine Verbindung der Karosseriesäule mit
dem mindestens einen weiteren Karosserieteil möglich, ohne dass hierfür ein Kraftfluss
durch das Säulenelement erforderlich
wäre.
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Bevorzugt
ist es, wenn die mindestens eine Verbindungseinrichtung bezogen
auf die Schwerkraftrichtung an einem unteren Ende der Karosseriesäule angeordnet
ist. Hierdurch kann die Karosseriesäule mit einem bodenseitig angeordneten
Karosserieteil, beispielsweise mit einem Längsträger, verbunden werden.
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Günstig ist
es ferner, wenn die mindestens eine Verbindungseinrichtung bezogen
auf die Schwerkraftrichtung an einem oberen Ende der Karosseriesäule angeordnet
ist. Hierdurch kann die Karosseriesäule mit einem dachseitig angeordneten Karosserieteil,
beispielsweise mit einem Dachholm, verbunden werden.
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Bevorzugt
ist es, wenn mittels der mindestens einen Verbindungseinrichtung
ein Formschluss zwischen der Karosseriesäule und dem mindestens einen
weiteren Karosserieteil herstellbar ist. Auf diese Weise kann die
Steifigkeit einer Fahrzeugkarosserie erhöht werden.
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Bevorzugt
ist es ferner, wenn mittels der mindestens einen Verbindungseinrichtung
ein Kraftschluss zwischen der Karosseriesäule und dem mindestens einen
weiteren Karosserieteil herstellbar ist. Auf diese Weise kann eine
tole ranzunempfindliche Verbindung zwischen der Karosseriesäule und
dem mindestens einen weiteren Karosserieteil geschaffen werden.
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Insbesondere
ist es vorteilhaft, wenn die mindestens eine Verbindungseinrichtung
eine Klebeverbindung umfasst. Hierdurch können die Karosseriesäule und
das mindestens eine weitere Karosserieteil in einfacher Weise miteinander
gefügt
werden.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn das Säulenelement
und/oder das mindestens eine Verstärkungselement mit mindestens
zwei weiteren, zueinander beabstandeten Karosserieteilen verbunden
ist oder sind. Auf diese Weise können
die zueinander beabstandeten Karosserieteile relativ zueinander
fixiert und/oder verspannt werden.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass eines der mindestens zwei Karosserieteile
ein bodenseitig angeordnetes Karosserieteil ist und dass eines der
mindestens zwei Karosserieteile ein dachseitig angeordnetes Karosserieteil
ist. Dies ermöglicht
eine besonders einfache Integration einer Karosseriesäule in den
Aufbau einer Fahrzeugkarosserie.
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Besonders
bevorzugt bei einer Karosseriesäule,
bei der das Säulenelement
und/oder das mindestens eine Verstärkungselement mit mindestens zwei
weiteren, zueinander beabstandeten Karosserieteilen verbunden ist
oder sind, ist es, wenn das Säulenelement
und/oder das mindestens eine Verstärkungselement unter Zugspannung
steht. Hierdurch können
die zueinander beabstandeten Karosserieteile gegeneinander verspannt
werden, so dass die Gesamtsteifigkeit einer Fahrzeugkarosserie erhöht wird.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Karosseriesäule mindestens ein
Crashelement zur Aufnahme von Crashenergie bei einem Seitenaufprall
umfasst. Ein solches Crashelement kann von dem Säulenelement und dem mindestens
einen Verstärkungselement
separat bereitgestellt werden, so dass das Crashelement im Hinblick
auf eine optimale Energieaufnahmefähigkeit optimiert werden kann.
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Vorzugsweise
ist das mindestens eine Crashelement mit dem Säulenelement und/oder dem mindestens
einen Verstärkungselement
verbunden. Hierdurch kann eine bei einem Seitenaufprall in die Karosseriesäule eingeleitete
Energie zumindest teilweise mit Hilfe des Crashelements aufgenommen werden.
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Bevorzugt
ist es ferner, wenn das mindestens eine Crashelement formschlüssig in
das Säulenelement
und/oder das mindestens eine Verstärkungselement integriert ist.
Auf diese Weise kann ein Platz sparender Aufbau geschaffen werden.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist
vorgesehen, dass die Karosseriesäule
aus Säulensegmenten
zusammengesetzt ist. Dies ermöglicht
einen modularen Aufbau, welcher die Fertigung und/oder Montage der
Karosseriesäule
erleichtert.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine Fahrzeugkarosserie, insbesondere
eine Kraftfahrzeugkarosserie, mit mindestens einem sich quer zu
einer Karosserie-Längsachse
erstreckenden, in sich geschlossenen Querspant.
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Der
Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, eine Fahrzeugkarosserie
bereitzustellen, welche ein günstiges
Verhältnis
von Steifigkeit und Gewicht aufweist.
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Die
Aufgabe wird bei einer Fahrzeugkarosserie mit mindestens einem sich
quer zu einer Karosserie-Längsachse
erstreckenden, in sich geschlossenen Querspant erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass
der Querspant mindestens ein aus einem Faserverbundkunststoff hergestelltes
Säulenelement umfasst,
dass das Säulenelement
mittels mindestens eines Verstärkungselements
verstärkt
ist und dass das Verstärkungselement
aus einem zu dem Faserverbundkunststoff unterschiedlichen Verstärkungsmaterial
hergestellt ist.
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Mit
der erfindungsgemäßen Fahrzeugkarosserie
kann ein hochsteifer und leichter Aufbau geschaffen werden. Durch
die geschlossene Ringstruktur des Querspants können bei einem Seitenaufprall oder
einem Überschlag
auftretende Kräfte
besonders gut aufgenommen werden.
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Weitere
Vorteile und besondere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Fahrzeugkarosserie sind
vorstehend im Zusammenhang mit den besonderen Ausgestaltungen der
erfindungsgemäßen Karosseriesäule erläutert worden.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Fahrzeugkarosserie
ist vorgesehen, dass der Querspant aus mindestens zwei Querspantsegmenten
zusammengesetzt ist. Dies ermöglicht
einen modularen Aufbau eines in sich geschlossenen, ringförmigen Querspants.
Der modulare Aufbau erleichtert die Fertigung und/oder Montage des Querspants
und/oder der Fahrzeugkarosserie. Auch die Reparatur des Querspants
und/oder ein Austausch von Querspantsegmenten vereinfachen sich durch
den modularen Aufbau des Querspants. Darüber hinaus ermöglicht der
modulare Aufbau des Querspants eine einfache Anpassung an verschiedene
Fahrzeuggrößen, beispielsweise
für verschieden hohe
Dachvarianten einer Fahrzeugkarosserie.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn die mindestens zwei Querspantsegmente identisch
sind. Hierdurch ist eine besonders einfache und wirtschaftliche
Herstellung der Fahrzeugkarosserie möglich.
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Insbesondere
ist es vorteilhaft, wenn der Querspant aus vier identischen Querspantsegmenten
zusammengesetzt ist.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug,
mit einer vorstehend beschriebenen Karosseriesäule und/oder mit einer vorstehend
beschriebenen Fahrzeugkarosserie.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden
Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1:
eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Kraftfahrzeugkarosserie mit
einem Querspant;
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2:
eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Querspants
zur Verwendung bei einer Kraftfahrzeugkarosserie;
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3 eine
perspektivische Ansicht eines Querschnitts des Querspants aus 1 und 2 gemäß einer
in 1 und 2 mit III bezeichneten Schnittebene;
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4:
eine Explosionsdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Querspants
zur Verwendung bei einer Kraftfahrzeugkarosserie;
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5:
eine Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Karosseriesäule;
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6:
eine perspektivische Ansicht der Karosseriesäule gemäß 5 und ein
mit dieser verbundenes weiteres Karosserieteil;
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7:
einen in 6 mit VII bezeichneten Ausschnitt
in geschnittener und vergrößerter Darstellung;
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8:
einen in 6 mit VIII bezeichneten Ausschnitt
in geschnittener und vergrößerter Darstellung;
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9:
eine Explosionsdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Querspants
zur Verwendung bei einer Kraftfahrzeugkarosserie;
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10:
eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Kraftfahrzeugkarosserie mit
zwei aus jeweils einem Säulenelement
und einem Verstärkungselement
gebildeten Karosseriesäulen;
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11:
eine perspektivische Ansicht eines Säulenelements eines Säulenelements
aus 10 gemäß einer
karosserieaußenseitigen
Perspektive;
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12:
eine perspektivische Ansicht eines Säulenelements eines Säulenelements
aus 10 gemäß einer
karosserieinnenseitigen Perspektive; und
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13:
eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer mit mindestens einem
weiteren Karosserieteil verbundenen Karosseriesäule.
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Gleiche
oder funktional äquivalente
Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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Ein
Ausführungsbeispiel
einer Fahrzeugkarosserie, insbesondere einer Kraftfahrzeugkarosserie,
ist in 1 dargestellt und mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet.
Die Kraftfahrzeugkarosserie 10 erstreckt sich entlang einer
Karosserie-Längsachse 12 zwischen
einem vorderen Karosserieende 14 und einem hinteren Karosserieende 16.
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Die
Kraftfahrzeugkarosserie 10 weist eine Bodengruppe 18 auf.
Die Bodengruppe 18 umfasst eine Mehrzahl von sich zumindest
annähernd
parallel zu der Karosserie-Längsachse 12 erstreckenden Längsträgern. Die
Bodengruppe 18 weist zwei fahrzeugaußenseitig angeordnete Längsträger 20 und zwei
fahrzeugmittig angeordnete Längsträger 22 auf.
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Die
Längsträger 20, 22 erstrecken
sich in Richtung auf das vordere Karosserieende 14 und
gehen dort eine Vorderwagen-Crashstruktur 24 über. Die
Längsträger 20, 22 münden an
ihren dem hinteren Karosserieende 16 zugewandten Enden
an einer rückwärtigen Crash-Struktur 26.
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Die
Kraftfahrzeugkarosserie 10 weist zwei A-Säulen 28,
zwei B-Säulen 30 und
zwei C-Säulen 32 auf.
Diese Säulen
erstrecken sich bezogen auf eine Schwerkraftrichtung 34 in
zumindest annähernd vertikaler
Richtung.
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Die
A-Säulen 28 sind
im Profil rohrförmig
und erstrecken sich von den Längsträgern 20 bis
hin zu einem vorderen, dachseitig angeordneten Querholm 36.
Auf Höhe
des Querholms 36 gehen die A-Säulen 28 in sich im
Wesentlichen parallel zu der Karosserie-Längsachse 12 erstreckende
Dachholme 38 über. Diese
münden
an ihrem rückwärtigen Ende
an einem ebenfalls dachseitig angeordneten, rückwärtigen Querholm 40.
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Die
C-Säulen 32 erstrecken
sich von den Längsträgern 20 bis
hin zu den rückwärtigen Enden der
Dachholme 38 und den seitlichen Enden des Querholms 40.
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Die
B-Säulen 30 erstrecken
sich von den Längsträgern 20 bis
hin zu den Dachholmen 38. Die B-Säulen 30 sind in einen
in sich geschlossen, sich ringförmig
um die Karosserie-Längsachse 12 herum erstreckenden
Querspant 42 integriert. Der Querspant 42 erstreckt
sich quer und insbesondere senkrecht zu der Karosserie-Längsachse 12.
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Der
Querspant 42 weist einen auf Höhe der Bodengruppe 18 der
Kraftfahrzeugkarosserie 10 angeordneten Bodenabschnitt 44 auf.
Von diesem ausgehend erstrecken sich in im Wesentlichen vertikaler Richtung
zwei Karosseriesäulen 46,
welche die B-Säulen 30 bilden.
Dachseitig sind die Karosseriesäulen 46 über einen
Dachabschnitt 48 miteinander verbunden.
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Die
Karosseriesäulen 46 weisen
ein unteres Ende 50 auf, an dem sie über eine bodenseitig angeordnete
Verbindungseinrichtung 52 mit einem weiteren Karosserieteil 58 in
Form des Längsträgers 20 verbunden
sind. Die Karosseriesäulen 46 weisen
ferner ein oberes Ende 54 auf, an dem sie über eine dachseitig
angeordnete Verbindungseinrichtung 56 mit einem weiteren
Karosserieteil 60 in Form des Dachholms 38 verbunden
sind.
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Ein
in 2 dargestelltes Ausführungsbeispiel eines Querspants 42 weist
einen zu dem unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen
Querspant 42 ähnlichen
Aufbau auf. Der Querspant 42 gemäß 2 umfasst
ebenfalls einen Bodenabschnitt 44, zwei zueinander beabstandete,
im Wesentlichen in vertikaler Richtung verlaufende Karosseriesäulen 46 sowie
einen Dachabschnitt 48.
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Der
Querspant 42 gemäß 2 ist
aus einer Mehrzahl von Querspantsegmenten 62, 64, 66 zusammengesetzt.
Die Querspantsegmente 62 und 64 bil den den Bodenabschnitt 44 sowie
untere Abschnitte der Karosseriesäulen 46. Das Querspantsegment 66 bildet
den Dachabschnitt 48 sowie obere Abschnitte der Karosseriesäulen 46.
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Der
Aufbau der Karosseriesäulen 46 der Querspante 42 gemäß 1 und 2 wird
im Folgenden unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. Die
Karosseriesäule 46 weist
ein im Querschnitt hohles Säulenelement 68 auf.
Das Säulenelement 68 ist aus
einem Faserverbundkunststoff hergestellt, welcher Fasermaterial 70 in
Form eines Gewebes oder Geflechts aufweist, das in einen Matrixwerkstoff
eingebettet ist.
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Das
Fasermaterial 70 bildet eine schlauchförmige Struktur, welche einen
Säulenkern 72 der
Karosseriesäule 46 umgibt.
Der Säulenkern 72 ist
aus einem Schaummaterial hergestellt.
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Die
Karosseriesäule 46 weist
ferner ein erstes Verstärkungselement 74 auf,
welches eine Mehrzahl von Endlosfasern 76 umfasst. Die
Endlosfasern 76 können
Glasfasern, Polymerfasern und insbesondere Kohlefasern umfassen.
Das erste Verstärkungselement 74 in
Form der Endlosfasern 76 ist innerhalb des Säulenelements 68 benachbart
zu dem Fasermaterial 70 angeordnet. Das erste Verstärkungselement 74 ist
auf einer der Karosserie-Längsachse 12 zugewandten
Seite der Karosseriesäule 46 angeordnet.
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Die
Karosseriesäule 46 weist
ein zweites Verstärkungselement 78 in
Form von Endlosfasern 80 auf. Die Endlosfasern 80 können Glasfasern,
Polymerfasern und insbesondere Kohlefasern umfassen. Das zweite
Verstärkungselement
ist auf einer der Karosserie-Längsachse 12 abgewandten
Seite der Karosserie säule 46 angeordnet.
Die Endlosfasern 80 sind innerhalb des Säulenelements 68 und insbesondere
zwischen diesem und dem Säulenkern 72 angeordnet.
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Die
Endlosfasern 76 und 80 erstrecken sich von dem
unteren Ende 50 bis hin zu einem oberen Ende 54 der
Karosseriesäule 46 (vgl. 1).
Alternativ hierzu können
sich die Endlosfasern 76 entlang eines Teilabschnitts einer
Karosseriesäule 46 erstrecken.
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Unter
Bezugnahme auf 4 wird im Folgenden ein weiteres
Ausführungsbeispiel
eines Querspants 42 und einer Karosseriesäule 46 beschrieben.
Der in 4 nur abschnittsweise dargestellte Querspant 42 weist
einen in sich geschlossenen Verlauf auf, mit einem Bodenabschnitt 44,
zwei Karosseriesäulen 46,
von denen in 4 lediglich eine Karosseriesäule 46 dargestellt
ist, und mit einem Dachabschnitt 48, welcher die Karosseriesäulen 46 miteinander
verbindet.
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Die
Karosseriesäule 46 des
Querspants 42 gemäß 4 kann
einen unter Bezugnahme auf 3 beschriebenen
Aufbau aufweisen. Die Karosseriesäule 46 gemäß 4 weist
insbesondere ein Säulenelement 68 auf,
das aus einem Faserverbundkunststoff hergestellt ist. Die Verwendung
eines Säulenkerns 72 und
mindestens eines der Verstärkungselemente 74, 78 ist
vorteilhaft, jedoch nicht zwingend. Die Karosseriesäule 46 umfasst
ein sich zwischen dem unteren Ende 50 und dem oberen Ende 54 der Karosseriesäule 46 erstreckendes
Verstärkungselement 82.
Das Verstärkungselement 82 ist
aus einem metallischen Material hergestellt und als dünnwandiges
Umformteil 84 ausgebildet. Das Verstärkungselement 82 kann
insbesondere aus Stahl oder Aluminium hergestellt sein.
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Das
Verstärkungselement 82 und
das Säulenelement 68 liegen
bei Montage des Querspants 42 an einer Kraftfahrzeugkarosserie 10 aneinander
an. Hierbei ist das Verstärkungselement 82 karosserieaußenseitig
und das Säulenelement 68 karosserieinnenseitig
angeordnet. Mit Hilfe des Verstärkungselements 82 kann
das aus einem Faserverbundkunststoff hergestellte Säulenelement 68 vor
einem Eindringen von Fremdkörpern
geschützt
werden. Gleichzeitig ermöglicht
das Verstärkungselement 82 eine
einfache Integration der Karosseriesäule 46 bzw. des Querspants 42 in
einen metallischen Aufbau einer Kraftfahrzeugkarosserie 10.
Hierbei können
konventionelle Fügeverfahren,
beispielsweise Schweißtechniken,
eingesetzt werden. Alternativ oder ergänzend hierzu können Verbindungen
zwischen der Karosseriesäule 46 und/oder
dem Querspant 42 einerseits und weiteren Karosserieteilen 58, 60 einer
Kraftfahrzeugkarosserie 10 andererseits auch mit Hilfe
von Klebeverbindungen hergestellt werden.
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5 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer Karosseriesäule 46.
Diese erstreckt sich zwischen einem unteren Ende 50 und
einem oberen Ende 54. Die Karosseriesäule 46 gemäß 5 setzt
sich aus einem Säulenelement 68,
einem Säulenkern 72 sowie
einem Verstärkungselement 82 zusammen.
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Das
Säulenelement 68 ist
aus einem Faserverbundkunststoff hergestellt. Dieser Faserverbundkunststoff
umfasst insbesondere geflochtene oder gewebte Kohlefasern oder Glasfasern.
Weiterhin ist es möglich,
dass der Faserverbundkunststoff des Säulenelements 68 Glasfasern
umfasst und lokal mit Kohlefasern verstärkt ist.
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Der
Säulenkern 68 weist
an dem oberen Ende 54 der Karosseriesäule 46 eine Verbindungseinrichtung 56 auf.
Mit Hilfe der Verbindungseinrichtung 56 kann die Karosseriesäule 46 mit
einem weiteren Karosserieteil 60, beispielsweise in Form
eines Dachholms 38, verbunden werden. Die Verbindungseinrichtung 56 ist
einstückig
mit dem Säulenelement 68 ausgebildet
und umfasst einen hakenförmigen Materialabschnitt 84,
welcher karosserieinnenseitig einen Aufnahmeraum 86 begrenzt.
In diesem Aufnahmeraum 86 ist ein weiteres Karosserieteil 60,
insbesondere ein Dachholm 38, anordenbar.
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Der
Säulenkern 72 der
Karosseriesäule 46 gemäß 5 ist
vorzugsweise aus einem Schaummaterial hergestellt.
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Das
Verstärkungselement 82 der
Karosseriesäule 46 gemäß 5 ist
als Blechteil ausgebildet und liegt in einem fertig gefügten Zustand
der Karosseriesäule 46 an
der Karosseriesäule 68 an.
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Das
Verstärkungselement 82 kann
beispielsweise eine Materialstärke
von 1 mm bis 3 mm aufweisen. Insbesondere bei der Verwendung von
Aluminium als Verstärkungsmaterial
für das
Verstärkungselement 82,
von Kohlefasern für
den Faserverbundkunststoff des Säulenelements 68 und
eines Schaummaterials für
den Säulenkern 72 ergibt
sich insgesamt eine hohe Gewichtsersparnis gegenüber einer konventionellen,
aus einem Stahlmaterial hergestellten Karosseriesäule.
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Die
vorstehend unter Bezugnahme auf 5 beschriebene
Karosseriesäule 46 ist
in 6 in einem gefügten
Zustand dargestellt. Die an dem oberen Ende 54 der Karosseriesäule 46 angeordnete Verbindungseinrichtung 56 ist
in
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7 vergrößert dargestellt.
Das Säulenelement 68 weist
einen karosserieaußenseitig
angeordneten Wandabschnitt 88 sowie einen karosserieinnenseitig
angeordneten Wandabschnitt 90 auf. Die Wandabschnitte 88 und 90 sind
im Bereich der Verbindungseinrichtung 56 unmittelbar benachbart
zueinander angeordnet, so dass sie einen doppelwandigen und somit
stabilen Verbindungsabschnitt 84 bilden.
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Das
Verstärkungselement 82 der
Karosseriesäule 46 gemäß 5 und 6 weist
an seinem unteren Ende 50 eine Verbindungseinrichtung 52 zur Verbindung
der Karosseriesäule 46 mit
einem weiteren Karosserieteil 58 auf (vgl. 6).
Das weitere Karosserieteil 58 kann beispielsweise in Form
eines Längsträgers 20 einer
Kraftfahrzeugkarosserie 10 gebildet sein.
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Die
Verbindungseinrichtung 52 wird im Folgenden unter Bezugnahme
auf 8 beschrieben. Das karosserieaußenseitig
angeordnete Verstärkungselement 82 weist
eine dem weiteren Karosserieteil 58 zugewandte Verbindungsfläche 92 auf.
Diese Verbindungsfläche 92 kann
insbesondere über eine
Klebeverbindung mit einer der Verbindungsfläche 92 zugewandten
Oberfläche 94 des
weiteren Karosserieteils 58 gefügt werden.
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Ein
in 9 abschnittsweise dargestelltes Ausführungsbeispiel
eines Querspants 42 weist in den Querspant integrierte
Karosseriesäulen 46 auf, von
denen in 9 eine Karosseriesäule 46 dargestellt
ist. Die Karosseriesäule 46 umfasst
ein Säulenelement 68,
das aus einem Faserverbundkunststoff hergestellt ist. Der Säulenkern 68 weist
einen karosserieaußenseitig
angeordneten Wandabschnitt 88 und einen karosserieinnenseitig
angeordneten Wandabschnitt 90 auf. Die Wandabschnitte 80 und 90 sind
zueinander beabstandet.
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Das
Säulenelement 68 weist
eine Verrippung 96 auf, die in dem von den Wandabschnitten 88 und 90 begrenzten
Zwischenraum angeordnet ist.
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Die
Verrippung 96 erstreckt sich entlang der Karosseriesäule 46 sowie
entlang des Dachabschnitts 48 sowie eines Teils des Bodenabschnitts 44 des
Querspants 42.
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In
einem zentralen Bereich des Bodenabschnitts 44 ist zwischen
den Wandabschnitten 88 und 90 des Säulenelements 68 eine
Kammer 98 ausgebildet. Die Kammer 98 dient zur
Anordnung eines separaten Crashelements 100. Ein solches
Crashelement kann auch als "Cone" bezeichnet werden.
Es verbessert die Stabilität
des Querspants 42 bei einem Seitenaufprall.
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Der
Querspant 42 ist mit Hilfe eines Verstärkungselements 102 verstärkt. Das
Verstärkungselement 102 weist
flächige
Gelege- und/oder Gewebelagen aus Fasermaterial, beispielsweise aus
Kohlefasern, auf. Die Lagen 104 umschließen das
Säulenelement 68.
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Der
in 9 dargestellte Querspant kann insbesondere aus
identischen Spantsegmenten zusammengesetzt sein. Bei Verwendung
von vier Spantsegmenten ergibt sich beispielsweise ein Gewicht pro
Spantsegment von 3,4 kg für
einen Querspant zur Verwendung bei einem Kraftfahrzeug der Kompaktklasse
oder Mittelklasse. Hierdurch kann gegenüber einer konventionellen Bauweise
eine Gewichtsersparnis von ca. 45% erreicht werden.
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Ein
in der 10 dargestelltes Ausführungsbeispiel
einer Kraftfahrzeugkarosserie 10 weist einen zu der Kraftfahrzeugkarosserie 10 gemäß 1 ähnlichen
Aufbau auf. Auf die Beschreibung unter Bezugnahme auf 1 wird
diesbezüglich
Bezug genommen. Im Unterschied zu der Kraftfahrzeugkarosserie gemäß 1 weist
die Kraftfahrzeugkarosserie gemäß 10 keinen
Querspant 42, sondern einzelne Karosseriesäulen 46 auf,
die die B-Säulen der Kraftfahrzeugkarosserie 10 bilden.
Diese Karosseriesäulen 46 weisen
jeweils ein Säulenelement 68 sowie
ein Verstärkungselement 106 auf.
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Die
Säulenelemente 68 erstrecken
sich von einem unteren Ende 50 bis hin zu einem oberen Ende 54.
Die Säulenelemente 68 sind
in den 11 und 12 einzeln
dargestellt. Sie sind aus einem Faserverbundkunststoff hergestellt,
beispielsweise aus einem langfaserverstärkten Thermoplast. Die Säulenelemente 68 weisen
einen schalenförmigen Aufbau
auf und tragen auf einer der Karosserieinnenseite zugewandten Seite
Verrippungen 96 (vgl. 12).
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An
einem unteren Ende 50 der Säulenelemente 68 sind
sich bezogen auf die Schwerkraftrichtung 34 im Wesentlichen
in horizontaler Richtung erstreckende Verbindungsabschnitte 84 angeordnet, die
eine Verbindungseinrichtung 52 bilden. Entsprechende Verbindungsabschnitte 84 sind
zur Bildung einer Verbindungseinrichtung 56 an dem oberen Ende 54 des
Säulenelements 68 vorgesehen.
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Die
Verbindungsabschnitte 84 sind schalenförmig ausgebildet. Die Innenflächen (ohne
Bezugszeichen) der Verbindungsabschnitte 84 sind komplementär zu Oberflächen weiterer
Karosserieteile 58, 60 ausgebildet. Auf diese
Weise können
die Verbindungsabschnitte 84 eine formschlüssige Verbindung zwischen
den Säulenelementen 68 und
den weiteren Karosserieteilen 58, 60 herstellen.
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Die
Karosseriesäulen 46 gemäß 10 weisen
jeweils ein bandförmiges
Verstärkungselement 106 auf.
Die Verstärkungselemente 106 sind
aus einem Verstärkungsmaterial
hergestellt, welches insbesondere Kohlefasern umfassen kann.
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Die
Verstärkungselemente 106 sind
im Bereich der unteren Enden 50 der Karosseriesäulen 46 mit
dem weiteren Karosserieteil 58 in Form des Längsträgers 20 verbunden.
An dem oberen Ende 54 der Karosseriesäulen 46 sind die Verstärkungselemente 106 mit
weiteren Karosserieteilen 60 in Form von Dachholmen 38 verbunden.
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Die
Verstärkungselemente 106 stehen
unter Zugspannung. Hierdurch werden die weiteren Karosserieteile 58 und 60 relativ
zueinander verspannt, so dass sich die Stabilität der Kraftfahrzeugkarosserie 10 erhöht. Die
Verstärkungselemente 106 können auch
als Zuggurte bezeichnet werden.
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Ein
in 13 dargestelltes Ausführungsbeispiel einer Karosseriesäule 46 weist
ein Säulenelement 68,
ein karosserieaußenseitig
angeordnetes Verstärkungselement 82 sowie
ein karosserieinnenseitig angeordnetes Verstärkungselement 106 auf.
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Die
Elemente 68, 82 und 106 erstrecken sich zwischen
einem unteren Ende 50 und einem oberen Ende 54 der
Karosseriesäule 46.
Das Säulenelement 68 ist
aus einem Faserverbundkunststoff hergestellt, insbesondere aus einem
langfaserverstärkten
Thermoplast, weiter insbesondere aus einem glasfaserverstärkten Polypropylen.
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Das
Säulenelement 68 weist
zwei zueinander beabstandete, sich im Wesentlichen quer zu einer
Karosserie-Längsachse 12 erstreckende Wandabschnitte 108 und 110 auf.
Zwischen den Wandabschnitten 108 und 110 ist eine
Verrippung 96 angeordnet. Die Verrippung 96 ist
vorzugsweise aus demselben Faserverbundkunststoff hergestellt wie die
Wandabschnitte 108 und 110.
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Das
karosserieaußenseitig
angeordnete Verstärkungselement 82 ist
aus einem metallischen Material hergestellt und Teil der Außenhaut
einer Kraftfahrzeugkarosserie 10. Es schützt das
Säulenelement 68 vor
einer Einwirkung von Fremdkörpern.
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Das
karosserieinnenseitig angeordnete Verstärkungselement 106 weist
Endlosfasern auf, die sich von dem unteren Ende 50 der
Karosseriesäule 46 bis
hin zu dem oberen Ende 54 erstrecken. Mit dem Verstärkungselement 106 einstückig ausgebildet
sind endseitig angeordnete Verbindungseinrichtungen 52 und 56.
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Die
Verbindungseinrichtung 52 umfasst sich jeweils in geraden
Ebenen erstreckende, zueinander winklig stehende Verbindungsabschnitte 112 und 114.
Diese Verbindungsabschnitte können
mit einem weiteren Karosserieteil 58, beispielsweise in
Form eines Längsträgers 20,
verbunden, insbesondere verklebt werden.
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Die
Verbindungseinrichtung 56 weist einen gekrümmten Verbindungsabschnitt 84 auf,
der mit einem insbesondere zylindrischen weiteren Karosserieteil,
wei ter insbesondere einem Dachholm, verbunden, insbesondere verklebt
werden kann.
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Die
Verbindungseinrichtungen 52 und 56 sind einstückig mit
dem Verstärkungselement 106 ausgebildet.
Das Verstärkungselement 106 kann auch
als Zuggurt bezeichnet werden. Mit Hilfe des Verstärkungselements 106,
welches unmittelbar mit zueinander beabstandeten Karosserieteilen 58, 60 verbindbar
ist, können
diese Karosserieteile relativ zueinander verspannt werden. Hierbei
steht das Verstärkungselement 106 unter
Zugspannung.
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Die
Karosseriesäule 46 gemäß 13 wirkt mit
einem zusätzlichen
Crashelement 100 zusammen, welches gemeinsam mit der Verrippung 96 eine bei
einem Unfall auftretende Energie aufnehmen kann. Das Crashelement 100 kann
insbesondere kegelstumpfförmig
ausgebildet sein.
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Die
Karosseriesäule 46 gemäß 13 zeichnet
sich durch einen hochsteifen und sehr leichten Aufbau aus. Sie kann
zudem sehr leicht hergestellt werden, da die Verbindungseinrichtungen 52 und 56 durch
eine geeignete Vorgabe des Verlaufs der Endlosfasern des Verstärkungselements 106 mit ausgeformt
werden können.