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Die
Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug und dessen Karosserie.
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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 und der Tunnel. Zwischen diesen
sich in Fahrzeuglängsrichtung
erstreckenden Modulen befinden sich Bodenplatten, nämlich im
vorderen Karosseriebereich, das heißt in etwa unter den Vordersitzen,
der Boden vorne auf beiden Seiten des Tunnels. Im mittleren Karosseriebereich
befindet sich hinter dem Fersenblech der Boden hinten und im hinteren
Karosseriebereich hinter dem Hinterachsquerträger die Verlängerung
Boden hinten mit der Reserveradmulde.
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Eine
Karosserie besitzt weiterhin im Motorbereich einen Karosserievorderbau
mit zwei Vorderrahmen, deren Verlängerung jeweils mit dem Unterboden
verbunden und in der Regel verschweißt ist. Die Vorderrahmen stel len
im Fall eines Frontalaufpralls einen Hauptlastpfad bereit, über den
Bewegungsenergie in die Karosseriestruktur eingeleitet wird. Während der
Energieabsorption kommt es beim Boden vorne zu einer starken Scherung
des Bodens vorne, da der Vorderrahmen den mittleren Bereich des
Bodens vorne zum hinteren Fahrzeugbereich bewegt und der Boden vorne
seitlich fixiert ist. Eine derart extreme mechanische Belastung
im Fall eines Frontalaufpralls kann im Regelfall nur von einem Boden
vorne aus Metall verkraftet werden.
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Es
ist eine Aufgabe einer Ausführungsform der
Erfindung, eine Kraftfahrzeugkarosserie bereitzustellen, die es
möglich
macht, einen Boden vorne aus Kunststoff einzusetzen und dabei für den Fall
eines Frontalaufpralls dessen strukturelles Versagen zuverlässig auszuschließen.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte
Weiterbildungen und weitere Ausführungsformen ergeben
sich mit den Merkmalen der abhängigen
Ansprüche.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
wird eine Karosserie für
ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Pkw, bereitgestellt,
die einen Vorderrahmen des Karosserievorderbaus besitzt. Der Vorderrahmen
ist über
einen Strukturknoten mit dem Unterboden verbunden, wobei der Strukturknoten
mit der Bodenmitte, mit einem Schweller sowie über ein Verbindungsstück ein weiteres
Mal mit dem Schweller und/oder der Bodenmitte verbunden ist.
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Bei
einem Frontalaufprall wird über
den Vorderrahmen dieser Ausführungsform
Bewegungsenergie des Auf prallgegners in die Karosseriestruktur eingeleitet
und über
den Strukturknoten in den Unterboden weitergeleitet. Durch die Anbindung
des Strukturknotens an den Schweller sowie an die Bodenmitte, d.
h. Tunnel und/oder Tunnelrandprofil, wird die eingeleitete Energie
in einem hohen Maße
in die den Boden vorne umgebende Karosseriestruktur weitergeleitet.
Dadurch gelangt insgesamt weniger oder gar keine Bewegungsenergie
zum Boden vorne. Dies macht es möglich,
auch einen Boden vorne aus Kunststoff, beispielsweise aus einem
faserverstärkten
Kunststoff, vorzusehen, bei dem ansonsten ein strukturelles Versagen
in Gestalt eines Anrisses oder Risses auftreten kann.
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Der
Strukturknoten erstreckt sich, bezogen auf die Fahrzeugquerrichtung,
von der Fahrzeugmitte bis zum Schweller, das heißt über die halbe Fahrzeugbreite.
Der Strukturknoten kann sich dabei bezogen auf die Vertikale unterhalb
des Bodens vorne befinden. Bezogen auf die Fahrzeugquerrichtung
dazwischen, bspw. in der Fahrzeugmitte, ist der Strukturknoten an
die Bodenmitte und auf der Fahrzeugaußenseite mit dem Schweller
verbunden. Mithilfe des Verbindungsstücks erfolgt örtlich dazwischen
eine zusätzliche
Anbindung des Strukturknotens an den Schweller und/oder die Bodenmitte.
Dadurch wird sicher gestellt, dass die eingeleitete Bewegungsenergie
nicht den Strukturknoten zerstört und
der Vorderrahmen durch den Strukturknoten durchgeschoben wird. Dementsprechend
dient das Verbindungsstück
als eine Abstützung
für den
Strukturknoten und verhindert dadurch, dass der Strukturknoten bei
einem Frontalaufprall stark deformiert und ggf. zerstört wird.
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Aus
den obigen Ausführungen
ergibt sich, dass der Vorderrahmen nicht direkt mit dem Boden vorne
verbunden ist, wie es beim Stand der Technik üblich ist, wo der Vorderrahmen
direkt mit dem Boden vorne verschweißt ist. Dies vermeidet die
oben genannten Scherkräfte
im Boden vorne und mindert die Gefahr eines strukturellen Versagens
in Form eines Anrisses oder Risses.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
besitzt der Strukturknoten auf der dem Unterboden bzw. dem Boden
vorne zugewandten Seite drei abragende Arme, von denen die bezogen
auf die Fahrzeugquerrichtung äußeren Arme
mit dem Schweller sowie der Bodenmitte verbunden sind. Ein mittlerer
Arm, der etwa bezogen auf die Fahrzeugquerrichtung in der Mitte
des Bodens vorne abragt, ist über
ein Verbindungsstück
mit dem Schweller und/oder der Bodenmitte verbunden.
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Bei
dieser konkretisierenden Ausgestaltung der Verbindungsstrukturknoten-Unterboden
werden insofern drei separate, voneinander beabstandete Arme zur
Anbindung an den metallischen Schweller bzw. die metallische Bodenmitte
gewählt.
Diese geometrische Wahl bedingte kompakte Abmessungen des Strukturknotens
und definierte Energieströme
im Fall eines Frontalaufpralls. Mit der Bemessung und der Lagewahl
der Arme kann gezielt der Energiefluss vom Vorderrahmen zum Schweller,
zur Bodenmitte und zum Verbindungsstück eingestellt werden, um auf
diese Weise die Belastbarkeit des Unterbodens zu optimieren.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
besteht die Verbindung des Strukturknotens mit der Bodenmitte in
einer Verbindung des Strukturknotens mit dem Tunnel oder dem Tunnelrandprofil.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform kann
vorgesehen sein, dass der Strukturknoten zusätzlich mit einem Radeinbau
verbunden ist. Dies führt
bei einem Frontalaufprall dazu, dass die Aufprallenergie zwischen
Unterboden und Karosserieaufbau aufgeteilt wird. Auf diese Weise
kann verhindert werden, dass im Fall eines Frontalaufpralls der Strukturknoten
nach oben verschoben wird. Auf diese Weise können die Lastpfade zuverlässig gewähr leistet
werden, wodurch sich ein berechenbares Deformationsverhalten des
Kraftfahrzeugs ergibt, und worüber
eine Optimierung des Deformationsverhaltens des Unterbodens möglich ist.
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Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass der Strukturknoten und der Radeinbau
einstückig
ausgebildet sind. Durch diese Strukturintegration kommt es insgesamt
zu weniger Teilen bei der Kraftfahrzeugfertigung, ergibt sich eine
geringe Montagezeit sowie wegen gemeinsamer Wände eine Materialersparnis.
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Zwecks
Vermeidung technisch schwer zu verwirklichender großer Ziehtiefen
beim Tiefziehen des Strukturknotens bietet es sich bei der Herstellung des
Strukturknotens an, ein Verfahren des Urformens einzusetzen. Aus
diesem Grund sieht eine andere Ausführungsform vor, dass der Strukturknoten
aus Stahlguss oder Leichtmetallguss gefertigt ist. Hiermit können geringere
Materialstärken
bei gleichzeitig hoher Stabilität
und geringem Gewicht gewährleistet werden.
Dabei kommt insbesondere Vakuralguss bzw. HPDC (engl. „high Pressure
die cast" bzw. Druckguss
bei hohen Drücken)
in Frage.
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Ferner
kann vorgesehen sein, dass der Strukturknoten und das Verbindungsstück einstückig ausgebildet
sind, beispielsweise einstückig
aus Stahlguss oder Leichtmetallguss gefertigt sind. Es ergibt sich
damit ein relativ großer
Strukturknoten mit geringem Gewicht und verringerten Montagekosten. Alternativ
kann auch ein Verbindungsstück
aus einem tiefgezogenem Blech hergestellt werden, das mit dem Strukturknoten
aus Stahlguss oder Leichtmetallguss verbunden ist.
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Gemäß weiterer
Ausführungsformen
kann der Strukturknoten einen Zapfen für eine Chassis-Anbindung, insbesondere
für einen
Unterrahmen und/oder kann ein Karosserieaufnahmeloch für die Aufhängung der
Karosserie im Rahmen der Fertigung besitzen. Das Karosserieaufnahmeloch
im Strukturknoten vorzusehen bietet sich insbesondere dann an, wenn
ein Boden vorne aus einem Kunststoff gewählt wird, der nicht mit einem
derartigen Loch ausgestattet sein kann, da die Belastbarkeit des
Bodens vorne aus Kunststoff für
diesen Zweck zu gering ist. Durch diese Ausbildung des Strukturbodens
befindet sich das Karosserieaufnahmeloch in etwa am üblichen
Ort, wodurch eine Umstellung in der Fertigung vermieden wird und
bisherige Arbeitsabläufe beibehalten
werden können.
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Um
die Strukturstabilität
des Strukturknotens im Fall eines Frontalaufpralls zu gewährleisten,
ist weiterhin für
den Strukturknoten ein Schließblech vorgesehen
und/oder besitzt der Strukturknoten. Versteifungsrippen. Das Schließblech ist
bei einem Boden vorne aus Kunststoff erforderlich, da bei einer derartigen
Materialwahl der Boden vorne die Schließblechfunktion nicht übernehmen
kann und insofern ein separates Schließblech erforderlich ist. Mit
den Versteifungsrippen kann der Strukturknoten zusätzlich oder
alternativ ausgesteift werden.
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Aus
den obigen Ausführungen
ergibt sich bereits, dass der Boden vorne der genannten Karosserie
aus einem faserverstärkten
Kunststoff bestehen kann, wobei er zumindest teilweise im Direkt-LFT-Verfahren
hergestellt sein kann. Der Boden vorne befindet sich wie üblich zwischen
Schweller und Tunnel und ist mit dem Karosserieunterbau verklebt.
Eine derart gewählte
Bodenplatte hat bei gleicher Strukturstabilität für den Fall eines Frontalaufpralls
im Vergleich zu einer herkömmlichen
aus Blech bestehenden Bodenplatte ein geringeres Gewicht. Umgekehrt
bietet dieser Boden vorne die Möglichkeit,
die zunehmend schärferen
Anforderungen an Kraftfahrzeugkarosserien bezüglich ihrer Strukturstabilität bei Frontalaufpralltests,
zum Beispiel solche nach EURO-NCAP, leichter zu erfüllen. Weiterhin kann
eine Unterbodenverkleidung zur Verbesserung des aerodynamischen
Verhaltens eingespart werden, bzw. ist die Bodenplatte die Unterbodenverkleidung
selbst.
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Die
oben genannte Bodenplatte bzw. Boden vorne besteht also aus einem
faserverstärkten Kunststoff
bzw. hat eine Kunststoffmatrix mit darin eingebetteten Fasern. Eingedenk
der verwendbaren Faserlängen
von 1 mm bis 50 mm kann auch davon gesprochen werden, dass es sich
um einen langfaserverstärkten
Kunststoff bzw. um eine Kunststoffmatrix mit eingebetteten Langfasern
handelt.
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Ausführungsformen
des Bodens vorne haben eine Bodenplatte aus Glasfasern, Kohlefasern und/oder
Naturfasern. Auch hochfeste Aramidfasern, wie sie im Sicher heitsbereich
Verwendung finden, können
für den
Boden vorne verwendet werden.
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Versuche
haben ergeben, dass sich bei Ausführungsformen, bei denen die
durchschnittliche Faserlänge
zwischen 20 mm und 40 mm beträgt,
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 Fasenlängen von etwa 1 Zoll (2,54
cm). 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.
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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 dahin gehend verstanden werden, dass die Bezugszeichen den
Schutzumfang der beanspruchten Erfindung einschränken sollen. Es zeigen:
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1 ein
Kraftfahrzeug in der perspektivischen Seitenansicht von unten;
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2 einen
Strukturknoten in der perspektivischen Seitenansicht von unten;
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3 den
Strukturknoten der 2 in der perspektivischen Seitenansicht
von oben;
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4 eine
weitere Ausführungsform
eines Strukturknotens in der perspektivischen Seitenansicht von
unten.
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Bei
den Figuren, bei denen gleiche Bezugszeichen gleiche Gegenstände benennen,
zeigt die 1 ein Kraftfahrzeug 1 mit
Blick auf dessen Unterbodenstruktur. Das eingezeichnete Koordinatensystem
zeigt die Ausrichtung des Fahrzeugs. Die (–x)-Richtung beschreibt die
Fahrtrichtung, und die y-Achse verläuft von der linken zur rechten
Fahrzeugseite quer dazu. Die z-Achse verläuft, wie üblich, in vertikaler Richtung.
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Bei
der 1 ist der Blick auf den Unterboden 3 gerichtet,
wobei der Unterboden 3 die seitlichen Schweller 5 und
den Tunnel 7 umfasst, zwischen denen der Boden vorne 9 anzutreffen
ist. Im vorderen Motorbereich 11 befindet sich der Karosserievorderbau 13 mit
seinem Vorderrahmen 15, der an der Stirnwand 17 endet
und mit dem Strukturknoten 21 verbunden ist. Der Strukturknoten 21 selbst
ist mit der Bodenmitte 23 verbunden, und zwar vorliegend mit
dem Tunnelrandprofil 25. Alternativ kann jedoch auch eine
Anbindung an den Tunnel 7 gewählt werden.
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Die 2 zeigt
den Strukturknoten 21 in einer ersten Ausführungsform.
Der Strukturknoten besitzt insgesamt vier Arme, und zwar einen ersten
Arm 27 zur Anbindung des Vorderrahmens 15, sowie
drei Arme 29, 31 und 32 zur Anbindung
an den Unterboden 3. Konkret dient der Arm 29 der
Verbindung des Strukturknotens 21 mit der Bodenmitte 23,
beispielsweise mit dem Tunnel 7 oder dem Tunnelrandprofil 25.
Der Arm 31 dient der Anbindung an den Schweller 5 und
der Arm 32 ist mit dem Verbindungsstück 33 verbunden, das
seinerseits mit dem Schweller 5 und/oder der Bodenmitte 23 verbunden
sein kann. In der gezeigten Ausführungsform
ist das Verbindungsstück 33 mit
dem Schweller 5 verbunden.
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Der
gezeigte Strukturknoten 21 besteht aus Al-HPDC, das heißt Aluminiumdruckguss,
das unter hohen Drücken
hergestellt wurde. Ab dem Bereich B ist der Strukturknoten 21 mit
einem länglichen,
tief gezogenen Verbindungsstück 33 als
Hutprofil verbunden, das sich am nicht gezeigten Schweller 5 abstützt, vgl.
hierzu die 1.
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Der
Strukturknoten 21 ist auf der rückwärtigen, in 2 nicht
gezeigten Seite, mit einem Schließblech 35 versehen,
wodurch es für
den Einsatz eines Bodens vorne 9 ausgelegt ist, der aus Kunststoff
besteht. So wird am Boden vorne 9 aus einem Blech gewählt, übernimmt
dies die Schließfunktion,
sodass in diesem Fall auf das Schließblech 35 verzichtet
werden kann.
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Die 3 zeigt
den Strukturknoten 21 der 2 von der
rückwärtigen Seite
aus, zeigt also eine Darstellung mit Blick auf die dem Boden vorne 9 zugewandten
Seite des Strukturknotens 21. Das Schließblech 35 ist
nicht gezeigt, wodurch die Versteifungsrippen 37 zu sehen
sind, mit der die Strukturstabilität für den Fall eines Frontalaufpralls
verstärkt
wird. Zu erkennen ist ebenfalls, wie auch bei 2,
der Zapfen 39 für
die Chassis-Anbindung, beispielsweise für die Anbindung des Unterbodens 3.
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Die 4 zeigt
eine weitere Ausführungsform
eines Strukturknotens 21. Abweichend zur Ausführungsform
der 2 ist bei dem Strukturknoten 21 eine
einschlägige
Ausbildung mit dem Radeinbau 41 realisiert. Auf diese Weise
wird die Teilzahl bei der Fahrzeugherstellung gemindert, Lagerkosten
eingespart und die Montagezeit verringert. Ebenfalls zu sehen ist
das Karosserieaufnahmeloch 43 für die Aufhängung der Karosserie im Rahmen
der Fertigung.
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Der
in der 1 zu sehende Boden vorne 9 besteht aus
Kunststoff, und zwar konkret aus einem im D-LFT-Verfahren hergestellten Polyamid
mit Langfasern. Der Boden vorne 9 hat etwa einen rechteckigen
Zuschnitt und besteht aus PA6.6/GF30, bei einer Materialstärke von
etwa 3 mm. Ein derartiger Boden vorne 9 ist um etwa 40%
leichter als ein entsprechender Boden vorne in Blechbauweise. Dies
mindert das Gewicht des zugeordneten Unterbodens bzw. des Fahrzeugs
insgesamt und hilft Kraftstoff, zu sparen.
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Weitere
Verwirklichungen des Bodens vorne 9 hatten einen Faseranteil
zwischen 20 Gew-% und 40 Gew-%. Der genannte Faseranteil ist hierbei
ein Kompromiss. Unter 20 Gew-% ist die Stabilität des Bodens vorne 9 unbefriedigend.
Bei über
40 Gew-% wird die Bodenplatte zu schwer, wobei sich gleichzeitig
ihre Herstellbarkeit verschlechtert. Der gewählte Kunststoff ist Polyamid
oder Polypropylen. 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
erst nach dem Durchlaufen der Lackierstraße einzubauen. Der Einbau erfolgt
zum Beispiel durch Verkleben.
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Obwohl
vorstehend konkrete Ausführungsformen
beschrieben wurden, wird der Fachmann erkennen, dass die Beschreibung
diese 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 Schutzbereich der beanspruchten Erfindung fallen.
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- 1
- Kraftfahrzeug
- 3
- Unterboden
- 5
- Schweller
- 7
- Tunnel
- 9
- Boden
vorne
- 11
- Motorbereich
- 13
- Karosserievorderbau
- 15
- Vorderrahmen
- 17
- Stirnwand
- 21
- Strukturknoten
- 23
- Bodenmitte
- 25
- Tunnelrandprofil
- 27
- Arm
- 29
- Arm
- 31
- Arm
- 32
- Arm
- 33
- Verbindungsstück
- 35
- Schließblech
- 37
- Versteifungsrippe
- 39
- Zapfen
- 41
- Radeinbau
- 43
- Karosserieaufnahmeloch
- B
- Bereich