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Die
Erfindung betrifft Kraftfahrzeuge, insbesondere Pkws, und deren
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, 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.
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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.
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Es
ist eine Aufgabe einer Ausführungsform der Erfindung, eine
selbsttragende Kraftfahrzeugkarosserie mit geringem Gewicht bereitzustellen.
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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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Ein
erster Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Rahmenstruktur
für den Unterboden einer selbsttragenden Kraftfahrzeugkarosserie,
beispielsweise einer selbsttragenden Pkw-Karosserie. Diese umfasst
einen länglichen Tunnel und zwei hierzu parallele Schweller.
Die zwei Schweller sind links und rechts des Tunnels angeordnet.
Weiterhin besitzt die Rahmenstruktur einen Stirnwandquerträger
mit Schließblech, der direkt mit beiden Schwellern und dem
Tunnel verbunden ist.
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Die
Rahmenstruktur verfügt ferner über ein hin teres
und/oder vorderes Radgehäuse, mit einem nach unten offenen
Hauptstrukturbogen, dessen Enden mit einem Karosserieboden bzw.
Unterboden verbunden sind. Der Hauptstrukturbogen hat in etwa die
Form eines nach unten offenen U's und definiert eine Hüllkurve
für das zu umgebende Hinter- oder Vorderrad. Hierbei besitzt
der Hauptstrukturboden auf seiner dem Unterboden zugewandten Seite, nachfolgend
auch Fahrzeuginnenseite genannt, in seinem oberen Bereich eine Dämpferaufnahme,
von der eine mit dem Unterboden verbundene Stützstrebe
nach unten abragt. Die Stützstrebe verläuft damit bei
in das Fahrzeug eingebautem Radgehäuse fahrzeuginnenseitig
und dient dazu, die vom Fahrwerk in die Dämpferaufnahme
eingeleiteten Kräfte besser aufzunehmen. Zwecks einer symmetrischen
Krafteinleitung können auch zwei derartige Stützstreben vorgesehen
sein.
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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 Rahmen struktur verbunden ist. Der Boden
vorne kann aus Blech oder aus Kunststoff bestehen. Die letztgenannte
Wahlführt 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.
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Das
der Rahmenstruktur zugeordnete Radgehäuse und auch dessen
nachfolgend beschriebene Modifikationen verlassen den bekannten
Ansatz, ein Radgehäuse mit geschlossenen Blechen bzw. hierfür
eine Blechschalenbauweise zu wählen, vollständig.
Es wurde vielmehr unter Analyse der Sollfunktionen des Radgehäuses
eine Strebenstruktur gewählt, mit der diese Sollfunktionen
grundsätzlich gewährleistet und darüber
hinaus durch deren präzise Erfassung noch zuverlässiger
erfüllt werden können. Darüber hinaus
ermöglicht die Strebenstruktur eine erhebliche Material-
und Gewichtsersparnis gegenüber einer konventionellen Schalenbauweise,
die bei in der Praxis einsetzbaren Varianten bei ca. 50% liegt.
Die Gewichts- und Kraftstoffersparnis für ein Kraftfahrzeug
mit diesem Radgehäuse liegen auf der Hand.
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Alternativ
zum Radgehäuse oder kumulativ hierzu ist die o. g. C-Säule
gewählt. Der Fahrzeugbereich C-Säule besitzt ein
Innenblech (auch Seitenwand innen genannt), ein Außenblech
(auch Seitenwand außen genannt) und eine dazwischen angeordnete
Verstärkung C-Säule und dient wie allgemein üblich
dem Verbinden des Unterbaus mit dem Dachrahmen. Dadurch, dass die
Verstärkung C-Säule als Schließbügelverstärkung
zur Montage eines Schließbügels einer Fahrzeugdrehtür
ausgebildet ist, müssen einerseits weniger Teile im Lager
vorgehalten und verbaut werden. Andererseits werden Montageschritte
und damit Kosten eingespart, aber auch Gewicht durch entbehrliche
Befestigungsmittel wie Schrauben etc.
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Zusammenfassend
ermöglicht die obige Kombination der Rahmenstruktur mit
dem Radgehäuse die Bereitstellung einer sehr leichten Kfz-Karosserie
bei vergleichbarer Strukturstabilität im Vergleich zu einer
Karosserie in Blechbauweise.
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Bei
einer zweiten Ausführungsform ist der Stirnwandquerträger
mit einem Boden vorne aus einem faserverstärkten Kunststoff
verklebt. Bezugnehmend auf die Ausführungen vom mittigen
Absatz der vorherigen Seite 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.
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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.
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Bei
weiteren Ausführungsformen besitzt die Rahmenstruktur eine
zumindest teilweise im D-LFT-Verfahren hergestellten Boden vorne.
Der Boden vorne besteht insofern zumindest teilweise aus einem faserverstärkten,
insbesondere langfaserverstärkten Kunststoff.
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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.
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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.
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Untersuchungen
haben ergeben, dass sich bei Ausführungsformen, bei denen
die durchschnittliche Faser länge zwischen 20 mm und 40
mm betrug, der Boden vorne 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.
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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.
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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.
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Eine
Ausgestaltung der Rahmenstruktur sieht ferner einen Boden vorne
vor, der stoffschlüssig 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.
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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.
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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.
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Ferner
kann vorgesehen sein, dass als Schweller ein Strangpressprofil gewählt
ist. Dieses Profil ist einteilig und geschlossen und erfordert zu seiner
Herstel lung weniger Fügeoperationen als das häufig
eingesetzte zweiteilige Hutprofil mit Schließblech.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform besteht die Rahmenstruktur
aus einem Stahl mit einer Streckgrenze von mindestens 500 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.
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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.
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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.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist auf der Fahrzeuginnenseite
eine vom Hauptstrukturbogen nach unten abragende Innenstrebe vorgesehen.
Diese Innenstrebe bildet dann zusammen mit der im vorletzten Absatz
genannten Stützstrebe die Verstärkung für
den unteren Bereich der C-Säule. Form, Lage und Ausrichtung
von Innenstrebe und Stützstrebe können dank der
einfachen Strebengeometrie leicht variiert und darüber
optimiert werden, um Torsionslasten besser aufzunehmen.
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Ferner
ist eine Ausführungsform vorgesehen, bei der die abragende
Innenstrebe einen Bolzen besitzt, wobei der Bolzen entweder angeformt
ist oder Innenstrebe und Bolzen einstückig sein können. Dieser
Bolzen hat meist eine waagrecht ausgerichtete Achse und dient als
Drehlager für eine Rückenlehne des Fahrzeugs.
Der Bolzen ist integraler Bestandteil des Radgehäuses,
sodass seine Montage im Werk entfällt und die Fertigungskosten
des Fahrzeugs gesenkt werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist eine erste, im Westlichen
horizontal verlaufende Verbindungsstrebe zur Verbindung der Enden
des Hauptstrukturbogens, der Stützstrebe und der abragenden
Innenstrebe vorgesehen. Die erste Verbindungsstrebe versteift die
oben genannte Strebenstruktur entlang der späteren Fahrzeuglängsrichtung und
dient weiterhin zur Anbindung des Radgehäuses am Hinterrahmen
des Kraftfahrzeugs.
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Weiterhin
kann eine Ausführungsform vorgesehen sein, bei der der
Hauptstrukturbogen einen senkrecht ausgerichteten Flansch besitzt.
Der über die gesamte Länge des Hauptstrukturbogens
verlaufende bzw. durchgehende Flansch definiert eine Grenze zwischen
dem inneren Radge häuse, das dem Karosserieboden bzw. der
Fahrzeuginnenseite zugewandt ist und vorstehend beschrieben wurde, sowie
einem äußeren, der Fahrzeugaußenseite
zugewandten und nachstehend noch zu erläuterndem äußeren
Radgehäuse. Das innere und das äußere Radgehäuse
bilden dann das vollständige Radgehäuse. Durch
das Vorsehen eines Flansches ist zunächst eine getrennte
Herstellung von innerem und äußerem Radgehäuse
möglich, was angesichts der Abmessungen eine preiswerte
Fertigung zulässt. Der Flansch erlaubt dann die nachträgliche
Verbindung dieser beiden Teile und auch der Anbindung der Seitenwand
innen. Selbstverständlich ist es auch möglich,
mit entsprechend großen Umformwerkzeugen direkt ein einteiliges
Radgehäuse herzustellen.
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Ferner
kann vorgesehen sein, dass der Hauptstrukturbogen auf der dem Karosserieboden abgewandten
Seite des Flansches, d. h. auf der Fahrzeugaußenseite,
eine abragende Außenstrebe besitzt, die endseitig mit einem
nach unten offenen Außenstrukturbogen verbunden ist, wobei
der Außenstrukturbogen über einen Flansch zur
Anbindung einer Seitenwand außen des Kraftfahrzeugs verfügt. Der
Außenstrukturbogen definiert zusammen mit der Außenstrebe
einen ersten Teil des äußeren Radgehäuses
und dient mit seinem Flansch bzw. seiner Flanschaufnahme der Anbindung
der Seitenwand außen. Der Flansch selbst muss hierbei keinen
Bogen bilden, auch wenn sich dies aufgrund der Lage des Flansches
am oberen Ende der Radgehäuseöffnung anbietet.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform ist ferner auf der der Fahrzeugaußenseite
zugewandten Seite des Radgehäuses eine parallel zum Hauptstrukturbogen
verlaufende Strebe vorgesehen. Diese Strebe, die einerseits mit
der abragenden Außenstrebe des vorletzten Absatzes und
andererseits mit einer weiteren Außenstrebe verbunden sein kann,
ist meist im oberen Radgehäusebereich angeordnet und dient
als Flanschauflage zur Anbindung der C-Säule.
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Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass der Außenstrukturbogen in seinem
unteren Bereich als Flanschauflage für die Anbindung einer
Heckleuchte ausgebildet ist.
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Ferner
ist eine Ausführungsform möglich, bei der zweite
Verbindungsstreben zwischen den Enden des Außenstrukturbogens
und den Enden des Hauptstrukturbogens vorgesehen sind. Auch diese Verbindungsstreben
dienen der Versteifung des Radgehäuses sowie der erleichterten
Anbindung an den Hinterrahmen.
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Wie
oben erläutert, besteht das Radgehäuse aus einem
inneren und einem äußeren Radgehäuse. Gemäß einer
weiteren Ausführungsform sind das innere und/oder das äußere
Radgehäuse bzw. ist das Radgehäuse auf der Fahrzeuginnenseite
und/oder auf der Fahrzeugaußenseite einstückig
aus einem Leichtmetalldruckguss, insbesondere Aluminiumdruckguss,
gefertigt. Die oben erläuterte Strebenstruktur des Radgehäuses
führt in Kombination mit dieser Materialwahl zu einer erheblichen
Gewichtsersparnis von ca. 50% (wenn beide Hälften des Radgehäuses
aus Aluminiumdruckguss bestehen) bei vergleichbarer Strukturstabilität
im Vergleich zu einem Radgehäuse in konventioneller Schalenbauweise.
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Selbstverständlich
ist es auch möglich, die oben erläuterte Strebenstruktur
des Radgehäuses mit der klassischen Schalenbauweise zu
kombinieren. Beispielsweise kann auf der Fahrzeugaußenseite
eine mit dem vertikalen Anlageflansch des Hauptstrukturbogens verbundene
schalenförmige Blechstruktur gewählt werden und
auf der Fahrzeuginnenseite eine Strebenstruktur wie oben erläutert. Diese
Vorgehensweise erleichtert eine Reparatur des Radgehäuses
im Schadensfall bzw. ermöglicht dann ein konventionelles
Ausbeulen.
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Die
obigen Ausführungsformen beschreiben im Wesentlichen das
Radgehäuse in seiner Grundfunktion. Zwecks Anbindung des
Radgehäuses an das Kraftfahrzeug können ferner
folgende Vorkehrungen getroffen sein. Das Radgehäuse kann:
- • über einen integrierten
Tankeinfüllstützen verfügen,
- • eine integrierte obere Rücksitzbankbefestigung haben,
beispielsweise in Form eines abragenden Bolzens,
- • angeformte oder integrierte Befestigungsmittel für
eine Kfz-Innenverkleidung, ein Warndreieck und/oder einen Verbandskasten
besitzen,
- • angeformte oder integrierte Verzurrösen
haben, z. B. zum Sichern zu transportierender Gegenstände
im Kofferraum,
- • einen integrierten Federteller für die Hinterachse haben,
und/oder
- • eine integrierte Stoßdämpferaufnahme
für die Hinterachse haben.
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Den
genannten Vorkehrungen ist gemeinsam, dass sie integraler Bestandteil
des Radgehäuses sind. Wird ein Radgehäuse von
einem Zulieferer bezogen, so lassen sich diese Vorkehrungen bereits bei
der Fertigung vorsehen und müssen somit nicht mehr im Werk
montiert werden, sodass das Automobilunternehmen einen geringeren
Montageaufwand bei niedrigeren Kosten hat.
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Weiterhin
kann am Radgehäuse eine C-Säule befestigt sein,
deren Verstärkung C-Säule einstückig
mit der Schließbügelverstärkung ausgebildet
ist.
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Der
Fahrzeugbereich C-Säule besitzt ein Innenblech (auch Seitenwand
innen genannt), ein Außenblech (auch Seitenwand außen
genannt) und eine dazwischen angeordnete Verstärkung C-Säule und
dient wie allgemein üblich dem Verbinden des Unterbaus
mit dem Dachrahmen. Dadurch, dass die Verstärkung C-Säule
als Schließbügelverstärkung zur Montage
eines Schließbügels einer Fahrzeugdrehtür
ausgebildet ist, müssen einerseits weniger Teile im Lager
vorgehalten und verbaut werden. Andererseits werden Montageschritte
und damit Kosten eingespart, aber auch Gewicht durch entbehrliche Befestigungsmittel
wie Schrauben etc.
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In
einer Ausgestaltung besteht die C-Säule aus maßgeschneiderten
geschweißten Platinen bzw. aus tailored welded blanks.
Für die Schließbügelverstärkung
ist dann eine höhere Materialdicke bzw. Blechstärke
und ggf. eine höhere Materialgüte vorgesehen.
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Mithilfe
der tailored welded blanks kann eine C-Säule mit annähernd
maßgeschneiderten Steifigkeitseigenschaften bei begrenztem
Gewicht realisiert werden, die einem Seitenaufprall optimal standhält, wobei
gleichzeitig unter Beachtung der Sollfunktion des oben genannten Torsionsrings
die Schließbügelverstärkung integriert
ist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Rahmenstruktur besteht die C-Säule
aus maßgeschneiderten gerollten Platinen bzw. aus tailored
rolled blanks. Tailored rolled blanks enstehen durch flexibles Walzen
von Stahlblechen mit anschließendem Gesenkbiegen, Schweißen
und ggf. ergänzendem Profilbiegen. Sie liefern im Vergleich
zu tailored welded blanks bei reduzierten Kosten gleichmäßigere Übergänge
in der Materialstärke.
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Eine
weitere Ausführungsform sieht ferner eine C-Säule
aus einem Pachwork-Stahlblech vor. Im Gegensatz zu einer C-Säule
aus tailored welded blanks werden bei dieser nicht rechteckige Profile, sondern
Profile mit weitgehend freier Kontur zusammengeschweißt,
wodurch es möglich ist, die Verstärkung C-Säule
lokal mit einer höheren Materialdicke auszustatten und
dadurch bzgl. ihrer Steifigkeitseigenschaften zu optimieren.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine selbsttragende Kraftfahrzeugkarosserie
mit einer Rahmenstruktur nach einer der obigen Ausführungsformen.
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Ferner
bezieht sich ein Aspekt der Erfindung auf ein Kraftfahrzeug, insbesondere
einen Pkw, mit einer Rahmenstruktur nach einer der obigen Ausführungsformen.
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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 dahingehend verstanden wer den, dass die Bezugszeichen
den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung einschränken
sollen. Es zeigen:
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1 eine
Rahmenstruktur in der perspektivischen Seitenansicht,
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2 einen
Schnitt A-A durch die 1,
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3 ein
Achteckprofil zum Einfassen des Bodens hinten,
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4a–d
einen Boden vorne zum Einbau in die Rahmenstruktur der 1,
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5 eine
erste Ausführungsform einer Rahmenstruktur mit Radgehäuse,
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6 das
Radgehäuse der 5 von der Fahrzeuginnenseite
her gesehen,
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7 das
Radgehäuse der 5 von der Fahrzeugaußenseite
her gesehen,
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8 eine
Ausführungsform der Rahmenstruktur mit Radgehäuse
und C-Säule,
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9 eine
Verstärkung C-Säule.
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Bei
den Figuren, die allgemein mit gleichen Bezugszeichen gleiche Gegenstände
bezeichnen, zeigt 1 eine erfindungsgemäße
Rahmenstruktur 1 für den Unterboden einer selbsttragenden
Kraftfahrzeugkarosserie, die aus Gründen der Anschaulichkeit
zunächst ohne ein Radgehäuse zu sehen ist. Der
Pfeil P gibt hierbei die Fahrzeuglängsrichtung an, wobei
die Pfeilspitze zum vorderen Fahrzeugbereich zeigt.
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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 direkt 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 Knoten 10 bzw. 11 aus Aluminiumdruckguss,
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.
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Die
Rahmenstruktur 1 hat optisch Ähnlichkeit mit einem
Fachwerkrahmen und besteht aus einem hochfesten Stahl mit einer
Streckgrenze von mindestens 500 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 Knoten 10 bzw. 11 aus
Aluminiumdruckguss verschweißt und hierbei parallel zu
den als Strangpressprofil ausgebildeten Schwellern 3 bzw. 4 angeordnet.
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Die 4b und 4c zeigen
jeweils 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. Stoffschlüssig
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.
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4a zeigt
eine derartige 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.
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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 Streu ungen in den Abmessungen geringer
sind als bei der Herstellung einer mehrteiligen Blechkarosserie,
bei der sich die Sitzbefestigungen 15 auf verschiedenen
Bauteilen befinden, wird die Montage der Kraftfahrzeugsitze erleichtert.
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4d zeigt
die Unterseite 18 eines Bodens vorne 13. In dieser
Darstellung erkennt man die Wabenstruktur 8 der Sitzbefestigung 3,
mit dem im Vergleich zu einer massiven Ausführung Material
eingespart und sogar die Strukturstabilität für
den Fall eines Frontal- oder Seitenaufpralls verbessert werden kann.
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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.
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5 zeigt
die Rahmenstruktur 1 der 1, nunmehr
aber ergänzt um ein Radgehäuse 20, das einerseits
mit den Knoten 10, 11 und andererseits mit den
beiden Achteckprofilen 9 verbunden ist.
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6 zeigt
ein Radgehäuse 20 im Detail, und zwar von der
Fahrzeuginnenseite bzw. dem Fahrgastraum her gesehen, vgl. 5.
Das Radgehäuse 20 ist einstückig aus
Aluminiumdruckguss gefertigt. Man erkennt zunächst einen
Hauptstrukturbogen 21, der grob die Form eines umgedrehten
Us hat, mit im oberen Bereich angrenzender Dämpferaufnahme 22.
Um die über die (nicht gezeigten) Federbeine eingeleiteten
Kräfte besser aufnehmen zu können, ragen von der
Dämpferaufnahme Stützstreben 23a und 23b nach
unten ab, um bei der Montage mit ihren unteren Enden mit dem Hinterrahmen
(nicht gezeigt) verbunden zu werden.
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Weiterhin
verfügt das Radgehäuse 20 über eine
vom Hauptstrukturbogen 21 nach unten abragende Innenstrebe 24.
Die Stützstreben 23a, 23b und die Innenstrebe 24 bilden
zusammen eine Verstärkung des unteren Teils einer hier
nicht gezeigten C-Säule. Die unteren Enden 25, 26 des
Hauptstrukturbogens 21 und die untere Enden der Stützstreben 23a und 23b sowie
der Innenstrebe 24 sind mit einer horizontal angeordneten
Verbindungsstrebe 27 verbunden. Die Verbindungsstrebe 27 dient
der Aussteifung des Radgehäuses 20 und der Anbindung
an das Achsteckprofil 9, vgl. 5.
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Der
Hauptstrukturrahmen 21 besitzt über seine gesamte
Länge einen senkrechten Flansch 28. Er grenzt
den aus der Perspektive des Betrachters vor dem Flansch 28 befindlichen
Teil des Radgehäuses 20, das innere Radgehäuse 29,
von dem äußeren Radgehäuse 30 ab,
das sich hinter dem Flansch 28 befindet. Die Bezeichnungen
inneres/äußeres Radgehäuse orientieren
sich demnach an die Einbauposition im Fahrzeug. Wäre das
Radgehäuse 20 im Fahrzeug eingebaut, so würde
man es demgemäß bei 1 von der
Fahrzeuginnenseite her betrachten, vgl. 5.
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7 zeigt
das Radgehäuse 20 der 1 von der
rückwärtigen Seite her, sie zeigt also primär das äußere
Radgehäuse 30. Man erkennt auf dieser Fahrzeugaußenseite
eine abragende Außenstrebe 31, die endseitig mit
einem nach unten offenen Außenstrukturbogen 32 verbunden
ist, wobei der Außenstrukturbogen 32 über
einen Flansch 33 zur Anlage einer Seitenwand außen
des Kraftfahrzeugs (nicht gezeigt) verfügt. Der Flansch 33 ist
selbst bogenförmig und verläuft etwa vom Punkt
A bis zum Punkt B.
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Ausgehend
von der Außenstrebe 31 verläuft parallel
zum Hauptstrukturbogen 21 eine Strebe 34 bis zu
einer weiteren Außenstrebe 35, die vom Hauptstrukturbogen 21 zum
Punkt A des Außenstrukturbogens 32 führt.
Die Strebe 34 dient als Flanschauflage zur Anbindung der
C-Säule. Weiterhin sind die äußeren Bereiche
des Außenstrukturbogens 32 bzw. ist dessen unterer
Bereich als Flanschauflage 36 für die Anbindung
einer Heckleuchte ausgebildet. Die Enden von Außenstrukturbogen 32 und Hauptstrukturbogen 21 sind
ferner zwecks Aussteifung über zweite Verbindungsstreben 37a, 37b,
die horizontal verlaufen und mit der Verbindungsstrebe 27 des
inneren Radgehäuses 29 einen geschlossenen Ring
bilden, miteinander verbunden.
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Das
in den 6 und 7 gezeigte Radgehäuse 20 besteht
aus Aluminiumdruckguss mit einer Materialstärke, die über
das Bauteil variabel verteilt zwischen 2 bis 5 mm liegt. Es hat
gegenüber einem Radgehäuse in Schalenbauweise
mit Blechen der Stärke 1 mm ein um 55% geringeres Gewicht
bei gleicher Strukturstabilität. Ein Teil der Gewichtsersparnis
rührt beispielsweise daher, dass bei einer Schalenbauweise
die zentrale Verstärkungsplatte für die Dämpferaufnahme 22 aus
einem Blech mit einer Stärke von ca. 2.5 mm beträgt,
wohingegen bei der gezeigten Ausführungsform bei gleicher
oder leicht größerer Materialstärke das
Gewicht wegen des geringeren spezifischen Gewichts des Al-Druckguss geringer
ist. In der Herstellung wurden das innere Radgehäuse 29 und
das äußere Radgehäuse 30 separat
in Umformwerkzeugen hergestellt und dann am Flansch 28 zusammengefügt.
Die separate Herstellung erfolgt aus Kostengründen, weil
die beiden Radgehäusehälften wegen ihrer Abmessungen
große und deshalb teure Umformwerkzeuge benötigt
hätten. Bei Vorhandensein größerer Umformwerkzeuge kann
selbstverständlich das Radgehäuse 20 auch
in einem einzigen Arbeitsgang hergestellt werden und ebenso einteilig
ausfallen. In beiden Fällen können auch weitere
Vorkehrungen im Sinne der Ansprüche 27 bis 31, beispielsweise
den Bolzen 38 für die Befestigung einer Rückenlehne,
mitintegriert werden, wodurch Montagezeit im Automobilwerk eingespart wird.
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8 zeigt
die Rahmenstruktur 1 der 5, ergänzt
mit beidseitig angeordneten und jeweils mit dem Radgehäuse 20 verbundenen
C-Säulen 39. Die C-Säule 39 besitzt
ein Außenblech, ein Innenblech sowie eine dazwischen angeordnete
Verstärkung C-Säule 40, wobei in der 8 nur
das Außenblech zu sehen ist.
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9 zeigt
die Verstärkung C-Säule 40 im Detail.
Diese besitzt einen Flansch 41 zur Anbindung der Seitenwand
innen und einen Flansch 42, der mit einem Radgehäuse 20 zu
verbinden ist. Der Bereich 43 hat eine größere
Materialdicke, was über die Dicke der tailored welded blanks
realisiert ist. Er dient als Schließbügelverstärkung.
Man erkennt, dass daran ein Schließbügel 44 mit
zwei Schrauben 45 festgeschraubt ist.
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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 Schutz umfang der beanspruchten
Erfindung fallen.
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- 1
- Rahmenstruktur
- 2
- Tunnel
- 3
- Schweller
- 4
- Schweller
- 5
- Stirnwandquerträger
- 6
- Fersenblech
- 7
- Öffnung
- 8
- Öffnung
- 9
- geschlossenes
Profil/Achteckprofil
- 10
- Knoten
- 11
- Knoten
- 12
- Auflagefläche
- 13
- Boden
vorne
- 14
- Bodenplatte
- 15
- Sitzbefestigung
- 16
- Metallverstärkung
- 17
- Boden
hinten
- 18
- Schließblech
- 19
- Unterseite
- 20
- Radgehäuse
- 21
- Hauptstrukturknoten
- 22
- Dämpferaufnahme
- 23a
- Stützstrebe
- 23b
- Stützstrebe
- 24
- Innenstrebe
- 25
- Ende
- 26
- Ende
- 27
- Verbindungsstrebe
- 28
- Flansch
- 29
- inneres
Radgehäuse
- 30
- äußeres
Radgehäuse
- 31
- Außenstrebe
- 32
- Außenstrukturbogen
- 33
- Flansch
- 34
- Strebe
- 35
- Außenstrebe
- 36
- Flanschauflage
- 37a
- Verbindungsstrebe
- 37b
- Verbindungsstrebe
- 38
- Bolzen
- 39
- C-Säule
- 40
- Verstärkung
C-Säule
- 41
- Flansch
- 42
- Flansch
- 43
- Bereich
- 44
- Schließbügelverstärkung
- 45
- Schraube
- 46
- Verlängerung
Boden hinten
- P
- Pfeil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007056854 [0003]
- - DE 102007035495 [0003]
- - DE 102006052992 [0003]