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Die
Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung für eine B-Säule
eines Kraftwagens nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Bei
der Auslegung von Kraftfahrzeugkarosserien zur Erzeugung einer optimalen
Schutzwirkung bei einem Seitenaufprall kommt den Säulenbereichen
eine besondere Bedeutung zu. Sie müssen den Hauptanteil
der seitlich einwirkenden Kräfte aufnehmen und gezielt
und sicher an andere Trägerelemente weiterleiten, um Intrusionen
in den Bereich der Fahrgastzelle zu verhindern. Ein besonderes Problem
ergibt sich hierbei für viertürige Kraftwagen
mit Coupé- oder Cabriocharakter. Bei solchen Fahrzeugen
ist die B-Säule lediglich mit ihrem unteren Bereich an
einen in Fahrzeuglängsrichtung verlaufenden tragenden Element
der Karosserie, dem so genannten Schweller, angebunden, das obere
Ende der Säule ist frei und erfährt keine Abstützung
in Fahrzeugquerrichtung. Durch diese kragbalkenartige Lagerung der
B-Säule treten bei einem Seitenaufprall besonders hohe
Belastungen im Bereich der Anbindung der B-Säule an den
Schweller auf. Um eine massive Verformung oder gar ein Abreißen
des Anbindungsbereiches mit nachfolgender Intrusion der gesamten
B-Säule in den Fahrzeuginnenraum zu verhindern, ist daher
eine besonders stabile und insbesondere momentensteife Anbindung
der Säule an den Schweller nötig. Aufgrund des
geringen zur Verfügung stehenden Bauraumes ist jedoch eine
großflächige Abstützung der B-Säule
gegen einen Fahrzeugbodenbereich nur schwer durchführbar.
Eine solche Säulenanbindung muss daher den gegensätzlichen
Anforderungen von besonders hoher Stabilität und gleichzeitig
besonders kompakter Ausführung genügen.
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Dem
Stand der Technik sind verschiedene Verbindungsanordnungen für
eine B-Säule an einen Schweller als bekannt zu entnehmen:
So
offenbart die
WO
2004 /050459 A1 ein Seitenwandmodul für ein Kraftfahrzeug,
bei welchem ein Schweller als Hohlprofil ausgeführt ist,
welches eine Ausnehmung aufweist, in die ein korrespondierendes Ende
eines B-Säulenbauteiles eingesteckt werden kann.
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Die
EP 1 632 422 A2 offenbart
eine Kraftfahrzeugkarosserie, bei der ein Verstärkungsblech
innerhalb einer B-Säule angeordnet ist, welches ins Innere eines
Schwellerhohlprofils geführt wird und dort zur Anbindung
der B-Säule an den Schweller dient.
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Ein
weiteres Anbindungskonzept zeigt die
DE 199 48 364 C2 . Dort ist eine Säulenverbindungsstruktur
für einen Kraftwagen beschrieben, bei welcher ein Seitenschweller
als abgestuftes Profil ausgeführt ist. Der untere Bereich
einer zu verbindenden Mittelsäule weist eine komplementäre
Abstufung auf und wird so mit dem Seitenschweller gefügt,
dass die gestuften Bereiche ineinander greifen und die Verbindungsanordnung
gegenüber einwirkenden Querkräften zusätzlich
stabilisieren.
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Solche
Verbindungsanordnungen dienen im Wesentlichen einer besonders festen
Verbindung zwischen B-Säule und Schweller, weisen jedoch
keine zusätzlichen Maßnahmen auf, die die seitliche
Ableitung einwirkender Kräfte auf Querträgerstrukturen des
Kraftfahrzeugs ermöglichen.
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Die
DE 195 31 982 B4 offenbart
eine Karosseriestruktur für ein Kraftfahrzeug, bei welcher
im Bodenbereich der Karosserie eine Versteifung angeordnet ist,
die in Querrichtung des Fahrzeugs verläuft und den Verbindungsbereich
von B-Säule und Seitenschweller mit dem so genannten Tunnelbereich des
Fahrzeugbodens, also dem Durchführungsbereich von Antriebsstrang
und Abgasanlage, verbrückt, um so einwirkende Kräfte
in Fahrzeugsquerrichtung besser abzuleiten.
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Die
DE 196 47 104 A1 offenbart
eine Bodengruppe für eine Kraftfahrzeugkarosserie, bei
der ein Schweller mittels eines geneigt angeordneten Stützblechs
gegen ein Bodenblech abgestützt wird. Weiterhin ist zwischen
der Oberseite des Schwellers und einer B-Säule ein Profil
angeordnet, welches um denselben Winkel geneigt ist, wie das Stützblech.
Diese Anordnung soll insbesondere Torsionskräfte am Schweller
bei einem Seitenaufprall aufnehmen und in den Bodenbereich ableiten.
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Nachteilig
an den bekannten Verbindungsanordnungen ist, dass sie zwar eine
mechanische Verstärkung des Anbindungsbereiches einer B-Säule
an einen Seitenschweller zu leisten vermögen, jedoch kaum
Strukturen zur Verfügung stellen, welche ein auf die B-Säule
wirkendes Torsionsmoment gezielt, sicher und kontrolliert auf Querträgerstrukturen
des Fahrzeugs ableiten.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine mechanisch
hoch belastbare, torsions- und biegestabile Anbindung einer B-Säule
an einen Längsträger bereitzustellen, bei der im
Falle eines Seitenaufpralls auftretende Kräfte auf Trägerstrukturen,
welche in Fahrzeugquerrichtung verlaufen, abgeleitet werden können.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Verbindungsanordnung mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst.
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Eine
solche Verbindungsanordnung besteht aus einem Längsträger,
welcher in Schalenbauweise gefertigt ist und eine äußere
und eine innere Blechschale umfasst, welche einen Längsträgerinnenraum umschließen,
und einer an diesen Längsträger anzubindenden
B-Säule. In der erfindungsgemäßen Ausführung
ist dabei ein unteres Ende der B-Säule mit einem als Profilbauteil
ausgeführten, in Erstreckungsrichtung des Längsträgers
verlaufenden Verstärkungselement verbunden, wobei das Verstärkungselement
im Längsträgerinnenraum angeordnet ist. Diese
Verbindungsanordnung vermeidet die im Stand der Technik übliche
punktuelle Anbindung der B-Säule an den Längsträger.
Auf die B-Säule einwirkende Querkräfte werden
vielmehr durch das Verstärkungselement über einen
wesentlichen Bereich des Längsträgers hinweg in
diesen eingeleitet. Dadurch wird vorteilhaft die punktuelle Belastung
im Verbindungsbereich zwischen B-Säule und Längsträger
vermindert, durch die flächige Krafteinleitung in den Längsträger
ist eine bessere Weiterleitung der wirkenden Kräfte in
weitere, insbesondere in Fahrzeugquerrichtung verlaufende Trägerelemente
erleichtert.
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Für
die Ausführung der B-Säule und/oder des Verstärkungselementes
existieren verschiedene Fertigungsmethoden. Werden besonders hohe
Ansprüche an die Materialfestigkeit gestellt, so ist es möglich,
B-Säule und/oder Verstärkungselement als mit Innenhochdruck
umgeformte Stahlschalen auszuführen. Um einen Kompromiss
zwischen Bauteilgewicht und Materialgüte zu realisieren,
ist eine Ausführung der genannten Bauteile als Aluminiumstrangpressprofile
oder Aluminiumgussbauteile möglich.
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Um
eine besonders gute Kraftübertragung zwischen Verstärkungselement
und Längsträger zu realisieren, ist es weiterhin
vorteilhaft, das Verstärkungselement mit der inneren Blechschale
des Längsträgers zu verbinden. Eine solche Verbindung kann
mit gängigen Fügemethoden reversibel oder irreversibel
ausgeführt werden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist zusätzlich
ein Querverstärkungselement auf der zu einer Fahrgastzelle
des Kraftwagens gerichteten Seite des Längsträgers
mit der inneren Blechschale des Längsträgers verbunden.
Ein solches Querverstärkungselement wirkt weiter einer
im Falle des Seitenaufpralls auf die B-Säule wirkende Torsionsbelastung
entgegen. Weiterhin stellt ein solches Querverstärkungselement
Anschlusspunkte zur Verfügung, an denen weitere Verknüpfungen
mit in Fahrzeugquerrichtung verlaufenden Trägerelementen
ausgeführt werden können.
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In
einer besonders bevorzugten idealisierten Ausführungsform
ist das Querverstärkungselement dabei als dreikantiges
Profilbauteil ausgeführt. Durch dessen Verwendung wird
zum einen auf vorteilhafte Weise Bauraum gespart, und es stellt
darüber hinaus durch seine Geometrie auf ideale Weise eine
Verstärkung in den beim Seitenaufprall bevorzugt auftretenden
Kraftrichtungen bereit.
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Um
eine zusätzliche strukturelle Verstärkung zu erzeugen,
kann weiterhin ein zur Fahrgastzelle gerichteter Bereich des Querverstärkungselements mit
einem zusätzlichen Längsverstärkungselement verbunden
werden. Es ist dabei besonders vorteilhaft, das Querverstärkungselement
so anzuordnen, dass es über das Längsverstärkungselement
mit einem ersten und/oder einem zweiten Sitzquerträger verbunden
ist. Damit wird neben der Kraftleitung direkt vom Längsträger
auf quertragende Elemente der Fahrzeugkarosserie ein weiterer Lastpfad
bereitgestellt, der beim Seitenaufprall vorteilhaft der Torsionsbelastung
des Schwellers auf den Bodenbereich, durch entsprechende Reaktionskräfte,
die über die Sitzquerträger abgesetzt werden,
entgegen wirkt.
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Das
Längsverstärkungselement besitzt dabei bevorzugterweise
in Fahrzeugquerrichtung gesehen ein T-förmiges Profil,
wobei der in Fahrzeugquerrichtung verlaufende Schenkel des T-förmigen
Profils mit zumindest einem Sitzquerträger verbunden ist. Dies
ermöglicht eine noch großflächigere Verteilung der
eingeleiteten Kräfte auf die Querträgerelemente der
Fahrzeugbodengruppe.
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In
einer alternativen Ausführungsform kann das Längsverstärkungselement,
etwa im Bereich der Sitzquerträger, mit einer vorzugsweise
in Fahrzeugquerrichtung orientierten Querverstärkung kraft-
und formschlüssig verbunden sein, um die über
den Längsträger eingeleiteten Torsinns- und Querbelastungen
grossflächiger auf die Sitzquerträger zu verteilen.
Durch eine solche Anordnung wird über die Verstärkung
des Anbindungsbereiches zwischen B-Säule und Längsträger
hinaus auch eine Verstärkung der Sitzquerträger
erzielt, so dass diese gegen Knicken und Biegung versteift werden.
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Auch
für das Querverstärkungselement, das Längsverstärkungselement
und die Querverstärkung steht eine Mehrzahl von Fertigungsverfahren
zur Verfügung, aus denen der Fachmann die jeweils geeignete
Kombination wählen wird. Unter Leichtbaugesichtspunkten
ist es möglich, die genannten Bauteile als Aluminiumblechschalen,
Aluminiumgussteile oder Aluminiumstrangpressprofile zu fertigen.
Werden besonders hohe Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften
der genannten Bauteile gestellt, ist es ebenso möglich,
diese als Stahlguss- oder Stahlschmiedeteile herzustellen.
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Eine
besonders vorteilhafte Kombination von geringen Bauteilgewicht und
hoher mechanischer Festigkeit, welche insbesondere in Richtung zu
erwartender Kraftverläufe noch weiter erhöht werden kann,
bietet eine Fertigung der genannten Bauteile aus faserverstärktem
Kunststoff.
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Im
Folgenden sollen anhand der Zeichnungen die Erfindung und ihre Ausgestaltungen
näher erläutert werden. Hierbei zeigen jeweils
in schematischer Darstellung:
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1 einen
in Fahrzeugquerrichtung verlaufenden Schnitt durch eine dem Stand
der Technik entsprechende B-Säulen-Anbindung,
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2 einen
in Fahrzeugquerrichtung verlaufenden Schnitt durch eine erfindungsgemäße
B-Säulen-Anbindung,
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3 einen
in Fahrzeugquerrichtung verlaufenden Schnitt durch eine alternative
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
B-Säulen-Anbindung,
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4 einen
in Fahrzeuglängsrichtung entlang der in
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2 bezeichneten
Linie IV-IV verlaufenden Schnitt durch eine erfindungsgemäße
B-Säulen-Anbindung,
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5 einen
in Fahrzeuglängsrichtung entlang der in
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2 bezeichneten
Linie V-V verlaufenden Schnitt durch eine erfindungsgemäße
B-Säulen-Anbindung.
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Im
Folgenden wird die Karosserie eines Kraftfahrzeugs beschrieben,
insbesondere der Bereich der B-Säule und ihrer Anbindung
an weitere Bauteile der Karosserie. Die Begriffe „längs” und „quer” beziehen
sich auf die Karosserie bzw. das Kraftfahrzeug, nämlich
auf die Sichtweise eines Insassen bzw. die Fahrtrichtung.
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Dem
Stand der Technik nach ist es üblich, sowohl B-Säule 12 als
auch einen als Seitenschweller ausgebildeten Längsträger 14 in
Blechschalenbauweise auszuführen. Der Längsträger 14 besteht dabei
aus einer äußeren zur Fahrzeugaußenseite gerichteten
Blechschale 16 und einer inneren zur Fahrgastzelle gerichteten
Blechschale 18. Die B-Säule 12 ist dabei
in den Längsträgerinnenraum 20 geführt
und direkt über Flanschbereiche 22, 24 mit dem
Längsträger 14 verbunden. Um den Längsträger 14 eine
höhere Biege- und Torsionsfestigkeit zu verleihen, ist
im Längsträgerinnenraum 20 ein Verstärkungselement 26 angeordnet,
welches mit der inneren Schale 18 des Längsträgers
verbunden ist. In Richtung auf den Fahrzeuginnenraum 28 sind
ein Bodenblech 30 sowie die Sitzquerträger 32 und 52 direkt
an den Längsträger 14 angebunden. An
den Sitzquerträgern 32 und 52 sind weiterhin
die Sitzschienen befestigt, von denen hier nur die äußere Sitzschiene 34 dargestellt
ist.
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Im
Falle eines Seitenaufpralls erfolgt eine Übertragung der
auf die B-Säule 12 wirkenden Kräfte nur über
den relativ kleinen gemeinsamen Verbindungsbereich 36 zwischen
Längsträger 14 und den Sitzquerträger 32 bzw. 52.
Bei einem Materialversagen in diesem Anbindungsbereich oder bei
einer Verformung dieses Anbindungsbereiches kommt es zu einem Knicken
der gesamten Verbindungsanordnung und in der Folge zu einem Eindringen
der B-Säule 12 in die Fahrgastzelle 28.
Auch die Sitzschienen 34 erfahren keine zusätzliche
Stabilisierung, bei einer Verformung des Sitzquerträgers 32 wird
somit ein Torsionsmoment direkt auf den Fahrzeugsitz übertragen,
was ebenfalls zu schweren Verletzungen führen kann.
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Im
Gegensatz dazu stellt eine erfindungsgemäße Verbindungsanordnung
für eine B-Säule 12 und einen Längsträger 14,
wie in 2 gezeigt, eine deutlich stabilere Anbindung der
B-Säule 12 zur Verfügung. Auch hier ist
der als Seitenschweller ausgebildete Längsträger 14 in
Schalenbauweise ausgeführt und besteht aus einer äußeren 16 und
einer inneren Blechschale 18. Die Anbindung der B-Säule 12 beschränkt
sich hier nicht auf den Flanschbereich 22, vielmehr ist
die B-Säule 12 zunächst mit einem als Profil
ausgebildeten, sich in Fahrzeuglängsrichtung erstreckenden
Verstärkungselement 36 verbunden, welches sich
seinerseits im Innenraum 20 des Längsträgers 14 befindet.
Dort ist es im Verbindungsbereich 37 flächig an
die Wand der inneren Schale 18 des Seitenschwellers 14 angeschlossen.
Wie in 4 zu erkennen, beschränkt sich das Verstärkungselement 36 dabei
nicht auf den unmittelbaren Bereich der Anbindung der B-Säule 12 an
den Seitenschweller 14, sondern erstreckt sich in Fahrzeuglängsrichtung
gesehen erheblich über diesen Bereich hinaus. Durch diese
großflächige Anbindung der B-Säule 12 an
den Seitenschweller 14 wird ein wesentlich verbesserter
Kraftfluss ermöglicht und werden lokale Belastungen minimiert.
Um bei einem Seitenaufprall auftretende Torsionsmomente besser auffangen
und weiterleiten zu können, ist weiterhin an der zur Fahrgastzelle 28 gerichteten
Seite der inneren Blechschale 18 ein Querverstärkungselement 38 zwischen
vorderem und hinterem Sitzquerträger angeordnet. Im gezeigten
Ausführungsbeispiel ist das Querverstärkungselement 38 dabei
als dreikantiges Profilbauteil ausgeführt, wobei eine Fläche 40 des
Profils parallel zur Innenwand des Seitenschwellers 16 und
eine weitere Fläche 42 des Verstärkungselements
parallel zum Bodenblech 30 geführt ist. Die Abbildung
des Querverstärkungselements 38 zeigt eine stark
idealisierte Geometrieform, bei der die dritte Fläche 44 schräg
von der Innenwand des Seitenschwellers 16 in Richtung des
Bodenbleches 30 verläuft. Dadurch wird eine flächige
Abstützung des Seitenschwellers und damit auch der B-Säule 12 gegen beim
Seitenaufprall auftretende Torsionsmomente erzielt. Aufprallkräfte
werden vom Seitenschweller 16 weg in das ebenfalls mit
dem Querverstärkungselement 38 verbundene Längsverstärkungselement 46 eingeleitet,
welches hier, ebenfalls idealisiert, als T-förmiges Profil
ausgebildet ist, das sich seinerseits auf den Sitzquerträgern 32 und 52 abstützt.
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Der
in Fahrzeugquerrichtung verlaufende Schenkel 48 dieses
T-Profils ist dabei mit der Sitzschiene 34 und den Sitzquerträgern 32 und 52 verbunden,
der in Fahrzeughochrichtung verlaufende Schenkel 50 verbindet
das Profil 46 stabil mit dem Querverstärkungselement 38.
Die Verbindung zwischen Querverstärkungselement 38 und
Längsverstärkungselement 46 ist idealerweise
kraftschlüssig und momentensteif auszuführen
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In 5 ist
ein Längsschnitt durch die Anordnung entsprechend der Achse
V-V auf Höhe des Längsverstärkungselements 46 gezeigt.
Auch das Längsverstärkungselement 46 erstreckt
sich in Fahrzeuglängsrichtung über den direkten
Anbindungsbereich der B-Säule 12 hinaus. Im gezeigten
Beispiel überbrückt das Längsverstärkungselement 46 den hinteren
Sitzquerträger 32 und den vorderen Sitzquerträger 52.
Es folgt dabei, in einer möglichen Ausführungsform,
auf seinem gesamten Verlauf der Sitzschiene 34. Bevorzugterweise
kann damit die Verschraubung der Sitzschiene 34 mit den
Sitzquerträgern 32 und 52 an den Fügestellen 54 und 56 mitgenutzt
werden, um das Längsverstärkungselement 46 zu
befestigen. Über die B-Säule eingeleitete Kräfte werden
damit auf die beiden Sitzquerträger 32 und 52 verteilt,
wodurch lokale Belastungen minimiert werden. Auch dem Fahrzeugsitz
wird wegen der zusätzlichen Stabilisierung der Sitzschiene 34 durch das
Längsverstärkungselement 46 eine zusätzliche Stabilität
gegenüber Kippmomenten beim Seitenaufprall verliehen.
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In 3 ist
eine alternative Ausführung mit einer zusätzlichen
Querverstärkung 54 im Bereich des vorderen und/oder
hinteren Sitzquerträgers dargestellt. Um eine besonders
stabile Verbindung zwischen Querverstärkungselement 38,
Sitzschiene 34 und Sitzquerträger 32 bzw. 52 zu
gewährleisten, ist dabei das Längsverstärkungselement 46 flächig,
d. h. über eine momentensteife Knotenverbindung 58, an
eine zusätzliche Querverstärkung 60 am
vorderen und/oder hinteren Sitzquerträger, 52 bzw. 32,
angebunden, 3a. Auch hier werden lokale
Belastungen vermindert und auftretende Kräfte über
einen großen Bereich anstatt lediglich punktuell weitergeleitet.
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Eine
alternative Gestaltung dieses Bereiches ist in 3b dargestellt.
Hier wird die momentensteife Anbindung zwischen Längsverstärkungselement 46 und
Querverstärkung 60 durch eine entsprechende Profilierung
des Längsverstärkungselements 46 erreicht.
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Zur
Herstellung der B-Säule 12, des Verstärkungselementes 36,
sowie des Längsverstärkungselementes 46,
des Querverstärkungselementes 38 und der Querverstärkung 60 stehen
eine Mehrzahl von Methoden zur Verfügung.
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Es
bietet sich bei Anwendung einer erfindungsgemäßen
Verbindungsanordnung an, die B-Säule 12 als Aluminiumstrangpressprofil
oder Alugussbauteil auszuführen, um einen optimalen Kompromiss
zwischen Gewicht und Stabilität zu finden. Selbstverständlich
kann auch die konventionelle Schalenbauweise Anwendung finden, bei
welcher die Teilschalen der B-Säule 12 oder die
in einer innenhochdruckumgeformten geschlossenen Stahlschale integrierten
Teilschalen in Stahllegierungen mit extrem hoher Festigkeit ausgeführt
sind.
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Auch
das Quer- 38 und Längsverstärkungselement 46 sowie
die Querverstärkung 60 können in Schalenbauweise
ausgeführt werden, wobei je nach Ansprüchen an
die Festigkeit Stahl- oder Aluminiumschalen verwendet werden können.
Auch hier ist selbstverständlich die Anwendung von Aluminiumgussteilen
oder Aluminiumstrangpressprofilen möglich. Um besonders
hohe Festigkeit im Bereich des Quer- 38 und Längsverstärkungselementes 46 sowie der
Querverstärkung 60 zu erzielen, können
hier weiterhin auch Stahlguss- oder Stahlschmiedeteile verwendet
werden. Eine besonders leichte Auslegung ist möglich, wenn
für das Querverstärkungselement 38 und
das Längsverstärkungselement 52 sowie
ggf. für die Querverstärkung 60 eine
Bauweise aus faserverstärkten Kunststoffen gewählt
wird. Bei der Herstellung der entsprechenden Bauteile kann eine
zusätzliche Stabilität erzielt werden, indem die
Fasern des Kunststoffteiles bereits unter Berücksichtigung der
zu erwartenden Kraftverläufe gelegt werden.
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Je
nach verwendeten Materialen unterscheiden sich selbstverständlich
die Fügetechniken für das Zusammenfügen
von B-Säule 12 mit Verstärkungselement 36,
sowie die Fügebereiche zwischen Verstärkungselement 36 und
innerer Längsträgerblechschale 18, sowie
für alle weiteren aus der Zeichnung ersichtlichen Fügestellen.
Bevorzugt werden hierzu reversible oder irreversible mechanische
Fügetechniken verwendet, wie z. B. Schrauben, Nieten etc..
Bei entsprechender Materialkompatiblität kann zur Erzeugung
großflächiger Anbindungen natürlich auch
auf Linienschweißnähte bzw. Punktschweissverbindungen
zurückgegriffen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2004/050459
A1 [0003]
- - EP 1632422 A2 [0004]
- - DE 19948364 C2 [0005]
- - DE 19531982 B4 [0007]
- - DE 19647104 A1 [0008]