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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Tragstrukturanordnung einer selbsttragenden Kraftfahrzeugkarosserie, welche zumindest ein Metallgussbauteil aufweist. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Hinterrahmen, bei welchem anstelle von in Schalenbauweise aneinandergefügten Blechformteilen ein dünnwandiges Metallgussbauteil, insbesondere ein Stahlgussbauteil Anwendung findet.
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Tragende oder lastpfadübertragende Strukturkomponenten einer selbsttragenden Kraftfahrzeugkarosserie weisen typischerweise Tragstrukturkomponenten oder Trägerbauteile auf, die häufig aus einzelnen Blechprofilteilen gefertigt sind. Zur Bildung solcher Trägerbauteile wird typischerweise eine Anzahl von einzelnen Blechen, etwa durch Stanzen, Prägen oder Tiefziehen in eine entsprechende Form gebracht. Die einzelnen Bleche werden dann, im Profilquerschnitt betrachtet, bereichsweise überlappend angeordnet und im Überlappbereich mittels geeigneter Fügeverfahren, so etwa durch Widerstandspunktschweißen oder Laserschweißen miteinander verbunden.
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In 1 ist beispielsweise ein nach dem Stand der Technik gefertigtes Trägerbauteil 100 im Querschnitt gezeigt, welches beispielsweise als seitliches Trägerbauteil eines Hinterrahmens Verwendung findet. Das Trägerbauteil 100 weist insgesamt fünf verschiedene Blechformteile 104, 106, 108, 110, 112 auf, die, im Querschnitt gesehen, überlappend zueinander angeordnet und die über einzelne Verbindungspunkte 114 im jeweiligen Überlappungsbereich fest miteinander verbunden sind.
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Der Boden des auf diese Art und Weise gebildeten U-profilartigen Trägerbauteils 100 ist dabei durchgehend doppelwandig und in seinem links unten liegenden Bereich sogar dreifach überlappend ausgebildet. Das U-förmig ausgebildete Trägerbauteil ist nach oben von einem vergleichsweise dünnwandigen im Wesentlichen eben ausgebildeten Bodenblech 106 der Fahrzeugkarosserie verschlossen.
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Zur Bildung von Trägerbauteilen und Tragstrukturkomponenten einer Kraftfahrzeugkarosserie, die den heutigen Anforderungen hinsichtlich Crashsicherheit und Struktursteifigkeit genüge tragen, müssen teilweise bis zu zwei Dutzend einzelne vorgeformte Blechformteile miteinander verbunden werden. Neben einer solch komplexen Fertigung erweisen sich zudem die durch Überlappungen einzelner Formteile gebildeten Materialanhäufungen auch unter Gewichtsaspekten als nachteilig.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Tragstrukturanordnung bzw. tragende Strukturbauteile für eine Fahrzeugkarosserie zu entwickeln, die trotz Einhaltung vorgegebener komplexer Geometrien eine erforderliche Struktursteifigkeit und Stabilität aufweisen und darüber hinaus besonders einfach und kostengünstig herstellbar sowie möglichst universell in ein bestehendes Karosseriekonzept einbindbar sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Tragstrukturanordnung gemäß Patentanspruch 1 sowie mit Hilfe eines Hinterrahmens gemäß Patentanspruch 12, einem Verfahren nach Patentanspruch 13 sowie mit einem Kraftfahrzeug nach Patentanspruch 14 gelöst. Einzelne vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand abhängiger Patentansprüche.
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Die erfindungsgemäße Tragstrukturanordnung für eine selbsttragende Kraftfahrzeugkarosserie ist in Hybridbauweise ausgeführt. Sie weist zumindest zwei Bauteile, nämlich ein Metallgussbauteil und ein daran befestigtes Strukturbauteil auf, von denen zumindest eines als tragendes Strukturbauteil, etwa in Form eines Trägerbauteils ausgebildet ist. Das Strukturbauteil und das Metallgussbauteil weisen dabei verschiedenartige Metalle oder Metalllegierungen auf.
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Zur Vermeidung einer galvanischen Kontakt- oder Spaltkorrosion in einer Kontaktzone ist ferner vorgesehen, dass zwischen dem Strukturbauteil und dem Metallgussbauteil zumindest bereichsweise eine galvanisch isolierende Schicht angeordnet ist.
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Hierdurch kann beispielsweise ein nach dem Stand der Technik üblicherweise in Schalenbauweise ausgebildetes Profilteil durch ein Metallgussbauteil substituiert werden, wobei durch das Vorsehen der galvanisch isolierenden Schicht die Materialien für das Metallgussbauteil und für das daran zu befestigende Strukturbauteil beliebig sowie völlig unabhängig voneinander gewählt und jeweils an die mechanischen Belastungsanforderungen oder die geometrischen Bauraumanforderungen optimiert werden können.
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Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die galvanisch isolierende Schicht eine Trennschicht zwischen dem Metallgussbauteil und dem daran zu befestigenden Strukturbauteil darstellt. Die in Hybridbauweise ausgeführte erfindungsgemäße Tragstrukturanordnung kann somit eine sandwichartige Struktur aufweisen, wobei die galvanisch isolierende Schicht im Wesentlichen als elektrische Isolationsschicht fungiert, die an beiden miteinander zu verbindenden Tragstrukturkomponenten, nämlich dem Metallgussbauteil und dem Strukturbauteil angrenzt.
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Die galvanisch isolierende Schicht erstreckt sich nach einer Weiterbildung der Erfindung im Wesentlichen vollständig über einen wechselseitigen Überlappungsbereich von Metallgussbauteil und Strukturbauteil. Dabei kann lediglich vorgesehen sein, dass die sich zwischen Metallgussbauteil und Strukturbauteil erstreckende galvanisch isolierende Schicht von etwaigen Verbindungsmitteln, welche zum wechselseitigen Verbinden von Metallgussbauteil und Strukturbauteil vorzusehen sind, durchsetzt ist.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die galvanisch isolierende Schicht einen zumindest das Strukturbauteil und das Metallgussbauteil miteinander verbindenden Klebstoff aufweist. Insoweit kann die galvanisch isolierende Schicht als Träger für einen Klebstoff fungieren, der zum klebenden Verbinden von Strukturbauteilen einer Kraftfahrzeugkarosserie ausgelegt ist. Dabei kann ferner vorgesehen werden, dass der Klebstoff auf zumindest einer Seite der galvanisch isolierenden Schicht angeordnet ist, sodass die Isolationsschicht mittels dem Klebstoff am Metallgussbauteil oder am daran zu befestigenden Strukturbauteil befestigt ist.
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Dies erweist sich herstellungstechnisch als besonders günstig, da unter Zuhilfenahme des Klebstoffs die galvanisch isolierende Schicht bereits an einer der zumindest zwei Komponenten der Tragstrukturanordnung vorfixiert werden kann, bevor die beiden Komponenten zur Bildung der Tragstrukturanordnung miteinander verbunden werden.
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Nach einer weiteren Erfindungsvariante erweist es sich von Vorteil, wenn die galvanisch isolierende Schicht selbst als Klebeschicht ausgebildet ist. Von Vorteil wirkt ein das Metallgussbauteil und das Strukturbauteil miteinander verbindender Klebstoff dabei selbst als galvanisch isolierende Schicht. Ein in ihrem Überlappungsbereich vollflächiges klebendes Verbinden der Bauteile der Tragstrukturanordnung stellt somit inhärent eine wünschenswerte galvanische Trennung der beiden Bauteile zur Verfügung.
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Im Zuge der Verwendung eines Klebstoffs ist nach einer Weiterbildung der Erfindung ferner vorgesehen, das Metallgussbauteil und das Strukturbauteil zumindest während des Aushärtens des Klebstoffs mittels zumindest einem Fixiermittel zueinander zu fixieren. Da die typischerweise im Karosseriebau zum Verbinden von Strukturbauteilen verwendbaren Klebstoffe über eine gewisse Zeit aushärten müssen, bis diese einer geforderten Belastung standhalten, kann durch die wechselseitige Fixierung von Metallgussbauteil und Strukturbauteil ein Verschieben oder Verrutschen der Bauteile während des Aushärtens des Klebers sicher vermieden werden.
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Als geeignete Fixiermittel kommen nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kraft-, stoff- oder formschlüssige Verbindungen, welche etwa durch punktweises Schweißen, Nieten oder Verschrauben zu bilden sind, infrage. Für eine wechselseitige Fixierung von Metallgussbauteil und Strukturbauteil kann ein Widerstandspunktschweißen, ein Durchsetzfügen, ein Stanznieten und/oder ein Verschrauben der beiden Bauteile an dafür vorgesehenen Fixierpunkten vorgesehen sein. Dabei ist ferner denkbar, dass die dazwischen liegende galvanisch isolierende Schicht oder der isolierend wirkende Klebstoff von derartigen Fixiermitteln durchsetzt oder unterbrochen wird.
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Sofern zur Fixierung von Metallgussbauteil und Strukturbauteil beispielsweise ein Stanznieten möglich und vorgesehen ist, erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Niet zumindest eines der als Metallblech ausgebildeten Strukturbauteile durchstanzt und schließlich im Metallgussbauteil liegend, mittels einer Matrize aufgespreizt wird. Da das Metallgussbauteil dabei nicht durchstanzt wird, kann eine gas- und flüssigkeitsdichte punktförmige Verbindung geschaffen werden, die für ein wechselseitiges Fixieren von Metallgussbauteil und Strukturbauteil zumindest über die Zeitdauer des Aushärtens des Klebstoffs ausreichend ist.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest das Strukturbauteil, vorzugsweise sowohl das Strukturbauteil als auch das Metallgussbauteil in Leichtmetallbauweise ausgeführt sind. Für das Strukturbauteil kommt insbesondere die Verwendung von Aluminium oder Magnesiumwerkstoffen infrage. Da das Metallgussbauteil üblicherweise höheren Belastungsanforderungen als das Strukturbauteil standhalten soll, ist für Metallgussbauteil ein Stahlguss, insbesondere ein Edelstahlguss vorgesehen.
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Derartige Stahl- oder Edelstahl-Gussbauteile sind zur Erzielung eines möglichst geringen Bauteilgewichts vorzugsweise verhältnismäßig dünnwandig auszubilden. Für das Metallgussbauteil ist daher zumindest bereichsweise eine Wandstärke im Bereich von 1 bis 6 mm, vorzugsweise sogar nur eine Wandstärke im Bereich von 1,5 bis 2,5 mm vorgesehen. Besonders geeignet für die Verwendung als Metallgussbauteil sind höchstfeste Stähle, die Streckgrenzen von 1000 N/mm2 und darüber hinaus aufweisen.
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Die für den hier vorgesehenen Einsatzzweck vorgesehenen Stahlwerkstoffe weisen etwa einen vergleichsweise hohen Anteil an Chrom auf, der bis zu 18 oder gar 20% betragen kann. Würde man ein derartiges Edelstahlgussbauteil, beispielsweise mit einem aus Aluminium oder Magnesium gefertigten Strukturbauteil unmittelbar verbinden, so entstünde ein galvanisches Element, welches unweigerlich eine galvanische Korrosion und ein die Festigkeit und Sicherheit der Tragstrukturanordnung beeinträchtigende Schwächung der Verbindungsstelle zur Folge hätte.
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Dadurch, dass zwischen dem Metallgussbauteil und dem daran zu befestigenden Strukturbauteil eine galvanisch isolierende Schicht vorgesehen ist, kann das Risiko galvanischer Korrosion nahezu gänzlich ausgeschaltet werden. Auch kann durch diese Maßnahme besonders vorteilhaft auf eine ansonsten übliche Stückverzinkung einzelner tragender Strukturbauteile in kosten- und gewichtseinsparender Art und Weise verzichtet werden.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass das Metallgussbauteil zumindest bereichsweise als Profilteil, etwa mit einem im Wesentlichen geschlossenen Querschnittsprofil ausgebildet ist. Zum Zwecke der Gewichtseinsparung kann hierbei ferner vorgesehen sein, dass das Metallgussbauteil lediglich bereichsweise einen geschlossenen Querschnitt aufweist und dazwischenliegend etwaige Flächenausnehmungen aufweist, welche die Struktursteifigkeit und Stabilität des Metallgussbauteils nur unwesentlich beeinträchtigen.
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Der Formgebung des Metallgussbauteils sind ohnehin nur solche durch die Gussform vorgegebene Grenzen gesetzt. Im Vergleich zu schalenartig überlappenden und einzeln miteinander verbundenen Blechformteilen, wie dies im Stand der Technik bislang üblich ist, kann sich das vorzugsweise dünnwandig ausgebildete Metallgussbauteil hinsichtlich Kosten- und Fertigungsaufwand als besonders vorteilhaft erweisen.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Metallgussbauteil als tragendes Strukturbauteil eines Hinterrahmens der Kraftfahrzeugkarosserie ausgebildet ist. Es kann beispielsweise als sogenannter Hinterrahmenknoten ausgebildet sein, der einzelne tragende Komponenten der hinteren Kraftfahrzeugkarosserie miteinander verbindet.
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Das Metallgussbauteil kann dabei beispielsweise nach vorn an ein Fersenblech und nach hinten an eine Verlängerung des Hinterrahmens angrenzen, während es in Fahrzeugquerrichtung betrachtet ein Auflager für einen Querträger, bzw. für diverse Unterbodenabschnitte, etwa einen Boden seitlich oder einen Boden hinten des Kraftfahrzeugunterbodens zur Verfügung stellt. Nach außen weisend kann das als Hinterrahmenknoten ausgebildete Metallgussbauteil beispielsweise einen nach oben gerichteten Schenkel aufweisen, der als Anbindung für ein Radhaus dienen kann. Daneben weist das Metallgussbauteil vorzugsweise einen oder mehrere, etwa voneinander beabstandete Anbindungspunkte für das Fahrwerk bzw. für die Hinterachse des Fahrzeuges auf.
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Nach einem weiteren unabhängigen Aspekt betrifft die Erfindung ferner einen Hinterrahmen für eine selbsttragende Karosserie eines Kraftfahrzeugs mit zumindest einem aus Metallguss, vorzugsweise aus einem Edelstahlguss gefertigten, vorzugsweise dünnwandigen Trägerbauteil. Dieses ist dabei zumindest mit einem aus Leichtmetall gefertigten Strukturbauteil, etwa einem Bodenblech, einem Radhaus oder einem Fersenblech oder dergleichen Flächengebilde der selbsttragenden Karosserie verbunden. Zwischen dem Leichtmetall-Strukturbauteil und dem Trägerbauteil aus Metallguss ist zumindest bereichsweise eine galvanisch isolierende Schicht angeordnet.
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Das Strukturbauteil und das Trägerbauteil sind ferner mittels eines Klebstoffes unmittelbar miteinander verbunden, wobei der Klebstoff als galvanisch isolierende Schicht fungiert.
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Nach einem weiteren unabhängigen Aspekt betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Fertigung einer Tragstrukturanordnung einer selbsttragenden Kraftfahrzeugkarosserie, welche zumindest ein Metallgussbauteil und zumindest ein, vorzugsweise aus einem Leichtmetall gebildetes Strukturbauteil aufweist. Das Verfahren sieht in einem ersten Schritt vor, eine galvanisch isolierende Klebeschicht auf das Strukturbauteil und/oder auf das Metallgussbauteil aufzubringen und anschließend die beiden Bauteile derart überlappend zueinander anzuordnen, dass die galvanisch isolierende Schicht einen Überlappbereich von Strukturbauteil und Metallgussbauteil nahezu vollständig ausfüllt. Zumindest für die Zeitdauer des Aushärtens des galvanisch isolierend fungierenden Klebstoffs ist vorgesehen, das Metallgussbauteil und das Strukturbauteil mit Hilfe zumindest eines Fixiermittels zumindest temporär zueinander zu fixieren.
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Nach alledem betrifft die Erfindung schließlich ein Kraftfahrzeug mit einem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Hinterrahmen bzw. mit einer entsprechenden Tragstrukturanordnung.
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Weitere Ziele, Merkmale sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die einzelnen Figuren in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei bilden sämtliche in den Figuren dargestellten und/oder im Text beschriebenen Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in jeglicher sinnvollen Kombination untereinander den Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Es zeigen:
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1 eine Querschnittsdarstellung einer Tragstrukturanordnung nach dem Stand der Technik,
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2 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäß vorgesehenen Metallgussbauteils,
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3 einen Querschnitt durch das Metallgussbauteil gemäß 2 entlang der Schnittlinie A-A, zusätzlich mit einem darüberliegend am Gussbauteil angeordneten Deckelement und
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4 einen vergrößert dargestellten Ausschnitt des in 3 gezeigten Querschnitts.
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In 2 ist ein als Profilteil ausgebildetes Metallgussbauteil 5 einer Tragstrukturanordnung in perspektivischer Darstellung gezeigt. Das isoliert dargestellte, vorzugsweise aus Edelstahl gefertigte Metallgussbauteil 5 weist einen durchgehenden und überwiegend geschlossen ausgebildeten Basisabschnitt 7 auf, an welchem sich sowohl nach links, das heißt fahrzeuginnenseitig, als auch nach rechts, das heißt fahrzeugaußenseitig, hochgestellte Schenkelabschnitte 8, 9 angrenzen.
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Der vergleichsweise besonders hoch ausgebildete Schenkel 9 weist einen gekrümmten Biegungsabschnitt 10 auf. Der Schenkel 9 dient beispielsweise als Anbindung für ein Radgehäuse. Der dem gegenüberliegende, der Fahrzeuginnenseite zugewandte hochgestellte Schenkel 8 geht nach oben in einen zur Fahrzeuginnenseite hin gerichteten Verbindungsflansch 12 über. Die beiden zumindest bereichsweise parallel verlaufenden Schenkelabschnitte 8, 9 des Metallgussbauteils 5 sind außer über den gemeinsamen Basisabschnitt 7 auch über davon beabstandete und im Wesentlichen parallel zur Ebene des Basisabschnitts 7 verlaufende Querstege 15 miteinander verbunden.
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Wie anhand der Darstellung gemäß 2 ersichtlich, ist das Profilteil 5 nicht vollständig als geschlossenes Hohlprofil ausgebildet. Insbesondere an der Oberseite des Profils sind einzelne, etwa dreieckig ausgebildete Ausnehmungen 11 vorgesehen, die durch Querstege 15 voneinander getrennt sind. Weiterhin weist das Metallgussbauteil 5 einzelne Anschlusselemente 14, 18 sowie diverse Schraubbolzen bzw. Schraubbolzenaufnahmen 22 auf. Das hinten liegende Anschlusselement 18 als auch die Schraubbolzen 22 sind zur Befestigung der Hinterachse, insbesondere einer Mehrgelenksachse bzw. zur Befestigung des Fahrwerks des Kraftfahrzeuges ausgelegt.
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Das in etwa U-förmig oder topfartig ausgebildete Anschlusselement 14 dient der Aufnahme eines Querträgers, welcher das in 2 gezeigte Metallgussbauteil 5 mit einem spiegelsymmetrisch hierzu ausgebildeten aber nicht explizit dargestellten Metallgussbauteil zur Bildung des Hinterrahmens verbindet. Die Anbindung des Profilteils 5 an andere Strukturbauteile der Fahrzeugkarosserie ist einzig in den 3 und 4 gezeigt, welche einen Querschnitt entlang der Schnittlinie A-A gemäß 2 wiedergeben.
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Das in Form eines Deckelements, insbesondere in Form eines Bodenblechs ausgebildete Strukturbauteil 6 liegt, wie in 3 dargestellt, oben auf dem Verbindungsflansch 12 des Metallgussbauteils 5 auf. Das Bodenblech 6 weist ferner zur Fahrzeugaußenseite, das heißt in 3 rechts liegend, einen hochgestellten Verbindungsflansch auf, der nahezu vollflächig an der Innenseite des Schenkels 9 des Metallgussbauteils 5 zur Anlage gelangt. Zur wechselseitigen Befestigung des Metallgussbauteils 5 und des Bodenblechs 6 ist die Verwendung eines für den Karosseriebau geeigneten Klebers vorgesehen.
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Bei der Auswahl des Klebstoffs und bei seinem Auftragen auf zumindest eines der miteinander zu verbindenden Bauteile 5, 6 ist darauf zu achten, dass der Klebstoff eine die beiden Metallbauteile galvanisch voneinander trennende Schicht 24 ausbildet, sodass eine ansonsten unweigerlich auftretende Kontaktkorrosion weitgehend unterbunden werden kann, falls die beiden Metallbauteile 5, 6 aus unterschiedlichen Metallen oder Metalllegierungen gefertigt sind.
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Da für das unten liegende Metallgussbauteil 5 vorzugsweise ein mit einem vergleichsweise hohen Chromanteil aufweisender Edelstahlguss und für das Bodenblech 6 Aluminium oder Magnesium vorgesehen sind, ist die Ausbildung einer zwischen den beiden Metallbauteilen 5, 6 liegenden und diese galvanisch voneinander isolierenden Klebeschicht 24 von besonderem Vorteil. Auf diese Art und Weise kann nämlich auf eine separate korrosionshemmende Oberflächenbeschichtung, etwa auf ein Stückverzinken in kosten- und gewichtseinsparender Art und Weise verzichtet werden.
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In den 3 und 4 ist ferner gezeigt, dass der seitlich nach innen ragende Verbindungsflansch 12 des Metallgussbauteils 5 noch mit einem weiteren Strukturbauteil 16 verbunden ist. Auch dieses ist vorzugsweise in Form eines Leichtmetallbleches, etwa aus Aluminium oder Magnesium ausgebildet. Auch hierbei ist zwischen dem Blech 16 und dem Anbindungsflansch 12 eine galvanisch isolierende Klebeschicht 26 vorgesehen.
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Durch das Verwenden eines Klebstoffs bzw. einer großflächig aufzubringenden Klebeschicht 24, 26 zur Verbindung von Karosseriebauteilen kann die Steifigkeit des Fahrzeugs in vorteilhafter Weise erhöht werden, da sich die Gesamtkontaktfläche zwischen den miteinander zu verbindenden Karosseriebauteilen, etwa gegenüber einem Fügeverfahren, wie etwa dem Widerstandspunktschweißen deutlich erhöht. Dies führt letztlich dazu, dass das Fahrzeug im Betrieb weitaus weniger schwingt, sodass letztlich der Fahrkomfort erhöht werden kann. Daneben können durch das Kleben von Karosseriebauteilen die Geräuschemissionen des Fahrzeugs verringert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 5
- Profilteil
- 6
- Bodenblech
- 7
- Basisabschnitt
- 8
- Schenkel
- 9
- Schenkel
- 10
- Biegung
- 11
- Ausnehmung
- 12
- Verbindungsflansch
- 14
- Anschlusselement
- 15
- Quersteg
- 16
- Flächenbauteil
- 18
- Anschlusselement
- 22
- Schraubbolzen
- 24
- Klebe-Isolationsschicht
- 26
- Klebe-Isolationsschicht
- 100
- Träger
- 104
- Profilteil
- 106
- Profilteil
- 108
- Profilteil
- 110
- Profilteil
- 112
- Profilteil
- 114
- Schweißpunkt
