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Die Erfindung betrifft ein Karosseriebauteil für einen Kraftwagen nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Beim Kraftwagenbau finden aus Gründen der Gewichtseinsparung und Eigenschaftsoptimierung zunehmend so genannte Hybridkarosserien Anwendung. Diese bestehen abschnittsweise aus unterschiedlichen Materialien, wie beispielsweise Stahl und Aluminium. Dies wird heutzutage derart realisiert, dass die Übergänge zwischen den unterschiedlichen Materialien mit jeweiligen Bauteilgrenzen zusammen fallen. Beispielsweise werden Seitenwände aus Aluminium mit Bodengruppen aus Stahl kombiniert, um so einerseits ein geringes Gewicht der Gesamtkarosserie zu realisieren, andererseits durch die besonders feste Stahl-Bodengruppe eine crashresistente Fahrgastzelle zu schaffen.
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Das Zusammenfallen von Materialübergängen und Bauteilgrenzen führt jedoch auch zu Problemen. So sind die für die unterschiedlichen Bauteile verwendeten Materialien oftmals nur schwer zu fügen. Dies gilt insbesondere für Stahl und Aluminium, die nur unter Verwendung aufwendiger Schweißverfahren miteinander verschweißbar sind. Die alternative Verwendung von formschlüssigen Fügelementen, wie beispielsweise Nieten, zum Verbinden von Stahlbauteilen mit Aluminiumbauteilen ist zwar in der Durchführung einfacher, benötigt jedoch vergleichbar deutlich mehr Arbeitsschritte, so dass auch hier die Herstellung derartiger Hybridkarosserien besonders teuer ist. Aufgrund der elektrochemischen Eigenschaften der unterschiedlichen Metalle ist zudem oftmals eine aufwändige galvanische Trennung zwischen den unterschiedlichen Bauteilen notwendig, um elektrochemische Kontaktkorrosion zu vermeiden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Karosseriebauteil nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bereitzustellen, welches eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung von Hybridkarosserien für Kraftwagen ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Karosseriebauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Ein derartiges Karosseriebauteil für einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen, ist aus einem Verbundblech, insbesondere einer maßgeschneiderten Platine ausgebildet. Dieses weist wenigstens zwei flächige Teilbereiche aus unterschiedlichen Metalllegierungen auf. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Karosseriebauteil zumindest einen randständigen Teilbereich aus einer Aluminiumlegierung und einen dem gegenüber mittigen Teilbereich aus einem Stahl umfasst.
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Im Gegensatz zu Bauteilen von konventionellen Hybridkarosserien ist somit das Karosseriebauteil selbst ein Hybrid aus unterschiedlichen Legierungen, insbesondere aus Aluminium und Stahl. Die Materialübergänge zwischen Aluminium und Stahl verlaufen somit nicht mehr entlang der Bauteilgrenzen, sondern innerhalb des Karosseriebauteils selbst. Damit kann der Verlauf des Materialübergangs im Karosseriebauteil optimal an dessen zu erwartende Belastung sowohl im Normalbetrieb als auch bei einem Unfall angepasst werden. Gleichzeitig wird das Fügen von Hybridkarosserien aus solchen Karosseriebauteilen erleichtert. Das erfindungsgemäße Karosseriebauteil kann beispielsweise in seinem randständigen Teilbereich aus Aluminium problemlos mit weiteren Aluminiumbauteilen verbunden werden, ohne dass elektrochemische Effekte befürchtet werden müssen. Gleichzeitig ist das Fügen einfacher, da bei einer derartigen Paarung identischer Materialien der Schweißaufwand deutlich geringer ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Karosseriebauteil zwei gegenüberliegende randständige Teilbereiche aus einer Aluminiumlegierung und einen dem gegenüber mittigen Teilbereich aus einem Stahl. Ein solches Bauteil kann beispielsweise auf einfachste Weise beidseitig mit weiteren Aluminiumkomponenten verbunden werden und trägt so zum besonders einfachen Fügen von hybriden Leichtbaukarosserien bei. Der Mittenbereich aus einem Stahl verleiht dem Bauteil dagegen eine besonders hohe Festigkeit, so dass es in strukturell besonders beanspruchten Bereichen der Karosserie Einsatz finden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Karosseriebauteil als Stirnwand ausgebildet. Die Stirnwand einer Kraftwagenkarosserie bildet die Vordergrenze einer Fahrgastzelle und muss daher besonders hohen Beanspruchungen standhalten können. Insbesondere im Falle eines Unfalls muss die Stirnwand in der Lage sein, Motor und/oder Getriebe eines Kraftwagens, welche sich beim Frontalaufprall nach hinten verlagern, abzustützen und deren Intrusion in die Fahrgastzelle, insbesondere in den Fußraum, zu vermeiden.
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Diese Schutz- und Stützfunktion wird im Falle eines erfindungsgemäßen Karosseriebauteils durch den mittigen Teilbereich aus einem Stahl gewährleistet. Die randständigen Teilbereiche aus einer Aluminiumlegierung erleichtern dagegen die Anbindung der so ausgebildeten Stirnwand an A-Säulen des Kraftwagens, die bei Hybridkarosserien üblicherweise ebenfalls aus Aluminiumlegierungen bestehen. Eine derartige Stirnwand zeichnet sich daher durch eine hohe Festigkeit sowohl gegen unfallbedingte Kraftbeaufschlagungen als auch gegen im Normalbetrieb auftretende Torsionslasten aus und ist gleichzeitig besonders leicht und einfach zu fügen.
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Die genannten Vorteile einer derartigen Stirnwand kommen auch zum Tragen, wenn das erfindungsgemäße Karosseriebauteil Anwendung für andere Stirnwandkomponenten findet. Insbesondere kann das Karosseriebauteil als Blechschale eines Stirnwandquerträgers, eines Windlaufquerträgers oder eines Pedalbodenquerträgers ausgebildet sein. In allen Fällen verleiht der stählerne Mittenbereich den Bauteilen die notwendige Festigkeit gegenüber Crash- und Betriebsbeanspruchungen, während die Randbereiche aus Aluminium Anbindungsbereiche für die A-Säulen einer Kraftwagenkarosserie bereitstellen und somit das Fügen des Karosseriebauteils erleichtern.
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Auch im Bereich einer Bodengruppe kann ein solches Karosseriebauteil vorteilhaft Anwendung finden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Karosseriebauteil daher als Hauptboden ausgebildet. Der mittige Teilbereich aus Stahl umfasst hier einen Mitteltunnel, während die randständigen Teilbereiche einen Anbindungsbereich für einen Seitenschweller und/oder eine Seitenwand umfassen. Auch hier verleiht der mittige Teilbereich aus Stahl dem Karosseriebauteil die notwendige Crash- und Betriebfestigkeit. Gerade im Bereich des Mitteltunnels wird auch hier eine Intrusion von weiteren Fahrzeugkomponenten, insbesondere von Komponenten des Antriebsstrangs in die Fahrgastzelle, durch die hohe Festigkeit des Stahls verhindert. Die Randbereiche aus Aluminium verringern auch hier das Gewicht des Karosseriebauteils und erleichtern die Anbindung von aus Aluminium gefertigten Seitenwänden oder Seitenschwellern.
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Die Erfindung umfasst ferner die Ausbildung des Karosseriebauteils als Sitzquerträger beziehungsweise als Blechschale für einen Sitzquerträger. Auch hier kommen die genannten Vorteile zum Tragen. Der mittige Stahlbereich verleiht dem Sitzquerträger die notwendige Festigkeit, während die Randbereiche aus Aluminium die Anbindung des Sitzquerträgers an die ebenfalls aus Aluminium gefertigten Seitenschweller beziehungsweise Seitenwände erleichtern.
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Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
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1 eine Stirnwand für eine Kraftwagenkarosserie mit mehreren Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Karosseriebauteile;
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2 zwei als Blechschalen für einen Stirnwandquerträger ausgebildete Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Karosseriebauteile;
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3 einen Hauptboden für eine Kraftwagenkarosserie mit zugehörigen Anbauteilen; und
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4 ein als Hauptboden ausgebildetes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftwagenbauteils.
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Eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Stirnwandanordnung für die Karosserie eines Personenkraftwagens umfasst die eigentliche Stirnwand 12, einen aus zwei Blechschalen 14, 16 ausgebildeten Windlaufquerträger 18, einen Stirnwandquerträger 20 sowie einen Pedalbodenquerträger 22. Die Stirnwandanordnung 10 trennt den Motorraum eines Kraftwagens von der Fahrgastzelle ab. Im unteren Bereich weist die Stirnwandanordnung 10 ein Tunnelportal 24 auf, durch welches der Antriebsstrang verläuft. Dieses wird nach oben hin vom Stirnwandquerträger 20 verstärkt.
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Um einen optimalen Kompromiss aus Leichtbau und Festigkeit zu finden, sind das Stirnwandblech 12, der Windlaufquerträger 18, der Stirnwandquerträger 20 sowie der Pedalbodenquerträger 22 jeweils als Hybridbauteile aus Stahl und Aluminium ausgebildet.
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Die Materialgrenzen zwischen Aluminium- und Stahlbereichen der genannten Bauteile sind in 1 durch die strichlierten Linien 26 angedeutet. Alle genannten Bauteile sind in einem Mittenbereich 28 aus Stahlblech und in ihren Randbereichen 30 aus Aluminiumblech aufgebaut. Die Materialgrenzen verlaufen daher innerhalb der Bauteile und nicht, wie bei konventionellen Hybridkarosserien, an den Bauteilgrenzen.
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Der besonders feste Mittenbereich 28; der sowohl im Stirnwandblech 12 als auch in den Querträgern 18, 20, 22 aus Stahl gebildet ist, verleiht der Stirnwandanordnung 10 eine besonders hohe Festigkeit. Die Stirnwandanordnung 10 ist daher unter normalen Betriebsbelastungen besonders torsionssteif. Auch im Falle eines Unfalls kommt die hohe Festigkeit des stählernen Mittenbereichs 28 zum Tragen. Insbesondere im Mittenbereich 28 des Stirnwandblechs 12 kann sich der Motor des Kraftwagens, falls er sich bei einem Frontalaufprall nach hinten verlagert, abstützen, ohne dass er in die Fahrgastzelle eindringt. Die stählernen Verstärkungen im Bereich 28 der Querträger 18, 20, 22 tragen zu dieser Schutzfunktion bei.
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Das Getriebe des Kraftwagens ist konstruktiv so ausgelegt, das es sich bei einer Rückwärtsverlagerung im Fall eines Frontalaufpralls schräg nach unten ins Tunnelportal 24 verschiebt, ohne in den Fußraum der Fahrgastzelle einzudringen. Auch dies wird durch die Wahl von Stahl für den Mittenbereich 28 des Stirnwandblechs 12 sichergestellt. Der Stirnwandquerträger 20 sowie der Pedalbodenquerträger 22 bieten einen zusätzlichen Schutz in diesem Bereich.
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Über die aus Aluminium gefertigten Randbereiche 30 kann die Stirnwandanordnung 10 besonders leicht an aus Aluminium gefertigte A-Säulen des Kraftwagens angebunden werden, da hier keine Hybridfügetechnik notwendig ist, sondern einfache Schweiß- oder Nietverfahren Anwendung finden können.
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Das Blech der Stirnwand 12 sowie die einzelnen Schalen der Querträger 18, 20, 22 werden zur Herstellung der Stirnwandanordnung 10 in Form von maßgeschneiderten Platinen, die bereits die Aluminiumrandbereiche 30 sowie den Stahlmittenbereich 28 aufweisen, bereitgestellt. Das Fügen der Aluminiumrandbereiche 30 an den Stahlmittenbereich 28 kann hierbei in der unverformten Gestalt des Halbzeuges für die entsprechenden Bleche erfolgen und kann daher besonders gut kontrolliert werden, so dass sich qualitativ hochwertige Schweißnähte zwischen den Randbereichen 30 und dem Mittenbereich 28 ergeben. Erst nach dem Fügen der Bereiche werden die jeweiligen Bleche beispielsweise durch Tiefziehen umgeformt. Da die Fügetechnik nicht an der komplex geformten Karosserie selbst, sondern lediglich an den flachen Halbzeugblechen durchgeführt werden muss, kann dies unter besonders gut kontrollierbaren Umständen geschehen.
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2 zeigt nochmals im Detail die Materialgrenzen 26 sowie den zweischaligen Aufbau des Windlaufquerträgers 18 aus den Schalen 14, 16, die auf die genannte Art in Form von maßgeschneiderten und anschließend durch Ziehen umgeformten Platinen bereitgestellt sind.
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Wie die 3 und 4 zeigen, kann die geschilderte Technik auch für einen Kraftfahrzeugboden Anwendung finden. 3 zeigt dabei eine ganze, insgesamt mit 32 bezeichnete Bodengruppe eines Kraftwagens. Diese umfasst einen Hauptboden 34, der den Tunnel 36 ausbildet und sich seitlich vom Tunnel flach zu den Schwellern hin erstreckt, sowie Sitzquerträger 38, 40. Im Bereich des vorderen Tunnelportals 42 sind Längsträger 44 an den Hauptboden 34 angebunden. Der Hauptboden 34 sowie die Sitzquerträger 38, 40 sind ebenfalls auf die geschilderte Art als Hybridbauteile ausgebildet, wobei die Materialübergänge zwischen dem stählernen Mittenbereich 28 und den Randbereichen 30 auch hier entlang der Linien 26 ausgebildet sind.
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Der zentrale Bereich des Hauptbodens 34 und der Sitzquerträger 38, 40 ist also auch hier wieder aus Stahl gefertigt, während die Randbereiche 30 aus Aluminium bestehen. Der zentrale Bereich 28 verleiht der Bodengruppe 32 die gewünschte hohe Festigkeit sowohl gegenüber normalen Betriebsbeanspruchungen als auch gegenüber unfallbedingt eingeleiteten Kräften. Über die Längsträger 44 bei einem Frontalaufprall eingeleitete Kräfte werden auf den Hauptboden 34 übertragen und vom Tunnel 36 sowie dem zeitlich davon liegenden Blechbereich des Hauptbodens 34 an der Fahrgastzelle vorbeigeleitet. Eine Verformung der Fahrgastzelle sowie die Intrusion von Teilen des Antriebsstrangs im Bereich des Tunnels 36 werden durch den Stahl des Mittenbereichs 28 zuverlässig verhindert.
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Die Randbereiche 30 des Hauptbodens 34 und der Sitzquerträger 38, 40 sind dagegen wiederum aus Aluminium ausgebildet und können daher auf einfache Art mit einer ebenfalls aus Aluminium ausgebildeten, in der Figur nicht gezeigten Seitenwand des Kraftwagens gefügt werden.
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Auch zur Herstellung des Hauptbodens 34 und der Sitzquerträger 38, 40 werden, wie bereits geschildert, maßgeschneiderte Platinen verwendet, so dass die Fügeverbindungen zwischen den Randbereichen 30 aus Aluminium und dem Mittenbereich 28 aus Stahl unter besonders kontrollierten Bedingungen hergestellt werden können und daher eine besonders hohe Qualität und Betriebsfestigkeit aufweisen. Das Umformen erfolgt beispielsweise wieder durch Tiefziehen.
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4 veranschaulicht noch einmal die Lage der Materialübergänge entlang der Linien 26 zwischen dem Mittenbereich 28 und den Randbereichen 30 des Hauptbodens 34.
