DE102010041184A1

DE102010041184A1 - Karosseriestruktur für einen Frontbereich eines Fahrzeugs

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Publication number: DE102010041184A1
Application number: DE102010041184A
Authority: DE
Inventors: Elmar Beeh; Michael Kriescher; Philipp Steinle; Gerhard Kopp; Andreas Piller; Kyrylo Vorobyow; Oliver Deisser; Walid Salameh
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2009-09-22
Filing date: 2010-09-22
Publication date: 2011-04-21

Abstract

Es wird eine Karosseriestruktur für einen Frontbereich eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bereitgestellt, umfassend eine Mehrzahl von Längsträgern, die sich parallel oder im Wesentlichen parallel zu einer Fahrzeuglängsachse erstrecken, und ein Frontmodul, welches mit dem frontseitigen Ende eines oder mehrerer Längsträger verbunden ist, wobei ein oder mehrere Längsträger eine Zerspanungseinrichtung umfassen, derart, dass der oder die Längsträger zum Absorbieren von Energie bei einem Aufprall spanend bearbeitbar sind, und wobei die Karosseriestruktur eine Mehrzahl von Verbindungsstreben umfasst, die in einem spitzen Winkel zur Fahrzeuglängsachse orientiert sind und jeweils mindestens zwei Längsträger miteinander verbinden, wobei ein oder mehrere Verbindungsbereiche zwischen den Längsträgern und den Verbindungsstreben als Fließgelenke ausgebildet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Karosseriestruktur für einen Frontbereich eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine Mehrzahl von Längsträgern, die sich parallel oder im Wesentlichen parallel zu einer Fahrzeuglängsachse erstrecken, und ein Frontmodul, welches mit dem frontseitigen Ende eines oder mehrerer Längsträger verbunden ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug, welches eine derartige Karosseriestruktur umfasst.
Die Karosseriestruktur im Frontbereich eines Fahrzeugs (Vorderwagenstruktur) ist in der Regel so ausgelegt, dass sie bei einem Unfall, also insbesondere bei einem Frontalaufprall des Fahrzeugs, einen möglichst hohen Schutz für die dahinter angeordnete Fahrgastzelle bietet. Bei Karosseriestrukturen der eingangs genannten Art kommt dabei den Längsträgern eine entscheidende Funktion zu, da diese einen Großteil der Aufprallenergie, welche axial auf die Längsträger einwirkt, durch eine plastische Verformung absorbieren. An den Längsträgern sind auch das Antriebsaggregat und das Fahrwerk befestigt, sie bilden daher das wesentliche Strukturelement der Vorderwagenstruktur. Ein im Frontbereich angeordnetes Antriebsaggregat wird heute bei der Auslegung des Crashverhaltens der Vorderwagenstruktur mit einbezogen, sodass sich das Crashverhalten ohne Antriebsaggregat als wesentlich schlechter darstellt als mit eingebauten Antriebsaggregat. Auch neue Antriebsvarianten, bei denen der konventionelle Antrieb durch einen Verbrennungsmotor entfällt, wie beispielsweise bei elektrischen Radnabenantrieben, führen deshalb zu einem stark geänderten Crashverhalten der Vorderwagenstruktur. Dieser Effekt wird zusätzlich verstärkt, wenn der Aufprall bei einem Unfall nicht frontal, d. h. im Wesentlichen in Fahrzeuglängsrichtung, erfolgt, sondern mehr oder weniger schräg.
Während die statische Belastbarkeit einer Struktur (d. h. Steifigkeit und Festigkeit) anhand von grundlegenden Gesetzmäßigkeiten der Mechanik weitgehend berechenbar und voraussagbar ist, ist das Crashverhalten, insbesondere die Energieabsorptionsfähigkeit und die zeitliche Veränderung des Kraftverlaufs während eines Unfalls, von einer Vielzahl von Parametern wie Bauteilform, Werkstoff, Wandstärke und geschwindigkeitsabhängigem Materialverhalten abhängig. Bei bekannten Bauweisen von Karosseriestrukturen führt dabei eine Änderung der Energieabsorptionsfähigkeit gleichzeitig auch zu einer deutlichen Veränderung der strukturellen Steifigkeit der Karosserie.
Anpassungen an unterschiedliche gesetzliche Vorgaben und sonstige Anforderungen in verschiedenen Märkten (z. B. Europa und Nordamerika) erfordern häufig eine Vielzahl von Varianten von Vorderwagenstrukturen. Neben diesen marktbedingten Änderungen erfordern, wie bereits oben angesprochen, auch verschiedene Antriebskonzepte aufgrund geänderter Massenverteilung im Fahrzeug eine entsprechende Anpassung des Crashverhaltens, z. B. dann, wenn dasselbe Fahrzeugmodell mit einem Verbrennungsmotor und alternativ mit einem Elektromotor mit großem Batteriespeicher angeboten werden soll. Jede Änderung des Crashverhaltens bedingt hierbei aber auch eine Änderung des Strukturverhaltens, sodass derartige Anpassungen einer Karosseriestruktur einen erheblichen Entwicklungsaufwand erfordern, um sowohl das Strukturverhalten (d. h. Steifigkeit, Dauerfestigkeit, Eigenfrequenzen usw.) als auch das Crashverhalten (d. h. Energieabsorptionsfähigkeit und Kraft-Weg-Verlauf) abzustimmen und zu optimieren.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Karosseriestruktur für einen Frontbereich eines Fahrzeugs zu schaffen, die insbesondere auch bei einem frontalen oder schrägen Aufprall eine verbesserte strukturelle Stabilität aufweist und deren Crashverhalten einfach und weitgehend unabhängig von den strukturellen Parametern angepasst werden kann.
Diese Aufgabe wird bei der Karosseriestruktur der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein oder mehrere Längsträger eine Zerspanungseinrichtung umfassen, derart, dass der oder die Längsträger zum Absorbieren von Energie bei einem Aufprall spanend bearbeitbar sind, und dass die Karosseriestruktur eine Mehrzahl von Verbindungsstreben umfasst, die in einem spitzen Winkel zur Fahrzeuglängsachse orientiert sind und jeweils mindestens zwei Längsträger miteinander verbinden, wobei ein oder mehrere Verbindungsbereiche zwischen den Längsträgern und den Verbindungsstreben als Fließgelenke ausgebildet sind.
Der oder die erfindungsgemäß vorgesehenen Längsträger mit einer Zerspanungseinrichtung (Zerspanungslängsträger), deren Aufbau und Funktionsweise weiter unten im Einzelnen beschrieben werden, ermöglichen eine besonders einfache Abstimmung der Energieabsorptionsfähigkeit und des Kraft-Weg-Verlaufs, ohne dass hierfür in das strukturelle Gesamtkonzept der Vorderwagenstruktur eingegriffen werden muss.
Zerspanungslängsträger weisen eine sehr hohe Energieabsorptionsfähigkeit bei einer im Wesentlichen axialen Krafteinwirkung auf, für eine optimale Funktionsfähigkeit sind jedoch Verformungen in Querrichtung, wie sie insbesondere bei einem schrägen Aufprall auftreten können, nach Möglichkeit zu vermeiden. Dies wird erreicht durch die erfindungsgemäß ebenfalls vorgesehenen Verbindungsstreben. Durch diese wird eine räumliche Struktur geschaffen, bei der zwei oder mehr Längsträger gegeneinander abgestützt und somit stabilisiert werden. Das Vorliegen eines spitzen Winkels zwischen einer Verbindungsstrebe und der Fahrzeuglängsachse ist dabei so zu verstehen, dass die Verbindungsstrebe nicht senkrecht oder näherungsweise senkrecht zur Fahrzeuglängsachse orientiert ist. Durch diese Anordnung werden insbesondere ungünstige Hebelmomente auf die Verbindungsstreben im Falle eines Frontalaufpralls vermieden. In vielen Fällen ist ein spitzer Winkel im Bereich von ca. 45°, also eine Orientierung von Verbindungsstreben entlang einer Diagonalen, besonders günstig, wobei in Abhängigkeit von der Gesamtstruktur auch größere oder kleinere Winkel vorteilhaft sein können.
Die Stabilisierung der Längsträger bei einem Aufprall wird erfindungsgemäß des Weiteren dadurch erreicht, dass ein oder mehrere Verbindungsbereiche zwischen den Längsträgern und den Verbindungsstreben als Fließgelenke ausgebildet sind. Bei einem Fließgelenk ist der entsprechende Verbindungsbereich so ausgelegt, dass bei einem Aufprall, und insbesondere bei einer Bewegung von zwei benachbarten Längsträgern relativ zueinander, kein Bruch der die beiden Längsträger verbindenden Verbindungsstrebe erfolgt, sondern die Verbindungsstrebe in Bezug auf einen oder beide Längsträger abknickt und weiterhin einen Stabilisierung der Längsträger ermöglicht. Durch eine elastische oder plastische Verformbarkeit der Fließgelenke wird somit eine axiale Bewegung der Längsträger ermöglicht, während einer Querbewegung entgegengewirkt wird. Um die Funktionsfähigkeit der Fließgelenke zu optimieren, kann die Art des verwendeten Materials, die Materialstärke in den Verbindungsbereichen und/oder die Art der Verbindung zwischen den Längsträgern und den Verbindungsstreben aufeinander abgestimmt werden.
Insgesamt wird durch den Aufbau der erfindungsgemäßen Karosseriestruktur einem Abknicken der durch die Verbindungsstreben stabilisierten Längsträger bei einem Aufprall entgegengewirkt. Dadurch kann die maximale Energieabsorptionsfähigkeit der Längsträger bei einer axialen Krafteinwirkung ausgenutzt werden. Dies gilt, wie bereits erwähnt, in besonderem Maße für den oder die Zerspanungslängsträger, aber auch für Längsträger, die z. B. als Hohlprofile ausgebildet sind und Aufprallenergie durch Faltenbeulen absorbieren.
Durch die erhöhte Stabilität der erfindungsgemäßen Karosseriestruktur wird gegenüber bekannten Vorderwagenstrukturen eine höhere spezifische Energieabsorption erreicht, d. h. die maximale Energieabsorption bis zum totalen Strukturversagen ist bei gleichem Gewicht der Karosseriestruktur höher, oder das Karosseriegewicht kann bei gleicher Energieabsorptionsfähigkeit verringert werden, oder beide Vorteile können miteinander kombiniert werden. Besonders vorteilhaft wirkt sich die erfindungsgemäße Karosseriestruktur auch in Verbindung mit den bereits angesprochenen alternativen Antriebskonzepten aus, d. h. insbesondere bei Elektrofahrzeugen. Während bei konventionellen Kraftfahrzeugen auch der Verbrennungsmotor und das Getriebe einen Beitrag zum Crashverhalten der Vorderwagenstruktur leisten und bei deren Auslegung mitberücksichtigt werden, ist bei Elektrofahrzeugen eher davon auszugehen, dass der Motor z. B. im Heck angeordnet ist oder einzelne Motoren für einen direkten Antrieb der Räder vorgesehen sind (Radnabenantrieb). Die Karosseriestruktur im Frontbereich des Fahrzeugs muss daher auch ohne das Antriebsaggregat eine ausreichende Stabilität bei Unfällen aufweisen.
Besonders günstig ist es, wenn eine oder mehrere Verbindungsstreben in einem spitzen Winkel zu einer Fahrzeugquerrichtung und/oder zu einer Fahrzeughochrichtung orientiert sind. Die Fahrzeugquerrichtung (Y-Achse) ist hierbei senkrecht zur Fahrzeuglängsachse (X-Achse) und bildet mit dieser eine zur Standfläche des Fahrzeugs parallele Ebene. Die zu dieser Ebene senkrechte Z-Achse ist die Fahrzeughochrichtung. Dadurch, dass zumindest ein Teil der Verbindungsstreben in Bezug auf mindestens zwei dieser Vorzugsrichtungen in einem spitzen Winkel orientiert sind, wird eine besonders effektive räumliche Struktur und somit eine Versteifung der erfindungsgemäßen Karosseriestruktur in Y- und Z-Richtung erreicht. Ganz besonders bevorzugt erstrecken sich eine oder mehrere Verbindungsstreben in einem spitzen Winkel zu allen drei Vorzugsrichtungen. Beispielsweise können sich Verbindungsstreben entlang einer Flächendiagonalen in der XY-Ebene oder in der XZ-Ebene erstrecken, oder insbesondere entlang einer Raumdiagonalen. Solche Verbindungsstreben haben eine besonders vorteilhafte versteifende Wirkung bei Unfällen, bei denen der Aufprall nicht exakt in Frontalrichtung (d. h. in Fahrzeuglängsrichtung) erfolgt, sondern mehr oder weniger schräg, so dass die Längsträger nicht nur axial belastet werden. Auch die Widerstandfähigkeit der Karosseriestruktur gegenüber seitlichen Kräften (d. h. Kräften in Fahrzeugquerrichtung) ist durch solche räumlichen Verbindungsstreben erhöht.
Es wurde festgestellt, dass die räumliche Stabilisierung bzw. Versteifung der Karosseriestruktur gemäß der Erfindung sich nicht nur bei einem Aufprall vorteilhaft auswirkt, indem die Energieabsorptionsfähigkeit der Vorderwagenstruktur erhöht und der Schutz der Fahrgastzelle verbessert wird, sondern dass zusätzlich auch das Fahrverhalten des Fahrzeugs verbessert wird, indem die Torsions- und Biegefrequenzen der Karosseriestruktur erhöht werden. Gegenüber vergleichbaren Karosseriestrukturen ohne die erfindungsgemäßen Verbindungsstreben können die genannten Frequenzen insbesondere um ca. 20 bis 40 Hz erhöht werden.
Günstigerweise sind die Längsträger jeweils paarweise symmetrisch und in gleichem Abstand zur Fahrzeuglängsachse angeordnet, d. h. die Karosseriestruktur ist spiegelsymmetrisch zu einer durch die Fahrzeuglängsachse verlaufenden XZ-Ebene. Bei der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird i. d. R. auf eine solche symmetrische Bauweise Bezug genommen, d. h. auch die entsprechenden Verbindungsstreben sind jeweils paarweise auf der rechten und linken Seite der Karosseriestruktur (bezogen auf die Fahrzeuglängsachse) vorhanden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Karosseriestruktur zwei Hauptlängsträger und zwei obere Längsträger, die in Fahrzeughochrichtung oberhalb der Hauptlängsträger angeordnet sind. Dieser Aufbau entspricht bekannten Karosseriestrukturen, wobei die Hauptlängsträger die strukturelle Hauptlast der Karosseriestruktur in Fahrzeuglängsrichtung tragen und auch die höchste Energieabsorptionsfähigkeit aufweisen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn ferner zwei untere Längsträger vorgesehen sind, die in Fahrzeughochrichtung unterhalb der Hauptlängsträger angeordnet sind. In diesem Fall umfasst die Karosseriestruktur insgesamt sechs Längsträger (d. h. drei auf jeder Fahrzeugseite), die sechs Lastpfade für die Absorption der Aufprallenergie bei einem Frontalaufprall definieren.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Hauptlängsträger jeweils mit dem benachbarten oberen und/oder unteren Längsträger über eine oder mehrere Verbindungsstreben verbunden sind. Die zwei oder drei Längsträger auf jeder Fahrzeugseite werden hierdurch stabilisiert, so dass die Lage der Längsträger relativ zueinander sowie deren Ausrichtung im Wesentlichen parallel zur Fahrzeuglängsachse auch während der Verformung der Karosseriestruktur bei einem Frontalaufprall so weit wie möglich beibehalten wird. Durch die erfindungsgemäßen Verbindungsstreben sind auch die Lastpfade miteinander verbunden, so dass ein gewisser Ausgleich der an den verschiedenen Lastpfaden angreifenden Kräfte bei einem Aufprall erfolgen kann.
Einen Beitrag zur Stabilisierung der Hauptlängsträger leistet auch die Verbindung von deren frontseitigen Enden mit dem Frontmodul (häufig auch als Frontendmodul bezeichnet). Das Frontmodul dient in der Regel auch als Träger für einen Kühler und ist hinter einem Stoßfängersystem (oder einer sog. Crashbox) angeordnet, welches für die Absorption der Aufprallenergie bei Unfällen mit relativ geringer Geschwindigkeit (bis ca. 15 km/h) ausgelegt ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind ein oder mehrere Längsträger einstückig mit einer oder mehreren Verbindungsstreben ausgebildet. Eine einstückige Verbindung von Längsträgern und Verbindungsstreben bietet eine besonders hohe Stabilität, und der Verbindungsbereich kann wie oben beschrieben als Fließgelenk ausgebildet werden. Besonders günstig ist es z. B., wenn ein oder mehrere Längsträger mit einer oder mehreren Verbindungsstreben als Gussteile oder in Blechschalenbauweise hergestellt sind.
Eine oder mehrere Verbindungsstreben können günstigerweise auch einstückig mit dem Frontmodul ausgebildet sein. Über das Frontmodul und gegebenenfalls einen mit dem Frontmodul verbundenen Stoßfänger wird die Aufprallenergie bei einem Frontalaufprall in die Karosseriestruktur eingeleitet. Über Verbindungsstreben, die unmittelbar an dem Frontmodul ansetzen und insbesondere einstückig mit diesem ausgebildet sind, kann die Aufprallenergie, auch wenn sie ungleichmäßig oder nur an einem Teilbereich des Frontmoduls angreift, in gewissem Umfang auf die verschiedenen Lastpfade verteilt werden. Bevorzugt ist das Frontmodul mit einer oder mehreren Verbindungsstreben als Gussteil oder in Blechschalenbauweise hergestellt.
Alternativ zu einer einstückigen Ausbildung können verschiedene Teile der erfindungsgemäßen Karosseriestruktur auch nachträglich miteinander verbunden sein, wobei grundsätzlich sämtliche Fügeverfahren, die dem Fachmann im Karosseriebau bekannt sind, zum Einsatz kommen können. Beispielsweise können ein oder mehrere Längsträger, Verbindungsstreben und/oder das Frontmodul miteinander verschweißt und/oder verschraubt und/oder verklebt sein.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind eine oder mehrere Verbindungsstreben als Hohlprofile ausgebildet. Die Verbindungsstreben können insbesondere als Rohre mit einem runden oder polygonalen (z. B. viereckigen) Querschnitt ausgebildet sein. Solche Hohlprofile können in Form einer Gitterrohrrahmenkonstruktion mit den Längsträgern und ggf. mit dem Frontmodul verbunden sein, insbesondere durch Verschweißen.
Besonders bevorzugt ist es, wenn eine oder mehrere Verbindungsstreben als verstärkte Bereiche eines oder mehrerer Flächenelemente ausgebildet sind. Die Flächenelemente sind insbesondere Blechschalenelemente, die entlang den Rändern verstärkt sind. Die Blechschalenelemente können ein- oder mehrlagig ausgebildet sein. Auf diese Weise können mehrere, sich in unterschiedliche Richtungen erstreckende Verbindungsstreben in ein Flächenelement integriert werden, was den Aufwand für die Herstellung und Montage der erfindungsgemäßen Karosseriestruktur verringert. Durch die Verwendung von Flächenelementen, die mehrere Verbindungsstreben miteinander verbinden, wird die räumliche Struktur zusätzlich stabilisiert.
Auf den mindestens einen Längsträger mit einer Zerspanungseinrichtung, der erfindungsgemäß vorgesehen ist, wurde bisher noch nicht näher eingegangen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind mindestens zwei Hauptlängsträger als Zerspanungslängsträger ausgebildet, und ggf. zusätzlich zwei obere Längsträger und/oder zwei untere Längsträger.
Bevorzugt umfasst ein Zerspanungslängsträger ein erstes und ein zweites Trägerteil, wobei das erste Trägerteil ein Zerspanungswerkzeug zur spanenden Bearbeitung des zweiten Trägerteils umfasst oder bildet. Solche Zerspanungseinrichtungen zur Energieabsorption bei Fahrzeugen sind aus der Offenlegungsschrift DE 10 2007 020 896 A1 bekannt. Der Vorteil gegenüber herkömmlichen Längsträgern besteht zum einen darin, dass bei der spanenden Bearbeitung eine deutlich höhere spezifische Energieabsorption erreicht wird als beim Faltenbeulen, und dass darüber hinaus die Energieabsorption über den gesamten Zerspanungsweg, d. h. während des Verlaufs des Aufpralls, weitgehend konstant ist. Durch dieses lineare Verhalten wird eine exakte Auslegung des Crashverhaltens erleichtert.
Besonders günstig wirkt sich in diesem Zusammenhang die bei der erfindungsgemäßen Karosseriestruktur vorgesehene Funktionstrennung aus, wonach die Längsträger im Wesentlichen nur die Kräfte in X-Richtung übernehmen (d. h. axial belastet werden), während die erfindungsgemäß angeordneten Verbindungsstreben über die Wirkung der Fließgelenke eine Abstützung in Y- und Z-Richtung bewirken (d. h. entsprechende Kraftkomponenten übernehmen).
Das erste und das zweite Trägerteil sind bevorzugt als Hohlprofile ausgebildet, die koaxial angeordnet sind. Dabei umfasst das Zerspanungswerkzeug des ersten Trägerteils bevorzugt eine Schneidklinge zur spanenden Bearbeitung einer Außenoberfläche des zweiten Trägerteils. Insbesondere bei einer solchen Zerspanungseinrichtung ist es entscheidend, dass das erste und das zweite Trägerteil ihre koaxiale Orientierung in Richtung der Fahrzeuglängsachse bei einem Aufprall beibehalten, damit sich die Schneidklinge nicht verkantet und/oder der Längsträger abknickt. Diese räumliche Stabilisierung wird durch die vorliegende Erfindung ermöglicht. Von Bedeutung ist dies insbesondere während der ersten Phase des Aufpralls, wenn das erste und das zweite Trägerteil sich nur entlang eines relativ kurzen Abschnitts überlappen. Wenn das zweite Trägerteil im weiteren Verlauf des Aufpralls zunehmend in das erste Trägerteil hinein geschoben wird, erfolgt hierdurch eine zusätzliche Versteifung des Längsträgers, die einem Abknicken entgegenwirkt.
Das erste und das zweite Trägerteil des Zerspanungslängsträgers sind bevorzugt aus einem metallischen Material gebildet. Hierbei muss das Zerspanungswerkzeug eine höhere Härte aufweisen als das zweite Trägerteil. So kann z. B. eine Schneidklinge aus Stahl zur spanenden Bearbeitung von Aluminium eingesetzt werden oder eine Schneidklinge aus einem Spezialstahl mit hoher Härte zur spanenden Bearbeitung von weniger hartem Stahl. Bei einer spanenden Bearbeitung von Metallen können wesentlich höhere Energien absorbiert werden als z. B. bei der Zerspanung von Polymermaterialien, die allenfalls zur Energieabsorption im Bereich von Stoßfängersystemen eingesetzt werden können.
Der entscheidende Vorteile von metallischen Zerspanungslängsträgern liegt aber insbesondere darin, dass bei einer im Wesentlichen unveränderten Steifigkeit und Festigkeit des Längsträgers der jeweils geforderte Kraft-Weg-Verlauf über einen weiten Bereich und mit hoher Genauigkeit einstellbar ist. Zu diesem Zweck kann durch eine entsprechende Einstellung des Zerspanungswerkzeugs (z. B. einer Schneidklinge) das Ausmaß der Zerspanung der Außenoberfläche des zweiten Trägerteils, d. h. die Schnitttiefe und die daraus resultierende Schnittkraft, variiert werden. Übliche Schnitttiefen bei der vorliegenden Erfindung liegen dabei im Bereich von ca. 0,5 bis ca. 1,5 mm, wobei aber auch deutlich größere Schnitttiefen technisch realisierbar sind. Die Schnitttiefe und damit die Energieabsorptionsfähigkeit sind im Prinzip nur durch die Beulgrenze des Zerspanungslängsträgers unter axialer Krafteinwirkung nach oben begrenzt. Zur Erhöhung dieser Beulgrenze können an sich bekannte Maßnahmen, wie z. B. eine Erhöhung der Wandstärke, Verrippungen oder eine Ausschäumung des zweiten Trägerteils zum Einsatz kommen, ohne dass dadurch die Struktur oder die äußeren Abmessungen des Zerspanungslängsträgers modifiziert werden müssen.
Wie bereits angesprochen, wird das zweite Trägerteil im Verlauf eines Aufpralls in das erste Trägerteil geschoben, wodurch eine zusätzliche Versteifung des Längsträgers erfolgt. Zur Unterstützung dieses Effektes umfasst das zweite Trägerteil an seinem heckseitigen Ende bevorzugt eine Stabilisierungsstruktur, die sich an einer Innenoberfläche des ersten Trägerteils abstützt. Eine solche Stabilisierungsstruktur überbrückt die Differenz zwischen dem Innendurchmesser des ersten Trägerteils und dem Außendurchmesser des zweiten Trägerteils und schafft somit einen weiteren Kontaktbereich zwischen den Trägerteilen (neben dem Kontakt im Bereich des Zerspanungswerkzeugs). Dadurch wir der Zerspanungslängsträger bereits während des normalen Betriebs des Fahrzeugs stabilisiert (z. B. gegen schwingende Belastungen), und bei einem Aufprall ergibt sich eine zunehmende Abstützlänge der sich ineinanderschiebenden Trägerteile und damit eine zunehmende Versteifung gegen Querkräfte.
Durch die genannten Vorteile der Zerspanungslängsträger sowie deren Einbindung in die erfindungsgemäße Karosseriestruktur wird eine anforderungsgerechte Auslegung der Vorderwagenstruktur gegenüber dem Stand der Technik wesentlich vereinfacht, da in einem ersten Schritt die strukturellen Eigenschaften ausgelegt werden können und anschließend eine Auslegung des Crashverhaltens durch die oben beschriebene Einstellung des Kraft-Weg-Verlaufs erfolgen kann, wobei die strukturellen Eigenschaften im Wesentlichen nicht beeinflusst werden. Dadurch kann der Aufwand bei der Fahrzeugentwicklung in erheblichem Umfang reduziert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfassen der oder die Zerspanungslängsträger ferner ein drittes Trägerteil, wobei das zweite Trägerteil ein Zerspanungswerkzeug zur spanenden Bearbeitung des dritten Trägerteils umfasst oder bildet. Ein solcher Längsträger weist eine besonders hohe Energieabsorptionsfähigkeit auf, da sowohl durch die spanende Bearbeitung des zweiten als auch des dritten Trägerteils Energie absorbiert wird. Auch das dritte Trägerteil umfasst bevorzugt eine Stabilisierungsstruktur an seinem heckseitigen Ende, die entsprechend der Stabilisierungsstruktur des zweiten Trägerteils ausgebildet sein kann.
Das dritte Trägerteil ist bevorzugt einem Stoßfängersystem zugeordnet, welches vor dem Frontmodul angeordnet ist. In diesem Fall ist es günstig, wenn das dritte Trägerteil bereits durch eine relativ geringe Krafteinwirkung spanend bearbeitet wird, die aus einem Aufprall auf den Stoßfänger mit einer geringen Geschwindigkeit resultiert. Eine Zerspanung des zweiten Trägerteils erfolgt dann im Wesentlichen erst nachdem das dritte Trägerteil vollständig in dieses eingeschoben wurde.
Die mehrstückige Ausbildung von Zerspanungslängsträgern führt in Verbindung mit einem einfach austauschbaren Frontmodul auch zu einer Karosseriestruktur, die einfach zu montieren und zu reparieren ist. Daneben führt die einfache Demontierbarkeit bei einer metallischen Bauweise auch zu günstigen Eigenschaften in Bezug auf das Recycling.
Bevorzugt sind bei der erfindungsgemäßen Karosseriestruktur die Längsträger, die Verbindungsstreben und/oder das Frontmodul zumindest teilweise aus metallischen Materialien gebildet. Metalle eignen sich aufgrund ihrer hohen Duktilität für die Funktion der Fließgelenke und tragen durch Verformung zur Energieabsorptionsfähigkeit der Karosseriestruktur bei einem Aufprall bei. Die besonderen Vorteile metallischer Materialien im Zusammenhang mit Zerspanungslängsträgern wurden bereits beschrieben.
Bevorzugte metallische Materialien umfassen insbesondere Stahl, Aluminium und/oder Magnesium. Je nach Art des verwendeten Materials kann die Materialstärke der einzelnen Karosserieteile sowie deren genaue räumliche Anordnung gewählt werden, um das Gesamtverhalten der Karosseriestruktur, insbesondere deren Energieabsorptionsfähigkeit, zu optimieren. In jedem Fall kann bei der erfindungsgemäßen Karosseriestruktur eine höhere Energieabsorption bei gleichem Gewicht oder ein geringeres Gewicht bei gleicher Energieabsorption realisiert werden.
Durch die hohe strukturelle Stabilität der erfindungsgemäßen Karosseriestruktur müssen weitere Komponenten des Fahrzeugs keine stabilisierende Funktion übernehmen, so dass insbesondere Verkleidungen in Leichtbauweise ausgeführt werden können, z. B. aus faserverstärkten Kunststoffmaterialien oder dergleichen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, welches eine Karosseriestruktur der vorstehend beschriebenen Art umfasst. Besondere Vorteile und Ausführungsformen eines solchen Fahrzeugs wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Karosseriestruktur beschrieben.
Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen im Einzelnen:
1: Perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Karosseriestruktur;
2: Frontansicht der Karosseriestruktur gemäß 1;
3: Seitenansicht der Karosseriestruktur gemäß 1;
4A, 4B: Schematische Darstellungen der Frontansicht der erfindungsgemäßen Karosseriestruktur im Vergleich zu einer Karosseriestruktur gemäß dem Stand der Technik;
5A, 5B: Seitenansichten der erfindungsgemäßen Karosseriestruktur bei einem Frontalaufprall;
6A, 6B: perspektivische Darstellungen von Karosseriestrukturen nach einem um 30° schrägen Frontalaufprall mit einer 50%igen Überdeckung;
7A–7C: Schematische Darstellungen der Funktionsweise von Zerspanungslängsträgern und Fließgelenken bei einer erfindungsgemäßen Karosseriestruktur;
8: Schaubild mit dem zeitlichen Verlauf der Energieabsorption bei verschiedenen Zerspanungslängsträgern;
9: Detaildarstellung eines Zerspanungslängsträgers; und
10A–10C: Querschnittsdarstellungen von Trägerteilen.
Die 1 bis 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Karosseriestruktur 10 in perspektivischer Darstellung, in einer Frontansicht bzw. in einer Seitenansicht. Die Karosseriestruktur 10 ist spiegelsymmetrisch aufgebaut in Bezug auf eine Ebene, die durch die Fahrzeuglängsachse 12 (X-Achse) sowie die Fahrzeughochrichtung (Z-Achse) definiert wird. Senkrecht zu dieser Ebene ist die Fahrzeugquerrichtung (Y-Achse). Paarweise symmetrische Teile der Karosseriestruktur 10 sind in den Figuren jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen.
Die Karosseriestruktur 10 umfasst ein Frontmodul 14, welches direkt oder über Verbindungsstreben mit insgesamt sechs Längsträgern verbunden ist. An der Vorderseite des Frontmoduls 14 ist ein Stoßfänger 16 angeordnet. Das Frontmodul 14 dient ferner als Träger für einen Kühler 17.
Die insgesamt sechs Längsträger umfassen auf jeder Seite der Karosseriestruktur 10 einen Hauptlängsträger 18, einen oberen Längsträger 20 und einen unteren Längsträger 22. Die oberen und unteren Längsträger 20 und 22 sind als Hohlprofile in Blechschalenbauweise ausgeführt und über ihre frontseitigen Enden mit dem Frontmodul 14 verbunden.
Die Hauptlängsträgern 18 sind als Zerspanungslängsträger ausgeführt, die jeweils ein erstes Trägerteil 24, ein zweites Trägerteil 26 und ein drittes Trägerteil 27 umfassen. Die Trägerteile 24, 26 und 27 sind koaxial angeordnete Hohlprofile, wobei die ersten Trägerteile 24 ein Zerspanungswerkzeug in Form einer Schneidklinge umfassen (in den 1 bis 3 nicht dargestellt), mittels derer die zweiten Trägerteile 26 zum Absorbieren von Energie spanend bearbeitbar sind. Die zweiten Trägerteile 26 umfassen ebenfalls ein Zerspanungswerkzeug zur spanenden Bearbeitung der dritten Trägerteile 27, wobei die Hauptlängsträger 18 so ausgelegt sind, dass bei einem Frontalaufprall zunächst die dritten Trägerteile 27 in die zweiten Trägerteile 26 eingeschoben werden und nur dann, wenn dies zur Absorption der Aufprallenergie nicht ausreicht, die zweiten Trägerteile 26 in die ersten Trägerteile 24 eingeschoben werden. Die frontseitigen Enden der dritten Trägerteile 27 sind mit dem Stoßfänger 16 verbunden.
Die Längsträger 18, 20 und 22 erstrecken sich parallel oder im Wesentlichen parallel zur Fahrzeugslängsachse 12 und absorbieren bei einem Frontalaufpralls den Großteil der Aufprallenergie, im Fall der oberen und unteren Längsträger 20 und 22 durch Faltenbeulen und im Fall der Hauptlängsträger 18 durch spanende Bearbeitung der zweiten und dritten Trägerteile 26 und 27. Zur Erhöhung der strukturellen Stabilität der Karosseriestruktur 10 umfasst diese eine Mehrzahl von Verbindungsstreben, die in einem spitzen Winkel zur Fahrzeuglängsachse 12 orientiert sind und jeweils zwei der Längsträger 18, 20 und 22 miteinander verbinden. Die Verbindungsstreben wirken insbesondere einem Abknicken der durch sie verbundenen Längsträger bei einem Frontalaufprall entgegen.
Im vorderen Bereich umfasst die Karosseriestruktur 10 (jeweils symmetrisch in Bezug auf die Fahrzeuglängsachse 12) zwei Verbindungsstreben 28, die die Hauptlängsträger 18 mit den oberen Längsträgern 20 verbinden, sowie zwei Verbindungsstreben 30, die die Hauptlängsträger 18 mit den unteren Längsträgern 22 verbinden. Die Verbindungsstreben 28 und 30 setzen jeweils am zweiten Trägerteil 26 des Hauptlängsträgers 18 an und sind sowohl zur Fahrzeuglängsachse 12 als auch zur Fahrzeugquer- und Fahrzeughochrichtung in einem spitzen Winkel orientiert. Sie verlaufen also in Richtung von Raumdiagonalen und liefern daher einen besonders effektiven Beitrag zur räumlichen Stabilisierung der Karosseriestruktur 10, insbesondere auch im Fall von schrägen Krafteinwirkungen.
Die Verbindungsstreben 28 und 30 sind einstückig mit dem Frontmodul 14 ausgebildet und mit diesem als Gussteil hergestellt. Das Gussteil bzw. das Frontmodul 14 umfasst noch zwei weitere Verbindungsstreben 31, die an den Hauptlängsträgern 18 ansetzen, sich jeweils diagonal nach oben und zur Fahrzeuglängsachse 12 hin erstrecken und sich am oberen Bereich des Frontmoduls 14 abstützen. Die Hauptlängsträger 18 werden somit im Bereich des Frontmoduls 14 jeweils durch drei Verbindungsstreben 28, 30 und 31 stabilisiert. Die Verbindungstreben 31 dienen zusätzlich auch zur Aufnahme von sog. Schlosskräften, die von der Motorhaube übertragen werden.
Die unteren Längsträger 22 sind darüber hinaus jeweils über eine Verbindungsstrebe 32 mit dem Hauptlängsträger 18 bzw. mit dem ersten Trägerteil 24 des Hauptlängsträgers 18 verbunden. Diese Verbindungsstreben 32 sind in Blechschalenbauweise einstückig mit den unteren Längsträgern 22 ausgebildet, wobei zwei korrespondierende Halbschalen, die jeweils Teile des Längsträgers 22 und der Verbindungsstrebe 32 umfassen, durch ein Fügeverfahren wie z. B. Verschweißen miteinander verbunden sind.
Ferner sind zur Verbindung der oberen Längsträger 20 mit den Hauptlängsträgern 18 weitere Verbindungsstreben 34 und 36 vorgesehen, wobei die Verbindungsstreben 34 und 36 jeweils als verstärkte Randbereiche eines Flächenelements 38 ausgebildet sind. Diese Flächenelemente 38 sind jeweils einstückig mit den oberen Längsträgern 20 in Blechschalenbauweise, d. h. durch Fügen von zwei korrespondierenden Halbschalen, hergestellt.
Die Längsträger 18 der erfindungsgemäßen Karosseriestruktur 10 stützen sich mit ihrem heckseitigen Ende jeweils an einem A-Säulen-Modul 40 ab. Die beiden A-Säulen-Module 40 sind jeweils über einen Kragarm 44 mit einem Federbein-Aufnahmeelement 46 verbunden, wobei das A-Säulen-Modul 40, der Kragarm 44 und das Federbein-Aufnahmeelement 46 einstückig ausgebildet sind. Ein Querträger 42 verbindet die beiden A-Säulen-Module miteinander, und eine Domstrebe 48 die beiden Federbein-Aufnahmeelemente 46. Durch diese Anordnung können Feder- und Dämpferkräfte direkt in das A-Säulen-Modul 40 eingeleitet werden. Auch von den unteren Längsträgern 22 und den Hauptlängsträgern 18 können über die Verbindungsstreben 32 und 36 Kräfte in das A-Säulen-Modul 40 eingeleitet werden, wobei die Verbindungsstreben 32 und 36 sowie der Kragarm 44 in etwa entlang einer Linie angeordnet sind (siehe 3).
Die Hauptlängsträger 18 stützen sich mit ihrem heckseitigen Ende an einem Verbindungselement 50 zum Fahrzeugboden ab. Die unteren Längsträger 22 stützen sich mit ihrem heckseitigen Ende an einem Fahrschemel 52 ab.
Bei einem Frontalaufprall erfolgt die Einleitung der Aufprallenergie in die Karosseriestruktur 10 in erster Linie über sechs Lastpfade, entsprechend den beiden Hauptlängsträgern 18, den beiden oberen Längsträgern 20 und den beiden unteren Längsträgern 22. Durch die Verbindungsstreben 28, 30, 32, 34 und 36 sind diese Lastpfade jedoch miteinander verbunden, so dass die Krafteinleitung möglichst gleichmäßig auf alle Lastpfade verteilt werden kann. Die Längsträger 18, 20 und 22 werden gegeneinander abgestützt und in ihrer Orientierung parallel oder im Wesentlichen parallel zur Fahrzeuglängsachse 12 so weit wie möglich stabilisiert. Beispielsweise wird eine Kraft, die an dem Stoßfänger 16 angreift und über das Frontmodul 14 in erste Linie auf die Hauptlängsträger 18 übertragen wird, durch die Verbindungsstreben 28 und 30 teilweise auch auf die oberen Längsträger 20 bzw. die unteren Längsträger 22 verteilt. Von den oberen und unteren Längsträgern 20 und 22 können wiederum Kräfte über die Verbindungsstreben 34 bzw. 32 auf die Hauptlängsträger 18 übertragen werden, wobei im Bereich der ersten Trägerteile 24 der Hauptlängsträger 18, an denen sich die Verbindungsstreben 32, 34 und 36 abstützen, Kräfte von allen drei Lastpfaden pro Fahrzeugseite zusammentreffen. Durch diese Kräfteverteilung können alle Längsträger 18, 20 und 22 optimal zur Energieabsorption bei einem Aufprall beitragen.
Die Karosseriestruktur 10 kann aus verschiedenen metallischen Materialien ausgeführt sein, insbesondere aus Stahl, Aluminium oder Magnesium. Es können insbesondere auch für verschiedene Teile der Karosseriestruktur 10 unterschiedliche Materialien eingesetzt werden, wobei durch die Art des Materials, die Materialstärke usw. das Verhalten der Karosseriestruktur 10 bei einem Frontalaufprall weiter optimiert werden kann.
Um die besonderen Vorteile, die sich durch die erfindungsgemäßen Verbindungsstreben ergeben, zu verdeutlichen, ist in der 4A eine Frontansicht der Karosseriestruktur 10 schematisch dargestellt. Gezeigt sind die in Fahrzeuglängsrichtung (d. h. senkrecht zur Zeichenebene) verlaufenden Längsträger 18, 20 und 22, das Frontmodul 14, der Stoßfänger 16 sowie die einstückig mit dem Frontmodul 14 ausgebildeten Verbindungsstreben 28, 30 und 31.
Zum Vergleich zeigt die 4B eine entsprechende Frontansicht einer Karosseriestruktur 60 gemäß dem Stand der Technik, die ebenfalls zwei Hauptlängsträger 62, zwei obere Längsträger 64 und zwei untere Längsträger 66 umfasst. Die frontseitigen Enden der Längsträger sind mit einem Frontmodul 68 verbunden, wobei das Frontmodul 68 zwei Querstreben 70 und 72 umfasst, die die jeweils paarweise symmetrisch angeordneten oberen bzw. unteren Längsträger 64 und 66 miteinander verbinden. Die beiden Hauptlängsträger 62 sind über einen Stoßfänger 74 verbunden. Zwei in Fahrzeughochrichtung (Z-Achse) orientierte Verbindungsstreben 76 verbinden jeweils einen unteren Längsträger 66 mit einem Hauptlängsträger 62 und der oberen Querstrebe 70. Die Querstreben 70 und 72 und die beiden Verbindungsstreben 76 sind einstückig hergestellt und bilden einen Rahmen, der in erster Linie für die Aufhängung eines Kühlers dient.
Bei der Karosseriestruktur 60 gemäß dem Stand der Technik bilden die Querstreben 70, 72, 74 und die Verbindungsstreben 76 Parallelogrammstrukturen aus, deren Stabilität bei einer seitlichen Krafteinwirkung fast ausschließlich durch die Biegesteifigkeiten der seitlich belasteten, zueinander parallelen Elemente definiert wird. Demgegenüber ist die Stabilität der erfindungsgemäßen Karosseriestruktur 10 deutlich höher (bei gleicher Materialart und -stärke), da durch die spitzen Winkel, in denen die Verbindungsstreben 28, 30 und 31 sowohl zur Fahrzeugquerrichtung (Y-Achse) als auch zur Fahrzeughochrichtung (Z-Achse) orientiert sind, bei jeder Krafteinwirkung zumindest ein Teil der Verbindungsstreben 28, 30, 31 partiell auch axial belastet werden. Insbesondere auch durch die jeweils spiegelsymmetrische Anordnung der paarweisen Verbindungsstreben 28, 30, 31 und die Ausbildung von trapezartigen Strukturen anstelle von Parallelogrammstrukturen wird die Karosseriestruktur 10 erheblich versteift. Dabei wirkt es sich auch günstig aus, wenn verschiedene Verbindungsstreben in unterschiedlichen Winkeln angeordnet sind. So bilden z. B. die Verbindungsstreben 28 und 30 in der Frontansicht der 4A keine gerade Linie.
Ein entsprechender Effekt ergibt sich auch in Bezug auf die Seitenansicht der Karosseriestruktur 10, da die Verbindungsstreben gemäß der Erfindung stets in einem spitzen Winkel zur Fahrzeuglängsachse (X-Achse) orientiert sind. Dies ist insbesondere bei einem Frontalaufprall von Bedeutung, wie bereits oben beschrieben wurde.
Die 5A und 5B zeigen beispielhaft die fortschreitende Verformung der Karosseriestruktur 10 bei einem Frontalaufprall mit 100%iger Überdeckung in einer der 3 entsprechenden Seitenansicht. Zu dem Zeitpunkt, der in der 5A dargestellt ist, ist das dritte Trägerteil 27 des Hauptlängsträgers 18 vollständig in das zweite Trägerteil 26 und dieses bereits teilweise in das erste Trägerteil 24 eingeschoben, wobei durch die spanende Bearbeitung der zweiten und dritten Trägerteile 26 und 27 ein erheblicher Teil der Aufprallenergie absorbiert wird. Die Verbindungsbereiche zwischen den Verbindungsstreben 28 und 30, die einstückig mit dem Frontmodul 14 ausgebildet sind, und den Längsträgern 18, 20 und 22 sind als Fließgelenke ausgebildet, so dass sie im Zuge der Verkürzung des Hauptlängsträgers 18 gezielt verformt werden, ohne dass es zu einem Bruch kommt. Auf diese Weise werden die Längsträger 18, 20 und 22 weiterhin gegeneinander abgestützt und in ihrer Orientierung parallel oder im Wesentlichen parallel zur Fahrzeuglängsachse 12 stabilisiert. Dies ist insbesondere für eine optimale Funktionsfähigkeit der Zerspanungseinrichtungen des Hauptlängsträgers 18 von Bedeutung.
Zu dem späteren, in der 5B dargestellten Zeitpunkt ist auch das zweite Trägerteil 26 bereits vollständig in das erste Trägerteil 24 des Hauptlängsträgers 18 eingeschoben, so dass dieser zusätzlich versteift ist. Der obere und der untere Längsträger 20 und 22 sind nun teilweise durch Faltenbeulen deformiert, wodurch diese ebenfalls zur Energieabsorption beitragen. Die Orientierung der Längsträger 18, 20 und 22 wird weiterhin durch die Verbindungsstreben 32, 34 und 36 stabilisiert.
Insgesamt zeigen die 5A und 5B deutlich, dass durch die erfindungsgemäß vorgesehenen Verbindungsstreben die räumliche Anordnung der Hauptkomponenten der Karosseriestruktur, d. h. insbesondere der Längsträger, auch während der mit einem Frontalaufprall einhergehenden Verformung stabilisiert wird, so dass die Längsträger ihr Energieabsorptionspotenzial bestmöglich ausschöpfen können. Dies gilt insbesondere auch bei einem schrägen Aufprall, da die zum Teil diagonal orientierten Verbindungsstreben einem Abknicken der Längsträger entgegenwirken.
Die vorteilhafte Wirkung der erfindungsgemäßen Karosseriestruktur zeigt sich besonders eindrucksvoll bei einem Vergleich der 6A und 6B. Diese zeigen jeweils eine Draufsicht auf eine Vorderwagenstruktur nach einem schrägen Frontalaufprall gegen eine starre Wand mit einer 50%igen Überdeckung, wobei die Aufprallrichtung um 30° von der Fahrzeuglängsachse abweicht. Die Aufprallgeschwindigkeit beträgt 64 km/h und das Gesamtgewicht 850 kg. Die 6A zeigt die erfindungsgemäße Karosseriestruktur 10 gemäß dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel, und die 6B zeigt eine Karosseriestruktur gemäß dem Stand der Technik ohne die erfindungsgemäß vorgesehenen Verbindungsstreben. Es wurde nur das Verhalten der Karosseriestrukturen als solche untersucht, d. h. ohne eingebautes Antriebsaggregat oder Fahrwerk.
Es zeigt sich, dass die Deformation der erfindungsgemäßen Karosseriestruktur nach dem Aufprall deutlich geringer ist als bei der Karosseriestruktur gemäß dem Stand der Technik, wodurch ein höherer Schutz für die Fahrgastzelle geboten wird. Im Vergleich zu der erfindungsgemäßen Karosseriestruktur liegt bei der Karosseriestruktur gemäß dem Stand der Technik ein nahezu vollständiges Strukturversagen vor.
Die 7A bis 7C zeigen schematische, nicht maßstabsgetreue Darstellungen zur Verdeutlichung der Funktionsweise der Zerspanungslängsträger und der Fließgelenke. Dabei ist jeweils ein Hauptlängsträger 18 gemäß der Karosseriestruktur 10 in einer seitlichen Schnittdarstellung gezeigt, und zwar in der 7A in der Ausgangsposition vor einem Aufprall, in der 7B zu einem Zeitpunkt des Aufpralls entsprechend in etwa der 5A, und in der 7C zu einem Zeitpunkt des Aufpralls entsprechend in etwa der 5B.
Das erste Trägerteil 24 umfasst als Zerspanungswerkzeug eine erste Schneidklinge 80 zur spanenden Bearbeitung des zweiten Trägerteils 26, welches seinerseits eine zweite Schneidklinge 82 zur spanenden Bearbeitung des dritten Trägerteils 27 umfasst. Dabei ist die erforderliche Schnittkraft für die zweite Schneidklinge 82 geringer als diejenige für die erste Schneidklinge 80, sodass das dritte Trägerteil 27 bereits durch eine relativ geringe Krafteinwirkung zerspant und vollständig in das zweite Trägerteil 26 eingeschoben wird, bevor dessen Zerspanung beginnt.
Das zweite Trägerteil 26 und das dritte Trägerteil 27 umfassen an ihren heckseitigen Ende jeweils eine Stabilisierungsstruktur 84 bzw. 86, die sich an den Innenoberflächen des ersten Trägerteils 24 bzw. des zweiten Trägerteils 26 abstützen. Hierdurch wird eine koaxiale Orientierung aller Trägerteile 24, 26 und 27 sichergestellt. Mit dem fortschreitenden Ineinanderschieben vergrößert sich die Abstützlänge des jeweils inneren gegenüber dem jeweils äußeren Trägerteil, so dass der Hauptlängsträger 18 insgesamt versteift wird.
Wenn die Stabilisierungsstruktur 84 in der Endphase eines Aufpralls heckseitig aus dem ersten Trägerteil 24 austritt, reduziert sich die Steifigkeit des Hauptlängsträgers 18 wieder etwas, so dass dieser ggf. durch Faltenbeulen zusätzliche Energie absorbieren kann.
Der Hauptlängsträger 18 wird zusätzlich stabilisiert durch die Verbindungsstreben 28, 34 und 30, 32, die ihn mit dem oberen Längsträger 20 bzw. mit dem unteren Längsträger 22 verbinden. Beim Einschieben des zweiten Trägerteils 26 in das erste Trägerteil 24 ergibt sich insbesondere ein vorteilhafter Effekt durch die Wirkung der Fließgelenke 88 zwischen dem Hauptlängsträger 18 und den Verbindungsstreben 28 und 30 sowie der Fließgelenke 90 zwischen den Verbindungsstreben 28 bzw. 30 und dem oberen Längsträger 20 bzw. dem unteren Längsträger 22. Die Fließgelenke 88 und 90 ermöglichen ein relativ kontrolliertes Abknicken der Verbindungsstreben 28 und 30, wobei sich diese im Verlauf des Aufpralls zunehmend einer Orientierung in Z-Richtung annähern und dabei weiterhin die Längsträger 18, 20 und 22 gegeneinander abstützen.
Zu dem in der 7C dargestellten Zeitpunkt des Aufpralls sind der obere Längsträger 20 und der untere Längsträger 22 bereits durch Faltenbeulen verformt und tragen damit ebenfalls zur Energieabsorption bei.
Typischerweise können das erste Trägerteil 24 und das zweite Trägerteil 26 jeweils eine Länge im Bereich von ca. 200 bis 500 mm aufweisen und das dritte Trägerteil 27 eine Länge im Bereich von ca. von 50 bis 200 mm, so dass ein vollständiges Ineinanderschieben der koaxialen Hohlprofile möglich ist.
Die für die Zerspanung des zweiten Trägerteils 26 bzw. des dritten Trägerteils 27 erforderliche Schnittkraft und die daraus resultierende Energieabsorptionsfähigkeit können durch verschiedene Parameter eingestellt werden, insbesondere durch die Wahl des Materials und der Schnitttiefe. Eine Variation der Schnitttiefe bietet den Vorteil, dass dadurch die strukturellen Eigenschaften des Hauptlängsträgers 18 nicht beeinflusst werden, so dass das Crashverhalten der Vorderwagenstruktur weitgehend unabhängig von den strukturellen Parametern angepasst werden kann, wie bereits eingangs ausführlich dargelegt wurde.
Die 8 zeigt ein Schaubild mit dem zeitlichen Verlauf der Energieabsorption bei drei Zerspanungslängsträgern aus Aluminium mit unterschiedlichen Schnitttiefen der Schneidmesser, die im Verhältnis eine geringere (Quadrate), eine mittlere (Dreiecke) bzw. eine höhere (Kreise) Energieabsorptionsfähigkeit aufweisen. Auf der Ordinate ist die Zeit in Sekunden nach Beginn des Aufpralls aufgetragen, und auf der Abszisse die kinetische Energie des Fahrzeugs in Joule, die im Verlauf des Aufpralls abnimmt. Der über einen weiten Bereich annähernd lineare Kurvenverlauf bei allen drei Varianten zeigt, dass das Energieabsorptionsverhalten sehr genau vorhersagbar und einstellbar ist.
Die 9 zeigt eine Detaildarstellung des Zerspanungslängsträgers bzw. Hauptlängsträgers 18 im Längsschnitt, und zwar die Zerspanungseinrichtung im Verbindungsbereich des ersten Trägerteils 24 und des zweiten Trägerteils 26. Die mit dem frontseitigen Ende des ersten Trägerteils 24 verbundene Schneidklinge 80 setzt an einem Absatz 92 der Außenoberfläche des zweiten Trägerteils 26 an, wobei die Höhe des Absatzes 92 die Schnitttiefe definiert. Die Schneidklinge 80 ist in diesem Fall aus Stahl gebildet.
Die Stabilisierungsstruktur 84 am heckseitigen Ende des zweiten Trägerteils 26 stützt sich an der Innenoberfläche des ersten Trägerteils 24 ab, so dass die beiden Trägerteile 24 und 26 an zwei Stellen gegeneinander abgestützt sind. Beim Ineinanderschieben der Trägerteile 24 und 26 gleitet die Stabilisierungsstruktur 84 an der Innenoberfläche des ersten Trägerteils 24 entlang, wobei die Abstützlänge zunimmt. Die Stabilisierungsstruktur 84 kann aus Aluminium oder aus Stahl gebildet sein und ist mit dem zweiten Trägerteil 26 stoffschlüssig verbunden (bei Materialgleichheit insbesondere verschweißt) oder form- und/oder kraftschlüssig verbunden (z. B. aufgeschraubt).
Die Stabilisierungsstruktur 84 umfasst auch einen vorderen Bereich 94, an dem sich die Schneidklinge 80 ringflächig abstützt. Gegenüber einer bloßen Linienberührung zwischen der Schneidklinge 80 und dem zweiten Trägerteil 26 kann durch diese Anordnung vermieden werden, dass sich die Schneidklinge 80 während des normalen Betriebs (z. B. durch Vibrationen) in das Material des zweiten Trägerteils 26 einarbeitet oder sich löst. Außerdem wird die Fähigkeit des Hauptlängsträger 18, auch Zugkräfte aufnehmen zu können, verbessert, was beim Abschleppen des Fahrzeugs relevant sein kann.
Die maximale Energieabsorptionsfähigkeit von Zerspanungslängsträgern, die durch spanende Bearbeitung erreicht werden kann, ist nach oben begrenzt durch die Beulgrenze des Längsträgers bzw. der einzelnen Trägerteile, die durch deren axiale Steifigkeit bedingt ist. Diese Steifigkeit kann (neben anderen Möglichkeiten) durch eine Verrippung der Trägerteile erhöht werden.
Die 10A bis 10C zeigen Querschnittsdarstellungen von Trägerteilen in Form von Hohlprofilen, die durch Rippen oder ähnliche Strukturen versteift sind.
Das Hohlprofil 96 gemäß der 10A weist an seiner Innenoberfläche acht Rippen 98 mit rechteckigem Profil auf, die gleichmäßig entlang des Umfangs verteilt sind.
Bei dem Hohlprofil 100 gemäß der 10B sind die Rippen 102 T-förmig ausgebildet, die Anordnung entspricht dem Hohlprofil 98 der 10A.
Das Hohlprofil 104 gemäß der 10C weist eine äußere Wandung 106 und eine innere Wandung 108 auf, die durch acht Rippen 110 mit rechteckigem Querschnitt miteinander verbunden sind.
Die Hohlprofile 96, 100 und 104 können bei Zerspanungslängsträgern gemäß der vorliegenden Erfindung als erste, zweite und/oder dritte Trägerteile zum Einsatz kommen, wobei sich die Stabilisierungsstruktur eines weiteren Trägerteils auch an den Rippen 98 oder 102 oder an der inneren Wandung 108 abstützen kann.
Bezugszeichenliste

10: Karosseriestruktur
12: Fahrzeuglängsachse (X-Achse)
14: Frontmodul
16: Stoßfänger
17: Kühler
18: Hauptlängsträger
20: obere Längsträger
22: untere Längsträger
24: erste Trägerteile
26: zweite Trägerteile
27: dritte Trägerteile
28: Verbindungsstreben
30: Verbindungsstreben
31: Verbindungsstreben
32: Verbindungsstreben
34: Verbindungsstreben
36: Verbindungsstreben
38: Flächenelemente
40: A-Säulen-Module
42: Querträger
44: Kragarme
46: Federbein-Aufnahmeelemente
48: Domstrebe
50: Verbindungselemente
52: Fahrschemel
60: Karosseriestruktur
62: Hauptlängsträger
64: obere Längsträger
66: untere Längsträger
68: Frontmodul
70: Querstrebe
72: Querstrebe
74: Stoßfänger
76: Verbindungstreben
80: erste Schneidklinge
82: zweite Schneidklinge
84: Stabilisierungsstruktur
86: Stabilisierungsstruktur
88: Fließgelenke
90: Fließgelenke
92: Absatz
94: vorderer Bereich der Stabilisierungsstruktur
96: Hohlprofil
98: Rippen
100: Hohlprofil
102: Rippen
104: Hohlprofil
106: äußere Wandung
108: innere Wandung
110: Rippen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007020896 A1 [0025]

Claims

Karosseriestruktur (10) für einen Frontbereich eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine Mehrzahl von Längsträgern (18, 20, 22), die sich parallel oder im Wesentlichen parallel zu einer Fahrzeuglängsachse (12) erstrecken, und ein Frontmodul (14), welches mit dem frontseitigen Ende eines oder mehrerer Längsträger (18, 20, 22) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Längsträger (18) eine Zerspanungseinrichtung umfassen, derart, dass der oder die Längsträger (18) zum Absorbieren von Energie bei einem Aufprall spanend bearbeitbar sind, und dass die Karosseriestruktur (10) eine Mehrzahl von Verbindungsstreben (28, 30, 32, 34, 36) umfasst, die in einem spitzen Winkel zur Fahrzeuglängsachse (12) orientiert sind und jeweils mindestens zwei Längsträger (18, 20, 22) miteinander verbinden, wobei ein oder mehrere Verbindungsbereiche zwischen den Längsträgern (18, 20, 22) und den Verbindungsstreben (28, 30, 32, 34, 36) als Fließgelenke (88, 90) ausgebildet sind.
Karosseriestruktur (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Verbindungsstreben (28, 30, 32, 34, 36) in einem spitzen Winkel zu einer Fahrzeugquerrichtung und/oder zu einer Fahrzeughochrichtung orientiert sind.
Karosseriestruktur (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Verbindungsstreben (28, 30, 32, 34, 36) in einem spitzen Winkel sowohl zur Fahrzeugquerrichtung als auch zur Fahrzeughochrichtung orientiert sind.
Karosseriestruktur (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsträger (18, 20, 22) jeweils paarweise symmetrisch und in gleichem Abstand zur Fahrzeuglängsachse (12) angeordnet sind.
Karosseriestruktur (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Karosseriestruktur (10) zwei Hauptlängsträger (18) und zwei obere Längsträger (20) und/oder zwei untere Längsträger (22) umfasst, die in einer Fahrzeughochrichtung oberhalb bzw. unterhalb der Hauptlängsträger (18) angeordnet sind.
Karosseriestruktur (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Längsträger (20, 22) einstückig mit einer oder mehreren Verbindungsstreben (32, 34, 36) ausgebildet sind.
Karosseriestruktur (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Verbindungsstreben (28, 30) einstückig mit dem Frontmodul (14) ausgebildet sind.
Karosseriestruktur (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Verbindungsstreben (32, 34, 36) als Hohlprofile ausgebildet sind.
Karosseriestruktur (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Verbindungsstreben (34, 36) als verstärkte Bereiche eines oder mehrerer Flächenelemente (38) ausgebildet sind.
Karosseriestruktur (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Längsträger (18) mit der Zerspanungseinrichtung, insbesondere zwei Hauptlängsträger (18), jeweils ein erstes und ein zweites Trägerteil (24, 26) umfassen, wobei das erste Trägerteil (24) ein Zerspanungswerkzeug (80) zur spanenden Bearbeitung des zweiten Trägerteils (26) umfasst oder bildet.
Karosseriestruktur (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Zerspanungswerkzeug (80) des ersten Trägerteils (24) eine Schneidklinge (80) zur spanenden Bearbeitung einer Außenoberfläche des zweiten Trägerteils (26) umfasst.
Karosseriestruktur (10) nach Anspruch 10 oder 11, wobei das erste Trägerteil (24) und das zweite Trägerteil (26) aus einem metallischen Material gebildet sind.
Karosseriestruktur (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Trägerteil (26) an seinem heckseitigen Ende eine Stabilisierungsstruktur (84) umfasst, die sich an einer Innenoberfläche des ersten Trägerteils (24) abstützt.
Karosseriestruktur (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Längsträger (18) mit der Zerspanungseinrichtung ferner ein drittes Trägerteil (27) umfassen, wobei das zweite Trägerteil (26) ein Zerspanungswerkzeug (82) zur spanenden Bearbeitung des dritten Trägerteils (27) umfasst oder bildet.
Karosseriestruktur (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsträger (18, 20, 22), die Verbindungsstreben (28, 30, 32, 34, 36) und/oder das Frontmodul (14) zumindest teilweise aus metallischen Materialien gebildet sind.
Karosseriestruktur (10) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Materialien Stahl, Aluminium und/oder Magnesium umfassen.
Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, umfassend eine Karosseriestruktur (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche.