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Die Erfindung betrifft eine Trägerstruktur für einen Vorder- oder Hinterwagen eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit sich im Wesentlichen in Fahrzeuglängsrichtung erstreckenden wenigstens zwei Längsträgern, die am hinterseitigen Längsträgerende vorzugsweise mit einer Stirnwand einer Fahrgastzelle des Fahrzeuges verbunden sind sowie mit einem Querträger, der mit den vorderseitigen Längsträgerenden verbunden ist.
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Trägerstrukturen für Vorderwagen umfassen in der Regel Längsträger und Querträger, die sowohl die erforderliche Stabilität und Verwindungssteifigkeit sicherstellen als auch bei einem Crashfall durch plastische Verformung, d. h. im Idealfall durch lokales Faltenbilden Crash-Energie absorbieren.
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So ist aus der
DE 10 2009 046 233 A1 eine Trägerstruktur für ein Fahrzeug bekannt, die mindestens einen aus zwei beabstandeten Träger bestehenden Rahmen umfasst, der bei einem Crash eine hohe Energieabsorptionsfähigkeit aufweisen soll. Hierzu wird vorgeschlagen, dass die beiden Träger mit mindestens zwei Bogenstreben verbunden werden, die jeweils eine Krümmung aufweisen, wobei auch die beiden Träger eine Krümmung aufweisen können. Die Träger können bspw. hintere oder vordere Längsträger darstellen.
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Diese bekannte Trägerstruktur kann aus Leichtmetall hergestellt werden, wobei die Bogenstreben aus Faserverbundwerkstoffen eingesetzt werden können.
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Die Herstellung solcher bekannter Trägerstrukturen ist aufwendig, da Längsträger aus Metall form- oder stoffschlüssig zusammengefügt werden müssen, insbesondere wenn Längsträger auf unterschiedlichen Ebenen zu verbinden sind.
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Weiterhin erfordern verbesserte Crash-Strukturen einen erhöhten Aufwand aufgrund einer höheren Komplexität der Trägerstruktur, wie dies bspw. bei der aus der
DE 10 2009 046 233 A1 bekannten Trägerstruktur der Fall ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Trägerstruktur der eingangs genannten Art anzugeben, mit der verbesserte Crash-Strukturen aufgebaut werden können, ohne dass hierfür ein gegenüber dem Stand der Technik ein Mehraufwand erforderlich wäre, selbst wenn es sich um komplexe Strukturen handeln würde.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Trägerstruktur mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Ein solche Trägerstruktur für einen Vorder- oder Hinterwagen eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit sich im Wesentlichen in Fahrzeuglängsrichtung erstreckenden wenigstens zwei Längsträgern, die am hinterseitigen Längsträgerende vorzugsweise mit einer Stirnwand einer Fahrgastzelle des Fahrzeuges verbunden sind sowie mit einem Querträger, der mit den vorderseitigen Längsträgerenden verbunden ist, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass zur Bildung eines Integralträgers die Längsträger und der Querträger integral und einstückig aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt sind.
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Mit dieser erfindungsgemäßen Trägerstruktur können einerseits komplexe Strukturen mit hohem Integrationsgrad hergestellt werden und andererseits die vorteilhaften Crash-Eigenschaften von Faserbundwerkstoffen optimal hierfür ausgenutzt werden. Auch die Steifigkeit des Vorder- oder Hinterwagens werden durch die durchgehenden Längsträger wesentlich erhöht.
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Ferner werden bei diesem erfindungsgemäßen Trägerkonzept zwei Längsträgerebenen integral miteinander verbunden, ohne dass zusätzliche Verbindungselemente erforderlich wären, wodurch der Fügeaufwand bei gleichzeitiger Gewichtseinsparung deutlich reduziert wird.
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Schließlich kommen die vorteilhaften Crash-Eigenschaften von Faserverbund-Werkstoffen dadurch besonders zu tragen, dass der den Übergang zwischen den beiden Trägern bildende Querträger als Trigger wirkt, so dass sich dadurch eine kontrollierte Crash-Front in den Längsträgern ausbilden kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Integralträger U-förmig ausgebildet, so dass die beiden Längsträger die Schenkel einer solchen U-Form und der Querträger den Querschenkel derselben darstellen. Dabei muss diese U-Form nicht rechtwinklig sein, sondern es können für den Integralträger auch schiefwinklige U-Formen verwendet werden. Mit einem solchen U-förmigen Integralträger lassen sich viele Varianten zum Aufbau eines Vorder- oder Hinterwagens realisieren.
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So ist es gemäß einer Ausgestaltung vorteilhaft, wenn die beiden Längsträger des Integralträgers einen oberen und einen unteren Längsträger in einem Seitenbereich des Fahrzeugs bilden, zusammen mit einem weiteren derartigen Integralträger, lässt sich ein Vorderwagen aufbauen, dessen beiden Seitenbereiche solche Integralträger aufweisen.
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Desweiteren lässt sich ein solcher U-förmiger Integralträger derart in einem Vorder- oder Hinterwagen verbauen, dass die beiden Längsträger des Integralträgers jeweils einen oberen Längsträger auf gegenüberliegenden Seitenbereichen, oder alternativ jeweils einen unteren Längsträger auf gegenüberliegenden Seitenbereichen des Fahrzeugs bilden.
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Schließlich ist es weiterbildungsgemäß möglich, dass die beiden Längsträger eines U-förmigen Integralträgers einen oberen und unteren Längsträger auf gegenüberliegenden Seitenbereichen des Fahrzeugs bilden. Dadurch verbindet der zugehörige Querträger eine obere Ebene mit einer gegenüberliegenden unteren Ebene der Struktur des Vorder- oder Hinterwagens. Dieses führt zu einem durchgängigen Lastpfad, der beispielsweise für eine Erhöhung der globalen oder lokalen Torsionssteifigkeit genutzt werden kann.
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Eine besonders vorteilhafte Trägerstruktur ergibt sich mit einer Ausgestaltung der Erfindung, bei der der Integralträger vier Längsträger umfasst, die auf gegenüberliegenden Seitenbereichen des Fahrzeugs jeweils einen oberen und unteren Längsträger bilden, wobei jeweils ein oberer und unterer Längsträger auf gegenüberliegenden Seitenbereichen über einen Querträger unter Ausbildung einer Kreuzung verbunden sind. Mit einem solchen Integralträger kann eine crash-optimierte Struktur aufgebaut werden, die insbesondere hinsichtlich Frontal- oder Heck-Crash gute Eigenschaften aufweist.
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Vorzugsweise wird ein solcher Integralträger mit vier Längsträgern so hergestellt, dass auch die von den Querträgern gebildete Kreuzung in deren Ebene integral und einstückig hergestellt ist, diese Querträger also einen kreuzförmigen Querträger bilden. Mit einer solchen relativen komplexen Struktur können die Crash- und Torsionssteifigkeitseigenschaften weiter verbessert werden.
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Zusätzlich können die Querträger als Aufnahme für weitergehende Bauteile genutzt werden. So können beispielsweise Aggregate (z. B. Kühler, Turbolader, etc.) oder Stoßfänger auch über im Querträger integrierte Aufnahmen angebracht werden.
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Weiterbildungsgemäß können die erfindungsgemäßen Integralträger zumindest teilweise als geschlossenes oder halboffenes Profil hergestellt werden. Ebenso Ist deren Herstellung zumindest teilweise als hohles Profil, Voll oder Sandwichprofil möglich.
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Für die Herstellung stehen eine Vielzahl von dem Fachmann bekannten Möglichkeiten und Technologien zur Verfügung.
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So kann in einer Ausgestaltung der Erfindung der Integralträger aus einem geflochtenen, vorzugsweise mittels Rundflechttechnik hergestellten Faserverbund-Halbzeug hergestellt werden, welches einen hohen Freiheitsgrad hinsichtlich der Formgestaltung zulässt.
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Des weiteren kann weiterbildungsgemäß auch die Prepreg- oder Wickel-Technologie zur Herstellung des erfindungsgemäßen Integralträgers verwendet werden.
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Als Werkstoffe zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Integralträgers aus einem Faserverbundwerkstoff eignen sich als Faser und Matrizen alle bekannten Werkstoffe.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen
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1 schematische Ansichten erfindungsgemäßer Integralträger als erstes Ausführungsbeispiel,
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2 eine schematische perspektivische Darstellung einer Fahrzeugkarosserie mit Integralträgern gemäß 1 als Vorderwagen der Fahrzeugkarosserie,
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3 schematische Ansichten eines erfindungsgemäßen Integralträger als zweites Ausführungsbeispiel,
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4 eine schematische perspektivische Darstellung einer Fahrzeugkarosserie mit einem Integralträger gemäß 3 als Vorderwagen der Fahrzeugkarosserie,
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5 schematische Ansichten eines erfindungsgemäßen Integralträger als drittes Ausführungsbeispiel, und
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6 eine schematische perspektivische Darstellung einer Fahrzeugkarosserie mit einem Integralträger gemäß 5 als Vorderwagen der Fahrzeugkarosserie.
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Die in den 1, 3 und 5 dargestellten Integralträger 4, 5, 6 und 7 werden zum Aufbau einer Trägerstruktur für einen Vorderwagen 1 verwendet, wie dies die 2, 4 und 6 zeigen. In diesen 2, 4 und 6 ist eine Fahrzeugkarosserie 10 dargestellt, die aus einer Fahrgastzelle 2, einem Hinterwagen 1a und einem mit den Integralträgern 4, 5, 6 und 7 schematisch dargestellten Vorderwagen 1 aufgebaut ist.
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1 zeigt zwei identische Integralträger 4 und 5, die jeweils U-förmig ausgebildet sind. Jeder dieser Integralträger 4 und 5 besteht aus zwei Längsträger 4a und 4b bzw. 5a und 5b, die jeweils über einen Querträger 4c bzw. 5c miteinander verbunden sind. Diese beiden Integralträger 4 und 5 sind integral und einstückig aus einem Faserverbundmaterial hergestellt. Damit müssen diese Integralträger 4 und 5 nicht aus mehreren Einzelteilen zusammengefügt werden.
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Diese beiden Integralträger 4 und 5 sind in 1a in einer Draufsicht und in 1 in einer perspektiven Ansicht dargestellt. Da diese beiden Integralträger 4 und 5 gemäß 2 an eine Stirnwand 3 der Fahrgastzelle angebaut werden und diese nicht in einer Ebene verläuft, sind die beiden unteren Längsträger 4b und 5b länger als die beiden oberen Längsträger 4a und 5a. Ferner ist aus dieser 1a auch zu erkennen, dass die beiden Längsträger 4a und 4b bzw. 5a und 5b des Integralträgers 4 bzw. 5 gegeneinander etwas verdreht sind. Mit einer solchen Konfiguration kann eine optimiertes Crash-Verhalten des mit solchen Integralträgern 4 und 5 aufgebauten Vorderwagens 1 erzielt werden.
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Weiterhin zeigt die perspektivische Ansicht der beiden Integralträger 4 und 5 in 1b, dass diese als Hohlprofil mit einem rechteckförmigen Querschnitt hergestellt sind.
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Gemäß 2 werden diese beiden Integralträger 4 und 5 über ihre freien Enden mit der Stirnwand 3 der Fahrgastzelle 2, bspw. über eine Schraubverbindung verbunden.
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Der Integralträger 6 gemäß 3 ist ebenso als U-Form ausgebildet, die aus zwei Längsträgern 6a und 6b und einem Querträger 6c besteht. Gemäß 4 wird dieser Integralträger 6 so mit der Stirnwand 3 der Fahrgastzelle 2 verbunden, dass die beiden Längsträger 6a und 6b obere Längsträger für den Vorderwagen 1 darstellen. Der Querträger 6c verläuft bogenförmig und geht mit einem gerundeten Übergang in die beiden Längsträger 6a und 6b über.
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Wie aus 3b ersichtlich ist, ist auch dieser Integralträger 6 als Holprofil hergestellt, wobei jedoch ein im Wesentlichen ovaler bzw. elliptischer Querschnitt gewählt wurde. Im an die Stirnwand 3 angebauten Zustand verläuft die Längsachse des Integralträgers 6 in y-Richtung des Fahrzeugs, also waagerecht. Ferner sind gemäß 3b die beiden freien Enden 6d des Integralträgers 6 etwas konisch aufgeweitet, so dass hierdurch die mechanische Anbindung an die Stirnwand 3 verbessert wird.
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Gemäß 4 liegt der Integralträger 6 in der oberen Längsträgerebene. Alternativ kann dieser Integralträger 6 auch in der unteren Längsträgerebene des Vorderwagens 1 eingesetzt werden, so dass dann dessen beiden Längsträger 6a und 6b untere Längsträger des Vorderwagens 1 darstellen.
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Einen Integralträger 7 mit einer komplexen Struktur zeigt 5 und im als Vorderwagen 1 eingebauten Zustand in 6.
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Dieser Integralträger 7 umfasst vier Längsträger 7a, 7b, 7d und 7e, die im eingebauten Zustand gemäß 6 zwei obere Längsträger 7a und 7d sowie zwei untere Längsträger 7b und 7e bilden. Jeweils ein oberer und unterer Längsträger 7a und 7b bzw. 7d und 7e von gegenüberliegenden Seitenbereichen des Vorderwagens 1 sind über einen Querträger 7c bzw. 7f unter Bildung einer Kreuzung 7g dieser beiden Querträger 7c und 7f. Damit bilden diese beiden Querträger 7c und 7f einen kreuzförmigen Querträger.
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Gemäß 5a werden die einzelnen Querträger 7c und 7f nicht mittig geteilt, sondern derart außermittig, dass in der Draufsicht auf diesen Integralträger 7 der Abstand der beiden unteren Längsträger 7b und 7e geringer ist als der Abstand der beiden oberen Längsträger 7a und 7d. Auch bei diesem Integralträger 7 sind die oberen Längsträger 7a und 7d kürzer im Vergleich zu den unteren Längsträger 7b und 7e, wodurch eine Anpassung an die Stirnwand 3 der Fahrgastzelle 2 erfolgt. Ferner zeigt 5a, dass die unteren Längsträger 7b und 7e gegenüber der Ebene des kreuzförmigen Querträgers rechtwinklig abgewinkelt sind, während die beiden oberen Längsträger 7a und 7d mit einem geringfügig spitzen Winkel gegenüber dieser Ebene verlaufen.
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Aus 5b ist ersichtlich, dass der Integralträger 7 als Hohlprofil mit einem rechteckförmigen Querschnitt hergestellt ist.
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Mit einem solchen für den Aufbau des Vorderwagens 1 eingesetzten Integralträgers 7 wird eine hohe Torsionssteifigkeit erreicht, wobei gleichzeitig Crash-Eigenschaften optimiert werden können.
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Die Herstellung dieser ausführungsbeispielgemäßen Integralträger 4, 5, 6 und 7 können als Faserverbund-Halbzeug kostengünstig hergestellt werden, bspw. mittels einer Rundflechttechnik. Im Falle einer Ausführung als Hohlprofil können diese Integralträger 4, 5, 6 und 7 auch bspw. mit Hartschaum ausgefüllt werden.
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Diese Integralträger 4, 5, 6 und 7 können entgegen den Ausführungsbeispielen auch mit einem halboffenen Profil ausgeführt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorderwagen
- 1a
- Hinterwagen
- 2
- Fahrgastzelle
- 3
- Stirnwand
- 4
- Integralträger
- 4a
- Längsträger des Integralträgers 4
- 4b
- Längsträger des Integralträgers 4
- 4c
- Querträger des Integralträgers 4
- 5
- Integralträger
- 5a
- Längsträger des Integralträgers 5
- 5b
- Längsträger des Integralträgers 5
- 5c
- Querträger des Integralträgers 5
- 6
- Integralträger
- 6a
- Längsträger des Integralträgers 6
- 6b
- Längsträger des Integralträgers 6
- 6c
- Querträger des Integralträgers 6
- 6d
- aufgeweitetes Ende des Integralträgers 6
- 7
- Integralträger
- 7a
- Längsträger des Integralträgers 7
- 7b
- Längsträger des Integralträgers 7
- 7c
- Querträger des Integralträgers 7
- 7d
- Längsträger des Integralträgers 7
- 7e
- Längsträger des Integralträgers 7
- 7f
- Querträger des Integralträgers 7
- 7g
- Kreuzung der Querträger 7c und 7f
- 10
- Fahrzeugkarosserie
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009046233 A1 [0003, 0006]
