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Die Erfindung betrifft eine Säulenstruktur einer Fahrzeugkarosserie für eine Säule, insbesondere eine Mittelsäule, mit einem U-förmigen Säulenelement gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Säulenstrukturen für Mittelsäulen (B-Säule) in einem Kraftfahrzeug sind in mannigfacher Weise bekannt. So ist aus der gattungsbildenden
DE 10 2004 003 190 A1 eine Säulenstruktur bekannt, welche eine im Querschnitt U-förmige Außenschale und eine mit dieser Außenschale verbundene, ebenso U-förmig ausgebildete Innenschale aufweist. Die U-förmige Außenschale mit einer Basiswand und zwei Seitenwänden ist mit ihrem Öffnungsbereich in den Innenraum des Kraftfahrzeugs gerichtet. Zur Versteifung der Außenschale ist ein längliches, in Längsrichtung der B-Säule sich erstreckendes, massives und flächiges Versteifungsteil aus einem faserverstärkten Kunststoff flächig auf die Basiswand geklebt. In entsprechender Weise wird auch die U-förmige Innenschale versteift.
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Obwohl diese bekannte Säulenstruktur eine hohe Festigkeit und Steifigkeit mit einer hohen spezifischen Energieaufnahme bei einem Seitenaufprall aufweist, wird die für einen Faserverbundwerkstoff, wie etwa CFK wesentlich höhere Energieaufnahme im Vergleich zu Metall mit dieser bekannten Säulenstruktur nicht optimal genutzt, da die Lasteinleitung bei einem Seitencrash auf die B-Säule im Wesentlichen senkrecht zur Ebene des Versteifungsteils erfolgt und dadurch zu einem unkontrollierten Abknicken bzw. Brechen und Zerbersten des Versteifungsteils führt, ohne wesentlich mehr Energie abzubauen. Ferner findet der Bruch und der Energieabbau an der Basiswand der Außenschale statt und führt zu einer sichtbaren Schädigung, also zu einem wenig reparaturfreundlichen Schadensbild, welches Einfluss auf die Schadenshöhe hat und damit die versicherungstechnische Einstufung des Fahrzeugs mit bestimmt.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Säulenstruktur einer Fahrzeugkarosserie für eine Säule, insbesondere eine Mittelsäule (B-Säule) der eingangs genannten Art anzugeben, bei der das Verstärkungsteil derart ausgebildet ist, dass die Materialeigenschaft von faserverstärktem Kunststoff hinsichtlich des Crashverhaltens optimal ausgenutzt wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Säulenstruktur mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Eine solche Säulenstruktur einer Fahrzeugkarosserie für eine Säule, insbesondere eine Mittelsäule, mit einem U-förmigen Säulenelement, welches aus einer Basiswand und zwei Seitenwänden gebildet ist und ein Verstärkungsteil aus faserverstärktem Kunststoff aufweist, wobei der Öffnungsbereich des Säulenelementes in einen Innenraum der Fahrzeugkarosserie orientiert ist, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass das Verstärkungsteil hohlprofilartig ausgebildet ist und im Wesentlichen quer zur Längserstreckung des Säulenelementes dessen beiden Seitenwände verbindet, und das Verstärkungsteil mit einem der Basiswand abgewandten energieabsorbierenden Versagensbereich mit einer vorbestimmten Belastungskapazität ausgebildet ist, wobei ein Überschreiten der Belastungskapazität bei einer Einleitung einer Kraft in Richtung des Innenraums ein Versagen des Versagensbereichs durch Umwandlung der eingeleiteten Kraft in Verformungs- und/oder Bruchenergie bewirkt.
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Bei dieser erfindungsgemäßen Lösung wird in die Säulenstruktur ein Verstärkungsteil als Crashelement mit einem Versagensbereich integriert, wodurch ein definiertes Versagensverhalten bei einem Seitenaufprall im Bereich der Säule, insbesondere der Mittelsäule realisiert wird. Durch die Generierung eines solchen Versagensbereichs kann das Versagensverhalten gezielt eingestellt werden, um dadurch einen optimalen Schutz der Fahrzeuginsassen bei einem Seitenaufprall sicherzustellen.
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Ferner findet aufgrund des innenliegenden Versagensbereichs der Abbau der Aufprallenergie und damit auch die Verformung oder der Bruch im Inneren der Säulenstruktur statt, so dass die Außenseite des Säulenelementes im Wesentlichen erhalten, also intakt bleibt und damit gleichzeitig im Falle eines Seitenaufpralls ein Zusammenhalt der Struktur gewährleistet wird. Das bedeutet auch, dass die Schädigung durch bspw. einen Seitenaufprall nicht sichtbar ist und damit ein positives Schadensbild erzeugt wird.
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Zur Einstellung eines definierten Versagensverhaltens ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Versagensbereich mit einer geringeren Steifigkeit und/oder Festigkeit als der sonstige Bereich des Verstärkungsteils ausgebildet wird. Dies kann vorzugsweise durch eine geometrische Gestaltung dieses Versagensbereichs erreicht werden, indem wenigstens in Teilbereichen des Versagensbereichs das Verstärkungsteil mit einer geringeren Wandstärke als der sonstige Bereich des Verstärkungsteils ausgebildet ist und/oder im Versagensbereich wenigstens eine Sollbruchstelle realisiert wird. Weiterhin kann in einer Ausgestaltung der Erfindung der Versagensbereich im Vergleich zum sonstigen Bereich des Verstärkungsteils mit einem anderen Werkstoff und/oder mit einer anderen Werkstoffstruktur hinsichtlich der Faser des faserverstärkten Kunststoffs ausgebildet werden. So kann bspw. neben unterschiedlichen Materialien für die Fasern auch deren Ausrichtung oder deren Lagenzahl gezielt gewählt werden.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Verstärkungsteil flächenbündig an der Basiswand anliegt. Damit wird im Falle eines Seitenaufpralls eine effektive Krafteinleitung in das als Crashelement wirkende Verstärkungsteil gewährleistet und damit eine verbesserte Strukturerhaltung der Säulenstruktur sichergestellt.
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Besonders vorteilhaft ist es gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, wenn das Verstärkungsteil derartig ausgebildet ist, dass es sich mit einer Stirnseite an einer Seitenwand des Säulenelements abstützt und sich im Bereich der anderen Seitenwand des Säulenelements mit einer in Längsrichtung dieser anderen Seitenwand ausgerichteten Abwinklung entlang derselben flächenbündig erstreckt. Damit wird ein größerer Bereich der Säulenstruktur von dem Verstärkungselement verstärkt, insbesondere wenn weiterbildungsgemäß das Verstärkungsteil im Bereich eines Schwellers der Fahrzeugkarosserie angeordnet ist und die andere Stirnseite des Verstärkungsteils im Bereich des Schwellers endet. Damit wird die Aufprallenergie im Falle eines Seitenaufpralls gezielt im unteren Bereich der Fahrzeugkarosserie absorbiert, da dort die Fahrzeuginsassen besonders gefährdet sind und daher ein möglichst kleiner Deformationsweg vorteilhaft ist.
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Das als Crashelement dienende Verstärkungsteil kann weiterbildungsgemäß mit einem viereckigen Querschnitt ausgebildet werden, wobei es an den Querschnitt des U-förmigen Säulenelementes angepasst werden kann. Bei einem solchen Verstärkungsteil mit vier Seitenwänden wird der Versagensbereich im Bereich der der Basiswand des Säulenelements gegenüberliegenden Seitenwand des Verstärkungsteils realisiert und kann sich dabei auch über die Eckbereiche teilweise in die benachbarten Seitenwände erstrecken.
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Schließlich bietet es sich an, dass nach einer Ausgestaltung der Erfindung das Säulenelement zur Bildung eines hutförmigen Profils dessen beiden Seitenwände jeweils einen Auflageflansch aufweisen, so dass bspw. eine ebene Abdeckplatte für den Abschluss der Säulenstruktur über diese Auflageflansche mit dem Säulenelement einfach verbunden werden kann.
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Die Säule kann mit einem U-förmigen Säulenelement aus Stahl- oder Aluminiumblech hergestellt werden, so dass mit dem Verstärkungsteil aus faserverstärktem Kunststoff, bspw. CFK ein Verbundbauteil entsteht. Die Verbindung zwischen dem Verstärkungsteil und dem Säulenelement kann mittels adhäsiver oder mechanischer Verbindungstechnik oder aus einer Kombination dieser Verbindungstechniken hergestellt werden.
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Ferner ist es auch möglich, das Säulenelement mit dem Verstärkungselement integral zusammen aus faserverstärktem Kunststoff herzustellen. Falls das Säulenelement und das Verstärkungselement jeweils als Einzelteil hergestellt werden, können diese ebenso mit den oben aufgeführten Verbindungstechniken verbunden werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematische perspektivische Darstellung in einer Außensicht auf eine Säulenstruktur mit einer B-Säule als Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine schematische perspektivische Darstellung der Säulenstruktur nach 1 in einer Innensicht,
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3 eine Schnittdarstellung gemäß Schnitt I-I nach 2 mit einem Verstärkungselement in einer ersten Ausführung, und
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4 eine Schnittdarstellung gemäß Schnitt I-I nach 2 mit einem Verstärkungselement in einer zweiten Ausführung.
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Die 2 zeigt eine Säulenstruktur 1 mit einer in Längsrichtung L sich erstreckenden B-Säule 2, die zwischen einem Schweller 10 einer Fahrzeugkarosserie eines Kraftfahrzeugs und einem Dachlängsträger 11 der Fahrzeugkarosserie angebunden ist. Diese B-Säule 2 umfasst ein Säulenelement 3 als Außenschale der Fahrzeugkarosserie und bildet zusammen mit einer Basiswand 3a und zwei Seitenwänden 3b und 3c ein U-förmiges Profil, welches durch Auflageflansche 3d an den distalen Enden der Seitenwände 3b und 3c zu einem hutförmigen Profil ergänzt wird, wie dies in einer Innenansicht auf die B-Säule 2 in 2 gezeigt ist.
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Gemäß dieser 2 weist dieses Säulenelement 3 ein Verstärkungselement 4 aus faserverstärktem Kunststoff als Crashelement mit einem Hohlprofil auf, welches viereckig mit vier Seitenwänden 4a, 4b, 4c und 4d gestaltet ist, wie dies aus den Querschnittsdarstellung der 3 und 4 ersichtlich ist.
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Mit einer Stirnseite 7 ist das Crashelement 4 mit der Seitenwand 3c des Säulenelements 3 verbunden und erstreckt sich im Wesentlichen quer zur Längserstreckung L des Säulenelements 3 zur anderen Seitenwand 3b des Säulenelements 3. An dieser Seitenwand 3b weist das Crashelement 4 eine Abwinklung 8 auf, die sich in Längsrichtung L des Säulenelements 3 erstreckt und dabei mit der Seitenwand 4b flächenbündig an der Seitenwand 3b des Säulenelements 3 anliegt und mit der anderen Stirnseite 9 des Crashelements 4 im Schweller 10 endet.
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Die Breite des Crashelements 4 in Richtung quer zur Längsrichtung L nimmt ausgehend von dessen Stirnseite 7 bis zur gegenüberliegenden Seitenwand 3b des Säulenelements 3 zu, d. h. die Breite der beiden Seitenwände 4b und 4c des Crashelements 4 an der Stirnseite 7 ist geringer als die Breite der Stirnseite 3a des Säulenelements 3 im Anbindungsbereich des Crashelements 4 mit der Seitenwand 3c. Im Bereich der Abwinklung 8 bildet der Auflageflansch 3d der Seitenwand 3b mit der Seitenwand 4d des Crashelements 4 eine gemeinsame Ebene, so dass dieser Bereich der Seitenwand 4d flächenbündig an einer mit den Auflageflanschen 3d verbundenen ebenen Innenschale (in den Figuren nicht dargestellt) anliegt.
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Wie aus den 3 und 4 zu erkennen ist, weist das Crashelement 4 einen Versagensbereich 5 auf, welcher auf der der Basiswand 3a des Säulenelements 3 gegenüberliegenden Bereich des Crashelements 4 realisiert ist. Gemäß den Schnittdarstellungen (3 und 4) umfasst dieser Versagensbereich 5 die Seitenwand 4d sowie angrenzende Bereiche der Seitenwände 4b und 4c des Crashelements 4. Dieser Versagensbereich 5 ist mit einer vorbestimmten Belastungskapazität derart ausgebildet, dass bei Überschreiten dieser Belastungskapazität durch bspw. einen Seitenaufprall ein Versagen des Versagensbereichs 5 durch Umwandlung der bei dem Seitenaufprall eingeleiteten Kraft F in Verformungs- und/oder Bruchenergie bewirkt wird.
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Zur Realisierung eines solchen energieabsorbierenden Versagensbereichs 5 mit einer bestimmten Belastungskapazität wird dieser Versagensbereich 5 mit einer geringeren Steifigkeit und/oder geringeren Festigkeit ausgebildet als der Bereich außerhalb des Versagensbereichs 5 des Crashelements 4. Dies hat zur Folge, dass die bei einem Seitenaufprall auf die B-Säule 2 einwirkende Kraft F in diesem Versagensbereich 5 in Verformungs- und/oder Bruchenergie umgewandelt wird, also ein Abbau der Aufprallenergie im Bereich dieses Versagensbereichs 5 erfolgt. Damit bleibt das eine Außenschale darstellende Säulenelement 3 bei einem solchen Seitenaufprall weitgehend intakt und garantiert somit einen sicheren Zusammenhalt der Struktur der Säulenstruktur 1, insbesondere der Teile der B-Säule 2.
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Dadurch dass der Bruch des Crashelements 4 bzw. der Energieabbau bei einem Seitenaufprall auf der Innenseite der B-Säule 2 erfolgt, findet die dadurch bewirkte Schädigung nicht im sichtbaren Bereich der Außenschale 3 statt, so dass dadurch ein positives Schadensbild entsteht, was aus versicherungstechnischen Gründen von Vorteil ist.
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Die geringere Steifigkeit und/oder geringere Festigkeit des Versagensbereichs 5 kann durch entsprechende geometrische Gestaltung bzw. geeignete Formgebung dieses Bereiches, bspw. durch entsprechende Querschnittsgestaltung und/oder entsprechende Wahl der Wandstärke und/oder durch entsprechende Gestaltung der Werkstoffstruktur des für das Crashelement 4 verwendeten faserverstärkten Kunststoffes erreicht werden.
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Als Beispiel für eine geometrische Gestaltung des Versagensbereichs zeigt 3 zwei Sollbruchstellen 6a und 6b in der Seitenwand 4d des Crashelements 4. Der Versagensbereich 5 nach 4 zeichnet sich durch eine Seitenwand 4d mit geringerer Wandstärke im Vergleich zu den Wandstärken der anderen Seitenwände 4a, 4b und 4c aus. Dabei kann bspw. der verdünnte Wandbereich zusätzlich teilweise in den angrenzenden Seitenwänden 4b und 4c entsprechend der Größe des Versagensbereichs 5 fortgesetzt werden.
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Die Einstellung der bestimmtes Belastungskapazität mittels einer entsprechenden Gestaltung der Werkstoffstruktur des faserverstärkten Kunststoffes bedeutet bspw. eine andere Ausrichtung der Fasern und/oder eine geringere Lagenzahl dieser Fasern und/oder auch die Verwendung unterschiedlicher Materialen für die Fasern.
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Die angeführten Maßnahmen zur Erzeugung einer bestimmten Belastungskapazität können natürlich auch miteinander kombiniert werden.
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Die in den 3 und 4 dargestellten und erläuterten Maßnahmen zur Erzeugung eines Versagensbereichs 5 mit einer bestimmten Belastungskapazität sind nur beispielhaft und hierauf nicht beschränkt.
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Das aus faserverstärktem Kunststoff, bspw. aus CFK (kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff) hergestellte Crashelement 4 kann in das Säulenelement 3 eingeklebt werden oder mechanisch mit diesem verbunden werden; auch eine Kombination dieser Verbindungstechniken ist möglich. Das Säulenelement 3 wird ist in der Regel aus Stahl- oder Aluminiumbleich hergestellt.
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Neben dieser Gestaltung der B-Säule 2 als Verbundbauteil kann sowohl das Crashelement 4 als auch das Säulenelement 3 aus einem faserverstärktem Kunststoff hergestellt werden, entweder als einteilige, also integral hergestellte Kunststoffbaugruppe oder als zweiteilige Baugruppe, die mit den genannten Verbindungstechniken verbunden werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Säulenstruktur
- 2
- Säule, Mittelsäule, B-Säule
- 3
- Säulenelement, Außenschale
- 3a
- Basiswand des Säulenelements 3
- 3b
- Seitenwand des Säulenelements 3
- 3c
- Seitenwand des Säulenelements 3
- 3d
- Auflageflansch des Säulenelements 3
- 4
- Verstärkungsteil
- 4a
- Seitenwand des Verstärkungsteils
- 4b
- Seitenwand des Verstärkungsteils
- 4c
- Seitenwand des Verstärkungsteils
- 4d
- Seitenwand des Verstärkungsteils
- 5
- Versagensbereich
- 6a
- Sollbruchstelle
- 6b
- Sollbruchstelle
- 7
- Stirnseite des Verstärkungsteils 4
- 8
- Abwinklung
- 9
- Stirnseite des Verstärkungsteils 4
- 10
- Schweller
- 11
- Dachlängsträger
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004003190 A1 [0002]
