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Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement für eine Kraftfahrzeug-Rohbaustruktur gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Kraftfahrzeug-Rohbaustruktur gemäß Oberbegriff des Anspruchs 6.
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Kraftfahrzeug-Rohbaustrukturen und Verbindungselemente hierfür sind bekannt. Aus der
DE 10 2004 014 664 A1 geht eine Kraftfahrzeug-Rohbaustruktur hervor, die einen Schweller und einen Querträger aufweist, welche mit einem Verbindungselement, nämlich einem Knotenblech aus Leichtmetall verbunden sind. Das Knotenblech ist dabei im Querschnitt etwa U-förmig ausgebildet und umgreift den Schweller seitlich mit zwei Schenkeln des U. Der Querträger ist in eine Ausnehmung des Knotenblechs eingesteckt, wobei die Ausnehmung an einem Schenkel des U vorgesehen ist. Nachteilig hierbei ist insbesondere die komplizierte geometrische Struktur des Knotenblechs, die eine aufwendige, im Wesentlichen seitliche Montage erfordert. Zudem ist es nicht möglich, eine Vertikalstütze des Kraftfahrzeug-Rohbaus ohne Zwischenschaltung einer Strebe mit dem Knotenblech zu verbinden. Es sind auch Verbindungselemente bekannt, die aus hochfestem, dickwandigem Blech hergestellt sind. Diese werden insbesondere bei offenen Fahrzeugen im Bereich eines B-Säulenstummels eingesetzt. Es sind auch Verbindungselemente aus Stahl, aus einem Faserverbund-Kunststoff, oder als Leichtmetall-Gussbauteile hergestellte Verbindungselemente bekannt. Auch Strangpressprofile sind als Verbindungselemente bekannt. Diese bekannten Verbindungselemente weisen jedoch eine letztlich unzureichende Festigkeit und Duktilität auf, beziehungsweise sie müssen entsprechend massiv ausgebildet sein, um die gewünschten Eigenschaften zu erhalten.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verbindungselement und eine Kraftfahrzeug-Rohbaustruktur zu schaffen, wobei eine mechanische Belastbarkeit der Rohbaustruktur insbesondere im Bereich einer Vertikalsäule verbessert ist, wobei zugleich dem Leichtbaugedanken Rechnung getragen wird, und wobei das Verbindungselement geometrisch einfach gestaltet und einfach, rasch und leicht zu montieren ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst, indem ein Verbindungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Es dient zur Verbindung eines Schwellers mit einem Querträger und umfasst ein Leichtmetall oder eine Leichtmetalllegierung, beziehungsweise besteht bevorzugt aus einem Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung. Beispielsweise kann das Verbindungselement Aluminium oder eine Aluminiumlegierung umfassen beziehungsweise aus dieser bestehen. Es ist als massivumgeformtes Teil, insbesondere als Schmiedeteil hergestellt. Das Verbindungselement zeichnet sich dadurch aus, dass es so ausgebildet ist, dass es im montiertem Zustand einen Verbindungsbereich zwischen dem Querträger und dem Schweller von oben bereichsweise umgreift. Hierdurch ist das Verbindungselement leicht und rasch zu montieren, weil es lediglich von oben auf den Verbindungsbereich zwischen Querträger und Schweller aufgesetzt werden muss. Insbesondere umgreift das Verbindungselement den Querträger und den Schweller schuhartig. Dadurch, dass es als massivumgeformtes Teil, insbesondere als Schmiedeteil hergestellt ist, weist es im Vergleich zu Gussbauteilen, aber auch zu Strangpressprofilen oder tiefgezogenen Bauteilen eine sehr hohe Festigkeit und Duktilität auf, sodass seine mechanische Belastbarkeit sehr hoch ist, selbst wenn es dünnwandiger als ein entsprechendes, in anderer Weise hergestelltes Verbindungselement ausgebildet ist. Dies trägt dem Leichtbaugedanken Rechnung. Insbesondere ist es möglich, die Wandstärke des Verbindungselements zu reduzieren, ohne erhebliche Festigkeitsverluste hinzunehmen. Die Folge davon sind Einsparungen beim Gewicht. Weiterhin ist es beim Massivumformen, insbesondere beim Schmieden ohne Weiteres möglich, allein durch die Konturierung der Werkzeugform und/oder durch die Art der Bearbeitung eine Querschnittsform des Verbindungselements belastungsgerecht anzupassen. Dabei ist ganz besonders ein Faserverlauf des Verbindungselements beim Massivumformen, insbesondere Schmieden, auf eine spätere Belastung maßgeschneidert einstellbar, sodass sich die Fasern insbesondere in mechanisch hochbelasteten Bereichen sammeln, die dementsprechend eine erhöhte Festigkeit aufweisen. Es ist dann nicht nötig, auch weniger belastete Bereiche auf eine maximale Belastung anderer Bereiche hin entsprechend dickwandig auszulegen, sondern das Verbindungselement kann lokal belastungsgerecht mit diskontinuierlichem beziehungsweise lokal variierendem Querschnitt ausgebildet sein. Durch eine Einstellung des Faserverlaufs können auch gezielt der Kraftfluss in dem Bauteil und das Deformationsverhalten desselben beeinflusst werden. Bei der Massivumformung beziehungsweise beim Schmieden entsteht ein sehr homogenes Gefüge in dem Verbindungselement, sodass dieses problemlos mit den zu verbindenden Bauteilen fügbar ist. Hierzu kommt insbesondere eine Verbindung durch Schmelzschweißen infrage.
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Es ist auch möglich, in dem Massivumformverfahren beziehungsweise beim Schmieden spezielle Endbereiche an das Verbindungselement anzuformen, welche einen optimalen Kraftfluss und eine optimale Verbindung zu weiteren Bauteilen erlauben. Ein aus einem Massivumformverfahren beziehungsweise Schmiedeverfahren resultierendes Verbindungselement erfordert zudem weniger Nachbearbeitungsschritte als ein in anderer Weise hergestelltes Verbindungselement. Dadurch umfasst ein Herstellungsverfahren für das Verbindungselement weniger Schritte, sodass es kostengünstig und wenig aufwendig durchführbar ist.
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Es wird auch ein Verbindungselement bevorzugt, welches sich dadurch auszeichnet, dass es zur Anordnung in einem Verbindungsbereich des Schwellers und des Querträgers mit einer Vertikalstütze vorgesehen ist. Dabei ist das Verbindungselement so ausgebildet, dass es die Vertikalstütze seitlich bereichsweise umgreift. Bei der Vertikalstütze handelt es sich bevorzugt um eine Säule, insbesondere um eine B-Säule. Diese kann bauraumsparend auf den Schweller aufgesetzt oder in den Schweller eingesetzt sein. Bevorzugt ist das Verbindungselement so ausgebildet, dass es eine Innenseite, also eine einem Kraftfahrzeuginnenraum zugewandte Seite der Vertikalstütze umgreift. Hierdurch wird der Vertikalstütze eine besonders gute Unfallstabilität bezüglich eines Seitenaufpralls verliehen. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Vertikalstütze bei einer offenen Kraftfahrzeug-Rohbaukonstruktion stummelförmig ausgestaltet ist und keine direkte Anbindung an einen Dachrahmen besitzt, wie dies beispielsweise bei einer Cabriolet-Rohbaustruktur der Fall ist. Die Säule an sich weist dann eine relativ geringe Seitenaufprallstabilität auf, was mithilfe des Verbindungselements kompensiert oder sogar überkompensiert werden kann.
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Es wird auch ein Verbindungselement bevorzugt, welches sich dadurch auszeichnet, dass es einen im Wesentlichen L-förmigen Grundkörper umfasst, wobei ein erster Schenkel des L eine sich in Längsrichtung des ersten Schenkels erstreckende, randoffene erste Ausnehmung aufweist. Diese ist als erste Aufnahme für den Querträger ausgebildet. Das Verbindungselement mit im Wesentlichen L-förmigem Grundkörper weist eine vergleichsweise einfache Geometrie auf und ist leicht zu montieren, indem es mit der ersten Ausnehmung auf den Querträger aufgesetzt wird. Bevorzugt ist die Geometrie der ersten Ausnehmung auf eine Geometrie des Querträgers abgestimmt, sodass das Verbindungselement formschlüssig auf den Querträger aufgesetzt werden kann.
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Es wird ein Verbindungselement bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass in einem Verbindungsbereich zwischen dem ersten und einem zweiten Schenkel des L eine zweite Ausnehmung vorgesehen ist, die als eine zweite Aufnahme für den Schweller ausgebildet ist. Die zweite Ausnehmung ist bevorzugt dort angeordnet, wo die beiden Schenkel des L aufeinanderstoßen. Dabei ist die Geometrie der zweiten Ausnehmung vorzugsweise auf eine Geometrie des Schwellers abgestimmt, sodass das Verbindungselement formschlüssig auf den Schweller aufgesetzt werden kann.
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Es wird auch ein Verbindungselement bevorzugt, welches sich dadurch auszeichnet, dass der zweite Schenkel eine sich in Längsrichtung desselben erstreckende, randoffene dritte Ausnehmung umfasst, die als eine dritte Aufnahme für die Vertikalstütze ausgebildet ist. Dabei ist die dritte Ausnehmung vorzugsweise in einem Bereich vorgesehen, der sich an die zweite Ausnehmung anschließt. Ausgehend von dem Bereich, in dem die beiden Schenkel des L aufeinanderstoßen, ist also an dem zweiten Schenkel zunächst die zweite Ausnehmung vorgesehen, an die sich – in Längsrichtung des zweiten Schenkels gesehen – die dritte Ausnehmung anschließt. Vorzugsweise ist die dritte Ausnehmung im Wesentlichen komplementär zu einer Geometrie der Vertikalstütze ausgebildet beziehungsweise auf diese abgestimmt, sodass sie formschlüssig in der dritten Ausnehmung aufnehmbar ist.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Kraftfahrzeug-Rohbaustruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 6 geschaffen wird. Diese umfasst einen Schweller und einen Querträger, die in einem Verbindungsbereich miteinander verbunden sind. Es ist ein Verbindungselement zur Verbindung des Schwellers mit dem Querträger vorgesehen, welches ein Leichtmetall, vorzugsweise eine Leichtmetalllegierung umfasst, besonders bevorzugt aus einem Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung besteht. Dabei kann es sich beispielsweise um Aluminium oder eine Aluminiumlegierung handeln. Das Verbindungselement ist als massivumgeformtes Teil, insbesondere als Schmiedeteil hergestellt. Die Kraftfahrzeug-Rohbaustruktur zeichnet sich dadurch aus, dass das Verbindungselement den Querträger und den Schweller von oben bereichsweise umgreift. Vorzugsweise ist es mit dem Querträger und dem Schweller kraft-, form- und/oder stoffschlüssig, insbesondere durch Schmelzschweißen, verbunden. Alternativ oder zusätzlich können der Querträger und der Schweller aneinander kraft-, form- und/oder stoffschlüssig, insbesondere durch Schmelzschweißen, verbunden sein. In Hinblick auf die Kraftfahrzeug-Rohbaustruktur verwirklichen sich die bereits in Zusammenhang mit dem Verbindungselement beschriebenen Vorteile.
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Es wird eine Kraftfahrzeug-Rohbaustruktur bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das Verbindungselement in einem Verbindungsbereich des Schwellers und des Querträgers mit einer Vertikalstütze angeordnet ist, wobei das Verbindungselement die Vertikalstütze seitlich, insbesondere auf deren Innenseite, umgreift. Die Vertikalstütze ist vorzugsweise als Säule, insbesondere als B-Säule ausgebildet, die besonders bevorzugt bauraumsparend auf den Schweller aufgesetzt oder in den Schweller eingesetzt ist. Das Verbindungselement und die Vertikalstütze sind bevorzugt kraft-, form- und/oder stoffschlüssig, insbesondere durch Schmelzschweißen, miteinander verbunden. Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, dass die Vertikalstütze mit dem Schweller und/oder mit dem Querträger kraft-, form- und/oder stoffschlüssig, insbesondere durch Schmelzschweißen verbunden ist. Durch das Verbindungselement erhält die Vertikalstütze eine besonders gute Unfallstabilität insbesondere in Hinblick auf einen Seitenaufprall.
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Es wird eine Kraftfahrzeug-Rohbaustruktur bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das Verbindungselement nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele ausgebildet ist. Es ergeben sich dann die bereits in Zusammenhang mit diesen Ausführungsbeispielen beschriebenen Vorteile.
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Es wird auch eine Kraftfahrzeug-Rohbaustruktur bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Vertikalstütze als Säule, insbesondere als B-Säule ausgebildet ist.
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Schließlich wird eine Kraftfahrzeug-Rohbaustruktur bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Vertikalstütze als Säulenstummel, insbesondere B-Säulenstummel eines offenen Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Cabriolets ausgebildet ist. Das Verbindungselement ist insbesondere vorteilhaft in einer Kraftfahrzeug-Rohbaustruktur eines offenen Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Cabriolets einsetzbar, wobei die Vertikalstütze konstruktionsbedingt stummelförmig ausgebildet ist und keine direkte Anbindung an einen Dachrahmen aufweist. Die an sich geringe Seitenaufprallstabilität der Vertikalstütze wird durch das Verbindungselement kompensiert oder vorzugsweise sogar überkompensiert.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Vorderansicht eines Teils einer Kraftfahrzeug-Rohbaustruktur, und
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2 eine Ansicht von oben des Teils der Kraftfahrzeug-Rohbaustruktur gemäß 1.
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1 zeigt eine schematische Vorderansicht eines Teils einer Kraftfahrzeug-Rohbaustruktur 1. Diese ist bevorzugt als Rohbaustruktur eines offenen Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Cabriolets ausgebildet. Sie umfasst einen Schweller 3 und einen Querträger 5, die in einem Verbindungsbereich 7 miteinander verbunden sind. In dem Verbindungsbereich 7 ist außerdem eine Vertikalstütze 9 vorgesehen, welche hier mit dem Schweller 3 verbunden, vorzugsweise auf diesen aufgesetzt oder in diesen eingesetzt ist. Die Vertikalstütze 9 ist bevorzugt als Säule, insbesondere als B-Säule, besonders bevorzugt als Säulenstummel, insbesondere als B-Säulenstummel eines offenen Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Cabriolets ausgebildet.
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Zur Verbindung des Schwellers 3 mit dem Querträger 5 und auch mit der Vertikalstütze 9 ist ein Verbindungselement 11 vorgesehen, welches den Verbindungsbereich 7 von oben bereichsweise, insbesondere schuhartig, umgreift. Zugleich umgreift das Verbindungselement 11 die Vertikalstütze 9 bereichsweise seitlich.
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Hierzu umfasst das Verbindungselement 11 einen im Wesentlichen L-förmigen Grundkörper 13, der einen ersten Schenkel 15 und einen zweiten Schenkel 17 umfasst.
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Der erste Schenkel 15 weist eine sich in Längsrichtung desselben, also parallel zu dem Querträger 5 erstreckende, randoffene erste Ausnehmung 19 auf. In dieser ist der Querträger 5 bereichsweise aufgenommen. Bevorzugt ist eine äußere Geometrie des Querträgers 5 auf eine innere Geometrie der Ausnehmung 19 abgestimmt, sodass der Querträger 5 an einer Wandung der Ausnehmung 19 formschlüssig anliegt.
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In einem Verbindungsbereich zwischen dem ersten Schenkel 15 und dem zweiten Schenkel 17, also in einem Bereich, indem die beiden Schenkel aufeinanderstoßen, ist eine zweite Ausnehmung 21 vorgesehen, die als zweite Aufnahme für den Schweller 3 ausgebildet ist. Vorzugsweise ist eine äußere Geometrie des Schwellers 3 auf eine innere Geometrie der Ausnehmung 21 so abgestimmt, dass der in der Ausnehmung 21 aufgenommene Bereich des Schwellers 3 formschlüssig an einer Innenwandung der Ausnehmung 21 anliegt.
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Die erste Ausnehmung 19 umfasst vorzugsweise zwei Seitenwandungen, von denen in 1 nur eine erste Seitenwandung 23 dargestellt ist. Eine gegenüberliegende, zweite Seitenwandung ist parallel zu der ersten Seitenwandung 23 angeordnet, sodass beide Seitenwandungen den Querträger 5 von oben umgreifen.
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Mit der zweiten Ausnehmung 21 sitzt das Verbindungselement 11 quasi auf dem Schweller 3 auf. Dabei umgreift es zwei aneinander angrenzende Wandungen 24, 24' des Querträgers 3, die eine gemeinsame Ecke 26 aufweisen.
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Der zweite Schenkel 17 weist in einem Bereich, der sich – in Längsrichtung des zweiten Schenkels 17 gesehen – an die zweite Ausnehmung 21 anschließt, eine sich in dieser Längsrichtung beziehungsweise in Richtung der Vertikalstütze 9 erstreckende, randoffene dritte Ausnehmung 25 auf, die als eine dritte Aufnahme für die Vertikalstütze 9 ausgebildet ist. Bevorzugt ist eine innere Geometrie der dritten Ausnehmung 25 auf eine äußere Geometrie der Vertikalstütze 9 abgestimmt, sodass diese formschlüssig in der dritten Aufnahme aufgenommen ist.
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Die dritte Ausnehmung 25 weist eine erste Seitenwandung 27 und eine gegenüberliegende, nicht dargestellte zweite Seitenwandung auf, wobei das Verbindungselement 11 die Vertikalstütze 9 mit den beiden Seitenwandungen seitlich umgreift.
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2 zeigt eine Ansicht des Teils der Kraftfahrzeug-Rohbaustruktur 1 gemäß 1 von oben. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. In der Ansicht von 2 ist die dritte Ausnehmung 25 besonders gut erkennbar. Insbesondere ist die erste Seitenwandung 27 dargestellt, und es ist auch die zweite Seitenwandung 27' dargestellt, welche dieser gegenüberliegend angeordnet ist. Entsprechend ist in 2 erkennbar, dass das Verbindungselement 11 mit der dritten Ausnehmung 25 und insbesondere mit den Seitenwandungen 27, 27' die Vertikalstütze 9 seitlich umgreift.
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In 2 ist auch erkennbar, dass die Schenkel 15, 17 nicht notwendig eine gleiche Breite aufweisen müssen. Diese sind stattdessen insbesondere auf eine Breite der miteinander verbunden Elemente, hier des Querträgers 5 und der Vertikalstütze 9 abgestimmt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist dabei der erste Schenkel 15 deutlich schmaler ausgebildet als der zweite Schenkel 17.
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Es ist auch möglich, die Geometrie des Verbindungselements 11 und insbesondere dessen Querschnitt lokal belastungsgerecht auszubilden. Vor allem ist es möglich, die Geometrie des Verbindungselements 11 quasi auf die zu erwartenden mechanischen Belastungen maßzuschneidern.
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Es zeigt sich anhand der 1 und 2, dass das Verbindungselement 11 leicht und rasch auf den Verbindungsbereich 7 von oben aufsetzbar ist, sodass ohne Weiteres eine Verbindung des Schwellers 3, des Querträgers 5 und der Vertikalstütze 9 bewirkbar ist. Diese Elemente können untereinander und/oder mit dem Verbindungselement 11 kraft-, form- und/oder stoffschlüssig, insbesondere durch Schmelzschweißen verbunden werden.
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Insgesamt zeigt sich, dass das Verbindungselement und die Kraftfahrzeug-Rohbaustruktur einen geometrisch einfachen, leicht zu fügenden Aufbau aufweisen, wobei zugleich eine hohe Festigkeit und Duktilität und eine optimale Auslegung auf Unfallbedingungen, insbesondere auf einen Seitenaufprall gegeben sind. Darüber hinaus wird durch die Möglichkeit, das als Schmiedeteil ausgebildete Verbindungselement 11 bedarfsgerecht, insbesondere mit lokal variierendem Querschnitt auszulegen, auch dem Leichtbaugedanken Rechnung getragen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004014664 A1 [0002]
