-
Die Erfindung betrifft eine Heckwagenstruktur für eine Personenkraftwagenkarosserie.
-
Aus dem Serienfahrzeugbau von Personenkraftwagen sind Karosserien bekannt, deren jeweilige Heckstruktur aus einem metallischen Werkstoff gebildet ist. Dies bedingt nicht nur ein erhebliches Fahrzeuggewicht, sondern unterschiedliche Varianten der Personenkraftwagenkarosserie sind nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand realisierbar.
-
Darüber hinaus sind Personenkraftwagen mit einem sogenannten Monocoque aus einem faserverstärkten Kunststoff bekannt. Das Monocoque bildet dabei eine leichte und steife Sicherheitszelle. Dabei ist üblicherweise eine Heckstruktur aus wenigstens einem metallischen Werkstoff an das Monocoque gefügt, so dass sich die Heckstruktur in Fahrzeuglängsrichtung nach hinten an das Monocoque anschließt. Auch dies führt zu einem hohen Fahrzeuggewicht, da das Leichtbaupotential nicht ausgeschöpft ist.
-
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Heckwagenstruktur bereitzustellen, welche besonders steif ist und ein geringes Gewicht sowie ein besonders vorteilhaftes Unfallverhalten aufweist.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Heckwagenstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
-
Die erfindungsgemäße Heckwagenstruktur weist einen aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildeten Sicherheitszellenbereich auf, welcher wenigstens eine Hauptbodenstruktur und eine sich daran nach hinten anschließende Versteifungsstruktur umfasst. Die Heckwagenstruktur weist auch einen sich an den Sicherheitszellenbereich nach hinten anschließenden Absorptionsbereich auf, welcher als Hybridstruktur ausgebildet ist. Diese Heckwagenstruktur ist somit ein integraler Zusammenbau, welcher einerseits ein sehr gutes Unfallverhalten aufweist, da der Sicherheitszellenbereich bei einem Heckaufprall zumindest im Wesentlichen nicht deformiert wird und somit die Fahrzeuginsassen schützt. Andererseits ist der Absorptionsbereich beim Heckaufprall unter Energieverzehrung verformbar, wodurch Aufprallenergie in Verformungsenergie umgewandelt wird. Dadurch können auf die Fahrzeuginsassen beim Heckaufprall wirkende Beschleunigungen gering gehalten werden. Beide Funktionen, das heißt die Bereitstellung einer beim Heckaufprall intakt bleibenden Sicherheitszelle sowie die Energieverzehrung können unter gleichzeitiger Realisierung eines nur sehr geringen Gewichts der Heckwagenstruktur dargestellt werden, insbesondere im Vergleich zu herkömmlichen vollmetallischen Heckwagenstrukturen. Ferner kann die Heckwagenstruktur mit einem bereits bestehenden, herkömmlichen und beispielsweise metallischen Rohbau der Personenkraftwagenkarosserie verbaut werden. Hierdurch ist es möglich, auf einfache und kostengünstige Weise unterschiedliche Varianten der Personenkraftwagenkarosserie zu realisieren.
-
Handelt es sich beispielsweise um ein Hybrid-Fahrzeug oder ein Elektrofahrzeug, welches entsprechende Hochvolt-Komponenten (HV-Komponenten) umfasst, so kann die im Vergleich zu herkömmlichen Stahlstrukturen geringere Intrusion der erfindungsgemäßen Heckwagenstruktur genutzt werden, um diese HV-Komponenten beim Heckaufprall zu schützen. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein im Bereich der Heckwagenstruktur angeordneter Tank für Kraftstoff geschützt werden.
-
Aufgrund ihres nur sehr geringen Gewichts sowie ihrer sehr hohen Steifigkeit ist es mittels der Heckwagenstruktur beispielsweise möglich, sportliche und leichte Derivate von Personenkraftwagen auf einfache Weise zu bilden. Ferner ist es beispielsweise möglich, dadurch das Mehrgewicht von hybriden Antriebssträngen zu kompensieren.
-
Zur Realisierung einer besonders hohen Steifigkeit der Sicherheitszelle ist der Sicherheitszellenbereich vorzugsweise aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFK) gebildet. Dadurch kann eine sehr hohe Sicherheit für Insassen und für etwaig vorgesehene HV-Komponenten realisiert werden.
-
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Hybridstruktur des Absorptionsbereichs zwei in Fahrzeugquerrichtung voneinander beabstandete, an den Sicherheitszellenbereich zumindest mittelbar angebundene und zumindest teilweise aus einem metallischen Werkstoff gebildete Energieabsorptionselemente und wenigstens ein aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildetes Heckbodenteil umfasst. Hierdurch kann zum einen eine besonders hohe Steifigkeit der Heckwagenstruktur gewährleistet werden. Zum anderen weisen die Energieabsorptionselemente ein sehr hohes Energieaufnahmevermögen auf. Hierzu ist der metallische Werkstoff vorzugsweise ein Leichtmetall, insbesondere Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung, so dass beim Heckaufprall eine nur sehr geringe Gesamtintrusion des Heckwagenbereichs ermöglicht werden kann.
-
Als weiterhin besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Energieabsorptionselemente jeweils als Hybridbauteil aus einem metallischen Werkstoff und aus einem faserverstärkten Kunststoff ausgebildet sind.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Perspektivansicht auf eine Heckwagenstruktur für eine Personenkraftwagenkarosserie, mit einem aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildeten Sicherheitszellenbereich, welcher wenigstens eine Hauptbodenstruktur und eine sich daran nach hinten anschließende Versteifungsstruktur umfasst, und mit einem sich an den Sicherheitszellenbereich nach hinten anschließenden Absorptionsbereich, welcher als Hybridstruktur ausgebildet ist;
-
2 eine schematische Perspektivansicht auf einen metallischen Rohbau einer Personenkraftwagenkarosserie, welcher mit der Heckwagenstruktur gemäß 1 gefügt ist;
-
3 eine schematische und perspektivische Explosionsansicht des Sicherheitszellenbereichs;
-
4 eine schematische Perspektivansicht auf den Sicherheitszellenbereich;
-
5 ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht auf eine Personenkraftwagenkarosserie mit der Heckwagenstruktur gemäß 1, deren Sicherheitszellenbereich durch eine Rückwandstruktur ergänzt ist;
-
6 eine schematische Seitenansicht auf den Rohbau mit der Heckwagenstruktur gemäß 2;
-
7 eine schematische und perspektivische Explosionsansicht des Sicherheitszellenbereichs;
-
8 ausschnittsweise eine weitere schematische und perspektivische Explosionsansicht des Sicherheitszellenbereichs;
-
9 eine schematische Perspektivansicht auf die Versteifungsstruktur des Sicherheitszellenbereichs;
-
10 eine schematische Perspektivansicht auf ein Energieabsorptionselement des Absorptionsbereichs gemäß einer ersten Ausführungsform;
-
11 eine schematische Perspektivansicht auf die Heckwagenstruktur, welche bis auf seitliche Energieabsorptionselemente des Absorptionsbereichs transparent dargestellt ist;
-
12 eine schematische Längsschnittansicht durch die Heckwagenstruktur;
-
13 eine schematische Ansicht eines Fügeverfahrens zum Fügen der Heckwagenstruktur; und
-
14 eine schematische Perspektivansicht auf das Energieabsorptionselement des Absorptionsbereichs gemäß einer zweiten Ausführungsform.
-
1 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht eine Heckwagenstruktur 10 für eine Personenkraftwagenkarosserie. Die Heckwagenstruktur 10 weist einen Sicherheitszellenbereich 12 auf, welcher aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet ist. Zur Realisierung einer besonders hohen Steifigkeit ist der Sicherheitszellenbereich 12 vorliegend aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff gebildet. Der Sicherheitszellenbereich 12 umfasst eine Hauptbodenstruktur 14 mit wenigstens einem Hauptbodenteil 16, durch welches ein Sitzbereich für Fondspassagiere des Personenkraftwagens in Fahrzeughochrichtung nach unten begrenzt ist. Der Sicherheitszellenbereich 12 umfasst auch eine Versteifungsstruktur 18, welche vorliegend als Versteifungsring ausgebildet ist. Dieser Versteifungsring weist zwei sich im Wesentlichen in Fahrzeughochrichtung erstreckende und in Fahrzeugquerrichtung voneinander beabstandete Seitenteile 20 auf, welche über zwei in Fahrzeughochrichtung voneinander beabstandete und sich im Wesentlichen in Fahrzeugquerrichtung erstreckende Querteile 22 der Versteifungsstruktur 18 miteinander verbunden sind.
-
Die Heckwagenstruktur 10 weist auch einen Absorptionsbereich 24 auf, welcher mit dem Sicherheitszellenbereich 12 verbunden ist und welcher sich in Fahrzeuglängsrichtung nach hinten an den Sicherheitszellenbereich 12 anschließt. Der Absorptionsbereich 24 ist dabei als Hybridstruktur ausgebildet und umfasst ein aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff gebildetes Heckbodenteil 26, durch welches ein Stauraum des Personenkraftwagens in Fahrzeugrichtung nach unten begrenzt ist. Darüber hinaus umfasst der Absorptionsbereich 24 eine von dem Heckbodenteil 26 in Fahrzeughochrichtung nach oben beabstandete und aus einem faserverstärkten Kunststoff, insbesondere einem kohlefaserverstärkten Kunststoff, gebildete Hutablage 28.
-
Weiterhin umfasst der Absorptionsbereich 24 auch zwei in Fahrzeugquerrichtung voneinander beabstandete und sich im Wesentlichen in Fahrzeuglängsrichtung erstreckende Energieabsorptionselemente 30, welche zumindest mittelbar an den Sicherheitszellenbereich 12 angebunden sind. Die Heckwagenstruktur 10 ist ein integraler Zusammenbau in Leichtbauweise, welcher besonders steif ist sowie ein sehr gutes Unfallverhalten und ein geringes Gewicht aufweist. Durch den Sicherheitszellenbereich 12 ist eine Sicherheitszelle gebildet, welche während eines Heckaufpralls auf den Personenkraftwagen nicht zerstört wird. Im Gegensatz dazu stellt der Absorptionsbereich 24 eine Energie absorbierende Struktur dar, welche beim Heckaufprall Energie verzehrt.
-
2 zeigt die Heckwagenstruktur 10, welche mit einem metallischen Rohbau 32 als übrige Personenkraftwagenkarosserie gefügt ist.
-
Aus 3 und 4 ist besonders gut der Zusammenbau des Sicherheitszellenbereichs 12 erkennbar. Die Hauptbodenstruktur 14, welche einen Lastpfad für den Heckaufprall aufweist, kann, um die Anzahl an Fügestellen und damit die Stellen, an denen Fasern des faserverstärkten Kunststoffs im Kraftfluss unterbrochen werden, besonders gering zu halten, einteilig ausgeführt werden. Alternativ dazu kann die Hauptbodenstruktur 14 jedoch auch mehrteilig ausgebildet sein und entsprechend separat gefertigte Teile umfassen, welche miteinander gefügt sind. Dadurch ist eine besonders einfache Fertigung der Hauptbodenstruktur 14 realisierbar. Die Versteifungsstruktur 18 in Form des Versteifungsrings ist vorzugsweise mehrteilig ausgeführt, um Toleranzen ausgleichen zu können.
-
5 zeigt eine Rückwandstruktur 34, durch welche der Versteifungsring ergänzt werden kann. Die Rückwandstruktur 34 weist eine Durchgangsöffnung 36 auf, mittels welcher eine Durchlademöglichkeit zwischen dem Innenraum und dem Stauraum des Personenkraftwagens geschaffen werden kann. Die Rückwandstruktur 34 ist vorzugsweise so mit dem Gesamtsystem abgestimmt, dass das sogenannte NVH-Verhalten (NVH – Noise Vibration Harshness) des Gesamtfahrzeugs durch hohe Teilflächensteifigkeiten und durch Reduzierung des sogenannten Pumpeffekts optimiert werden kann. Die hohen Teilflächensteifigkeiten führen zu einer hohen Eigenfrequenz und führten somit zu einem sehr guten NVH-Verhalten. Als Pumpeffekt werden Eigenfrequenzen für störende Innenraumfrequenzen bezeichnet, welche durch eine Rückwandverformung während des Fahrbetriebs angeregt werden. Dieser Pumpeffekt kann durch Auslegung des Lagenaufbaus und/oder der Geometrie des faserverstärkten Kunststoffs gering gehalten werden.
-
Die Rückwandstruktur 34 kann auch als Verbindungsstück zwischen zwei in Fahrzeugquerrichtung voneinander beabstandeten, hinteren Längsträgern verwendet werden, um beispielsweise einen Toleranzausgleich in Fahrzeugquerrichtung (y-Richtung) zu realisieren. Diese Längsträger können dabei zumindest teilweise durch die Energieabsorptionselemente 30 gebildet sein. Ferner ist es möglich, dass die Energieabsorptionselemente 30 mit diesen Längsträgern verbunden sind.
-
Aus 6 ist die im Ganzen mit 38 bezeichnete Personenkraftwagenkarosserie erkennbar, welche den metallischen Rohbau 32 und die Heckwagenstruktur 10 mit dem Sicherheitszellenbereich 12 und den Absorptionsbereich 24 umfasst.
-
Aus 7 und 8 ist die mögliche, mehrteilige Ausgestaltung der Hauptbodenstruktur 14 erkennbar. Die Hauptbodenstruktur 14 umfasst dabei eine obere Schale 40 mit seitlichen Radhausteilen 42, durch welche jeweilige, hintere Radhäuser des Personenkraftwagens teilweise begrenzt sind. In Zusammenschau mit 3 ist auch der jeweilige, seitliche Lastpfad erkennbar, welcher in 3 mit L bezeichnet und mittels Schraffur optisch hervorgehoben ist. Über den jeweiligen Lastpfad L können beim Heckaufprall Kräfte übertragen und in den metallischen Rohbau 32 eingeleitet werden.
-
Aus 7 sind auch untere Teile 44 des Sicherheitszellenbereichs 12 erkennbar, über welche ein unterer Lastpfad für den Heckaufprall dargestellt wird. Ferner umfasst der Sicherheitszellenbereich 12 vertikale Verstärkungselemente 46 für den Lastpfad.
-
Aus 8 ist ein horizontales Verstärkungselement 48 für den Lastpfad erkennbar, welches mit dem entsprechend zugeordneten unteren Teil 44 gefügt wird. Dabei werden zwischen dem horizontalen Verstärkungselement 48 und dem jeweiligen unteren Teil 44 Schäumlinge 50, also Einleger, welche aus unterschiedlichen Kernmaterialien bestehen können, im Bereich von Fahrwerksanbindungspunkten vorgesehen.
-
Anhand von 9 ist die Versteifungsstruktur 18 veranschaulicht. Vorliegend ist das jeweilige Seitenteil 20 zweiteilig ausgebildet und umfasst ein Vorderteil 52 und ein damit korrespondierendes Hinterteil 54, welche miteinander verbunden sind. Eine einstückige Ausgestaltung des jeweiligen Seitenteils 20 ist dabei ebenfalls denkbar. Die Querteile 22 zum Verbinden der Seitenteile 20 sind Querträger, welche zum Toleranzausgleich in Fahrzeugquerrichtung verwendet werden.
-
10 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht das rechte der Energieabsorptionselemente 30. Das jeweilige Energieabsorptionselement 30 ist vollständig aus einer Aluminiumlegierung gebildet und ist an einem in Fahrzeuglängsrichtung hinteren Ende mit einer als Gussbauteil ausgebildeten Konsole 56 verbunden. Über die Konsole 56 kann das jeweilige Energieabsorptionselement 30 beispielsweise mit einem hinteren Biegequerträger verbunden werden. An einem vorderen Ende ist das Energieabsorptionselement 30 mit einem Gussbauteil 58 des Absorptionsbereichs 24 verbunden. Auch die Konsole 56 und das Gussbauteil 58 sind aus einer Aluminiumlegierung gebildet. An das Gussbauteil 58 ist ein Domelement 60 zum Abstützen eines Feder- und/oder Dämpferelements in Form eines Dämpferbeins angebunden. Auch das Domelement 60 ist als Gussbauteil ausgebildet und kann beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung hergestellt sein. Alternativ dazu ist es möglich, das Domelement 60 aus einem faserverstärkten Kunststoff, insbesondere einem kohlefaserverstärkten Kunststoff, herzustellen. Das Energieabsorptionselement 30 ist dabei unter Ausbildung einer Schweißnaht 57 mit der Konsole 56 verschweißt und unter Ausbildung einer Schweißnaht 59 mit dem Gussbauteil 58 verschweißt. Das Gussbauteil 58 ist unter Ausbildung einer Schweißnaht 61 mit dem Domelement 60 verschweißt. Zur Realisierung eines besonders hohen Energieaufnahmevermögens ist das jeweilige Energieabsorptionselement 30 als Strangpressprofil ausgebildet.
-
Abgesehen von den genannten Schweißverbindungen des Energieabsorptionselements 30 mit der Konsole 56, des Energieabsorptionselements 30 mit dem Gussbauteil 58 und des Gussbauteils 58 mit dem Domelement 60 werden alle genannten Bauteile der Heckwagenstruktur 10 miteinander verklebt. Als Kleber kann hierzu Epoxy oder auch Polyurethan (PU) verwendet werden. Die Verklebung mit angrenzenden Bauteilen bzw. Zusammenbauten wird vorzugsweise mittels PU durchgeführt, mittels welchem auch große Klebespalte realisiert werden können. Dadurch können Toleranzen ausgeglichen werden.
-
Anhand von 11 ist die Anordnung der Energieabsorptionselemente 30 bezogen auf die übrige Heckwagenstruktur 10 erkennbar, wobei die Heckwagenstruktur 10 in 11 bis auf die Energieabsorptionselemente 30, die Konsolen 56, die Gussbauteile 58 und die Domelemente 60 transparent dargestellt ist.
-
Wie aus 12 erkennbar ist, erfolgt die Anbindung des Absorptionsbereichs 24 an den Sicherheitszellenbereich 12 derart, dass die jeweiligen Gussbauteile 58 bereichsweise in korrespondierende Aufnahmen 62 des Sicherheitszellenbereichs 12 eingesteckt werden, wobei eine Steckrichtung in Fahrzeuglängsrichtung verläuft. Nach dem Einstecken erfolgt beispielsweise an einer Stelle 64 eine Verklebung des jeweiligen Gussbauteils 58 mit dem aus dem kohlefaserverstärkten Kunststoff gebildeten Sicherheitszellenbereich 12.
-
Aus 13 ist eine Fügefolge zum Herstellen der Heckwagenstruktur 10 erkennbar. Bei einem ersten Schritt S1 wird die Hauptbodenstruktur 14 bereitgestellt. Die Hauptbodenstruktur 14 wird bei einem zweiten Schritt S2 mit dem jeweiligen Zusammenbau aus dem Energieabsorptionselement 30, der Konsole 56, dem Gussbauteil 58 und dem Domelement 60 gefügt, wobei durch einen Richtungspfeil 66 eine Fügerichtung zum Fügen des jeweiligen Zusammenbaus mit der Hauptbodenstruktur 14 erkennbar ist. Die Fügerichtung verläuft dabei in Fahrzeuglängsrichtung von hinten nach vorne.
-
Bei einem dritten Schritt S3 wird das Heckbodenteil 26 in einer zumindest im Wesentlichen in Fahrzeughochrichtung verlaufenden Fügerichtung mit den jeweiligen Zusammenbauten gefügt. Ferner erfolgt das Fügen auch in Fahrzeugquerrichtung. Diese Fügerichtungen sind durch Richtungspfeile 68 veranschaulicht.
-
Bei einem dritten Schritt S4 wird die Versteifungsstruktur 18 mit der Hauptbodenstruktur 14 entlang jeweiliger Fügerichtungen gefügt, welche durch Richtungspfeile 70 veranschaulicht sind. Bei einem fünften Schritt S5 wird schließlich ein aus dem kohlefaserverstärkten Kunststoff gebildetes Heckteil 72 des Absorptionsbereichs 24 entlang einer Fügerichtung gefügt, welche durch einen Richtungspfeil 74 veranschaulicht ist und in Fahrzeuglängsrichtung von hinten nach vorne verläuft. Ebenso wird die aus dem kohlefaserverstärkten Kunststoff gebildete Hutablage 28 entlang einer durch einen Richtungspfeil 76 veranschaulichten und in Fahrzeughochrichtung von oben nach unten verlaufenden Fügerichtung gefügt.
-
Schließlich zeigt 14 das Energieabsorptionselement 30 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Das Energieabsorptionselement 30 ist dabei als Hybridbauteil ausgebildet und umfasst ein aus einem faserverstärkten Kunststoff – vorliegend einem kohlefaserverstärkten Kunststoff – gebildetes Absorptionsrohr 78 sowie eine aus einem metallischen Werkstoff gebildete Stützstruktur 80, die vorliegend aus einer Aluminiumlegierung gebildet ist. Das Absorptionsrohr 78 ist einerseits mit der Konsole 56 und andererseits mit dem Gussbauteil 58 verklebt. Die Stützstruktur 80 ist einerseits mit der Konsole 56 unter Ausbildung jeweiliger Schweißnähte 82 verschweißt. Andererseits ist die Stützstruktur 80 unter Ausbildung jeweiliger Schweißnähte 84 mit dem Gussbauteil 58 verschweißt. In 14 ist das Domelement 60 nicht dargestellt.
-
Der Ausgestaltung des Energieabsorptionselements 30 als Hybridbauteil liegt die Idee zugrunde, dass der kohlefaserverstärkte Kunststoff bei der Energieabsorption seine Strukturintegrität aufgrund seines spezifischen Versagensverhaltens verliert. Hierbei brechen die Fasern im Gegensatz zum Beulen bei metallischen Werkstoffen. Daher wird eine zweite metallische Struktur in Form der Stützstruktur 80 eingesetzt, die aufgrund ihrer Geometrie bei einer unfallbedingten Lastbeaufschlagung faltet und das Versagensverhalten des kohlefaserverstärkten Kunststoffs nicht beeinträchtigt. Durch die entsprechend gewählte Geometrie kommt es bei der unfallbedingten Beaufschlagung zu einem Falten und nicht zu einem Beulen des metallischen Werkstoffs, so dass kein Abstand zwischen der Stützstruktur 80 und dem Absorptionsrohr 78 vorgesehen und erforderlich ist. Dadurch kann das Energieabsorptionselement 30 sehr kompakt ausgestaltet werden.
