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Die Erfindung betrifft einen Querträger eine für Stoßfängeranordnung eines Kraftfahrzeuges nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ein solcher Querträger ist beispielsweise aus der
DE 100 44 409 A1 bekannt. Querträger dieser Art dienen im Wesentlichen dazu, im Falle eines Aufpralls des Kraftfahrzeuges auf ein Hindernis kinetische Energie durch Deformation des Querträgers zu absorbieren beziehungsweise in Deformationsenergie umzuwandeln. Der dortige Querträger ist im Querschnitt rechteckig ausgeformt, wobei zwei Hohlräume ausgebildet sind, welche durch einen als Verstärkungsrippe ausgebildeten Quersteg voneinander getrennt sind. Der Querträger liegt also als rohrförmiger Querträger mit zwei sich in seiner Längsrichtung erstreckenden Hohlräumen vor. Um den rohrförmigen Querträger aus einem Bandmaterial herzustellen, werden in Längsrichtung des Bandmaterials liegende freien Enden mit anderen Bereichen des Bandmaterials nach dessen Umformung zu dem rohrförmigen Querträger miteinander verschweißt.
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Ein Herstellungsverfahren solcher Querträger ist beispielsweise in der
EP 0 870 649 A2 beschrieben. Dort wird ein Blechband mittels verschiedener hintereinander in Reihe angeordneter Umformwalzen zu einem fertigen rohrförmigen Querträger umgeformt.
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Zudem ist es bekannt, Querträger als geschlossene profilierte Bauteile in Presswerkzeugen mehrstufig herzustellen, insbesondere in Folgeverbundwerkzeugen. Dabei durchlaufen an den Stirnseiten miteinander verbundene Halbzeuge aus Bandmaterial eine Folge von Werkzeugstufen und werden schrittweise in ihrer Längserstreckung umgebogen und zum Schluss vollständig geschlossen.
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Bei den aus dem Stand dem Technik bekannten aus Bandmaterialien hergestellten Querträgern werden die sich in Längsrichtung des Bandmaterials erstreckenden Bereiche nach dem Umformen mit anderen Bereichen des zu dem rohrförmigen Querträger umgeformten Bandmaterials verschweißt. Durch dies Schweißstellen wird gewährleistet, dass der rohrförmige Querträger in sich stabil ist und sich im Fall eines Aufpralls entsprechend kontrolliert verformen kann, ohne dass sich die Verbindungsstellen voneinander lösen und somit eine unkontrollierte Deformation stattfindet.
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Allerdings sind solche Schweißverbindungen verfahrenstechnisch nur sehr aufwendig zu realisieren, insbesondere dann, wenn wie bei dem Stand der Technik gemäß der
DE 100 44 409 A1 eine Schweißverbindung nach einem ersten aber vor einem zweiten abschließenden Umformprozess des Bandmaterials stattfindet. In einem solchen Fall muss der Umformprozess unterbrochen werden, um das erste sich in Längsrichtung des Bandmaterials erstreckende freie Ende mit einem anderen Bereich des Bandmaterials zu verschweißen. Anschließend wird die abschließende Umformung durchgeführt und zum Ende das Bandmaterial mittels eines weiteren Schweißprozesses zum rohrförmigen Querträger ausgebildet. Die Prozessabfolge ist daher hierbei eine Dopplung der Prozessabfolge Umformen und Schweißen.
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Es ist natürlich auch denkbar, den erstem Schweißprozess erst nach dem abschließenden Umformen durchzuführen. Allerdings ist dies sehr aufwendig, da Schweißstellen dann im Querträgerinneren liegen und für Schweißroboter oder -apparate nur schwer zugänglich sind und auch der Kontakt zwischen den zu verschweißenden Bereichen nur sehr aufwendig sicherzustellen und zu kontrollieren ist.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Querträger gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Verfügung zu stellen, der eine ausreichende Stabilität bei optimierter Verformbarkeit aufweist, wobei die Schweißverbindungen minimiert sind.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Querträger mit allen Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
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Der erfindungsgemäße Querträger für eine Stoßfängeranordnung eines Kraftfahrzeuges ist aus einem umgeformten Bandmaterial hergestellt und weißt zwei sich in Längsrichtung des Querträgers erstreckende Hohlräume auf, welche mittels eines Querstegs voneinander getrennt sind, wobei
- a) der Quersteg aus einem ersten freien Ende des Bandmaterials,
- b) der erste Hohlraum durch den Quersteg und einem mittleren Bereich des Bandmaterials und
- c) der zweite Hohlraum durch den Quersteg und einem zweiten freien Ende des Bandmaterials
gebildet ist.
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Vorteilhafterweise sind an dem Quersteg eine Mehrzahl von Vorsprüngen angeordnet, die in eine entsprechende im Grenzbereich des mittlerem Bereichs und des zweiten freien Endes des umgeformten Bandmaterials angeordneten Mehrzahl von Aufnahmen aufgenommen sind.
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Durch diese spezielle Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich den erfindungsgemäßen Querträger nur einem abschließenden Schweißprozess bei seiner Herstellung zu unterziehen, wobei dieser Schweißprozess nur an dem zweiten freien Ende in Längsrichtung des zur Herstellung des Querträgers verwendeten Bandmaterials stattfindet. Die Verbindung des ersten freien Endes des Bandmaterials wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung nämlich dadurch erreicht, dass die Mehrzahl von an dem Quersteg angeordneten Vorsprüngen in eine entsprechende im Grenzbereich des mittlerem Bereichs und des zweiten freien Endes des umgeformten Bandmaterials angeordneten Mehrzahl von Aufnahmen aufgenommen sind. Die Vorsprünge sind im Endzustand des Querträgers dabei sicher und verschiebefest in den Aufnahmen gehalten, so dass keine Verschweißung des ersten freien Endes des umgeformten Bandmaterials mehr notwendig ist. Der gesamte Umformprozess des Bandmaterials zu dem erfindungsgemäßen Querträger kann somit ohne Zwischenschaltung eines Schweißprozesses realisiert werden, so dass der Querträger in seinem Herstellungsprozess nur abschließend einem Schweißvorgang unterzogen werden muss, der zudem in einfacher Weise von außen durchgeführt werden kann. Im Inneren des Querträgers ist es somit nicht mehr notwendig einen Schweißprozess durchzuführen, um das des erste freien Endes des umgeformten Bandmaterials im hergestellten Querträger zu fixieren.
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Nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Vorsprüngen unter Klemmwirkung in den Aufnahmen, vorzugsweise formschlüssig aufgenommen. Durch diese Maßnahme ist die Fixierung der Vorsprünge in den Aufnahmen nochmals erhöht, da durch die Klemmwirkung eine Bewegung der Vorsprünge in den Aufnahmen nahezu unmöglich ist. Um eine Bewegung der Vorsprünge in den Aufnahmen gänzlich zu vermeiden, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass die Vorsprünge und Aufnahmen derart aneinander angepasst sind, dass sie in verbundenen Zustand einen Formschluss bilden, so dass die Vorsprünge sicher und verschiebefest in den Aufnahmen gehalten sind.
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Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung hat es bewährt, das der Querträger einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist, wobei die Ecken abgerundet sind. Solche rechteckigen Querträgerprofile sind mit den üblichen Umformwerkzeugen, wie beispielsweise Umformwalzen, in einfacher Weise und sicher herstellbar, wobei auf bewährte Herstellungstechnologien zurückgegriffen werden kann. Zudem besitzen solche Profilformen besonders gute Energieabsorptions- und Deformationseigenschaften, wobei die Energieabsorption und Deformation solcher Profiliere sehr gut und einfach simuliert, insbesondere computergestützt simuliert werden kann.
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Dazu weisen die Hohlräume jeweils eine Vorderseite, eine Oberseite, eine Unterseite und eine Rückseite auf, wobei die Unterseite des oberen Hohlraums die Oberseite des unteren Hohlraums bildet und diese Ober- und Unterseite durch den Quersteg des Querträgers gebildet sind.
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Um die Energieabsorption im Belastungsfall des erfindungsgemäßen Querträgers zu optimieren, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass der Quersteg mit dem mittleren Bereich und/oder dem zweiten freien Ende des umgeformten Bandmaterials einen Winkel α zwischen 75° und 105° bildet. Bei einem Winkel α von mehr oder weniger als 90° muss mehr Material für den Querträger durch den größeren Quersteg eingesetzt werden, was zu höheren Herstellungskosten und eine negativere Umweltbilanz beim Betrieb eine Kraftfahrzeuges mit einem erfindungsgemäßen Querträger führt. Allerdings sind geringfügige Abweichungen im Bereich zwischen 75° und 105° bezüglich eines vergrößerten Energieaufnahmevermögens bevorzugt. Insoweit hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, diesen Winkel α mit 90 auszubilden, da dort eine ausreichende Energieabsorption bei geringstem Gewicht gegeben ist. Somit sind die Herstellungskosten aufgrund weniger Material minimiert und die Umweltbilanz beim Betrieb eine Kraftfahrzeuges mit einem erfindungsgemäßen Querträger durch das geringere Gewicht optimiert.
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Ebenso wie der Quersteg kann auch die Oberseite und die Unterseite einen Winkel β mit der Rückwand einschließen, welcher ebenfalls zwischen 75° und 105° liegen und bevorzugt 90° betragen sollte..
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Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist das zweite freie Ende im Grenzbereich des mittlerem Bereichs und des ersten freien Endes mit dem umgeformten Bandmaterial zumindest teilweise verschweißt. Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, dass der erfindungsgemäße Querträger sicher geschlossen ist und im Belastungsfall dem Energieeintrag bei einem Fahrzeugaufprall stand hält und die Deformation in vorhersehbarer Art und Weise erfolgt.
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Um eine möglichst gleichmäßige Deformation des Querträgers und Energieabsorption durch den Querträger im Belastungsfall zu erreichen, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass die Hohlräume im Wesentlichen gleich große Querschnittflächen, bevorzugt gleiche Querschnittflächen aufweisen. Durch diese Maßnahme ist die Deformation des Querträgers im Belastungsfall besonders gut vorherseh- und steuerbar. Allerdings ist es natürlich auch möglich, die Größe der Querschnittflächen beziehungsweise die Querschnittflächen der Hohlräume unterschiedlich zu gestalten, um so eine bevorzugte Deformation und Energieabsorption im Belastungsfall zu erreichen oder den Design- und Montagebedingungen bzw. dem Bauraum im Fahrzeug Rechnung zu tragen.
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Um die Energieabsorptionseigenschaften des erfindungsgemäßen Querträgers nochmals zu verbessern, hat es sich bewährt, dass innerhalb der Hohlräume Stützelemente angeordnet sind. Solche Stützelemente sind in der Lage, zusätzlich Energie im Belastungsfall zu absorbieren, so dass dadurch auch die Dicke des Bandmaterials minimiert werden kann, was wiederum zu geringeren Herstellungskosten aufgrund weniger Material führt, wobei die Umweltbilanz beim Betrieb eine Kraftfahrzeuges mit einem erfindungsgemäßen Querträger durch das geringere Gewicht noch weiter optimiert ist.
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Nach einem anderen Gedanken der Erfindung sind die Hohlräume durch konvexe Krümmungen des Bandmaterials im Bereich der Oberseite und/oder der Unterseite in Richtung Vorderseite gebildet, wobei der Krümmungsradius kleiner 100 mm ist und bevorzugt zwischen 45 mm und 75 mm liegt. Durch die Ausbildung solcher Hohlräume wird ein weiteres mal Material und somit Gewicht eingespart, so dass auch hierbei die Herstellungskosten minimiert und die Umweltbilanz beim Betrieb eine Kraftfahrzeuges mit einem erfindungsgemäßen Querträger ein weiteres mal verbessert ist. Zudem weisen auch derart profilierte Querträger besonders gute Deformations- und Energieabsorptionseigenschaften auf.
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Um eine ausreichende Stabilität in den erfindungsgemäßen Querträger einbringen zu können, ist es besonders günstig, wenn der Querträger aus einem Stahlband, vorzugsweise zwischen 1,2 und 2,2 mm starken hochfesten oder höchstfesten Stahlband oder einem warmumformbaren und abschreckhärtbarem Stahlband, besteht. Solche Stähle haben besonders gute Energieabsorptions- und Deformationseigenschaften, so dass dort mit geringen Wandstärken gearbeitet werden kann. Dadurch ist die Umweltbilanz beim Betrieb eine Kraftfahrzeuges mit einem erfindungsgemäßen Querträger nochmals optimiert und die Herstellungskosten weiter gesenkt, da auch durch diese Maßnahme das Gewicht des Querträgers durch weniger Ausgangsmaterial reduziert werden kann.
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Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der schematischen Zeichnung.
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Es zeigen:
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1: eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Querträgers,
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2: das Bandmaterial in einer Abwicklung zur Herstellung des Querträgers aus 1,
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3a bis 3f: verschiedene Umformstufen des Bandmaterials gemäß 2 bis zum Querträger gemäß 1,
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4: eine Querschnittdarstellung des Querträgers gemäß 1 entlang des Schnittes B-B aus 1 und
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5: eine Querschnittdarstellung des Querträgers gemäß 1 entlang des Schnittes A-A aus 1.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Querträgers für eine Stoßfängeranordnung eines Kraftfahrzeuges. Der Querträger weist dabei zwei Hohlräume 1, 2 auf, welche jeweils durch eine Vorderseite 11, 21, eine Oberseite 12, 22, eine Unterseite 13, 23 und eine Rückseite 14, 24 gebildet sind. Dabei werden die Unterseite 13 des oberen Hohlraumes 1 und die Oberseite 22 des unteren Hohlraumes 2 durch einen gemeinsamen Quersteg 3 gebildet.
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Im Grenzbereich zwischen der Vorderseite 11 des Hohlraumes 1 und der Vorderseite 21 des Hohlraumes 2 weist dieser Querträger zwei Aufnahmen 8 auf, in welche an der Quersteg 3 angebrachte Vorsprünge 7 unter Klemmwirkung formschlüssig eingreifen. Die Rückwand 14 des Hohlraums 1 ist im Grenzbereich zwischen Quersteg 3 und Rückwand 24 des Hohlraums 2 mittels einer Schweißverbindung 30 mit der Rückwand 24 verbunden, so dass der Querträger in seiner Längsrichtung eine geschlossene Geometrie aufweist.
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Der Vorsprung 7 weist wie aus 2 ersichtlich ist eine Länge L auf, welcher der Wandstärke W des Bandmaterials im Wesentlichen entspricht. Es ist aber auch möglich, bei ausreichend großer Wandstärke W die Länge L niedriger zu wählen, um eine einfachere Einführung der Vorsprünge 7 in die Aufnahmen 8 zu ermöglichen. In diesem Sinne ist auch die Kantenbearbeitung der Vorsprünge 7 und/oder der Aufnahmen 8 derart gestaltbar, dass sich ein besonders einfaches Einführen realisieren lässt, beispielsweise mittels Fasen, Rundungen oder Kragen.
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Im Rahmen der Erfindung ist es auch vorstellbar, das die Rückseite des Querträgers anstelle der Vorderseite Aufnahmen 8 aufweist, in welche die korrespondierend am Quersteg ausgebildeten Vorsprünge 7 eingreifen.
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Der Querträger ist aus einem Bandmaterial, wie es in 2 dargestellt ist, hergestellt. Das Bandmaterial lässt sich über seine gesamte Längserstreckung in drei Bereiche einteilen. Einem ersten freien Ende 4 schließt sich ein mittlerer Bereich 5 an, an welchen sich wiederum ein zweites freies Ende 6 anschließt. Wie insbesondere aus 2 und den 3a bis 3f ersichtlich ist, ergibt sich das erste freie Ende 4 während des Umformprozesses des Bandmaterials zu dem Querträger zu dem Quersteg 3, der sowohl die Unterseite 13 des oberen Hohlraumes 1 als auch die Oberseite 22 des Hohlraumes 2 bildet. Der mittlere Bereich 5 bildet im zum Querträger umgeformten Bandmaterial die Vorder-, Rück- und Unterseite 21, 24, 23 des unteren Hohlraumes 2, während das zweite freie Ende 6 die Vorder-, Rück- und Oberseite 11, 14, 12 des oberen Hohlraumes 1 bilden. In dem hier gewählten Ausführungsbeispiel der 3a bis 3f sind das zweite freie Ende 6 und der mittlere Bereich 5 gleich lang in Querrichtung des Bandmaterials beziehungsweise des späteren Querträgers ausgebildet, während das erste freie Ende 4 nur halb so lang wie das zweite freie Ende 6 beziehungsweise der mittlere Bereich 5 ausgebildet ist.
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Im Grenzbereich zwischen mittlerem Bereich 5 und zweitem freien Ende 6 des Bandmaterials sind zwei Aufnahmen 8 eingebracht, in welche später während des Umformprozesses des Bandmaterials zum Querträger an dem ersten freien Ende 4 angeordnete Vorsprünge 7 formschlüssig und vorzugsweise unter Klemmwirkung eingreifen. Während des Umformprozess wird somit bereits eine feste Verbindung hergestellt, die den oberen Hohlraum 1 ohne eine Schweißverbindung sicher schließt, wobei die Vorsprünge 7 sicher und verschiebefest in den Aufnahmen 8 gehalten sind.
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In 2 ist bereits durch die gebogenen Pfeile angedeutet, wie das Bandmaterial letztendlich umgeformt wird, so dass die Vorsprünge 7 in die Aufnahmen 8 eingreifen. Das Bandmaterial selbst und der Querträger können im Rahmen der Erfindung natürlich auch mehr als zwei Vorsprünge 7 bzw. Aufnahmen 8 aufweisen.
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Eine detaillierte Darstellung des gesamten Umformprozesses dieses Ausführungsbeispiel ist in den 3a bis 3f dargestellt. 3a zeigt dabei das flächige Bandmaterial, welches wiederum in die drei Bereiche erstes freies Ende 4, mittlerer Bereich 5 und zweites freies Ende 6 unterteilt ist.
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In einer ersten Reihe von Umformschritten wird das zweite freie Ende 6 rechtwinklig gebogen, so dass dadurch bereits die Rückwand 14 für den Hohlraum 1 gebildet ist, wie es 3b zeigt. Ein Radius r, wie er in den 4 und 5 beispielhaft in der linken oberen Ecke des Querträgers angezogen ist, ergibt sich prozessbedingt insbesondere beim Rollformen und beträgt in etwa dem 1 bis 3-fachen der Wandstärke W des Bandmaterials.
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Im einer weiteren Reihe von Umformschritten wird gemäß der Darstellung in 3c das erste freie Ende 4 in seinem Grenzbereich zum mittlerer Bereich 5 ebenfalls rechtwinklig umgebogen, so dass dadurch bereits der Quersteg 3 des späteren Querträgers gebildet ist, der zudem später auch die Unterseite 13 des Hohlraums 1 und die Oberseite 22 des Hohlraums 2 bildet.
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Nachfolgend wird gemäß der Darstellung in 3d dann die Oberseite 12 des Hohlraums 1 gebildet, während anschließend die Rückseite 24 des Hohlraums 2, wie in 3e gezeigt, gebildet wird. Auch bei diesen beiden Umformschritten wird des Bandmaterial in den entsprechenden Bereichen rechtwinklig gebogen, wobei ein Radius rausgebildet ist, der bevorzugt über die gesamten Längserstreckung des Querträgers konstant ist.
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In dem 3e und 3f ist das Schließen der beiden Hohlräume 1 und 2 dargestellt. Dabei werden durch ebenfalls rechtwinkliges Umbiegen die Vorderseiten 11, 21 der Hohlräume 1, 2 gebildet und der Querträger in seine abschließende Form gebracht. Während des nun folgenden abschließenden Umformprozesses werden die an dem Quersteg angeordneten Vorsprünge 7 in die Aufnahmen 8 im Grenzbereich der beiden Vorderseiten 11, 21 gepresst, so dass unter Klemmung und Formschluss eine feste Verbindung entsteht und der Hohlraum 2 bereist sicher über seine Längserstreckung verschlossen ist.
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Hiermit ist zwar nun der Umformprozess beendet, allerdings noch nicht die Herstellung des Querträgers, da der Hohlraum 1 noch nicht sicher verschlossen ist. Hierzu ist es noch notwendig das die Rückseite 14 des Hohlraumes 1, die ursprünglich das zweite freie Ende 6 des Bandmaterials gewesen ist im Grenzbereich zwischen Quersteg 3 und Rückseite 24 geschlossen wird. Dies geschieht vorzugsweise dadurch, dass man dort mittels eines abschließenden Schweißprozesses eine Schweißverbindung 30 herstellt. Nunmehr ist die Herstellung des Querträgers beendet und er kann nun seiner weiteren Bestimmung in einer Stoßfängeranordnung eines Kraftfahrzeuges zugeführt werden.
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Die 4 und 5 zeigen nochmals den fertigen Querträger in einer Querschnittdarstellung, wobei 5 den Querschnitt entlang der Fläche A-A aus 1 zeigt. Dort liegt der Quersteg 3 nunmehr mit seiner Front plan an den Innenbereich des Querträgers im Grenzbereich zwischen den Beiden Vorderseiten 11, 21 der Hohlräume 1 und 2 an.
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Die Querschnittdarstellung der 4 zeigt im Gegensatz dazu den Querschnitt entlang der Fläche B-B, welche durch eine Aufnahme 8 verläuft. Deutlich zu erkennen, wenn auch etwas übertrieben dargestellt, ist hierbei der Sitz des Vorsprungs 7 in der Aufnahme 8. Die hier erkennbaren Freiräume zwischen Vorsprung 7 und Aufnahme 8 sind deutlicheren Darstellung geschuldet und treten in der Praxis nicht auf. Vielmehr werden in der Praxis zumindest makroskopisch keine Freiräume existieren, da die Vorsprünge 7 unter Klemmwirkung und Formschluss in den Aufnahmen 8 eingebracht sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hohlraum
- 2
- Hohlraum
- 3
- Quersteg
- 4
- erstes freies Ende
- 5
- mittlerer Bereich
- 6
- zweites freies Ende
- 7
- Vorsprung
- 8
- Aufnahme
- 11
- Vorderseite
- 12
- Oberseite
- 13
- Unterseite
- 14
- Rückseite
- 21
- Vorderseite
- 22
- Oberseite
- 23
- Unterseite
- 24
- Rückseite
- 30
- Schweißverbindung
- α
- Winkel
- r
- Radius
- L
- Länge von 7
- W
- Wandstärke
