DE102012206032B4

DE102012206032B4 - Strukturbauteil einer Kraftfahrzeugkarosserie

Info

Publication number: DE102012206032B4
Application number: DE102012206032.4A
Authority: DE
Inventors: Christian Bögle; Frank Moeller; Horst-Arno Fuchs; Jyrki Majamäki; Erich Brem; Martin Kerscher; Daniel Haupt-Schott
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2012-04-13
Publication date: 2017-06-29
Anticipated expiration: 2032-04-14
Also published as: DE102012206032A1

Abstract

Seitenschweller einer Kraftfahrzeugkarosserie, bestehend aus einer metallischen Innenschale und Außenschale in Blechschalenbauweise, wobei der Seitenschweller in einem Hohlraum (6) zwischen einer Innenschale (2) und einer Außenschale (3) mit einem metallischen Verstärkungsblech (8) versteift ist, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Verstärkungsblech (8) mit mindestens einem streifenförmige Verstärkungselement (16, 16') versteift ist, das aus einem glasfaser-, aramidfaser- oder kohlefaserverstärkten Kunststoff besteht, und das eine große Längserstreckung bei einer geringen Dicke aufweist und von der Seite aus gesehen ein wellenartiges Profil hat, das nur mit den Wellentälern (18) oder Wellenbergen (17) am metallischen Verstärkungsblech (8) anliegt und mit diesem verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil einer Kraftfahrzeugkarosserie nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE 10 2009 009 112 A1 ist bereits ein Strukturbauteil einer Kraftfahrzeugkarosserie bekannt, das einen schalenförmigen Grundkörper aus einem Metallblech aufweist. Der Grundkörper ist partiell mit zumindest einem Verstärkungselement aus einem faserverstärkten Kunststoff versteift.
Zudem ist aus der DE 10 2010 003 497 A1 ein wellenartiges Verstärkungsprofil bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, das bekannte Strukturbauteil einer Kraftfahrzeugkarosserie zu verbessern.
Diese Aufgabe wird mit einem Strukturbauteil einer Kraftfahrzeugkarosserie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß weist ein Strukturbauteil einer Kraftfahrzeugkarosserie einen flächigen Grundkörper auf, der mit zumindest einem Verstärkungselement versteift ist. Dabei bestehen der Grundkörper und das zumindest eine Verstärkungselement aus unterschiedlichen Werkstoffen. Das streifenförmige Verstärkungselement weist eine große Längserstreckung bei einer geringen Dicke auf und hat von der Seite aus gesehen einen wellenartiges Profil. Es liegt dabei nur mit den Wellentälern oder Wellenbergen am Grundkörper an und ist nur dort mit diesem verbunden. Im Sinne der Erfindung kann das wellenartige Profil des Verstärkungselements beispielsweise wellenförmig, trapezförmig oder zickzackförmig sein.
Der Grundkörper und das damit verbundene Verstärkungselement bestehen aus unterschiedlichen Werkstoffen. Unterschiedliche Werkstoffe weisen fast immer voneinander abweichende Längenausdehnungskoeffizienten auf. Dies stellt ein Problem für ein Strukturbauteil einer Kraftfahrzeugkarosserie dar, da ein solches Strukturbauteil bei der Herstellung sehr unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt ist. So wird die gesamte Karosserie inklusive des Strukturbauteils während des Lackierprozesses der Karosserie auf mindestens 80°C erwärmt. Auch später muss die Karosserie sowohl starken Frost im tiefsten Winter als auch sehr hohe Temperaturen in südlichen Ländern aushalten, ohne dass es zu einer Beschädigung oder Deformation des Strukturbauteils kommen darf. Aufgrund des wellenartigen Profils kann das Verstärkungselement zwischen den Anbindungsbereichen an den Grundkörper sich jeweils bei Temperaturänderungen elastisch deformieren und so die unterschiedlichen Längenausdehnungen ausgleichen. Dadurch kann eine Beschädigung des Strukturbauteils durch die unterschiedlichen Längenausdehnungen bei Temperaturveränderungen verhindert werden.
Der Grundkörper ist ein metallisches Verstärkungsblech eines Seitenschwellers in Schalenbauweise, das in einem Hohlraum zwischen einer Innenschale und einer Außenschale des Seitenschwellers angeordnet ist.
Zudem weist das Strukturbauteil aufgrund des Verstärkungselements mit dem wellenartigen Profil bezüglich seitlich auf das längliche Strukturbauteil einwirkenden Kräften eine hohe Beulsteifigkeit auf. Auch kann es sich gut plastisch verformen und dabei Energie absorbieren. Damit eignet sich das Strukturbauteil gut zum Einsatz an Stellen der Karosserie, die zunächst eine hohe Steifigkeit aufweisen müssen. Wenn die Belastung, beispielsweise bei einem Crash, dann aber die Steifigkeit überschreitet, kann es gezielt Energie absorbieren.
Dabei besteht der flächige Grundkörper aus einem Metallblech. Die allermeisten heutigen Karosserien eines Kraftfahrzeugs bestehen aus Stahl- und/oder Leichtmetallblechen. Die Verwendung eines Metallblechs für den flächigen Grundkörper ermöglicht ein problemloses Fügen des Strukturbauteils mit anderen Bauteilen der Karosserie mit gängigen Verbindungstechniken. So kann beispielsweise der Grundkörper aus einem Eisenwerkstoff bestehen, der gut schweißbar ist. Dann kann das Strukturbauteil mit anderen Bauteilen der Karosserie gut verschweißt werden.
Das Verstärkungselement besteht aus einem glasfaser-, aramidfaser- oder kohlefaserverstärkten Kunststoff. Glasfaser-verstärkte Kunststoffe sind ein kostengünstiger und dennoch sehr hochwertiger Faser-Kunststoff-Verbund. Verglichen mit Faser-Kunststoff-Verbunden aus anderen Verstärkungsfasern hat der glasfaserverstärkte Kunststoff ein relativ niedriges Elastizitätsmodul. Aramidfasern zeichnen sich durch eine sehr hohe Festigkeit, ein hohe Schlagzähigkeit, eine hohe Bruchdehnung sowie eine gute Schwingungsdämpfung aus. Allerdings sind sie sehr teuer in der Herstellung und kommen daher meist nur bei sehr hohen Beanspruchungen zum Einsatz. Kohlefasern werden vor allem verwendet, wenn hohe gewichtsspezifische Festigkeiten und Steifigkeit gefordert sind. Günstigerweise besteht das Verstärkungselement aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff, da im Karosseriebau stets sehr auf das Gesamtgewicht der Karosserie geachtet werden muss. Ein geringes Gewicht ist wichtig, um den Kraftstoffverbrauch möglichst gering zu halten, und um eine gute Fahrdynamik zu gewährleisten.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, anhand dessen die Erfindung im Folgenden näher beschrieben wird. Die einzelnen Figuren zeigen in schematischer Darstellungsweise:
1 einen Schnitt durch einen Seitenschweller einer Kraftfahrzeugkarosserie und
2 eine perspektivische Ansicht des in 1 dargestellten Seitenschwellers einer Kraftfahrzeugkarosserie.
Der in 1 gezeigte Seitenschweller 1 einer Kraftfahrzeugkarosserie besteht in Schalenbauweise aus einer Innenschale 2 und einer Außenschale 3, die in Fahrzeughöhenrichtung z gesehen über einen oberen Flansch 4 und einen unteren Flansch 5 miteinander verbunden sind und zwischen den beiden Flanschen 4 und 5 einen gemeinsamen Hohlraum 6 umschließen. Sowohl die Innenschale 2 als auch die Außenschale 3 bestehen aus einem Metallblech, hier in diesem Beispiel aus einem schweißbaren Stahlblech. Zur Erhöhung der Steifigkeit des Seitenschwellers 1 ist in dem Hohlraum 6 eine Schwellerverstärkung 7 als Strukturbauteil der Kraftfahrzeugkarosserie angeordnet, die einen C-förmigen Querschnitt aufweist, dessen offene Seite in Fahrzeugquerrichtung y gesehen zur Fahrzeugmitte gerichtet ist. Die beiden freien Enden des C-förmigen Profils sind damit der Innenschale 2 zugewandt und mit der Innenschale 2 verbunden.
Die Schwellerverstärkung 7 besteht aus einem flächigen Grundkörper, der mit zwei Verstärkungselementen 16 verbunden ist. Der Grundkörper wird von einem schweißbaren Verstärkungsblech 8 gebildet. Dieses Verstärkungsblech 8 weist – wie die gesamte Schwellerverstärkung 7 – ein C-förmiges Profil auf. Es umfasst einen oberen, im Querschnitt gesehen hauptsächlich in Fahrzeugquerrichtung y verlaufenden Schenkel 9 und einen unteren, im Querschnitt gesehen ebenfalls hauptsächlich in Fahrzeugquerrichtung y verlaufenden Schenkel 10, die mit einem im Wesentlichen in Fahrzeughöhenrichtung z verlaufenden Verbindungsschenkel 11 miteinander verbunden sind. Vom oberen Schenkel 9 steht an dessen der Innenschale 2 zugewandten Ende ein Flansch 12 nach oben ab, während vom unteren Schenkel 10 an dessen der Innenschale 2 zugewandten Ende ein Flansch 13 nach unten absteht. Diese beiden Flansche 12 und 13 des Verstärkungsblechs 8 dienen zur Anbindung der Schwellerverstärkung 7 an die Innenschale 2.
Die Schwellerverstärkung 7 besteht aber nicht nur aus dem Verstärkungsblech 8, sondern auch aus zwei mit dem Verstärkungsblech 8 verbundenen Verstärkungselementen 16, 16'. Die beiden Verstärkungselemente 16, 16' sind in der 2 gut erkennbar, da dort in einer perspektivischen Darstellung der Seitenschweller 1 ohne die Innenschale 2 und die Außenschale 3 dargestellt ist. Der Seitenschweller 1 erstreckt sich in Fahrzeuglängsrichtung x. Im in Fahrzeuglängsrichtung x gesehen mittleren Bereich ist eine sich in Fahrzeughöhenrichtung erstreckende B-Säulenverstärkung 14 mit der Schwellenverstärkung 7 verbunden. Zusätzlich sind zwei in Fahrzeugquerrichtung y verlaufende Querträger 15 an die Innenschale des Seitenschwellers 1 angebunden.
Die beiden Verstärkungselemente 16 erstrecken sich wie der Seitenschweller 1 in Fahrzeuglängsrichtung x. Sie sind band- bzw. streifenförmig und weisen in Fahrzeugquerrichtung y gesehen ein wellenförmiges Profil auf. Das erste Verstärkungselement 16 ist am oberen Schenkel 9 an dessen Unterseite angebracht. Dabei ist es nur an den in Fahrzeughöhenrichtung z nach oben ragenden Wellenbergen 17 mit dem oberen Schenkel 9 verbunden. Das zweite Verstärkungselement 16 ist am unteren Schenkel 10 an dessen Oberseite angebracht. Dabei ist es nur an den in Fahrzeughöhenrichtung z nach unten ragenden Wellentälern 18 mit dem unteren Schenkel 10 verbunden. Die beiden Verstärkungselemente 16, 16' erstrecken sich in Fahrzeugquerichtung y parallel zu den Schenkeln 9 und 10. Sie sind so annähernd so breit wie die Schenkel 9 und 10. Beide Verstärkungselemente 16, 16' bestehen aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff. Sie weisen damit relativ zu ihrem Gewicht eine außerordentlich hohe Steifigkeit auf.
Zusätzlich sind in der C-förmigen Schwellerverstärkung 7 in Fahrzeuglängsrichtung x verteilt mehrere Schottwände 20 angeordnet, die sich in einer Ebene senkrecht zur Fahrzeuglängsrichtung x erstrecken, und den C-förmigen Querschnitt der Schwellerverstärkung 7 vollständig ausfüllen. Dabei sind die Schottwände 20 stets an einer Stelle angeordnet, an der die Verstärkungselemente 16, 16' mit dem Verstärkungsblech 8 verbunden sind.
Ein Seitenschweller 1 einer Kraftfahrzeugkarosserie muss vor allem bei in Fahrzeugquerrichtung y einwirkenden Kräften eine sehr hohe Steifigkeit aufweisen, um eine ungewünschte Intrusion in die Fahrgastzelle zu vermeiden. Die beiden Verstärkungselemente 16, 16' erhöhen aufgrund ihrer geometrischen Form die Biegesteifigkeit der Schwellerverstärkung 7 und damit des gesamten Seitenschwellers 1 maßgeblich. Der Vorteil dieser Verstärkungselemente 16, 16' besteht vor allem darin, dass sie bezogen auf die erzielte Steifigkeit aufgrund des kohlefaserverstärkten Kunststoff ein niedriges Gewicht aufweisen.
Die Schwellerverstärkung 7 ist also ein Hybridbauteil, das aus zwei oder mehr Bauteilen aus unterschiedlichen Werkstoffen besteht. Dabei haben das Verstärkungsblech 8 und die Verstärkungselemente 16, 16'aufgrund der unterschiedlichen Materialen unterschiedliche Längenausdehnungskoeffizienten. Dies führt aber auch bei stark schwankenden Temperaturen zu keiner Beschädigung oder Schwächung der Schwellerverstärkung 7, da die Verstärkungselemente 16, 16' aufgrund ihres wellenartigen Profils sich zwischen den einzelnen Anbindungsstellen an das Verstärkungsblech 7 elastisch verformen und so die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen ausgleichen können.
Die beiden Verstärkungselemente 16, 16a erstrecken sich annähernd über die gesamte Längserstreckung des Seitenschwellers 1. Sie verstärken die beiden Schenkel 9, 10 des Verstärkungsblechs 8 jeweils annähernd über deren gesamte Erstreckung in Fahrzeugquerrichtung y. Damit erhöhen sie Steifigkeit des Verstärkungsblechs 8 und damit der Schwellenverstärkung 7 und damit wiederum des Seitenschwellers 1 vor allem in Fahrzeugquerrichtung y in hohem Maße.

Claims

Seitenschweller einer Kraftfahrzeugkarosserie, bestehend aus einer metallischen Innenschale und Außenschale in Blechschalenbauweise, wobei der Seitenschweller in einem Hohlraum (6) zwischen einer Innenschale (2) und einer Außenschale (3) mit einem metallischen Verstärkungsblech (8) versteift ist, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Verstärkungsblech (8) mit mindestens einem streifenförmige Verstärkungselement (16, 16') versteift ist, das aus einem glasfaser-, aramidfaser- oder kohlefaserverstärkten Kunststoff besteht, und das eine große Längserstreckung bei einer geringen Dicke aufweist und von der Seite aus gesehen ein wellenartiges Profil hat, das nur mit den Wellentälern (18) oder Wellenbergen (17) am metallischen Verstärkungsblech (8) anliegt und mit diesem verbunden ist.
Seitenschweller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsblech (8) einen im Querschnitt gesehen C-förmigen Querschnitt aufweist, der aus einem oberen und einem unteren im Querschnitt gesehen im Wesentlichen in Fahrzeugquerrichtung (y) verlaufenden Schenkel (9 und 10) sowie einem im Querschnitt gesehen im Wesentlichen in Fahrzeughöhenrichtung (z) verlaufenden Verbindungsabschnitt (11) besteht.
Seitenschweller nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsblech (8) zusätzlich einen oberen und einen unteren Flansch (12 und 13) zur Verbindung mit der Innenschale (2) und/oder der Außenschale (3) des Seitenschwellers (1) aufweist, wobei der obere Flansch (12) vom oberen Schenkel (9) und der untere Flansch (13) vom unteren Schenkel (10) in Fahrzeughöhenrichtung (z) absteht.
Seitenschweller nach einem Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest ein Verstärkungselement (16, 16') entlang des oberen und/oder unteren Schenkels (9, 10) des im Querschnitt C-förmigen Verstärkungsblechs (8) erstreckt und mit diesem mit seinen Wellentälern (18) oder Wellenbergen (17) verbunden ist.
Seitenschweller nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein oberes Verstärkungselement (16) entlang des oberen Schenkels (9) des im Querschnitt C-förmigen Verstärkungsblechs (8) erstreckt und mit diesem mit seinen Wellenbergen (17) verbunden ist, und sich ein unteres Verstärkungselement (16') entlang des unteren Schenkels (10) des im Querschnitt C-förmigen Verstärkungsblechs (8) erstreckt und mit diesem mit seinen Wellentälern (18) verbunden ist.
Seitenschweller nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das obere und das untere Verstärkungselement (16, 16') miteinander mit einem Steg (19) verbunden sind.
Seitenschweller nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (19) im Querschnitt gesehen ein wellenartiges Profil hat.
Seitenschweller nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem C-förmigen Verstärkungsblech (8) mit den Verstärkungselementen (16, 16') zumindest eine Schottwand (20) angeordnet ist.
Seitenschweller nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Schottwand (20) in Fahrzeuglängsrichtung (x) an einer Stelle angeordnet ist, an der das zumindest eine Verstärkungselement (16, 16') mit dem Verstärkungsblech (8) verbunden ist.