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Die Erfindung betrifft ein Stoßfängersystem für ein Kraftfahrzeug.
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Stoßfängersysteme dienen der Aufnahme von Kräften und Stoßenergie bei einem Unfall mit geringer oder mittlerer Relativgeschwindigkeit zwischen Aufprallobjekt und Kraftfahrzeug. Beim Hochgeschwindigkeitsaufprall dienen sie zudem zur gezielten Einleitung der unfallbedingten Kraft bzw. Energie in die Fahrzeugkarosse. Deshalb ist ein zuverlässiges und reproduzierbareres Verhalten des Stoßfängersystems während des Crashs erforderlich.
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Heute müssen in Folge verschärfter gesetzlicher Auflagen an Abgasemissionen in jeder Fahrzeugklasse der Gesamtkraftstoff- bzw. -energieverbrauch reduziert werden, ohne Abstriche bei der Sicherheit machen zu dürften. Viele Hersteller fordern zudem die Beibehaltung der Komfortausstattung oder erweitern diese im selben Zuge sogar von einer Fahrzeuggeneration zur nächsten. Daraus erfolgten stark gestiegene Anforderungen an die Nutzung von Leichtbaupotentialen der Fahrzeugkarosse, und damit nicht zuletzt auch eines Stoßfängersystems.
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Zur Verringerung des Fahrzeuggewichts wird in der
DE 10 2008 022 400 A1 ein Verfahren zur Herstellung von Strukturbauteilen wie Stoßfängerquerträger beschrieben, wodurch höchstfeste, pressformgehärtete Blechformteile mit bis zu 2000 Megapascal Zugfestigkeit erstellt werden können.
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Die
DE 10 2010 050 013 A1 offenbart ein Stoßfängersystem aus einem durch Pressformhärten hergestellten Stoßfängerquerträger aus Stahl, einem Schließblech aus einem davon verschiedenen Material und Crashboxen, über welche der Stoßfängerquerträger an der Fahrzeugkarosse koppelbar ist, wobei der Stoßfängerquerträger sich zwischen einer Fahrzeuglängsseite und der anderen Fahrzeuglängsseite erstreckt und einen U-profilförmigen Querschnitt aufweist, wobei das Schließblech sich über die Länge des Stoßfängerquerträgers erstreckt und sich der Stoßfängerquerträger und das Schließblech bereichsweise flächig kontaktieren und dort mit einer thermischen Fügeverbindung durch Kleben kombiniert mit einer Nietverbindung gefügt sind. Nachteilig dabei ist, dass eine Nietverbindung über die Lebensdauer eines Automobils im Bereich des Stoßfängersystems anfällig für Korrosionsangriff, mechanisches Lösen und damit einem Versagen der Verbindung im Crashfall ist.
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Die
DE 10 2009 006 609 A1 beschreibt ein gattungsgemäßes Stoßfängersystem und bildet somit den Oberbegriff von Patentanspruch 1. Darin wird ein Stoßfängersystem offenbart aus einem durch Pressformhärten hergestellten Stoßfängerquerträger, einem Schließblech und Crashboxen, über welcher der Stoßfängerquerträger an der Fahrzeugkarosse koppelbar ist, wobei der Stoßfängerquerträger sich zwischen einer Fahrzeuglängsseite und der anderen Fahrzeuglängsseite erstreckt und einen zumindest abschnittsweise U-profilförmigen Querschnitt aufweist, wobei das Schließblech sich über einen Teil seiner Länge erstreckt und sich der Stoßfängerquerträger und das Schließblech bereichsweise flächig kontaktieren und dort mit einer thermischen Fügeverbindung gefügt sind. Bei der Fügeverbindung handelt es sich bevorzugt um eine Klebeverbindung, jedoch sollen auch Nieten geeignet sein. Das Schließblech besteht aus einer Aluminiumlegierung, was in Kombination mit dem höchstfesten Stoßfängerquerträger ein hohes Leichtbaupotential erschließt.
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Nachteilig ist dabei jedoch, dass im Falle einer Klebeverbindung die Positionierung der beiden Komponenten zueinander erschwert und mit separaten Vorrichtungen oder temporären Fixierungen sicherzustellen ist, bis der Kleber vollständig aushärtet. Reine Stanznietverbindungen dagegen sind heute nur bis zu einer begrenzten Zugfestigkeit beziehungsweise Härte des Stahlblechs möglich und im Falle eine höchstfesten oder pressgehärteten Stoßfängerquerträgers für den Serieneinsatz unmöglich.
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Experimentell wurde von der Anmelderin weiter untersucht, inwieweit Punktschweißverbindungen tatsächlich möglich sind. Zwar schien diese Technologie zunächst geeignet, jedoch erwiesen sich insbesondere die außen in Richtung Fahrzeuglängsseiten gelegenen Schweißpunkte als stark anfällig für Risse im Crashfall, insbesondere bei neuen Umfallszenarien mit nur partieller Überdeckung des Stoßfängersystems mit der Barriere und die dadurch auftretenden und von den Fügeverbindungen aufzunehmenden Torsionskräfte. Einrisse oder Ausrisse waren besonders der nach einer lokal hohen Wärmeeinleitung extrem harten Abkühlung der Punktschweißverbindungen durch Wärmeabfluss in die kalten umgebenden Bereiche geschuldet.
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Die Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Stoßfängersystems, welches ausgehend von diesem Stand der Technik eine weitere Gewichtsreduktion in Verbindung mit höchstem Energieabsorptionsvermögen und zuverlässiger Crashperformance auch bei hoher Torsionsbeanspruchung auf das Stoßfängersystem erlaubt.
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Die genannte Aufgabe wird durch ein Stoßfängersystem der gattungsgemäßen Art durch die Merkmale des Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 14.
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Erfindungsgemäß wird ein Stoßfängersystem vorgeschlagen, umfassend einen Stoßfängerquerträger, ein Schließblech und Crashboxen, über welcher der Stoßfängerquerträger an der Fahrzeugkarosse koppelbar ist, wobei der Stoßfängerquerträger sich zwischen einer Fahrzeuglängsseite und der dieser gegenüberliegenden Fahrzeuglängsseite erstreckt. Der Stoßfängerquerträger weist dabei einen zumindest abschnittsweise U-profilförmigen beziehungsweise Hutprofilförmigen Querschnitt auf mit einem Verbindungssteg, von dem eine Oberwand und eine Unterwand in einem Winkel Alpha (α) abstehen, und der die Oberwand und die Unterwand unter Ausbildung eines U-Profils verbindet. Weiterhin steht zumindest abschnittsweiset je ein Flansch von der Oberwand und der Unterwand in einem Winkel Beta (β) ab, und bildet eine Fügefläche für das Schließblech. Das Schließblech erstreckt sich wenigstens über einen Teil der Länge des Stoßfängerquerträgers, insbesondere zwischen einem ersten fahrzeuglängsseitigen Ende und einem zweiten fahrzeuglängsseitigen Ende, wobei sich der Stoßfängerquerträger und das Schließblech im Bereich der Fügefläche flächig kontaktieren und entlang der Fügefläche wenigstens teilweise mit einer Klebeverbindung gefügt sind. Das Schließblech besteht erfindungsgemäß aus einer Aluminiumlegierung,.
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Kennzeichnend dabei ist, dass der Stoßfängerquerträger in der Fügefläche zusätzlich durch mindestens eine weitere thermische Fügeverbindung mit dem Schließblech gekoppelt ist und wenigstens in dem Verbindungssteg und in der Oberwand und der Unterwand eine Zugfestigkeit von wenigstens 1500 Megapascal aufweist, wobei die weitere thermische Fügeverbindung eine Punktschweißverbindung unter Zuhilfenahme von innerhalb des Schließbleches angeordneter Stanzniete ist, wobei die Stanzniete kraftschlüssig und/oder formschlüssig in das Schließblech eingebracht sind und zwischen dem Stanzniet und der Fügefläche des Flansches des Stoßfängerquerträgers eine lokale Aufschmelzung ausgebildet ist.
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Dies birgt den Vorteil, dass damit höchstfeste Teile gefügt werden können, wobei stählerne Stanzniete durch das relativ zum Querträger weichere Schließblech zunächst hindurchgetrieben werden, der gegebenenfalls mit einem warm aushärtbaren Klebemittel versehene Querträger zum Schließblech positioniert und durch Punktschweißen mit den Stanznieten verbunden wird, und so eine Vorfixierung für die Klebeverbindung erfolgt, bis diese vollständig ausgehärtet ist. Die Aushärtung erfolgt besonders bevorzugt im Rahmen eines Lackierprozesses.
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Betreffend die Zugfestigkeit zumindest des Verbindungssteges des Stoßfängerquerträgers ist festzuhalten, dass diese eine besonders niedrige Wandstärke zumindest in diesem Bereich des Stoßfängerquerträgers erlaubt und damit zu einer hervorragenden Verwindungssteifigkeit beiträgt. Die zuvor genannte Fügefläche ist im Rahmen der Erfindung bevorzugt ein dreidimensionaler Flächenabschnitt zwischen den kontaktierenden Fügepartnern, wobei die Fügefläche durch Überlappung von Schließblech und Stoßfängerquerträger gebildet werden kann.
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Im Rahmen der Erfindung sind die Fahrzeuglängsseiten derart zu verstehen, dass sie sich in Fahrzeug-(X)-Richtung gesehen von der Fahrzeugfront bis zum Fahrzeugheck erstrecken und dabei im Wesentlichen durch Kotflügel, Seitentüren, Schweller, Dachrahmen und Fahrzeugsäulen gebildet werden. Der Stoßfängerquerträger verläuft dabei zwischen den Fahrzeuglängsseiten.
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Bevorzugt besteht das Schließblech aus einer Aluminiumlegierung der Gruppe AA5xxx, AA6xxx oder aber AA7xxx nach der bekannten Norm DIN EN 573-3. Dabei handelt es sich um Aluminiumlegierungen, welche in Form von Aluminiumblech als Walzprodukt aber auch als Material zum Strangpressen verfügbar sind. Somit ist es möglich, das Schließblech einerseits eines im Wesentlichen flachen Bauteils durch Pressformen herzustellen, andererseits aber auch durch einen Tiefziehvorgang komplexer umzuformen. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, das Schließblech als profiliertes Bauteil zu erzeugen und Anwendung eines Strangpressverfahren.
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Denkbar ist auch, dass das Schließblech aus einem faserverstärkten Polymer beziehungsweise einem Faserverbundmaterial gebildet ist, beispielsweise als pultrudiertes Profil oder GMT-Formteil. Auch diese Werkstoffe eignen sich in hohem Maße für das erfindungsgemäße Stoßfängersystem.
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Wesentliche Aufgabe des Schließblechs es ist es, das einseitig offene Profil des Stoßfängerquerträgers mindestens bereichsweise unter Ausbildung eines Hohlraums zu schließen und dadurch die Torsionssteifigkeit sowie die Gefahr des Aufbiegens des Stoßfängerquerträgers während eines Crashereignisses zu reduzieren. Das Schließblech wirkt dabei bevorzugt als Zugstrebe zwischen der Oberwand und der Unterwand des Stoßfängerquerträgers. Im Rahmen der Erfindung ist es deshalb besonders bevorzugt, dass das Schließblech wenigstens bereichsweise flach ausgebildet ist. Dadurch wird in Verbindung mit einer zuverlässig stabilen thermischen Fügeverbindung erreicht, dass während eines gesamten Crashverlaufes die Integrität des Stoßfängersystems erhalten bleibt und die Kräfte und Crashenergie auslegungsrichtig in die Fahrzeugkarosserie eingeleitet werden, insbesondere auch bei Frontalaufprall oder Heckaufprall mit geringer vertikaler Überdeckung der beteiligten Stoßfängersysteme. Ein so genanntes Buckling des Stoßfängerquerträgers tritt nicht ein.
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Es ist auch vorstellbar, das Schließblech doppelwandig auszubilden, beispielsweise als Hohlprofil, um sowohl einen stark profilierten Querschnitt wenigstens abschnittsweise in Längserstreckung um einen Mittelpunkt des Querträgers zu erreichen und diesen dadurch zusätzlich bezüglich Biegespannung zu versteifen, und andererseits die Funktion als Zugstrebe zu gewährleisten.
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Betreffend der Herstellung des Schließbleches ist es weiterhin möglich, dieses wenigstens lokal mit einer Profilierung zu versehen, beispielsweise durch ein Pressformenprozess, insbesondere durch ein Tiefziehprozess. Dabei hat es sich insbesondere gezeigt, dass die Umformbarkeit einer naturharten beziehungsweise nicht aushärtbaren Aluminiumlegierung der Gruppe AA5xxx durch eine schnelle Erwärmung vor und oder während der Umformung gesteigert werden kann. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, dass die Erwärmung und die Umformung in möglichst kurzer Zeit, insbesondere in weniger als 30 Sekunden durchgeführt wird, wodurch für die Automobilindustrie akzeptable Taktzeiten in einem festverketteten Fertigungsprozess erreichbar sind, zum anderen aber auch eine Reduzierung der Zugfestigkeit und Streckgrenze des Schließblechs durch eine zu lange Wärmeeinwirkung vermieden wird.
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Bei Verwendung einer ausscheidungshärtbaren Aluminiumlegierung der 2xxxer oder 7xxxer Gruppe dagegen ist bevorzugt eine Warmauslagerung nach einem Lösungsglühen und anschließendem Warm- oder Kaltumformung vorzusehen, um die Festigkeitswerte wieder auf das ursprüngliche Niveau zurückzuführen.
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Im Falle der Ausgestaltung des Schließblechs als stark profiliertes Bauteil mit von Flachmaterial stark abweichendem Querschnittsprofil, oder wenn das geforderte Querschnittsprofil nicht durch Pressformprozesse umformbar ist, kann vorgesehen werden, das Schließblech als Strangpressprofil zu formen und anschließend in seiner Längserstreckung der Form des Stoßfängerquerträgers in Fahrzeug-(Y)-Richtung anzupassen, beispielsweise durch Biegung beziehungsweise Krümmung. Hierfür eignen sich die Aluminiumlegierungen der Gruppen AA6xxx und AA7xxx nach DIN EN 573-3.
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Bevorzugt wird der Stoßfängerquerträger durch Pressformhärten hergestellt. Beim Pressformhärten handelt es sich um ein gekoppelten Wärmebehandlung- und Umformprozess. Dabei wird zunächst eine zugeschnittene Blechplatine oder ein bereits vorgeformtes Halbzeug aus Stahlblech wenigstens partiell auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur erwärmt, und das erwärmte Halbzeug dann in ein aktiv gekühltes Pressformenwerkzeug überführt und in diesem Werkzeug warm umgeformt und wenigstens partiell gehärtet. Hervorragend eignen sich dafür vergütbare Stahlwerkstoffe der Güte Manganborstahl. Im Falle der Verwendung eines bereits vorgeformten Halbzeuges, welches vor der wenigstens partiellen Austenitisierung bereits zur Endform oder annähernd an die Endform umgeformt wird, erfolgt im Pressformenwerkzeug lediglich eine Kalibrierung und die Formhärtung des Halbzeugs. Nach dem Pressformhärten wird das fertige Bauteil bei einer Temperatur von ca. 250 Grad Celsius bis circa Raumtemperatur aus dem Pressformenwerkzeug entnommen und der weiteren Bearbeitung oder einer Montage im Kraftfahrzeug zugeführt. Bei der weiteren Bearbeitung kann es sich um eine Reinigung, um eine Beschichtung oder eine Kopplung an einer anderen Fahrzeugkomponente handeln.
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Bevorzugt ist eine metallische Beschichtung am Stoßfängerquerträger vorgesehen. Die Beschichtung des Stoßfängerquerträgers ist dabei bevorzugt aus Zink, Aluminium oder einer Legierung mit mehrheitlich Zink- oder Aluminiumanteilen gebildet. Durch die metallische Beschichtung des Stahlbleches, welche bevorzugt vor der Erwärmung und Umformung aufgetragen wird, kann auf eine Entzunderung des Stoßfängerquerträgers infolge der Wärmebehandlung verzichtet werden. So erfolgt spätestens bei der Erwärmung auch gleichzeitig eine Durchlegierung der metallischen Beschichtung mit dem Stahlsubstrat des Halbzeugs. Auch der Umformprozess selbst kann infolge der Beschichtung verbessert werden, da diese eine reibungsmindernde Wirkung entfaltet.
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Es ist aber auch möglich, dass die metallische Beschichtung erst nach dem Pressformhärten aufgebracht wird. In diesem Fall kann es sich bevorzugt um eine Stückverzinkung, insbesondere um ein Feuerverzinken, ein Feueraluminieren oder auch um eine Zinkdiffusionsbeschichtung handeln.
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Alternativ ist es allerdings anstelle eines Pressformenhärtens möglich, den Stoßfängerquerträger durch Rollformen zu erzeugen. Beim Rollformen handelt es sich um einen Umformprozess, welcher eine Reihe von Formenwalzenstufen umfasst, in welche ein Bandförmiges Halbzeug stufenweise zu einem Profilbauteil umgeformt und anschließend erst zum Bauteil zugeschnitten wird.
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Gleichzeitig oder nach dem Beschnitt kann eine Härtung des Bauteils erfolgen, wobei diese sowohl in einem Pressformenwerkzeug wie zuvor beschrieben erfolgen kann, als auch durch eine einfache punktuelle Einspannung, Induktionsschleifenerwärmung und Duschenabschreckung des durch Rollformen hergestellten Stoßfängerquerträgers.
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Weiterhin bevorzugt hat der Stoßfängerquerträger in Verbindungssteg und in der Oberwand und der Unterwand, bevorzugt zusätzlich auch in den Flanschen, eine Zugfestigkeit von mehr als 1800 Megapascal, wobei die Zugfestigkeit 2100 Megapascal nicht überschreiten sollte. Dadurch ist es möglich, einen Stoßfängerquerträger für das Stoßfängersystem zu erzeugen, welcher gegenüber konventionell rollgeformten oder pressgehärteten Bauteilen eine weiter reduzierte Wandstärke bei gleicher Crashperformance hat, zugleich aber sein minimaler Biegewinkel nicht unzulässig reduziert wird. Der Biegewinkel ist eine an Bauteilproben messbare umformtechnische Größe und gibt Aufschluss über das Verformungs- und Bruchverhalten des Bauteils. Niedrige minimale Biegewinkel sind für Stoßfängerquerträger deshalb kritisch, weil sie auf ein frühzeitiges Bauteilversagen unter Rissbildung schon bei geringer crashbedingter Verformung hindeuten.
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Weiterhin bevorzugt besteht der Stoßfängerquerträger aus einem Stahlwerkstoff, der neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen folgende Legierungselemente in Gewichtsprozent enthält:
Kohlenstoff (C): 0,18–0,55, vorzugsweise 0,30–0,40, insbesondere 0,31–0,38
Silizium (Si): 0,10–0,70, vorzugsweise 0,20–0,28, insbesondere 0,22–0,27
Mangan (Mn): 1,00–2,50, vorzugsweise 1,20–2,00, insbesondere 1,20–1,50
Chrom (Cr): 0,10–0,80, vorzugsweise 0,10–0,60, insbesondere 0,12–0,18
Bor (B): 0,0006–0,006, vorzugsweise 0,0008–0,004, insbesondere 0,0020–0,0035
Schwefel (S): maximal 0,01,
Phosphor (P): maximal 0,025,
sowie wahlweise
Titan (Ti) 0,01–0,05, vorzugsweise 0,02–0,04, insbesondere 0,025–0,035.
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Die geringe Menge an Legierungselementen macht den Werkstoff wirtschaftlich interessant. Bor wirkt für den Vergütungsprozess als Aushärtungsverzögerer, so dass die Härtung des Stoßfängerquerträgers nicht vor dem Pressformende abgeschlossen ist. Die mechanischen Kennwerte, insbesondere die Zugfestigkeit, wird vor allem durch Zugabe von Kohlenstoff aber auch von Mangan positiv beeinflusst.
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Diese Legierung eignet sich hervorragend für das oben beschriebene Pressformhärten. Allerdings hat sich in Versuchen gezeigt, dass dieses Verfahren das Bauteil anfällig macht für späteres Versagen im Bereich von Beschnitträndern und Kerbstellung, insbesondere auch in der Fügefläche. Daher wird vorgeschlagen, dass bevorzugt wenigstens der Flansch des Stoßfängerquerträgers gegenüber dessen Verbindungssteg wenigstens abschnittsweise eine um mindestens 20 Prozent, bevorzugt um mindestens 30 Prozent niedrigere Zugfestigkeit aufweist, wobei die Zugfestigkeit des Flansches jedoch 650 Megapascal nicht unterschreitet. Dies kann durch die von der thermischen Fügeverbindung hervorgerufenen bereichsweise Wärmebehandlung des Flansches ermöglicht werden und wirkt sich bezüglich der Rissgefahr ausgehend von Flansch im Crashfall sowie wegen der Koppelbarkeit mit anderen Fahrzeugkomponenten positiv aus.
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Vorteilhafterweise beträgt die Wandstärke des Stoßfängerquerträgers zwischen 1,5 und 3 Millimeter (mm), bevorzugt 2 bis 2,5 mm, wobei vorgesehen sein kann, dass der Stoßfängerquerträger eine partiell unterschiedliche Wandstärke und/oder Stahlwerkstoffe aufweist. Beispielsweise kann dabei der Stoßfängerquerträger im Koppelbereich zur Fahrzeugkarosse oder zu den Crashboxen zumindest in deiner Oberwand und seiner Unterwand dünner und/oder weicher ausgebildet sein, wenn der Stoßfängerquerträger Zusatzfunktionen als Deformationselement übernehmen soll.
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Weiterhin bevorzugt weist das Schließblech eine Zugfestigkeit auf, welche gegenüber dem Verbindungssteg des Stoßfängerquerträger eine um wenigstens 50 Prozent, bevorzugt um mindestens 70 Prozent niedrigere Zugfestigkeit ist, wobei zu Zugfestigkeit 350 Megapascal nicht unterschreiten sollte. Die Wandstärke des Schließblechs beträgt erfindungsgemäß zwischen 2,5 und 4 Millimeter (mm), bevorzugt von 3 bis 3,5 mm.
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Bevorzugt erstreckt sich das Schließblech nur über einen Teil der Länge des Stoßfängerquerträgers, wobei die Enden des Stoßfängerquerträgers vom Schließblech nicht geschlossen sind.
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Besonders bevorzugt ist es aber, dass auch die Enden des Stoßfängerquerträgers und der Abschnitt um den in Fahrzeuglängserstreckung betrachteten Mittelpunkt des Stoßfängerquerträgers von insbesondere einem gemeinsamen Schließblech unter Ausbindung eines Hohlraums geschlossen sind. Das hat den Vorteil, dass Mittel zur Befestigung einer Abschleppvorrichtung leicht am Schließblech festlegbar und/oder von diesem im Verbindung mit dem Stoßfängerquerträger abgestützt anordenbar sind.
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Denkbar ist auch, mit mehr als einem Schließblech beispielsweise sowohl die Enden des Stoßfängersystems als auch den Abschnitt um dessen Mittelpunkt geschlossen auszubilden.
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Ganz wesentlich ist für das erfindungsgemäße Stoßfängersystem die thermische Fügeverbindung zwischen Stoßfängerquerträger und Schließblech, welche in einer vorteilhaften Ausführungsform als Widerstandspunktschweißverbindung ausgebildet ist.
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Bevorzugt beträgt dabei der Abstand zwischen der Punktschweißverbindung zur benachbarten Längskante des Schließblechs 10 mm bis 20 mm. Die hat den Vorteil, dass ein Ausbrechen in Richtung der Längskante auch bei hoher mechanischer Beanspruchung nicht erfolgen kann.
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Weiterhin bevorzugt beträgt der Abstand zwischen zwei benachbarten Punktschweißverbindungen zwischen der halben und einfachen Höhe des Stoßfängerquerträgers in seinem Mittelpunkt. Damit wird sichergestellt, dass eine ausreichende Verteilung und Übertragung der Last in den Stoßfängerquerträger gewährleistet ist.
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Alternativ beträgt der Abstand zwischen zwei benachbarten Punktschweißverbindungen an den fahrzeuglängsseitigen Enden des Schließblechs höchstens die Hälfte des Abstands zweier benachbarter Punktschweißverbindungen im Mittelpunkt des Stoßfängerquerträgers. Damit wird eine besonders hohe Lastaufnahmefähigkeit auch bei einem Frontalaufprall mit geringer vertikaler oder auch horizontaler Überdeckung erreicht.
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Die Stanznieten sind wie die zuvor beschriebenen Punktschweißverbindungen angeordnet mit einem Abstand zwischen der Punktschweißverbindung zur benachbarten Längskante des Schließblechs von 10 mm bis 20 mm.
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Auch der Abstand der Punktschweißverbindung mit Stanzniet untereinander kann zwischen der halben und einfachen Höhe des Stoßfängerquerträgers in seinem Mittelpunkt betragen.
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Wiederum alternativ dazu beträgt der Abstand zwischen zwei benachbarten Punktschweißverbindungen mit Stanzniet an den fahrzeuglängsseitigen Enden des Schließblechs höchstens die Hälfte des Abstands zweier benachbarter Punktschweißverbindungen im Mittelpunkt des Stoßfängerquerträgers.
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Bevorzugt schließt sich wenigstens einem Flansch des Stoßfängerquerträgers eine in einem Winkel Gamma (φ) abstehende Umbiegung an, welche nur über einen Teil der Länge des Stoßfängerquerträgers ausgebildet ist und welche in Richtung Verbindungssteg weist.
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Der Verbindungssteg weist bevorzugt nur über einen Teil der Länge des Stoßfängerquerträgers eine grabenförmige Vertiefung aufweist, welche entgegen der Richtung der Oberwand und der Unterwand absteht. Die Vertiefung wirkt den Biegewiderstand und das Flächenträgheitsmoment des Stoßfängerquerträgers erhöhend.
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Das Schließblech weist bevorzugt ebenfalls über einen Teil der Länge des Stoßfängerquerträgers eine grabenförmige Vertiefung auf, welche in Richtung des Verbindungsstegs des Stoßfängerquerträgers winkelig absteht und die gleich Wirkung wie oben beschrieben hat. Der Verstärkungseffekt kann durch die kombinierte Ausbildung beider grabenförmiger Vertiefungen weiter gesteigert werden.
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Bevorzugt weist das Schließblech über einen Teil der Länge des Stoßfängerquerträgers Ausnehmungen auf, insbesondere unter Ausbildung eines eine Öffnung der Ausnehmung umlaufenden Kragens. In diesem Abschnitt ist das Schließblech daher vorteilhafterweise nicht grabenförmig vertieft ausgebildet bzw. die grabenförmige Vertiefung läuft vom Mittelpunkt aus in Richtung Ausnehmung betrachtet vor Erreichen der Ausnehmung aus.
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Vorstellbar ist zusätzlich oder alternativ auch die Anordnung mindestens zweier grabenförmiger Vertiefungen quer zur Längserstreckung des Stoßfängerquerträgers in der Oberwand und /oder in der Unterwand. Damit kann erreicht werden, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt während eines Crashereignisses der Stoßfängerquerträger sich gezielt lokal deformiert, und die grabenförmigen Vertiefungen eine Solldeformationsstelle insbesondere zum Einknicken bilden.
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Weiterhin bevorzugt nimmt die Tiefe des Stoßfängerquerträgers zwischen seinen fahrzeuglängsseitigen Enden und seinem Mittelpunkt kontinuierlich ab, wobei das Verhältnis zwischen seiner Tiefe im Mittelpunkt und seiner Tiefe an seinem Enden zwischen 3 zu 2 und 3 zu 1, insbesondere 2 zu 1 liegt.
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Es folgen anhand von Figurenbeschreibungen nähere Erläuterungen zu vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung. Für gleiche oder ähnliche Bauteile oder Bereiche werden soweit sinnvoll einheitliche Bezugszeichen verwendet. Die Figuren sind schematisiert dargestellt. Die in den Figuren beschriebenen Merkmale der Ausführungsformen sind miteinander auch kombinierbar.
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Im Einzelnen zeigen:
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1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stoßfängersystems in perspektivischer Ansicht von hinten
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2 die erste Ausführungsform in perspektivischer Ansicht von vorn
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3a bis 3b die erste Ausführungsform anhand von Querschnitten
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4 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stoßfängersystems in perspektivischer Ansicht von hinten
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5 die zweite Ausführungsform in einer Frontansicht ohne Crashboxdarstellung
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6 die zweite Ausführungsform in einer Draufsicht
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7a bis 7c die zweite Ausführungsform anhand von Querschnitten und
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8 eine Detailansicht auf eine Schweißlötverbindung mit Schweißlötnaht.
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In den 1 bis 3 wird zunächst eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stoßfängersystems dargestellt.
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In 1 ist übersichtlich das Stoßfängersystem 1 in der ersten Ausführungsform von der Rückseite aus betrachtet gezeigt. Es umfasst einen Stoßfängerquerträger 2, welcher durch ein Schließblech 11, welches sich in Fahrzeug-(X)-Richtung vor dem Stoßfängerquerträger 2 befindet, vollständig verschlossen wird. Der Stoßfängerquerträger 2 ist über Crashboxen 21 mit der nicht dargestellten Fahrzeugkarosse gekoppelt. Es versteht sich von selbst, dass das Stoßfängersystem 1 zum Zeitpunkt der Fahrzeugmontage, aber auch zu späteren Reparatur- und Demontagezeitpunkten für die Fahrzeugverwertung eines Kraftfahrzeuges koppelbar ist.
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Weiterhin ist in 1 ein fahrzeuglängsseitiges Ende E1 des Stoßfängerquerträger 2 dargestellt. Ein stirnseitiges Ende E11 des Schließblechs 11 ist in der Figur links dargestellt. Ein zweites fahrzeuglängsseitiges Ende E2 des Stoßfängerquerträgers 2 und ein weiteres stirnseitiges Ende E12 (siehe dazu 2) des Schließbleches 11 sind in 2 dargestellt. Der Stoßfängerquerträger 2 erstreckt sich dabei zwischen den Crashboxen 21 und verläuft von einer Fahrzeuglängsseite zur anderen, wobei in dieser Ausführungsform die Enden des Stoßfängerquerträgers sowie des Schließbleches 11 über die jeweiligen Crashbox 21 hinaus in Richtung Fahrzeuglängsseiten ragen. Der Stoßfängerquerträger 2 umfasst einen über seine Gesamtlänge L2 ausgebildeten Verbindungssteg 3, von welcher in Fahrzeug-(X)-Richtung gesehen eine Oberwand 4 sowie eine Unterwand 5 winkelig abstehen. Verbindungssteg 3, Oberwand 4 und Unterwand 5 bilden im Querschnitt einen im Wesentlichen U-profilförmigen Profilverlauf, wobei sich an den Enden der Oberwand 4 und der Unterwand 5 ein Flansch 6, 7 anschließt, welcher dem Stoßfängerquerträger 2 einen hutförmigen Querschnitt verleiht. Der Flansch 6, 7 ist mit anderen Worten auf der Oberseite und der Unterseite des Stoßfängerquerträger angeordnet und bildet eine Fügefläche 12 für das Schließblech 11.
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Weiteren gezeigt ist der Mittelpunkt M des Stoßfängerquerträgers 2, welcher sich im Wesentlichen im Zentrum desselbigen befindet und bei dieser Ausführungsform gleichzeitig die Symmetrieachse des Stoßfängerquerträgers 2 darstellt. Über eine Länge L9 des Stoßfängerquerträgers 2 schließt sich dem Flansch endseitig eine Umbiegung 9 an, welche in dieser Ausführungsform in Richtung Verbindungssteg 3 bzw. in Richtung Kraftfahrzeug gerichtet ist. Der Stoßfängerquerträger 2 weist eine Länge L2 sowie das Schließblech 11 eine Länge L11 (siehe dazu 2) auf, wobei in dieser Ausführungsform sowohl der Stoßfängerquerträger 2 als auch das Schließblech 11 in Fahrzeug-(X)-Richtung gekrümmt ist. Diese Krümmung R dient der Anpassung an die vorderseitige oder rückseitige Außenhautkontur des Kraftfahrzeugs.
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2 stellt dieselbe Ausführungsform des Stoßfängersystems 1 in einer perspektivischen Ansicht von vorn dar, wobei hier deutlicher das Schließblech 11 zu erkennen ist, welches sich in Fahrzeug-(X)-Richtung vor dem Stoßfängerquerträger 2 befindet. Das Schließblech 11 weist über einen Teil seiner Länge L11 eine grabenförmige Vertiefung 14 auf, welche sich in Fahrzeug-(Y)-Richtung entlang des Schließblechs 11 erstreckt. Die grabenförmige Vertiefung 14 ist in Richtung Verbindungssteg 3 beziehungsweise in Kraftfahrzeugrichtung gerichtet. Zudem sind in 2 gestrichelt angedeutet die Fügeflächen 12, welche sich entlang der Längskanten 13 des Schließblechs 11 über dessen gesamte Länge L11 erstrecken, und in welcher die Widerstandspunktschweißverbindungen 16, 17 ausgebildet sind. Jeweils zwei benachbarte Punktschweißverbindungen 16, 17 sind mit einem Abstand A voneinander beabstandet. In dieser Ausführungsform ist der Abstand A zwischen den einzelnen benachbarten Punktschweißverbindungen 16, 17 konstant. Alle Punktschweißverbindungen 16, 17 zusammen bilden die thermische Fügeverbindung zwischen dem Stoßfängerquerträger 2 einerseits und dem Schließblech 11 andererseits.
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Ebenso ist in 2 eine Ausnehmung 20 zur Durchführung einer Abschleppeinrichtung B (siehe dazu 4 und 5) sowie ein die Ausnehmung 20 umlaufend umgebender Kragen 20' erkennbar, welcher im Wesentlichen eine Versteifung des geschwächten Bereichs um die Ausnehmung 20 herum bewirkt.
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Die Crashboxen 21 verbinden den Stoßfängerquerträger 2 mit der Fahrzeugkarosse und sind in dieser Ausführungsform als Schalenkonstruktionen ausgeführt, welche zwei U-Profile umfasst die sich mit ihrem Seitenwänden teilweise überlappen und zusammengefügt sind. Zu erkennen ist in 1 außerdem, dass sich der Stoßfängerquerträger 2 und das Schließblech 11 über eine Höhe HK (siehe dazu 7) erstrecken, welche größer ist als eine Höhe 21 der Crashbox 21. Das bedeutet, dass der Stoßfängerquerträger 2 bzw. das Schließblech 11 Kräfte aufnehmen können, welche auch oberhalb der Crashboxanbindung in das Kraftfahrzeug bei einem Frontalaufprall eingeleitet werden. Daraus ergeben sich aufgrund des Höhenunterschiedes zwischen Stoßfängerquerträger 2 und Crashbox 21 auf dem Stoßfängerquerträger 2 und besonders auf die thermische Fügeverbindung wirkende Torsionskräfte, welchen durch die erfindungsgemäße Ausführungsform Rechnung getragen wird.
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In 3a) und 3b) sind Querschnitte des erfindungsgemäßen Stoßfängersystems 1 dargestellt, wobei in 3a) ein Schnitt M-M durch den Mittelpunkt M des Stoßfängerquerträgers 2 und des zugehörigen Schließblechs 11 erfolgt ist. Zu erkennen sind im Stoßfängerquerträger 2 der Verbindungssteg 3, an welchen sich unter den Winkel Alpha (α) eine Oberwand 4 sowie eine Unterwand 5 anschließen. An den Enden der Oberwand 4 und der Unterwand 5 wiederum schließen sich unter einem Winkel Beta (β) die Flansche 6 und 7 an. In dieser Ausführungsform beträgt der Winkel Alpha (α) ca. 100°, während der Winkel Beta (β) genau 90 Grad (°) ist. Weiterhin zu erkennen ist eine Umbiegung 9, welche im Mittelpunkt des Stoßfängerquerträgers 2 ausgebildet ist und sich nur über einen Teil der Länge L2 des Stoßfängerquerträgers 2 erstreckt. Am Stoßfängerquerträger 2 der Wandstärke W2 ist ein Schließblech 11 mit der Wandstärke W11 gekoppelt, welches im Mittelpunkt M eine grabenförmige Vertiefung 14 aufweist, die in Richtung des Verbindungsstegs 3 des Stoßfängerquerträgers 2 ausgerichtet ist.
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Auch der Stoßfängerquerträger 2 weist eine grabenförmige Vertiefung 8 auf, welche in Richtung Kraftfahrzeug ausgerichtet ist. Zu erkennen ist außerdem, dass das Schließblech 11 eine Höhe H11 aufweist, welche geringer ist als die Höhe HM des Stoßfängerquerträgers 2.
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Im Gegensatz dazu weist das Schließblech 11 im Bereich seiner Enden E11, E12 selbst eine Höhe H11 auf, welche im Wesentlichen der Höhe HE des Stoßfängerquerträgers 2 entspricht. Weder der Stoßfängerquerträger 2 noch das Schließblech 11 sind im Bereich der fahrzeuglängsseitigen Enden E1, E2 mit grabenförmigen Vertiefungen versehen. Für das Schließblech 11 bedeutet das, dass es bereits am Anfang eines Frontalaufpralls oder Heckaufpralls als Zugstrebe wirkt, wenn der Stoßfängerquerträger 2 beginnt sich im Querschnittsprofil nach oben bzw. unten unter Vergrößerung des Winkels Alpha (α) zu weiten.
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Ebenso erkennbar ist, dass die Fügefläche 12 im Vergleich zum Mittelpunkt M in 3a größer ausgebildet ist. Damit wird der Tatsache Rechnung getragen, dass die Belastungen welche auf die Fügeverbindung zwischen Schließblech 11 und Stoßfängerquerträger 2 wirken, in Bereich der Enden E11, E12 bzw. im Koppelbereich zu den Crashboxen größer sind als im Mittelpunkt des Stoßfängerquerträgers 2. Über die Fügefläche 12 erstreckt sich bevorzugt vollflächig ein Klebemittel zur Erzeugung der Klebeverbindung zwischen Stoßfängerquerträger 2 und Schließblech 11.
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Die Schweißpunkte der Punktschweißverbindung sind von der im Wesentlichen gemeinsamen Längskante 13 des Schließblechs 11 und des Stoßfängerquerträgers 2 derart mit einem Abstand a13 beabstandet, dass ein Ausreißen des verbleibenden Blechmaterials des Schließblechs 11 im Crashverlauf nicht eintritt. Erfahrungsgemäß hat sich ein Verhältnis von Wandstärke W11 des Schließblechs 11 zu Abstand a13 von 1:3 bis 1:10 als vorteilhaft erwiesen.
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4 stellt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stoßfängersystems 1 in perspektivischer Ansicht von vorn dar, bestehend aus einem Stoßfängerquerträger 2, welcher über Crashboxen 21 an der Fahrzeugkarosse gekoppelt ist. In Fahrzeug-(X)-Richtung vor dem Stoßfängerquerträger 2 positioniert ist das Schließblech 11, welches in dieser Ausführungsform eine Höhe H11 aufweist, die in seiner Längserstreckung nicht konstant ist, sondern von einem stirnseitigen Ende E11 des Schließblechs 11 in Richtung des Mittelpunktes M abnimmt. Im Bereich des Mittelpunktes M ist die Höhe H11 des Schließblechs im Wesentlichen konstant. Ebenso ist die Höhe HE des Stoßfängerquerträger 2 an seinem fahrzeuglängsseitigen Ende E1, E2 größer als im Bereich des Mittelpunktes M. Dem Stoßfängerquerträger 2 sowie dem Schließblech 11 ist eine Abschleppeinrichtung B zugeordnet. Die Länge L11 des Schließblechs 11 ist in dieser Ausführungsform geringer als die Länge L2 des Stoßfängerquerträgers 2, wobei der Stoßfängerquerträger 2 an seinem fahrzeuglängsseitigen Enden E1, E2 durch das Schließlich 11 nicht geschlossen wird.
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Weiterhin zu erkennen ist in 4, dass die Fügefläche 12 als Klebeverbindung ausgeführt ist, wobei zusätzlich eine thermische Fügeverbindung in Form mehrerer Punktschweißverbindungen 17 unter Zuhilfenahme von innerhalb des Schließbleches 11 angeordneter Stanzniete 27 ausgebildet ist.
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Die Fügefläche 12 befindet sich in der unmittelbaren Nachbarschaft zu den Längskanten 13 des Stoßfängerquerträgers 2.
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5 zeigt eine Frontalansicht der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stoßfängersystems 1 ohne Crashboxen. Der Stoßfängerquerträger 2 weist eine Höhe H auf, welche von den fahrzeuglängsseitigen Enden E1, E2 aus betrachtet in Richtung Mittelpunkt M direkt nach dem Kopplungsabschnitt mit den Crashboxen im Wesentlichen sprunghaft abnimmt. Dabei ist die Höhe HE des Querträgers 2 in den stirnseitigen Enden E1, E2 und die Höhe HK im sich daran anschließenden Kopplungsbereich gleich groß und etwa um ein Viertel größer als die Höhe HM in Mittelpunkt des Stoßfängerquerträgers.
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Der Abstand aE zwischen zwei Stanznieten 27 beziehungsweise zwischen zwei benachbarten Punktschweißverbindungen 17 nahe der stirnseitigen Enden E11, E12 des Schließblechs 11 ist deutlich kleiner als der Abstand aM der Stanznieten 27 welche um den Mittelpunkt M des Stoßfängerquerträgers 2 herum angeordnet sind.
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6 zeigt eine Draufsicht der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stoßfängersystems 1. Der Stoßfängerquerträger 2 weist eine Tiefe T auf, welche von den fahrzeuglängsseitigen Enden E1, E2 in Richtung Mittelpunkt M im Wesentlichen kontinuierlich zunimmt.
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Auch in dieser Ausführungsform weist der Stoßfängerquerträger eine Krümmung R zur Anpassung an die vorderseitige oder rückseitige Außenhautkontur des Kraftfahrzeugs auf.
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In den 7a) bis 7c) sind Querschnitte des Stoßfängerquerträgers 2 mit der Wandstärke W2 und des daran gekoppelten Schließbleches 11 der Wandstärke W11 gemäß der zweiten Ausführungsform nach den 4 bis 6 dargestellt. Zunächst ist in 7a) der Querschnitt am fahrzeuglängsseitigen Ende des Stoßfängerquerträgers 2 gezeigt, welcher in 6 bereits durch den Schnitt E-E angedeutet ist. Der Stoßfängerquerträger weist einen Verbindungssteg 3 sowie zwei unter einem Winkel Alpha (α) vom Verbindungssteg 3 abstehende Oberwand 4 und Unterwand 5 auf. Von der Oberwand 4 und der Unterwand 5 schließen sich wiederum unter einem Winkel Beta (β) Flansche 6 und 7 an. Der Stoßfängerquerträger 2 weist in dem fahrzeuglängsseitigen Ende eine Höhe HE auf, welche größer ist als die Höhe in den anderen Abschnitten des Stoßfängerquerträgers 2.
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Zu erkennen ist in 7b) ein Schnitt K-K des Stoßfängerquerträgers 2 sowie des Schließbleches 11. Das Schließblech 11 weist eine Höhe H11 auf, welche geringer ist als die Höhe HK des Stoßfängerquerträgers 2. Die Kopplung zwischen Stoßfängerquerträger 2 und Schließblech 11 im Bereich der Fügefläche 12 erfolgt sowohl klebertechnisch als auch durch die Punktschweißverbindungen 17 mit Stanznieten 27. Angedeutet sind hierzu die Stanzniete 27 nahe der Längskanten 13 des Schließblechs 11. Die Tiefe TK des Stoßfängerquerträgers 2 ist gegenüber der Tiefe TE am fahrzeuglängsseitigen Ende E1, E2 nur unwesentlich größer ausgebildet.
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Demgegenüber ist in 7c), welcher einen Schnitt M-M durch den Mittelpunkt des Stoßfängerquerträgers 2 zeigt, die Tiefe TM wesentlich größer. Die Tiefe TM entspricht hier in dieser Ausführungsform ungefähr der doppelten Tiefe TE des Stoßfängerquerträgers 2 im fahrzeuglängsseitigen Ende E1, E2. Weiterhin weist der Stoßfängerquerträger 2 ausgehend von den Flanschen 6, 7 Umbiegungen 9 auf, welche unter einem Winkel Gamma (γ) in Richtung Verbindungssteg 3 geneigt sind. Das Schließblech 11 schließt im Bereich des Mittelpunktes M den Stoßfängerquerträger 2 und bildet so einen Hohlraum.
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8 zeigt eine erfindungsgemäße Kopplung zwischen Stoßfängerquerträger 2 und Schließblech 11 im Bereich der Fügefläche 12, welche neben einer Klebeverbindung 15 eine Punktschweißverbindung 17 mit Stanznieten 27 umfasst. Die Stanznieten 27 sind dabei in das Schließblech 11 vor der Kopplung mit dem Flansch 6, 7 des Stoßfängerquerträger 2 eingebracht worden, wobei bevorzugt ein Stanznieten 27 aus einem mit dem Stoßfängerquerträger 2 schweißbaren Werkstoffe besteht, während der Werkstoff des Schließblechs 11 selbst mit dem Stoßfängerquerträger 2 nicht schweißbar ist. Die Standnieten 27 werden bevorzugt in einem Arbeitsgang durch gleichzeitiges Lochen und Einpressen in das Schließblech eingebracht, wobei besonders bevorzugt eine verliersichere Verbindung durch die geometrische Gestaltung des Stanzniets 27 vorgesehen ist. Die Kopplung zwischen Schließblech 11 und Stoßfängerquerträger 2 erfolgt also sowohl über die Klebeverbindung 15, welche nicht sofort bei der Herstellung stabil ist, und zusätzlich durch die Schweißnietverbindung durch lokales Aufschmelzen des Stanznietes 27 und des diesen gegenüberliegenden Bereiches des Stoßfängerquerträgers 2 beziehungsweise des Flansches 6 und 7. Es entsteht zwischen beiden Teilen eine Aufschmelzung 28, wobei aufgrund der Hitzeeinwirkung das eventuell vorhandene Klebemittel verdampft. Nach der Aushärtung der Klebeverbindung 15 kann das Stoßfängersystem 1 an die Fahrzeugkarosse angekoppelt werden. Selbstverständlich stellt 8 nur einen Ausschnitt des gesamten Stoßfängersystems 1 dar. Das bedeutet, dass diese Art der Kopplung in Längserstreckungsrichtung des Stoßfängerquerträgers 2 mehrfach ausgebildet ist. Insbesondere ist diese Art der Kupplung sowohl an der oberen Längskante 13 des Stoßfängerquerträgers 2 als auch an der unteren Längskante 13 des Schließblechs 11 ausgebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stoßfängersystem
- 2
- Stoßfängerquerträger
- 3
- Verbindungssteg
- 4
- Oberwand
- 5
- Unterwand
- 6
- Flansch
- 7
- Flansch
- 8
- grabenförmige Vertiefung zu 2
- 9
- Umbiegung
- 10
- Beschichtung
- 11
- Schließblech
- 12
- Fügefläche
- 13
- Längskante zu 11
- 14
- grabenförmige Vertiefung zu 11
- 15
- Klebeverbindung
- 16
- Widerstandspunktschweißverbindung
- 17
- Punktschweißverbindung mit Stanznieten
- 20
- Ausnehmung
- 20‘
- Kragen
- 21
- Crashbox
- 27
- Stanzniet
- 28
- Aufschmelzung
- a
- Abstand
- aM
- Abstand
- aE
- Abstand
- a13
- Abstand
- B
- Abschleppeinrichtung
- E1
- Enden zu 2
- E2
- Enden zu 2
- E11
- Enden zu 11
- E12
- Enden zu 11
- H
- Höhe
- HE
- Höhe zu 2
- HM
- Höhe zu 2
- HK
- Höhe zu 2
- H2
- Höhe zu 2
- H11
- Höhe zu 11
- H21
- Höhe zu 21
- L1
- Länge
- L2
- Länge zu 2
- L8
- Länge zu 8
- L9
- Länge zu 9
- L11
- Länge zu 11
- L14
- Länge zu 14
- M
- Mittelpunkt zu 2
- R
- Krümmung
- T
- Tiefe
- TE
- Tiefe
- TK
- Tiefe
- TM
- Tiefe
- W2
- Wandstärke zu 2
- W11
- Wandstärke zu 11
- X
- Fahrzeug-(X)-Richtung
- Y
- Fahrzeug-(Y)-Richtung
- Z
- Fahrzeug-(Z)-Richtung
- α
- Winkel Alpha
- β
- Winkel Beta
- γ
- Winkel Gamma
