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Die Erfindung betrifft ein Verstärkungsbauteil für eine Schutzeinrichtung einer Karosserie eines Personenkraftwagens bei einer Frontalkollision mit einem Hindernis mit geringer Breitenüberdeckung. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Schutzeinrichtung für eine Karosserie eines Personenkraftwagens gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 6. Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Verstärkungsbauteils.
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Aus dem Serienfahrzeugbau von Personenkraftwagen sind bereits eine Vielzahl von Karosserien bekannt, welche eine Fahrgastzelle umfassen, die nach vorne hin durch eine Stirnwand begrenzt ist, an welche sich nach hinten hin ein Boden mit einem Mitteltunnel anschließt. Seitlich wird der Boden üblicherweise durch jeweilige Seitenschweller begrenzt, welche sich nach vorne hin bis an einen jeweiligen Radkasten für ein jeweiliges, seitliches Vorderrad erstrecken. Die Seitenschweller sind dabei üblicherweise an der Unterseite einer jeweiligen Seitenwand angeordnet, welche wiederum jeweilige Türsäulen umfasst, durch welche die Stirnwand seitlich begrenzt ist. An die Fahrgastzelle schließt sich nach vorne hin üblicherweise eine Vorbaustruktur an, welche jeweilige Längsträger einer Hauptlängsträgerebene umfasst.
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Außerdem sind aus dem Stand der Technik bereits Schutzeinrichtungen bekannt, mittels welchen die Fahrgastzelle bei einer Frontalkollision mit einem Hindernis mit geringer Breitenüberdeckung geschützt werden soll. Es ist nämlich bekannt, dass solche Frontalkollisionen mit einem sich bewegenden oder stehenden Hindernis mit geringer Breitenüberdeckung, welche üblicherweise auch als sogenannte Offset-Crashs bezeichnet werden, äußerst problematisch sind. Dabei besteht nämlich das Problem, dass der Personenkraftwagen derart versetzt mit dem Hindernis kollidiert, dass ein jeweiliger, innenseitig des korrespondierenden Vorderrads angeordneter Längsträger nicht durch das Hindernis beaufschlagt wird und somit nicht wesentlich zur Absorption von Aufprallenergie beitragen kann. Vielmehr gibt sich bei derartigen Frontalkollisionen ein Unfallszenario, bei dem das Hindernis außenseitig des entsprechend seitlich zugeordneten Längsträgers in den Vorbau des Kraftwagens einbringt und auf den sich vorderseitig an den Längsträgerabstützenden Querträger – und im Anschluss daran auf das korrespondierende, dahinterliegende Vorderrad – auftrifft. Die gegebenenfalls erheblich eingetragene Energie kann das Vorderrad unter Umständen stark beschleunigt und rückverlagert werden, so dass es – wenn keine anderweitigen, teuren Gegenmaßnahmen getroffen werden – zu einer erheblichen Intrusion in die hinter dem Vorderrad angeordnete Stirnwand der Fahrgastzelle des Kraftwagens kommen kann. Auch andere Zerstörungen von jeweiligen Strukturen im Bereich der Fahrgastzelle können damit einhergehen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verstärkungsbauteil für eine Schutzeinrichtung einer Karosserie eines Personenkraftwagens, eine Verfahren zur Herstellung eines solchen Verstärkungsbauteils sowie eine solche Schutzeinrichtung zu schaffen, mittels welchen die Fahrgastzelle des Kraftwagens einerseits auf besonders sichere Weise vor übermäßigen Intrusionen geschützt werden kann und mittels welchen sich andererseits ein besonders gewichtsgünstiger Schutz vor übermäßigen Intrusionen gestalten lässt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verstärkungsbauteil und durch eine Schutzeinrichtung mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 6 gelöst. Zudem wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen eines Verstärkungsbauteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Um die Fahrgastzelle des Kraftwagens einerseits auf besonders sichere Weise vor übermäßigen Intrusionen zu schützen und andererseits ein besonders gewichtsgünstiger Schutz vor übermäßigen Intrusionen zu gestalten, ist erfindungsgemäß ein Verstärkungsbauteil vorgesehen, welches außenseitig einer Stirnwand und/oder eines Bodens einer Fahrgastzelle zwischen einem seitlich zugeordneten Längsträger einer Hauptlängsträgerebene einer Vorbaustruktur und einem seitlich zugeordneten Seitenschweller der Fahrgastzelle anordnenbar ist, und welches als massiv umgeformtes Leichtmetallbauteil ausgestaltet ist.
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Um Intrusionen in die Fahrgastzelle so gering als möglich zu halten, ist es demzufolge erfindungsgemäß vorgesehen, auf der jeweiligen Fahrzeugseite im Bereich zwischen dem jeweiligen Längsträger und dem seitlich zugeordneten Seitenschweller – innerhalb des Radkastens bzw. hinter diesem – das zugehörige Verstärkungsbauteil anzuordnen. Dieses ist somit außenseitig bzw. vorderseitig der Stirnwand und/oder des Bodens, insbesondere dessen Pedalbodens, angeordnet. Durch das Verstärkungselement wird dabei – bei einer Frontalkollision mit einem Hindernis mit geringer Breitenüberdeckung – die lokale Belastung durch das Vorderrad bzw. dessen Bremsscheibe – auf einen größeren Bereich zwischen dem jeweiligen Längsträger und dem zugeordneten Seitenschweller verteilt. Zudem wird der Stirnwand- und/oder Bodenbereich, vor welchem das Verstärkungsbauteil angeordnet ist, entsprechend verstärkt und ausgesteift, so dass die Gefahr von übermäßigen Intrusionen verhindert wird.
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Da das Verstärkungsbauteil als massiv ungeformtes Leichtbauteil, also als Massivumformteil ausgebildet ist, ergeben sich insbesondere hinsichtlich des Gewichts erhebliche Vorteile. Durch das Massivumformen, insbesondere durch Schmieden, ergibt sich ein hochverdichtetes Gefüge, durch das das Verstärkungsbauteil eine außerordentlich hohe mechanische Festigkeit erreicht. Beim Massivumformen, vorzugsweise beim Schmieden, kann zudem ein Faserverlauf in dem Gefüge belastungsgerecht eingestellt werden, wobei Fasern insbesondere in mechanisch hochbelasteten Bereichen verdichtet werden können. Auf diese Weise wird die Festigkeit des Verstärkungsbauteils weiter gesteigert. Durch die erhöhte Festigkeit ist es möglich, zugleich einen ausreichenden Belastungswiderstand für den Fall eines Aufpralls zu gewährleisten und die Wandstärke des Verstärkungsbauteils zu verringern. Dies trägt dem Leichtbaugedanken Rechnung. Weiterhin ist es beim Massivumformen, vorzugsweise beim Schmieden möglich, das Verstärkungsbauteil variierendem Querschnittsverlauf zu fertigen, wobei es insbesondere möglich ist, mechanisch hochbelastete Bereiche mit größerem Querschnitt auszubilden als mechanisch geringer belastete Bereiche. Die Wandstärke des Verstärkungsbauteils muss also nicht auf eine maximale mechanische Belastung ausgelegt werden, sondern kann bedarfsgerecht ausgestaltet sein. Dies führt wiederum zu Materialeinsparungen, so dass das Verstärkungsbauteil insgesamt leichter sein kann als dies beispielsweise bei einem Gussteil der Fall ist, welches mit konstanter, auf eine maximale Belastung ausgelegter Wandstärke gefertigt werden muss. Das mechanisch hochverdichtete Gefüge eines massiv umgeformten Teils, insbesondere eines Schmiedeteils, ist frei von Lunker, wodurch es mechanisch belastbarer ist und einen geringeren Prüfaufwand nach sich zieht, als dies bei einem Gussteil der Fall ist. Weiterhin bedarf es bei einem massiv umgeformten, vorzugsweise geschmiedeten Bauteil einer deutlich geringfügigeren Nachbearbeitung. Es kommt hinzu, dass es eine vergleichsweise einfache Vorgehensweise darstellt, das Verstärkungsbauteil zumindest bereichsweise massiv umzuformen, vorzugsweise zu schmieden. Es ist daher möglich, mit relativ einfachen Mitteln kostengünstig ein zugleich leichtes und mechanisch hoch belastbares Verstärkungsbauteil herzustellen. Besonders günstig ist es, dass zur Bildung das Verstärkungsbauteil nur ein einzige Bauteil bzw. Rohling verwendet werden muss. Damit entfallen weitere sich anschließende Bearbeitungs- und Fügeschritte.
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Das Verstärkungsbauteil ist beispielsweise aus zumindest einem erwärmten Leichtmetallrohling geschmiedet. Dabei ist es bei einer Verwendung eines erwärmten Leichtmetallrohlings möglich, dem Verstärkungsbauteil eine relativ komplexe, vorzugsweise zumindest bereichsweise filigrane Struktur zu geben. Insgesamt wird so durch die verringerte Wandstärke und den Einsatz eines Leichtbauwerkstoffs den Leichtbauanforderungen Rechnung getragen.
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Durch die Schmiedetechnik ist im Übrigen das Bauteil in einfacher Weise exakt auf die Form der Anbringungsbereiche vor/an der Stirnwand anpassbar.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Verstärkungsbauteil zumindest bereichsweise aus einer Aluminiumlegierung gebildet. Insbesondere wird für das Verstärkungsbauteil zumindest bereichsweise vorzugsweise eine höherfeste Aluminiumlegierung eingesetzt. Alternativ oder zusätzlich umfasst das Verstärkungsbauteil vorzugsweise Magnesium oder eine Magnesiumlegierung.
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Die vorstehend im Zusammenhang mit dem Verstärkungsbauteil genannten Vorteile gelten in ebensolcher Weise für die Schutzeinrichtung gemäß Anspruch 6 und das Verfahren gemäß Anspruch 9.
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Ein besonderer Vorteil der Schutzeinrichtung ist es dabei, dass das Verstärkungsbauteil erst nach Aufbringen einer Lackierung an der Karosserie befestigt wird, beispielsweise – in weiterer Ausgestaltung der Erfindung – mittels einer Mehrzahl von mechanischen Verbindungsmitteln, insbesondere Schraubverbindungen. Es kann also eine Anordnung geschaffen werden, welche besonders unempfindlich gegen Korrosion ist. Außerdem ist kein Nachlackieren erforderlich.
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Bei einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Verstärkungsbauteil zumindest bereichsweise einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Es ist möglich, dass das gesamte Verstärkungsbauteil einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das Verstärkungsbauteil einer partiellen beziehungsweise lokalen Wärmebehandlung unterzogen wird. Mithilfe der Wärmebehandlung ist es möglich, die Bauteileigenschaften des Verstärkungsbauteil insbesondere dessen Festigkeit, Zähigkeit, Duktilität und/oder Härte, bedarfsgerecht einzustellen. Besonders bevorzugt werden diese Materialeigenschaften bedarfsgerecht lokal eingestellt. Hierdurch können gezielt Bereiche des Verstärkungsbauteils duktiler, zäher oder fester eingestellt werden.
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Es wird zudem ein Verfahren bevorzugt, bei welchem zumindest ein Bereich des Lastverteilungselements durch Warmschmieden hergestellt wird. Hierbei sind höhere Umformgrade erzielbar. Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, bei welchem zumindest ein Bereich des Verstärkungsbauteils durch Halbwarmschmieden hergestellt wird. Hierbei sind geringere Umformgrade darstellbar als beim Warmschmieden, allerdings ist die Gefahr eines Verzunderns einer Oberfläche des Lastverteilungselements geringer. Schließlich wird auch ein Verfahren bevorzugt, bei welchem zumindest ein Bereich des Verstärkungsbauteils durch Kaltschmieden hergestellt wird. Hierbei sind zwar geringere Umformgrade darstellbar, andererseits besteht keine Gefahr einer Verzunderung der Oberfläche.
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Es kommt hinzu, dass Schmiedewerkzeuge vergleichsweise einfach auszubilden sind und nur einem geringen Verschleiß unterliegen, wodurch die mit dem Verfahren verbundenen Kosten, insbesondere Investitionskosten verringert werden. Schmiedeteile können mit sehr präzisen Konturen reproduzierbar gefertigt werden, so dass quasi keine Nachbearbeitungsschritte erforderlich sind. Dies vergünstigt das Verfahren weiterhin. Ein Materialschwund, der beispielsweise beim Gießen zu erhöhten Toleranzen führt, entfällt beim Schmieden völlig.
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Vorteilhaft ist auch, dass ein Schmiedeverfahren eine vergleichsweise kurze Bearbeitungszeit mit sich bringt, so dass niedrige Zykluszeiten realisierbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1 eine ausschnittsweise Perspektivansicht von schräg links vorne auf die Karosserie des Personenkraftwagens mit der Schutzeinrichtung, von welcher ein Lastverteilelement bzw. Verstärkungsbauteil erkennbar ist;
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2 eine ausschnittsweise und leicht perspektivische Unteransicht auf das Verstärkungselement gemäß 1;
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3 eine Vorderansicht auf das Verstärkungselement gemäß 1 und 2.
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In 1 ist in einer ausschnittsweisen Perspektivansicht von schräg links vorne eine Karosserie 10 eines Personenkraftwagens dargestellt. 2 zeigt eine ausschnittsweise Unteransicht der Karosserie 10. Aus den Figuren wird dabei eine – in Vorwärtsfahrtrichtung betrachtet – linke Fahrzeugseite mit einem Längsträger 12 einer Hauptlängsträgerebene im Bereich einer Vorbaustruktur 14. Ein ebensolcher Längsträger 12 ist entsprechend auf der rechten Fahrzeugseite angeordnet, wobei am vorderen Ende der Vorbaustruktur 14 in üblicher Weise ein Biegequerträger verläuft, welcher einem Stoßfänger zugeordnet ist.
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Nach hinten hin schließt sich an die Vorbaustruktur 14 eine Fahrgastzelle 16 des Personenkraftwagens an, welche nach vorne hin durch eine Stirnwand 18 und nach unten hin durch einen Boden 20 begrenzt ist. Seitlich wird die Fahrgastzelle 16 durch jeweilige Seitenwände 22 begrenzt, an deren jeweiliger Unterseite ein jeweils zugeordneter Seitenschweller 24 verläuft. Die Stirnwand 18 wird seitlich durch Türsäulen 32, die den Seitenwänden 22 zugeordnet sind, begrenzt.
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Um nun eine Schutzeinrichtung für die Karosserie 10 bei einer Frontalkollision mit einem Hindernis mit geringer Breitenüberdeckung zu schaffen, ist vorliegend auf jeder Fahrzeugseite ein im Weiteren noch näher erläutertes Verstärkungsbauteil, welches auch als Lastverteilelement 26 bezeichnet wird, vorgesehen.
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Bei einer derartigen Frontalkollision mit einem sich bewegenden oder stehenden Hindernis mit geringer Breitenüberdeckung wird die Vorbaustruktur 14 außenseitig des jeweils zugehörigen Längsträgers 12 durch das entsprechende Hindernis getroffen, so dass der jeweilige Längsträger 12 nicht wesentlich zur Absorption der Aufprallenergie beitragen kann. Vielmehr wird üblicherweise das jeweilige, seitlich zugeordnete Vorderrad durch das Hindernis getroffen und entsprechend in Richtung der Fahrgastzelle 16 beschleunigt und rückverlagert.
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Um nun eine übermäßige Intrusion des entsprechenden Vorderrads, welches außenseitig des zugehörigen Längsträgers 12 über entsprechende Radführungsglieder gelagert ist, in die Fahrgastzelle 16 sowie damit einhergehend übermäßige negative Beschleunigungswerte für die Sitzinsassen zu vermeiden, umfasst die Schutzeinrichtung pro Fahrzeugseite das Lastverteilelement 26, welches an einer Außenseite der Stirnwand 18 und/oder des Bodens 20, welcher im Übergang zur Stirnwand üblicherweise durch einen Pedalboden gebildet wird, angeordnet, und zwar im Bereich zwischen dem Längsträger 12 und dem zugehörigen Seitenschweller 24 bzw. der entsprechenden Seitenwand 22.
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Das Verstärkungbauteil bzw. Lastverteilelement 26 weist vorliegend eine Strebenstruktur auf, so dass die lokale Belastung des Vorderrades bzw. dessen Bremsscheibe auf einen größeren Bereich zwischen dem Seitenschweller 24 und dem korrespondierenden Längsträger 12 verteilt wird. Oberseitig ist das Lastverteilelement 26 an einem entsprechenden Träger 28, welcher sich zwischen dem Längsträger 12 und der Seitenwand 22 im Bereich vor der Stirnwand 18 erstreckt, über mechanische Befestigungsmittel, beispielsweise Schraub- oder Nietverbindungen, befestigt. Eine ebensolche Befestigung ist unterseitig an einem Träger 30 vorgesehen, welcher sich zwischen dem Längsträger 12 und dem Seitenschweller 24 erstreckt.
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Wie aus 3 erkennbar ist, welche das Verstärkungbauteil bzw. Lastverteilungselement 26 in einer Draufsicht zeigt, umfasst dieses einen Rahmen 38, der mit Befestigungsöffnungen 40 versehene Befestigungsflansche 42 einstückig aufweist. Der geschlossene Rahmen 38 weist einen zentralen Ausschnitt 44 auf, der von zumindest zwei Streben 46, 48 der Strebenstruktur 36 überbrückt wird, die die jeweiligen gegenüberliegenden Rahmenteile einstückig miteinander verbinden. Die Streben 46, 48 sind so ausgerichtet, dass sie die frontal auftreffende Stoßkraft bzw. die lokale Belastung des Vorderrades bzw. der Bremsscheibe auf einen größeren Bereich zwischen Seitenschweller 24 und vorderen Längsträger 12 verteilen. Die Streben 46, 48 sind aus Gründen der verbesserten Steifigkeit erhaben ausgebildet. Aufgrund des frei gebliebenen Bereiches des Ausschnitts 44 ist das Verstärkungbauteil bzw. Lastverteilungselement 26 insgesamt noch leichter gestaltet, wobei nun im Gegensatz dazu nur dort (durch die Streben 46, 48) Material vorhanden ist, das zur Lastverteilung erforderlich ist.
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Das Verstärkungbauteil bzw. Lastverteilungselement 26 kann vor der Stirnwand 18, d.h. direkt an der Stirnwand 18 oder vorzugsweise am Radkasten zwischen dem Längsträger 12 und dem Seitenschweller 24 in einfacher Weise angebracht, vorzugsweise verschraubt, vernietet oder verklebt werden. Alternativ ist es eine Schweißung möglich, da keine Gefügeunregelmäßigkeit oder Einschlüsse wie bei einem Gußteil auftreten. Bei einem Einsatz einfacher Fügetechniken wie beispielsweise Kleben, Nieten oder Schrauben reduziert sich im Vergleich zum Schweißen ein Wärmeeintrag, wodurch auch ein Bauteilverzug geringer ausfällt. Dadurch können sowohl das Lastverteilungselement als auch eine dieses tragende Kraftfahrzeug-Rohbaustruktur maßhaltig gefertigt werden.
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Das im vorliegenden Fall gewählte Verschrauben des Verstärkungbauteils bzw. Lastverteilungselements 26 hat den Vorteil, dass dieses erst nach der kathodischen Tauchlackierung bzw. Fertiglackierung an der Karosserie 10 angebracht werden kann. Hierdurch ergibt sich eine korrosionsbeständige, einfache Anordnung. Das Verstärkungbauteil bzw. Lastverteilungselement 26 kann, insbesondere durch die völlig unproblematische Art der Fügetechnik auch bei bereits fertig gestellten Fahrzeugen hinterher noch nachgerüstet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Karosserie
- 12
- Längsträger
- 14
- Vorbaustruktur
- 16
- Fahrgastzelle
- 18
- Stirnwand
- 20
- Boden
- 22
- Seitenwand
- 24
- Seitenschweller
- 26
- Lastverteilelement
- 28
- Träger
- 30
- Träger
- 32
- Türsäule
- 34
- Pedalboden
- 36
- Strebenstruktur
- 38
- Rahmen
- 40
- Öffnungen
- 42
- Flansche
- 44
- Ausschnitt
- 46
- Streben
- 48
- Streben
