DE102014002803A1

DE102014002803A1 - Längsträgeranordnung einer Kraftfahrzeugkarosserie

Info

Publication number: DE102014002803A1
Application number: DE102014002803.8A
Authority: DE
Inventors: Udo Mildner; Lothar Teske
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2014-02-26
Filing date: 2014-02-26
Publication date: 2015-08-27

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Längsträgeranordnung einer Kraftfahrzeugkarosserie, mit zumindest einem, sich in Fahrzeuglängsrichtung (x) erstreckenden Längsträger (11, 12), welcher einen sich in Fahrzeuglängsrichtung (x) in zwei Arme (21, 23) verzweigenden, einteiligen mittleren Längsträgerabschnitt (5, 15) mit einem geschlossenen Querschnittsprofil aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Längsanordnung einer Kraftfahrzeugkarosserie mit zumindest einem, sich in Fahrzeuglängsrichtung (x) erstreckenden Längsträger.
Hintergrund
Selbsttragende Kraftfahrzeugkarosserien weisen eine Reihe von sich typischerweise in Fahrzeuglängsrichtung (x) und in Fahrzeugquerrichtung (y) erstreckenden Tragstrukturkomponenten auf. Gängige Längsträgeranordnungen weisen typischerweise zwei parallel zueinander und sich jeweils in Fahrzeuglängsrichtung (x) erstreckenden Längsträger auf. Die Längsträger erstrecken sich hierbei von einem im Frontbereich des Kraftfahrzeugs vorgesehenen Stoßfängerquerträger bis zum Heckbereich eines Kraftfahrzeugs.
Gängige Längsträger weisen einen vorderen Längsträgerabschnitt auf, welcher sich, bezogen auf die Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs F vor einer Stirnwand der Kraftfahrzeugkarosserie befindet. Angrenzend an die Stirnwand bzw. im Übergangsbereich von einer Fahrzeugfront in den mittleren Bereich des Kraftfahrzeugs, in welchem sich die Fahrgastzelle befindet, ist ein mittlerer Längsträgerabschnitt vorgesehen, welcher an zumindest einen hinteren Längsträgerabschnitt angrenzt, der sich im Bereich eines Bodenblechs, typischerweise unterhalb der Fahrgastzelle erstreckt. Insbesondere im Bereich des mittleren Längsträgerabschnitts, welcher oftmals einen Höhenversatz zwischen vorderem und hinterem Längsträgerabschnitt ausgleicht kann eine Y-artige Verzweigung vorgesehen sein.
Insbesondere kann sich der mittlere Längsträgerabschnitt, in Fahrzeugquerrichtung (y) betrachtet, in zwei nach hinten, der Fahrtrichtung entgegengesetzte Längsstrukturen, wie zum Beispiel in ein innenliegendes Tunnelrandprofil und in einen außenliegenden hinteren Längsträgerabschnitt aufteilen. Hierdurch kann eine gute mechanische Lastverteilung sowie ein hohes Maß an Verwindungssteifigkeit für die Karosserie erreicht werden.
Zur Einhaltung stets strenger werdender Abgasnormen als auch zur Verbesserung der CO₂-Bilanz von Kraftfahrzeugen ist es erstrebenswert, den Kraftstoffverbrauch von Kraftfahrzeugen und hierfür insbesondere auch das Kraftfahrzeuggewicht zu senken. Für den Karosseriebau ist man stets bestrebt, das Gewicht der Karosserie unter Beibehaltung oder sogar unter Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Karosserie zu senken. Dies soll möglichst mit geringerem Fertigungsaufwand und geringeren Fertigungskosten einhergehen.
Aus der DE 10 2011 051 965 A1 ist zum Beispiel ein Verfahren zur Herstellung eines rohrförmigen Strukturbauteils für ein Kraftfahrzeug bekannt. Hierbei wird zunächst eine metallische Platine umfangsseitig beschnitten und dann in mindestens einem Umformschritt zu einem Rohrkörper mit einander gegenüberliegenden randseitigen Kontaktbereichen verformt. Mittels Innenhochdruck wird der Rohrkörper dann zum Strukturbauteil endgeformt, anschließend partiell erwärmt und dann in einem mit Kühlmittel beaufschlagbaren Haltewerkzeug abgeschreckt.
Derartig zu einem Rohrkörper verformte Strukturbauteile weisen herstellungsbedingt einen seitlich abragenden Flansch auf. Auch bei anderen Herstellungsverfahren und Karosseriebauweisen, bei welchen Tragstrukturkomponenten in Schalenbauweise gefertigt und mittels einander überdeckenden Flanschabschnitten verbunden werden, entstehen zwangsläufig Materialdopplungen, die zum Gesamtgewicht des Kraftfahrzeugs beitragen. Karosserien mit Karosseriekomponenten, die in herkömmlicher Schalenbauweise aus tiefgezogenen Blechen gefertigt sind, weisen für die strukturelle Verbindung der Blechschalen vielfach Schweißflansche auf, die zu einer Gewichtserhöhung der Karosserie beitragen.
Einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine unter Gewichtsaspekten optimierte und verbesserte Kraftfahrzeugkarosserie bereitzustellen, die die Verwirklichung eines geringeren Fahrzeuggesamtgewichts ermöglicht, die eine hohe Lebensdauer und ein hohes Maß an Dauerhaltbarkeit aufweist, die besonders einfach, fertigungsrationell und kostengünstig realisierbar ist und die ferner ein hohes Maß an mechanischer Stabilität und Verwindungssteifigkeit aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen
Diese Aufgabe wird mit einer Längsträgeranordnung einer Kraftfahrzeugkarosserie gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1, mit einer Kraftfahrzeugkarosserie nach Anspruch 11, einem Kraftfahrzeug gemäß Patentanspruch 12 sowie mit einem Verfahren zur Herstellung einer Längsträgeranordnung gemäß Patentanspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind dabei jeweils Gegenstand abhängiger Patentansprüche.
Die insoweit vorgesehene Längsträgeranordnung einer Kraftfahrzeugkarosserie weist zumindest einen, sich in Fahrzeuglängsrichtung (x) erstreckenden Längsträger auf. Typischerweise weist die Längsträgeranordnung zwei, sich in etwa parallel zueinander erstreckender Längsträger, nämlich einen der linken Fahrzeugseite und an der rechten Fahrzeugseite zugeordneten Längsträger auf. Die beiden Längsträger der Längsträgeranordnung sind typischerweise in Fahrzeugquerrichtung (y) voneinander beabstandet angeordnet. Der zumindest eine Längsträger der Längsträgeranordnung weist einen einteiligen mittleren Längsträgerabschnitt auf, welcher sich in Fahrzeuglängsrichtung (x) nach hinten dem Heck zugewandt betrachtet, in zwei Arme verzweigt. Zudem weist der mittlere Längsträgerabschnitt ein geschlossenes Querschnittsprofil auf.
Indem der mittlere Längsträgerabschnitt eine einteilige, ein geschlossenes Querschnittsprofil aufweisende und zudem noch verzweigende geometrische Struktur aufweist, ist der mittlere Längsträgerabschnitt insbesondere flanschfrei und somit gewichtsoptimiert ausgestaltet. Insbesondere kann der mittlere Längsträgerabschnitt als Formteil ausgestaltet sein. Demgemäß kann der mittlere Längsträgerabschnitt nahezu jegliche geometrische Ausgestaltung aufweisen und kann sowohl im Hinblick auf eine Bauraumoptimierung, als auch auf eine besonders günstige und für den Einzelfall geforderte mechanische Lastverteilung und Lasteinleitung in geometrischer Hinsicht den Lastanforderungen entsprechend optimiert ausgelegt sein.
Insbesondere durch die einteilige Ausgestaltung des mittleren Längsträgerabschnitts sind in diesem Bereich keinerlei Verbindungs- oder Schweißflansche vorzusehen, die auch stets eine Schwächung des entsprechenden Strukturbauteils, entweder in mechanischer oder in korrosiver Hinsicht darstellen könnten. Die einteilige und verzweigende Ausgestaltung des mittleren Längsträgerabschnitts ist insoweit nicht nur aus Gewichtsgründen, sondern auch im Hinblick auf eine lange Lebensdauer des Längsträgerabschnitts, mithin des gesamten Längsträgers, vorteilhaft.
Nach einer Weiterbildung ist der mittlere Längsträgerabschnitt mittels eines vorderen Anbindungsabschnitts mit einem in Verlängerung hierzu ausgerichteten vorderen Längsträgerabschnitt strukturell verbindbar. Der mittlere Längsträgerabschnitt weist jenen vorderen Anbindungsabschnitt auf. Dieser ist mit einem hinteren, typischerweise der Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs abgewandten Endabschnitt eines vorderen Längsträgerabschnitts strukturell verbindbar.
Durch die strukturelle Verbindung von vorderen Längsträgerabschnitt und mittleren Längsträgerabschnitt können die im Bereich des vorderen Längsträgerabschnitts aufgenommen mechanischen Lasten in Fahrzeuglängsrichtung in den mittleren Längsträgerabschnitt abgeleitet und über die verzweigende Struktur des mittleren Längsträgerabschnitts in in Fahrzeuglängsrichtung (x) hieran angrenzende hintere Längsträgerabschnitte abgeleitet werden. Indem der mittlere Längsträgerabschnitt einteilig und mit geschlossenem Querschnittsprofil ausgestaltet ist, können im Frontbereich des Kraftfahrzeugs aufgenommene Lasten besonders gut in mehrere hintere Längsträgerabschnitte aufgeteilt sowie ab- und weitergeleitet werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der mittlere und/oder der vordere Längsträgerabschnitt aus einem rohrförmigen Rohling geformt. Ein extrudierter, gewalzter oder anderweitig hergestellter rohrförmiger Rohling weist naturgemäß keinerlei nach außen abragende Flanschabschnitte oder dergleichen Verbindungsstellen auf, sodass der aus dem rohrförmigen Rohling geformte vordere und/oder mittlere Längsträgerabschnitt keinerlei nach außen abragende Flanschabschnitte aufweist. Der entsprechende vordere und/oder mittlere Längsträgerabschnitt kann hierdurch weitgehend flanschfrei und somit gewichtsoptimiert ausgebildet werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der mit dem vorderen Längsträgerabschnitt verbindbare vordere Anbindungsabschnitt des mittleren Längsträgerabschnitts durch Umbiegen des Rohlings unter oder zur Bildung einer Biegestelle gebildet. Der vordere Anbindungsabschnitt, mithin der gesamte mittlere Längsträgerabschnitt ist schließlich durch ein sich hieran anschließendes temperiertes Innenhochdruckumformen der Biegestelle bzw. des gesamten umgebogenen Rohlings gebildet.
Herstellungstechnisch wird der umgebogene Rohling hierzu in einer für das temperierte Innenhochdruckumformen vorgesehene Form eingelegt und auf eine für die Umformoperation vorgegebene erhöhte Temperatur aufgeheizt. Als Wirkmedium für das temperierte Innenhochdruckumformen wird hierbei vorzugsweise ein gasförmiges Medium verwendet, sodass der mittlere Längsträgerabschnitt in nur einem einzigen Verformungsschritt endgeformt werden kann. Durch Einsatz eines gasförmigen Wirkmediums ist zudem keinerlei Wasch- oder Reinigungsvorgang des geformten mittleren Längsträgerabschnitts erforderlich. Zudem fallen für jenen Fertigungs- und Umformprozess vergleichsweise geringe Werkzeugkosten an und es sind vergleichsweise kurze Taktzyklen realisierbar, die eine besonders fertigungsrationelle Produktion derartiger Strukturkomponenten der Kraftfahrzeugkarosserie ermöglichen.
Mittels temperiertem Innenhochdruckumformen oder dem sogenannten Heatforming ist es möglich, aus einem rohrförmigen zu einer Biegestelle mit zwei angrenzenden Schenkeln umgebogenen rohrförmigen Rohling einen vorderen Anbindungsabschnitt eines mittleren Längsträgerabschnitts zu bilden, welcher einteilig, mit geschlossenem Querschnittsprofil ausgebildet und zudem in Fahrzeuglängsrichtung (x) Y-artig oder gabelartig verzweigt.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist der mittlere Längsträgerabschnitt ausgehend vom vorderen Anbindungsabschnitt ein sich in Längsrichtung kontinuierlich erweiterndes Außenquerschnittsprofil auf. Eine rechte Außenseite des Anbindungsabschnitts des mittleren Längsträgerabschnitts geht dabei in eine rechte Außenseite eines rechten Arms des mittleren Längsträgerabschnitts über. Dementsprechend geht auch eine linke Außenseite des vorderen Anbindungsabschnitts in die linke Außenseite eines linken Arms des mittleren Längsträgerabschnitts über.
Durch das sich kontinuierlich erweiternde Außenquerschnittsprofil kann eine besonders gute mechanische Lasteinleitung und Lastableitung erfolgen. Im Übergangsbereich zwischen dem vorderen Anbindungsabschnitt zu den sich in Längsrichtung erstreckenden hinteren Armen weist der mittlere Längsträgerabschnitt eine sich etwa fächerartig bzw. konisch oder trichterartig erweiternde Querschnittskontur auf, die nach hinten, dem Fahrzeugheck zugewandt, in den beiden nach Innen und nach Außen ragenden Armen mündet, welche in Fahrzeugquerrichtung (y) voneinander beabstandet sind. Dadurch, dass die in Fahrzeugquerrichtung (y) liegenden Außenseiten des vorderen Anbindungsabschnitts kontinuierlich und einteilig in die Außenseiten der nach hinten ragenden Arme übergehen, kann eine besonders stabile und mechanische belastbare geometrische Struktur für den Längsträger bereitgestellt werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung sind die jeweils mit einem hinteren Längsträgerabschnitt verbindbaren Arme des mittleren Längsträgerabschnitts aus voneinander abgewandten Endabschnitten des rohrförmigen Rohlings gebildet. Die Arme werden durch temperiertes Innenhochdruckformen der Schenkel gebildet, die über die Biegestelle des umgebogenen Rohlings ineinander übergehenden. Hierdurch ist eine einteilige Ausgestaltung der in der späteren Einbaulage dem Kraftfahrzeugheck zugewandten Arme des mittleren Längsträgerabschnitts möglich. Die einteilige Bauweise und geometrische Ausgestaltung des mittleren Längsträgerabschnitts, welche durch Biegen des rohrförmigen Rohlings und durch anschließendes temperiertes Innenhochdruckumformen ermöglicht wird, kann zudem die Gesamtbauteilanzahl für die Karosserie reduzieren. Insoweit kann die einteilige Ausgestaltung des mittleren Längsträgerabschnitts dazu beitragen, den Fertigungs- und Logistikaufwand für den Karosseriebau zu verringern.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der mittlere Längsträgerabschnitt naht- und fügestellenfrei ausgestaltet. Insbesondere weist der mittlere Längsträgerabschnitt keinerlei Verbindungsnähte oder Verbindungsflanschabschnitte auf. Eine fügestellenfreie Ausgestaltung meint hierbei, dass der mittlere Längsträgerabschnitt mit Ausnahme vorderer und/oder hinterer Anbindungsabschnitte, welche zum strukturellen Verbinden mit angrenzenden vorderen und hinteren Längsträgerabschnitten notwendigerweise vorzuhalten sind, keinerlei Anbindungs- bzw. Verbindungsstellen aufweist, wie dies typischerweise bei vergleichbaren und in herkömmlicher Schalenbauweise ausgebildeten Längsträgerabschnitten der Fall ist. Die naht- und fügestellenfreie Ausgestaltung des Längsträgerabschnitts zwischen vorderen und hinteren Anbindungsabschnitten ermöglicht eine Material-, Gewichts- und Kostenreduzierung für die Herstellung derartiger Längsträger.
Nach einer weiteren Ausgestaltung sind die Arme des mittleren Längsträgerabschnitts jeweils mit einem, sich in Verlängerung zum jeweiligen Arm erstreckenden hinteren Längsträgerabschnitt des Längsträgers verbindbar. Der zumindest eine Längsträger der Längsträgeranordnung kann insoweit drei- bzw. vierteilig ausgestaltet sein. Nach vorn, der Kraftfahrzeugfront zugewandt, kann der Längsträger einen vorderen Längsträgerabschnitt aufweisen, der mit dem vorderen Anbindungsabschnitt des mittleren Längsträgerabschnitts strukturell verbunden ist. Nach hinten kann der verzweigende mittlere Längsträgerabschnitt jeweils mit einem linken und mit einem rechten hinteren Längsträgerabschnitt strukturell verbunden sein und demgemäß den durch den Längsträger gebildeten längserstreckten Lastpfad in zwei Arme aufzweigen, die in Richtung zum Fahrzeugheck betrachtet in einen inneren und in einen äußeren hinteren Längsträgerabschnitt münden. Durch die gabelartige bzw. Y-artige Verzweigung des Längsträgers können mechanische Lasten gleichmäßig in die Karosserie abgeleitet und verteilt werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist zumindest einer von vorderem und hinterem Längsträgerabschnitt als Extrusionsbauteil mit einem geschlossenen Querschnittsprofil ausgestaltet. Beispielsweise können beide hinteren Längsträgerabschnitte als Extrusionsbauteil mit einem in Längsrichtung kontinuierlichem Querschnittsprofil ausgebildet sein. Es ist hierbei denkbar, dass hintere Längsträgerabschnitte zumindest einen, sich z. B. über die Länge des gesamten hinteren Längsträgerabschnitts erstreckenden Flanschabschnitt aufweisen, über welchen der hintere Längsträgerabschnitt mit weiteren Komponenten der Kraftfahrzeugkarosserie verbindbar ist.
Es ist ferner denkbar, dass zumindest einer von vorderem und hinterem Längsträgerabschnitt aus einem rohrförmigen Rohling gebildet ist, welcher mittels temperiertem Innenhochdruckumformen endgeformt ist. Auf diese Art und Weise können nahezu beliebige geometrische Konturen und Ausgestaltungen verwirklicht werden, da mittels temperiertem Innenhochdruckumformen vergleichsweise hohe Umformgrade realisierbar sind.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der mittlere Längsträgerabschnitt mit seinem vorderen Anbindungsabschnitt und/oder mit zumindest einem hinteren Anbindungsabschnitt, welcher jeweils am Ende der Arme vorgesehen ist, mit dem jeweils angrenzenden vorderen Längsträgerabschnitt und/oder hinteren Längsträgerabschnitt steckverbindbar. Miteinander korrespondierende Anbindungsabschnitte von mittlerem Längsträgerabschnitt, vorderem Längsträgerabschnitt und hinterem Längsträgerabschnitt können eine für eine Steckverbindung jeweils geeignete Querschnittskontur aufweisen.
Beispielsweise kann der vordere Anbindungsabschnitt des mittleren Längsträgerabschnitts ein kastenförmiges bzw. rechteckiges Querschnittsprofil aufweisen, wobei das freie Ende des Anbindungsabschnitts quasi nach innen verprägt als Einsteckabschnitt ausgebildet ist, welcher in einen hinteren Endabschnitt des vorderen Längsträgerabschnitts vollständig einführbar ist. Gegenüber dem vorderen Anbindungsabschnitt des mittleren Längsträgerabschnitts kann der hintere Endabschnitt des vorderen Längsträgerabschnitts entweder zur Aufnahme des mittleren Längsträgerabschnitts aufgeweitet sein, oder aber der vordere Anbindungsabschnitt des mittleren Längsträgerabschnitts kann einen für das Einstecken in den vorderen Längsträgerabschnitt reduzierten Außenquerschnitt aufweisen.
Hierfür erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Anbindungsabschnitt des mittleren Längsträgerabschnitts im Zuge des temperierten Innenhochdruckumformens seine für die Steckverbindung mit dem vorderen Längsträgerabschnitt geforderte geometrische Ausgestaltung erhält. Ein gesonderter Präge- oder sonstiger Umformprozess zur Herbeiführung einer Steckverbindung kann auf diese Art und Weise von Vorteil entfallen. Ferner ermöglicht die steckverbindbare Ausgestaltung miteinander korrespondierender Endabschnitte und Anbindungsabschnitte von vorderem Längsträgerabschnitt, mittlerem Längsträgerabschnitt und hinterem Längsträgerabschnitt eine besonders einfache und intuitive Fertigung sowie einen dementsprechend einfachen Zusammenbau des Längsträgers.
Nach einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass zumindest einer der Abschnitte des Längsträgers, nämlich vorderer Längsträgerabschnitt, mittlerer Längsträgerabschnitt und/oder hinterer Längsträgerabschnitt aus einem Leichtmetall, etwa aus Aluminium oder Magnesium oder entsprechenden Aluminium- oder Magnesiumlegierungen gebildet ist. Ergänzend oder alternativ hierzu ist denkbar, dass zumindest ein Abschnitt des Längsträgers aus einem Stahlwerkstoff gebildet ist. Leichtbaumetalle, wie zum Beispiel Aluminium oder Magnesium eignen sich besonders gut für das temperierte Innenhochdruckumformen.
Bei Verwendung von Aluminium oder Aluminiumlegierungen ist das entsprechende Bauteil bzw. der Rohling auf eine Temperatur im Bereich zwischen 200°C und 300°C, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 200°C und 230°C aufzuheizen. Bei Verwendung von Stahlbauteilen sind hingegen Temperaturen im Bereich von 800°C bis 900°C für das temperierte Innenhochdruckumformen zu realisieren. Die für den Verformungsvorgang zu realisierenden Drücke für das Wirkmedium variieren stark mit der Art und Wandstärke des jeweils vorgesehenen Materials.
Nach einem weiteren Aspekt ist schließlich eine Kraftfahrzeugkarosserie vorgesehen, die zumindest eine zuvor beschriebene Längsträgeranordnung aufweist. Typischerweise weist die Kraftfahrzeugkarosserie zwei symmetrisch zueinander ausgestaltete und parallel zueinander verlaufende Längsträgeranordnungen auf, die über zumindest einen, typischerweise über mehrere in Fahrzeuglängsrichtung (x) voneinander beabstandete Querträger strukturell miteinander verbunden sind.
Nach alledem ist ferner ein Kraftfahrzeug vorgesehen, welches zumindest eine zuvor beschriebene Längsträgeranordnung aufweist.
Schließlich ist ein Verfahren zur Herstellung einer Längsträgeranordnung mit den folgenden Schritten vorgesehen:

– Bereitstellen eines rohrförmigen Rohlings,
– Biegen des Rohlings zur Bildung eines gebogenen Rohlings mit zwei Schenkeln, die über eine Biegestelle ineinander übergehen, und
– temperiertes Innenhochdruckumformen des gebogenen Rohlings zur Bildung des mittleren Längsträgerabschnitts.

Durch Biegen des Rohlings und durch das nachfolgende temperierte Innenhochdruckumformen kann die Biegestelle nach vorn, der Kraftfahrzeugfront zugewandt, ausgetrieben und zu einem vorderen Anbindungsabschnitt des mittleren Längsträgerabschnitts umgeformt werden. Der hierdurch gebildete vordere Anbindungsabschnitt kann eine nach innen oder nach außen von der angrenzenden Außenkontur versetzten Einsteck- oder Aufnahmeabschnitt für das hiermit steckverbindbare hintere Ende des vorderen Längsträgerabschnitts aufweisen. Die Realisierung und geometrische Ausgestaltung jenes vorderen Anbindungsabschnitts kann mittels des temperierten Innenhochdruckumformprozesses, so etwa durch entsprechende Auslegung des Formwerkzeugs nahezu kostenneutral erhalten werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung wird der auf eine vorgegebene Temperatur erwärmte gebogene Rohling mittels eines in das Innere des Rohlings eingeleiteten gasförmigen Wirkmediums umgeformt. Anders als beim Hydroforming, welches mit flüssigen Wirkmedien arbeitet, sind beim temperierten Innenhochdruckumformen vergleichsweise geringe Innendrücke bereitzustellen, was sich vorteilhaft auf Produktions- und Werkzeugkosten auswirkt. Durch Verwendung eines gasförmigen Wirkmedium sind die endgeformten Komponenten auch nicht zwingend einer Reinigungsprozedur zu unterziehen, wodurch Taktzeiten verkürzt und die Fertigungsrationalität weiter gesteigert werden kann.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist ferner vorgesehen, dass zur Bildung der für die linke und rechte Fahrzeugseite vorgesehenen vorderen Längsträger ein einziger rohrförmiger Rohling z. B. durch temperiertes Innenhochdruckumformen zumindest partiell bzw. bereichsweise umgeformt und im Bereich einer Verformungsstelle, etwa im Bereich einer Querschnittsaufweitung in einen linken und in einen rechten vorderen Längsträger separiert wird. Mittels dem temperierten Innenhochdruckumformen kann ein rohrförmiger Rohling in symmetrischer Art und Weise verformt werden, sodass durch Separieren des Rohlings, in etwa im Bereich einer Symmetrieachse, zwei zueinander symmetrisch ausgestaltete linke und rechte vordere Längsträger gebildet werden können. Mit nur einem einzigen Innenhochdruckumformwerkzeug können auf diese Art und Weise zwei verschiedene, für die linke und rechte Fahrzeugseite vorgesehene Karosseriebauteile gefertigt werden.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Ziele, Merkmale sowie vorteilhafte Ausgestaltungen werden in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht eines Kraftfahrzeugs,
2 eine perspektivsche Darstellung einer Längsträgeranordnung der Kraftfahrzeugkarosserie von schräg unten und vorn betrachtet,
3 eine isolierte perspektivische Darstellung eines vorderen Längsträgerabschnitts,
4 eine schematische Darstellung eines endgeformten rohrförmigen Rohlings zur Bildung linker und rechter vorderer Längsträgerabschnitte,
5 eine perspektivische Darstellung eines endgeformten mittleren Längsträgerabschnitts,
6 eine weitere Darstellung des mittleren Längsträgerabschnitts gemäß 5 mit abgeschnittener Kappe,
7 eine perspektivische Darstellung eines rohrförmigen Rohlings,
8 eine Darstellung des gebogenen Rohlings vor einem temperierten Innenhochdruckumformprozess,
9 einen endgeformten mittleren Längsträgerabschnitt gemäß 5 aus einer anderen Perspektive von schräg hinten,
10 eine isolierte Darstellung eines äußeren hinteren Längsträgerabschnitts,
11 eine isolierte Darstellung eines inneren hinteren Längsträgerabschnitts,
12 eine isolierte Darstellung des sich in Fahrzeuglängsrichtung (x) und Fahrzeugquerrichtung verzweigenden linken Längsträgers der Längsträgeranordnung und
13 ein Flussdiagram eines Verfahrens zur Herstellung einer Längsträgeranordnung.
Detaillierte Beschreibung
Das in schematisch in Seitenansicht in 1 gezeigte Kraftfahrzeug 1 weist eine selbsttragende Kraftfahrzeugkarosserie 2 mit einer in 2 perspektivisch von schräg unten gezeigten Längsträgeranordnung 3 auf.
Die Längsträgeranordnung 3 weist einen linken Längsträger 11 sowie einen in Fahrzeugquerrichtung (y) hiervon beabstandeten, sich parallel hierzu erstreckenden rechten Längsträger 12 auf. Linker und rechter Längsträger 11, 12 sind, wie in 2 gezeigt, im Bereich der Kraftfahrzeugfront über einen sich im Wesentlichen in Fahrzeugquerrichtung (y) erstreckenden Stoßfängerquerträger 10 strukturell miteinander verbunden. Der in 1 lediglich schematisch angedeutete linke Längsträger 11 weist einen vorderen Längsträgerabschnitt 4, einen hieran in Fahrzeuglängsrichtung (x) angrenzenden mittleren Längsträgerabschnitt 5 sowie zwei an den mittleren Längsträgerabschnitt 5 angrenzende und in Verlängerung des mittleren Längsträgerabschnitts ausgebildete nach hinten entgegen der Fahrtrichtung F ragende hintere Längsträgerabschnitte 6, 7 auf.
Der rechte Längsträger 12 ist dementsprechend aufgebaut. Auch er weißt einen vorderen Längsträgerabschnitt 14, einen mittleren Längsträgerabschnitt 15 sowie zwei hintere Längsträgerabschnitte 16, 17 auf. In 2 ist ferner eine die Fahrgastzelle 8 von einem Motorraum trennende Stirnwand 9 gezeigt. An der nach vorn gerichteten Außenseite der Stirnwand 9 entlang verläuft der nach hinten und schräg nach unten bereichsweise geneigt ausgestaltete mittlere Längsträgerabschnitt 5, 15 der beiden Längsträger 11, 12.
Der mittlere Längsträgerabschnitt 5, 15 verzweigt in Fahrzeuglängsrichtung (x) betrachtet in zwei in Fahrzeugquerrichtung (y) voneinander beabstandete Arme 21, 23, wie dies in den 5 und 6 gezeigt ist.
Nach vorn, in Fahrtrichtung F des Kraftfahrzeugs 1, gehen die beiden Arme 21, 23 in einen Verzweigungsabschnitt 20 des mittleren Längsträgerabschnitts 5 über. Ein vorderer Endabschnitt jenes Verzweigungsabschnitts 20 ist als vorderer Anbindungsabschnitt 22 des mittleren Längsträgerabschnitts 5 ausgestaltet. in diesem Bereich ist ein nach innen versetzter bzw. querschnittverjüngter Einsteckabschnitt 28 ausgebildet, mittels welchem der mittlere Längsträgerabschnitt 5 in ein hiermit korrespondierend ausgebildeten hinteren Endabschnitt 4b des in 3 gezeigten vorderen Längsträgerabschnitts 4 einführbar ist.
Der zur angrenzenden Außenkontur nach innen abgestufte und am vorderen Anbindungsabschnitt 22 ausgebildete Einsteckabschnitt 28 des mittleren Längsträgerabschnitts 5 ermöglicht eine Steckverbindung von vorderem Längsträgerabschnitt 4 und mittlerem Längsträgerabschnitt 5.
Die hinteren Anbindungsabschnitte 24, 26 der beiden Arme 21, 23 des mittleren Längsträgerabschnitts 5 sind jeweils mit einem hinteren Längsträgerabschnitt 6, 7 verbindbar. Auch hier können im Bereich der hinteren Anbindungsabschnitte 24, 26 Einsteckabschnitte 28 ausgebildet sein, die eine Steckverbindung von mittlerem Längsträgerabschnitt 5 und in Fahrzeuglängsrichtung hieran angrenzenden hinteren Längsträgerabschnitten 6, 7 ermöglichen.
Der mittlere Längsträgerabschnitt 5, 15 ist einteilig mit einem geschlossenen Querschnittsprofil ausgebildet und verzweigt ausgehend von einem vorderen Anbindungsabschnitt 22 über den Verzweigungsabschnitt 20 einteilig in die beiden nach hinten ragenden Arme 21, 23. Der in Kraftfahrzeugquerrichtung (y) äußere Arm 21 ragt bezogen auf die Fahrzeuggeometrie und die Fahrtrichtung F nach hinten und nach außen, während der innenliegende Arm 23 nach innen zum Mitteltunnel einer hier nicht explizit gezeigten Bodenstruktur ragt. Der am innenliegenden Arm 23 befestigbare hintere und innere Längsträgerabschnitt 7 kann hierbei als Mitteltunnelverstärkungsprofil fungieren.
Der einteilig ausgestaltete mittlere Längsträgerabschnitt kann insbesondere nach- und fügestellenfrei, insbesondere anbindungsflanschfrei ausgestaltet sein. Hierdurch ist eine Gewichts- und Materialeinsparung möglich. Zudem kann durch die einteilige Ausgestaltung des mittleren Längsträgerabschnitts eine Bauteilreduzierung erreicht werden, mittels derer die Herstellungs- und Montagekosten gesenkt werden können.
In fertigungstechnischer Hinsicht ist vorgesehen, den mittleren Längsträgerabschnitt 5, 15 aus einem in 7 isoliert gezeigten rohrförmigen Rohling 40 zu bilden. Der Rohling 40 weist gegenüberliegende Endabschnitte 40a, 40b auf. In einem ersten Schritt, welcher durch einen Vergleich der Darstellungen gemäß 7 und 8 deutlich wird, wird der Rohling 40 zur Bildung einer Biegestelle 43 umgebogen. Der vormalige Endabschnitt 40a geht hierbei in einen Außenschenkel 42 über, während der Endabschnitt 40b in einen Innenschenkel 41 übergeht. Der auf diese Art und Weise gebogene Rohling 44 wird alsdann in ein vorliegend nicht gezeigtes Umformwerkzeug eingelegt. Mittels diesem wird der gebogene Rohling 44 in den mittleren Längsträgerabschnitt 5 endgeformt. Jene finale Umformung erfolgt in Form eines temperierten Innenhochdruckumformprozesses, wobei insbesondere ein gasförmiges Wirkmedium in die offenen Enden von Innen- und/oder Außenschenkel 41, 42 eingeleitet wird. Der Druck des Wirkmediums verformt den Rohling in die vom Umformwerkzeug vorgegebene Kontur.
Die vormalige Biegestelle 43 wird mittels des temperierten Innenhochdruckumformverfahrens in den trichterartig verlaufenden Verzweigungsabschnitt 20 mit dem vorderen Anbindungsabschnitt 22 umgeformt. Der auf diese Art und Weise in einem einzigen Umformschritt erhältliche mittlere Längsträgerabschnitt 5, wie dieser in 5 gezeigt ist, kann stirnseitig am vorderen Anbindungsabschnitt 22 eine Kappe 30 aufweisen, die optional zur Bildung einer Öffnung 32 abgeschnitten werden kann.
Im Zuge des temperierten Innenhochdruckumformens können im Bereich sowohl der hinteren Anbindungsabschnitte 24, 26 als auch im Bereich des vorderen Anbindungsabschnittes 22 Einsteckabschnitte 28 bzw. hiermit korrespondierende querschnittserweiterte Aufnahmeabschnitte für das Verbinden mit angrenzenden Längsträgerabschnitten nahezu kostenneutral gebildet werden.
Die hinteren Längsträgerabschnitte 6, 7, wie sie in den 10 und 11 jeweils isoliert gezeigt sind, können im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Extrusionsbauteile mit in Längsrichtung kontinuierlichem Querschnittsprofil gefertigt sein. Beispielsweise weist der äußere hintere Längsträgerabschnitt 6 einen L-förmig ausgestalteten, von einem geschlossenen, in etwa kasten- oder rechteckigen Querschnitt des Längsträgers 6 abragenden Flansch 33 auf. Jener Flansch 33 kann beispielsweise an eine innere Schwellerstruktur angrenzen und aufgrund seines schrägen Verlaufs zur Oberseite der ansonsten rohrförmigen Kontur des hinteren Längsträgerabschnitts 6 eine verbesserte Kraftaufnahme bzw. Kraftübertragung bei Einwirkung von nach innen in Fahrzeugquerrichtung (y) wirkenden Kräften bieten.
Auch der innere hintere Längsträgerabschnitt 7 kann zwei Flanschabschnitte 34, 36 aufweisen. Der in 11 untenliegende und quasi eine Verlängerung des Bodens des Längsträgerabschnitts 7 bildende Flanschabschnitt 36 kann der Befestigung eines Bodenblechs dienen, während der gegenüberliegend hierzu an der Oberseite und nach innen ragende weitere Flanschabschnitt 34 für die Befestigung eines Mitteltunnels vorgesehen sein kann. Die Oberseite 35 des hinteren Längsträgerabschnitts 7 kann der Befestigung von Sitzschienen dienen.
In 12 ist die gesteckte Anbindung der beiden hinteren Längsträgerabschnitte 6, 7 an die Arme 21, 23 des mittleren Längsträgerabschnitts 5 gezeigt. Im Bereich der wechselseitigen Anbindung von mittlerem Längsträgerabschnitt 5 und angrenzenden vorderen bzw. hinteren Längsträgerabschnitten 4, 6, 7 sind einzelne Fügestellen 38 exemplarisch gezeigt. Für das Fixieren und Verbinden der einzelnen Komponenten des Längsträgers 11 kommen grundsätzlich diverse Fügeverfahren, so z. B. Schweißen, insbesondere Punktschweißen, Laserschweißen sowie CO₂-Schweißen, Kleben, oder Löten infrage.
Zur strukturellen Verbindung der im Querschnitt geschlossenen Bauteile des Längsträgers 11 mit weiteren am Längsträger 11 anzuordnenden Struktur- oder Anbauteilen kann insbesondere ein Laserschweißprozess vorgesehen werden, der für das Verbinden geschlossener Hohlprofile mit anderweitigen Blechen nur einen vergleichsweise geringen Anpressdruck erfordert.
Zumindest eine der Komponenten des Längsträgers 11, 12, typischerweise der mittlere Längsträgerabschnitt 5, 15, ist aus einem Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung, wie etwa Aluminium, gefertigt, welches für den temperierten Innenhochdruckumformprozess nur eine vergleichsweise geringe Erwärmung, auf etwa 200°C erfordert.
Die vordere, jeweils für die linke und rechte Fahrzeugseite vorgesehenen Längsträgerabschnitte 4, 14 können aus einem einzigen gemeinsamen rohrförmigen Rohling 50 gefertigt und gebildet sein. Ein dementsprechender Rohling 50 ist schematisch in 4 gezeigt. Der Rohling 50 kann eine gebogene und gegebenenfalls auch eine hinsichtlich des Innen- und/oder Außenquerschnitts gegenüber der Grundgeometrie veränderte Verformungsstelle 52 aufweisen. Beispielsweise kann die Verformungsstelle 52 eine Querschnittserweiterung aufweisen. Der Rohling 50 wird, wie in 4 dargestellt, in etwa symmetrisch verformt, sodass mittels Durchtrennen des Rohlings 50 im Bereich der Verformungsstelle 52 zwei symmetrische vordere Längsträgerabschnitte 4, 14 gebildet werden können.
Die hinteren Endabschnitte 4b, 14b von linkem und rechtem vorderen Längsträgerabschnitt 4, 14 sind aufgrund des z. B. für die Verformung vorgesehenen temperierten Innenhochdruckumformens zumindest geringfügig querschnittserweitert ausgestaltet, um z. B. einen im Bereich des vorderen Anbindungsabschnitts 22 des mittleren Längsträgerabschnitts 5 ausgestalteten Einsteckabschnitt 28 aufnehmen zu können. Je nach geometrischer Ausgestaltung des Einsteckabschnitts 28 kann es aber auch für die Bildung der Verformungsstelle 52 ausreichend sein, das Querschnittsprofil des Rohlings 50 in diesem Bereich unverändert zu lassen und den Rohling 50 lediglich im Bereich der Biegung zur Bildung linker und rechter vorderer Längsträgerabschnitte 4, 14 zu separieren.
Jedenfalls können unter Verwendung eines einzigen Umformwerkzeugs zwei symmetrisch zueinander, jeweils für die linke und rechte Fahrzeugseite vorgesehene vordere Längsträgerabschnitte 4, 14 gebildet werden. Die vorderen Endabschnitte 4a, 14a der vorderen Längsträgerabschnitte 4, 14 sind in der Längsträgeranordnung 3 über den Stoßfängerquerträger 10 miteinander verbindbar.
In 13 ist schließlich ein Flussdiagram eines Herstellungsverfahrens zur einer Längsträgeranordnung 3 bzw. zur Herstellung eines Längsträgers 11, 12 gezeigt. In einem ersten Schritt 100 wird ein rohrförmiger Rohling 40 bereitgestellt, welcher in einem nachfolgenden Schritt 102 zunächst in einen gebogenen Rohling 44 umgeformt oder vorgeformt wird. Dieser vorgeformte Rohling 44 wird alsdann in einem weiteren Schritt 104 mittels temperiertem Innenhochdruckumformen zur Bildung des mittleren Längsträgerabschnitts 5, 15 endgeformt. Der so gebildete mittlere Längsträgerabschnitt 5, 15 kann alsdann mit einem vorderen als auch mit hinteren Längsträgerabschnitten 4, 14, 6, 7,16, 17 zur Bildung eines Längsträgers 11, 12 strukturell verbunden werden.
Die dargestellten Ausführungsformen zeigen lediglich mögliche Ausgestaltung der Erfindung zu welcher weitere zahlreiche Varianten denkbar und im Rahmen der Erfindung sind. Die exemplarisch gezeigten Ausführungsbeispiele sind in keiner Weise hinsichtlich des Umfangs, der Anwendbarkeit oder der Konfigurationsmöglichkeiten der Erfindung als einschränkend auszulegen. Die vorliegende Beschreibung zeigt dem Fachmann lediglich eine mögliche Implementierung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels auf. So können an der Funktion und Anordnung von beschriebenen Elementen vielfältigste Modifikationen vorgenommen werden, ohne hierbei den durch die nachfolgenden Ansprüche definierten Schutzbereich oder dessen Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
2: Kraftfahrzeugkarosserie
3: Längsträgeranordnung
4: vorderer Längsträgerabschnitt
4a: vorderer Endabschnitt
4b: hinterer Endabschnitt
5: mittlerer Längsträgerabschnitt
6: hinterer Längsträgerabschnitt
7: hinterer Längsträgerabschnitt
8: Fahrgastzelle
9: Stirnwand
10: Stoßfängerquerträger
11: Längsträger
12: Längsträger
14: vorderer Längsträgerabschnitt
14a: vorderer Endabschnitt
14b: hinterer Endabschnitt
15: mittlerer Längsträgerabschnitt
16: hinterer Längsträgerabschnitt
17: hinterer Längsträgerabschnitt
20: Verzweigungsabschnitt
21: Außenarm
22: vorderer Anbindungsabschnitt
23: Innenarm
24: hinterer Anbindungsabschnitt
26: hinterer Anbindungsabschnitt
28: Einsteckabschnitt
30: Kappe
32: Öffnung
33: Flanschabschnitt
34: Flanschabschnitt
35: Oberseite
36: Flanschabschnitt
38: Fügestelle
40: Rohling
40a: Endabschnitt
40b: Endabschnitt
41: Innenschenkel
42: Außenschenkel
43: Biegestelle
44: gebogener Rohling
50: Rohling
52: Verformungsstelle
F: Fahrtrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011051965 A1 [0006]

Claims

Längsträgeranordnung einer Kraftfahrzeugkarosserie, mit zumindest einem, sich in Fahrzeuglängsrichtung (x) erstreckenden Längsträger (11, 12), welcher einen sich in Fahrzeuglängsrichtung (x) in zwei Arme (21, 23) verzweigenden, einteiligen mittleren Längsträgerabschnitt (5, 15) mit einem geschlossenen Querschnittsprofil aufweist.
Längsträgeranordnung nach Anspruch 1, wobei der mittlere Längsträgerabschnitt (5, 15) mittels eines vorderer Anbindungsabschnitts (22) mit einem in Verlängerung hierzu ausgerichteten vorderen Längsträgerabschnitt (4) strukturell verbindbar ist.
Längsträgeranordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der mittlere und/oder der vordere Längsträgerabschnitt (6, 16, 7, 17, 5, 15) aus einem rohrförmigen Rohling (40) geformt ist.
Längsträgeranordnung nach Anspruch 3, wobei der mit vorderen Längsträgerabschnitt (4) verbindbare vordere Anbindungsabschnitt (22) des mittleren Längsträgerabschnitts (5) durch Umbiegen des Rohlings (40) zur Bildung einer Biegestelle (43) und durch anschließendes temperiertes Innenhochdruckumformen der Biegestelle (43) gebildet ist.
Längsträgeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, wobei der mittlere Längsträgerabschnitt (5) ausgehend vom vorderen Anbindungsabschnitt (22) ein sich in Längsrichtung kontinuierlich erweiterndes Außenquerschnittsprofil aufweist.
Längsträgeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, wobei die jeweils mit einem hinteren Längsträgerabschnitt (6, 7, 16, 17) verbindbaren Arme (21, 23) aus voneinander abgewandten Endabschnitten (40a, 40b) des Rohlings (40) gebildet sind.
Längsträgeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mittlere Längsträgerabschnitt (5, 15) naht- und fügestellenfrei ausgestaltet ist.
Längsträgeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Arme (21, 23) des mittleren Längsträgerabschnitts (5, 15) jeweils mit einem, sich in Verlängerung zum jeweiligen Arm (21, 23) erstreckenden (6, 7, 16, 17) hinteren Längsträgerabschnitt (6, 7, 16, 17) verbindbar sind.
Längsträgeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 8, wobei zumindest einer von vorderem und hinterem Längsträgerabschnitt (4, 14, 6, 7, 16, 17) als Extrusionsbauteil mit einem geschlossenen Querschnittsprofil ausgestaltet ist.
Längsträgeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 9, wobei der mittlere Längsträgerabschnitt (5, 15) mit seinem vorderen Anbindungsabschnitt (22) und/oder mit zumindest einem, der jeweils am Ende der Arme (21, 23) vorgesehenen hinteren Anbindungsabschnitt (24, 26) mit dem jeweils angrenzenden vorderen Längsträgerabschnitt (4, 14) und/oder hinteren Längsträgerabschnitt (6, 7, 16, 17) steckverbindbar ist.
Kraftfahrzeugkarosserie mit einer Längsträgeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Kraftfahrzeug mit einer Längsträgeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10.
Verfahren zur Herstellung einer Längsträgeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, mit den Schritten: – Bereitstellen eines rohrförmigen Rohlings (40), – Biegen des Rohlings (40) zur Bildung eines gebogenen Rohlings (44) mit zwei Schenkeln (41, 42), die über eine Biegestelle (43) ineinander übergehen, – temperiertes Innenhochdruckumformen des gebogenen Rohlings (44) zur Bildung des mittleren Längsträgerabschnitts (5, 15).
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der auf eine vorgegebene Temperatur erwärmte gebogene Rohling (44) mittels eines in das Innere des Rohlings (43) eingeleiteten gasförmigen Wirkmediums umgeformt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 oder 14, wobei zur Bildung der für die linke und rechte Fahrzeugseite vorgesehenen vorderen Längsträgerabschnitt (4, 14) ein einziger rohrförmigen Rohling (50) durch temperiertes Innenhochdruckumformen umgeformt und im Bereich einer Verformungsstelle (52) in einen linken und in einen rechten vorderen Längsträger (4, 14) separiert wird.