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Die Erfindung betrifft ein Stahlgussbauteil, insbesondere für eine Karosserie eines Kraftfahrzeugs, mit einem flächigen, dünnwandigen Grundkörper nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus der BDG-Broschüre „Stahlguss – Herstellung, Eigenschaften, Anwendung” des Bundesverbandes der Deutschen Gießerei-Industrie, die kostenlos über die Internet-Seite
http://www.kug.bdguss.de/publikationen_normen_und_richtlinien/publikationen/ heruntergeladen werden kann, sind die Vorteile von Stahlgussbauteilen bekannt. So steht für Stahlgussbauteile eine große Werkstoffvielfalt zur Auswahl, sodass für den jeweiligen Einsatzzweck ein optimal geeigneter Werkstoff zur Verfügung steht. Diese Flexibilität des Werkstoffs in Verbindung mit der geometrischen Gestaltungsfreiheit ermöglicht Bauteillösungen, die andere Verfahren bzw. Werkstoffe so nicht bieten können. Aufgrund seiner sehr guten Schweißbarkeit ist Stahlguss ein idealer Konstruktionswerkstoff für eine Fülle von Anwendungen, insbesondere im Fahrzeugbau.
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Aus der
WO 2005/056372 A1 ist es bekannt, ein dünnwandiges Stahlgussteil als Karosseriebauteil für eine Tragrahmenstruktur einer selbsttragenden Karosserie eines Kraftfahrzeugs zu verwenden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Stahlgussbauteil für eine Karosserie eines Kraftfahrzeugs zu schaffen, das durch eine hohe Steifigkeit und ein geringes Gewicht gekennzeichnet ist.
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Diese Aufgabe wird mit einem Stahlgussbauteil für eine Karosserie eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß weist eine Karosserie eines Kraftfahrzeugs ein Stahlgussbauteil auf. Dieses Stahlgussbauteil umfasst einen flächigen, dünnwandigen Grundkörper sowie einen insbesondere ringförmigen Anguss. Dieser Anguss ist vorzugsweise im mittleren Bereich auf den flächigen Grundkörper aufgesetzt. Der flächige Grundkörper wird sich dabei nicht nur in einer Ebene erstrecken, sondern wird eine dreidimensionale Form beispielsweise mit Wölbungen aufweisen. Ein ringförmiger Anguss hat üblicherweise die Form eines Zylindermantels oder die Form des Mantels eines Kegelstumpfes. Allerdings muss der Querschnitt des Angusses nicht kreisrund sein, sondern kann auch einen ovalen bzw. elliptischen Querschnitt aufweisen.
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Beim Gießen flächiger, dünnwandiger Stahlgussbauteile besteht die große Schwierigkeit darin, dass beim Gießen das flüssige Material in alle Bereiche des späteren Stahlgussbauteils fließt, bevor es erstarrt. Je dünner die Wandstärke gewählt wird, desto größer ist das Risiko, dass das flüssige Metall zu früh erkaltet, und damit das spätere Bauteil nicht vollständig mit Metall ausfüllt ist. Es ist besonders vorteilhaft, wenn der Anguss ringförmig ist. Hierdurch ist es ermöglicht, dass sich das Material beim Gießen vollständig verteilen kann, bevor es erkaltet. Anders als bei einem punktuellen Anguss ermöglicht der ringförmige Anguss eine wesentlich größere Durchflussmenge des flüssigen Metalls, so dass schneller das flüssige Metall in alle Bereiche strömen kann, bevor es erkaltet. Die Querschnittsfläche des ringförmigen Angusses ist deutlich größer, als es bei einem punktuellen Anguss möglich ist.
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Das Stahlgussbauteil weist zudem eine, insbesondere eine Mehrzahl von Rippen auf, die sich vom Bereich des Angusses entlang dem flächigen Grundkörper erstrecken. Hierdurch kann eine besonders homogene Verteilung des flüssigen Metalls in der Giessform gewährleistet werden.
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Vorteilhafterweise ist der insbesondere ringförmige Anguss zusätzlich über die Rippen am flächigen Grundkörper des Stahlgussbauteils abgestützt. Die Rippen dienen als Fliess- und Erstarrungshilfe beim Gießen und versteifen zugleich das Stahlgussbauteil. Sie ermöglichen das schnelle Verteilen des flüssigen Materials vom Anguss in alle Bereiche des flächigen dünnwandigen Grundkörpers. Idealerweise ist dabei die Form und die Dimensionierung der Rippen topologieoptimiert ausgelegt. Die Rippen sind also so gestaltet, dass sie das flüssige Material optimal in den flächigen Grundkörper einspeisen können. Somit können auch sehr dünnwandige Grundkörper aus Stahlguss hergestellt werden, ohne dass das einströmende Metall zu früh erkaltet und nicht alle Bereiche des späteren Stahlgussbauteils ausfüllt sind.
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Die Gestaltung der Rippen kann dabei bevorzugt auf zwei unterschiedliche Weisen erfolgen. Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung erstrecken sich die Rippen strahlenförmig oder sternförmig von dem ringförmigen Anguss weg nach außen. Die Rippen verlaufen also gerade. Dabei nimmt das Modul der Rippen nach außen hin kontinuierlich ab. Gemäß einer zweiten günstigen Ausgestaltung verlaufen die Rippen bogenförmig. Dabei liegen sie mit einem Endbereich tangential an dem ringförmigen Anguss an, während sich der andere Endbereich der Rippe radial nach außen vom ringförmigen Anguss weg erstreckt. Zwischen den beiden Endbereichen weist die Rippe einen kontinuierlichen, bogenförmigen Verlauf auf. Beide Ausgestaltungen der Rippen ermöglichen eine sehr gute Speisung des flächigen Grundkörpers mit flüssigem Metall während des Gießprozesses.
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Idealerweise sind immer zwei Rippen paarweise zueinander angeordnet, die zumindest abschnittsweise parallel zueinander verlaufen. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass auf diese Weise das flüssige Metall sich sehr gut in dem flächigen dünnwandigen Grundkörper verteilen kann. Beispielsweise verlaufen die beiden Rippen eines Rippenpaares in einem Abstand von ca. 1 bis 3 cm zueinander im parallelen Bereich. Das Modul der Rippen ist dabei im Bereich des ringförmigen Angusses etwa vorteilhafterweise genauso hoch wie der ringförmige Anguss. Dieser kann beispielsweise ca. 1 bis 3 cm hoch gestaltet sein. Nach außen hin weg vom ringförmigen Anguss nimmt das Modul der Rippen ab.
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Bevorzugt weist der flächige Grundkörper des Stahlgussbauteils einen nach oben oder unten gezogenen Randbereich auf. Dieser erhöht die Steifigkeit des Stahlgussbauteils. Bevorzugt ist der gesamte Randbereich des flächigen Grundkörpers umlaufend nach oben oder unten gezogen. Damit kann der flächige Grundkörper beispielsweise eine Form ähnlich einer Suppenschüssel oder einer Glocke aufweisen. Eine solche Form, die noch zusätzlich über topologieoptimierte Rippen verstärkt ist, weist eine außerordentlich hohe Steifigkeit auf. Des Gewicht eines solchen Stahlgussbauteils ist bezogen auf seine Steifigkeit aufgrund der sehr dünnwandigen Gestaltung des Grundkörpers relativ zu seiner Steifigkeit außerordentlich gering. Bei gleicher Steifigkeit können damit solche Stahlgussbauteile deutlich leichter gestaltet werden, als es bei gleich steifen Aluminiumdruckgussbauteilen möglich ist. Alternativ kann das Stahlgussbauteil bei gleichem Gewicht eine wesentlich höhere Steifigkeit als ein vergleichbares Aluminiumdruckgussbauteil aufweisen.
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Idealerweise ist das Stahlgussbauteil verzinkt. Die Zinkschicht stellt einen guten Korrosionsschutz für das Stahlgussbauteil dar. Die Verzinkung beeinträchtigt die Schweißbarkeit des Stahlgussbauteils in keinster Weise.
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Der ringförmige Anguss sowie die topologieoptimierten Rippen, die als Fliess- und Erstarrungshilfe beim Gießen dienen, ermöglichen die Gestaltung eines außerordentlich dünnwandigen Grundkörpers des Stahlgussbauteils. Der Grundkörper kann problemlos dünner als 5 mm gestaltet werden. Sogar Dicken von weniger als 3 mm sind realisierbar. Dies ist auch dann möglich, wenn sich der Grundkörper über eine in eine Ebene projizierte, insbesondere im Wesentlichen kreisförmige, Fläche mit einem Durchmesser von mehr als 100 mm erstreckt. Die Gestaltung mit dem Anguss und den Rippen als Fliess- und Erstarrungshilfe stellt sicher, dass trotzdem beim Gießen der gesamte Grundkörper mit flüssigem Metall gefüllt wird, bevor dieses erstarrt. Günstigerweise ist das Stahlgussbauteil in einem Niederdruck-gussverfahren hergestellt. Dies erfordert wesentlich geringere Investitionskosten als ein Hochdruckgussverfahren. Auch die Herstellung in einem Sandgussverfahren ist möglich.
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Das erfindungsgemäße Stahlgussbauteil eignet sich für viele verschiedene Karosseriebauteile eines Kraftfahrzeugs. Besonders geeignet ist es aber für komplex gestaltete Karosseriebauteile, die hohen Belastungen ausgesetzt sind. Daher eignen sich die erfindungsgemäßen Stahlgussbauteile insbesondere für eine Federbeinaufnahme im Vorderwagen der Karosserie des Kraftfahrzeugs. Wie eine solche Federbeinaufnahme aus einem Stahlgussbauteil ausgebildet sein kann, wird anhand der 3 im Folgenden detailliert erläutert. Alternativ eignet sich ein erfindungsgemäßes Stahlgussbauteil insbesondere auch für einen D-Säulen-Knoten im Dachbereich eines Personenkraftfahrzeugs der Kombinationsbauart. Dieser D-Säulen-Knoten kann einteilig zugleich Anschlüsse für einen Dachseitenrahmen, eine D-Säule und einen Dachquerspriegel aufweisen. Auch bei diesem D-Säulen-Knoten kommen die besonderen Vorteile eines Stahlgussbauteils in hohem Maße zum Tragen. Auch hier wird bezüglich einer möglichen konkreten Ausgestaltung des D-Säulen-Knotens auf die folgenden Figuren verwiesen.
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, anhand derer die Erfindung im Folgenden näher beschrieben wird. Die einzelnen Figuren zeigen in schematischer Darstellungsweise:
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1 eine perspektivische Ansicht eines D-Säulen-Knotens einer Kraftfahrzeugkarosserie,
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2 eine alternative Ausführung des in 1 gezeigten D-Säulen-Knotens,
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3 eine perspektivische Ansicht einer Federbeinaufnahme einer Kraftfahrzeugkarosserie,
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4 eine perspektivische Ansicht der Federbeinaufnahme inkl. Anschnitt,
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5 eine perspektivische Ansicht der Federbeinaufnahme inkl. Entlüftung.
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In 1 ist ein Stahlgussbauteil dargestellt, das als D-Säulen-Knoten 1 einer Karosserie eines Personenkraftfahrzeugs der Kombinationsbauart dient. Der D-Säulen-Knoten 1 verbindet einen Dachseitenrahmen mit einem hinteren Dachquerspriegel und einer D-Säule. Der Dachseitenrahmen bildet die seitliche Begrenzung eines Fahrzeugdachs des Personenkraftfahrzeugs. Er erstreckt sich in Fahrzeuglängsrichtung x vom oberen Ende einer A-Säule entlang des gesamten Fahrzeugdaches bis zu einer hinteren D-Säule. Die D-Säule bildet die seitliche Begrenzung einer Heckklappe des Kombinationsfahrzeugs. Der D-Säulen-Knoten 1 bildet dabei die Verbindung zwischen dem Dachseitenrahmen und der D-Säule. Zugleich stellt er die Verbindung zu einem hinteren Dachquerspriegel her. Der hintere Dachquerspriegel erstreckt sich in Fahrzeugquerrichtung y zwischen dem linken und dem rechten Dachlängsträger. Er dient zur Versteifung und zur Aufnahme der eigentlichen Dachaußenhaut. Zudem bildet der hintere Dachquerspriegel die hintere Begrenzung des Fahrzeugdachs. Typischerweise sind die Scharniere der Heckklappe an dem hinteren Dachquerspriegel angebracht. Der dargestellte – in Fahrtrichtung gesehen – linke D-Säulen-Knoten 1 weist Verbindungsbereiche zum Dachseitenrahmen 2, zur D-Säule 3 sowie zum hinteren Dachquerspriegel 4 auf.
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Der D-Säulen-Knoten 1 ist als Stahlgussbauteil gestaltet. Er besteht einteilig aus einem flächigen, dünnwandigen Grundkörper 5, der eine dreidimensionale Form aufweist, die entsprechend der Funktion des D-Säulen-Knotens 1 gestaltet ist. Dabei weist der Grundkörper 5 eine Dicke von maximal 3 mm auf. Zudem weist der D-Säulen-Knoten 1 einen ringförmigen Anguss 6 sowie mehrere Versteifungsrippen 7 auf. Der flächige Grundkörper 5 bildet die Übergänge zum Dachseitenrahmen 2, zur D-Säule 3 und zum hinteren Dachquerspriegel 4. Im mittleren Bereich auf diesen Grundkörper 5 aufgesetzt befindet sich ein ringförmiger Anguss 6. Er hat die Form eines Zylindermantels mit einem Durchmesser von ungefähr 6 cm und einer Höhe von ca. 2 bis 3 cm. Von diesem ringförmigen Anguss 6 aus erstrecken sich radial nach außen gerade verlaufende Verstärkungsrippen 7, die sich sternförmig von der gedachten Mitte des ringförmigen Angusses 6 aus radial nach außen erstrecken. Die Positionierung und Gestaltung dieser Verstärkungsrippen 7 ist topologieoptimiert gestaltet, denn sie dienen nicht nur zur Versteifung sondern auch als Fliess- und Erstarrungshilfe beim Gießen. Die Verstärkungsrippen 7 sind also funktionsoptimiert genau so gestaltet, dass sie das in den Anguss 6 einfließende, flüssige Metall während des Gießprozesses optimal in alle Bereiche des Stahlgussbauteils verteilen; zudem ermöglichen die Verstärkungsrippen 7 anschliessend auch eine gerichtete Erstarrung des Metalls. Erst durch diese funktionsoptimiert angeordneten Verstärkungsrippen 7 ist die Darstellung des D-Säulen-Knotens 1 als dünnwandiges Stahlgussbauteil möglich. Ohne diese als Fliess- und Erstarrungshilfe dienenden Verstärkungsrippen 7 müsste der Grundkörper 5 wesentlich dicker gestattet werden. Nur aufgrund der als Fliess- und Erstarrungshilfe dienenden Verstärkungsrippen 7 ist eine Wandstärke von maximal 3 mm des Grundkörpers 5 des D-Säulen-Knotens 1 möglich. Darüber hinaus versteifen die Verstärkungsrippen 7 in hohem Maße den D-Säulen-Knoten 1.
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Der D-Säulen-Knoten 1 ist in einem Niederdruck-Sandguss-Verfahren hergestellt worden. Anschließend wurde der gesamte D-Säulen-Knoten 1 vollverzinkt. Diese Verzinkung dient als Korrosionsschutz und behindert die Schweißbarkeit des D-Säulen-Knotens 1 mit angrenzenden Stahl- oder Stahlblechbauteilen der Karosserie in keinster Weise. Die Darstellung des D-Säulen-Knotens 1 als Gussbauteil hat erhebliche Vorteile gegenüber der klassischen Realisierung eines solchen D-Säulen-Knotens in Blechbauweise. Nur in einem Gussbauteil kann eine derart komplexe Geometrie einteilig dargestellt werden. Neben der Reduzierung der Einzelteile geht damit zugleich ein Steifigkeitsgewinn für die Gesamtkarosserie einher. Denn der einteilige gegossene D-Säulen-Knoten 1 weist wesentlich höhere Steifigkeiten auf als ein klassischer D-Säulen-Knoten aus mehreren einzelnen Blechbauteilen. Er ermöglicht zudem die einteilige Integration vieler weiterer Funktions- und Anbauelemente. Anders als bei einem Aluminiumdruckgussknoten muss nicht auf eine galvanische Trennung zu den mit dem D-Säulen-Knoten 1 verbundenen angrenzenden Stahlblechbauteilen geachtet werden. Die Verstärkungsrippen 7 erstrecken sich vom mittig angeordneten, ringförmigen Anguss 6 in fast alle Richtungen bis in die jeweiligen Randbereiche des D-Säulen-Knotens 1. Somit leiten sie beim Gießen das flüssige Metall bis in die äußeren Bereiche des D-Säulen-Knotens 1.
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In 2 ist eine alternative Ausführungsform des bereits beschriebenen D-Säulen-Knotens 1 dargestellt. Miteinander vergleichbare Elemente sind daher zur besseren Vergleichbarkeit mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Gegenüber dem in 1 dargestellten D-Säulen-Knoten weist der hier gezeigte D-Säulen-Knoten 1 zwei wesentliche Unterschiede auf: So weist der in 2 gezeigte D-Säulen-Knoten 1 zusätzlich einen integrierten Anbindungsbereich 10 für ein Scharnier für die Heckklappe auf. Außerdem sind einzelne Flächen 8 des Grundkörpers 5 zwischen zwei benachbarten Verstärkungsrippen 7 nach oben versetzt worden und verbinden somit die oberen Randbereiche dieser Verstärkungsrippen 7. Dabei wechselt sich immer eine nach oben versetzte Fläche 8 mit einer konventionell angeordneten Fläche 9 ab.
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Häufig besteht der Dachseitenrahmen in Schalenbauweise aus einer Blechinnenschale und einer Blechaußenschale, zwischen denen ein Dachrahmen-Verstärkungselement angeordnet ist. Dabei kann diese Blechaußenschale und Blechinnenschale zugleich auch die D-Säule bilden, in der ein Säulen-Verstärkungselement angeordnet ist. In diesem Fall kann das Dachrahmen-Verstärkungselement und das Säulen-Verstärkungselement mit dem D-Säulen-Knoten 1 verbunden sein. Die Blechaußenschale erstreckt sich über den D-Säulen-Knoten 1 hinweg und bildet die von außen sichtbare Außenhaut des Kraftfahrzeugs. Diese Blechaußenschale kann nun an den nach oben versetzten Flächen 8 des D-Säulen-Knotens 1 anliegen, während die Blechinnenschale an den konventionell angeordneten Flächen 9 des D-Säulen-Knotens 1 anliegt.
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In 3 ist eine weitere Verwendung eines erfindungsgemäßen Stahlgussbauteils in einer Karosserie eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Das gezeigte Stahlgussbauteil dient als Federbeinaufnahme 11 im Vorderwagen der Karosserie eines Personenkraftfahrzeugs. Es dient zur Befestigung eines Federbeins der Vorderachse. Dieses wird an den drei umlaufend verteilt angeordneten Durchgangslöchern 12 mit der Federbeinaufnahme 11 verschraubt. Wie auch schon bei den anderen beiden beschriebenen Stahlgussbauteilen weist auch die Federbeinaufnahme 11 einen flächigen, dünnwandigen Grundkörper 13 auf. Im mittleren Bereich ist auf diesen Grundkörper 13 ein ringförmiger Anguss 14 aufgesetzt. Die Randbereiche 15 des Grundkörpers 13 sind umlaufend nach unten gezogen. Der Grundkörper 13 weist somit zumindest im Wesentlichen die Form einer umgedrehten Suppenschüssel bzw. eine Art Glockenform auf.
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Von dem ringförmigen Anguss 14 erstrecken sich zwei unterschiedliche Arten von Verstärkungsrippen 16, und 17a, 17b nach außen bis zum Randbereich 15 des Grundkörpers 13. Zum einen gibt es zueinander parallel angeordnete Paare von Verstärkungsrippen 16, die gerade verlaufen und sich vom Anguss 14 aus im Wesentlichen radial – und damit sternförmig – nach außen erstrecken. Die Höhe dieser Verstärkungsrippen 16 entspricht im Bereich des Angusses 14 der Höhe des Angusses 14 von ca. 2 cm. Nach außen hin nimmt das Modul der Verstärkungsrippen 16 ab. Von dem Anguss 14 aus erstrecken sich drei solche Paare von Verstärkungsruppen 16 umlaufend verteilt nach außen. Zum anderen gibt es Verstärkungsrippen 17a und 17b, die jeweils tangential aus dem ringförmigen Anguss 14 herauslaufen. Danach verlaufen die Verstärkungsrippen 17a und 17b bogenförmig nach außen vom Anguss 14 weg bis in den Randbereich 15 des Grundkörpers 13. Dabei sind jeweils zwei Verstärkungsrippen 17a und 17b spiegelbildlich so zueinander angeordnet, dass die beiden Verstärkungsrippen 17a und 17b in dem Bereich, in dem sie tangential an dem Anguss 14 anliegen, ineinander übergehen und einen gemeinsamen großen bogenförmigen Verlauf aufweisen, der den ringförmigen Anguss 14 tangiert. Um den Anguss 14 herum sind umlaufend gleichmäßig verteilt drei solche bogenförmigen Verstärkungsrippenpaare 17a und 17b angeordnet.
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Die Gestaltung aller Verstärkungsrippen 16, 17a, 17b ist im Wesentlichen anhand der Fließ- und Erstarrungseigenschaften des flüssigen Metalls beim Gießen gewählt worden, denn die Verstärkungsrippen 16, 17a, 17b dienen als Speiser, die beim Gießen das flüssige Metall vom Anguss 14 in alle Bereiche des Grundkörpers 13 leiten müssen, bevor das Metall erstarrt. Nur aufgrund dieser gussoptimiert ausgelegten Verstärkungsrippen 16, 17a, 17b ist die Herstellung eines derart dünnwandigen Stahlgussbauteils mit Wandstärken des Grundkörpers 13 von maximal 3 mm bezogen auf einen Durchmesser der Federbeinaufnahme von mehr als 120 mm möglich. Zugleich verstärken diese Verstärkungsrippen 16, 17a und 17b in hohem Maße die Federbeinaufnahme 11. Die Steifigkeit dieser Federbeinaufnahme 11 ist außerordentlich hoch. Sie weist eine wesentlich höhere Steifigkeit auf als es eine vergleichbare Federbeinaufnahme aus Aluminiumdruckguss mit vergleichbarem Gewicht hätte.
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In 4 ist die Federbeinaufnahme in einer perspektivischen Ansicht gezeigt, wobei der Anschnitt auch dargestellt ist. In 5 ist die Federbeinaufnahme in einer perspektivischen Ansicht gezeigt, wobei die Entlüftung auch dargestellt ist. Eine hohe Füllgeschwindigkeit ist essentiell für einen maximalen Fliessweg der Schmelze. Um diese hohe Geschwindigkeit zu erreichen, ist ein progressiver Verlauf der Querschnitte von Anschnitt 18 über Anguss 19 zum äusseren Ende des Stahlgussbauteils 20 erforderlich. Die Entlüftung 21 des Bauteils ist so gestaltet, dass der Volumenstrom der Entlüftung mindestens gleich gross, vorzugsweise grösser, ist als der Volumenstrom der Schmelze.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://www.kug.bdguss.de/publikationen_normen_und_richtlinien/publikationen/ [0002]
