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Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Bauteilverbund einer Kraftfahrzeugkarosserie mit einer tragenden Struktur gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Fahrzeugkarosserien sind üblicherweise durch eine sogenannte Schalenbauweise aufgebaut, wobei eine Mehrzahl von offenen oder geschlossenen Hohlprofilen in Form von Längs- und Querträgern untereinander verschweißt und/oder mittels an sich bekannter mechanischer Befestigungsmittel verbunden werden. Aus der
DE 10 2004 062 933 A1 ist prinzipiell eine solche Schalenbauweise bekannt geworden. Die genannte Schrift beschreibt einen Hinterwagen der durch Längs- und Querträger aufgebaut ist, wobei zwischen den Längs- und Querträgern die Karosserie nach außen verschließende Bleche als sogenannte Deckbleche aufgespannt sind, die die aus Längs- und Querträgern gebildete tragende Struktur verbinden. Konkret beschreibt die
DE 10 2004 062 933 A1 ein Bodenblech das sich zwischen den Längsträgern erstreckt. Eine ähnliche Ausführung ist aus der
DE 10 2009 059 827 A1 bekannt, bei der ein Querträger mit einem Fersenblech und Schließblech über einen Schweißpunkt verbunden sind.
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Weiterhin ist aus der
WO 2009/046808 A1 bekannt, drei Bleche über einen gemeinsamen Flansch miteinander zu verbinden. Konkret beschreibt die genannte Schrift einen oberen Längsträger mit einem Innenblech, Außenblech und einem Verstärkungsblech. Dabei wird zunächst das Innenblech mit dem Verstärkungsblech im Bereich des Flansches durch Widerstandspunktschweißen verschweißt. In einem weiteren nachfolgenden Schritt wird das Außenblech auf die bereits bestehende Zweiblechverbindung über Buckelschweißen aufgebracht. Weiterhin beschreibt die
DE 10 2009 016 220 A1 eine Dreiblechverbindung bei der ein erstes Profilteil mit einem ersten Schweißflansch mit einem dritten Profilteil mit einem dritten Schweißflansch zueinander angeordnet werden, wobei zwischen dem ersten Schweißflansch und dem dritten Schweißflansch ein weiteres Blech eingefügt wird. Diese drei Bleche werden dann mittels Laserstrahlschweißen verbunden.
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Wie eingangs bereits erwähnt ist ein Kraftfahrzeug in Schalenbauweise durch ein Skelett bestehend aus Längs- und Querträger aufgebaut. Diese Längs- und Querträger müssen bei einem Crash hohe Kräfte aufnehmen und sind deshalb mit einer entsprechenden Blechdicke ausgeführt und/oder sind aus hoch- bzw. höchstfesten Stahl hergestellt. Um diese Skelettstruktur nach außen hin zu verschließen sind noch zwischen den Längs- und Querträgern sich flächig erstreckende Bleche als sogenannte Schließbleche bzw. Wandelemente angeordnet. Diese dünnen Bleche aus niederfestem Stahl sind nicht für die Aufnahme von hohen Kräften ausgelegt. Somit kommt es im Übergangsbereich zwischen der Tragstruktur und den Schließblechen bzw. Wandelementen zu einem Sprung in der Bauteilfestigkeit. Bei einem Crash sind aber insbesondere diese Übergangsbereiche bzw. die Verbindungsbereiche zwischen der Tragstruktur und den Schließblechen stark belastet. Obwohl die Schließbleche keine tragende Funktion übernehmen, soll es trotzdem bei einem Crash zu keinem Ablösen der Verbindung zwischen einem Längs- und/oder Querträger und einem Schließblech bzw. Wandelement kommen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin einen Bauteilverbund einer Kraftfahrzeugkarosserie mit einer tragenden Struktur, das heißt mit mindestens einem Längs- und/oder Querträger, und einem Wandelement bereitzustellen, der eine verbesserter Festigkeit und gesteigerte Crashperformance aufweist.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart. Erfindungsgemäß wird ein Bauteilverbund einer Kraftfahrzeugkarosserie mit einer tragenden Struktur vorgeschlagen, wobei der Bauteilverbund aus drei Blechen gebildet ist, die zumindest in einem definierten Bereich übereinanderliegen, um einen dreilagigen Aufbau mit einem ersten äußeren Blech, einem mittleren Blech und einem zweiten äußeren Blech zu bilden und die in diesem Bereich über Punktschweißverbindungen miteinander verbunden sind, wobei weiterhin das erste äußere Blech Bestandteil der tragenden Struktur und dass das mittlere Blech als Wandelement ausgebildet ist und wobei sich mindestens eine Schweißlinse der Punktschweißverbindungen ausgehend von dem mittleren Blech jeweils in die beiden äußeren Bleche erstreckt, um mit einer Schweißlinse alle drei Bleche zu verbinden und wobei das erste äußere Blech mindestens die 2,5-fache Dicke des mittleren Blechs aufweist.
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Die Erfindung beruht auf dem Sachverhalt, dass der Flanschbereich bei einem Crash starken Belastungen ausgesetzt ist, wobei das Wandelement aus einem dünnen Blech ausgebildet ist. Das Wandelement hat eine geringe Blechdicke bzw. Blechstärke bei einer gegenüber der tragenden Struktur geringeren Zugfestigkeit. Somit besteht die Möglichkeit, dass sich das Wandelement im Flanschbereich ablöst oder abreißt. Erfindungsgemäß wird dies durch eine Verstärkung des Flanschbereiches des Wandelementes durch ein weiteres Blech gelöst. Dabei ist es vollkommen ausreichend, dass sich das zweite äußere Blech nur über den Flanschbereich des Wandelementes erstreckt. Somit kann auf einfache Weise der im Crash stark belastete Flanschbereich des mittleren Bleches verstärkt werden ohne das Gesamtgewicht des Bauteilverbundes wesentlich zu erhöhen. Bevorzugt kommt ein solcher Bauteilverbund zum Einsatz wenn der Dickenunterschied zwischen dem ersten äußeren Blech und dem mittleren Blech besonders groß ist, bzw. wenn das mittlere Blech besonders dünn ausgelegt ist. Somit ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante das erste äußere Blech dreimal so dick wie das mittlere Blech. In Verbindung mit einem zweiten äußeren Blech ist der Bauteilverbund besonders leichtgewichtig bei hoher Steifigkeit und Crashfestigkeit.
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Besonderes bevorzugt weist das mittlere Blech bzw. das Wandelement entlang seines Blechrandes bzw. parallel zu seiner Seitenkante eine Abkantung auf, über die der Flansch bzw. die Abkantung bzw. der Kantbereich zum restlichen Blech in einem Winkel abgestellt ist. Die Abkantung des mittleren Blechs verläuft parallel zum ersten äußeren Blech und liegt an diesem ersten äußeren Blech an. Das mittlere Blech weist somit im Randbereich eine als Flansch ausgebildete Abkantung auf, über die das mittlere Blech mit dem äußeren Blech gefügt ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt das zweite äußere Blech überwiegend nur im Bereich der Abkantung bzw. im Bereich des Flansches auf dem mittleren Blech auf. Dabei ist das zweite äußere Blech als länglicher Blechstreifen ausgebildet, der sich entlang des Flansches bzw. entlang der Blechkante des mittleren Bleches erstreckt. Dabei ist die Breite des zweiten äußeren Bleches zumindest im überwiegenden Bereich begrenzt durch die Breite der Abkantung bzw. des Flansches des mittleren Bleches, die sich definitionsgemäß vom Blechrand des mittleren Bleches bis zur Biegelinie der Abkantung erstreckt. Dabei ist der Begriff „überwiegend“ so zu verstehen, dass damit mindestens 50% der Länge des zweiten äußeren Bleches abgedeckt ist. Somit erstreckt sich das zweite äußere Blech entlang des Flansches über zumindest 50% seiner Länge nur auf den Bereich der Abkantung. Mit anderen Worten ist die Breite des zweiten äußeren Bleches über zumindest 50% seiner Länge nicht breiter als die Breite der Abkantung des mittleren Blechs. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Breite des zweiten äußeren Bleches über zumindest 75%, bevorzugt 90%, seiner Länge nicht breiter als die Breite der Abkantung des mittleren Blechs.
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Alternativ kann auch das zweite äußere Blech in Längserstreckung d. h. entlang der Randkante bzw. des Blechrandes des mittleren Bleches bzw. in Längserstreckung des Flansches in einzelne fiktive Abschnitte gleicher Breite unterteilt werden. Dabei sind die fiktiven Abschnitte durch Linien, die senkrecht zur Längserstreckung des Flansches verlaufen, unterteilt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante erstreckt sich nun das zweite äußere Blech über mindestens 50% der Abschnitte nur auf den Bereich des Flansches bzw. auf den Bereich der Abkantung des mittleren Bleches. In einer bevorzugten Ausführungsvariante betragen die Abschnitte mindestens 75% in denen sich das zweite äußere Blech nur über die Abkantung ausdehnt, bzw. in dem sich das zweite äußere Blech nur über den Bereich der Abkantung erstreckt. In einer besonderes bevorzugten Ausführungsvariante betragen die Abschnitte mindestens 90% in denen sich das zweite äußere Blech nur über die Abkantung ausdehnt, bzw. in dem sich das zweite äußere Blech nur über den Bereich der Abkantung erstreckt. Da das zweite äußere Blech zur Verstärkung der Abkantung des mittleren Bleches dient, erstreckt sich dieses nur bevorzugt über den Bereich der Abkantung. Es ist aber auch denkbar, dass das zweite äußere Blech sich über einen kurzen Abschnitt bezogen auf seine Längserstreckung über die Abkantung hinaus auf das mittlere Blech ausdehnt, um hier einzelne Bereiche des mittleren Bleches zusätzlich zu verstärken. Dies betrifft aber nur einen verhältnismäßig kleinen Flächenbereich. Der Bereich der Lasche soll dabei nicht mehr als 40%, bevorzugt nicht mehr als 20%, der Gesamtfläche des zweiten äußeren Bleches übersteigen.
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Die Dreiblechverbindung des Bauteilverbundes wird über Punktschweißverbindungen gefügt, wobei die Punktschweißverbindungen einen überwiegend runden Durchmesser aufweisen. Dabei ist der größte Durchmesser der Punktschweißverbindung im Bereich des mittleren Bleches, wobei der Durchmesser dann kontinuierlich und stetig zum ersten äußeren Blech bzw. zum zweiten äußeren Blech abnimmt. Alle drei Bleche der Dreiblechverbindung sind somit über zumindest eine Punktschweißverbindung miteinander gefügt, wobei der größte Durchmesser der Punktschweißverbindung im Bereich des mittleren Bleches ist. Bevorzugt sind mehrere Punktschweißverbindungen entlang der Längserstreckung des Flansches hintereinander angeordnet. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das zweite äußere Blech zumindest über eine überwiegende Erstreckung längs des Flansches nicht breiter als der 10-fache Durchmesser der Schweißlinse, wobei der größte Durchmesser im Bereich des mittleren Bleches zugrunde gelegt ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Breite des zweiten äußeren Bleches zumindest über eine überwiegende Erstreckung schmaler als der fünffache Durchmesser der Schweißlinse. Dies ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform, da hier ein Optimum zwischen Gewichtseinsparung und Festigkeit erreicht wird.
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In einer Ausgestaltung ist das erste äußere Blech Teil eines Hohlprofils, wobei das erste äußere Blech durch zwei U-Schenkel, die über eine U-Basis verbunden sind, aufgebaut ist. Auf der der U-Basis gegenüberliegenden Seite der U-Schenkel sind an den U-Schenkeln zwei Flansche abgestellt, wobei ein weiteres Blech mit diesen zwei Flanschen zur Ausbildung eines kompletten Hohlprofils verbunden wird. Die Abkantung des mittleren Bleches ist mit der U-Basis des ersten äußeren Bleches verbunden. Mit anderen Worten liegt die Abkantung des mittleren Bleches an der U-Basis des ersten äußeren Bleches an.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das erste äußere Blech aus einem hochfestem Stahl bzw. besonders bevorzugt aus einem höchstfestem Stahl. Alternativ ist die Zugfestigkeit des ersten äußeren Bleches größer als 800 MPa. Das erste äußere Blech, bzw. das Hohlprofil das teilweise aus dem ersten äußeren Blech gebildet ist, weist somit eine Festigkeit auf, die üblichen Crashbelastungen standhält.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist das mittlere Blech eine Zugfestigkeit von höchstens 600 MPa auf, besonders bevorzugt von höchstens 500 MPa. Wobei die Zugfestigkeit niedriger ist als die Zugfestigkeit des ersten äußeren Bleches. Besonders bevorzugt beträgt die Zugfestigkeit des mittleren Blechs höchsten zweidrittel der Zugfestigkeit des ersten äußeren Bleches. Aufgrund der erfindungsgemäßen Bauteilverbindung ist es möglich bei mittleren Blechen mit entsprechend niedriger Festigkeit und niedriger bzw. geringer Dicke trotzdem eine entsprechend hohe und ausreichende Crashfestigkeit zu erhalten.
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In einer bevorzugten weiteren Ausgestaltung weist das zweite äußere Blech eine Dicke auf, die mindestens der zweifachen Dicke des mittleren Bleches entspricht. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist diese Dicke mindestens die 2,5-fache Dicke des mittleren Bleches. Damit können besonders hohe Festigkeiten des Bauteilverbundes erzielt werden, bei gleichzeitig dünnen Blechdicken des mittleren Bleches bzw. niedrigem Bauteilverbund-Gesamtgewicht. In einer konkreten Ausgestaltung weist das mittlere Blech eine Dicke von höchstens 0,7 mm auf, besonders bevorzugt eine Dicke von höchstens 0,5 mm.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das zweite äußere Blech als Blechstreifen ausgebildet, wobei seine Breite gegenüber seiner Länge höchstens das 0,1-fache beträgt.
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Wie bereits beschrieben, liegt das zweite äußere Blech überwiegend nur im Bereich der Abkantung bzw. im Bereich des Flansches auf dem mittleren Blech auf. In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet das zweite äußere Blech in seinem nicht überwiegenden Bereich eine abgekantete Lasche, die sich über die Abkantung hinaus parallel zum mittleren Blech erstreckt und mit diesem über Punktschweißverbindungen verbunden ist. Bevorzugt wird das zweite äußere Blech an das mittlere Blech provisorisch geheftet, sodass dieser Bauteilverbund zur Anlage an das erste äußere Blech gebracht werden kann, um über einen Schweißvorgang zur Erzeugung einer Punktschweißverbindung die drei Bleche miteinander zu verschweißen.
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Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
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Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand der in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 schematisch eine Explosionsdarstellung einer Plattform einer Kraftfahrzeugkarosserie;
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2 die in der 1 in der Explosionsdarstellung gezeigte Plattform im zusammengebauten Zustand;
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3 einen Teilausschnitt aus der in 2 dargestellten Plattform;
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4 eine Schnittdarstellung durch den in 3 dargestellten Teilausschnitt;
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5 einen Teilausschnitt aus der in 2 dargestellten Plattform als Variante zur Ausführung gemäß 3; und
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6 eine Schnittdarstellung durch den in 5 dargestellten Teilausschnitt.
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In 1 ist eine beispielhafte Ausführung einer Plattform 1 bzw. einer Bodenstruktur für eine Kraftfahrzeugkarosserie 2 in einer Explosionsdarstellung gezeigt, aus der heraus die einzelnen Bauteile sehr gut ersichtlich sind. In 2 ist der zusammengebaute Zustand dieser Plattform 1 in perspektivischer Darstellung gezeigt. Wie aus den 1 und 2 ersichtlich, besteht die Plattform 1 aus einer tragenden Struktur 3 und einzelnen Wandelementen 4 die auch Deckbleche oder Schließbleche genannt werden und die zwischen der tragenden Struktur 3 aufgespannt sind. Die tragende Struktur 3 nimmt alle Kräfte auf, die auf die Kraftfahrzeugkarosserie 2 bzw. auf die Plattform 1 einwirken. Auf die Plattform 1 einwirkende Kräfte können z. B. aus dem Fahrwerk, oder aus der Beladung des Kraftfahrzeuges kommen. Weiterhin nimmt die tragende Struktur 3 Kräfte auf, die z.B. bei einem Crash auf die Kraftfahrzeugkarosserie 2 einwirken. Diese Kräfte werden bei einem Crash über die tragende Struktur 3 auf sogenannten Lastpfaden in bzw. durch die Karosserie geleitet.
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Ein solcher Lastpfad erstreckt sich z.B. bei einem Frontcrash über den vorderen Längsträger 5 der in den inneren Schweller 10 über eine sogenannte Kurbel 6 übergeht. Dabei wird die Kurbel 6 durch die Längsträgerverlängerung 7, den Fußraumquerträger 8 und die A-Säule 9 gebildet. Im Heck des Kraftfahrzeuges werden dann die Kräfte über den hinteren Längsträger 11 weitergeleitet. Weiterhin gibt es auch Lastpfade in Querrichtung des Kraftfahrzeuges die z.B. durch ein inneren Schweller 10, ein Fersenblech 12, ein Mitteltunnel 13 und auf der gegenüberliegenden Seite wiederum durch das Fersenblech 12 und den gegenüberliegenden inneren Schweller 10 gebildet sind. Die tragende Struktur 3 ist in der Regel durch Hohlprofile aufgebaut die aus zwei Blechen bestehen, wobei ein erstes Blech z.B. als U-Profil ausgebildet ist das dann durch ein weiteres Blech zu einem Hohlprofil geschlossen ist. Damit die tragende Struktur 3 bzw. die Hohlprofile entsprechende Kräfte aufnehmen können, müssen die Blechgüten bzw. Blechstärken entsprechend angepasst werden. Entsprechend werden dickere Bleche und/oder hochfeste bzw. höchstfeste Bleche ausgewählt.
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Um die offenen Bereiche in der Kraftfahrzeugkarosserie 2 zu schließen, sind in die tragende Struktur 3 noch entsprechende Wandelemente 4 eingefügt, die als flächige Bauteile die tragende Struktur verbinden. Diese Wandelemente 4 übernehmen keine tragende Funktion, sondern dienen überwiegend dazu die Kraftfahrzeugkarosserie 2 vollständig nach außen hin abzuschließen, um z.B. dass Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern. Entsprechend sind die Wandelemente bezüglich Gewicht leicht ausgeführt und es werden niederfeste und/oder dünne Blechstärken ausgewählt.
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In 3 ist eine Verbindung zwischen einer tragenden Struktur 3 und einem Wandelement 4 dargestellt, wobei diese Verbindung beispielsweise aus einem inneren Schweller 10 und einem Bodenblech 14 gebildet sein kann. Das Bodenblech 14 ist in seinem Randbereich 15 abgekantet und berührt mit diesem Randbereich 15 bzw. Abkantung 17 den inneren Schweller 10 unter Ausbildung eines Flansches 16 flächig. Somit ist der sich ausbildende Flansch 16 als Verbindungsbereich der Bleche über die Breite B des Randbereichs 15 definiert, wobei die Breite B durch die Strecke zwischen Rand des Bodenblechs 14 und Biegelinie der Abkantung 17 definiert ist. Erfindungsgemäß ist nun im Bereich des Flansches 16 ein weiterer Blechstreifen auf den Randbereich 15 des Bodenbleches 14 aufgebracht. Wie aus 4 ersichtlich, entsteht somit ein Bauteilverbund 18 aus einem inneren Schweller 10 als ersten äußeren Blech 19, einem Bodenblech 14 als mittleres Blech 20 und einem Blechstreifen als zweites äußeres Blech 21. Der Bauteilverbund 18 wird über Punktschweißverbindungen 22 im Bereich des Flansches 16 im Randbereich 15 des Bodenblechs 14 gefügt, wobei sich eine Schweißlinse 23 ausbildet, die sich vom mittig angeordneten Bodenblech 14 nach beiden Seiten zu den äußeren Blechen hin erstreckt. Die Schweißlinse 23 erstreckt sich somit über die gesamte Dicke bzw. Höhe des Bodenblechs 14 und reicht bis in die äußeren Bleche 21 bzw. 19 hinein, wobei sich die Schweißlinse 23 sowohl in das erste äußere Blech 19 als auch in das zweite äußere Blech 21 erstreckt.
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Das zweite äußere Blech 21 ist ein längliches Bauteil mit einer Längserstreckung L die sich in Richtung der Flanscherstreckung entlang der Abkantung 17 erstreckt. Weiterhin verfügt das zweite äußere Blech 21 über eine Breite B mit einer maximalen Breite des Flansches 16 bzw. des Randbereichs 15 der Abkantung 17 des Bodenblechs 14.
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In einer speziellen Ausführung ist das zweite äußere Blech 21 nicht nur als Blechstreifen ausgeführt, der sich nur im Bereich des Flansches über das Bodenblech 14 erstreckt, sondern das zweite äußere Blech 21 verfügt über eine Lasche 24 die sich über den Flansch 16 hinaus auf das Bodenblech 14 erstreckt. Das zweite äußere Blech 21 weist somit eine Biegelinie auf, die die Lasche 24 vom Blechstreifen bzw. von der Abkantung 17 trennt. Wie dies aus 6 ersichtlich ist, folgt die Lasche 24 der Kontur des Bodenblechs 14 bzw. des mittleren Bleches 20 und ist mit diesem über nichtdargestellte Punktschweißverbindungen verbunden. Dabei ist die Breite B des zweiten äußeren Bleches 21 zumindest im überwiegenden Bereich begrenzt durch die Breite der Abkantung 17 bzw. des Flansches 16 des mittleren Bleches 20, wobei sich die Breite B definitionsgemäß vom Blechrand des mittleren Bleches 20 bis zur Biegelinie der Abkantung 17 erstreckt. Mit anderen Worten erstreckt sich das zweite äußere Blech 21 entlang des Flansches 16 über zumindest 60% seiner Länge nur auf den Bereich der Abkantung 17 des mittleren Blechs 20. In den übrigen maximal 40% der Länge des zweiten äußeren Bleches 21 erstreckt sich dieses über die Abkantung 17 hinaus unter Ausbildung einer durch eine Biegelinie abgestellten Lasche 24. Dies betrifft aber nur einen verhältnismäßig kleinen Flächenbereich. Der Bereich der Lasche 24 übersteigt dabei nicht mehr als 30% der Gesamtfläche des zweiten äußeren Bleches 21. Auch mit dieser Variante der erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann ein Bauteilverbund 18 mit geringem Eigengewicht und hoher Crashfestigkeit erreicht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Plattform
- 2
- Kraftfahrzeugkarosserie
- 3
- tragende Struktur
- 4
- Wandelement
- 5
- vorderer Längsträger
- 6
- Kurbel
- 7
- Längsträgerverlängerung
- 8
- Fußraumquerträger
- 9
- A-Säule
- 10
- innerer Schweller
- 11
- hinterer Längsträger
- 12
- Fersenblech
- 13
- Mitteltunnel
- 14
- Bodenblech
- 15
- Randbereich
- 16
- Flansch
- 17
- Abkantung
- 18
- Bauteilverbund
- 19
- erstes äußeres Blech
- 20
- mittleres Blech
- 21
- zweites äußeres Blech
- 22
- Punktschweißverbindung
- 23
- Schweißlinse
- 24
- Lasche
- L
- Längserstreckung
- B
- Breite
