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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Karosseriestruktur für ein Kraftfahrzeug.
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Hintergrund der Erfindung
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Die Bodenstruktur von konventionellen Kraftfahrzeugen weist typischerweise einen dünnwandigen Fahrzeugboden mit meist zwei, sich in X-Richtung des Fahrzeugs erstreckenden Schwellern auf, wobei die Schweller zum einen die notwendige Steifigkeit im Kraftfahrzeug herstellen, zum anderen in Kombination mit den Sitzquerträgern im seitlichen Pfahl-Crashtest (z.B. FMVSS 214) die Intrusion minimieren und so den notwendigen Airbag-Entfaltungsraum gewährleisten. In Y-Richtung des Fahrzeugs gesehen weist dabei typischerweise eine konventionelle Bodenstruktur zwei Schweller und einen Fahrzeugboden über die gesamte Breite der Bodenstruktur auf.
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Voluminöse Schwellerstrukturen haben aber den Nachteil, dass sie den Einstieg behindern.
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Aufgabe der Erfindung ist es zunächst, die Belastbarkeit der Karosseriestruktur in Crashsituationen weiter zu erhöhen und dabei eine Fahrzeugsäule an die Bodenstruktur der Karosseriestruktur vorteilhaft anzubinden. Darüber hinaus soll eine gewichtsoptimierte Karosseriestruktur für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt werden, die in Crashsituation die Insassen zuverlässig schützt, aber auch den Einstieg erleichtert.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Karosseriestruktur für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Bodenstruktur, umfassend eine obere Decklage und eine gegenüberliegende untere Decklage aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere kohlefaserverstärktem Kunststoff, die sich in X-Richtung des Kraftfahrzeugs im Wesentlichen über die gesamte Länge der Bodenstruktur und in Y-Richtung des Kraftfahrzeugs im Wesentlichen über die gesamte Breite der Bodenstruktur erstrecken, eine zwischen den Decklagen angeordnete Kernschicht, und eine im Bereich des Massenschwerpunkts des Kraftfahrzeugs angeordnete Verstärkungsstruktur, die sich in Y-Richtung des Kraftfahrzeugs im Wesentlichen über die gesamte Breite der Bodenstruktur erstreckt, wobei die Karosseriestruktur ferner wenigstens eine Kraftfahrzeugsäule und ein Verbindungselement umfasst, wobei die Kraftfahrzeugsäule einen Umschließungsabschnitt aufweist, der die Kernschicht mit anliegenden seitlichen Endabschnitten der oberen und unteren Decklage formschlüssig umschließt, und das Verbindungselement durch den Umschließungsabschnitt und die zwei Decklagen geführt ist und so eine Unterseite der Fahrzeugsäule mit der Bodenstruktur verbindet. Dabei ist die Kraftfahrzeugsäule vorzugsweise als A-, B-, C- oder D-Säule gebildet.
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Die erfindungsgemäße Bodenstruktur weist dabei eine ausreichende Steifigkeit auf, so dass auf einen Schweller als Versteifungselement verzichtet werden kann. Hierdurch kann der Bauraum des Schwellers noch als Energie-Absorptions-Zone verwendet werden, da die Bodenstruktur damit bis an die Außenhaut reichen kann. Zusätzlich entsteht ein barrierefreier Einstiegsbereich. Durch die kontinuierliche Verstärkung ist es zudem möglich, über die gesamte Bodenstrukturlänge Energie zu absorbieren.
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Dabei gilt es zu beachten, dass faserverstärkte Kunststoffe die Eigenschaft haben, bei dynamischen Druckversagen im Idealfall auf einem konstant hohen Kraftniveau zu versagen. Zusätzlich wird hierbei das Material zerstört, wobei dieses dann nicht mehr im Versagens-Weg liegt, und somit auch nicht zu einer Verblockung führen kann. Damit kann mit einem Faserkunststoffverbund der gesamte zur Verfügung stehende Weg für die Energieabsorption genutzt werden. Da die erfindungsgemäße Bodenstruktur eine vorteilhafte Versagensweise gewährleistet, wird also eine ausreichende Steifigkeit gewährleistet. Dies wird durch die erfindungsgemäße Anordnung der faserverstärkten Kunststoffe in Sandwichbauweise mit ihrer hohen Biege-/Beulsteifigkeit ermöglicht.
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Darüber hinaus ermöglicht es die Verstärkungsstruktur im Bereich des Massenschwerpunkts des Kraftfahrzeugs, bei einem Pfahl-Crash-Lastfall in diesem Bereich die Energie optimal zu absorbieren. Da in diesem Bereich nur eine translatorische Bewegung des Fahrzeugs möglich ist, muss hier mehr Energie absorbiert werden. Durch die Verstärkungsstruktur in diesem Bereich wird das Kraftniveau der Bodenstruktur passend für einen Pfahl-Crash-Lastfall eingestellt, wodurch eine gewichtsoptimale Bodenstruktur bereitgestellt wird.
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Ebenfalls wird durch die erfindungsgemäße Fahrzeugkarosserie ein durchgängiges Konzept für die Bodenstruktur aus kohlefaserverstärkten bzw. carbonfaserverstärkten Kunststoff (KFK, CFK) ermöglicht.
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Die Fahrzeugsäule wird dabei als vertikales Crashelement erfindungsgemäß mit der Bodenstruktur verbunden. Durch die Verbindung mit dem Verbindungselement ist kein direkter Zugang zur Montage notwendig. Beispielsweise kann dabei das Verbindungselement mit einer im Inneren der Fahrzeugsäule angebrachten Schweißmutter verbunden werden. Der Umschließungsabschnitt umschließt die Kernschicht und die seitlichen Endabschnitte der oberen und unteren Decklage formschlüssig, so dass eine vorteilhafte Anbindung gewährleistet ist, um Crashenergie aufzunehmen und in die Bodenstruktur und in die Fahrzeugsäule zu leiten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Kraftfahrzeugsäule einen Verbindungsbereich zur Verbindung mit dem Verbindungselement auf, der flächig auf der Bodenstruktur aufliegt. Dadurch kann die Fahrzeugsäule besonders gut mit der Bodenstruktur verbunden werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Kraftfahrzeugsäule aus Metall derart duktil verformbar ausgebildet, dass bei einem Seitenaufprall sich die Kraftfahrzeugsäule in Y-Richtung im unteren Bereich des Kraftfahrzeuges verformt. Durch die Verformung im unteren Bereich kann die Intrusion auf Brust-Höhe reduziert und der Airbagentfaltungsraum im Brust-Kopf Bereich gewährleistet werden.
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In dieser Ausführungsform ist es vorteilhaft, wenn die Kraftfahrzeugsäule als Profil ausgebildet ist, welches durch den Aufprall zusammendrückbar ist. Durch die resultierende Einschnürung können höhere Intrusionen bei gleichzeitig geringen lokalen Dehnungen und damit verbundenem geringen Risiko das Materialversagens realisiert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Verstärkungsstruktur im Bereich des Massenschwerpunkts des Kraftfahrzeugs durch die Kernschicht gebildet ist, wobei die Kernschicht in diesem Bereich ein faserverstärktes Kunststoffprofil, insbesondere ein kohlefaserverstärktes Kunststoffprofil, aufweist. Somit kann die Kernschicht platzsparend als Verstärkungsstruktur verwendet werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das faserverstärkte Kunststoffprofil ein Versteifungsprofil, insbesondere ein Wellen- oder Omega-Profil, ist. Dabei können beispielsweise auch T- oder I-Profile auflaminiert werden, um Schalenstrukturen auszusteifen.
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In einer anderen Ausführungsform weist die Verstärkungsstruktur wenigstens eine Verstärkungslage aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere kohlefaserverstärktem Kunststoff, auf, die parallel zu wenigstens einer der Decklagen angeordnet ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Gesamtwandstärke einer Decklage 2–4 mm beträgt und die Gesamtwandstärke einer Decklage mit Verstärkungslage 4–6 mm beträgt.
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Dabei kann die Fahrzeugsäule mit der oberen Decklage oder mit der Verstärkungsstruktur verbunden sein. Das erfindungsgemäße „Umschließen“ der oberen und unteren Decklage umfasst somit auch das Umschließen der Verstärkungsstruktur, insbesondere der Verstärkungslagen, und der Decklagen. Ebenfalls ist es möglich, dass noch weitere Elemente zwischen Bodenstruktur und Fahrzeugsäule vorhanden sind. Dies können zum Beispiel Unterlegelemente sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Verstärkungsstruktur durch das faserverstärkte Kunststoffprofil und wenigstens eine Verstärkungslage gebildet. Damit kann die spezifische Energieabsorptionsrate weiter erhöht werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Kernschicht außerhalb des Bereichs des Massenschwerpunkts durch ein Schaummaterial gebildet. Dieses Schaumaterial wird auch als Sandwichmaterial bezeichnet. Durch die Wahl des Sandwichmaterials kann das Energieabsorptionsverhalten ebenfalls beeinflusst werden.
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Ebenfalls ist es möglich, dass das Schaummaterial/Sandwichmaterial zusätzlich innerhalb der Verstärkungsstruktur mit dem Kunststoffprofil und/oder der Decklage angeordnet ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Bodenstruktur derart gebildet, dass sie in Y-Richtung des Fahrzeugs an der Außenhaut des Fahrzeugs anliegt. Unter der Außenhaut werden diejenigen äußeren Karosserieteile verstanden, die nicht zur Bodenstruktur gehören und die keine Trägerstrukturen für Crashsituationen sind. Dadurch wird eine platzsparende Bauweise ohne Schweller ermöglicht.
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Figurenbeschreibung
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielshalber beschrieben. Dabei zeigen
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1 ein Ausführungsbeispiel der Bodenstruktur der erfindungsgemäßen Karosseriestruktur für ein Kraftfahrzeug in einer perspektivischen Seitenansicht, und
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2 ein Ausführungsbeispiel erfindungsgemäßen Karosseriestruktur für ein Kraftfahrzeug in einer Schnittansicht.
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Detaillierte Beschreibung
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Bodenstruktur 10 für ein Kraftfahrzeug.
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Die Bodenstruktur 10 weist eine obere Decklage 20 und eine untere Decklage 22 aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) auf. Die Decklagen 20, 22 liegen einander gegenüber und bilden den Fahrzeugboden.
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In Y-Richtung des Kraftfahrzeugs erstrecken sich nur die Decklagen 20, 22 im Wesentlichen über die gesamte Breite der Bodenstruktur 10. Damit wird erfindungsgemäß auf einen Schweller verzichtet. In Y-Richtung kann die Bodenstruktur 10 an die Außenhaut der Fahrzeugs anlegen.
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In X-Richtung des Kraftfahrzeugs erstrecken sich die Decklagen 20, 22 im Wesentlichen über die gesamte Länge der Bodenstruktur 10. Dabei werden typischerweise Front- und Heckteile der Fahrzeugkarosserie in X-Richtung an die Bodenstruktur 10 angeordnet.
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Zwischen den Decklagen 20, 22 ist eine Kernschicht 30 angeordnet. Wie in 1 beispielshaft erkennbar, bildet im Bereich des Massenschwerpunkts des Kraftfahrzeugs die Kernschicht 30 einen Teil einer Verstärkungsstruktur 40 aus. In diesem Bereich ist die Kernschicht 30 als faserverstärktes Kunststoffprofil 42 ausgebildet. Das Kunststoffprofil 42 kann vorzugsweise ein Streifen-, Wellen- oder Omega-Profil sein.
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Der Bereich des Massenschwerpunkts des Kraftfahrzeugs wird dadurch definiert, dass bei einem Pfahl-Lastfall in diesem Bereich im Wesentlichen nur eine translatorische Bewegung des Kraftfahrzeugs erfolgt. Beispielsweise für den 5% und 50% Pfahltest (FMVSS 2014) wird die Intrusion in diesem Bereich erfindungsgemäß durch die zusätzliche Verstärkungsstruktur 44 minimiert.
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Außerhalb des Bereichs des Massenschwerpunkts ist die Kernschicht 30 als Schaumaterial ausgebildet.
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Wie in 1 erkennbar, weist die Verstärkungsstruktur 40 zusätzlich noch Verstärkungslagen 44 auf. Diese sind parallel zu den Decklagen 20, 22 angeordnet.
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Somit ist in 1 die Verstärkungsstruktur 40 durch das Profil 42 aus faserverstärktem Kunststoff und aus zusätzlichen Verstärkungslagen 44 gebildet.
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Es ist aber auch vorstellbar, dass die Verstärkungsstruktur 40 nur durch Verstärkungslagen 44 oder durch faserverstärkte Kunststoffprofile 42 gebildet wird. Ebenfalls ist vorstellbar, dass Schaumaterial in den Hohlräumen zwischen dem faserverstärkten Kunststoffprofil 42 angeordnet ist.
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2 zeigt eine Fahrzeugsäule 50, die mit der Bodenstruktur 10 erfindungsgemäß verbunden ist.
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Die Fahrzeugsäule 50 umfasst beispielsweise einen flächigen Verbindungsbereich 52. In der gezeigten Ausführungsform ist der Verbindungsbereich 52 mit der oberen Decklage 20 der Bodenstruktur 10 verbunden. Eine Verbindung der Fahrzeugsäule 50 ist aber auch mit der Verstärkungslage 44 der Bodenstruktur 10 vorstellbar. Dabei kann das Verbindungselement 60 durch das Profil 42 geführt werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass noch weitere Elemente zwischen Fahrzeugsäule 50 und Bodenstruktur 10 angeordnet sind.
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Dabei ist in allen Fällen ein Verbindungselement 60 durch die obere und untere Decklage 20, 22 geführt. Das Verbindungselement 60 verbindet dabei den flächigen Verbindungsbereich 52 mit einem Umschließungsabschnitt 54 der Fahrzeugsäule 50. Dadurch wird die Fahrzeugsäule 50 mit der Bodenstruktur 10 verbunden.
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Der Umschließungsabschnitt 54 umschließt dabei formschlüssig die Kernschicht 30 mit anliegenden seitlichen Endabschnitten der oberen und unteren Decklage 20, 22. Das erfindungsgemäße „Umschließen“ der oberen und unteren Decklagen 20, 22 umfasst auch das Umschließen der Verstärkungsstruktur 40, insbesondere der Verstärkungslagen 44, und der Decklagen 20, 22. Dabei kann das Verbindungselement 60 durch das Profil 42 geführt werden. Ebenfalls ist es möglich, dass noch weitere Elemente zwischen Bodenstruktur und Fahrzeugsäule vorhanden sind. Dies können zum Beispiel Unterlegelemente sein.
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Dabei ist es möglich, dass die Kraftfahrzeugsäule 50 aus Metall derart duktil verformbar ausgebildet ist, dass bei einem Seitenaufprall sich die Kraftfahrzeugsäule 50 in Y-Richtung hin zur Mitte Kraftfahrzeugs verformt. Dabei ist ein Drehpunkt 90 im oberen Bereich der Fahrzeugsäule 50 im Wesentlichen fest. Die Kraftfahrzeugsäule 50 bildet somit in ihrem unteren Bereich ein Fließgelenk.
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Dies ist in 2 folgendermaßen veranschaulicht: die gestrichelten Linien zeigen die Elemente 50, 52, 54 und 60 vor dem Aufprall einer Barriere 80. Die durchgezogenen Linien zeigen die Elemente 50, 52, 54 und 60 nach dem Aufprall der Barriere 80.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Karosseriestruktur
- 10
- Bodenstruktur
- 20
- obere Decklage
- 22
- untere Decklage
- 30
- Kernschicht
- 40
- Verstärkungsstruktur
- 42
- faserverstärktes Kunststoffprofil
- 44
- Verstärkungslage
- 50
- Kraftfahrzeugsäule
- 52
- Verbindungsbereich
- 54
- Umschließungsabschnitt
- 60
- Verbindungselement
- 80
- Barriere
- 90
- Drehpunkt
