DE102016107740A1

DE102016107740A1 - Achsträger mit verbessertem Lastpfad

Info

Publication number: DE102016107740A1
Application number: DE102016107740.2A
Authority: DE
Inventors: Matthias Körner; Frank Höcker; Alex Mirau; Oliver Seibt; Günter Fortmeier; Kim-Henning Sauerland
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2016-04-26
Filing date: 2016-04-26
Publication date: 2017-10-26
Anticipated expiration: 2036-04-27
Also published as: US20170305473A1; DE102016107740B4; CN107310628A; US10300962B2; CN107310628B

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Achsträger (1) für ein Kraftfahrzeug, aufweisend mindestens zwei Anbindungspunkte (6), wobei der Achsträger (1) eine metallische Oberschale (2) und eine Unterschale (3) aus Faserverbundwerkstoff aufweist, welche miteinander gekoppelt sind, wobei zwischen den zwei Anbindungspunkten (6) in einem Randbereich (7) des Achsträgers (1) ein Lastpfad (9) durch die Oberschale (2) verläuft und ein demgegenüber kürzerer Lastpfad (12) durch die Unterschale (3) verläuft.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Achsträger für ein Kraftfahrzeug gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Aus dem Stand der Technik ist es, insbesondere bei selbsttragenden Karosserien bekannt, Achsträger einzusetzen. Diese werden unterhalb der Karosserie befestigt. Der Achsträger selbst dient dabei zur Aufnahme von Achsbauteilen, beispielsweise Lenkern. Insbesondere ist ein Achsträger integraler Bestandteil einer Mehrlenkerachse. Ein Achsträger kann auch als Achshilfsrahmen bezeichnet werden.
Solche Achsträger sind meist als Schweißbauteil ausgebildet, wobei mehrere Profilbauteile, Rohrbauteile und/oder Umformbauteile miteinander verschweißt werden.
Es ist jedoch auch bekannt Achsträger in Hybridbauweise herzustellen, hierzu werden beispielsweise Blechbauteile mit einem Faserverbundbauteil gekoppelt. Ein gattungsbildender Achsträger ist beispielsweise aus der DE 10 2014 112 090 A1 bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend vom Stand der Technik einen Achsträger bereitzustellen, der ein geringes Eigengewicht und geringe Fertigungskosten aufweist, gleichzeitig jedoch hinsichtlich seines Steifigkeitsverhaltens verbessert ist.
Die zuvor genannte Aufgabe wird mit einem Achsträger für ein Kraftfahrzeug gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Der Achsträger für ein Kraftfahrzeug weist mindestens zwei Anbindungspunkte auf und ist als Hybridbauteil ausgebildet. Der Achsträger weist hierzu eine metallische Oberschale auf und eine damit gekoppelte Unterschale aus Faserverbundwerkstoff. Die zwei Anbindungspunkte sind voneinander beabstandet. Zwischen den zwei Anbindungspunkten verläuft in einem Randbereich des Achsträgers ein Lastpfad durch die Oberschale. Ebenfalls verläuft in diesem Randbereich auch ein Lastpfad durch die Unterschale. Erfindungsgemäß ist der Lastpfad der Unterschale kürzer als der Lastpfad durch die Oberschale.
Unter einem Lastpfad ist im Sinne der Erfindung ein Pfad bzw. Weg durch ein Bauteil zu verstehen, entlang dessen eine eingeleitete Kraft das Bauteil durchwandert. Bei eingeleiteter Kraft sind somit in dem Bauteil entlang des Lastpfades Spannungen vorhanden. Unter dem Lastpfad ist somit ein konzentrierter bzw. resultierender Hauptweg oder Pfad zu verstehen. In Parallelrichtung oder auch davon abweichend sind geringere Spannungen vorhanden.
Der erfindungsgemäße Vorteil liegt darin, dass bei der metallischen Oberschale entsprechend der Bauraumanforderungen und/oder des Materialeinsatzes des relativ schweren metallischen Werkstoffes entsprechend Einschnürungen, Einformungen, Einwölbungen mithin nach innen gerichtete Geometrien zwischen den Anbindungspunkten verlaufen. Insbesondere kann dies bei Achsträgern durch die Anordnung von Antriebswellen, Verteilergetrieben, Lenkbetrieben oder ähnlichen sein. Die Unterschale aus Faserverbundwerkstoff steht gegenüber, diesen nach innen gerichteten Geometrien der Oberschale nach außen hin vor bzw. über. Somit wird eine kürzere bzw. direktere Verbindung zwischen den zwei beabstandeten Anbindungspunkten durch den überstehenden Teil der Unterschale ermöglicht, wodurch sich auch ein kürzerer Lastpfad durch die Unterschale ergibt, im Vergleich zu dem Lastpfad durch die Oberschale. Insbesondere sind die Lastpfade im Sinne der Erfindung in Kraftfahrzeugquerrichtung oder in Kraftfahrzeuglängsrichtung orientiert. Die Quersteifigkeit bzw. Längssteifigkeit wird durch diesen erfindungsgemäßen Ansatz erhöht. Der zur Verfügung gestellte Bauraum, zur Anordnung beispielsweise eines Verteilergetriebes, eines Getriebes oder auch einer Antriebsstange wird nicht oder nur unwesentlich beeinflusst.
Die metallische Oberschale kann insbesondere einstückig und werkstoffeinheitlich bevorzugt als Umformbauteil hergestellt sein. Insbesondere kann die metallische Oberschale aus Leichtmetall oder auch aus einem Stahlwerkstoff ausgebildet sein. Die metallische Oberschale kann jedoch auch als Fügebauteil, insbesondere Schweißbauteil, hergestellt sein. Beispielsweise können einzelne Rohrbauteile oder Profilbauteile auch vorgeformt werden und im Anschluss miteinander verschweißt werden. Zusätzlich können einzelne Umformbauteile eingesetzt werden, die dann mit den Rohrbauteilen oder Profilbauteilen verschweißt werden. Die Oberschale wird dann mit der Unterschale gekoppelt. Dies kann insbesondere durch formschlüssiges Koppeln, bevorzugt Verschrauben erfolgen. Ergänzend oder alternativ kann ein stoffschlüssiges Koppeln, insbesondere Verkleben erfolgen. In Draufsicht ist bevorzugt die Fläche der Unterschale größer als die Fläche der Oberschale. Die Draufsicht ist orientiert in Kraftfahrzeugvertikalrichtung. Unterschale und Oberschale sind insbesondere in Kraftfahrzeuglängs- und querrichtung flächig sich erstreckend ausgebildet und liegen zumindest teilweise aneinander.
Bei den Anbindungspunkten selbst kann es sich um Karosserieanbindungsunkte handeln. Es kann sich jedoch auch um Anbindungspunkte für eine entsprechenden Lenker handeln. Die Anbindungspunkte sind bevorzugt an der Oberschale ausgebildet.
Insbesondere bei einer Oberschale, die ganz besonders bevorzugt als einstückiges und werkstoffeinheitliches Blechumformbauteil ausgebildet ist, die in ihrem Randbereich eine nach innen gerichtete Einformung aufweist, ist die Unterschale unterseitig flächig über die Einformung nach außen überstehend ausgebildet. Der überstehende Teil der Unterschale bildet dann einen kürzeren Lastpfad zwischen den Anbindungspunkten aus. Die Einformung kann auch als Biegung, Einbuchtung oder Wölbung ausgebildet sein. Insbesondere erstreckt sich die Einformung zwischen den zwei Anbindungspunkten über einen Großteil der Länge des Abstandes, insbesondere mehr als 50%, bevorzugt mehr als 60% und insbesondere mehr als 70%.
Weiterhin besonders bevorzugt ist der überstehende Teil der Unterschale als geradlinige Verbindung zwischen den Anbindungspunkten ausgebildet. Dies erfolgt entweder direkt durch eine Gerade durch einen jeweiligen Mittelpunkt der Anbindungspunkte oder aber parallel versetzt zu einer Geraden, die durch die Mittelpunkte der Anbindungspunkte verläuft. Die übertragene Zug- und/oder Druckkraft zwischen den Anbindungspunkten wird jedoch durch den kürzeren Lastpfad der Unterschale, insbesondere die geradlinige Verbindung mit höherer Steifigkeit des Achsträgers aufgenommen. Die Steifigkeit des erfindungsgemäßen Achsträgers gegenüber durch die Anbindungspunkte eingeleiteten Zug- und/oder Druckkräften wird durch den erfindungsgemäßen verkürzten Lastpfad in der Unterschale deutlich verbessert.
Weiterhin besonders bevorzugt wird zur Herstellung der Unterschale aus Faserverbundwerkstoff ein Gewebe oder Gelege verwendet. Insbesondere mit ausgerichteten Fasern, die eine Länge von bevorzugt mehr als 10 cm aufweisen. In dem überstehenden Teil bzw. entlang des Lastpfads durch die Unterschale sind diese Faserstränge orientiert verlaufend. Die Orientierung verläuft dabei parallel zu dem Lastpfad. Bis zu 5°, bevorzugt bis zu 10°, insbesondere bis zu 15° oder auch 20° Abweichung der Orientierung der Fasern von dem Verlauf des Lastpfades gilt im Sinne dieser Erfindung auch noch als parallel orientiert verlaufend. Die Widerstandsfähigkeit, insbesondere zur Übertragung von Druckkräften, über den Lastpfad wird hierdurch gesteigert.
Weiterhin besonders bevorzugt weist die Unterschale eine zumindest bereichsweise, insbesondere belastungsoptimierte voneinander verschiedene Wandstärke auf. Ein gezielter Einsatz von Faserverbundwerkstoff und damit eine Gewichtsoptimierung ist der Vorteil.
Die Unterschale ist weiterhin im Wesentlichen flächig ausgebildet und kann optional oder ergänzend Rippen und/oder Verstärkungsgeometrien aufweisen, so dass die Verbindungssteifigkeit aber auch die Zug- bzw. Drucksteifigkeit in Kraftfahrzeuglängs- sowie Kraftfahrzeugquerrichtung erhöht wird. Die Rippen und/oder Versteifungsgeometrien sind bevorzugt einstückig und werkstoffeinheitlich in der Unterschale ausgebildet.
Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausgestaltungsvarianten werden in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
1 einen Achsträger bekannt aus dem Stand der Technik,
2 einen erfindungsgemäßen Achsträger mit überstehendem Teil der Unterschale,
3 einen Achsträger aus dem Stand der Technik,
4 den Achsträger aus 3 mit Unterschale und überstehendem Teil und
5 eine vergrößerte Darstellung des überstehenden Teils in Schnittansicht.
1 zeigt einen gattungsbildenden Achsträger 1. Dieser weist eine Oberschale 2 sowie eine Unterschale 3 auf. Sowohl Oberschale 2 als auch Unterschale 3 erstrecken sich jeweils in Kraftfahrzeuglängsrichtung X und in Kraftfahrzeugquerrichtung Y flächig. Auf die Kraftfahrzeugvertikalrichtung Z bezogen steht die Oberschale 2 gegenüber der Unterschale 3 über. Jeweils seitlich erstrecken sich weiterhin in Kraftfahrzeugvertikalrichtung Z turmartige Erhebungen 4 der Oberschale 2, die beispielsweise Karosserieanbindungspunkte 5 aufweisen. Auf der Bildebene im vorderen Bereich sind Anbindungspunkte 6 zur schwenkbaren Koppelung mit nicht näher dargestellten Lenkern dargestellt. Gegenüber einem Randbereich 7 ist eine nach innen i gerichtete Einformung 8, an der Oberschale 2 ausgebildet. Wird nunmehr eine Druckkraft F in Kraftfahrzeugquerrichtung Y an auf die Bildebene bezogen dem rechten Anbindungspunkt 6 eingeleitet, erfolgt ein Lastpfad 9 maßgeblich durch den Randbereich 7, insbesondere durch die Oberschale 2. Dieser Lastpfad 9 folgt insbesondere dem Verlauf durch die Biegepunkte 10 der Einformung 8.
Hier ist der erfindungsgemäße Ansatz, dargestellt in 2. Die Unterschale 3 weist einen überstehenden Teil 11 auf. Dieser überstehende Teil 11 steht gegenüber der Einformung 8 nach außen a über. Ein Teil der eingeleiteten Druckkraft F verläuft durch einen Lastpfad 12 durch die Unterschale 3. Dieser Lastpfad 12 ist kürzer als der Lastpfad 9 durch die Oberschale 2, durch welchen der restliche Teil der eingeleiteten Druckkraft F verläuft. Insbesondere die Quersteifigkeit eines erfindungsgemäßen Achsträgers 1 wird somit durch den überstehenden Teil 11 verbessert. Der durch die Einformung 8 insbesondere im Randbereich 7 der Oberschale 2 geschaffene Bauraum wird durch den überstehenden Teil 11 nicht oder nur unwesentlich beeinträchtigt. Der erfindungsgemäße Lastpfad 12 durch die Unterschale 3 ist gegenüber einer direkten Verbindungsgeraden 13 zwischen den zwei Anbindungspunkten 6 im hier gezeigten Beispiel parallel verlaufend, insbesondere auf die Kraftfahrzeugvertikalrichtung Z nach unten versetzt.
3 zeigt einen schematisch angedeuteten Achsträger 1. Dieser kann als vorderer Achsträger 1 oder hinterer Achsträger ausgebildet sein. Im jeweiligen Randbereich 7 zwischen zwei Anbindungspunkten 6 ist je eine Einformung 8 nach innen i ausgebildet. Die Einformung 8 kann an allen Seiten ausgebildet sein, oder auch nur an einer, zwei oder drei Seiten. Der sich daraus jeweils ergebende Lastpfad 9 zwischen zwei Anbindungspunkten in Kraftfahrzeugquerrichtung Y bzw. Kraftfahrzeuglängsrichtung X weist somit einen bogenförmigen bzw. gekrümmten Verlauf auf. Die Anbindungspunkte 6 können als Karosserieanbindungspunkte 5 bzw. Lenkeranbindungspunkte ausgebildet sein. Die Anbindungspunkte 6 weisen einen Abstand 15 zueinander auf. Die Einformung 8 erstreckt sich über einen Großteil, insbesondere mehr als 50% des Abstandes 15.
Der erfindungsgemäße Ansatz ist nunmehr in 4 dargestellt. Demnach ist eine Unterschale 3 aus Faserverbundwerkstoff ausgebildet, die nach außen a über die jeweilige Einformung 8 überstehend ausgebildet ist. Der überstehende Teil 11 bildet somit einen verkürzten Lastpfad 12 zwischen den Anbindungspunkten 6 aus, wobei der verkürzte Lastpfad 12 dann durch die Unterschale 3 verläuft.
5 bildet eine vergrößerte Darstellung als Schnittdarstellung durch den überstehenden Teil 11 aus 4. Hier dargestellt sind in Richtung des Lastpfades 12 durch die vergrößerte Ansicht durch den überstehenden Teil 11 der Unterschale 3. Hierin enthalten sind Fasern 14, die eine Orientierung aufweisen, die maßgeblich parallel versetzt zu dem Verlauf des Lastpfades 12 sind. Es sind jedoch auch Fasern mit einer Orientierung in einem Winkel β von bis zu 10°, insbesondere bis zu 20° zu dem Lastpfad 12 im Sinne dieser Erfindung zu verstehen. Nicht alle Fasern müssen die gleiche Orientierung aufweisen. Bevorzugt weisen mehr als 50%, insbesondere mehr als 60%, besonders bevorzugt mehr als 70%, insbesondere mehr als 80% der Fasern 14 eine Orientierung in Richtung bzw. parallel versetzt zu dem Lastpfad 12 auf.
Bezugszeichenliste

1: Achsträger
2: Oberschale
3: Unterschale
4: Erhebung
5: Karosserieanbindung
6: Anbindungspunkt
7: Randbereich
8: Einformung
9: Lastpfad zu 2
10: Biegepunkt
11: überstehender Teil zu 3
12: Lastpfad zu 3
13: Verbindungsgerade
14: Faser
15: Abstand
a: außen
i: innen
F: Druckkraft
X: Kraftfahrzeuglängsrichtung
Y: Kraftfahrzeugquerrichtung
Z: Kraftfahrzeugvertikalrichtung
β: Winkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102014112090 A1 [0004]

Claims

Achsträger (1) für ein Kraftfahrzeug, aufweisend mindestens zwei Anbindungspunkte (6), wobei der Achsträger (1) eine metallische Oberschale (2) und eine Unterschale (3) aus Faserverbundwerkstoff aufweist, welche miteinander gekoppelt sind, wobei zwischen den zwei Anbindungspunkten (6) in einem Randbereich (7) des Achsträgers (1) ein Lastpfad (9) durch die Oberschale (2) verläuft und ein demgegenüber kürzerer Lastpfad (12) durch die Unterschale (3) verläuft.
Achsträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberschale (2) eine nach innen gerichtete Einformung (8) des Randbereiches (7) aufweist und die Unterschale (3) über die Einformung (8) überstehend ausgebildet ist, so dass der Lastpfad (12) durch die Unterschale (3) zwischen den Anbindungspunkten (6) durch den überstehenden Teil (11) verkürzt ist.
Achsträger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der überstehende Teil (11) als geradlinige Verbindung zwischen den Anbindungspunkten (6) direkt oder parallel versetzt ausgebildet ist.
Achsträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Unterschale (3), insbesondere in dem überstehenden Teil (11), Faserstränge parallel zu dem Lastpfad (12) der Unterschale (3) orientiert verlaufen.
Achsträger nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterschale (3) zumindest bereichsweise, insbesondere belastungsoptimiert, voneinander verschiedene Wandstärken aufweist.
Achsträger nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterschale (3) im Wesentlichen flächig ausgebildet ist und/oder dass die Unterschale (3) Rippen und/oder Verstärkungen aufweist.
Achsträger nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterschale (3) und Oberschale (2) formschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander gekoppelt sind.
Achsträger nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass Anbindungspunkte (6) als Karosserieanbindungspunkte (5) und/oder zur Koppelung mit Lenkern zur Ausbildung einer Kraftfahrzeugachse ausgebildet sind.
Achsträger nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Oberschale (2) als einstückiges und werkstoffeinheitliches Bauteil, insbesondere als dreidimensional geformtes Schalenbauteil ausgebildet ist oder dass die metallische Oberschale (2) als Fügebauteil, insbesondere Schweißbauteil ausgebildet ist.