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Die Erfindung betrifft eine Säule für ein Kraftfahrzeug, insbesondere eine Mittelsäule für ein Personenkraftfahrzeug.
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Fahrzeugsäulen sind Teil der Fahrzeugkarosserie und verbinden das Fahrzeugdach, insbesondere den Dachrahmen mit dem Fahrzeugboden, meist in Form eines Schwellers. Fahrzeugsäulen werden in der Regel aus Blechmaterial in Schalenbauweise hergestellt und dienen als Strukturbauteil der Fahrzeugkarosserie zum Schutz der Insassen, tragen aber auch wesentlich zur Gesamtsteifigkeit des Kraftfahrzeugs bei. Insbesondere die Mittelsäule dient dem Seitenaufprallschutz und verhindert, dass ein Unfallgegner oder ein Gegenstand zu weit in den Innenraum des Fahrzeugs eindringt. Zudem werden die Seitentüren an der Mittelsäule durch Scharniere beziehungsweise Schlösser in Ihrer Lage fixiert.
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In den letzten 20 Jahren wurden mehr und mehr Säulen aus einer Stahllegierung durch Formhärten mit höchstfesten Eigenschaften hergestellt, wodurch die Wanddicke gegenüber hochfesten kaltgeformten Stählen deutlich herabgesetzt und somit Gewicht eingespart werden konnte. Dabei wird ein unverformtes Blechmaterial aus einer härtbaren Stahllegierung oder ein vorgeformtes Blechmaterial auf über die Austenitisierungstemperatur der Stahllegierung erwärmt und in einem gekühlten Pressformwerkzeug zum Kraftfahrzeugbauteil umgeformt und formgehärtet.
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Die
EP 1 180 470 A1 offenbart eine formgehärtete Säule in Form einer Mittelsäule, oder auch B-Säule genannt. Diese weist einen oberen Längenabschnitt mit einem oberen Koppelabschnitt zur Befestigung an einen Dachrahmen auf, sowie einen mittleren Längenabschnitt, der im Querschnitt hutprofilförmig ausgebildet ist. Ein unterer Koppelabschnitt zur Befestigung an einen Schweller weist als Solldeformationsstelle eine niedrigere Zugfestigkeit auf, was durch eine im unteren Koppelabschnitt verringerte Erwärmung auf weniger als die Austenitisierungstemperatur erreicht wird. Damit soll ein ausreichend definiertes Deformationsverhalten zum Schutz des Insassen auf der Seite des Seitenaufprallereignisses sichergestellt werden. Insbesondere eine Verformung im Bereich des Oberkörpers des Insassen durch ein Biegen beziehungsweise Knicken in der Mitte der Säule soll so unterbunden werden. Nachteilig bei genanntem Bauteildesign ist, dass ein spezielles Erwärmungsverfahren vor dem Formhärten, oder alternativ nach dem Formhärten durchgeführt werden muss, um eine gezielte Deformation sicherzustellen, und zudem kann die Wanddicke aufgrund des relativ weichen Solldeformationsbereichs nur in begrenztem Maße reduziert werden, was Potential für eine weitere Leichtbauoptimierung birgt.
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Die
DE 100 49 660 B4 offenbart ein formgehärtetes Schalenteil für einen Hohlträger einer Fahrzeugkarosserie. Das Schalenteil besteht aus einem Basisblech und aus einem kleineren, lokal angeordneten und damit verbundenem Verstärkungsblech und wird zum Zwecke der Austenitisierung erwärmt. Anschließend erfolgen eine gemeinsame Umformung und das Formhärten in einem gekühlten Pressformwerkzeug. Damit soll dem Leichtbau besser Rechnung getragen werden, wobei jedoch sowohl hinsichtlich des Korrosionsverhaltens zwischen den Blechen als auch mit Blick auf das Deformationsverhalten weitere Verbesserungen erstrebenswert sind.
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Aufgabe ist ausgehend vom genannten Stand der Technik, eine Säule für ein Kraftfahrzeug mit verbesserten Leichtbaueigenschaften und Lebensdauer sowie ein robusteres Verfahren zu deren Herstellung aufzuzeigen.
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Der gegenständliche Aufgabenteil wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, wobei vorteilhafte Weiterbildungen in den Unteransprüchen 2 bis 10 dargelegt sind. Die Merkmale des Anspruchs 11 lösen den verfahrensmäßigen Teil der Aufgabe.
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Es wird eine Säule für eine Kraftfahrzeugkarosserie vorgeschlagen, umfassend ein Hauptelement insbesondere aus einem Blechmaterial mit einem oberen Koppelabschnitt zur Befestigung an einem Dachrahmen, sowie ein Nebenelement aus einer metallischen Legierung, wobei das Nebenelement wenigstens abschnittsweise flächig mit dem Hauptelement verbunden ist und das Hauptelement im Querschnitt eine Mittellage aus einer gehärteten Stahllegierung aufweist sowie wenigstens eine die Mittellage nach außen begrenzende Außenlage, wobei entweder das Hauptelement einen unteren Koppelabschnitt zur Befestigung an einem Schweller der Kraftfahrzeugkarosserie aufweist oder ein unterer Koppelabschnitt zur Befestigung an einem Schweller der Kraftfahrzeugkarosserie durch das Nebenelement ausgebildet ist, wobei die Säule weiterhin einen mittleren Längenabschnitt aufweist, welcher sich zwischen den Koppelabschnitten erstreckt. Erfindungsgemäß besteht die Außenlage des Hauptelements aus einer ferritisch nichtrostenden Stahllegierung, wobei die Außenlage mit der Mittellage flächig und stoffschlüssig verbunden ist, wobei das Hauptelement einen Biegewinkel größer 70 Grad und eine Zugfestigkeit von mindestens 1350 Megapascal aufweist.
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Der Biegewinkel kann im Plättchen-Biegeversuch nach Maßgabe der Norm des Verbands der Deutschen Automobilindustrie VDA 238-100:2010 ermittelt werden, auf deren Inhalt hiermit referenziert sei. Der Biegewinkel ist bei der erfindungsgemäßen Säule dickenabhängig, bei einer Wanddicke des Hauptelements zwischen 1,0 und 1,5 Millimetern (mm) beträgt dieser beispielsweise größer 80 Grad, bei einer Wanddicke zwischen 1,6 und 2,0 mm beträgt dieser bevorzugt größer 75 Grad, und bei einer Wanddicke zwischen 2,1 und etwa 3 mm größer 70 Grad.
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Der Biegewinkel von größer als 70 Grad bewirkt ein überragendes Deformationsverhalten des Hauptelements der Säule bei einem Seitenaufprall, wodurch ein Einreißen der Säule verhindert wird. Im Vergleich zu anderen gehärteten, insbesondere formgehärteten Bauteilen ähnlicher Zugfestigkeit ist es erfindungsgemäß möglich, sowohl auf eine lokal unterschiedliche Erwärmung oder eine lokal unterschiedliche Werkzeugabkühlung beim Formhärten, als auch auf eine nachträgliche Wärmebehandlung zur Entfestigung des vollständig gehärteten Kraftfahrzeugbauteils zu verzichten. Somit kann auch die Zugfestigkeit homogen oberhalb von 1350 MPa eingestellt werden, so dass die Wanddicke des Hauptelements maximal reduziert werden kann. Im Rahmen der Erfindung ist das Hauptelement also in allen Flächenabschnitten homogen gehärtet mit einer Zugfestigkeit von mindestens 1350 MPa und weist, mit Ausnahme von fügetechnisch unvermeidbaren weicheren Zonen, keine ungehärteten oder unvollständig gehärteten Abschnitte auf. Diese unvermeidbaren Zonen können Wärmeeinflusszonen durch thermische Fügeverfahren wie Punktschweißen oder Lochschweißen sein, aber auch laserstrahlverursachte Beschnittränder oder Lochränder. Vorteil der Erfindung ist, dass durch das Nebenelement eine gezielte Anpassung an die Belastung der Säule vorgenommen werden kann, sowohl hinsichtlich der Lage des Nebenelements am Hauptelement im Querschnitt betrachtet, als auch hinsichtlich der Lage des Nebenelements über die Gesamtlänge der Säule beziehungsweise dessen Höhe im eingebauten Zustand. Dieser Vorteil gilt insbesondere gegenüber dem Einsatz flexibel abgewalzten Bandmaterials, so genannten Tailored Rolled Blanks.
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Erfindungsgemäß geeignete Stahllegierungen für die Mittelage des Hauptelements stellen Borstähle mit den Hauptlegierungselementen Kohlenstoff und Mangan dar, beispielsweise 22MnB5, 38MnB5.
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Im Rahmen der Erfindung beträgt die Zugfestigkeit im Hauptelement höchstens 2200 MPa, wobei sich diese Grenze vor allem aus der heute verfügbaren und verarbeitbaren Legierungszusammensetzung der härtbaren Stahllegierungen ergibt.
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Insbesondere handelt es sich bei der Säule um eine Mittelsäule, welche neben Hauptelement und Nebenelement auch ein Schließblech umfasst, durch welches zumindest im mittleren Längenabschnitt im Querschnitt ein Hohlraum begrenzt ist.
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Das Schließblech ist besonders vorteilhaft mit dem Hauptelement durch Schweißpunkte verbunden.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Außenlage des Hauptelements aus einer ferritisch nichtrostenden Stahllegierung besteht, wobei die Außenlage mit der Mittellage flächig und stoffschlüssig verbunden ist. Bevorzugt sind zwei Außenlagen mit der Mittellage verbunden. Dabei sind die Außenlagen und die Mittellage bereits vor der Formgebung in Form eines Bandes verbunden, beispielsweise durch gemeinsames Warmwalzen zu einem Blechmaterial. Die Außenlage bewirkt durch den verminderten Kohlenstoffgehalt der ferritisch nichtrostenden Stahllegierung einen deutlich erhöhten Biegewinkel des Blechmaterials beziehungsweise des Hauptelements im formgehärteten Zustand und zudem eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit auch gegen Spaltkorrosion, beziehungsweise Kontaktkorrosion. Weiterhin sei hiermit bezüglich verwendbarer ferritisch nichtrostender Stahllegierungen auf den Inhalt der EN 10088-1 referenziert, mit Chromgehalten je nach Sorte zwischen 10,5 bis 30 Gewichtsprozent. Zur Gewährleistung der Schweißbarkeit dienen Stabilisierungszusätze von weniger als 0,5 Gewichtsprozent von Titan, Niob und/oder Zirkon sowie der auf 0,16 Gewichtsprozent begrenzte Kohlenstoffgehalt. Bevorzugt beträgt der Masseanteil Kohlenstoff der Außenlage zwischen 0,03 und 0,16 Gewichtsprozent, wobei die Außenlage je eine Dicke zwischen 40 µm und 400 µm, insbesondere zwischen 80 und 250 µm aufweist.
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Es kann vorgesehen werden, dass der mittlere Längenabschnitt im Querschnitt u-förmig profiliert ausgebildet ist. Dadurch wird zum einen ein vom Dach zum Fahrzeugboden durchgängig verlaufendes Hauptelement geschaffen, zum anderen dient der u-förmig profilierte Querschnitt des mittleren Längenabschnitts des Hauptelements dazu, ein Maximum an Biegesteifigkeit bereitzustellen. Der Querschnitt im mittleren Längenabschnitt kann anstelle einer u-förmigen Profilierung auch hutförmig profiliert ausgebildet sein.
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Vorteilhafterweise ist das Nebenelement mit dem Hauptelement im mittleren Längenabschnitt an einer Innenseite des Hauptelements unter Ausbildung einer Doppelblechlage verbunden. Dadurch kann der mittlere Längenabschnitt insbesondere in Verbindung mit einem u-förmig profilierten Querschnitt weiter verstärkt werden, ohne die Wanddicke anderer Abschnitte des Hauptelements, in welchen im eingebauten Zustand weniger Biegelasten eingebracht werden, unnötig dick beziehungsweise schwer auslegen zu müssen.
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Alternativ oder ergänzend zu einem einteilig vom Dach zum Schweller durchgehenden Hauptelement ist es auch möglich, dass das Nebenelement der Säule einen unteren Koppelabschnitt zur Befestigung an einen Schweller ausbildet. Bevorzugt ist dabei, dass das Nebenelement anstelle des Hauptelements einen unteren Koppelabschnitt umfasst, das Hauptelement somit im eingebauten Zustand betrachtet oberhalb des Schwellers, insbesondere oberhalb des unteren Koppelabschnitts auslaufend ausgebildet ist. Dadurch wird eine gezielte Deformation bei einem Seitenaufprall im unteren Bereich der Säule erreicht.
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Dabei hat es sich als Vorteilhaft erwiesen, dass das Nebenelement mit dem Hauptelement im mittleren Längenabschnitt an einer Außenseite des Hauptelements unter Bildung einer Doppelblechlage verbunden ist. Im Rahmen der Erfindung ist die Doppelblechlage nicht zu verwechseln mit dem Hauptelement bzw. dem Blechmaterial des Hauptelements, welches erfindungsgemäß selbst mehrlagig ausgebildet ist, jedoch als ein einziges Blechmaterial in Form eines gewalzten Blechbands oder einer daraus zugeschnittenen Blechplatine. Vielmehr bezieht sich die Doppelblechlage auf einen Abschnitt, in welchem zwei verschiedene Blechplatinen oder geformte Bauteile miteinander flächig anliegend verbunden sind.
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Es ist weiterhin möglich, dass das Hauptelement eine Länge aufweist, welche nur etwa 50 bis 75 Prozent der Gesamtlänge L der Säule entspricht. Insbesondere erstreckt sich das Hauptelement nicht in Einbaulage betrachtet bis nach unten zum unteren Koppelabschnitt des Nebenelements. Vielmehr läuft das Hauptelement im mittleren Längenabschnitt aus. Das Nebenelement erstreckt sich in Längsrichtung der Säule ebenfalls über einen Längenabschnitt von weniger als 75% der Gesamtlänge der Säule.
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Weiterhin ist es möglich, dass wenigstens das Hauptelement eine Mittellage mit einem martensitischen Werkstoffgefüge und einem Masseanteil an Kohlenstoff zwischen 0,19 und 0,41 Gewichtsprozent aufweist. Bevorzugt ist wenigstens das Hauptelement der Säule formgehärtet und weist insbesondere eine Zugfestigkeit von mindestens 1750 MPa auf. Durch den gleichzeitig gewährleisteten Biegewinkel von mehr als 70 Grad lässt sich so ein noch leichteres, dünnwandigeres Bauteil herstellen. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, eine härtbare Stahllegierung zu verwenden, die neben erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und Eisen folgende Bestandteile in Gewichtsprozent umfasst:
| Kohlenstoff | 0,35 bis 0,41 |
| Silizium | 0,1 bis 1,0 |
| Mangan | 1,0 bis 1,5 |
| Phosphor | < 0,04 |
| Schwefel | < 0,02 |
| Aluminium | < 0,10 |
| Chrom | < 0,35 |
| Titan | < 0,050 |
| Bor | 0,0010 bis 0,0055. |
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Auch das Nebenelement kann erfindungsgemäß eine Mittellage aus einer gehärteten Stahllegierung und wenigstens eine die Mittellage des Nebenelements nach außen begrenzende Außenlage aus einer ferritisch nichtrostenden Stahllegierung aufweisen, wobei in diesem Fall die Außenlage mit der Mittellage flächig und stoffschlüssig verbunden ist. Das hat den Vorteil, dass auch das Nebenelement vor Korrosion geschützt ist, beim Formhärten zunderfrei mit erwärmt werden kann und zugleich überlegene mechanische Kennwerte aufweist, die der Säule zu einem Maximum an Biegesteifigkeit und Crashperformance verhelfen.
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Durch einen Biegewinkel auch im Nebenelement von größer als 70 Grad und insbesondere in Kombination mit einem Hauptelement, welches bereits oberhalb des unteren Koppelabschnitts auslaufend ausgebildet ist, wird erreicht, dass die Säule gezielt im Nebenelement oberhalb des Schwellers ohne die Gefahr von Rissen deformiert und so Aufprallenergie abgebaut wird.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Nebenelement einen Steg mit einer Wanddicke und zwei vom Steg jeweils in dieselbe Richtung abstehende Schenkel mit einer Wanddicke aufweist, wobei zwischen dem Steg und den Schenkeln jeweils ein Biegebereich ausgebildet ist.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass der Biegebereich eine Wanddicke aufweist, die größer ist als die Wanddicke des Schenkels und/oder größer ist als die Wanddicke des Stegs. Ein solcher maßgeschneiderter Querschnittsverlauf des Nebenelements kann durch eines der folgenden Verfahren hergestellt werden: Flexibles Walzen von Bandmaterial, flexibles Abstrecken/Ziehen, insbesondere Tiefziehen von Blechmaterial (Tailored Formed Blanks) oder Strangpressen eines Leichtmetallprofils verschiedener Wanddicke (Tailored Extruded Blanks). Die Wanddicke des Biegebereichs des Nebenelements beträgt dabei bevorzugt das 1,3 bis 2-fache der Wanddicke des Stegs und/oder der Wanddicke der Schenkel.
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Zudem kann es nützlich sein, dass das Nebenelement an dem Hauptelement flächig, insbesondere vollflächig anliegt und insbesondere mit dem Hauptelement durch thermisches Fügen verbunden ist. Die Verbindung ist besonders bevorzugt durch mehrere Schweißpunkte ausgebildet. Zumindest die Schenkel von Hauptelement und Nebenelement sind dadurch verbunden. Alternativ kann auch der Steg von Hauptelement und Nebenelement thermisch gefügt sein.
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Das Nebenelement ist mit dem Hauptelement in einer Weiterbildung der Erfindung bereits vor einem gemeinsamen Umformen durch Fügen verbunden, so dass eine gemeinsame Erwärmung und Umformung stattfinden kann. Beim Formhärten sind der Kontur der beiden verbundenen Elemente angepasste Formwerkzeugflächen vorzusehen, welche eine homogene Abkühlung durch ausreichenden Werkzeugkontakt ermöglichen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Säule nach einem der vorherigen Ansprüche.
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Das Verfahren ist durch folgende Schritte gekennzeichnet:
- – Bereitstellen eines Hauptelements, insbesondere aus einem Blechmaterial, mit einer Mittellage aus einer härtbaren Stahllegierung und wenigstens einer Außenlage aus einer ferritisch nichtrostenden Stahllegierung, wobei die Außenlage mit der Mittellage flächig und stoffschlüssig verbunden ist,
- – Bereitstellen eines Nebenelements aus einer metallischen Legierung,
- – Optionales Vorformen des Hauptelements und/oder des Nebenelements,
- – wenigstens abschnittsweise flächiges Verbinden von Hauptelement und Nebenelement durch thermisches Fügen,
- – vollständiges Erwärmen zum Zwecke der Austenitisierung wenigstens des Hauptelements auf größer 900°C,
- – Umformen des erwärmten Hauptelements sowie des Nebenelements, insbesondere gemeinsam in einem Pressformwerkzeug,
- – Formhärten wenigstens des Hauptelements im Pressformwerkzeug, wobei beim Formhärten das Hauptelement der Säule von einer Temperatur größer als 850°C auf eine Temperatur von kleiner als 250 °C mit einer Abkühlrate von größer als 27 Kelvin pro Sekunde abgekühlt wird, wodurch im Hauptelement ein Biegewinkel größer 70 Grad und eine Zugfestigkeit von mindestens 1350 Megapascal eingestellt werden.
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Durch die Abkühlrate, die im genannten Temperaturbereich im Mittel mindestens 27 K/s, bevorzugt mindestens 40 K/s, am bevorzugtesten zwischen 50 und 150 K/s beträgt, wird eine ausreichende Härtung der Stahllegierung des Hauptelements bewirkt, gleichzeitig aber ein überraschend großer Biegewinkel erzielt. Für diese Festigkeitsklasse von formgehärteten Bauteilen sonst üblicherweise nötige, aufwändige und fehleranfällige Prozessschritte, wie eine lokal unterschiedliche Erwärmung oder Abkühlung oder gar ein nachträgliches Anlassen, beispielsweise zur Erzielung von rissunempfindlichen Koppelabschnitten oder eines bestimmten Deformationsverhaltens im eingebauten Zustand der erfindungsgemäßen Säule, werden aufgrund des Biegewinkel von größer 70 Grad vermieden.
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Wie bereits zuvor erläutert weist die Säule im Wesentlichen vollflächig die mechanischen Eigenschaften der Zugfestigkeit von mindestens 1350 MPa und des Biegewinkels von größer als 70 Grad auf. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein optimaler, einfacher Prozess aufgezeigt, um Säulen für die Karosserie eines Kraftfahrzeugs mit verbesserter Crashperformance und reduziertem Gewicht herzustellen. Ein besonderer Vorteil im Vergleich zu partiell unterschiedlich formgehärteten oder lokal entfestigten Säulen besteht darin, dass das Bauteil keinen thermisch bedingten Verzug, Rückfedereffekte oder innere Spannungen aufweist, nicht vor Zunderbildung und Oxidation beim Erwärmen und Formhärten geschützt werden muss und auf eine aufwändige Vorbehandlung oder Nachbehandlung zum Korrosionsschutzauftrag verzichtet werden kann.
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Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend in schematischen Figuren näher erläutert. Der besseren Übersicht wegen werden für gleiche oder ähnliche Merkmale soweit sinnvoll dieselben Bezugszeichen vergeben.
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Im Einzelnen zeigen
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1 eine erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Säule,
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2 bis 5 verschiedene Querschnitte der ersten Ausführungsvariante der Säule,
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6 eine Seitenansicht der ersten Ausführungsvariante,
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7 bis 9 verschiedene Vergrößerung eines Längsschnitts der erfindungsgemäßen Säule,
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10 eine zweite Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Säule,
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11 bis 15 verschiedene Querschnitte der zweiten Ausführungsvariante der Säule,
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16 eine Seitenansicht der zweiten Ausführungsvariante,
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17 bis 19 verschiedene Vergrößerung eines Längsschnitts der zweiten Ausführungsvariante der Säule und
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20 ein Nebenelement der erfindungsgemäßen Säule.
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1 zeigt eine erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Säule 1. Die Säule 1 erstreckt sich in Einbaulage von einem (nicht gezeigten) Schweller einer Fahrzeugkarosserie bis zu einem (nicht dargestellten) Dachrahmen. Die Säule 1 weist am dachseitigen Ende 8 einen oberen Koppelabschnitt 2 sowie am in der Bildebene unten gezeigten schwellerseitigen Ende 9 einen unteren Koppelabschnitt 3 auf. Zwischen den Koppelabschnitten 2, 3 erstreckt sich ein mittlerer Längenabschnitt 4, welcher im Querschnitt u-förmig beziehungsweise hutförmig ausgebildet ist.
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Die Säule 1 umfasst ein Hauptelement 10, insbesondere aus einem Blechmaterial und ein Nebenelement 20, wobei das Nebenelement 20 hier im Wesentlichen vollflächig mit dem Hauptelement 10 verbunden ist. Die Verbindung erfolgt bevorzugt durch thermisches Fügen, wobei hier Schweißpunkte 40 zwischen zwei Schenkeln 11 des Hauptelements 10 und zwei Schenkeln 21 des Nebenelements 20 dargestellt sind. Die Schenkel 11, 21 sind jeweils durch einen Steg 12, 22 verbunden und bilden mit diesem im Querschnitt zumindest im mittleren Längenabschnitt 4 des Hauptelements 10 ein u-förmiges Profil aus. Dazu sind die Schenkel 11 vom Steg 12 jeweils in dieselbe Richtung abstehend ausgebildet, und zwar in Einbaulage in Richtung eines Innenraums 50 des Kraftfahrzeugs.
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Erkennbar ist, dass das Hauptelement 10 einen unteren Koppelabschnitt 3 zur Befestigung an den Schweller der Fahrzeugkarosserie aufweist, mithin dass der untere Koppelabschnitt 3 integraler Bestandteil des Hauptelements 10 ist.
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Der Querschnitt der Säule 1 wird vom oberen Koppelabschnitt 2 zum unteren Koppelabschnitt 3 stetig größer, zum einen unter größer werdender Länge L2 beziehungsweise L4 der Schenkel 11 des Hauptelements 10 bzw. der Schenkel 21 des Nebenelements 20, zum anderen unter größer werdender Breite B3 bzw. B5 des Stegs 12 des Hauptelements 10 bzw. des Stegs 22 des Nebenelements 20 (wie in 4 gezeigt).
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Das Hauptelement 10 ist durch ein gestrichelt angedeutetes Schließblech 30 zumindest in dem mittleren Längenabschnitt 4 unter Ausbildung eines Hohlraums H verschlossen.
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Das Hauptelement 10 weist eine Zugfestigkeit Rm von mindestens 1350 MPa und einen Biegewinkel α von größer 70 Grad auf. Diese mechanischen Kennwerte sind homogen über die gesamte Fläche des Hauptelements 10 ausgebildet, wenngleich Schweißpunkte 40 oder Schweißnähte und kleinflächige, schweißtechnisch unvermeidbare Entfestigungen sowie thermisch beschnittene Ränder davon unberührt bleiben.
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Das Nebenelement 20 besteht aus einer Metalllegierung, vorzugsweise ebenfalls aus einer gehärteten Stahllegierung mit vergleichbaren mechanischen Eigenschaften, und ist auf der zum Schließblech 30 gerichteten Innenseite 6 des Hauptelements 10 befestigt. Bezogen auf die Einbaulage der Säule 1 in der Fahrzeugkarosserie weist das Schließblech 30 zum Innenraum 50 der Kraftfahrzeugs.
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Die 2 bis 5 zeigen zur ersten Ausführungsvariante Querschnittdarstellungen, welche an unterschiedlichen Stellen über die Gesamtlänge L der Säule 1 abgetragen wurden. 2 stellt den Querschnitt II-II aus 1 im mittleren Längenabschnitt 4 nahe des oberen Koppelabschnitts 2 zum Dachrahmen dar. Gut erkennbar ist, dass das Hauptelement 10 einen Steg 12 und vom Steg 12 jeweils in dieselbe Richtung abstehende Schenkel 11 aufweist, wobei sich an die Schenkel 11 Flansche 14 anschließen, welche auch zur Verbindung mit dem Schließblech 30 dienen.
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Im Unterschied zum Querschnitt der 2 ist in 3 im Schnitt III-III aus 1 das Nebenelement 20 zu erkennen, welches flächig das Hauptelement 10 kontaktiert und damit verbunden ist.
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In der Einbaulage weiter unten wurden zu den Schnitten IV-IV und V-V aus 1 die 4 und 5 abgeleitet. In 4 ist das Nebenelement 20 noch mit dem mittleren Längenabschnitt 4 des Hauptelements 10 verbunden. In der Einbaulage nur ein wenig weiter unten ist gemäß 5 erkennbar, dass das Nebenelement 20 am Hauptelement 10 nicht mehr anliegt, da das Nebenelement 20 sich nicht bis unterhalb von etwa einem Dritter der Gesamtlänge L der Säule 1 erstreckt. Der untere Koppelabschnitt 3 ist mithin nur durch das Hauptelement 10 gebildet und nicht durch das Nebenelement 20 verstärkt. Dadurch werden ein gutes Deformationsverhalten sowie eine Gewichtsersparnis gegenüber eines nach unten durchgehenden Nebenelements 20 erreicht.
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6 zeigt die erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Säule 1 aus 1 in einer Seitenansicht. Anders als in der Einbaulage im Kraftfahrzeug ist die Säule 1 in 6 um 90 Grad gedreht gezeigt. Zu erkennen sind das Hauptelement 10 der Säule 1, umfassend einen oberen Koppelabschnitt 2 und einen unteren Koppelabschnitt 3 sowie einen sich dazwischen erstreckenden mittleren Längenabschnitt 4. Nur über einen Teil der Gesamtlänge L der Säule 1 erstreckt sich ein Nebenelement 20 mit einer Länge L20. In dieser Ausführungsvariante entspricht die Länge L20 des Nebenelements etwa 35 bis 65 Prozent der Gesamtlänge L der Säule 1. Im mittleren Längenabschnitt 4 ist gestrichelt das auf der Innenseite 6 liegendes Nebenelement 20 angeordnet und mit dem Hauptelement 10 über Schweißpunkte 40 verbunden. Die Säule weist von der Fahrzeugkarosserie weg eine Krümmung K auf. Der obere Koppelabschnitt 2 ist der Kontur eines Dachrahmens 31 (gestrichelt dargestellt) angepasst ausgebildet und wird an der Innenseite 6 mit dem Dachrahmen 31 gefügt. Der untere Koppelabschnitt 3 ist der Kontur eines Schwellers 32 (gestrichelt angedeutet) angepasst ausgebildet und wird an einer Innenseite 6 mit dem Schweller 32 gefügt. Über die Gesamtlänge L der Säule 1 sind drei Längsschnitte in den 7 bis 9 aufgetragen. Die Schnitte VII bis IX bilden die Grundlage für die 7 bis 9.
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Der Schnitt gemäß 7 zeigt das Blechmaterial eines in der Bildebene linker Hand (in Einbaulage weit oben) befindlichen Teils des mittleren Längenabschnitts 4 der Säule 1, welcher noch nicht durch das Nebenelement 20 verstärkt ist. Erkennbar ist eine Mittellage 16 mit einem martensitischen Werkstoffgefüge und einem Masseanteil an Kohlenstoff zwischen 0,20 und 0,40 Gewichtsprozent sowie zwei die Mittellage 16 nach außen begrenzende Außenlagen 17 mit einem Masseanteil an Kohlenstoff, welcher um wenigstens 10 Prozent niedriger ist als der Masseanteil des Kohlenstoffs der Mittellage 16. Die Außenlagen 17 des Hauptelements 10 bestehen aus einer ferritisch nichtrostenden Stahllegierung, wobei die Außenlagen 17 mit der Mittellage 16 flächig und stoffschlüssig verbunden sind.
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Der Schnitt gemäß 8 zeigt einen in Einbaulage weiter unten liegenden Teil des mittleren Längenabschnitts 4, wo das Nebenelement 20 an dem mittleren Längenabschnitt 4 des Hauptelements 10 angeordnet ist. Das Nebenelement ist mit dem Hauptelement 10 flächig anliegend durch thermisches Fügen verbunden.
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9 zeigt einen Schnitt durch einen noch weiter unten liegenden Teil des mittleren Längenabschnitts 4, wobei erkennbar ist, dass das Hauptelement 10 nicht mehr durch das Nebenelement 20 kontaktiert und verstärkt wird.
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10 zeigt eine zweite Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Säule 1. Die Säule 1 erstreckt sich in Einbaulage von einem Schweller einer Fahrzeugkarosserie bis zu einem Dachrahmen. Die Säule 1 weist ein Hauptelement 10 mit einem am dachseitigen Ende 8 angeordneten oberen Koppelabschnitt 2 sowie ein Nebenelement 20 auf, welches sich in der Bildebene nach unten in Richtung eines schwellerseitigen Endes 9 erstreckt und einen unteren Koppelabschnitt 3‘ aufweist. Zwischen den Koppelabschnitten 2, 3‘ erstreckt sich ein mittlerer Längenabschnitt 4 des Hauptelements 10, welcher im Querschnitt u-förmig beziehungsweise hutförmig ausgebildet ist.
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Die Säule 1 umfasst ein Hauptelement 10 insbesondere aus einem Blechmaterial und ein Nebenelement 20, wobei das Nebenelement 20 hier im Wesentlichen vollflächig mit dem Hauptelement 10 im mittleren Längenabschnitt 4 verbunden ist. Die Verbindung erfolgt bevorzugt durch thermisches Fügen, wobei hier Schweißpunkte 40 zwischen zwei Schenkeln 11 des Hauptelements und zwei Schenkeln 21 des Nebenelements 20 dargestellt sind. Die Schenkel sind jeweils durch einen Steg 12, 22 verbunden und bilden im Querschnitt zumindest im mittleren Längenabschnitt 4 des Hauptelements 10 ein u-förmiges Profil aus. Dazu sind die Schenkel 11 vom Steg 12 jeweils in dieselbe Richtung abstehend ausgebildet, und zwar in Einbaulage in Richtung eines Innenraums 50 des Kraftfahrzeugs.
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Erkennbar ist, dass im Gegensatz zur ersten Ausführungsvariante nicht das Hauptelement 10, sondern das Nebenelement 20 einen unteren Koppelabschnitt 3‘ zur Befestigung an dem Schweller der Fahrzeugkarosserie aufweist, mithin dass der untere Koppelabschnitt 3‘ integraler Bestandteil des Nebenelements 20 ist.
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Der Querschnitt der Säule 1 wird vom oberen Koppelabschnitt 2 zum unteren Koppelabschnitt 3‘ stetig größer, zum einen unter größer werdender Länge L2 beziehungsweise L4 der Schenkel 11 des Hauptelements 10 bzw. der Schenkel 21 des Nebenelements 20, zum anderen unter größer werdender Breite B3 bzw. B5 des Stegs 12 des Hauptelements 10 bzw. des Stegs 22 des Nebenelements 20.
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Das Nebenelement 20 und das Hauptelement 10 sind durch ein gestrichelt angedeutetes Schließblech 30 zumindest in dem mittleren Längenabschnitt 4 unter Ausbildung eines Hohlraums H verschlossen (11 bis 15).
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Das Hauptelement 10 weist eine Zugfestigkeit Rm von mindestens 1350 MPa und einen Biegewinkel α von größer als 70 Grad auf. Diese mechanischen Kennwerte sind homogen über die gesamte Fläche des Hauptelements 10 ausgebildet, wenngleich Schweißpunkte 40 oder Schweißnähte und kleinflächige, schweißtechnisch unvermeidbare Entfestigungen davon unberührt bleiben.
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Das Nebenelement 20 besteht in dieser Ausführungsvariante zumindest in einer Mittellage 26 ebenfalls aus einer gehärteten Stahllegierung mit vergleichbaren mechanischen Eigenschaften, und ist auf der vom Schließblech 30 abgewandten Außenseite 7 des Hauptelements 10 befestigt. Bezogen auf die Einbaulage der Säule 1 in der Fahrzeugkarosserie weist das Schließblech 30 zum Innenraum 50 des Kraftfahrzeugs.
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Die 11 bis 15 zeigen zur zweiten Ausführungsvariante Querschnittdarstellungen gemäß den Schnitten XI bis XV in 10, welche an unterschiedlichen Stellen über die Länge L der Säule 1 abgetragen wurden. 11 stellt den Querschnitt im mittleren Längenabschnitt 4 nahe des oberen Koppelabschnitts 2 zum Dachrahmen dar. Gut erkennbar ist, das das Hauptelement 10 einen Steg 12 und vom Steg 12 zwei jeweils in dieselbe Richtung abstehende Schenkel 11 aufweist, wobei sich an die Schenkel 11 Flansche 14 anschließen, welche auch zur Verbindung mit dem Schließblech 30 dienen.
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Im Unterschied zum Querschnitt der 12 ist in 13 das Nebenelement 20 zu erkennen, welches von einer Außenseite 7 flächig am Hauptelement 10 anliegt und damit verbunden ist.
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In der Einbaulage weiter unten wurden die Querschnitte gemäß 14 und 15 abgeleitet. In 14 ist das Nebenelement 20 noch mit dem mittleren Längenabschnitt 4 des Hauptelements 10 verbunden. In der Einbaulage nur ein wenig weiter unten ist gemäß 15 erkennbar, dass das Nebenelement 20 am Hauptelement 10 nicht mehr anliegt. Der untere Koppelabschnitt 3 ist nur durch das Nebenelement 20 gebildet. In den 12 bis 14 ist zudem erkennbar, dass die Schenkel des Nebenelements 20 eine geringere Länge L4 aufweisen als die Länge L2 der Schenkel 11 des Hauptelements 10, so dass das Nebenelement 20 zum Schließblech 30 in dieser in Einbaulage betrachtet höheren Position einen Abstand A (siehe 13) aufweist, welcher in Richtung des schwellerseitigen Endes 9 kleiner wird. Dieser Abstand ist in 15 gleich null, so dass der Flansch 24 des Nebenelements 20 direkt das Schließblech 30 kontaktiert.
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16 zeigt die zweite Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Säule 1 aus 10 in einer Seitenansicht. Anders als in der Einbaulage im Kraftfahrzeug ist die Säule 1 in 16 um 90 Grad gedreht gezeigt. Zu erkennen sind das Hauptelement 10 der Säule 1, umfassend einen oberen Koppelabschnitt 2 sowie einen in Richtung zum schwellerseitigen Ende 9 verlaufenden mittleren Längenabschnitt 4. In dieser Ausführungsvariante entspricht die Länge L20 des Nebenelements 20 etwa 50 bis 75 Prozent der Gesamtlänge L der Säule 1. Auch die Länge L10 des Hauptelements 10 entspricht nur etwa 50 bis 75 Prozent der Gesamtlänge L der Säule 1, wobei das Hauptelement 10 sich nicht über den unteren Koppelabschnitt 3‘ des Nebenelements 20 erstreckt.
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Im mittleren Längenabschnitt 4 ist gestrichelt ein auf der Außenseite 7 liegendes Nebenelement 20 angeordnet und mit dem Hauptelement 10 über Schweißpunkte 40 gefügt. Das Nebenelement 20 umfasst einen unteren Koppelabschnitt 3 zur Befestigung an einem Schweller 32 der Kraftfahrzeugkarosserie.
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Der obere Koppelabschnitt 2 ist der Kontur eines Dachrahmens 31 (gestrichelt dargestellt) angepasst ausgebildet und wird an einer Innenseite 6 mit dem Dachrahmen 31 gefügt. Der untere Koppelabschnitt 3 des Nebenelements 20 ist der Kontur eines Schwellers 32 (gestrichelt angedeutet) angepasst ausgebildet und wird an einer Innenseite 6 mit dem Schweller 32 gefügt. Über die Gesamtlänge L der Säule 1 sind drei Längsschnitte XVII, XVIII und XIX aus 16 in den 17 bis 19 aufgetragen.
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Der Schnitt gemäß 17 zeigt das Blechmaterial eines in der Bildebene linker Hand (in Einbaulage weit oben) befindlichen Teils des mittleren Längenabschnitts 4 der Säule 1, welcher noch nicht mit dem Nebenelement 20 verstärkt ist. Erkennbar ist eine Mittellage 16 mit einem martensitischen Werkstoffgefüge und einem Masseanteil an Kohlenstoff zwischen 0,20 und 0,40 Gewichtsprozent sowie zwei die Mittellage 16 nach außen begrenzende Außenlagen 17 mit einem Masseanteil an Kohlenstoff, welcher um wenigstens 10 Prozent niedriger ist als der Masseanteil des Kohlenstoffs der Mittellage 16. Die Außenlagen 17 des Hauptelements 10 bestehen aus einer ferritisch nichtrostenden Stahllegierung, wobei die Außenlagen 17 mit der Mittellage 16 flächig und stoffschlüssig verbunden sind.
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Der Schnitt gemäß 18 zeigt einen in Einbaulage weiter unten liegenden Teil des mittleren Längenabschnitts 4, wo das Nebenelement 20 an dem mittleren Längenabschnitt 4 des Hauptelements 10 angeordnet ist. Das Nebenelement 20 ist mit dem Hauptelement 10 flächig anliegend durch thermisches Fügen, insbesondere über Schweißpunkte 40 verbunden. Die Wanddicke T2 des Nebenelements 20 ist bevorzugt geringer als die Wanddicke T des Hauptelements 10, da im unteren Teil der Säule 1, insbesondere im unteren Koppelabschnitt 3‘ weniger Biegesteifigkeit benötigt wird, als im teilweise doppellagig ausgebildeten mittleren Längenabschnitt 4.
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19 zeigt einen Schnitt XIX durch einen in Einbaulage noch weiter unten liegenden Teil der Säule 1, wobei erkennbar ist, dass das Hauptelement 10 ausgelaufen ist und sich das Nebenelement 20 und das Hauptelement 10 nicht mehr anliegen.
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20 zeigt ein Nebenelement 20 der erfindungsgemäßen Säule 1 in isometrischer Ansicht und im Querschnitt. Erkennbar ist, dass zwischen Schenkel 21 und Steg 22 jeweils ein Biegebereich 23 ausgebildet ist, welcher eine gegenüber der Wanddicke T21 von Schenkel 21 und/oder T22 von Steg 22 größere Wanddicke T23 aufweist. Damit ist ein besonders belastungsgerechtes Bauteildesign mit maximaler Biegesteifigkeit im verstärkten mittleren Längenabschnitt 4 der Säule 1 möglich. Ein derartiges Nebenelement 20 ist bevorzugt mit der ersten Ausführungsvariante kombinierbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Säule
- 2
- Oberer Koppelabschnitt
- 3
- Unterer Koppelabschnitt
- 3‘
- Unterer Koppelabschnitt
- 4
- Mittlerer Längenabschnitt
- 6
- Innenseite
- 7
- Außenseite
- 8
- dachseitiges Ende
- 9
- schwellerseitiges Ende
- 10
- Hauptelement
- 11
- Schenkel
- 12
- Steg
- 14
- Flansch
- 16
- Mittellage von 10
- 17
- Außenlage von 10
- 20
- Nebenelement
- 21
- Schenkel
- 22
- Steg
- 23
- Biegebereich
- 24
- Flansch
- 26
- Mittellage von 20
- 27
- Außenlage von 20
- 30
- Schließblech
- 31
- Dachrahmen
- 32
- Schweller
- 40
- Schweißpunkt
- 50
- Innenraum
- α
- Biegewinkel
- A
- Abstand
- B2
- Breite zu 12
- B4
- Breite zu 22
- K
- Krümmung
- L
- Gesamtlänge zu 1
- L10
- Länge zu 10
- L2
- Länge zu 11
- L4
- Länge zu 21
- L20
- Länge zu 20
- H
- Hohlraum
- T
- Wanddicke zu 10
- T2
- Wanddicke zu 20
- T16
- Lagendicke zu 16
- T17
- Lagendicke zu 17
- T23
- Wanddicke zu 23
- T26
- Lagendicke zu 26
- T27
- Lagendicke zu 27
- T21
- Wanddicke zu 21
- T22
- Wanddicke zu 22
