-
Die Erfindung betrifft einen einwandigen Torsionsquerträger für eine Verbundlenkerachse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug.
-
Aus der
EP 2 098 391 B1 ist eine Verbundlenkerachse und ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundlenkerachse bekannt, bei dem ein gattungsgemäßer Torsionsquerträger einen über seine Länge variierenden Querschnitt besitzt, mit einem im Querschnitt offenen Ω-förmigen, Hinterschnitte aufweisenden Mittelteil und im Querschnitt U-förmigen, längslenkerseitigen Endabschnitten. In die Endabschnitte sind zur Bildung geschlossener Querschnitte in den Endabschnitten Schließbleche eingesetzt. Die Endabschnitte dienen als Verbindungsschnittstelle zu Längslenkern der Verbundlenkerachse. Ein derartiger Torsionsquerträger ist aufwendig in der Herstellung und kann bei bestimmungsgemäßer Belastung bereichsweise unerwünschte Spannungsspitzen aufweisen.
-
Aus der
CN 104648069 A ist ein Torsionsquerträger bekannt, welcher in etwa im Bereich seiner Längsmitte eine bogenförmige Querschnittsraumform besitzt und zu seinen freien Enden hin in einem Querschnitt in eine trapezförmige Raumform ausläuft. Er weist Einsatzteile auf, die im Bereich der Enden in das Torsionsquerträgerprofil eingesetzt sind.
-
Eine Kraftfahrzeugachse mit Längslenkern und einem die Längslenker miteinander verbindenden Torsionsquerträger ist auch aus
DE 10 2014 100 618 B3 und
US 2009/0066050 A1 bekannt. In
DE 10 2014 100 618 B3 sind zudem verschiedene Profilquerschnitte des Torsionsquerträgers beschrieben.
-
-
-
Aus der
US 2013/0264789 A1 , der
US 8,308,175 B2 , der
US 6,616,157 B2 , der
US 2011/0115183A1 sowie der
EP 1 036 679 B1 sind durchweg Verbundlenkerachsen bekannt, welche Torsionsquerträger aufweisen, die aus einem geschlossenem Rohrprofil hergestellt sind und durch Verformung dieses geschlossenen Rohrprofiles bereichsweise zweiwandig ausgebildet sind. Mangels freier Beschnittkanten solcher geschlossener Torsionsquerträgerprofile ist deren Torsionsverhalten von demjenigen Torsionsverhalten offener einwandiger Torsionsquerträger verschieden, sodass derartige geschlossene insbesondere mehrwandige Torsionsquerträger für die Ausgestaltung von einwandigen, offenen Torsionsquerträgerprofilen nicht einschlägig sind. Schließteile zur Bildung geschlossener Querschnitte weisen derartige Torsionsquerträger nicht auf.
-
Es besteht das Bedürfnis, im Bereich der Anbindung der Schließteile an das Torsionsquerträgerprofil Spannungsspitzen am Torsionsquerträger zu minimieren und Spannungsverläufe zu homogenisieren.
-
Des Weiteren soll es erleichtert werden, einen optimierten und sanften tangentialen Auslauf von Schließblechen im Bereich einer Mittelzone des Torsionsquerträgerprofils zu gestalten. Insbesondere soll es möglich sein, durch die Spannungsoptimierung des Profils gegebenenfalls örtliche Verstärkungsbauteile vermeiden zu können. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Kraftfahrzeug mit einem optimierten Torsionsquerträger bereitzustellen.
-
Diese Aufgaben werden mit einem Torsionsquerträger mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben. Des Weiteren wird die Aufgabe durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.
-
Erfindungsgemäß wird ein gattungsgemäßer Torsionsquerträger für eine Verbundlenkerachse mit einem langgestreckten offenen Torsionsquerträgerprofil, bei dem in Endbereichen des Torsionsquerträgerprofils zur Bildung einer geschlossenen Querschnittsraumform Einsatzteile eingesetzt sind, zur Verfügung gestellt. Im erfindungsgemäßen Torsionsquerträger bildet ein zu einer Längsmitte des Torsionsquerträgers weisendes Ende der Einsatzteile, die vorzugsweise an ihren zu einer Längsmitte des Torsionsquerträgerprofils weisenden Enden jeweils einen in Längsrichtung gesehen gekrümmten Rand besitzen, einen Anlagebereich zum Torsionsquerträgerprofil aus, wobei sich das zur Längsmitte des Torsionsquerträgers weisende Ende der Einsatzteile an einen Profilboden des Torsionsquerträgerprofils anschmiegt. Das Torsionsquerträgerprofil besitzt zumindest im Anlagebereich des Einsatzteils am Profilboden eine im Querschnitt bogenförmige erste Querschnitts-raumform mit einer Krümmung, die betragsmäßig größer als Null ist,. In dieser ersten Querschnittsraumform besitzt der Profilboden des Torsionsquerträgerprofils im Anlagebereich im Querschnitt eine kreisbogenförmige Raumform,
-
In einer Längsrichtung des erfindungsgemäßen Torsionsquerträgers gesehen außerhalb der Anlagebereiche zu freien Endbereichen des Torsionsquerträger hin, weist dieser eine im Wesentlichen viereckige Querschnittsraumform auf, wobei die viereckige Querschnittsraumform durch das Torsionsquerträgerprofil zusammen mit dem Einsatzteil gebildet ist. In diesen Bereichen weist der Torsionsquerträger somit eine geschlossene Querschnittsraumform auf. Im Rahmen dieser Anmeldung ist der Ausdruck „im Wesentlichen viereckig“ derart zu verstehen, dass die Querschnittsraumform des Torsionsquerträgers in einem bestimmten Querschnitt ein Viereck umschreibt, dessen Kanten jeweils in mehr als einem Punkt an der Querschnittsraumform des Torsionsquerträgers oder des Einsatzteils anliegen. Eckbereiche können beispielsweise abgerundet sein, wie dies im Bereich der Blechbearbeitung mittels Biegeradien üblich ist. Derart abgerundete Radien, die in einem solchen Querschnitt vorhanden sind, lassen den grundsätzlich viereckigen Charakter der Querschnittsraumform unberührt. Eine derartige im Querschnitt viereckige Raumform im Bereich der Endbereiche des Torsionsquerträgers bietet eine hohe Torsionssteifigkeit im Bereich dieser Endbereiche, an denen der Torsionsquerträger üblicherweise an biegesteife, radführende Längslenker einer Verbundlenkerachse anbindbar ist oder angebunden ist.
-
In einer Längsrichtung gesehen zwischen den Anlagebereichen und den freien Enden des Torsionsquerträgers weist das Torsionsquerträgerprofil eine Übergangszone auf, wobei innerhalb der Übergangszone die in Längsrichtung gesehen erste Querschnittsraumform des Torsionsquerträgerprofils im Anlagebereich zum Einsatzteil in eine zweite Querschnittsraumform des Torsionsquerträgerprofils zum freien Ende des Torsionsquerträgerprofils hin übergeführt ist. Eine solche Überführung erfolgt insbesondere knickfrei, bevorzugt krümmungsstetig, um zu vermeiden, dass Torsionssteifigkeitssprünge entstehen, welche zu unerwünschten Spannungsspitzen führen können. Insbesondere unterstützt wird die Vermeidung von unerwünschten Spannungsspitzen erfindungsgemäß dadurch, dass die Einsatzteile zumindest in einem Teilbereich der Übergangszone sich in einem Querschnitt randlich an den Profilboden anschmiegend auslaufen. Vorzugsweise besitzen die zu einer Längsmitte des Torsionsquerträgerprofils weisenden Enden der Einsatzteile jeweils einen in Längsrichtung gesehen gekrümmten Rand. Außerdem stößt das Einsatzteil im Endbereich des Torsionsquerträgerprofils vorzugsweise in einem Winkel zwischen 80° und 90° an Seitenabschnitte der zweiten Querschnittsraumform an.
-
Im Rahmen der Erfindung geht also eine viereckige zweite Querschnittsraumform, wie sie für die Anbindung des Torsionsquerträgers an einen Längslenker vorteilhaft ist, zum Anlagebereich des Einsatzteils an den Profilboden hin in die im Querschnitt bogenförmige erste Querschnittsraum-form über, wobei der Profilboden des Torsionsquerträgerprofils in der ersten Querschnittsraumform eine kreisbogenförmig gekrümmte Raumform besitzt, wohingegen er in der zweiten Querschnittsraumform eine gerade Raumform, also keine gekrümmte Raumform besitzt. Mit dieser Ausgestaltung des Torsionsquerträgerprofils im Anlagebereich, insbesondere mit der beschriebenen Ausgestaltung des Profilbodens, der sich im Anlagebereich befindet, konnte eine optimierte und insbesondere homogene Spannungsverteilung des Torsionsquerträgerprofils bei bestimmungsgemäßen Belastungssituationen erreicht werden. Insbesondere konnten unzulässig hohe Spannungsspitzen im Anlagebereich deutlich reduziert werden und in für Dauerbelastungssituationen unkritische Spannungszustände verbracht werden. Es wurde erkannt, dass hierfür der Profilboden im Anlagebereich im Querschnitt keine geraden Abschnitte besitzen soll, die in bogenförmige Abschnitte übergehen. Vielmehr wurde ein befriedigendes Ergebnis erreicht, indem im Anlagebereich der Profilboden im Querschnitt bogenförmig ausgebildet ist, wobei die hierdurch gebildete erste Querschnittsraumform eine Krümmung aufweist, die betragsmäßig größer als Null ist, also in keinem Bereich einen geraden Abschnitt besitzt. Die vorzusehende Krümmung im Anlagebereich eines zu einer Längsmitte des Torsionsquerträgers weisenden Endes eines Einsatzteils und eine korrespondierende Krümmung des Profilbodens hierzu hat zu Folge, dass trotz einer Materialdickenvergrößerung durch das Aufeinanderliegen von Einsatzteil und Profilboden hierdurch erzeugte Spannungssprünge weitgehend egalisiert werden, jedenfalls auftretende Spannungsspitzen reduzierbar und homogenisierbar sind, die für Dauerbelastungssituationen des Torsionsquerträgers unschädlich sind. Weiterhin sind erfindungsgemäß der Profilboden und korrespondierend hierzu ein freies Ende der Einsatzteile im Anlagebereich, im Querschnitt kreisbogenförmig ausgebildet. Eine kreisbogenförmige Ausgestaltung stellt dabei einen größtmöglichen konstanten Krümmungsradius dar, mit dem Seitenabschnitte des Torsionsquerträgerprofils durch einen gekrümmten Profilboden miteinander knickfrei verbindbar sind. Aufgrund des Übergangs der im Querschnitt bogenförmigen ersten Querschnittsraumform zu der im Querschnitt viereckigen zweiten Querschnittsraumform kann gleichzeitig mit dem Reduzieren der Spannungen im Anlagebereich des Einsatzteils am Torsionsquerträgerprofil die für die Anbindung des Torsionsquerträgers an den Längslenker geeignete Geometrie im freien Endbereich des Torsionsquerträgers beibehalten werden.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die viereckige Querschnittsraumform beispielsweise rechteckförmig, quadratisch, trapezförmig oder pultdachförmig oder unregelmäßig viereckig ausgebildet und weist herstellungsbedingt abgerundete Ecken auf. Unter pultdachförmig ist insbesondere zu verstehen, dass zumindest ein Zentralbereich des Profilbodens zu einem benachbarten Seitenabschnitt des Torsionsquerträgerprofils im Querschnitt einen spitzen Winkel α einschließt.
-
In einer anderen zweckmäßigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Torsionsträgers geht der Profilboden des Torsionsquerträgerprofils über eine gesamte Länge L des Torsionsquerträgerprofils im Querschnitt in Seitenabschnitte über, die im Querschnitt eine gerade Raumform besitzen. Unter Querschnitt im Sinne der Erfindung ist durchgängig ein Schnitt senkrecht zu einer Längsachse des Torsionsquerträgers zu verstehen, wobei die Längsachse beispielsweise eine Verbindungslinie von Flächenschwerpunkten von Querschnittsflächen des Torsionsquerträgerprofils ist.
-
Es ist zweckmäßig, den Profilboden des Torsionsquerträgerprofils in einer Längsrichtung gesehen zwischen den Anlagebereichen beider Einsatzteile so auszuformen, dass der Profilboden dort die Querschnittsraumform der Anlagebereiche aufweist. Dabei kann die Querschnittsraumform der Anlagebereiche qualitativ gleich vorliegen, was z. B. bedeutet, dass der Profilboden zwischen den Anlagebereichen, in gleicher Art und Weise wie ein Anlagebereich, eine variable Krümmung aufweist, wobei nicht unbedingt ein krümmungsidentischer Verlauf vorliegen muss. Zwischen den Anlagebereichen können an korrespondierenden Stellen auch andere Krümmungsradien vorliegen, verglichen mit den entsprechenden Stellen der Anlagebereiche. In einer besonderen Ausführungsform weist der Profilboden sowohl qualitativ wie auch quantitativ die gleiche Querschnittsraumform wie die Anlagebereiche auf. In einer solchen Ausführungsform sind korrespondierende Bereiche der Anlagebereiche und des Profilbodens zwischen den Anlagebereichen derart ausgebildet, dass die dort vorliegenden Krümmungsradien gleich sind.
-
Das Einsatzteil ist üblicherweise mit dem Torsionsquerträgerprofil durchgehend oder mittels einer unterbrochenen Schweißnaht oder mittels Punktschweißen verbunden. Für alle Befestigungsarten hat sich bewährt, das sich das Einsatzteil zum Anlagebereich hin dem Profilboden möglichst stufenfrei annähert und tangential oder näherungsweise tangential in den Profilboden einläuft, das heißt sich an diesen tangential oder näherungsweise tangential anschmiegt. Unter näherungsweise tangential ist dabei zu verstehen, dass aus fertigungstechnischen Gründen gegebenenfalls minimale Knicke in den Einsatzteilen vorgesehen werden müssen, wobei grundsätzlich eine möglichst sanfte, das heißt näherungsweise tangentiale, Annäherung des freien Endes des Einsatzteils zum Profilboden hin angestrebt wird.
-
In Längsrichtung des Torsionsquerträgerprofils gesehen gehen jeweils dessen freien Enden, die Übergangszone und eine Mittelzone, die als zwischen den Anlagebereichen liegend oder die Anlagebereiche enthaltend definiert wird, knickfrei, insbesondere krümmungsstetig, ineinander über. Dies bewirkt eine homogene und freie von Spannungsspitzen verlaufende Spannungsverteilung.
-
Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Torsionsquerträgerprofil als im Querschnitt offenes Profil mit freien Beschnittkanten entlang seiner Längserstreckung ausgebildet ist. Eine solche Ausgestaltung des Torsionsquerträgers ermöglicht es, freie Beschnittkanten insbesondere über die Länge des Torsionsquerträgers unterschiedlich stark oder unterschiedlich weit nach außen zu biegen und somit in variabler Art und Weise Einfluss auf die Torsionssteifigkeit entlang der Länge des Torsionsquerträgers zu nehmen. Dies ist insbesondere ein Bauart bedingter Vorteil des vorliegenden Torsionsquerträgers gegenüber einem Torsionsquerträger der durch Umformung eines geschlossenen Rohrprofils (Halbzeug) hergestellt wird.
-
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in weiteren Unteransprüchen angegeben und in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung näher dargestellt.
-
Des Weiteren wird die Aufgabe der Erfindung mit einem Kraftfahrzeug gelöst, welches einen Torsionsquerträger gemäß der Erfindung aufweist.
-
Im Folgenden wird die Erfindung gegebenenfalls unter Nennung weiterer vorteilhafter Merkmale beispielhaft anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1: einen erfindungsgemäßen Torsionsquerträger mit einem Torsionsquerträgerprofil und endseitig eingesetzten Einsatzteilen in einer Unteransicht;
- 2: den erfindungsgemäßen Torsionsquerträger in einer perspektivischen Ansicht;
- 3: den erfindungsgemäßen Torsionsquerträger in einer Seitenansicht mit einem Einsatzteil;
- 4: den erfindungsgemäßen Torsionsquerträger in einer Draufsicht;
- 5a bis 5e: jeweils einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Torsionsquerträger entlang der Linien A-A (5a), B-B (5b), C-C (5c), D-D (d) und E-E (5e);
- 5b': einen bevorzugten Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Torsionsquerträger in einem Bereich zwischen den Schnittlinien B-B (5b) und C-C (5c);
- 6: einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Torsionsquerträgers entlang der Linie E-E;
- 7: eine perspektivische Detailansicht auf den erfindungsgemäßen Torsionsquerträger;
- 8: eine schematische Spannungsverteilung im Bereich eines Anlagebereichs eines Einsatzteils zum Torsionsquerträgerprofil eines erfindungsgemäßen Torsionsquerträgers und
- 9 (Stand der Technik): eine schematische Spannungsverteilung im Bereich eines Anlagebereichs eines Einsatzteils zum Torsionsquerträgerprofil eines Torsionsquerträgers nach dem Stand der Technik.
-
9 zeigt eine unerwünschte Spannungsverteilung eines Torsionsquerträgers gemäß dem Stand der Technik. Ein solcher Torsionsquerträger gemäß des Standes der Technik ist hinsichtlich seiner Bauart ein Torsionsquerträger, bei dem in ein offenes Torsionsquerträgerprofil in Endbereichen Einsatzteile eingesetzt sind. Ein Anlagebereich 100 ist schematisch angedeutet. Innerhalb des Anlagebereiches 100 liegen zur Längsmitte des Torsionsquerträgers weisende Enden der Einsatzteile an einer Innenseite des Torsionsquerträgerprofils an. Im Anlagebereich ist sowohl das Einsatzteil als auch das Torsionsquerträgerprofil eben ausgebildet. Bei bestimmungsgemäßer Belastungssituationen entstehen benachbart zum Anlagebereich 100 unerwünschte Spannungsspitzen 101.
-
Dabei zeigt 9 einen Ausdruck einer Spannungsverteilung, welche im Wege einer Spannungsermittlung mit Hilfe der finiten Elemente-Methode ermittelt wurde. Derartige unerwünschte Spannungsspitzen gilt es zu verhindern, was mit einem erfindungsgemäßen Torsionsquerträger gemäß nachfolgender Beschreibung gelingt.
-
Ein erfindungsgemäßer Torsionsquerträger 1 besitzt ein langgestrecktes, offenes Torsionsquerträgerprofil 2. In Endbereiche 3 des offenen Torsionsquerträgerprofils 2 sind Einsatzteile 4 eingesetzt (vgl. 1, 2).
-
Das Einsatzteil 4 bzw. die Einsatzteile 4 weisen jeweils ein zu einer Längsmitte 5 weisendes Ende 6 mit einem gekrümmten Rand 6' auf. Die Enden 6 bilden zusammen mit einem Profilboden 7 des Torsionsquerträgerprofils 2 je einen Anlagebereich 8, welcher in 1 beispielhaft gestrichelt dargestellt ist. In diesen Anlagebereichen 8 liegen die Einsatzteile 4, bevorzugt flächig am Profilboden 7 innenliegend im Torsionsquerträgerprofil 2 an. An gegenüberliegenden freien Enden 9 sind die Einsatzteile 4 beabstandet vom Profilboden 7 des Torsionsquerträgerprofils 2 angeordnet (vgl. 2), so dass im Bereich der freien Enden 9, insbesondere innerhalb der Endbereiche 3 mit Ausnahme der Anlagebereiche 8, zusammen mit dem Torsionsquerträgerprofil 2 eine geschlossene Querschnittsraumform des Torsionsquerträgers 1 gebildet ist.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest in dem/den Anlagebereich(en) 8 der Profilboden 7 des Torsionsquerträgerprofils 2 eine im Querschnitt bogenförmige erste Querschnittsraumform 10 (vgl. 5b) mit einer Krümmung, die betragsmäßig größer als 0 ist, besitzt.
-
Die Einsatzteile 4 laufen vom freien Ende 9 aus in Richtung Längsmitte 5 gesehen, bevorzugt sich an den Profilboden 7 anschmiegend, möglichst tangential in diesen ein, so dass in einer Längsrichtung 11 gesehen sich eine Querschnittsfläche 12 des Torsionsquerträgers 1 zur Längsmitte 5 hin verkleinert. In einem Bereich zwischen den Enden 6 ist der Torsionsquerträger 1 lediglich aus dem Torsionsquerträgerprofil 2 gebildet und besitzt somit analog zum Torsionsquerträgerprofil 2 eine einwandige, offene Querschnittsraumform, welche insbesondere torsionsweich aber relativ beigesteif ausgebildet ist. Das Torsionsquerträgerprofil 2 weist dabei nach außen abgebogene, freie Beschnittkanten 13 auf. Das Nachaußen-Biegen dient insbesondere zum Abbau von Spannungsspitzen im Bereich der freien Beschnittkanten 13 selbst.
-
Der Profilboden 7 des Torsionsquerträgerprofils 2 geht mit seiner gekrümmten Raumform in Seitenwandungen 14 über, die ihrerseits über einen Radiusabschnitt 22 in die freien Beschnittkanten 13 übergehen.
-
Für die weitere Beschreibung wird in einem Bereich des Torsionsquerträgers 1 zwischen den Einsatzteilen 4 zuzüglich der Anlagebereiche 8 eine Mittelzone 15 definiert. Jeweils endseitig an die Mittelzone 15 anschließend ist eine Übergangszone 16 vorhanden, welche in freie Enden 17 übergeht. Dabei ist bei der vorliegenden Ausführungsform des erfindungs-gemäßen Torsionsquerträgers 1 im Bereich der Mittelzone 15 die erste Querschnittsraumform 10 des Torsionsquerträgerprofils 2 aufweisend die Krümmung im Profilboden 7 vorhanden. In den freien Enden 17 weist der erfindungsgemäße Torsionsquerträger 1 eine im Wesentlichen viereckige, zweite Querschnittsraumform 18 auf (vgl. auch 5e), wobei die im Wesentlichen viereckige Querschnittsraumform 18 im Bereich der freien Enden 17 durch das Einsatzteil 4 und die gegenüber der Mittelzone 15 geänderte Querschnittsraumform des Torsionsquerträgerprofils 2 gebildet ist. Im Bereich der Übergangszone 16 wird die erste Querschnittsraumform 10 des Torsionsquerträgerprofils2 knickfrei, insbesondere krümmungsstetig, in die zweite Querschnittsraumform 18 des Torsionsquerträgerprofils 2 überführt.
-
Im Sinne der Erfindung ist als „im Wesentlichen viereckig“ dahingehen zu verstehen, dass die zweite Querschnittsraumform 18 abgerundete Ecken 19 durchaus aufweisen kann. Die abgerundeten Ecken 19 sind beispielsweise der Herstellbarkeit des Torsionsquerträgerprofils 2 geschuldet. Selbstverständlich kann ein aus Stahlblech geformtes Torsionsquerträgerprofil 2 nicht absolut idealgeometrisch scharfkantig eckig gefertigt werden. Insoweit ist der Begriff „im Wesentlichen viereckig“ derart zu verstehen, dass der Querschnittsraumform ein Viereck einbeschrieben werden kann, welches mit jeder Seite an zumindest zwei Punkten der zweiten Querschnittsraumform anliegt. Weiterhin soll bei dem Begriff „im Wesentlichen viereckige Querschnittsraumform 18“ außer Betracht bleiben, dass gegebenenfalls die freien Beschnittkanten ein Stück über das dort vorhandene Einsatzteil 4 hinausragen. Die Angabe „im Wesentlichen viereckige zweite Querschnittsraumform 18“ bezieht sich also auf die vom Torsionsquerträgerprofil 2 und dem Einsatzteil 4 umschlossene Querschnittsfläche 12, die abgesehen von z. B. abgerundeten Ecken im Wesentlichen ein Viereck bildet. Eine solche Ausführungsform sei vorab anhand der 5e beschrieben. Bei der dort dargestellten zweiten Querschnittsraumform 18 gehen Seitenabschnitte 20 der Querschnittsraumform 18 über abgerundete Ecken 19 in einen geraden Zentralabschnitt 21 des Profilbodens 7 über. Der Profilboden 7 besitzt also im Bereich der zweiten Querschnittsraumform 18 eine im Querschnitt gerade Raumform. Ebenso trifft dies für die Seitenabschnitte 20 zu, die der Querschnittsraumform der Seitenwandungen 14 des Torsionsquerträgerprofils 2 entsprechen. Bei der zweiten Querschnittsraumform 18 gemäß 5e handelt es sich um eine im Querschnitt pultdachförmige, viereckige Querschnittsraumform 18, bei der der gerade Zentralabschnitt 21 zusammen mit mindestens einem benachbarten Seitenabschnitt 20 einen spitzen Winkel α einschließt. Die pultdachförmige, zweite Querschnittsraumform 18 des Torsionsquerträgerprofils 2 im Bereich der freien Enden 17 hat sich als besonders günstig erwiesen, was die Vermeidung von Spannungsspitzen in einem eingebauten Zustand des Torsionsquerträgers 1 angeht. An den freien Enden 17 des Torsionsquerträgers 1 ist üblicherweise ein starrer Längslenker (nicht gezeigt) befestigt, an welchem wiederum ein Rad eines Kraftfahrzeuges angebracht ist. Es hat sich als positiv herausgestellt, im Anbindungsbereich des Torsionsquerträgers 1 an einen Längslenker eine im Querschnitt viereckige Raumform, insbesondere eine pultdachförmige Raumform zu wählen, um einen besonders geschmeidigen Übergang, unter Vermeidung von unzulässigen Spannungsspitzen zu erreichen.
-
Die freien Enden 17, wie sie hinsichtlich ihrer zweiten Querschnitts-raumform 18 beispielhaft in 5e dargestellt sind, erstrecken sich in Längsrichtung 11 gesehen, über einen Bereich von jeweils ca. 5 % bis 20 % einer Gesamtlänge L des Torsionsquerträgers 1. Die Übergangszonen 16 weisen hinsichtlich ihrer Längserstreckung in Längsrichtung 11 gesehen ca. 5 % bis 20 % der Gesamtlänge L des Torsionsquerträgers 1 auf. Hinsichtlich der Längserstreckung der Anlagebereiche 8 in Längsrichtung 11 gesehen, hat sich ein Bereich zwischen 5 % und 20 %, insbesondere 5 % bis 15 % der Länge L des Torsionsquerträgers 1 bewährt. Die Mittelzone 15 hat zweckmäßiger Weise hinsichtlich ihrer Längserstreckung einen Anteil von wenigstens 40 %, bevorzugt mehr als 30 % an der Gesamtlänge L des Torsionsquerträgers 1.
-
Im Folgenden werden variierende Querschnittsraumformen des Torsionsquerträgerprofils 2 und, wo Einsatzteile 4 vorhanden sind des Torsionsquerträgers 1 unter Zuhilfenahme der 3, 4 und 5a bis 5e erläutert.
-
5a zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A der 3 und 4 und liegt in einem Bereich der Mittelzone 15. In diesem Bereich (vgl. 5a) besitzt der Profilboden 7 eine bogenförmige Querschnittsraumform, die der ersten Querschnittsraumform 10 entspricht. Im Ausführungsbeispiel ist die bogenförmige Raumform (erste Querschnittsraumform 10) als im Querschnitt kreisbogenförmige Raumform ausgebildet und weist über die gesamte Erstreckung des Profilbodens 7 eine konstante Krümmung auf. Der Profilboden 7 geht endseitig in die Seitenabschnitte 20 über, welche im Querschnitt eine gerade Raumform besitzen, so dass insgesamt eine im Querschnitt U-förmige Raumform des Torsionsquerträgerprofils 2 vorliegt, die aus einem bogenförmigen Profilboden 7 und geraden, sich zu einer offenen Seite des Profils hin gegebenenfalls sanft erweiternden Seitenabschnitten 20 gebildet ist. An die Seitenabschnitte 20 schließen sich jeweils über die Radiusabschnitte 22 die freien Beschnittkanten 13 an. Im Bereich der Mittelzone 15 liegt der Torsionsquerträger 1 als offenes Profil vor.
-
5b zeigt einen Querschnitt entlang der Linie B-B der 3 und 4 und liegt im Bereich des Anlagebereichs 8.
-
Das Einsatzteil 4 schmiegt sich in diesem Bereich gleichsinnig gekrümmt wie der Profilboden 7 an diesen an und berührt möglichst spaltfrei den Profilboden 7 an einer Innenseite des Torsionsquerträgerprofils 2. Im Anlagebereich 8 besitzt das Torsionsquerträgerprofil eine im Querschnitt kreisbogenförmige Raumform mit insbesondere konstantem Radius. Der Profilboden 7 geht nicht nur im Schnitt B-B gesehen, sondern über das gesamte Torsionsquerträgerprofil 2 hinweg knickfrei in die Seitenwandungen 20 über. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Profilboden im Anlagebereich 8 kreisbogenförmig ausgebildet (Querschnitt gemäß 5b) und weist somit einen konstanten Krümmungsradius auf. In einer anderen Ausführungsform kann die Krümmung des Profilbodens 7 im Anlagebereich 8 einen sich ändernden Krümmungsradius besitzen, wobei wesentlich ist, dass die Krümmung des Profilbodens 7 über den gesamten Profilboden 7 hinweg (im Querschnitt gesehen) betragsmäßig > 0 ist.
-
Weiterhin bevorzugt ist, dass der Profilboden 7 zumindest im Anlagebereich 8 einen krümmungsstetigen Querschnittsverlauf besitzt, d. h. dass bei Vorliegen von unterschiedlichen Krümmungen entlang des Querschnitts des Profilbodens 7 diese einen Verlauf ohne Krümmungssprünge aufweist.
-
5c zeigt einen Schnitt entlang der Linie C-C der 3 und 4 und liegt in einem Bereich der Übergangszone 16, von der Längsmitte 5 aus gesehen, insbesondere in einem Anfangsbereich der Übergangszone 16. Die Querschnittsraumform des Profilbodens 7 weist dabei im Wesentlichen noch die erste Querschnittsraumform 10 auf oder beginnt - in Längsrichtung 11 gesehen - diese zu verlassen. In einem solchen Bereich des erfindungsgemäßen Torsionsquerträgers 1 ist das Schließteil bereits beabstandet vom Profilboden 7 angeordnet, so dass eine geschlossene Querschnittsfläche 12 gebildet ist, was die Torsionssteifigkeit des Torsionsquerträgers 1 in diesem Bereich erhöht. Bevorzugt ist das Einsatzteil 4 in diesem Bereich im Querschnitt gewellt ausgebildet.
-
5d zeigt einen Schnitt entlang der Linie D-D der 3 und 4. Dieser Schnitt liegt in der Übergangszone 16 und weist einen im Querschnitt durchgängig gekrümmten Profilboden 7 auf, der im Querschnitt noch keinen geraden Zentralabschnitt 21 (vgl. 5e) besitzt. In einem solchen Querschnitt ist das Einsatzteil 4 gegenüber dem Querschnitt gemäß 5c ein Stück weiter zu den freien Beschnittkanten 13 hin verlagert angeordnet, so dass eine gegenüber der 5c vergrößerte Querschnittsfläche 12 gebildet ist. Der Profilboden 7 weist in der Querschnittsdarstellung gemäß 5d einen krümmungsstetigen Verlauf auf.
-
5e zeigt einen Schnitt entlang der Linie E-E der 3 und 4 und liegt im Bereich der freien Endabschnitte 17 des Torsionsquerträgers 1. Das Einsatzteil 4 ist in einem solchen Schnitt im Querschnitt geradlinig verlaufend ausgebildet und gegenüber einer Darstellung gemäß 5d noch ein Stück näher an den freien Beschnittkanten 13 angeordnet, so dass eine weiter vergrößerte Querschnittsfläche 12 gebildet ist. Das Torsionsquerträgerprofil 2 weist eine im Wesentlichen pultdachförmige Raumform, mit einem im Querschnitt geradlinig verlaufenden Zentralabschnitt 21 des Profilbodens 7 auf. Eine solche pultdachförmige Raumform ist insbesondere dadurch definiert, das der Zentralabschnitt 21 mit einer benachbarten Seitenwandung 14 bzw. einem benachbarten Seitenabschnitt 20 in einem Querschnitt einen spitzen Winkel α einschließt. Als vorteilhafte Werte für den Winkel α haben sich Werte zwischen 45° und weniger als 90°, insbesondere zwischen 60° und weniger als 90° bewährt.
-
Die Querschnittsfläche 12 weist eine im Wesentlichen viereckige Raumform mit abgerundeten Ecken 19 auf. Die Seitenabschnitte 20 erweitern sich ausgehend vom Profilboden 7 entlang ihres geradlinigen Verlaufs trichterförmig, so dass insgesamt eine pultdachförmige Raumform ausgebildet ist. Als mögliche weitere viereckige Querschnittsraumformen kommen selbstverständlich auch quadratische, rechteckige, trapezförmige oder unregelmäßig viereckige Raumformen in Betracht. Das Einsatzteil 4 schließt einen offenen Endbereich des Torsionsquerträgerprofils 2 ab, so dass ein geschlossenes, viereckiges Profil gebildet ist.
-
5b' zeigt einen qualitativen Verlauf des Einsatzteiles 4 relativ zum Torsionsquerträgerprofil 2 in einem Zwischenbereich zwischen den Schnittlinien B-B und C-C gemäß den 5b und 5c. Es sei betont, dass nicht im gesamten Zwischenbereich zwischen den genannten Schnittlinien B-B und C-C der Verlauf gemäß 5b' vorliegen muss. Wesentlich ist, dass zumindest in einem Teilbereich der Übergangszone 16 des Torsionsquerträgerprofils 2 das Einsatzteil 4 sich randlich anschmiegend an den Profilboden 7 des Torsionsquerträgerprofils 2 ausläuft. Hierdurch ist eine sichelförmige Querschnittsfläche 12 gebildet. Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, dass Randbereiche des Einsatzteils 4 noch in gekrümmten Querschnittsbereichen des Profilbodens 7 sich an diesen anschmiegend auslaufen. Bevorzugt ist vermieden, dass in diesem Bereich die Anschmiegung des Einsatzteils 4 bis in gerade Seitenabschnitte 20 hinein vorgenommen wird. Im Bereich der geraden Seitenabschnitte 20 (vergleiche Schnitt C-C gemäß 5c) ist es bevorzugt, dass Seitenbereiche des Einsatzteils 4 randlich stumpf auf die geraden Seitenabschnitte 20 zulaufen.
-
Zur Erreichung der vorbeschriebenen Ausgestaltung ist es besonders zweckmäßig, den Querschnittsverlauf des Einsatzteils 4 mit einer zum Profilboden 7 korrespondierenden Krümmung auszubilden. Ein solcher Querschnittsverlauf ist demnach hinsichtlich der Art der Krümmung, nicht jedoch zwingend hinsichtlich des exakten Krümmungsverlaufs dem Profilboden 7 angeglichen. Hierdurch entsteht eine im Wesentlichen im Querschnitt sichelförmig umgrenzte Querschnittsfläche 12. Das Einsatzteil 4 schmiegt sich randlich an die im Querschnitt gekrümmten Ausläufer des Profilbodens 7 an.
-
Durch eine derartige noch im Krümmungsbereich des Profilbodens 7 stattfindende anschmiegende Ausgestaltung des Einsatzteils 4 gelingt es in besonders gutem Maßen, im Bereich der Übergangszonen 16 üblicherweise auftretende Spitzenspannungen abzumildern und in einen akzeptablen Bereich hinein abzusenken. Der gekrümmte Rand 6' kann dabei helfen, die Spannungen abzumildern.
-
Zusammenfassend kann also festgestellt werden, dass das Einsatzteil 4 sowohl in Längsrichtung L gesehen sich dem Profilboden 7 anschmiegend ausgestaltet ist als auch zumindest von einer Stelle des Übergangsbereichs 16 weg hin zum Anlagebereich 8 auch im Querschnitt sich an den Profilboden 7 anschmiegend ausgestaltet ist.
-
In 6 ist ein Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Torsionsquerträgers 1 entlang der Linie E-E aus den 3 und 4 gezeigt. Diese Querschnittsdarstellung entspricht somit hinsichtlich ihrer Lage bezüglich des Torsionsquerträgers 1 der Darstellung gemäß 5e, die ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Torsionsquerträgers 1 betrifft.
-
Im Unterschied zur Querschnittsfläche 12 gemäß 5 weist die Querschnittsfläche 12 in der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Torsionsquerträgers 1 gemäß 6 eine im Wesentlichen rechteckige Raumform mit abgerundeten Ecken 19 auf. Die Seitenabschnitte 20 erweitern sich ausgehend vom Profilboden 7 entlang ihres geradlinigen Verlaufs trichterförmig. Aufgrund dieser trichterförmigen Erweiterung der Seitenabschnitte 20, die insbesondere fertigungstechnischen Anforderungen beim Formen, insbesondere beim Tiefziehen des Torsionsquerträgerprofils 2 geschuldet sind, können die Seitenabschnitte 20 dieser Ausführungsform mit dem Zentralabschnitt 21 jeweils stumpfe Winkel α1 und α2 einschließen. Die Winkel α1 und α2 können gleich groß oder unterschiedlich groß sein. Als geeignete Werte für die Winkel α1 und α2 haben sich Winkel zwischen 90° und 110°, insbesondere zwischen 90° und 105° bewährt. Die hieraus resultierende Querschnittsfläche 12 soll erfindungsgemäß zusammen mit den abgerundeten Ecken 19 und dem Einsatzteil 4 als „im Wesentlichen rechteckig“ definiert sein.
-
In 7 ist ein Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Torsionsquerträgers 1 im Bereich des Anlagebereichs 8 gezeigt. Es ist erkennbar, dass das Einsatzteil 4 in Längsrichtung 11 gesehen, zum Anlagebereich 8 hin sanft sich anschmiegend, insbesondere tangential in dem Profilboden 7 einläuft und im Anlagebereich 8 zum Anliegen kommt.
-
In 8 ist eine Spannungsverteilung, ermittelt mit einer finiten Elementen-Methode im Bereich des Anlagebereichs 8 eines erfindungsgemäßen Torsionsquerträgers 1 dargestellt. Bei einem Vergleich mit einer Spannungsverteilung eines Torsionsquerträgers gemäß dem Stand der Technik (vgl. 9) wird deutlich, dass die auftretenden Spannungen homogener über den betrachteten Bereich verteilt sind. Beispielsweise ist in der 9 gemäß dem Stand der Technik ein mittlerer Bereich (hellgrau) dargestellt, nahezu spannungsfrei, wobei dieser mittlere Bereich beim Torsionsquerträger gemäß der Erfindung (vgl. 8) Torsionsspannungen aufnimmt und somit andere Bereiche entlastet. Die im Stand der Technik als kritisch gekennzeichneten Bereiche 101 weisen beim erfindungsgemäßen Torsionsquerträger keine kritischen Spitzenspannungen mehr auf. Hierdurch ist sichergestellt, dass lokale Überlastungen nicht mehr auftreten und ein größerer Anteil des Materials des Torsionsquerträgerprofils 2 und des Einsatzteils 4 an der Aufnahme der entsprechenden Spannungen oder mechanischen Belastungen beteiligt ist. Dies bewirkt insbesondere eine weitgehende Homogenisierung der Spannungsverteilungen über größere Flächenbereiche des Torsionsquerträgers. Somit ist die zu erwartenden Dauerfestigkeit des erfindungsgemäßen Torsionsquerträgers gegenüber dem Stand der Technik erhöht.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Torsionsquerträger
- 2
- Torsionsquerträgerprofil
- 3
- Endbereiche
- 4
- Einsatzteil
- 5
- Längsm itte
- 6
- Ende
- 6'
- gekrümmter Rand
- 7
- Profilboden
- 8; 100
- Anlagebereich
- 9
- freie Enden der Einsatzteile 4
- 10
- erste Querschnittsraumform
- 11
- Längsrichtung
- 12
- Querschnittsfläche
- 13
- freie Beschnittkanten
- 14
- Seitenwandung
- 15
- Mittelzone
- 16
- Übergangszone
- 17
- Freie Enden
- 18
- zweite Querschnittsraumform
- 19
- abgerundete Ecken
- 20
- Seitenabschnitte
- 21
- Zentralabschnitt
- 22
- Radiusabschnitt
- 100
- Anlagebereich
- 101
- Spannungsspitze
- L
- Länge
- α
- Winkel
- α1
- Winkel
- α2
- Winkel
