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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Strukturbauteil für die Karosserie eines Fahrzeugs sowie einen Strukturabschnitt für eine Karosserie eines Fahrzeugs.
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Grundsätzlich ist es bekannt, dass Fahrzeuge mit Strukturbauteilen ausgestattet werden, welche zusammengesetzt eine Karosserie des Fahrzeugs ausbilden. Die Strukturbauteile zeichnen sich dabei insbesondere dadurch aus, dass sie in der Lage sind, Kräfte zwischen den einzelnen benachbarten Strukturbauteilen auszutauschen bzw. zu übertragen. In einer Crashsituation werden die Strukturbauteile über ihre plastische Verformungsgrenze hinaus beansprucht und können zumindest teilweise in definierter und voraussagbarer Weise kollabieren, um auf diese Weise Unfallkräfte abzubauen.
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Bei den bekannten Lösungen für die Karosserie eines Fahrzeugs ist üblicherweise ein sogenannter Mitteltunnel vorgesehen. Dabei wird Kraft bei einem Frontalaufprall auf das Fahrzeug über entsprechende vordere Längsträger in diesen Mitteltunnel sowie seitliche Schweller sowie die A-Säule des Fahrzeugs eingeleitet. Die A-Säule und der Mitteltunnel sowie die seitlichen Schweller dienen damit dazu, die Aufprallkraft von der Vorderseite in das Fahrzeug sowie in die Karosserie einzubringen und an dem Fahrgastinnenraum zum Schutz der Insassen des Fahrzeugs vorbeizuleiten.
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Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass der Mitteltunnel für die notwendige Kraftabtragung einen relativ großen Bauraum beansprucht. Um diesen Bauraum gewährleisten zu können, wird die Konstruktionsfreiheit eingeschränkt, da dieser Mitteltunnel sich quer durch den zentralen Bereich des Fahrgastraums des Fahrzeugs erstreckt. Ein weiterer Nachteil neben dem Platzbedarf und der definierten Positionierung des Mitteltunnels ist dessen Gewicht, welches sich zum Gesamtgewicht des Fahrzeugs addiert.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise Gewicht zu reduzieren und dabei die Stabilität des Strukturbauteils beizubehalten oder sogar noch zu erhöhen.
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Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Strukturbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einen Strukturabschnitt mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Strukturbauteil beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Strukturabschnitt und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil für eine Karosserie eines Fahrzeugs weist einen Grundkörper auf. Dieser Grundkörper ist mit einem Trägerabschnitt zur kraftübertragenden Anbindung an einen vorderen Längsträger der Karosserie ausgestattet. Weiter weist der Grundkörper einen Säulenabschnitt zur kraftübertragenden Anbindung an eine A-Säule der Karosserie auf. Der Trägerabschnitt ist dabei bezogen auf die Höhenrichtung der Karosserie oberhalb des Säulenabschnitts angeordnet. Bezogen auf die Querrichtung der Karosserie ist der Trägerabschnitt innerhalb des Säulenabschnitts angeordnet.
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Erfindungsgemäß bringt ein Strukturbauteil zwei wesentliche Kerngedanken mit sich, welche es erlauben, eine erhöhte Stabilität für die Verbindung zwischen den vorderen Längsträgern einerseits und der A-Säule bzw. den seitlichen Schwellern andererseits zur Verfügung zu stellen. Dabei ist insbesondere Bezug zu nehmen auf die beiden Versatzsituationen für den Säulenabschnitt und den Trägerabschnitt. Der Trägerabschnitt liegt also bezogen auf die Höhenrichtung oberhalb des Säulenabschnitts und gleichzeitig innerhalb des Säulenabschnitts bezogen auf die Querrichtung. Dies hat diverse Funktionen, insbesondere bei einer Unfallsituation eines Fahrzeugs. Bei einem Frontalaufprall auf das Fahrzeug werden entsprechende frontal eintreffende Kräfte auf die vorderen Längsträger des Fahrzeugs übertragen. Um diese Kräfte weiterzuleiten entlang eines Kraftflusses wird die Kraft über eine Anbindung an den Trägerabschnitt des jeweiligen Strukturbauteils, wovon eines auf der linken Vorderseite des Fahrzeugs und eines auf der rechten Vorderseite des Fahrzeugs angeordnet ist, übertragen. Die Kraft ist über diesen Kraftfluss im Trägerabschnitt vorhanden und folgt dem Grundkörper und damit dem Material des Grundkörpers, des Strukturbauteils vom Trägerabschnitt weg zum jeweiligen Säulenabschnitt. Am Säulenabschnitt wird die Kraft weitergegeben an das benachbarte Bauteil, bei welchen es sich um die A-Säule und/oder den Seitenschweller des Fahrzeugs handelt. Mit anderen Worten wird nun durch das jeweilige Strukturbauteil und die definierten Krafteingangspunkte und Kraftausgangspunkte, also dem Abstand zwischen dem Trägerabschnitt und dem Säulenabschnitt, ein definiertes Hebelverhältnis eingestellt. In Bezug auf den lateralen Versatz in Höhenrichtung führt dies dazu, dass sich bei einem vorderen Frontalaufprall auf das Fahrzeug ein Drehmoment ausbildet, welches um die Hochachse des Fahrzeugs nach innen gerichtet ist. Bezogen auf die Querrichtung der Karosserie des Fahrzeugs entsteht ebenfalls bei einem Frontalaufprall ein Drehmoment, welches um die Querachse nach unten gerichtet ist. Diese beiden Varianten der Drehmomente, welche sich in einem daraus resultierenden Gesamtdrehmoment zusammenfassen lassen, führt zu einer deutlichen Stabilisierung im Gesamtsystem bei einem Frontalaufprall für das Fahrzeug. Mit anderen Worten wird die Kraft nun in der Abstützung daraufhin an der Fahrgastzelle vorbei in die Seitenschweller und die A-Säule eingeleitet. Entsprechende Kollabierfunktionalitäten der einzelnen Strukturbauteile der Karosserie sind so ausgelegt, dass sie bei der vorhersehbaren und definierten Deformation bei einem Frontalaufprall nicht oder nur zu einem geringen Teil in den Fahrgastinnenraum des Fahrzeugs eindringen können. Die bereits beschriebenen Drehmomentverläufe beim Frontalaufprall führen dazu, dass die entsprechend zur Verfügung stehenden Kräfte an den Anbindungspunkten vom Fahrgastraum weg nach außen bzw. nach unten gerichtet sind.
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Die voranstehende Beschreibung führt dazu, dass nun zum einen ein erhöhter Insassenschutz gewährleistet werden kann, da die beschriebenen Drehmomente an der Fahrgastzelle vorbeigerichtet sind. Darüber hinaus werden die Strukturbauteile auf diese Weise kostengünstig, einfach und vor allem mit einer gewichtsreduzierten Ausführungsform mit einer erhöhten Stabilität versehen. Diese erhöhte Stabilität erlaubt es nun, außerhalb von diesen beiden Strukturbauteilen auf weitere Kraftabtragungen in Längsrichtung zu verzichten. Ein separater und bisher notwendiger Mitteltunnel kann damit unterbleiben, so dass eine größere Konstruktionsfreiheit besteht, um das Fahrzeug und insbesondere den Fahrgastinnenraum des Fahrzeugs zu konstruieren und auszulegen. Bei einem Frontalaufprall aufprallende Kräfte werden nun mit gleicher oder sogar erhöhter Stabilität entlang des Kraftflusses an dem Fahrgastinnenraum vorbeigeleitet und passieren bei diesem Kraftfluss links und rechts jeweils ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil.
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Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Strukturbauteil der Grundkörper zwischen dem Trägerabschnitt und dem Säulenabschnitt einen zumindest teilweise bogenförmigen Verlauf aufweist. Ein bogenförmiger Verlauf vermeidet insbesondere Knickstellen bzw. Knickabschnitte. Die beschriebenen Drehmomentverläufe werden auf diese Weise für den einzelnen Kraftfluss einfach, kostengünstig und mit hoher mechanischer Stabilität übertragen. Ein unerwünschtes Ausknicken oder Abknicken einzelner Abschnitte des Grundkörpers kann auf diese Weise wirkungsvoll und mit reduziertem Platzbedarf vermieden werden. Auch das Gesamtgewicht eines auf diese Weise ausgebildeten Grundkörpers wird für das Strukturbauteil optimierbar.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn bei einem erfindungsgemäßen Strukturbauteil der Grundkörper wenigstens abschnittsweise einem Profilquerschnitt, insbesondere einen geschlossenen Profilquerschnitt, aufweist. Die Ausbildung mit einem Profilquerschnitt erlaubt es, eine weitere Reduktion des Gesamtgewichts und der Herstellkosten für das Strukturbauteil zur Verfügung stellen zu können. Dabei kann es sich insbesondere um metallische Strangpressprofile handeln. Die Querschnitte des Profils können sowohl in geschlossener als auch in teilgeschlossener oder offener Bauweise ausgebildet sein. Geschlossene Profilquerschnitte sind hinsichtlich der gewünschten erhöhten mechanischen Stabilität bevorzugt.
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Weiter von Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Strukturbauteil der Grundkörper zwischen dem Trägerabschnitt und dem Säulenabschnitt einen Querabstützabschnitt aufweist für eine Anbindung an einen abstützenden Stirnwand-Querträger in Querrichtung der Karosserie. Mit anderen Worten lässt sich hier eine Querabstützung zwischen zwei gleichen oder im Wesentlichen gleichen Strukturbauteilen an der linken und der rechten Seite der Karosserie des Fahrzeugs zur Verfügung stellen. Dieser vordere Querabstützabschnitt erlaubt es, sich mit einem Stirnwand-Querträger zu verbinden, welcher insbesondere vor der Fahrgastzelle des Fahrzeugs liegt. Damit werden ein zusätzlicher Schutz und insbesondere eine Lastverteilung bei quer auftreffendem Frontalaufprallunfall für das Fahrzeug zur Verfügung gestellt. Kräfte können nun zwischen den einzelnen Seiten des Fahrzeugs und damit auch zwischen den einzelnen seitlich angeordneten unterschiedlichen Strukturbauteilen gemäß der vorliegenden Erfindung über die Querabstützabschnitte und den abstützenden Stirnwand-Querträger aufgeteilt werden. Die Gesamtstabilität lässt sich auf diese Weise deutlich erhöhen und insbesondere für Queraufprallsituationen für das Fahrzeug eine Reduktion des Gesamtgewichts der einzelnen Strukturbauteile erzielen. Auch der Bauraum wird für ein solches Strukturbauteil auf diese Weise reduzierbar.
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Ein weiterer Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Strukturbauteil der Grundkörper zwischen dem Trägerabschnitt und dem Säulenabschnitt einen Längsabstützabschnitt aufweist für eine Anbindung an einen abstützenden Karosserieabschnitt, insbesondere in Form eines Radhauses der Karosserie. Ein solches Radhaus ist ein Teil der Karosserie oder ein angrenzendes Teil an die Karosserie. Das Radhaus bzw. ein entsprechender Karosserieabschnitt erlaubt es nun ebenfalls, Kräfte aus dem Kraftfluss aufzunehmen und abzutragen. Die mechanische Stabilität, insbesondere hinsichtlich der Verwindungssteifigkeit des Gesamtsystems der Karosserie, wird auf diese Weise weiter verbessert.
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Darüber hinaus von Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Strukturbauteil der Grundkörper wenigstens abschnittsweise zumindest eines der folgenden Materialen aufweist und/oder aus diesen besteht:
- - Stahl
- - Aluminium
- - Faserverbund
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Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Selbstverständlich können auch unterschiedliche Materialien miteinander kombiniert eingesetzt werden. Die einzelnen Materialien sind dabei vorzugsweise entweder auf eine Erhöhung der Stabilität und/oder auf eine Reduktion des Gewichts des Gesamtsystems ausgerichtet. Bevorzugt kommt daher ein Faserverbund, insbesondere aus einem Kohlefaserverbundwerkstoff zum Einsatz.
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Weiter von Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Strukturbauteil der Grundkörper zumindest zwei schalenförmige Teilkörper aufweist. Eine schalenförmige Ausgestaltungsform des Grundkörpers erlaubt es, eine verbesserte und vereinfachte Montage gewährleisten zu können. Auch sind die einzelnen Teilkörper eines auf diese Weise zur Verfügung gestellten Grundkörpers einfach und kostengünstig herstellbar, zum Beispiel in einem Pressverfahren. Die Verbindung zwischen den einzelnen Teilkörpern kann durch einfaches Zusammensetzen, durch Kleben, durch Schweißen, durch formschlüssige Verbindung oder aber auch durch eine kraftschlüssige Verbindung hergestellt werden.
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Weiter von Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Strukturbauteil der Grundkörper auf der Innenseite bezogen auf die Querrichtung eine größere mechanische Stabilität aufweist als auf der Außenseite bezogen auf die Querrichtung. Dies kann zum Beispiel durch unterschiedliche Wandstärken gewährleistet werden, so dass zum Beispiel auf der Innenseite eine höhere bzw. größere Wandstärke vorgesehen wird, als dies auf der Außenseite der Fall ist. Damit kann eine weitere Reduktion des Gewichts mit einer erhöhten mechanischen Stabilität einhergehen. Auch das Verwenden von Anbauteilen oder entsprechenden Profilquerschnitten mit veränderbaren Querschnitten kann zu diesen Vorteilen führen.
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Ein weiterer Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Strukturbauteil der Grundkörper am Säulenabschnitt eine Verstärkungsstruktur und/oder ein Verstärkungsbauteil zur mechanischen Verstärkung des Säulenabschnitts aufweist. Eine explizite Verstärkungsstruktur oder auch ein separates Bauteil führt dazu, dass in lokaler Funktionsweise eine mechanische Stabilitätserhöhung zur Verfügung gestellt werden kann. Durch das Vermeiden von unnötigen Verstärkungen an davon nicht betroffenen Bauteilstellen wird eine weitere Reduktion des Bauraumbedarfs sowie des notwendigen Gewichts erzielbar.
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Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Strukturabschnitt für eine Karosserie eines Fahrzeugs. Ein solcher Strukturabschnitt weist wenigstens ein Strukturbauteil gemäß der vorliegenden Erfindung auf. Dabei ist der Trägerabschnitt des Strukturbauteils kraftübertragend mit einem vorderen Längsträger verbunden. Der Säulenabschnitt ist wiederum kraftübertragend mit einer A-Säule und/oder mit einem Seitenschweller des Fahrzeugs verbunden. Damit bringt ein erfindungsgemäßer Strukturabschnitt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil erläutert worden sind. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Karosserie, aufweisend zumindest zwei solche Strukturabschnitte, welche jeweils links und rechts im vorderen Bereich zwischen den vorderen Längsträgern und den beiden A-Säulen des Fahrzeugs angeordnet sind. Auch eine solche Karosserie bringt die Vorteile mit sich, wie sie mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil erläutert worden sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schematisch:
- 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils,
- 2 die Ausführungsform der 1 in einer Vorderansicht,
- 3 die Ausführungsformen der 1 und 2 in einer Teildarstellung von innen und
- 4 die Ausführungsformen der 1 bis 4 in einer Teildarstellung von außen.
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Die 1 bis 4 zeigen einen Strukturabschnitt 100 einer Karosserie 200, bei welcher zwei Strukturbauteile 10 an der linken und an der rechten Seite der Karosserie 200 verbaut worden sind.
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In 1 ist schematisch gut der Kraftfluss KF bei einem Frontalaufprall zu erkennen. Von links wird die jeweilige Kraft entlang des Kraftflusses KF in die beiden vorderen Längsträger 110 des jeweiligen Strukturabschnitts 100 eingebracht. Entlang dieser Längsrichtung, welche auch als Fahrtrichtung des Fahrzeugs bezeichnet werden kann, erfolgt nun die Kraftübertragung, bis die beiden Strukturbauteile 10 auf der linken und der rechten Seite des Fahrzeugs bzw. der Karosserie 200 erreicht werden. Über den jeweiligen Trägerabschnitt 22 erfolgt ein Einbringen der Kraft entlang des Kraftflusses KF in den Grundkörper 20 des jeweiligen Strukturbauteils 10. Über den gebogenen Verlauf wird nun eine Weitergabe des Kraftflusses KF bis hin zum Säulenabschnitt 24 erfolgen, wo wiederum diese Kraft entlang des Kraftflusses KF über den Säulenabschnitt 24 in die Seitenschweller 150 bzw. die A-Säule 120 übergeben wird.
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Die 2 zeigt, wie ein Höhenversatz und ein Querversatz zwischen dem Trägerabschnitt 22 und dem Säulenabschnitt 24 auf beiden Seiten des jeweiligen Strukturabschnitts 100 am Grundkörper 20 der beiden Strukturbauteile 10 vorhanden sind. Dadurch ergeben sich die bereits erläuterten Momentendarstellungen um die Höhenrichtung HR und die Querrichtung QR.
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Für eine verbesserte Abstützung auch in Querrichtung QR sind die beiden Grundkörper 20 auf ihrer Innenseite 21 mit entsprechenden Querabstützabschnitten 26 versehen, welche kraftübertragend mit einem Stirnwand-Querträger 130 verbunden sind. Damit kann eine Kraftverteilung von der linken zur rechten Seite und umgekehrt zwischen den einzelnen Grundkörpern der beiden Strukturbauteile 10 gewährleistet werden.
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In 3 ist schematisch die Korrelation zu weiteren Bauteilen der Karosserie 200 gezeigt. So befindet sich hier von der Innenseite her gesehen an dem Grundkörper 20 des Strukturbauteils 10 im Bereich des Säulenabschnitts 24 nun ein zusätzliches Verstärkungsbauteil 27. Um darüber hinaus mit einem Längsabstützabschnitt 28 eine zusätzliche Längsabstützung zur Verfügung stellen zu können, ist hier eine Verbindung mit einem Radhaus als zusätzlichen Karosserieabschnitt 140 zur Verfügung gestellt. Auch ist hier nochmals gut zu erkennen, wie am Säulenabschnitt 24 nicht nur die A-Säule 120, sondern auch der seitliche Schweller 150 mit verstärkter Bauweise angeordnet ist. Nicht zuletzt ist gut zu erkennen, wie mithilfe einer Verstärkungsstruktur 25 auf der Innenseite 21 des Grundkörpers 20 nun eine verbesserte mechanische Stabilisierungswirkung zur Verfügung stellbar ist.
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Die 4 zeigt die Ausführungsform der 3 von der gegenüberliegenden Seite, also mit Blick in das Radhaus des Karosserieabschnitts 140. Auch hier ist in Querrichtung QR wieder ein Stirnwand-Querträger 130 für eine Querverteilung der Lasten zur Verfügung gestellt. An der A-Säule 120 und im seitlichen Schweller 150 lässt sich die Kraft entlang des Kraftflusses KF über den Säulenabschnitt 24 einbringen. Auch hier lässt sich nochmals der bogenförmige Verlauf des Grundkörpers 20 zwischen dem Trägerabschnitt 22 und dem Säulenabschnitt 24 gut erkennen.
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Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
