DE102018208155A1

DE102018208155A1 - Knotenelement für eine Fahrzeugkarosserie, Fahrzeugkarosserie, Fahrzeug und Verfahren zum Herstellen eines Knotenelements

Info

Publication number: DE102018208155A1
Application number: DE102018208155.7A
Authority: DE
Inventors: Matthias Stangl; Michael Brauch; Jan Müller-Brincken; Gregor Stubbe
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-05-24
Filing date: 2018-05-24
Publication date: 2019-11-28
Anticipated expiration: 2038-05-25
Also published as: DE102018208155B4; WO2019223935A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Knotenelement (10) für eine Fahrzeugkarosserie (2) eines Fahrzeugs (1), welches zur Verbindung mit mindestens zwei Karosseriekomponenten (20) eingerichtet ist und einen im Wesentlichen materialeinstückigen Aufbau mit Hohlkörperform (16), mindestens zwei Wandelemente (11 - 14), welche ein Inneres (15) der Hohlkörperform (16) des Knotenelements (10) bilden und umschließen, und im Inneren (15) der Hohlkörperform (16) eine Rippenanordnung (30) mit mindestens einer Rippe (31, 32) aufweist, welche an mindestens zwei der Wandelemente (11 - 14) angebracht ist und sich zwischen diesen abstützt. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Fahrzeugkarosserie (2), ein Fahrzeug (1) sowie ein Herstellungsverfahren für ein Knotenelement (10).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Knotenelement für eine Fahrzeugkarosserie eines Fahrzeugs, eine Fahrzeugkarosserie als solche, ein Fahrzeug sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Knotenelements.
Beim Aufbau von Tragstrukturen im Zusammenhang mit Fahrzeugkarosserien werden zum Verbinden einer Mehrzahl von Karosseriekomponenten so genannte Knotenelemente eingesetzt. Diese dienen dazu, die Karosseriekomponenten mechanisch und insbesondere materiell miteinander zu verbinden und für einen geeigneten Lastfluss mit entsprechenden Last- und Kräfteverteilungen zu sorgen.
Problematisch ist bei herkömmlichen Tragstrukturen insbesondere bei den dort verwendeten Knotenelementen, dass ein besonders hohes Maß an Stabilität gewünscht wird, dies jedoch häufig mit einem erhöhten Materialeinsatz und damit mit einem gesteigerten Gewicht der verwendeten Komponenten einhergeht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Knotenelement für eine Fahrzeugkarosserie eines Fahrzeugs, eine Fahrzeugkarosserie als solche, ein Fahrzeug sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Knotenelements anzugeben, mit welchen im Zusammenhang mit einem Knotenelement mit einfachen Mitteln und ohne Gewichtssteigerung eine verbesserte Belastbarkeit erreichbar ist.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird bei einem Knotenelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1, bei einer Fahrzeugkarosserie erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 9, bei einem Fahrzeug erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 10 sowie bei einem Verfahren zum Herstellen eines Knotenelements erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Knotenelement für eine Fahrzeugkarosserie eines Fahrzeugs geschaffen, welches zur Verbindung mit mindestens zwei Karosseriekomponenten eingerichtet ist und einen im Wesentlichen materialeinstückigen Aufbau mit Hohlkörperform, mindestens zwei Wandelemente, welche ein Inneres der Hohlkörperform des Knotenelements bilden und umschließen, und im Inneren der Hohlkörperform eine Rippenanordnung mit mindestens einer Rippe aufweist, welche an mindestens zwei der Wandelemente angebracht ist und sich zwischen den mindestens zwei Wandelementen abstützt. Durch das Vorsehen einer Rippenstruktur wird eine Stabilisierung der Hohlkörperform erreicht, so dass insgesamt mit geringeren Materialstärken gearbeitet werden kann und sich dadurch eine Material- Gewichtseinsparung ergibt, ohne dass es zu Stabilitätsverlusten kommt.
Das Knotenelement weist in vorteilhafter Weise mindestens zwei Anschlussbereiche und insbesondere Anschlussflansche auf, welche zur Montage von Karosseriekomponenten, insbesondere von Trägern, eingerichtet sind. Die Anschlussbereiche dienen dazu in geeigneter Weise eine Last Einleitung und Lastausleitung in und aus dem Knotenelement zu realisieren.
Ein jeweiliger Anschlussbereich weist dabei eine Haupterstreckungsrichtung auf, wobei sich die Haupterstreckungsrichtung insbesondere parallel zu mindestens einem der Wandelemente oder zu einer Haupterstreckungsrichtung der Wandelemente erstreckt.
Ein besonders hohes Maß an Stabilität lässt sich erreichen, wenn sich gemäß eines anderen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Knotenelements eine jeweilige Rippe mit ihrer Haupterstreckungsrichtung zumindest lokal und/oder abschnittsweise parallel zur Haupterstreckungsrichtung des Anschlussbereichs erstreckt.
Für den Lastfluss und für die Materialeinsparung ist es besonders geeignet, eine jeweilige Rippe als Steg oder plattenförmiges Element auszubilden.
Zusätzlich oder alternativ ist es denkbar, eine jeweilige Rippe mit einem Durchbruch oder mit einer Ausnehmung auszubilden, insbesondere senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung der Rippe. Damit lässt sich bei gleichbleibender Stabilität eine weitere Gewichtsreduktion erzielen.
Zur Anbringung weiterer Komponenten ist es vorteilhaft, zur Befestigung mindestens ein Montageelement mit einem Anschraubpunkt am Knotenelement auszubilden.
Besonders geeignete Strukturen mit entsprechenden Produktionsvorteilen ergeben sich, wenn ein jeweiliges Knotenelement als Gussteil gefertigt ausgebildet ist, insbesondere mittels Druckguss, Sandguss oder Kokillenguss.
Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, ein jeweiliges Knotenelement mittels oder auf der Grundlage eines additiv oder generativ gefertigten Gussformkerns auszubilden.
Ferner ist es alternativ denkbar, dass das Knotenelement selbst als additiv oder generativ gefertigtes Bauteil ausgebildet ist, insbesondere mittels 3D-Drucken, SLM, SLS.
Es ergeben sich besonders flexible Einsatzmöglichkeiten mit einem weiten Belastungsspektrum, wenn das erfindungsgemäße Knotenelement mit oder aus einem Material aus der Gruppe von Materialien gefertigt ist, welche Aluminium, Stahl, Magnesium, verstärkte Werkstoffe, Verbundwerkstoffe, Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe und deren Kombination aufweist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch eine Karosserie für ein Fahrzeug geschaffen, bei welcher mindestens zwei Karosseriekomponenten über ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Knotenelement miteinander verbunden sind.
Ferner schafft die vorliegende Erfindung auch ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäß strukturierten Karosserie, insbesondere nach Art eines Kraftfahrzeugs oder eines Personenkraftwagens, wobei auch andere Anwendungsgebiete im Fahrzeugbereich mit umfasst sind.
Schließlich wird durch die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen eines Knotenelements für eine Fahrzeugkarosserie angegeben, bei welchem ein Gussverfahren zu Grunde gelegt wird und eine Gussform und/oder ein Gusskern in additiv oder generativ gefertigter Form eingesetzt werden.
Alternativ dazu kann der Herstellung eines Knotenelements auch ein additives oder generatives Herstellungsverfahren zu Grunde gelegt werden, insbesondere nach Art eines 3D-Druckens, nach dem SLM-Prinzip und/oder nach dem SLS-Prinzip insbesondere zur Herstellung eines jeweiligen Wandelements, eines Anschlussbereichs, einer jeweiligen Rippe oder der Rippenanordnung insgesamt und/oder eines jeweiligen Montageelements.
Figurenliste
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren.

1 ist eine schematische, perspektivische und teilweise geschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Knotenelements.
2 ist eine schematische, perspektivische Explosionsdarstellung zur Illustration der Anwendung des erfindungsgemäßen Knotenelements aus 1 zum Zusammenführen von Karosseriekomponenten.
3 bis 6 zeigen in schematischer, perspektivischer und teilweise geschnittener Ansicht eine Anwendung einer Mehrzahl erfindungsgemäßer Knotenelemente zum Aufbau der Karosserie eines Fahrzeugs.

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 Ausführungsbeispiele und der technische Hintergrund der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.
Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
1 ist eine schematische, perspektivische und teilweise geschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Knotenelements 10.
Dem Kern nach wird das Knotenelement 10 von einer Mehrzahl von Wandelementen 11 bis 14 gebildet, die an ihren Kanten ineinander übergehen und jeweils eine - zumindest lokale - Haupterstreckungsrichtung 11-1 bis 14-1 aufweisen. Die Wandelemente bilden eine Hohlkörperform 16 des Knotenelements 10 und umgeben zumindest teilweise dessen Inneres 15.
An den geöffneten Abschnitten des Knotenelements 10 sind Anschlussbereiche 18 mit einer Haupterstreckungsrichtung 18-1 ausgebildet, diese dienen der Verbindung mit später zu beschreibenden Karosseriekomponenten 20.
Im Inneren 15 der Hohlkörperform 16 des Knotenelements 10 ist erfindungsgemäß eine Rippenstruktur oder Rippenanordnung 30 ausgebildet. In dem in 1 dargestellten Fall weist die Rippenanordnung 30 eine sich im Wesentlichen in der xy-Ebene horizontal erstreckende erste Rippe 31 und eine sich im Wesentlichen in der xz-Ebene vertikal erstreckende zweite Rippe 32 auf, wobei auf das äußere Dreibein xyz als Koordinatensystem Bezug genommen wird. Die ersten und zweiten Rippen 31, 32 der Rippenanordnung 30 besitzen - zumindest lokal - eine Haupterstreckungsrichtung 31-1 bzw. 32-1.
In der in 1 dargestellten Anordnung besitzen die Rippen 31, 32 die Gestalt einer Platte, einer Lamelle oder eines Steges. Sie sind in diesem Fall im Wesentlichen planar.
In ihrem Verlauf sind die Rippen 31, 32 mit einer Durchbrechung 35 zur Gewichtseinsparung ausgebildet, welche sich als Ausnehmung senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung 31-1, 32-1 und insbesondere in Richtung der Schichtdicke der Platte, der Lamelle oder des Steges das Material der jeweiligen Rippe 31, 32 durchbricht.
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform kreuzen sich die Rippen 31, 32 derart, dass die durch sie definierten Flächen oder Ebenen aufeinander senkrecht stehen.
Zu erkennen sind auch die in der Struktur des Knotenelements 10 eingebetteten Montageelemente 40, durch welche die Anschraubpunkte 41 definiert werden.
2 ist eine schematische, perspektivische Explosionsdarstellung zur Illustration der Anwendung des erfindungsgemäßen Knotenelements 10 aus 1 zum Zusammenführen von Karosseriekomponenten 20 durch Anbringen der Karosseriekomponenten 20 an den Anschlussbereichen 18 des Knotenelements 10.
Die Haupterstreckungsrichtung 20-1 der Karosseriekomponenten 20, die zum Beispiel als Träger ausgebildet sein können, fällt mit der Haupterstreckungsrichtung 18-1 der Anschlussbereiche 18 einerseits und mit den lokalen Haupterstreckungsrichtungen 11-1 bis 14-1 der Wandelemente 11 bis 14 der Hohlkörperform 16 des Knotenelements 10 andererseits zusammen
Die 3 bis 6 zeigen in schematischer, perspektivischer und teilweise geschnittener Ansicht eine Anwendung einer Mehrzahl erfindungsgemäßer Knotenelemente 10 zum Aufbau der Karosserie 2 eines Fahrzeugs 1.
Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert: Herkömmlicherweise werden verschiedene Knotenpunkte von Trägerverläufen in einer Karosseriestruktur durch eine Vielzahl von Schottblechen, Profilen und/oder Gussteilen realisiert. Die Lastleitung erfolgt über eine Verbindungstechnik mit einer Mehrzahl von Trennstellen, wobei, bedingt durch Fügefolgen, nicht jeder Lastpfad optimal gestaltet werden kann.
Erfindungsgemäß ist der Einsatz eines Knotenelements - insbesondere in Form eines Gussteils, vorzugsweise aus Aluminium oder Stahlguss - derart vorgesehen, dass eine hohle Struktur ausgebildet ist oder wird und durch Verrippungen im Knotenelement und in dessen Innerem einen verbesserter Lastfluss erzielt werden kann.
Bezogen auf den Einsatzbereich des Knotenelements eignen sich auf Grund der Verfahrensrandbedingungen des jeweiligen Fertigungsverfahrens verschiedene Technologien, um diese Knoten zu realisieren. Für kleine Wandstärken in nicht hochbelasteten Teilen kann Druckguss eingesetzt werden. Für hochbelastete Stellen wird bei der Herstellung zum Beispiel Sandguss oder Kokillenguss verwendet. Für eine hohe Derivatevielfalt und/oder für änderungsintensive Bauteile eignen sich auch generativ oder additiv gefertigte Bauteile oder Bauteile, die mittels additiv oder generativ gefertigten Werkzeugen hergestellt werden.
Bezugszeichenliste

1: Fahrzeug
2: Karosserie
10: Knotenelement, Knoten
11: Wandelement
11-1: Haupterstreckungsrichtung des Wandelements 11
12: Wandelement
12-1: Haupterstreckungsrichtung des Wandelements 12
13: Wandelement
13-1: Haupterstreckungsrichtung des Wandelements 13
14: Wandelement
14-1: Haupterstreckungsrichtung des Wandelements 14
15: Inneres
16: Hohlkörperform
18: Anschlussbereich, Anschlussflansch
18-1: Haupterstreckungsrichtung
20: Karosseriekomponente
20-1: Erstreckungsrichtung
30: Rippenanordnung
31: Rippe
31-1: Haupterstreckung
32: Rippe
32-1: Haupterstreckung
35: Durchbruch
40: Montageelement
41: Anschraubpunkt

Claims

Knotenelement (10) für eine Fahrzeugkarosserie (2) eines Fahrzeugs (1), welches - zur Verbindung mit mindestens zwei Karosseriekomponenten (20) eingerichtet ist und - einen materialeinstückigen Aufbau mit Hohlkörperform (16), - mindestens zwei Wandelemente (11 - 14), welche ein Inneres (15) der Hohlkörperform (16) des Knotenelements (10) bilden und umschließen, und - im Inneren (15) der Hohlkörperform (16) eine Rippenanordnung (30) mit mindestens einer Rippe (31, 32) aufweist, welche an mindestens zwei der Wandelemente (11 - 14) angebracht ist und sich zwischen den mindestens zwei Wandelementen (11 - 14) abstützt.
Knotenelement (10) nach Anspruch 1, welches mindestens zwei Anschlussbereiche (18) und insbesondere Anschlussflansche aufweist, welche zur Montage von Karosseriekomponenten (20), insbesondere von Trägern, eingerichtet sind.
Knotenelement (10) nach Anspruch 2, bei welchem jeder Anschlussbereich (18) eine Haupterstreckungsrichtung (18-1) aufweist, wobei sich die Haupterstreckungsrichtung (18-1) insbesondere parallel zu mindestens einem der Wandelemente (11 - 14) oder zu einer Haupterstreckungsrichtung (11-1 - 14-1) der Wandelemente (11 - 14) erstreckt.
Knotenelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem sich eine jeweilige Rippe (31, 32) mit ihrer Haupterstreckungsrichtung (31-1, 32-1) zumindest lokal und/oder abschnittsweise parallel zur Haupterstreckungsrichtung (18-1) des Anschlussbereichs (18) erstreckt.
Knotenelement (10) nach Anspruch 4, bei welchem eine jeweilige Rippe (31, 32) als Steg oder plattenförmiges Element ausgebildet ist und/oder einen Durchbruch (35) oder eine Ausnehmung aufweist, insbesondere senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung (31-1, 32-1) der Rippe (31, 32).
Knotenelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, welches zur Befestigung mindestens ein Montageelement (40) mit einem Anschraubpunkt (41) aufweist.
Knotenelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, welches als Gussteil gefertigt ausgebildet ist, insbesondere mittels Druckguss, Sandguss, Kokillenguss und/oder mittels eines additiv oder generativ gefertigten Gussformkerns und/oder welches als additiv oder generativ gefertigtes Bauteil ausgebildet ist, insbesondere mittels 3D-Drucken, SLM, SLS.
Knotenelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, welches mit oder aus einem Material aus der Gruppe von Materialien gefertigt ist, welche Aluminium, Stahl, Magnesium, verstärkte Werkstoffe, Verbundwerkstoffe, Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe und deren Kombination aufweist.
Karosserie (2) für ein Fahrzeug (1), bei welchem - mindestens zwei Karosseriekomponenten (20) über ein Knotenelement (10) miteinander verbunden sind und - das Knotenelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist.
Fahrzeug (1) mit einer Karosserie (2) nach Anspruch 9.
Verfahren zum Herstellen eines Knotenelements (10) für eine Fahrzeugkarosserie (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem - ein Gussverfahren zu Grunde gelegt wird und eine Gussform und/oder ein Gusskern in additiv oder generativ gefertigter Form eingesetzt werden oder - ein additiv oder generatives Herstellungsverfahren zu Grunde gelegt wird, insbesondere nach Art eines 3D-Druckens, nach dem SLM-Prinzip und/oder nach dem SLS-Prinzip insbesondere zur Herstellung eines jeweiligen Wandelements (11 - 14), eines Anschlussbereichs (18), einer jeweiligen Rippe (31, 32) oder der Rippenanordnung (30) insgesamt und/oder eines jeweiligen Montageelements (40).