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Fahrzeug mit einem Seitenschweller
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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Seitenschweller nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus der
DE 10 2007 056 645 A1 ist ein Kraftfahrzeug mit einem Seitenschweller bekannt, der in Schalenbauweise eine Innenschale und eine Außenschale umfasst, die im Querschnitt gesehen einen Hohlraum umschließen. Die Blechdicke der Innenschale und der Außenschale verändern sich kontinuierlich über die Längserstreckung des Seitenschwellers.
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Ferner ist aus der
DE 10 2010 030 535 A1 bereits ein Kraftfahrzeug mit einem Seitenschweller bekannt, der in Schalenbauweise eine Innenschale und eine Außenschale aufweist, die im Querschnitt gesehen einen Hohlraum umschließen. In diesem Hohlraum ist ein Energieabsorber angeordnet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fahrzeug mit einem Seitenschweller zu schaffen, der bei einem möglichst geringen Gewicht möglichst gute Crasheigenschaften gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird mit einem Fahrzeug mit einem Seitenschweller mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß weist ein Fahrzeug einen Seitenschweller auf, der sich in Fahrzeuglängsrichtung erstreckt und in Schalenbauweise eine Innenschale und eine Außenschale aufweist, die im Querschnitt gesehen einen Hohlraum umschließen. In dem Hohlraum ist ein Verstärkungselement angeordnet. Das Verstärkungselement erstreckt sich ebenfalls in Fahrzeuglängsrichtung und ist mit den Längsrandbereichen an der Innenschale und/oder Außenschale angebunden. Dabei ist es so gestaltet, dass sich seine Biegesteifigkeit in Fahrzeugquerrichtung über die Längserstreckung kontinuierlich verändert, sodass das Verstärkungselement den Seitenschweller in den höher belasteten Bereichen mehr verstärkt als in den schwächer belasteten Bereichen. Die Veränderung der Biegesteifigkeit des Verstärkungselements erfolgt dabei kontinuierlich, das Verstärkungselement weist über seine Längserstreckung also keinen Sprung in der Biegesteifigkeit auf.
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Üblicherweise weist ein Fahrzeug einen linken und einen rechten Seitenschweller auf, zwischen denen sich zwei oder mehr Querträger in Fahrzeugquerrichtung erstrecken, die die Seitenschweller miteinander verbinden. Die höchste Belastung wirkt bei einem Seitencrash auf den Seitenschweller ein. Dabei ist der schlimmste Fall ein von der Seite eindringender Pfahl. Ein solcher Crashfall kann beispielsweise dann eintreten, wenn das Fahrzeug ins Schleudern kommt und dabei gegen einen feststehenden Pfahl geschleudert wird. In einem solchen Crashfall tragen die Querträger dazu bei, die auf den Seitenschweller durch den eindringenden Pfahl einwirkenden Kräfte zur anderen Fahrzeugseite abzuleiten. In den Bereichen der Querträger ist der Seitenschweller entsprechend relativ gering belastet, da dort die Kräfte gut in den jeweiligen Querträger weitergeleitet werden können. In den Bereichen zwischen den Querträgern treten aufgrund des eindringenden Pfahls hohe Biegekräfte in Fahrzeugquerrichtung auf. Das Verstärkungselement dient dazu, den Seitenschweller so zu verstärken, dass dieser den Biegekräften standhalten kann. Dabei ist das Verstärkungselement so gestaltet, dass es in diesen höher beanspruchten Bereichen eine höhere Biegesteifigkeit aufweist und so den Seitenschweller mehr verstärkt als in den geringer beanspruchten Bereichen.
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Das Verstärkungselement ist also so ausgelegt, dass es den Seitenschweller lokal jeweils entsprechend der jeweiligen Biegebeanspruchungen verstärkt. Durch diese Auslegung entsprechend der Beanspruchungen kann das Verstärkungselement ein geringeres Gewicht aufweisen, als ein Verstärkungselement, das den Seitenschweller in allen Bereichen gleichermaßen verstärkt. So ist es möglich, einen Seitenschweller zu schaffen, der sehr gut allen einwirkenden Crashkräften widerstehen kann, zugleich aber ein geringeres Gewicht aufweist, als dies bisher der Fall ist bei einem Seitenschweller mit einem Verstärkungselement, das über die gesamte Längserstreckung ein konstantes Biegewiderstandsmoment aufweist.
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Dabei bestehen die Innenschale und die Außenschale des Seitenschwellers aus Blechschalen aus einem metallischen Werkstoff. Ein solcher Seitenschweller hat den großen Vorteil, dass er problemlos mit der restlichen Karosserie des Fahrzeugs verschweißbar ist. Schweißverbindungen sind eine sehr kostengünstige, prozesssichere und schnelle Verbindungstechnik, die sich im Rohbau einer Fahrzeugkarosserie größtenteils durchgesetzt hat. Zudem weisen metallische Blechschalen gegenüber Schalen aus einem Kunststoff eine wesentlich höhere Festigkeit auf, sodass in einem Crash Blechschalen wesentlich stärker deformierbar sind bevor sie reißen als Schalen aus einem Kunststoff, die bereits bei wesentlich geringeren Kräften brechen.
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Das Verstärkungselement weist zumindest einen Grundträger und ein Energieabsorptionselement auf, wobei der Grundträger ein Blechbauteil aus einem metallischen Werkstoff ist und über seine gesamte Längserstreckung einen konstanten Querschnitt aufweist. Dabei ist das Verstärkungselement über den Grundträger an der Innen- und oder Außenschale des Seitenschwellers angebunden. Dadurch kann das Verstärkungselement mit der Innen- und/oder Außenschale verschweißt werden.
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Der Grundträger hat im Querschnitt gesehen eine Hutform bzw. die Form eines „C“. Aufgrund dieser Form erhöht das Verstärkungselement in besonders hohem Maße die Biegesteifigkeit des Seitenschwellers. Beispielsweise kann das Verstärkungselement mit seinen beiden Randbereichen an der Außenschale oder an der Innenschale angeschweißt sein. Alternativ können die Verbindungsflansche zwischen der Innen- und der Außenschale zugleich zur Anbindung des Grundträgers des Verstärkungselements dienen, sodass in den Verbindungsflanschen alle drei Blechschalen miteinander verschweißt sind.
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An dem Grundträger des Verstärkungselements ist ein Energieabsorptionselement angebracht, das seine Dicke in Fahrzeugquerrichtung über seine Längserstreckung kontinuierlich verändert, sodass seine Dicke in Fahrzeugquerrichtung in den Bereichen des Seitenschwellers mit einer geringen Belastung gering und in den Bereichen des Seitenschwellers mit einer hohen Belastung hoch ist und dazwischen von den Bereichen mit einer geringen Dicke jeweils zu den Bereichen mit einer hohen Dicke jeweils kontinuierlich ansteigt.
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Das Energieabsorptionselement kann beispielsweise aus einem geschäumten Kunststoff bestehen. Alternativ ist das Energieabsorptionselement günstigerweise ein Formteil, das eine Mehrzahl von Wabenkammern aufweist. Die Wabenkammern sind dabei parallel zueinander angeordnet und grenzen aneinander an. Ein solcher Energieabsorber ist beispielsweise aus der
DE 199 52 570 A1 bekannt. Diese Wabenstruktur ermöglicht es, dass der Energieabsorber ein relativ geringes Eigengewicht aufweist und zugleich sehr hohe Kräfte definiert aufnehmen kann. Dabei entspricht die Längserstreckung der Wabenkammern idealerweise im Wesentlichen der Fahrzeugquerrichtung. Die für einen Seitenschweller kritischste Belastung erfolgt ebenfalls in Fahrzeugquerrichtung. Bei in dieser Richtung wirkenden Kräften wird der Energieabsorber bzw. die Wände zwischen den einzelnen Wabenkammern in Fahrzeugquerrichtung zusammengestaucht. Der Energieabsorber deformiert sich dabei gezielt. In Abhängigkeit von der Größe der einzelnen Waben, den Wanddicken zwischen den Waben und dem verwendeten Material für den Energieabsorber kann die Wabenstruktur so ausgelegt werden, dass sie ab einer definierten Grenzlast gezielt sich zusammenstauchen lässt. Auch die Menge der dabei absorbierten Energie lässt sich so gezielt festlegen.
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Bevorzugt weisen die Wabenkammern einen polygonalen Querschnitt auf. Insbesondere ein sechseckiger Querschnitt ist dabei vorteilhaft. Als Material für den Energieabsorber eignet sich insbesondere ein thermoplastischer Kunststoff ohne Glasfasern und ohne Glaskugeln. Bei der Wahl des optimalen Materials ist darauf zu achten, dass sich die Eigenschaften in den für Kraftfahrzeugen relevanten Temperatur-Spannen von ca. -35°C bis etwa +85°C nur möglichst wenig verändern, damit die Energieaufnahme des Seitenschwellers bei Temperaturschwankungen nur in möglichst engen Grenzen schwankt. Als sehr geeignet hat sich ein unverstärktes PC+PBT-Material herausgestellt, das eine sehr gute Tieftemperaturzähigkeit aufweist. Dieses Material besteht aus einer Mischung aus Polycarbonaten (PC) und Polybutylen Terephtalaten (PBT). Aber auch andere Kunststoffmaterialen oder auch Kunststoffschäume eignen sich sehr für das Energieabsorptionselement. Bevorzugt weist das Verstärkungselement zusätzlich ein Trägerbauteil aus Kunststoff auf, das an das Energieabsorptionselement über dessen gesamte Längserstreckung formschlüssig angrenzt. Das Trägerbauteil dient zur zusätzlichen Versteifung des Verstärkungselements und damit des Seitenschwellers. Günstigerweise liegt es sowohl am Energieabsorptionselement als auch vollflächig an der angrenzenden Innen- und/oder Außenschale des Seitenschwellers an. Damit verstärkt es das Verstärkungselement und kann dieses zusätzlich an der Innen- und/oder Außenschale abstützen. Dies trägt noch zusätzlich deutlich zur Versteifung des Seitenschwellers bei.
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Dabei weist das Trägerbauteil bevorzugt im Querschnitt gesehen eine zum Grundträger korrespondierende Hut-Form oder Form eines „C“ auf. Dadurch können die Schenkel des Trägerbauteils flächig an den Schenkeln des Grundträgers anliegen. Dies ermöglicht eine optimale, flächige Anbindung des Trägerbauteils am Grundträger. Auf diese Weise entsteht ein außerordentlich steifes Verstärkungselement. Das Energieabsorptionselement kann in diesem Fall günstigerweise zwischen der Basis des Grundträgers und der Basis des Trägerbauteils angeordnet sein.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, anhand dessen die Erfindung im Folgenden näher beschrieben wird. Die einzelnen Figuren zeigen in schematischer Darstellungsweise:
- 1 einen Höhenschnitt durch ein Verstärkungselement eines erfindungsgemäßen Seitenschweller,
- 2a eine perspektivische Ansicht eines Trägerbauteils des Verstärkungselements und
- 2b einen Schnitt durch eine perspektivische Ansicht des in 1 gezeigten Verstärkungselements.
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In den Figuren sind ein Verstärkungselement 2 eines erfindungsgemäßen Seitenschwellers eines Fahrzeugs bzw. einzelne Teile des Verstärkungselements 2 gezeigt. Ein solcher Seitenschweller erstreckt sich in Fahrzeuglängsrichtung x und begrenzt beispielsweise beidseitig eine Fahrgastzelle eines Personenkraftfahrzeugs. Der Seitenschweller besteht in Schalenbauweise aus einer Innenschale und einer Außenschale aus Stahlblech, die über zwei Flansche miteinander verbunden sind und einen gemeinsamen Hohlraum umschließen. Das in den Figuren gezeigte Verstärkungselement 2 befindet sich in diesem Hohlraum und dient zur Verstärkung des Seitenschwellers.
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Das Verstärkungselement 2 selber besteht aus einem Grundträger 4, einem Energieabsorptionselement 6 und einem Trägerbauteil 8. Der Grundträger 4 ist ein Stahlblechbauteil, das sich - wie auch der Seitenschweller - in Fahrzeuglängsrichtung x erstreckt. Es weist einen C-förmigen Querschnitt auf, der über die gesamte Längserstreckung konstant ist. Mit seinen beiden Randabschnitten ist der C-förmige Grundträger 4 auf der dem Hohlraum zugewandten Seite der Innenschale des Seitenschwellers angeschweißt.
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In 1 ist ein Schnitt in Fahrzeughöhenrichtung durch das Verstärkungselement 2 gezeigt. Zusätzlich sind drei Querschnitte an den Längspositionen A, B und C des Verstärkungselements 2 gezeigt. Der im Querschnitt gesehen C-förmige Grundträger 4 ist dabei im Bereich seiner Basis durchgeschnitten, von der die beiden Schenkel in Fahrzeugquerrichtung y hin abstehen. In dem in 1 gezeigten Schnitt sind die Schenkel nicht zu sehen. Die C-Form des Grundträgers 4 ist über die gesamte Längserstreckung des Verstärkungselements 2 konstant und ist in den Querschnitten an den Positionen A, B und C gut erkennbar.
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In den C-förmigen Grundträger 4 ist an der Basis zwischen den Schenkeln das Energieabsorptionselement 6 eingeklebt. Das Energieabsorptionselement 6 erstreckt sich ebenfalls in Fahrzeuglängsrichtung x. Die Dicke des Energieabsorptionselements 6 in Fahrzeugquerrichtung y variiert dabei erheblich. Im vorderen und hinteren Endbereich in Fahrzeuglängsrichtung x gesehen des Grundträgers 4 (also an den Positionen C und D) beträgt die Dicke des Energieabsorptionselements 6 null, wie es auch im Querschnitt C sichtbar ist. Im mittleren Bereich des Grundträgers 4 in Fahrzeuglängsrichtung x gesehen (also an der Position A) ist die Dicke des Energieabsorptionselements 6 in Fahrzeugquerrichtung y gesehen am größten. Vom vorderen Endbereich her (Position D) zum mittleren Bereich (Position A) des Grundträgers 4 und vom hinteren Endbereich her (Position C) zum mittleren Bereich (Position A) des Grundträgers 4 nimmt dabei die Dicke des Energieabsorptionselements 6 in Fahrzeugquerrichtung y kontinuierlich zu. Dabei besteht das Energieabsorptionselement 6 aus einem faserverstärkten Kunststoff und weist eine Struktur von aneinander angrenzender hexagonaler Waben auf, die sich jeweils in Fahrzeugquerrichtung y erstrecken.
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Zusätzlich ist in den C-förmigen Grundträger 4 ein C-förmiges Trägerbauteil 8 eingebracht. Dabei korreliert die C-Form des Trägerbauteils 8 mit der C-Form des Grundträgers 4, sodass die Schenkel des Trägerbauteils 8 an den Innenseiten der Schenkel des Grundträgers 4 anliegen und miteinander verklebt sind. Zugleich liegt die Basis des C-förmigen Trägerbauteils 8 über die gesamte Längserstreckung des Grundträgers 4 am Energieabsorptionselement 6 bzw. am vorderen und hinteren Endbereich (Position C und D) an der Basis des Grundträgers 4 an. Entsprechend folgt die Form der Basis des Trägerbauteils 8 der Dicke des Energieabsorptionselements 6. Die Form des Trägerbauteils 8 ist besonders gut in der perspektivischen Ansicht in 2a erkennbar. Dabei besteht das Trägerbauteil 8 aus einem faserverstärkten Kunststoff. 2b zeigt eine perspektivische Ansicht des in 1 gezeigten Höhenschnitts durch das gesamte Verstärkungselement 2.
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Das Fahrzeug weist auf beiden Seiten einer Fahrgastzelle einen solchen Seitenschweller auf. Im vorderen und hinteren Endbereich (Position C und D) sind die beiden Seitenschweller über in Fahrzeugquerrichtung y verlaufende Querträger miteinander verbunden. Wenn nun bei einem Unfall ein Pfahl P in Fahrzeugquerrichtung y auf den Seitenschweller prallt, muss dieser hohen Kräften standhalten können. Im vorderen und hinteren Endbereich (Position C und D) können die einwirkenden Kräfte direkt in die Querträger abgeleitet werden. Im Fall eines Aufpralls des Pfahls P im mittleren Bereich (Position A) - wie in 1 gezeigt - muss der Seitenschweller hingegen hohe Biegebeanspruchungen aushalten können. Entsprechend muss in diesem mittleren Bereich (Position A) der Seitenschweller besonders gut verstärkt sein. Dafür ist das Energieabsorptionselement 6 genau in diesem Bereich am dicksten. Die Dicke des Energieabsorptionselements 6 korreliert also in Fahrzeuglängsrichtung mit der maximal einwirkenden Biegebeanspruchung.
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Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, den Seitenschweller in den besonders hoch beanspruchten Bereichen (Position A) besonders gut zu verstärken, während in den niedrig beanspruchten Bereichen (Position C und D) und die zusätzliche Verstärkung deutlich schwächer ausfällt. Das dafür zuständige Verstärkungselement 2 ist somit weder in den hoch beanspruchten Bereichen (Position A) unterdimensioniert, noch in den schwach beanspruchten Bereichen (Position C und D) überdimensioniert. Durch diese beanspruchungsgerechte Auslegung des Verstärkungselements 2 ist das Gewicht des Verstärkungselements 2 besonders gering.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Verstärkungselement
- 4
- Grundträger
- 6
- Energieabsorptionselement
- 8
- Trägerbauteil
- P
- Pfahl
