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Die Erfindung betrifft eine Karosseriestruktur für ein Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Bei einem elektrisch betriebenen, zweispurigen Fahrzeug kann eine Traktionsbatterie im Fahrzeugboden verbaut sein und sich in der Fahrzeugquerrichtung zwischen den seitlichen Schwellern des Fahrzeugs erstrecken, die bodenseitig die Seitentüröffnungen der Fahrzeugkarosserie begrenzen. Die im Fahrzeugboden verbaute Traktionsbatterie ist als ein crashsensibles Funktionselement speziell in einem Seitenpfahlcrash vor Beschädigung zu schützen.
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In einer beispielhaften Karosseriestruktur ist der seitliche Schweller aus einem in der Fahrzeugquerrichtung fahrzeugäußeren Schweller-Außenblechteil und aus einem fahrzeuginneren Schweller-Innenblechteil aufgebaut, die einen Schweller-Hohlraum begrenzen. Der Schweller-Hohlraum ist in der Fahrzeuglängsrichtung in Richtung auf ein Vorderradhaus von einem vorderen Schließprofil abgeschlossen und in Richtung auf ein Hinterradhaus von einem hinteren Schließprofil abgeschlossen.
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Zum Schutz einer im Fahrzeugboden verbauten Traktionsbatterie kann im Schweller ein als Einlegerteil ausgebildetes Deformationselement angeordnet sein, das als ein Aluminium-Strangpressprofil realisierbar ist. Im Seitenpfahlcrash verformt sich das Deformationselement an einer Pfahl-Aufprallstelle unter Abbau von Crashenergie in einer Crashrichtung nach fahrzeuginnen, während gleichzeitig eine Aufdrehbewegung erfolgt, bei der ein mit Bezug auf die Pfahl-Aufprallstelle vorderer und hinterer Deformationselement-Abschnitt mit einem um die Pfahl-Aufprallstelle wirkenden Crashmoment entgegen der Crashrichtung nach fahrzeugaußen gedreht wird. Auf diese Weise drücken die Deformationselement-Abschnitte das crashzugewandte Schweller-Außenblechteil nach fahrzeugaußen.
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Diese crashbedingte Aufdrehbewegung des Deformationselementes kann zu einem unerwünschten Strukturversagen der Karosserie führen, bei der die Flanschverbindung aufreißt.
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Aus der
DE 10 2012 001 938 A1 ist ein Karosserievorderbau mit Seitenschwellern bekannt, die durch ein zusätzliches Versteifungsbauteil verstärkt sind. Aus der WO 2017 / 142 062 A1 ist ein gattungsgemäßes Fahrzeugteil bekannt. Aus der US 2018 / 0 009 481 A1 sind eine stoßdämpfende Einheit, ein Herstellverfahren dafür sowie eine Bauteilverbindungsstruktur bekannt. Die US 2016 / 0 325 786 A1 offenbart eine Einstiegsstruktur.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Karosseriestruktur für ein Fahrzeug bereitzustellen, bei der in einem Seitencrashfall ein Strukturversagen der Karosserie unterbunden ist und/oder eine Strukturintegrität der Karosserie gewahrt bleibt.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Gemäß dem Anspruch 1 ist die folgende konstruktive Maßnahme vorgesehen, um bei einem Seitenpfahlcrash die Flanschverbindung zwischen dem Schwellerinnenteil und dem Schwelleraußenteil zu entlasten bzw. um ein Aufreißen dieser Flanschverbindung zu begrenzen: So ist im Schweller-Hohlraum zumindest ein Zugelement angeordnet, das das Schwellerinnenteil kraftübertragend mit dem Schwelleraußenteil verbindet. Mit Hilfe des Zugelements wird im Seitenpfahlcrash die Flanschverbindung entlastet und ein übermäßiges Aufreißen der Flanschverbindung begrenzt.
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Erfindungsgemäß ist das Schwellerinnenteil im Profilquerschnitt schalenförmig mit einem fahrzeuginneren Profilboden sowie mit davon nach fahrzeugaußen hochgezogenen, oberen und unteren Profilseitenwänden aufgebaut. In gleicher Weise ist auch das Schwelleraußenteil im Profilquerschnitt schalenförmig mit einem fahrzeugäußeren Profilboden sowie mit davon nach fahrzeuginnen hochgezogenen, oberen und unteren Profilseitenwänden aufgebaut sein. Die Profilseitenwände der Schwellerinnen- und -außenteile können jeweils nach oben und unten abgewinkelte Randflansche aufweisen. Diese sind im Schweller-Zusammenbauzustand unter Bildung einer oberen Flanschverbindung und einer unteren Flanschverbindung miteinander verbunden.
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Speziell die untere Profilseitenwand des Schwellerinnenteils kann als eine Anschraubbasis für diverse Anbauteile eingesetzt werden, etwa zum Anschrauben der Traktionsbatterie und/oder zum Anschrauben des oben beschriebenen Zugelementes. Vor diesem Hintergrund ist es bevorzugt, die untere Profilseitenwand des Schwellerinnenteils möglichst großflächig zu gestalten. Zur Bereitstellung einer möglichst großflächigen Anschraubbasis ist es bevorzugt, wenn die untere Flanschverbindung gegenüber der oberen Flanschverbindung um einen Querversatz nach fahrzeugaußen versetzt ist. Eine solche Bauteilgeometrie führt im Seitencrashfall dazu, dass speziell die untere, nach fahrzeugaußen versetzte Flanschverbindung einer im Vergleich zur oberen Flanschverbindung erhöhten Crashlast ausgesetzt ist. Vor diesem Hintergrund ist es bevorzugt, wenn das erfindungsgemäße Zugelement speziell die untere Flanschverbindung im Seitenpfahlcrash entlastet.
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In einer technischen Realisierung kann das Zugelement ein Blechteil sein, das in Einbaulage in flächiger Anlage mit den unteren Profilseitenwänden der Schwellerinnen- und -außenteile ist. Das Zugelement ist erfindungsgemäß zumindest einem fahrzeuginneren Anbindungspunkt an der unteren Profilseitenwand des Schwellerinnenteils angebunden. In gleicher Weise ist das Zugelement an zumindest einem fahrzeugäußeren Anbindungspunkt an der unteren Profilseitenwand des Schwelleraußenteils angebunden. Der fahrzeugäußere Anbindungspunkt ist erfindungsgemäß als eine Schweißverbindung realisiert, während der fahrzeuginnere Anbindungspunkt eine Schraubverbindung ist. Diese kann aus einer Schweißmutter und einem Schraubbolzen aufgebaut sein. Der Schraubbolzen kann sich in der Zugelement-Einbaulage von fahrzeugunten durch ein Schraubloch der unteren Profilseitenwand des Schwellerinnenteils in einer Schraubrichtung vertikal nach oben erstrecken und mit der Schweißmutter verspannt sein.
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Bevorzugt kann das sich im Schweller-Hohlraum in Fahrzeuglängsrichtung erstreckende Einlegerteil von den beiden unteren Profilseitenwänden des Schwellers um einen freien Höhenversatz beabstandet sein. Dadurch wird unterhalb des Einlegerteils ein Bauraum für das Zugelement bereitgestellt. Das Zugelement kann für einen einfachen Verbau bevorzugt ausschließlich an den beiden unteren Profilseitenwänden des Schwellers angebunden sein, das heißt gegenüber den oberen Profilseitenwänden sowie den Profilböden des Schwellers berührungsfrei oder anbindungsfrei sein.
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In einer konkreten Ausführungsvariante kann das als Blechteil ausgebildete Zugelement einen Überbrückungsabschnitt aufweisen, der in der Fahrzeugquerrichtung eine Verbindungsfuge zwischen den beiden unteren Profilseitenwänden des Schwellers überbrückt. Bevorzugt kann der Überbrückungsabschnitt schlaufenartig ausgebildet sein, und zwar mit einer, in der Fahrzeughochrichtung oberen Scheitelstelle, die über einen freien Höhenversatz von den beiden unteren Profilseitenwänden des Schwellers beabstandet ist. Die obere Scheitelstelle des Zugelement-Überbrückungsabschnittes geht an Querflanken in fahrzeuginnere und fahrzeugäußere Anbindungsabschnitte des Zugelementes über, die jeweils an den beiden unteren Profilseitenwänden angebunden sind. Der Überbrückungsabschnitt kann in einem Blech-Umformverfahren zum Beispiel als eine sich in Fahrzeuglängsrichtung erstreckende Längssicke in das Blech-Zugelement eingeprägt werden.
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Nachfolgend wird die Funktion des schlaufenartigen Überbrückungsabschnittes im Seitenpfahlcrash-Verlauf beschrieben: Demzufolge wird, wie bereits oben angedeutet, im Seitenpfahlcrash von den vorderen/hinteren Einlegerteil-Abschnitten zunächst das Schwelleraußenteil nach fahrzeugaußen gedrückt, wodurch die untere Flanschverbindung aufreißt. Im weiteren Crashverlauf wird der schlaufenförmige Überbrückungsabschnitt des Zugelementes bis in eine, in der Fahrzeugquerrichtung ausgerichtete Strecklage gestreckt. Mit Erreichen dieser Strecklage wird ein weiteres Aufreißen der unteren Flanschverbindung verhindert. Die Verformung des Überbrückungsabschnittes des Zugelementes bis in seine Strecklage erfolgt unter Abbau von Crashenergie. Zudem bewirkt der Überbrückungsabschnitt, dass der fahrzeuginnere Anbindungspunkt des Zugelementes (bevorzugt eine Schraubverbindung) nicht schlagartig mit einer hohen Crashlast belastet wird, was zu einer Beschädigung der Schraubverbindung führen würde. Vielmehr steigt die auf die Schraubverbindung wirkende Crashlast (während der Streckung des Überbrückungsabschnittes) rampenförmig an, und zwar bis zum Erreichen der Strecklage des Zugelementes.
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Wie oben erwähnt, wird zwischen dem Einlegerteil und den beiden unteren Profilseitenwänden des Schwellers ein Bauraum bereitgestellt, in dem das Zugelement positioniert ist. Der Bauraum ist dabei so bemessen, dass sowohl die Schweißmutter als auch der oben erwähnte Überbrückungsabschnitt des Zugelementes darin positionierbar sind.
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Die erfindungsgemäße Karosseriestruktur kann in der Fahrzeug-Großserienproduktion in einer automatisierten Prozessabfolge zusammengebaut werden. In dieser Prozessabfolge kann zunächst in einem Vormontagezustand das Schwelleraußenteil mitsamt angeschweißtem Zugelement Bestandteil einer ersten Baugruppe sein, während das Schwellerinnenteil Bestandteil einer davon separaten zweiten Baugruppe sein kann. Die beiden voneinander separaten Baugruppen werden in einem ersten Füge-Prozessschritt jeweils an den oberen und unteren Flanschverbindungen zusammengefügt. Anschließend erfolgt ein zweiter Füge-Schritt mit einem Schraubvorgang, bei dem der Schraubbolzen in einer Schraubrichtung vertikal nach oben mit der Schweißmutter des Zugelementes verspannt wird.
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Um einen störkonturfreien Zusammenbau zu gewährleisten, ist es bevorzugt, wenn im ersten Füge-Schritt, das heißt bei noch nicht verspanntem Schraubbolzen, das Zugelement noch um einen Freigang von der unteren Profilseitenwand des Schwellerinnenteils beabstandet ist. Erst beim zweiten Füge-Schritt (d.h. beim Verschrauben des Schraubbolzens) wird unter Aufbrauch des Freigangs der Schraubbolzen mit der Zugelement-Schweißmutter verspannt, und zwar so, dass das Zugelement zusammen mit der unteren Profilseitenwand des Schwellerinnenteils eine insbesondere spaltfreie Doppelwandstruktur ergibt.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
- 1 in einer perspektivischen Teilraumansicht eine Karosseriestruktur eines Kraftfahrzeugs;
- 2 eine Teilschnittdarstellung entlang einer Schnittebene yz aus der 1;
- 3 in perspektivischer Darstellung ein Zugelement in Alleinstellung;
- 4 und 5 Ansichten, die einen Seitenpfahlcrash veranschaulichen; sowie
- 6 bis 8 Ansichten, die Prozessschritte zum Zusammenbau der Karosseriestruktur veranschaulichen.
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In der 1 ist eine Karosseriestruktur eines zweispurigen Kraftfahrzeugs gezeigt, die nachfolgend insoweit beschrieben ist, als es für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Demzufolge weist die Karosseriestruktur einen bodenseitigen seitlichen Schweller 1 auf, der sich in der Fahrzeuglängsrichtung x durchgängig zwischen einem vorderen A-Säulen-Blechteil 3 und einem hinteren C-Säulen-Blechteil 5 erstreckt und Seitentüröffnungen 7 bodenseitig begrenzt. Im Fahrzeugboden der Karosseriestruktur ist eine crashsensible Traktionsbatterie 9 verbaut, die sich in der Fahrzeugquerrichtung y zwischen den beiden Schwellern 1 erstreckt.
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Gemäß der 2 ist der Schweller 1 als ein Hohlträger ausgebildet, und zwar mit einem in der Fahrzeugquerrichtung y fahrzeuginneren Schwellerinnenteil 15 und einem in der Fahrzeugquerrichtung y fahrzeugäußeren Schwelleraußenteil 17. Diese begrenzen einen Schweller-Hohlraum 19. Im Schweller-Hohlraum 19 erstreckt sich ein als Einlegerteil ausgebildetes Deformationselement 25, das beispielhaft ein Aluminium-Strangpressprofil ist und dessen Funktionsweise später beschrieben wird. Das Einlegerteil 25 ist über Schraub-, Punktschweiß- und/oder Klebeverbindungen am Schweller 1 angebunden. Beispielhaft ist in der 2 eine Blech-Konsole 26 gezeigt, die das Einlegerteil 25 lagerichtig im Schweller-Hohlraum 19 positioniert.
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In der 2 ist das Schwellerinnenteil 15 im Profilquerschnitt schalenförmig mit einem fahrzeuginneren, in Vertikalebene ausgerichteten Profilboden 27 sowie mit davon nach fahrzeugaußen hochgezogenen oberen und unteren Profilseitenwänden 29, 31 aufgebaut. In gleicher Weise ist auch das Schwelleraußenteil 17 mit einem fahrzeugäußeren Profilboden 33 sowie mit davon nach fahrzeuginnen hochgezogenen, oberen und unteren Profilseitenwänden 35, 37 aufgebaut. Die Profilseitenwände weisen jeweils nach oben und unten abgewinkelte Randflansche 39 auf, die unter Bildung einer oberen Flanschverbindung 41 und einer unteren Flanschverbindung 43 miteinander verbunden sind.
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Zudem erstreckt sich in der 2 die untere Profilseitenwand 31 des Schwellerinnenteils 15 in einer Horizontalebene und wirkt als eine großflächige Anschraubbasis für die Traktionsbatterie 9 und für ein später beschriebenes Zugelement 45. Um einen ausreichend großen Bauraum zur Verschraubung des Zugelementes 45 sowie zur Verschraubung der Traktionsbatterie 9 bereitzustellen, ist in der 2 die untere Flanschverbindung 43 um einen Querversatz Δy gegenüber der oberen Flanschverbindung 41 nach fahrzeugaußen versetzt.
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Wie aus der 2 weiter hervorgeht, ist das Einlegerteil 25 über einen freien Höhenversatz von den unteren Profilseitenwänden 31, 37 beabstandet, wodurch sich ein Bauraum 47 ergibt, in dem das Zugelement 45 angeordnet ist, dessen Funktionsweise später anhand der 4 und 5 erläutert wird.
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Gemäß der 3 ist das Zugelement 45 als ein flächiges Blechteil realisiert, das einen Grundkörper 49 aufweist, der an Überbrückungsabschnitten 51 in insgesamt drei Blechlaschen 53 übergeht. In der, in der 2 gezeigten Einbaulage ist der Grundkörper 49 des Zugelementes 45 an einer fahrzeuginneren Anbindungsstelle A1 mit der unteren Profilseitenwand 37 des Schwelleraußenteils 17 verschweißt. Die Blechlaschen 53 des Zugelementes 45 sind dagegen an fahrzeuginneren Anbindungsstellen A2 in Schraubverbindung mit der unteren Profilseitenwand 31 des Schwellerinnenteils 15.
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In der 2 überbrückt der Überbrückungsabschnitt 51 des Zugelements 45 eine Verbindungsfuge 55 zwischen den beiden unteren Profilseitenwänden 31, 37 des Schwellers 1. Der Überbrückungsabschnitt 51 ist dabei nach Art einer Längssicke in das Zugelement 45 eingeprägt, und zwar mit einer oberen Scheitelstelle 57, die an Querflanken 59 jeweils an die Blechlaschen 53 und an den Grundkörper 49 des Zugelementes 45 anschließt.
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Der fahrzeuginnere Anbindungspunkt A2 des Zugelements 45 ist in der 2 aus einem Schraubbolzen 61 und einer damit zusammenwirkenden Schweißmutter 63 aufgebaut. Der Schraubbolzen 61 ist von fahrzeugunten durch ein Schraubloch 65 der unteren Profilseitenwand 31 des Schwellerinnenteils 15 geführt und mit der Schweißmutter 63 verspannt. Die Schweißmutter 63 ist in der 2 auf der, dem Einlegerteil 25 zugewandten Seite des Zugelementes 45 aufgeschweißt. Wie aus der 2 weiter hervorgeht, sind daher sowohl die Schweißmutter 63 als auch der schlaufenartige Überbrückungsabschnitt 51 des Zugelementes 45 bauraumgünstig im Bauraum 47 zwischen dem Einlegerteil 25 und den unteren Profilseitenwänden 31, 37 des Schwellers 1 positioniert.
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Nachfolgend wird anhand der 4 und 5 die Wirkungsweise des Zugelementes 45 bei einem Seitenpfahlcrash beschrieben, bei dem ein Seitenpfahl 67 an einer Pfahlaufprallstelle 68 in einer Crashrichtung gegen das crashzugewandte Schwelleraußenteil 17 aufprallt. Dadurch wird das Deformationselement 25 an der Pfahl-Aufprallstelle 68 in der Crashrichtung nach fahrzeuginnen deformiert, und zwar unter Abbau von Crashenergie. Gleichzeitig erfolgt eine Aufdrehbewegung A (4) des Deformationselementes 25, bei der die mit Bezug auf die Pfahlaufprallstelle 68 vorderen und hinteren Einlegerteil-Abschnitte 69, 71 um angedeutete Aufdreh-Wege Δy nach fahrzeugaußen verlagert werden und dadurch auch das crashzugewandte Schwelleraußenteil 17 nach fahrzeugaußen drücken. Durch die auf das Schwelleraußenteil 17 wirkende Crashlast kann speziell die untere Flanschverbindung 43 aufreißen, wodurch es zu einem nachteiligen Strukturversagen des Schwellers 1 kommt, wie es in der 5 gezeigt ist. Um das Aufreißen der unteren Flanschverbindung 43 und damit das Strukturversagen zu minimieren, ist erfindungsgemäß sowohl im vorderen Bereich als auch im hinteren Bereich des Schwellers 1 jeweils ein Zugelement 45 eingebaut. Im Seitenpfahlcrash-Verlauf wird das Zugelement 45 unter Aufbrauch des vom schlaufenförmigen Überbrückungsabschnittes bereitgestellten Überschuss-Blechmaterials bis in eine Strecklage (5) gestreckt. In der Strecklage ist ein weiteres Aufreißen der unteren Flanschverbindung 43 verhindert, wodurch das Versagen der Strukturintegrität auf ein Minimum reduziert ist.
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Anhand der 6 bis 8 ist ein Zusammenbau-Prozess des Schwellers 1 beschrieben: Demzufolge werden in einem ersten Füge-Schritt (6) das Schwelleraußenteil 17 mitsamt angeschweißtem Zugelement 45 als Bestandteil einer ersten Baugruppe 73 bereitgestellt und das Schwellerinnenteil 15 als Bestandteil einer zweiten Baugruppe 75 bereitgestellt. Die beiden voneinander separaten Baugruppen 73, 75 werden an den oberen und unteren Flanschverbindungen 41, 43 zusammengefügt (7). Der erste Füge-Prozessschritt erfolgt bei noch nicht verspanntem Schraubbolzen 61, so dass das Zugelement 43 noch um einen Freigang f (6 oder 7) von der unteren Profilseitenwand 37 des Schwellerinnenteils 15 beabstandet ist.
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Im zweiten Füge-Prozessschritt (8) wird der Schraubbolzen 61 unter Aufbrauch des Freigangs f mit der Zugelement-Schweißmutter 63 verspannt. Mit dem Schraubvorgang wird die Blechlasche 53 um den als Filmscharnier wirkenden Überbrückungsabschnitt 51 des Zugelements 45 in Anlage mit der unteren Profilseitenwand 31 des Schwellerinnenteils 15 gedrückt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schweller
- 3
- A-Säule
- 5
- C-Säule
- 7
- Seitentüröffnungen
- 9
- Traktionsbatterie
- 15
- Schwellerinnenteil
- 17
- Schwelleraußenteil
- 19
- Schweller-Hohlraum
- 23
- Deckblechteil
- 25
- Einlegerteil
- 26
- Blech-Konsole
- 27
- fahrzeuginnerer Profilboden
- 29
- obere Profilseitenwand
- 31
- untere Profilseitenwand
- 33
- fahrzeugäußerer Profilboden
- 35
- obere Profilseitenwand
- 37
- untere Profilseitenwand
- 39
- Randflansche
- 41
- obere Flanschverbindung
- 43
- untere Flanschverbindung
- 45
- Zugelement
- 47
- Bauraum
- 49
- Grundkörper
- 51
- Überbrückungsabschnitt
- 53
- Blechlaschen
- 55
- Verbindungsfuge
- 57
- Scheitelstelle
- 59
- Querflanken
- 61
- Schraubbolzen
- 63
- Schraubmutter
- 64
- Schraubloch
- 67
- Seitenpfahl
- 68
- Pfahl-Aufprallstelle
- 69, 71
- vordere und hintere Einlegerteil-Abschnitte
- 73
- erste Baugruppe
- 75
- zweite Baugruppe
- A
- Aufdrehbewegung
- Δy
- Aufdreh-Weg der Einlegerteil-Abschnitte
- A1, A2
- Anbindungspunkte
- f
- Freigang
