DE102020214684A1

DE102020214684A1 - Fahrzeugträgerstruktur mit geschlossenem Hohlprofil, insbesondere Längsträger, sowie Fahrzeugrahmenstruktur mit mindestens einer solchen Fahrzeugträgerstruktur

Info

Publication number: DE102020214684A1
Application number: DE102020214684.5A
Authority: DE
Inventors: Carsten Brüggemann; Michael Scheibler
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-11-23
Filing date: 2020-11-23
Publication date: 2022-05-25
Also published as: WO2022106092A1; EP4247690A1; CN116472217A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugträgerstruktur (20) mit einem geschlossenen Hohlprofil, insbesondere einen Längsträger eines Fahrzeuges (10). Eine erfindungsgemäße Fahrzeugträgerstruktur (20) weist ein geschlossenes Hohlprofil auf, dessen Hohlraum (46) sich in einer als Längsrichtung bezeichneten Hauptrichtung erstreckt. Dabei ist innerhalb des Hohlraums (46) ein Verstärkungselement (36) mit einer dreidimensionalen Geometrie verdrehsicher angeordnet, wobei sich das Verstärkungselement (36) in einer Richtung quer zur Längsrichtung des Hohlraums (46) mindestens über die Hälfte der jeweiligen Quererstreckung des Hohlraums (46) erstreckt. Eine erfindungsgemäße Fahrzeugrahmenstruktur (14) weist mindestens zwei, sich in Fahrzeuglängsrichtung erstreckende, seitliche Längsträger (16) und mindestens einen, die Längsträger (16) in Fahrzeugquerrichtung miteinander verbindenden Querträger (18) auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugträgerstruktur mit einem geschlossenen Hohlprofil, insbesondere einen Längsträger eines Fahrzeuges. Ferner betrifft die Erfindung eine Fahrzeugrahmenstruktur mit mindestens einer Fahrzeugträgerstruktur, insbesondere eine aus sich in Fahrzeuglängsrichtung erstreckenden, seitlichen Längsträgern gebildete Fahrzeugrahmenstruktur, bei der die Längsträger in Fahrzeugquerrichtung betrachtet jeweils außenseitig angeordnet sind und ein geschlossenes Hohlprofil aufweisen, wobei mindestens ein, die Längsträger in Fahrzeugquerrichtung miteinander verbindender Querträger vorgesehen ist. Vorzugsweise sind zwei oder mehr Querträger vorgesehen, so dass sich in einer Ansicht von oben mindestens eine geschlossene Fahrzeugrahmenstruktur aus mindestens zwei Längsträgern und zwei Querträgern ergibt. Insbesondere wird auf Kraftfahrzeuge verwiesen, im Speziellen auf Personenkraftfahrzeuge.
Aus EP 3 616 957 A1 ist eine Fahrzeugbodenstruktur eines Kraftfahrzeuges bekannt, die zwei Längsträger, mehrere die Längsträger miteinander verbindende Querträger und mindestens einen, sich zwischen den Querträgern in Längsrichtung des Kraftfahrzeuges erstreckendes Verstärkungselement umfasst.
Aus US 2016/0272253 A1 ist eine Fahrzeugkarosseriestruktur mit einer unteren Stirnwand bekannt, die einen Motorraum von einem Fahrgastraum separiert, wobei sich die Stirnwand außenseitig jeweils bis in den Bereich eines entsprechenden Radhauses erstreckt. An die Stirnwand angrenzend sind sich in Fahrzeuglängsrichtung erstreckende Außenlängsträger angeordnet. Zur Verstärkung der Stirnwand in dem Bereich der Radhäuser sind jeweils separate Verstärkungselemente vorgesehen, die sich von den Außenlängsträgern aus jeweils in Fahrzeugquerrichtung nach innen zur Fahrzeugmitte hin erstrecken.
Der Aufbau der Längsträger ist in den oben genannten Dokumenten nicht im Detail beschrieben oder gezeigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fahrzeugträgerstruktur mit geschlossenem Hohlprofil sowie eine Fahrzeugrahmenstruktur mit einer solchen Fahrzeugträgerstruktur hinsichtlich ihrer Steifigkeit und Crashsicherheit bei quer auf die Fahrzeugträgerstruktur einwirkenden Kräften zu verbessern. Die Erfindung wurde insbesondere für Anwendungsfälle gemacht, in welchen die Fahrzeugträgerstruktur ein außenseitig eines Fahrzeuges angeordneter Längsträger - und optional auch Teil einer Fahrzeugrahmenstruktur - ist und dieser Längsträger von einer seitlichen Fläche beaufschlagt wird, wie bei einem seitlichen Barrieren-Crash, oder wenn die Fahrzeugträgerstruktur von einem seitlichen Hindernis mit begrenzter Fläche beaufschlagt wird, wie bei einem Pfahlcrash. Bei solchen Längsträgern ergibt sich in der Praxis teilweise das Problem, dass die Hohlprofile nicht oder nur beschränkt zugänglich sind oder diese Hohlprofile einen nur sehr kleinen Hohlraum aufweisen, wodurch sich aus der Praxis bekannte Versteifungsmethoden, wie z.B. das Einbringen und von außen durchzuführende Befestigen von Querschotten, nicht oder nur mit hohem Aufwand und dementsprechend hohen Fertigungskosten umsetzen lassen. Mit der Erfindung soll insoweit eine Möglichkeit geschaffen werden, eine Erhöhung der Steifigkeit von Fahrzeugträgerstrukturen mit Hohlprofilen auch bei nicht oder nur schwer zugänglichen Hohlräumen einfach und kostengünstig realisieren zu können.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Eine erfindungsgemäße Fahrzeugträgerstruktur weist ein geschlossenes Hohlprofil auf, dessen Hohlraum sich in einer als Längsrichtung bezeichneten Hauptrichtung erstreckt. Dabei ist innerhalb des Hohlraums ein Verstärkungselement mit einer dreidimensionalen Geometrie verdrehsicher angeordnet, wobei sich das Verstärkungselement in einer Richtung quer zur Längsrichtung des Hohlraums mindestens über die Hälfte der jeweiligen Quererstreckung des Hohlraums erstreckt. Vorzugsweise erstreckt sich das Verstärkungselement über mindestens 75 Prozent, mindestens 80 Prozent, mindestens 90 Prozent oder besonders bevorzugt über die gesamte jeweilige Quererstreckung. In dem zuletzt genannten Fall kann das Verstärkungselement insoweit als eine Stützstrebe bezeichnet werden, die sich innenseitig des Hohlprofils in dem Hohlraum befindet und die Steifigkeit der Fahrzeugträgerstruktur bei in Querrichtung einwirkenden Kräften signifikant erhöht. Ein weiterer Vorteil bei einer Erstreckung des Erstreckungselements über die vollständige Quererstreckung des Hohlraums besteht darin, dass das Verstärkungselement - wenn es geometrisch geeignet gestaltet ist und die Innengeometrie des Hohlprofils das ermöglicht - schon aufgrund eines Zusammenwirkens mit der Innengeometrie des Hohlprofils verdreh- und lagesicher positionierbar ist, so dass eine zusätzliche Fixierung durch Verschweißen, Verkleben oder sonstige Maßnahmen nicht erforderlich ist. In diesem Fall ergibt sich eine besonders einfache Montage, entweder durch Einpressen durch eine Öffnung in den Hohlraum oder bei zwei- oder mehrteilig gebildeten Fahrzeugträgerstrukturen mit Schalenelementen durch Einsetzen des Verstärkungselements vor dem Fügen von Schalenelementen. Mit einer verdrehsicheren Anordnung des Verstärkungselements in dem Hohlraum im Sinne der Erfindung ist insbesondere gemeint, dass sich die Ausrichtung des Verstärkungselements in seiner Orientierung quer zur Längsrichtung nicht oder nur derart begrenzt ändern kann, dass beispielsweise eine horizontale Ausrichtung in einer x-y-Ebene zur Erzeugung einer Versteifung in Fahrzeugquerrichtung erhalten bleibt und so sichergestellt ist, dass Kräfte, die in dieser Ebene in Querrichtung (y-Richtung) in eine Fahrzeugträgerstruktur eingeleitet werden, auch über die Verstärkungsstruktur abgestützt werden. Vorzugsweise ist die Verstärkungsstruktur auch in anderen Drehrichtungen verdrehsicher angeordnet, insbesondere dadurch, dass die Länge des Verstärkungselements größer gewählt ist als das größte Maß des Hohlraums quer (insbesondere senkrecht) zur Längsrichtung.
In einer praktischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fahrzeugträgerstruktur ist das Verstärkungselement aus einem plattenartigen Element gebildet, und/oder an dem Verstärkungselement ist mindestens eine Sicke und/oder eine wellenförmige Geometrie ausgebildet. Damit ist insbesondere gemeint, dass das Verstärkungselement aus einem plattenartigen Element hergestellt ist, welches relativ einfach und kostengünstig zu einem konstruktiv geeigneten Verstärkungselement umformbar ist. In einer besonders einfachen und insoweit kostentechnisch bevorzugten Ausführungsform weist ein derartiges plattenartiges Element zumindest vor einer Umformung eine konstante Materialstärke auf. Unter einem plattenartigen Element wird insbesondere ein Blech oder ein aus einem nichtmetallischen Werkstoff hergestelltes, flächiges Element verstanden, dessen Dicke deutlich kleiner ist als die Länge und die Breite, insbesondere maximal 10 Prozent des Minimums aus Länge und Breite oder maximal 5 Prozent oder maximal 1 Prozent.
Unter Sicken im Sinne der Erfindung werden insbesondere solche Verprägungen verstanden, die mindestens eine Umformkante aufweist und somit im Querschnitt eine Unstetigkeit im mathematischen Sinne aufweist. Eine ausreichende Versteifung mit einem Verstärkungselement lässt sich aber auch erzielen, wenn ein Verstärkungselement zwar ein im mathematischen Sinne stetiges Querschnittsprofil aufweist, aber mindestens eine wellenförmige Ausbildung aufweist. Ebenfalls möglich und aus Versteifungsaspekten zielführend ist es, eine wellenförmige Ausbildung mit Sicken zu kombinieren. Darunter sind Sicken zu verstehen, die Umformkanten mit flachen Winkeln aufweisen und dadurch auch im Bereich der jeweiligen Sicke flächige Bereiche aufweisen. Solche flächigen Bereiche können vorteilhaft als Kontaktflächen für eine - ggf. zusätzliche - flächige Verbindung eines Verstärkungselements mit einem Wandabschnitt einer Fahrzeugträgerstruktur genutzt werden, beispielsweise indem mehrere Schweißpunkte im Bereich solcher Kontaktflächen gesetzt werden.
Wenn das Verstärkungselement aus einem plattenartigen Element gebildet ist, kann es besonders einfach und kostengünstig hergestellt und auch in eine geometrische Form gebracht werden, die zur Realisierung der gewünschten Verdrehsicherung geeignet ist. Insbesondere kann für diese Zwecke Standard-Plattenmaterial auf eine gewünschte Größe zugeschnitten oder ausgestanzt werden. Anschließend können durch Prägen, Pressen und/oder sonstiges Umformen einschließlich Biegen Sicken und/oder wellenförmige Geometrien an einem plattenartigen Element (Zuschnitt) erzeugt werden.
Eine zusätzliche Krümmung plattenartiger Elemente, insbesondere um eine oder mehrere Achsen quer zur Längsachse der Trägerstruktur, hat den Vorteil, dass auf diese Art und Weise sowohl eine geometriebedingte Fixierung des Verstärkungselements gegen Verschiebung in Längsrichtung des Hohlprofils als auch eine Verdrehsicherung um verschiedene Drehachsen erzeugt werden kann. Dies gilt insbesondere für Trägerstrukturen, in welchen der Hohlraum selbst keinen linearen, sondern einen gekrümmten Verlauf aufweist.
Das Hohlprofil und/oder das Verstärkungselement sind in einer weiteren praktischen Ausführungsform aus einem verschweißbaren und/oder einem metallischen Werkstoff hergestellt. In diesem Zusammenhang wird insbesondere auf die Werkstoffe Stahl, Aluminium und Kunststoff verwiesen. Verschweißbare Werkstoffpaarungen weisen den Vorteil auf, dass auf einfache und kostengünstige Art und Weise eine Punktschweißung erfolgen kann, um eine automatisierbare Fixierung zwischen Verstärkungselement und Fahrzeugträgerstruktur veranlassen zu können.
Das Verstärkungselement kann - je nach Anwendungsfall und Rahmenbedingungen - auf beliebige Art und Weise stoffschlüssig, kraftschlüssig und/oder formschlüssig innerhalb des Hohlraums festgelegt sein. Es kann beispielsweise stoffschlüssig durch ein oder mehrere Schweißpunkte an einer Umfangswand des Hohlraums fixiert sein. Dies ist insbesondere dann gut realisierbar, wenn die Fahrzeugträgerstruktur aus zwei oder mehr Schalenelementen gebildet ist, indem zunächst das Verstärkungselement an einem Schalenelement fixiert und dann das Schalenelement mit einem weiteren Schalenelement oder mehreren weiteren Schalenelementen zu einem Hohlprofil verbunden wird.
Eine einfache und kostengünstige Möglichkeit, das Verstärkungselement kraftschlüssig in dem Hohlraum einer erfindungsgemäßen Fahrzeugträgerstruktur zu fixieren, besteht darin, das Verstärkungselement derart auszubilden, dass das Verstärkungselement spielfrei in dem Hohlraum angeordnet ist. Dazu kann das Verstärkungselement beispielsweise als eine Platte mit einem oder mehreren federelastisch vorspannbaren Spannbereichen ausgebildet sein. Ein solches Verstärkungselement kann dann entweder vor dem Fügen einer Fahrzeugträgerstruktur, die aus mehreren Schalenelementen gebildet wird, mit Vorspannung in dem Hohlraum positioniert werden, um es während der Herstellung in dem Hohlraum einzuschließen. Oder ein solches Verstärkungselement kann nachträglich in einen Hohlraum einer schon in seiner Endform mit Hohlraum gebrachten Fahrzeugträgerstruktur eingesetzt bzw. eingepresst werden.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fahrzeugträgerstruktur ist das Hohlprofil aus mindestens zwei miteinander verbundenen Schalenelementen gebildet, und/oder das Verstärkungselement ist aufgrund seiner dreidimensionalen Geometrie im Zusammenwirken mit der Innengeometrie des Hohlprofils verdreh- und/oder lagesicher in einer Soll-Lage in dem Hohlprofil positioniert.
Die Ausbildung einer Fahrzeugträgerstruktur aus zwei oder mehr miteinander verbundenen - insbesondere miteinander verschweißten - Schalenelementen hat den Vorteil, dass sich auch komplexe dreidimensionale Geometrien realisieren lassen und die Positionierung und Fixierung eines Verstärkungselements innerhalb einer Fahrzeugträgerstruktur in einfacher Art und Weise erfolgen kann, bevor die Schalenelemente gefügt werden.
Wenn das Verstärkungselement aufgrund seiner dreidimensionalen Geometrie im Zusammenwirken mit der Innengeometrie des Hohlprofils verdreh- und/oder lagesicher in einer Soll-Lage in dem Hohlprofil positioniert ist, ist nicht nur die Montage einfach, sondern es kann in diesem Fall auch auf einen separaten Fixierprozess, z.B. ein Verschweißen, Verkleben oder sonstiges Befestigen durch einen separaten Arbeitsschritt verzichtet werden.
Wenn die Verstärkungsstruktur mindestens eine Kontaktstelle zu dem Hohlprofil aufweist, die beabstandet von den seitlichen Rändern der Verstärkungsstruktur ist, kann eine Fixierung der Verstärkungsstruktur innerhalb des Hohlraums an einer solchen Kontaktstelle beabstandet von den seitlichen Rändern der Verstärkungsstruktur erfolgen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Kontaktbereiche zwischen seitlichen Rändern der Verstärkungsstruktur zu dem Hohlprofil schwer zugänglich sind oder aufgrund baulicher Restriktionen nicht dazu geeignet sind, eine Fixierung zu realisieren.
Die Erfindung betrifft auch eine Fahrzeugrahmenstruktur mit mindestens zwei, sich in Fahrzeuglängsrichtung erstreckenden, seitlichen Längsträgern und mindestens einem, die Längsträger in Fahrzeugquerrichtung miteinander verbindenden Querträger. Dabei ist ein Längsträger oder Querträger als eine wie vorstehend beschriebene Fahrzeugträgerstruktur ausgebildet. In diesem Zusammenhang wird insbesondere auf solche Fahrzeugrahmenstrukturen verwiesen, bei welchen die Längsträger in Fahrzeugquerrichtung jeweils außenseitig angeordnet sind. Die Erfindung wurde insbesondere in Verbindung mit Fahrzeugrahmenstrukturen gemacht, in welchen die Längsträger so weit außenseitig angeordnet sind, dass diese als seitliche Crashstruktur dienen und das Eindringen von seitlich auf ein Kraftfahrzeug einwirkenden Hindernissen möglichst effizient verhindern bzw. einem derartigen Eindringen entgegenwirken sollen.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fahrzeugrahmenstruktur ist das Verstärkungselement in Fahrzeugquerrichtung orientiert innerhalb des Längsträgers angeordnet ist und/oder an dem Verstärkungselement ist eine sich in Fahrzeugquerrichtung erstreckende Sicke und/oder eine wellenförmige Geometrie ausgebildet. Eine derartige Anordnung bzw. Ausbildung eignet sich insbesondere zur Aussteifung von Längsträgern, um in Fahrzeugquerrichtung von der Seite und von außen auf ein Fahrzeug einwirkende Kräfte abzustützen und einem Einknicken der entsprechenden Fahrzeugträgerstruktur entgegenzuwirken. Dabei erstreckt sich eine Sicke und/oder eine wellenförmige Geometrie vorzugsweise über die gesamte sich in Fahrzeugquerrichtung erstreckende Breite des Verstärkungselements.
Als in der Praxis besonders nützlich haben sich erfindungsgemäße Fahrzeugrahmenstrukturen erwiesen, wenn das Verstärkungselement in einem Längsträgerabschnitt angeordnet ist, der sich in Fahrzeuglängsrichtung betrachtet zumindest teilweise vor einem Radhaus eines Fahrzeuges erstreckt und/oder in einem Längsträgerabschnitt, der sich in Fahrzeuglängsrichtung betrachtet zwischen zwei Querträgern erstreckt. Im Bereich eines Radhauses weisen in den meisten Fahrzeugen die Längsträger jeweils eine Krümmung zur Fahrzeuginnenseite auf, so dass sich der Abstand zwischen zwei äußeren Längsträgern verjüngt. In dem Bereich der Verjüngung ist der Bauraum aus diesem Grund meist knapper, was die Anordnung von zusätzlichen Querträgern erschwert. Die Vorteile der Erfindung kommen insbesondere dort zum Tragen, wo zwischen zwei Querträgern ein größerer Abstand in Fahrzeuglängsträgern vorgesehen ist (oder sein muss). In solchen Bereichen kann durch die Anordnung eines Verstärkungselements die Quersteifigkeit in dem Längsträger selbst signifikant erhöht und über eine geeignete konstruktive Gestaltung von Verstärkungselementen eine vorteilhafte Kraftverteilung von einem Längsträger in einen oder mehrere benachbarte Querträger erfolgen.
In diesem Zusammenhang wird auf praktische Ausführungsformen mit mindestens einem Verstärkungselement (oder mehreren Verstärkungselementen) verwiesen, das in einem Bereich zwischen zwei Querträgern eingesetzt ist, die in Fahrzeuglängsrichtung einen maximalen Abstand von 500 mm zueinander aufweisen.
Eine vorteilhafte Kraftverteilung kann in einer erfindungsgemäßen Fahrzeugträgerstruktur insbesondere dadurch erzielt werden, dass eine Verstärkungsstruktur vorgesehen ist, die eine Sicke und/oder eine wellenförmige Geometrie aufweist, die zusätzlich zu einer Orientierung in Fahrzeugquerrichtung eine Orientierung in Fahrzeuglängsrichtung aufweist, die in Richtung des nächstkommenden Querträgers orientiert ist. Sofern eine Verstärkungsstruktur in Längsrichtung betrachtet zwischen zwei Querträgern in einem Längsträger angeordnet ist, ist dementsprechend von außen zur Fahrzeugmitte hin betrachtet eine v-förmige Anordnung von zwei Sicken oder wellenförmigen Geometrien vorteilhaft, um Kräfte über die Sicken und/oder Wellenform - wie bei einer Fachwerkstruktur - von einem mittleren Bereich zwischen den Querträgern in Richtung der Querträger zu übertragen.
Auf die Vorteile in Verbindung mit einer Fahrzeugträgerstruktur, insbesondere in Form von zwei jeweils außenseitig eines Fahrzeuges angeordneten Längsträgern, die in Fahrzeugquerrichtung betrachtet über einen Teilbereich einen verringerten Abstand zueinander aufweisen und über mindestens einen Querträger verbunden sind, wurde bereits verwiesen. In diesem Zusammenhang wird nochmals insbesondere auf solche Fahrzeugrahmenstrukturen verwiesen, die aus zwei Längsträgern und zwei Querträgern gebildet sind, im Besonderen auf solche Fahrzeugrahmenstrukturen, bei denen zumindest ein Querträger eine geringere, sich in Fahrzeugquerrichtung erstreckende Breite aufweist, weil sich dieser in einem Bereich mit verringertem Abstand der Längsträger befindet.
Die durch die erfindungsgemäße Gestaltung von Fahrzeugträgerstrukturen und Fahrzeugrahmenstrukturen erzielte erhöhte Steifigkeit ist insbesondre dann von besonderem Nutzen, wenn in dem Bereich zwischen den Längsträgern in Fahrzeuglängsrichtung betrachtet eine Batterieaufnahmestruktur angeordnet ist, insbesondere ein Batteriekasten zur Aufnahme von Modulen einer Traktionsbatterie, d.h. eines Energiespeichers, der für die Versorgung des Kraftfahrzeuges mit Antriebsenergie vorgesehen ist.
Weitere praktische Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 ein Kraftfahrzeug in einer Ansicht von oben,
2 Teilelemente der Unterseite des Kraftfahrzeuges aus 1 mit einer Fahrzeugrahmenstruktur und Radhäusern sowie mit einer Seitenaufprall-Barriere und einem Pfahl in einer Ansicht von unten,
3 eine in dem in 2 mit V gekennzeichneten Bereich angeordnete erfindungsgemäße Fahrzeugträgerstruktur in Form eines Längsträgers in einer isometrischen Darstellung,
4 die Fahrzeugträgerstruktur aus 3 in einer isometrischen Explosionsdarstellung,
5 den in 3 mit V gekennzeichneten Bereich der Fahrzeugträgerstruktur aus den 3 und 4 in einer Ansicht von unten mit sichtbar gemachtem Verstärkungselement durch transparente Darstellung des das Verstärkungselement verdeckenden Schalenelements,
6a nur das Verstärkungselement der Fahrzeugträgerstruktur gemäß den 3 bis 5 in einer isometrischen Darstellung von der Seite,
6b nur das Verstärkungselement der Fahrzeugträgerstruktur gemäß den 3 bis 5 in einer Ansicht von vorne,
7 das Verstärkungselement mit einem damit verbundenen, transparent dargestellten Schalenelement in einer isometrischen Darstellung,
8 die Fahrzeugträgerstruktur gemäß der Ansicht aus 5 in einem von einer Seitenkraft F beaufschlagten, belasteten Zustand,
9 eine schematische Längsschnittdarstellung durch eine alternative Ausführungsform einer Fahrzeugträgerstruktur mit einem Hohlraum und einem in dem Hohlraum angeordneten Verstärkungselement, das eine regelmäßige Wellenform aufweist, und
10 eine schematische Längsschnittdarstellung durch eine weitere alternative Ausführungsform einer Fahrzeugträgerstruktur mit einem Hohlraum und einem in dem Hohlraum angeordneten Verstärkungselement, das eine regelmäßige V-Form aufweist.

1 zeigt ein Kraftfahrzeug 10 in einer Ansicht von oben. In 1 und in allen weiteren Ansichten sind mit den Pfeilen x, y und z die Fahrzeuglängsrichtung mit Orientierung nach vorne (x-Richtung), die Fahrzeugquerrichtung (y-Richtung) und die Fahrzeughochrichtung (z-Richtung) markiert. Sofern nur einzelne Elemente des Kraftfahrzeuges 10 dargestellt sind, beziehen sich die jeweiligen Pfeile auf die entsprechende Einbaulage in dem Kraftfahrzeug 10.
2 zeigt Teilelemente der Unterseite des Kraftfahrzeuges 10 aus 1, insbesondere vordere und hintere Radhäuser 12 sowie eine Fahrzeugrahmenstruktur 14, die im Wesentlichen gebildet ist durch zwei, sich in Fahrzeuglängsrichtung (x-Richtung) erstreckende, seitliche Längsträger 16 und zwei, die Längsträger 16 in Fahrzeugquerrichtung miteinander verbindende Querträger 18. Dabei sind die Längsträger 16 in dem in den 1 und 2 gezeigten Kraftfahrzeug 10 als Fahrzeugträgerstrukturen 20 im Sinne der Erfindung ausgebildet. In Fahrzeuglängsrichtung (x-Richtung) betrachtet erstrecken sich die Längsträger 16 aus einem mittleren Bereich des Kraftfahrzeuges zwischen den vorderen und den hinteren Radhäusern 12 bis in den Bereich der hinteren Radhäuser 12 über die mit dem Doppelpfeil gekennzeichnete Länge I.
In 2 ist ferner erkennbar, dass sich die Längsträger 16 im Bereich der hinteren Radhäuser 12 verjüngen, d.h. sich der Abstand zwischen den beiden Längsträgern 16 in dem Bereich der hinteren Radhäuser 12 verringert. Der vordere Querträger 18 ist aus diesem Grund etwas länger als der hintere Querträger 18. Der Abstand I_Q der Querträger 18 zueinander beträgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel etwa 500 mm.
Die Erfindung dient der Erhöhung der Crashsicherheit der Fahrzeugrahmenstruktur 14 in Kraftfahrzeugen 10, die Fahrzeugträgerstrukturen 20 mit Hohlprofilen aufweisen, die beispielsweise so gestaltet sind wie die nachfolgend noch näher beschriebenen Längsträger 16.
Die Erhöhung der Crashsicherheit betrifft insbesondere Fälle, in welchen eine Seitenkraft F auf die Längsträger 16 einwirkt, wie beispielsweise die in 2 durch einen Pfeil symbolisierte Kraft F_B durch den Aufprall einer Seitenbarriere 22 oder die in 2 durch einen Pfeil symbolisierte Kraft F_P durch den Aufprall eines Pfahls 24. Denn dann werden eine Batterieaufnahmestruktur 44 für eine Traktionsbatterie oder ein Tank - in 2 durch den gestrichelten Kasten dargestellt - in dem Bereich zwischen den Längsträgern 16 besonders geschützt. Damit wird das Risiko einer Explosion, einer Entzündung und oder eines Feuers signifikant reduziert.
Wie aus einer Zusammenschau der 3 und 4 gut ersichtlich ist, ist der Grundkörper des Längsträgers 16 in dem für die Erfindung relevanten Bereich gebildet aus insgesamt vier Schalenelementen 26, nämlich aus einer Oberschale 28, einer Unterschale 30, einer ersten Seitenschale 32 und einer zweiten Seitenschale 34. Die Schalenelemente 26 sind zu einem geschlossenen Hohlprofil miteinander verbunden, hier durch Verschweißen. Innerhalb des durch das Hohlprofil gebildeten Hohlraums 46 (vgl. 3 und 5) ist ein Verstärkungselement 36 angeordnet.
Das Verstärkungselement 36 ist in den 3 und 4 nur teilweise erkennbar ist. In 5 ist die relative Anordnung des Verstärkungselements 36 innerhalb des Hohlprofils des Längsträgers 16 gut erkennbar. In den 6a und 6b ist die geometrische Gestaltung des Verstärkungselements 36 selbst gut erkennbar. In den 6a und 6b ist gut erkennbar, dass an dem Verstärkungselement 36 mehrere, sich über die gesamte Breite erstreckende Sicken 38 ausgebildet sind. Zwischen zwei benachbarten Sicken 38 ist jeweils ein Verbindungsabschnitt 40 ausgebildet, wobei jeder Verbindungsabschnitt 40 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel entweder eine ebene oder eine gekrümmte Oberfläche aufweist. Die Oberflächen sind jedoch in allen Fällen glattflächig. Dadurch lässt sich ein Verstärkungselement 36 relativ einfach und kostengünstig aus einfachen Platten herstellen, die durch Einprägen von Sicken 38 in eine gewünschte Form gebracht werden.
Wie aus den 6a und 6b gut ersichtlich ist, sind zwei der Sicken 38 so ausgebildet, dass diese ein Querschnittsprofil mit flachen Winkeln aufweisen. Dadurch sind größere Kontaktflächen 48 ausgebildet, die sich über die gesamte Breite erstrecken. Diese Sicken 38 weisen eine wellenförmige Geometrie im Längsschnitt auf, und die Kontaktflächen 48 eignen sich gut für eine Abstützung an einer Innenwand des Hohlraums 46 des Hohlprofils.
Vorzugweise sind die Sicken 38 so ausgebildet, dass diese den Hohlraum 46 in einer Richtung quer zur Längsrichtung, insbesondere in Hochrichtung (z-Richtung) eines Kraftfahrzeugs 10, vollständig oder zumindest weitestgehend ausfüllen. Dadurch wird die Verdreh- und Lagesicherung des Verstärkungselements 36 innerhalb des Hohlraums 46 optimiert.
7 zeigt das Verstärkungselement 36 zusammen mit der Oberschale 28, wobei das Verstärkungselement 36 dort gestrichelt dargestellt ist, wo es von der Oberschale 28 verdeckt ist. Das Verstärkungselement 36 liegt mit seinen Verbindungsabschnitten 40 zumindest teilweise an der Oberschale 28 an und ist über eine Vielzahl von Schweißpunkten 42 stoffschlüssig mit der Oberschale 28 verbunden.
8 zeigt die Anordnung des Verstärkungselements 36 innerhalb des Hohlraums 46 des Längsträgers 16 und die Funktions- und Wirkungsweise des Verstärkungselements 36 bei Einwirkung einer in Fahrzeugquerrichtung auf den Längsträger 16 einwirkenden Seitenkraft F. Die Seitenkraft F wird zunächst seitlich in den Längsträger 16 eingeleitet und wird dann über die Schalenelemente 26 und das innerhalb der Schalenelemente 26 angeordnete Verstärkungselement 36 in die Querträger 18 geleitet (vgl. die beiden Pfeile innerhalb der Querträger 18 in 2). Das Verstärkungselement 36 trägt in diesem Zusammenhang insbesondere dazu bei, dass der Längsträger 16 nicht schon bei geringer Belastung in Fahrzeugquerrichtung (y-Richtung) einknickt, sondern eine höhere Biegesteifigkeit aufweist. Die beiden äußeren Sicken 38 und die jeweils seitliche Außenkontur an dem in Fahrzeuglängsrichtung vorderen Ende und an dem in Fahrzeuglängsrichtung hinteren Ende sind in Fahrzeugquerrichtung (y-Richtung) betrachtet von außen nach innen v-förmig derart angeordnet, dass eine seitlich in den Längsträger 16 eingeleitete Kraft fachwerkartig nach außen in Richtung der Querträger 18 abgeleitet wird. Dies ist in 8 auch durch die Pfeile Fv und F_H visualisiert.
In der in den 1 bis 8 dargestellten Ausführungsform ist die sich in Fahrzeugquerrichtung erstreckende Breite des Verstärkungselements 36 über dessen gesamte Länge genau an die Breite des Hohlraums 46 des Längsträgers 16 angepasst, was in 8 gut erkennbar ist. Die durch die Sicken 38 und die dadurch resultierende wellenförmige Geometrie erzeugte Dreidimensionalität hat ferner zur Folge, dass das Verstärkungselement 36 spielfrei und verdrehsicher in dem Hohlraum 46 des Längsträgers 16 angeordnet ist. Dadurch ist sichergestellt, dass über das Verstärkungselement 36 bei Belastung des Längsträgers 16 in Fahrzeugquerrichtung (y-Richtung) auch Kräfte übertragen werden und nicht die Gefahr besteht, dass sich das Verstärkungselement 36 verdreht. Eine zusätzliche Verdrehsicherung schaffen die (optionalen) Schweißpunkte 42.
In den 9 und 10 sind zwei weitere, alternative Fahrzeugträgerstrukturen 20 jeweils in einer Längsschnittdarstellung gezeigt. Dabei sind die Fahrzeugträgerstrukturen exemplarisch als einstückig ausgebildete Elemente dargestellt. Diese können alternativ auch aus zwei oder mehr Schalenelementen (in den 9 und 10 nicht gezeigt) gebildet sein.
In 9 ist ein Verstärkungselement 36 gezeigt, das eine regelmäßige wellenförmige Geometrie ohne Unstetigkeiten im mathematischen Sinne aufweist.
Das in 10 gezeigte Verstärkungselement 36 weist eine wellenförmige Geometrie mit stumpfen Umformwinkeln und regelmäßig ausgebildeten Sicken 38 auf, von denen zwei Sicken 38 dargestellt sind. regelmäßige V-Form auf.
Sowohl bei der in 9 gezeigten Ausführungsform als auch bei der in 10 gezeigten Ausführungsform erstreckt sich das jeweilige Verstärkungselement 36 vorzugsweise über die gesamte Querrichtung innerhalb des Hohlraums 46 (d.h. in die Blattebene hinein und aus ihr heraus, bis zur jeweiligen seitlichen Begrenzung innerhalb des Hohlraums 46. Wie aus den Figuren ersichtlich ist, sind die Verstärkungselemente 36 außerdem so ausgelegt, dass sie sich in Hochrichtung (z-Richtung) innerhalb des Hohlraums 46 vollständig von oben nach unten erstrecken und somit innerhalb des Hohlraums 46 in Hochrichtung und in Querrichtung fixiert sind. Aufgrund der jeweiligen Gestaltungen ergeben sich bei der gebogenen wellenförmigen Geometrie gemäß 9 nur im Wesentlichen kleine (eher linienförmige) Kontaktflächen 48, wohingegen sich bei der Gestaltung gemäß 10 größere Kontaktflächen 48 im Bereich der Sicken 38 ergeben. In beiden Fällen kann auf eine zusätzliche Fixierung (z.B. Punktschweißen) verzichtet werden. Oder es kann eine Fixierung oberseitig und/oder unterseitig erfolgen, was insbesondere dann vor Vorteil ist, wenn die seitliche Zugänglichkeit beschränkt oder bauraumtechnisch nicht gegeben ist.
Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
Bezugszeichenliste

10: Kraftfahrzeug
12: Radhaus
14: Fahrzeugrahmenstruktur
16: Längsträger
18: Querträger
20: Fahrzeugträgerstruktur
22: Seitenbarriere
24: Pfahl
26: Schalenelement
28: Oberschale
30: Unterschale
32: Seitenschale
34: Seitenschale
36: Verstärkungselement
38: Sicke
40: Verbindungsabschnitt
42: Schweißpunkt
44: Batterieaufnahmestruktur
46: Hohlraum
48: Kontaktflächen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3616957 A1 [0002]
US 2016/0272253 A1 [0003]

Claims

Fahrzeugträgerstruktur mit geschlossenem Hohlprofil, dessen Hohlraum sich in einer als Längsrichtung bezeichneten Hauptrichtung erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Hohlraums (46) ein Verstärkungselement (36) mit einer dreidimensionalen Geometrie verdrehsicher angeordnet ist, wobei sich das Verstärkungselement (36) in einer Richtung quer zur Längsrichtung des Hohlraums (46) mindestens über die Hälfte der jeweiligen Quererstreckung des Hohlraums (46) erstreckt.
Fahrzeugträgerstruktur nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement (36) aus einem plattenartigen Element gebildet ist und/oder an dem Verstärkungselement (36) mindestens eine Sicke (38) und/oder eine wellenförmige Geometrie ausgebildet ist.
Fahrzeugträgerstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil und/oder das Verstärkungselement (36) aus einem verschweißbaren und/oder metallischen Werkstoff hergestellt sind.
Fahrzeugträgerstruktur nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement (36) stoffschlüssig, kraftschlüssig und/oder formschlüssig innerhalb des Hohlraums (46) festgelegt ist.
Fahrzeugträgerstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement (36) derart ausgebildet ist, dass das Verstärkungselement (36) spielfrei in dem Hohlraum (46) angeordnet ist.
Fahrzeugträgerstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil aus mindestens zwei miteinander verbundenen Schalenelementen (26) gebildet ist und/oder das Verstärkungselement (36) aufgrund seiner dreidimensionalen Geometrie im Zusammenwirken mit der Innengeometrie des Hohlprofils verdrehsicher und/oder lagesicher in einer Soll-Lage in dem Hohlprofil positioniert ist.
Fahrzeugträgerstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur mindestens eine Kontaktstelle zu dem Hohlprofil aufweist, die beabstandet von den seitlichen Rändern der Verstärkungsstruktur ist.
Fahrzeugrahmenstruktur mit mindestens zwei, sich in Fahrzeuglängsrichtung erstreckenden, seitlichen Längsträgern (16) und mindestens einem, die Längsträger (16) in Fahrzeugquerrichtung miteinander verbindenden Querträger (18), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Längsträger (16) oder Querträger (18) als Fahrzeugträgerstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.
Fahrzeugrahmenstruktur nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsträger (16) in Fahrzeugquerrichtung jeweils außenseitig angeordnet sind und mindestens ein Längsträger (16) als Fahrzeugträgerstruktur (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist.
Fahrzeugrahmenstruktur nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement (36) in einem Längsträgerabschnitt angeordnet ist, der sich in Fahrzeuglängsrichtung betrachtet zumindest teilweise vor einem Radhaus (12) erstreckt und/oder in einem Längsträgerabschnitt, der sich in Fahrzeuglängsrichtung betrachtet zwischen zwei Querträgern (18) erstreckt.