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Die Erfindung betrifft ein Schwellerelement für ein Kraftfahrzeug. Die Erfindung betrifft ferner ein Herstellverfahren für ein solches Schwellerelement sowie auch ein Kraftfahrzeug, welches wenigstens ein solches Schwellerelement aufweist.
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Als Schweller oder auch Seitenschweller wird der seitliche untere Karosseriebereich eines Kraftfahrzeugs bezeichnet, der sich zwischen einem vorderen Radkasten und einem hinteren Radkasten erstreckt. Ein solcher Schweller ist zumeist als eine mehrere Bauteile umfassende Baugruppe (Schwellerbaugruppe) ausgebildet. Der Schweller hat im Falle eines Unfalls, insbesondere bei einem Seitenaufprall, eine wesentliche Schutzfunktion, d. h., das Crashverhalten bzw. die Crasheigenschaft des Schwellers ist ein wesentlicher Baustein für das Crashmanagement eines modernen Kraftfahrzeugs. Dies gilt vor allem auch für zumindest teilweise elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge mit einem im Karosserieboden angeordneten Batteriesystem, das durch die Schweller geschützt wird.
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Die
DE 10 2018 213 673 A1 beschreibt einen Seitenschweller für ein Kraftfahrzeug mit einem Profilelement. Besonders einfach lassen sich dem Abbauen von Aufprallenergie durch Verformung dienende Kammern bereitstellen, indem das Profilelement als Strangpressprofil ausgebildet ist. Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das Profilelement aus einer Aluminiumlegierung gebildet ist.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Schwellerelement mit verbesserten Crasheigenschaften anzugeben, das insbesondere auch Leichtbau-Anforderungen erfüllt.
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Die Aufgabe wird gelöst durch das erfindungsgemäße Schwellerelement des Patentanspruchs 1. Mit den Gegenständen der beiden nebengeordneten Patentansprüche umfasst die Erfindung auch ein Herstellverfahren für ein erfindungsgemäßes Schwellerelement und ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein leichter Nutzkraftwagen, welches wenigstens ein erfindungsgemäßes Schwellerelement aufweist. Zusätzliche Merkmale der Erfindung ergeben sich sinngemäß für alle Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung (dies schließt ausdrücklich auch Merkmale ein, die als Beispiele beschrieben sind) und der Zeichnung.
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Das erfindungsgemäße (innenverstärkte) Schwellerelement weist ein Strangpressprofil auf, wobei es sich insbesondere um ein Aluminium-Strangpressprofil handelt, mit mehreren in Längsrichtung (des Strangpressprofils) verlaufenden Hohlkammern (Mehrkammer-Hohlprofil). Die Hohlkammern sind durchgängig ausgebildet, d. h. diese erstrecken sich mit gleichbleibendem Querschnitt von einem axialen Ende des Strangpressprofils bis zum anderen axialen Ende bzw. von einer Stirnseite bis zur gegenüberliegenden Stirnseite.
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Erfindungsgemäß ist in wenigstens einer der Hohlkammern des Strangpressprofils wenigstens ein Verstärkungselement angeordnet, welches sich Längsrichtung bzw. in axialer Richtung jedoch nur über eine Teillänge, d. h. über einen axialen Abschnitt bzw. Teilbereich, des Strangpressprofils erstreckt. Bevorzugt ist das Verstärkungselement von beiden Stirnseiten des Strangpressprofils beabstandet.
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Das wenigstens eine Verstärkungselement bewirkt nur im betreffenden Abschnitt eine Innenverstärkung des Strangpressprofils. Dadurch können einerseits die Crasheigenschaften des Schwellerelements, insbesondere für einen Seitenaufprall, gezielt eingestellt bzw. angepasst werden, bspw. derart, dass je nach Zielsetzung der betreffende (verstärkte) Abschnitt eine höhere Verformungssteifigkeit aufweist und/oder mehr Aufprallenergie aufnehmen bzw. abbauen kann und/oder dass eine gezielte Verformungssteuerung in die benachbarten (unverstärkten) Abschnitte erreicht wird. Andererseits kann das Gewicht bzw. die Masse des Schwellerelements niedrig gehalten werden.
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Das Strangpressprofil kann eine (axiale) Länge von wenigstens 1600 mm, bevorzugt wenigstens 1800 mm und insbesondere wenigstens 2500 mm aufweisen. Das Verstärkungselement kann eine (axiale) Länge von 100 mm bis 600 mm aufweisen. Bevorzugt ist das Verstärkungselement bezüglich der betreffenden Hohlkammer formangepasst ausgebildet, insbesondere derart, dass dieses, zumindest im Wesentlichen, den gesamten Querschnitt der betreffenden Hohlkammer ausfüllt.
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Bevorzugt ist das Verstärkungselement ein vorgefertigtes und in die betreffende Hohlkammer des Strangpressprofils eingeschobenes Kunststoffelement. Dieses Kunststoffelement kann aus einem faserverstärkten Kunststoff, vorzugsweise aus einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff, gebildet sein. Als Verstärkungsfasern kommen insbesondere Glasfasern in Form von Kurz- oder Langfasern in Betracht. Insbesondere handelt es sich um ein einstückiges Spritzguss- bzw. Kunststoffspritzgussteil, das aus nur einer Kunststoffkomponente gebildet sein kann oder auch aus mehreren Kunststoffkomponenten (bspw. ein sogenanntes Zwei- oder Drei-Komponenten-Spritzgussteil).
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Das Verstärkungselement weist bevorzugt eine Wabenstruktur auf. Damit ist insbesondere gemeint, dass es sich bei dem Verstärkungselement um eine, insbesondere aus Kunststoff (s. o.) gebildete, Wabenstruktur handelt. Vorzugsweise erstrecken sich die Waben der Wabenstruktur bezüglich der vorgesehenen Einbaulage des Schwellerelements in horizontaler Richtung, d. h. in y-Richtung des Fahrzeugskoordinatensystems.
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Die Verwendung eines als Kunststoffelement ausgebildeten Verstärkungselements, vorzugsweise mit einer Wabenstruktur, ermöglicht einen gewichts- bzw. massesparenden Leichtbau, insbesondere in Kombination mit einem Aluminium-Strangpressprofil.
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Das Verstärkungselement ist bevorzugt mit der Hohlkammer-Innenwandung des Strangpressprofils verklebt. Hierfür wird vorzugsweise ein wärmeaktivierbarer Klebstoff verwendet. Der wärmeaktivierbare Klebstoff kann so ausgebildet sein, dass dieser beim Erwärmen expandiert und eine Zentrierung des Verstärkungselements innerhalb der Hohlkammer sowie gegebenenfalls auch eine Abdichtung (zwischen Verstärkungselement und Hohlkammer-Innenwandung) bewirkt. Ein aus Kunststoff gebildetes Verstärkungselement bzw. Kunststoffelement kann als Mehrkomponenten-Spritzgussteil ausgebildet sein (s. o.). Eine der Kunststoffkomponenten kann ein an den Grundkörper angespritzter thermoplastischer Klebstoff, insbesondere ein thermoplastischer Expansionsklebstoff, sein, sodass bei der Herstellung des Schwellerelements (s. u.) kein Klebstoff mehr aufgetragen werden muss. Der angespritzte thermoplastische Klebstoff kann zugleich so beschaffen sein, dass dieser (im unaktivierten Zustand) einen hohen Reibwert aufweist bzw. bewirkt und dadurch eine temporäre Fixierung (s. u.) des Verstärkungselements ermöglicht.
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Das Verstärkungselement kann mit wenigstens einem Durchlass zur Innenbelüftung des Strangpressprofils bzw. der betreffenden Hohlkammer und/oder für den Ablauf einer KTL-Flüssigkeit (Basislack) ausgebildet sein. Ein solcher Durchlass ist also Bestandteil des Verstärkungselementes und bildet einen geometrischen Freigang in axialer Richtung des Strangpressprofils. Der Durchlass kann als Nut oder Bohrung ausgebildet sein.
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Das erfindungsgemäße Schwellerelement kann mehrere (d. h. wenigstens zwei) Verstärkungselemente aufweisen, die in unterschiedlichen axialen Positionen und/oder in unterschiedlichen Hohlkammern (des Strangpressprofils) angeordnet sind. Dadurch können die Crasheigenschaften des Schwellerelements noch besser angepasst bzw. noch zielgerichteter abgestimmt werden. Die einzelnen Verstärkungselemente können gemäß den vorausgehenden Erläuterungen ausgebildet sein. Bevorzugt weisen die Verstärkungselemente unterschiedliche axiale Längen auf.
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Sind in wenigstens einer Hohlkammer des Strangpressprofils mehrere Verstärkungselemente axial beabstandet angeordnet, so können zwischen diesen Verstärkungselementen Abstandselemente vorgesehen sein. D. h., zwischen zwei benachbarten Verstärkungselementen ist wenigstens ein Abstandselement angeordnet. Bei diesen Abstandselementen handelt es sich bspw. um Profil- oder Hohlprofilelemente, die vorzugsweise aus einem Kunststoff, insbesondere aus einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff, gebildet sind. Die Abstandselemente vereinfachen die Herstellung des Schwellerelements und gewährleisten die Einhaltung des jeweils vorgesehenen axialen Abstands zwischen den Verstärkungselementen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines betreffenden Schwellerelements umfasst zumindest folgende Schritte:
- - Bereitstellen des (vorgefertigten) Strangpressprofils;
- - Bereitstellen wenigstens eines vorgefertigten Verstärkungselements;
- - Einstecken des Verstärkungselements in die betreffende Hohlkammer des Strangpressprofils und (axiales) Verschieben des Verstärkungselements an die (dafür) vorgesehene axiale Position.
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Somit wird das Schwellerelement quasi durch eine Montage vorgefertigter Komponenten hergestellt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die kostengünstige und serientaugliche Herstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Schwellerelements.
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Das Verstärkungselement kann ein damit verbundenes Positionierelement aufweisen, das als Einschiebhilfe und/oder als Positionierhilfe fungiert, wie nachfolgend noch näher erläutert.
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Sollen in wenigstens einer Hohlkammer des Strangpressprofils mehrere Verstärkungselemente axial beabstandet angeordnet werden (s. o.), so kann das Einstecken und Verschieben der Verstärkungselemente nacheinander erfolgen, insbesondere derart, dass das erste Verstärkungselement eingesteckt und mithilfe eines ersten Abstandselements (axial) verschoben wird, dann das zweite Verstärkungselement eingesteckt und mithilfe eines zweiten Abstandselements verschoben wird usw. Ebenfalls kann vorgesehen sein, dass die Verstärkungselemente zunächst mit Abstandselementen oder dergleichen verbunden und dann in einem Schritt in die betreffende Hohlkammer eingeschoben werden. Das axial äußerste Verstärkungselement, welches quasi als Letztes eingeschoben wird, kann mit einem Positionierelement verbunden sein.
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Das (wenigstens eine) in die Hohlkammer eingeschobene Verstärkungselement kann vorläufig bzw. temporär fixiert werden, bspw. durch Reibschluss oder mithilfe einer Klemmfeder, und dann später im Zuge einer Wärmebehandlung, bspw. während der KTL-Trocknung, mittels wärmeaktivierbarem Klebstoff (s. o.) mit der Hohlkammer-Innenwandung verklebt werden. Sind mehrere Verstärkungselemente mit dazwischen angeordneten Abstandselementen vorgesehen, kann es ausreichend sein, wenn nur ein Verstärkungselement temporär fixiert wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Die in den schematischen Figuren der Zeichnung gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch unabhängig von bestimmten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung vorteilhaft weiterbilden.
- 1 zeigt ein Kraftfahrzeug in einer Seitenansicht und ein im Schweller verbautes innenverstärktes Schwellerelement gemäß der Erfindung.
- 2 zeigt zwei Schnitte durch das Schwellerelement der 1 gemäß den in 1 angegebenen Schnittverläufen (A-A und B-B).
- 3 zeigt ein im Schwellerelement der 1 und 2 anordenbares Verstärkungselement mit einer Wabenstruktur.
- 4 zeigt zwei im Schwellerelement der 1 und 2 angeordnete und mittels Abstandselement beabstandete Verstärkungselemente.
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Das in 1 gezeigte Kraftfahrzeug 10, das insbesondere elektrisch angetrieben ist, weist an beiden Fahrzeugseiten einen Schweller 11 auf. Zwischen diesen beiden Schwellern 11 kann eine Traktionsbatterie für den Fahrantrieb des Kraftfahrzeugs 10 angeordnet sein. Beide Schweller 11 sind mit einem Schwellerelement 110 ausgebildet, das sich, insbesondere durchgängig, zwischen dem jeweils vorderen Radkasten und hinteren Radkasten erstreckt und u. a. die Traktionsbatterie vor seitlichen Crasheinwirkungen schützt. Die untere schematische Darstellung der 1 und die beiden Schnittdarstellungen der 2 zeigen das Schwellerelement 110 des rechten Schwellers 11. Das korrespondierende Schwellerelement für den linken Schweller ist hierzu im Wesentlichen spiegelsymmetrisch ausgebildet.
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Das Schwellerelement 110 weist ein gerades bzw. ungekrümmtes Strangpressprofil 112, insbesondere ein Aluminium-Strangpressprofil, mit mehreren in Längsrichtung (x-Richtung) verlaufenden Hohlkammern 113 auf, wie in 1 schematisch angedeutet. In den Hohlkammern 113 sind fest bzw. unverrutschbar mehrere Verstärkungselemente 114 angeordnet, welche sich in Längsrichtung bzw. in axialer Richtung (x-Richtung) jeweils nur über eine Teillänge bzw. über einen axialen Abschnitt des Strangpressprofils 112 erstrecken. Ferner sind die Verstärkungselemente 114 in unterschiedlichen axialen Positionen und in unterschiedlichen Hohlkammern 113 angeordnet. Ungeachtet dessen können einzelne Hohlkammern 113 des Strangpressprofils 112 auch vollständig, d. h. über die gesamte axiale Länge des Strangpressprofils 112, innenverstärkt sein.
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In dem zum Querschnitt der 2a gehörenden Abschnitt sind in den drei vertikal mittleren Hohlkammern 113 des Strangpressprofils 112 Verstärkungselemente 114 angeordnet, die gleichlang oder auch unterschiedlich lang ausgebildet sein können. Dadurch wird bspw. die Traktionsbatterie besonders gut geschützt. In dem zum Querschnitt der 2b gehörenden Abschnitt sind in den drei vertikal oberen Hohlkammern 113, eventuell auch nur in der linken und mittleren oberen Hohlkammer, des Strangpressprofils 112 Verstärkungselemente 114 angeordnet, die gleichlang oder auch unterschiedlich lang ausgebildet sein können. In diesem Bereich stützt sich das Schwellerelement 110 an der Bodenstruktur und B-Säule der Fahrzeugkarosserie ab.
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Der in 2 gezeigte Querschnitt des Strangpressprofils 112 und die Anordnung der Verstärkungselemente 114 sind nur beispielhaft und dienen der Veranschaulichung der Erfindung. Allerdings ergibt sich anschaulich die Möglichkeit zu einer flexiblen bzw. bedarfsgerechten Anpassung der Crasheigenschaften des Schwellerelements 110 durch Variation der Hohlkammerbelegung mit Verstärkungselementen 114. Werden in den gezeigten Querschnitten (A-A oder B-B) andere Hohlkammern 113 und/oder noch mehr Hohlkammern 113 mit Verstärkungselementen 114 bestückt, verändern sich die lokalen Crasheigenschaften, insbesondere das lokale Crashenergieaufnahmevermögen des Schwellerelements 110. Gleichwohl kann die Anpassung der Crasheigenschaften auch durch Veränderung der axialen Positionierungen und/oder der axialen Längen der Verstärkungselemente 114 erfolgen. Mit anderen Worten: die Verstärkungselemente 114 können mit beliebiger axialer Länge in x-, y- und z-Richtung an verschiedenen Stellen des Strangpressprofils 112 platziert werden.
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Die Verstärkungselemente 114 weisen bevorzugt eine Wabenstruktur auf, wie in 3 veranschaulicht. Vorzugsweise erstrecken sich die Waben der Wabenstruktur in horizontaler Richtung, d. h. in y-Richtung des Fahrzeugskoordinatensystems. Die Wabenstruktur ist insbesondere aus einem spritzgegossenen thermoplastischen Kunststoff mit Glasfaserverstärkung gebildet.
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4 zeigt zwei in einer Hohlkammer 113 des Strangpressprofils 112 angeordnete Verstärkungselemente 114, die in axialer Richtung (x-Richtung) des Strangpressprofils 112 zueinander beabstandet sind. Zwischen den beiden Verstärkungselementen 114 ist (wenigstens) ein Abstandselement 115 angeordnet. Das Abstandselement 115 kann mit beiden Verstärkungselementen 114 verbunden sein. Das Abstandselement 115 gewährleistet die Einhaltung des vorgesehenen axialen Abstands zwischen den beiden benachbarten Verstärkungselementen 114 und vereinfacht auch die Herstellung des Schwellerelements 110, wie oben beschrieben.
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4 zeigt ferner ein mit dem axial äußersten Verstärkungselement 114 verbundenes Positionierelement 116. Das Positionierelement 116 ist vorzugsweise aus einem Kunststoff, insbesondere aus einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff, gebildet. Das Positionierelement 116 fungiert einerseits als Einschiebhilfe, sodass für das Einstecken und Verschieben des Verstärkungselements 114 ein separates Werkzeug nicht erforderlich ist. Andererseits fungiert das Positionierelement 116 aber auch als Positionierhilfe und weist hierzu einen bspw. als L- oder U-Bügel ausgebildeten Anschlag auf, der beim Einschieben (nach rechts) an die Stirnseite des Strangpressprofils 112, d. h. an eine Außenwand oder Trennwand des Strangpressprofils 112, anschlägt. Dadurch wird die axiale Position des Verstärkungselements 114 bzw. aller mittels Abstandselementen 115 beabstandeten Verstärkungselemente 114 innerhalb der betreffenden Hohlkammer 113 ohne weitere Hilfsmittel exakt vorgegeben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018213673 A1 [0003]
