DE10252835A1

DE10252835A1 - Leichtbauträger für Stossfänger

Info

Publication number: DE10252835A1
Application number: DE10252835A
Authority: DE
Inventors: Klaus Hausberger; Guntram Ruef; Bruno GÖTZINGER; Thomas Friesenbichler
Original assignee: Steyr Daimler Puch Fahrzeugtechnik AG and Co KG
Current assignee: Magna Steyr Fahrzeugtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2001-11-15
Filing date: 2002-11-13
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2022-11-14
Also published as: NO20025457D0; NO20025457L; DE10252835B4; CH696197A5; AT5755U1

Abstract

Ein Leichtbauträger für einen Stoßfänger wird von einem Strangpressprofil mit mehreren Kammern gebildet. Um ein Profil zu schaffen, das bei geringstem Gewicht allen statischen Anforderungen genügt, sich einfach biegen lässt und den Eigenschaften einer Leichtmetalllegierung angepasst ist, besteht das Profil (1) aus vier vorzugsweise ein gleichschenkeliges Trapez bildenden Wänden (2, 3, 5, 6) und zwei Stegen (7, 8), welche im Inneren des Profils parallel zu den Seitenwänden (5, 6) und ebenfalls symmetrisch angeordnet sind. Die Seitenwände (5, 6) des Trägers (1) haben Versteifungsrippen (25), die in einem Arbeitsgang mit dem Biegen des Trägers (1) hergestellt sind. Das zugehörige Verfahren ist beschrieben.

Description

Die Erfindung handelt von einem Leichtbauträger für Stossfänger von Kraftfahrzeugen, gebildet von einem Strangpressprofil mit mehreren Kammern aus einem Leichtmetall. Die Leichtbauträger können selbst Stossfänger sein, oder einen vorgelagerten Stossfänger oder, allgemeiner, den Frontteil eines Fahrzeuges über die ganze Fahrzeugbreite unterstützen. Dazu sind sie meist in die entsprechende Form gebogen.
An derartige Träger werden hinsichtlich Sparsamkeit, Ästethik und Sicherheit immer höhere Anforderungen gestellt. Sie sollen einerseits ein möglichst geringes Gewicht haben und leicht in die von den Stilisten gewünschte Form bringbar sein, andererseits sollen sie den hohen Festigkeitsanforderungen genügen: Biegesteifigkeit, Torsionssteifigkeit, sowie vor allem Energieaufnahme und Verformungsweg im Kollisionsfall. Dabei wird aus Gründen der Sicherheit und der Reparaturkosten für die verschiedenen Verformungsarten ein reproduzierbarer Übergang bei einer bestimmten Kollisionsgeschwindigkeit und eine bestimmte zeitliche Reihenfolge der Verformungen angestrebt. Außerdem soll die Verbindung des Trägers mit dem Fahrzeugkörper über weitere verformbare Elemente einen günstigen Kraftfluss ergeben.

Aus der US PS 5,340,178 ist ein derartiger Träger bekannt. Er kann aus Aluminium, Magnesium oder Plastik bestehen. Sein Profil ist im Wesentlichen rechteckig, mit zwei abgeflachten Kanten und einer S-förmigen Verstärkungsrippe. Das Profil ist jedoch insgesamt für die Anbindung an den Fahrzeugkörper und für das Biegen in der Fertigung schlecht geeignet. Das Biegen des Trägers in die gewünschte Form muss unter Innenhochdruck oder mit Kerneinsatz erfolgen, weil sich sonst die Wand in der Zugzone und die S-förmige Verstärkungsrippe zu stark verformen.

In dem Bestreben, ein Maximum an Energieaufnahme bei einem Minimum an Gewicht zu erreichen, bietet Magnesium oder eine Magnesiumlegierung als Werkstoff weitere Vorteile. Dessen Eigenschaften weichen aber von denen von Aluminium oder Plastik stark ab. Sie haben einen kleineren Elastizitätsmodul und wegen ihrer hexagonalen Gitterstruktur eine geringere strukturelle Steifigkeit und zeigen ein anderes Verformungsverhalten. Bei der Verformung bei Raumtemperatur (die alleine schon aus Kostengründen vorzuziehen ist) kann ein Abgleiten nur in der Basisebene des sechseckigen Grundgitters in drei Gleitrichtungen erfolgen. Das in der US PS 5,340,178 beschriebene Profil ist den Eigenschaften von Magnesium-Legierungen nicht angepasst; die Verformungen in der nicht unterstützten Zugzone wären bei diesem Verformungsverhalten zu groß und würden zum Bruch des Trägers führen.

Es ist Ziel der Erfindung, einen gattungsgemäßen Träger zu entwickeln, der bei geringstem Gewicht allen statischen und dynamischen Anforderungen genügt, sich in der Fertigung einfach biegen lässt und auch den besonderen Eigenschaften einer Magnesiumlegierung Rechnung trägt.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, dass das Profil aus zwei Querwänden und bezüglich einer Symmetrieachse im Wesentlichen symmetrischen Seitenwänden und zwei Stegen besteht, welche Stege im Inneren des Profils und parallel zu den Seitenwänden angeordnet sind.

Die symmetrischen und zu den Seitenwänden parallelen Stege des Profils erhöhen die Energieaufnahme und unterstützen die in der Zug- bzw. Druckzone liegenden Querwände, ohne vorzeitig auszuknicken oder einzubrechen. Eben das kann die S-förmige Verstärkungsrippe nach dem Stand der Technik nicht.

Beim Biegen braucht der Träger dann auch nicht durch Innendruck gegen Einbrechen geschützt oder nachträglich kalibriert zu werden. Das verbilligt die Herstellung ganz wesentlich. Dadurch ist das erfindungsgemäße Profil auch für den Einsatz einer Magnesium-Knetlegierung (Anspruch 10) geeignet, und erlaubt es, die Vorteile dieses Werkstoffes auszunutzen, ohne dessen Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.

In einer bevorzugten Gestalt bilden die Wände des Profils im Wesentlichen ein gleichschenkeliges Trapez und die Stege sind parallel zu den die Schenkel des Trapezes bildenden Seitenwänden (Anspruch 2). Die Trapezform begünstigt die Torsion des Trägers, vor allem, wenn die längere der parallelen Trapezseiten die einem Stoß direkt ausgesetzte ist. Das verbessert auch die Weiterleitung der Kräfte an den Fahrzeugkörper über die kürzere der parallelen Trapezseiten. Die Neigung der Trapezschenkel und der Stege erleichtert deren bei einer bestimmten Stoßenergie einsetzendes Ausknicken bei maximaler Energieaufnahme. Die zu den Schenkeln des Trapezes parallelen Stege unterstützen die längere der parallelen Trapezseiten bei der Stoßeinwirkung so, dass auch letztere nicht einbricht.

Vorzugsweise beträgt der Neigungswinkel der Stege zur Symmetrieebene des gleichschenkeligen Trapezes 10 bis 30, vorzugsweise 15 bis 20, Winkelgrade (Anspruch 3), je nach Biegeradius des Trägers in der Symmetrieebene.

In Weiterverfolgung des Erfindungsgedankens für trapezförmige Profile bilden die Stege an ihrem Übergang zu der kürzeren Trapezseite eine Materialanhäufung (Anspruch 4). Dieser bildet einen Knoten, der die Knicksteifigkeit des Profils in der Druckzone erhöht, das Trägheitsmoment bei Biegung durch eine Kraft in der Symmetrieebene erhöht, den Schubmittelpunkt bei Torsionsbelastung weiter in die Druckzone verlegt, und beim Strangpressen zu einer Vergleichmäßigung der Fließgeschwindigkeiten beiträgt.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, in der der Leichtbauträger in der Symmetrieebene gebogen ist, weisen die Seitenwände und die Stege Versteifungsrippen auf, die Quer zu dessen Längserstreckung verlaufen (Anspruch 5). Diese Versteifungsrippen erhöhen die Steifigkeit und Arbeitsaufnahme des Trägers weiter in unerwartet hohem Ausmaß, was in Versuchen festgestellt wurde. Das erlaubt eine Verminderung der Wandstärken, und damit des Gewichtes, bis an die Grenzen des beim Strangpressen möglichen. So betragen die Wandstärken vorzugsweise 0,02 bis 0,05 mal die Profilhöhe in der Symmetrieachse (Anspruch 8).

Vorzugsweise ist der Träger in der Symmetrieebene gebogen, wobei die kürzere Trapezseite des Profils auf der konkaven Seite des gebogenen Leichtbauträgers ist (Anspruch 6). Das erfindungsgemäße Profil gestattet aber auch eine dreidimensionale Formgebung, etwa ein Biegen aus der Symmetrieebene hinaus.

In gewissen Anwendungsfällen ist es für die Optimierung von Gewicht und Verformungsverhalten vorteilhaft, wenn die Stege eine geringere Wandstärke aufweisen als die das Trapez bildenden Wände (Anspruch 7), und/oder wenn zumindest einer der Rundungsradien im Inneren des Profils kleiner als die doppelte Wandstärke einer angrenzenden Wand ist (Anspruch 9). Letzteres entspricht bei zweidimensionaler Betrachtung des Profils einer weniger steifen Einspannung, mit der die Knicklast abgestimmt werden kann.

Die Erfindung betrifft aber auch ein Verfahren zum Herstellen des erfindungsgemäßen Leichtbauträgers in der Ausführungsform mit den Versteifungsrippen. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass diese bei der erfindungsgemäßen Profilform beim Biegen, ohne getrennten Arbeitsgang, entstehen (Anspruch 11). Insbesondere werden die Versteifungsrippen beim Biegen in einem Gesenk (Anspruch 12) besonders wirksam und regelmäßig, wenn der Träger ein trapezförmiges Profil hat. Das lässt sich mit der während des Biegens zunehmenden Abstützung der schrägen Seitenwände am Gesenk erklären.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen eines bevorzugten Ausführungsbeispieles beschrieben und erläutert. Es stellen dar:
1: ein erfindungsgemäßes Profil als Querschnitt des Trägers, 2: einen erfindungsgemäßen Träger, fertig verformt,
3: eine Variante der 1,
4: einen fertig gebogenen Träger in einer bevorzugten Ausführungsform mit Versteifungsrippen,
5: Schnitt nach AA in 4,
6: ein Biegegesenk in einer ersten Stellung zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens,
7: wie 6, in einer zweiten Stellung, 8: einen Schnitt nach VIII-VIII in 7,
9: eines photographische Ansicht eines erfindungsgemäß gebogenen Leichtbauträgers.
In 1 besteht das Trapez des Schnittes durch den Leichtbauträger 1 aus den beiden parallelen Trapezseiten 2, 3, wovon 2 die längere und 3 die kürzere ist und aus den beiden gleichlangen Trapezschenkeln 5, 6. Es handelt sich somit um ein gleichschenkeliges Trapez mit einer Symmetrieachse 4, die die Schnittlinie der Symmetrieebene des gesamten Leichtbauträgers mit der Bildebene ist. Am Übergang der Trapezschenkel 5, 6 in die kürzere parallele Trapezseite 3 ist eine weite Ausrundung vorgesehen. Eine solche könnte auch am Übergang zur längeren parallelen Trapezseite vorgesehen sein. Am Übergang der beiden zusammenlaufenden Stege 7, 8 in die kürzere parallele Trapezseite 3 ergibt sich ein Knoten, der eine durchaus erwünschte Materialanhäufung 10 bildet. Mit 14 ist der Winkel bezeichnet, den die Stege 7, 8 und auch die dazu parallelen Trapezschenkel 5, 6 mit der Symmetrieachse 4 des Profils einschließen. Somit unterteilen die Stege 7, 8 das Profil in drei Kammern 11, 12, 13. Mit 15 ist der Schubmittelpunkt des Profils bezeichnet.
2 zeigt den Leichtbauträger 1 in einem guten Teil seiner Länge, mit der er, entsprechend der Breite des Fahrzeuges, an dessen Vorder- oder Hinterseite angebracht ist. Er besteht aus einem geraden oder weniger gebogenen Teil 20 in der Mitte des Fahrzeuges und daran anschließend einem stärker gebogenen Teil 21 nach jeder Seite des Fahrzeuges. Nur angedeutet sind die Stellen 22, an denen der Träger 1 mit dem nicht dargestellten Fahrzeugkörper bzw.
mit den dazwischen liegenden Verformungselementen verbunden ist. Die Längere der parallelen Trapezseiten 2 ist konvex und bildet die Außenseite, die kürzere parallele Trapezseite 3 ist durch die Biegung konkav und bildet die dem Fahrzeugkörper zugewandte Innenseite. Die Außenseite kann selbst sichtbarer Teil des Stossfängers sein, sie kann aber auch einen nicht dargestellten sichtbaren Stossfänger tragen oder unterstützen.
3 zeigt ein vereinfachtes Profil des erfindungsgemäßen Leichtbauträgers. Der 1 analoge Bezugszeichen sind mit einem Apostroph versehen.
In 4 ist der fertig gebogene Träger mit den Versteifungsrippen 25 zu sehen, die in den Seitenwänden 5, 6 und in den Stegen 7, 8 quer zur Längserstreckung des Trägers ausgebildet sind. Die Versteifungsrippen 25 sind als verlaufende Linien gezeichnet, die sich in mehr oder minder regelmäßigen Längsentfernungen aufeinanderfolgen, siehe 5. Dazwischen sind Einbeulungen 24, deren Form sich anhand der in einem Schnitt gezeigten Wände 5*, 6* und Stege 7*, 8* erahnen lassen. An den Stellen der Versteifungsrippen 25, in dem anderen Schnitt sind die Wände 5, 6 und die Stege 7, 8 praktisch nicht verformt. Zur Verdeutlichung ist als 9 eine photographische Ansicht des so gebogenen Trägers zu sehen, als Maßstab wurde ein Euro-Cent auf den Träger gelegt.
In den 6 und 7 ist das Oberwerkzeug eines Biegegesenkes mit 30 und das Unterwerkzeug mit 31 bezeichnet, in ersterer vor dem Biegen, in zweiterer danach. In dem Querschnitt der 8 ist zu erkennen, dass der Träger 1 zwischen den Anlageflächen 34, 35 der beiden Gesenke gebogen wird, wobei die Biegung, von der Längsmitte ausgehend in Längsrichtung fortschreitet, wobei die Seitenwände des Profils 1 sich den Seitenwänden 32, 33 des Unterwerkzeuges nähern. Dadurch wird das Ausbrechen der Seitenwände nach außen erschwert, und das Einbeulen erleichtert, sodass im Endstadium des Biegens die Versteifungsrippen 25 an den Seitenwänden 32, 33 des Unterwerkzeuges anliegen.
Der Leichtbauträger besteht vorzugsweise aus einer Magnesiumlegierung, beispielsweise aus der Knetlegierung mit der Normbezeichnung AZ31. Er wird zuerst als gerades Profil stranggepresst und erst in einem folgenden Arbeitsgang kalt in die gewünschte Form gebogen. Dabei bilden sich dank der erfindungsgemäßen Form die Versteifungsrippen, die dem Träger bei minimalem Gewicht eine außerordentlich hohe Festigkeit und Energieaufnahme verleihen.

Claims

Leichtbauträger für Stossfänger, gebildet von einem Strangpressprofil mit mehreren Kammern aus einer Leichtmetalllegierung, dadurch gekenn zeichnet, dass das Profil ( 1; 1') aus zwei Querwänden (2, 3; 2',3') und zwei bezüglich einer Symmetrieachse (4; 4') im Wesentlichen symmetrischen Seitenwänden (5, 6; 5',6') und zwei Stegen (7, 8; 7',8') besteht, welche Stege im Inneren des Profils (1; 1') parallel zu den Seitenwänden (5, 6; 5',6') angeordnet sind.
Leichtbauträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände (2, 3, 5, 6) des Profils (1) im Wesentlichen ein gleichschenkeliges Trapez bilden und die Stege (7, 8) im Inneren des Trapezes parallel zu den die Schenkel des Trapezes bildenden Wänden (5, 6) ebenfalls symmetrisch angeordnet sind.
Leichtbauträger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (14) der Stege zur Symmetrieebene (4) des gleichschenkeligen Trapezes 10 bis 30, vorzugsweise 15 bis 20, Winkelgrade, beträgt.
Leichtbauträger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (7, 8) an ihrem Übergang zu der kürzeren Trapezseite (3) eine Materialanhäufung (10) bilden.
Leichtbauträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er in der Symmetrieebene (4; 4') gebogen ist, und dass die Seitenwände (5, 6; 5', 6') und die Stege (7, 8; 7', 8') Versteifungsrippen (25) aufweisen, die Quer zu dessen Längserstreckung verlaufen.
Leichtbauträger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass er in der Symmetrieebene (4) gebogen ist, wobei die von der kürzeren der parallelen Trapezseiten gebildete Wand (3) des Profils (1) auf der konkaven Seite des gebogenen Leichtbauträgers ist.
Leichtbauträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (7, 8; 7',8') eine geringere Wandstärke aufweisen als die Seitenwände (5, 6; 5',6').
Leichtbauträger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke der Wände (2, 3, 5, 6; 2', 3',5',6') 0,02 bis 0,05 mal die Profilhöhe in der Symmetrieachse (4; 4') beträgt.
Leichtbauträger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Rundungsradien (9') im Inneren des Profils kleiner als die doppelte Wandstärke einer angrenzenden Wand ist.
Leichtbauträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leichtmetalllegierung eine Magnesium – Knetlegierung ist.
Verfahren zur Herstellung eines gebogenen Leichtbauträgers, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsrippen (25) gleichzeitig mit dem und durch das Biegen des Leichtbauträgers hergestellt werden.
Verfahren zur Herstellung eines gebogenen Leichtbauträgers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Biegen des abgelängten Leichtbauträgers mit einem trapezförmigen Profil in einem Gesenk (30, 31) erfolgt.