DE10329461A1

DE10329461A1 - Motorträger

Info

Publication number: DE10329461A1
Application number: DE2003129461
Authority: DE
Inventors: Andreas Reinhardt; Horst-Arno Fuchs; Sven Knittel; Frank Birzle; Frank Möller
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2003-07-01
Filing date: 2003-07-01
Publication date: 2005-02-24

Abstract

Allgemein bekannt ist eine Karosserie, die aus mehreren Karosseriemodulen zusammengesetzt wird. Dabei wird ein Vorderwagenmodul mit zugeordneten Anlageflächen und Anlageprofilen an einer Frontseite eines Fahrerkabinenmoduls angefügt. Die einzelnen Module können separat gefertigt werden, so dass auch eine einfache Umsetzung unterschiedlicher Baustoffe in unterschiedlichen Karosseriezonen und Karosseriemodulen möglich ist. Dieser Aufbau ist besonders für die Verwendung moderner Leichtbauwerkstoffe, wie CFK, Aluminium, Magnesium oder Kunststoff, geeignet. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Motorträger mit einem optimierten Energieabsorptionsverhalten bei einem Unfall zu schaffen. DOLLAR A Erfindungsgemäß besteht ein Motorträger (2) einer Karosserie eines Landfahrzeugs aus einem ersten Abschnitt (6), an den sich in Längsrichtung ein zweiter Abschnitt (7) anschließt, der eine dünnere Wandstärke als der erste Abschnitt (6) aufweist. Durch die unterschiedlichen Wandstärken der beiden Abschnitte (6, 7) des Motorträgers (2) ergeben sich beim Frontalcrash in Stoßrichtung zwei Deformationsbereiche mit unterschiedlichem Kraftniveau und Energieaufnahmevermögen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Motorträger einer Karosserie eines Landfahrzeugs sowie einen Vorderwagen einer Karosserie eines Landfahrzeugs mit einem solchen Motorträger.
Aus der DE 198 60 794 A1 ist eine Karosserie bekannt, die aus mehreren Karosseriemodulen zusammengesetzt wird. Dabei wird ein Vorderwagenmodul mit zugeordneten Anlageflächen und Anlageprofilen an einer Frontseite eines Fahrerkabinenmoduls angefügt. Die einzelnen Module können separat gefertigt werden, so dass auch eine einfache Umsetzung unterschiedlicher Baustoffe in unterschiedlichen Karosseriezonen und Karosseriemodulen möglich ist. Beispielsweise weisen die Karosseriemodule Rahmenstrukturen auf, die zu einer gesamten Karosseriestruktur verschraubbar sind. Dieser Aufbau ist besonders für die Verwendung moderner Leichtbauwerkstoffe, wie CFK, Aluminium, Magnesium oder Kunststoff geeignet, die zu vorteilhaft geringen Fahrzeuggewichten führen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Motorträger mit einem optimierten Energieabsorptionsverhalten bei einem Unfall zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen Motorträger gemäß des Patentanspruchs 1 oder 5 gelöst. Patentanspruch 10 bezieht sich auf einen Vorderwagen mit zumindest einem solchen Motorträger. Patentanspruch 11 beschreibt allgemein einen Vorderwagen, der besonders leicht ist, und einen solchen Motorträger aufweisen kann.
Gemäß des Patentanspruchs 1 besteht ein Motorträger einer Karosserie eines Landfahrzeugs aus einem ersten Abschnitt, an den sich in Längsrichtung ein zweiter Abschnitt anschließt, der eine dünnere Wandstärke als der erste Abschnitt aufweist. Durch die unterschiedlichen Wandstärken der beiden Abschnitte des Motorträger ergeben sich beim Frontalcrash in Stossrichtung zwei Deformationsbereiche mit unterschiedlichem Kraftniveau und Energieaufnahmevermögen. Der Abschnitt mit der dünneren Wandstärke hat ein niedrigeres Kraftniveau, sodass er bereits bei geringeren Kräften anfängt sich zu deformieren. Der Abschnitt mit der größeren Wandstärke hat ein höheres Kraftniveau, sodass er erst bei höheren Kräften deformiert wird. Die Energieaufnahme bei der Deformation ist beim Abschnitt mit der größeren Wandstärke größer. Der erfindungsgemäße Motorträger erlaubt eine progressive Energieabsorption, da mit steigenden Kräften auch die Energieabsorption zunimmt, da ab einem bestimmten Kraftniveau nicht nur ein, sondern beide Abschnitte deformiert werden. Eine derartige progressive Energieabsorption war bisher nur mit kegelförmigen Absorbern möglich.
Idealerweise besteht der Motorträger bzw. die beiden Abschnitte des Motorträgers aus einem faserverstärkten Kunststoff. Dadurch kann das Gewicht des Motorträgers gegenüber einem bekannten Motorträger aus einem metallischen Werkstoff reduziert werden.
Gemäß Patentanspruch 5 besteht ein Motorträger aus einem faserverstärkten Kunststoff, wobei die Faserverstärkung aus einer Anordnung von Faserlagen mit einer Orientierung von +/- 45° oder 0° besteht. Erst durch die Verwendung von einer gerichteten Verstärkungsanordnung (im Gegensatz zur Verwendung von Wirrfaserverstärkungen) kann das Leichtbaupotential eines faserverstärkten Kunststoffs voll ausgenutzt werden. Zudem wird eine optimale Stabilität der Struktur durch eine Abstimmung des Lagenaufbaus der Faserverstärkung erreicht. Beispielsweise kann eine erste Verstärkungslage eine Orientierung von -45° haben, die nächste Verstärkungslage hat eine Orientierung von 0° und eine dritte Verstärkungslage hat dann eine Orientierung von +45°. Zudem kann zur weiteren Optimierung der Anteil der einzelnen Faserlagen variieren. Durch die Anordnung und Gewichtung der Anteile in +45°, 0° und -45° Faserlagen in Bezug auf die Längsrichtung des Motorträgers wird eine Kombination von Stützwirkung und Energieabsorption und damit eine optimale Energieaufnahme während des Crashvorgangs erzielt. Die Beschränkung auf zwei Arten von Faserlagen (+/-45° und 0°) bedeutet eine erhebliche Erleichterung in der Fertigung von Komponenten aus faserverstärkten Kunststoffen.
Bevorzugt besteht der Motorträger aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFK). Faserverstärkte Kunststoffe haben normalerweise ein moderates Faservolumengehalt von unter 40%. Um eine vergleichbare Steifigkeit, Festigkeit und Energieabsorption wie bei einem Motorträger aus einem metallischen Werkstoff zu erreichen, muss der Motorträger einen etwas größeren Querschnitt und etwas größere Wandstärken als beim metallischen Werkstoff aufweisen. Es entsteht ein erhöhter Bauraumbedarf. Erst durch den Einsatz von CFK mit hohem Faservolumengehalt können diese Nachteile überwunden werden. Es entsteht kein Package-Nachteil mehr gegenüber konventionellen Motorträgern und das Leichtbaupotential ist entsprechend hoch.
Bevorzugt ist zumindest ein Lasteinleitungselement am Motorträger als metallische Buchsen ausgeführt. Faserverstärkte Kunststoffe, wie CFK, haben den Nachteil, dass sie bei punktueller Krafteinleitung zum Ausreißen neigen. Durch eine entsprechend gestaltete Buchse kann die Kraft so in den faserverstärkten Kunststoff verteilt eingeleitet werden, dass dieser nicht ausreißt.
Gemäß des Patentanspruchs 10 weist ein Vorderwagen einer Karosserie eines Landfahrzeugs zumindest einen oben beschriebenen Motorträger auf. Gemäß des Patentanspruchs 11 besteht ein Vorderwagen zumindest aus einem Motorträger, einer mit dem Motorträger verbundenen Federbeinstütze und/oder einem dem Motorträger zugeordneten Stützträger, wobei der Motorträger, die Federbeinstütze und der Stützträger als Einzelteile aus einem faserverstärkten Kunststoff bestehen, wie beispielsweise aus CFK. Aus dem Stand der Technik ist bisher keine Ausführung der Federstütze und/oder des Stützträgers aus einem faserverstärkten Kunststoff bekannt. Durch die Gestaltung des gesamten Vorderwagens aus einem Werkstoff reduziert sich die Anzahl der benötigten Bauteile gegenüber einer Mischbauweise. Nur so kann das Maximum an Leichtbau erzielt werden.
Günstigerweise werden Motorträger und Federbeinstütze und / oder Stützträger als Untermontageeinheit vorgefertigt. Damit besteht der Vorderwagen hauptsächlich aus zwei dieser Untermontageeinheiten. Die Fertigung der Untermontageeinheit kann örtlich und zeitlich unabhängig von der eigentlichen Fahrzeugfertigung erfolgen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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 eine perspektivische Ansicht eines Teils eines Vorderwagens mit einem Motorträger,
2 eine andere perspektivische Ansicht des Vorderwagenteils aus 1,
3 einen Längsschnitt durch den in 1 und 2 gezeigten Motorträger,
4 mögliche Querschnittsformen des in 1 und 2 gezeigten Motorträgers und
5 einen Querschnitt durch den in 1 und 2 gezeigten Motorträger.
In 1 und 2 ist eine Hälfte eines Vorderwagens 1 eines Personenkraftwagens dargestellt. Zu sehen ist ein Motorträger 2, eine Federbeinstütze 3 und ein Stützträger 4, der die Federbeinstütze 3 mit einer hier nicht gezeigten A-Säule der restlichen Fahrzeugkarosserie verbindet. Sowohl der Motorträger 2 als auch die Federbeinstütze 3 und der Stützträger 4 sind CFK-Bauteile, die im Harzinjektionsverfahren hergestellt wurden. Beim Motorträger 2 wurde die Faserverstärkung in Form von textilen Halbzeugen umgeformt und drapiert, bevor sie im Harz eingebettet wurde. Die textilen Halbzeuge wurden mittels Rundflecht- oder Rundwebeanlagen hergestellt. Die Faserverstärkungen für die Federbeinstütze 3 und den Stützträger 4 wurden ebenfalls in Form von Halbzeugen umgeformt drapiert, bevor sie gemeinsam im Harz eingebettet wurden. Allerdings wurden die Halbzeuge für die Federbeinstütze 3 und den Stützträger 4 aus Gelegen hergestellt.
Der ganze Vorderwagen 1 besteht damit aus CFK. Dadurch ist der Vorderwagen 1 außerordentlich leicht. Es fallen innerhalb des Vorderwagens 1 keine aufwendig zu gestaltenden Schnittstellen zwischen unterschiedlichen Materialen an. An besonders kritischen Stellen sind zur Krafteinleitung in den Vorderwagen 1 separate Lasteinleitungselemente in Form von Buchsen 5 aus Metall vorgesehen, sodass die Kräfte nicht so punktuell, sondern etwas flächiger in die CFK-Strukturen 2, 3, 4 eingeleitet werden. Der Vorderwagen 1 kann bei der Montage in zwei vorgefertigten Hälften zur restlichen Karosserie angeliefert werden. Jede Hälfte besteht aus einem Motorträger 2, einer Federbeinstütze 3 und einem Stützträger 4. Diese Hälften können als Untermontageeinheit örtlich und zeitlich unabhängig von der restlichen Karosserie vorgefertigt werden.
Bei CFK bzw. allgemein bei faserverstärkten Kunststoffen geschieht die Energieabsorption vorwiegend durch Fragementierung. Andererseits lassen unidirektionale Faserverstärkungen nur kleine Deformationen aufgrund geringer Bruchdehnungen zu, sodass die Gefahr der Auflösung des Verbunds zwischen den einzelnen Komponenten 2, 3, 4 des Vorderwagens 1 besteht. Durch die geometrische Gestaltung der Federbeinstütze 3 und die Ausrichtung der Faserverstärkung wird die Integrität des Vorderwagens 1 im Crashfall gesichert. Der Stützträger 4 ist so ausgelegt, dass er bei Überlast gezielt deformieren kann. So reduziert sich eine unerwünschte A-Säulenrückverlagerung und damit die Intrusion in den Fahrgastinnenraum.
Der Motorträger 2 besteht – wie in 3 dargestellt – aus einem vorderen Abschnitt 6 und einem hinteren Abschnitt 7, die in Längsrichtung aneinander anschließen. Der vordere Abschnitt 6 weist eine geringere Wandstärke auf als der hintere Abschnitt 7. Im Anschlussbereich sind der vordere und der hintere Abschnitt 6 und 7 von einer metallischen Buchse 8 formschlüssig umgeben. Der vordere Abschnitt 6 ist so dimensioniert, dass er bei einem Offset-Frontcrash mit 64km/h auf hohem Kraftniveau vollständig deformiert wird. Der hintere Abschnitt 7 mit der höheren Wanddicke und anderem Lagenaufbau hat ein höheres Kraftniveau und deformiert erst bei höheren Kräften als der vordere Abschnitt 6. Dadurch weist der Motorträger 2 eine progressive Energieabsorption auf, sodass die Gefahr eines seitlichen Ausknickens sich reduziert.
Am freien, angefasten vorderen Ende 9 des vorderen Abschnitts 6 ist eine Triggerplatte 10 angebracht, an der ein Stoßfängerträger angebunden werden kann. Zur Gewährleistung einer hohen und kontrollierten Energieaufnahme durch den Motorträger 2 ist die Gestaltung der Triggerplatte 10 und des vorderen Endes 9 entscheidend. Die Triggerung des freien vorderen Endes 9 ist charakterisiert durch die Fasenlage, den Fasenwinkel und die verbleibende Restbreite des Motorträgers 2. In Verbindung mit der geometrischen Gestaltung der Triggerplatte 10 (Grundradius) wird die Maximalkraft, das Mittelkraftniveau und die Energieabsorption erheblich beeinflusst. Die Triggerplatte 10 umfasst das vordere Ende 9 des Motorträgers 2 von außen, sodass die Splitterbildung bzw. das unkontrollierte Separieren von Fragmenten bei einem Crash durch Umlenken ins Innere des Motorträgers 2 verhindert wird.
Beide Abschnitte 6 und 7 des Motorträgers 2 weisen einen geometrisch einfachen, geschlossenen rechteckigen Querschnitt mit faserverbundgerechten Verrundungen (Radien) auf, der zumindest einen Hohlraum umschließt. Die Eckradien dürfen Mindestmaße nicht unterschreiten, da im Crashfall die Gefahr des Aufreißens entlang der Ecken besteht. In 4 sind drei geeignete Querschnittsprofile für den Motorträger 2 dargestellt. Die geschlossenen Profile ohne Klebeflansche können durch die Verwendung von ausschmelzbaren oder ausziehbaren Kernen hergestellt werden. Das erste Querschnittsprofil 11 stellt die einfachste Variante dar, die eine vergleichsweise dicke äußere Wandstärke erfordert. Das mittlere Querschnittsprofil 12 weist zur Versteifung innen angeformte Nasen 13 auf, sodass die äußere Wandstärke etwas dünner gehalten werden kann. Die dritte Variante des Querschnittprofils 14 weist zwei Versteifungsstege 15 auf, sodass hier die äußere Wandstärke am dünnsten sein kann.
Die Stabilität des Motorträgers 2 wird durch die Abstimmung des Lagenaufbaus der Faserverstärkung in Abhängigkeit von den Außenabmessungen, der Wanddicke und den Radien der einzelnen Profilquerschnitte erreicht. Die Faserverstärkung besteht grundsätzlich aus der Anordnung von Faserlagen mit einer Orientierung von +/-45° oder 0°, wobei die Anteile der Faserlagen bei den einzelnen Komponenten variieren. Die Beschränkung auf zwei Arten von Faserlagen bedeutet eine erhebliche Erleichterung in der Fertigung. Durch die Anordnung und Gewichtung der Anteile von +/-45° – und 0°-Faserlagen wird eine Kombination von Stützwirkung und Energieabsorption und damit eine optimale Energieaufnahme während des Crashvorgangs erzielt. In 5 ist ein solcher Aufbau des Motorträgers 2 gezeigt. Der Motorträger 2 weist eine innere Verstärkungsschicht 16 mit einer Orientierung der Fasern von -45° auf. Daran schließt sich eine mittlere Verstärkungsschicht 17 mit einer Orientierung von 0° an. Die äußere Verstärkungsschicht 18 hat eine Orientierung von +45°.

Claims

Motorträger einer Karosserie eines Landfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorträger (2) aus einem ersten Abschnitt (6) besteht, an den sich in Längsrichtung ein zweiter Abschnitt (7) anschließt, der eine dünnere Wandstärke als der erste Abschnitt (6) aufweist.
Motorträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (6) und der zweite Abschnitt (7) im Anschlussbereich durch eine Buchse (8) formschlüssig umgeben sind.
Motorträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorträger (2) einen geschlossenen rechteckigen Querschnitt (11, 12, 14) aufweist, der zumindest einen Hohlraum umschließt.
Motorträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorträger (2) aus einem faserverstärkten Kunststoff besteht.
Motorträger aus einem faserverstärkten Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkung aus einer Anordnung von Faserlagen (16, 17, 18) mit einer Orientierung von +/-45° oder 0° besteht.
Motorträger nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorträger (2) aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFK) besteht.
Motorträger nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Lasteinleitungselement am Motorträger (2) als metallische Buchsen (5) ausgeführt ist.
Motorträger nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkung in Form von textilen Halbzeugen umgeformt und/oder drapiert wird, bevor sie im Kunststoff eingebettet werden.
Motorträger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die textilen Halbzeuge mittels Rundflecht- oder Rundwebeanlagen hergestellt werden.
Vorderwagen (1) einer Karosserie eines Landfahrzeugs mit zumindest einem Motorträger (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Vorderwagen, der zumindest aus einem Motorträger, einer mit dem Motorträger verbundenen Federbeinstütze und/oder einem dem Motorträger zugeordneten Stützträger besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorträger (2), die Federbeinstütze (3) und der Stützträger (4) als Einzelteile aus einem faserverstärkten Kunststoff bestehen.
Vorderwagen nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Federbeinstütze (3) und/oder der Stützträger (4) aus CFK bestehen.
Vorderwagen nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkungen für die Federbeinstütze (3) und/oder den Stützträger (4) in Form von Halbzeugen umgeformt und/oder drapiert werden, bevor sie im Kunststoff eingebettet werden.
Vorderwagen nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbzeuge aus Gelegen hergestellt werden.
Vorderwagen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Motorträger (2) und Federbeinstütze (3) und/oder Stützträger (4) als Untermontageeinheit vorgefertigt werden.
Vorderwagen nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorderwagen (1) zwei der Untermontageeinheiten aufweist.