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Die
Erfindung betrifft einen Motorträger
einer Karosserie eines Landfahrzeugs sowie einen Vorderwagen einer
Karosserie eines Landfahrzeugs mit einem solchen Motorträger.
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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.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen Motorträger mit einem optimierten Energieabsorptionsverhalten
bei einem Unfall zu schaffen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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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:
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1 eine perspektivische Ansicht
eines Teils eines Vorderwagens mit einem Motorträger,
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2 eine andere perspektivische
Ansicht des Vorderwagenteils aus 1,
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3 einen Längsschnitt
durch den in 1 und 2 gezeigten Motorträger,
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4 mögliche Querschnittsformen des
in 1 und 2 gezeigten Motorträgers und
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5 einen Querschnitt durch
den in 1 und 2 gezeigten Motorträger.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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°.