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Die
Erfindung betrifft eine Tragstruktur eines Kraftfahrzeugs in Spaceframe-Bauweise
mit einem Längs- und Querträger umfassenden
Dachrahmen und beidseitigen auf Höhe des Fahrzeugbodens angeordneten
Längsträgern aus
Hohlprofilen sowie mit Säulen
in Form von Hohlprofilen, welche die Längsträger des Dachrahmens mit den
bodenseitigen Längsträgern verbinden.
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Tragstrukturen
für Kraftfahrzeuge
in Spaceframe-Bauweise weisen eine Vielzahl von Trägern und
Säulen
auf, die als Hohlprofile ausgebildet sind. Im Falle der Säulen stehen
verschiedene Technologien zur Verfügung, um den Hohlprofilen die
jeweils gewünschte
Form zu verleihen. Die Ausbildung der Säulen aus Walzprofilen hat den
Vorteil einer relativ kostengünstigen
Fertigung, wobei durch den Einsatz sogenannter Tailored Strips das
verwendete Material hinsichtlich seiner Stärke und Güte den Vorgaben des Anwenders
angepasst werden kann. Zudem können
Flansche für
Dichtungen ohne großen
Aufwand in das Profil integriert werden. Diesem Vorteilen steht
jedoch der entscheidende Nachteil gegenüber, dass mit der Walztechnologie
keine variablen Querschnitte möglich
sind. Daraus folgt, dass der bei modernen Kraftfahrzeugen typische
Verlauf einer Säule, beispielsweise
der B-, C- oder
D-Säule,
mit einem in bezug auf die Crasheigenschaften des Fahrzeugs vorteilhaft
großen
Querschnitt im unteren Bereich und einem unter Design-Gesichtspunkten gewünschten
schlanken Querschnitt oberhalb der Fensterbrüstung nicht dargestellt werden
kann.
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Der
Einsatz sogenannter DAVEX-Profile, welche als Hohlprofile aus zwei
gegenüberliegenden Gurten
und zwei die Gurte verbindenden Stegen bestehen, bietet ebenfalls
den Vorteil einer kostengünstigen
Fertigung der Säulen.
Zudem sind fertigungsbedingt mehrere Flansche zur Aufnahme von Dichtungen
von vornherein vorhanden. Der Nachteil eines über die Länge konstanten Querschnittes
ergibt sich jedoch auch bei diesen Profilen. Hinzu kommt, dass DAVEX-Profile
nur mit einer Mindestmaterialdicke herstellbar sind, was zu einem
unter Leichtbaugesichtspunkten nicht mehr akzeptablen Gewicht der Säule führt.
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Nach
einem weiteren bekannten Fertigungsansatz kann ein rohrförmiges Ausgangsprofil
zur Erzeugung der Säule
innenhochdruckumgeformt werden. Dabei ist ein sich über den
Verlauf der Säule ändernder
Querschnitt zwar begrenzt möglich,
jedoch nur unter Inkaufnahme eines zu hohen Materialaufkommens in
den Bereichen mit geringem Querschnitt, beispielsweise im Bereich
oberhalb der Fensterbrüstung.
Dieses überschüssige Material
muss dann durch nach innen gerichtete Sicken versteckt werden, trägt jedoch
mit zu einem insgesamt zu hohen Gewicht der Säule bei. Stärkere Querschnittsänderungen
der Säule
im Bereich des Anschlusses der Säule
an die in Fahrzeuglängsrichtung
verlaufenden Träger
(Knotenbereich) lassen sich bei einem Hohlprofil durch Innenhochdruckumformen
nicht erzeugen. Ein weiterer Nachteil ist, dass Flansche für Dichtungen
in einem zusätzlichen
Verfahrensschritt an den Hohlprofilen anzubringen sind. Schließlich ist
es schwierig, an innenhochdruckumgeformten Hohlprofilen kompliziert
geformte Anschlussbereiche unter Leichtbaugesichtspunkten herzustellen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Tragstruktur eines
Kraftfahrzeugs in Spaceframe-Bauweise zu schaffen, welche insbesondere
im Bereich der Säulen
ohne großen
Aufwand an die Formvorgaben des Anwenders angepasst werden kann
und sich durch ein hohes Maß an Steifigkeit
und Crashsicherheit auszeichnet.
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Die
Aufgabe wird bei einer Tragstruktur der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
mindestens zwei gegenüberliegende Säulen der
Tragstruktur, insbesondere die B-, C- oder D-Säulen, aus an ihrem umlaufenden
Rand verschweißten,
innenhochdruckumgeformten Doppelplatinen gebildet sind, wobei der
umlaufende Rand Flansche für
Tür- und/oder
Fensterdichtungen bildet und die jeweiligen Enden der Säulen als
der Form der bodenseitigen Längsträger und
der Längsträger des Dachrahmens
angepasste Anschlusszonen zur Anbindung an die bodenseitigen Längsträger und
die Längsträger des
Dachrahmens ausgebildet sind.
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Bei
der erfindungsgemäßen Tragstruktur weisen
die als innenhochdruckumgeformte Doppelplatinen ausgebildeten Säulen eine
große
Variabilität hinsichtlich
ihrer Formgebung auf. Damit lassen sie sich einfach in der vorgegebenen
Form herstellen, ohne dass es weiterer Umformschritte bedarf. Darüber hinaus
können
die als Anschlusszonen ausgebildeten Säulenenden der Form und der
relativen Lage des Längsträgers des
Dachrahmens bzw. des bodenseitigen Längsträgers leicht angepasst werden. Damit
ist eine sichere Anbindung der Säule
an die Tragstruktur mittels hochsteifer Knotenstrukturen möglich, was
maßgeblich
zur Crashsicherheit der gesamten Tragstruktur beiträgt.
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Mit
dem umlaufenden Rand der zu einer Säule innenhochdruckumgeformten
Doppelplatine sind zudem gut nutzbare Flansche für Tür- und Fensterdichtungen vorhanden.
Die Flansche können
als Anschlagfläche
für eine
Dichtung dienen, zweckmäßigerweise
nehmen sie aber die Dichtung selbst auf.
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Eine
weiter verbesserte Crashsicherheit der Tragstruktur kann erreicht
werden, wenn die beiden Platinen der Doppelplatine aus unterschiedlichen Werkstoffen
bestehen. So kann beispielsweise die die äußere Seite der Säule bildende
Platine aus einem hochfesten Stahl bestehen. Ebenso ist es unter Crash-
und Leichtbaugesichtspunkten vorteilhaft, wenn mindestens eine der
beiden Platinen der Doppelplatine aus einem Tailored Blank besteht.
Durch den Einsatz von Tailored Blanks kann die Wandstärke und
damit die Steifigkeit der Säule
gezielt in den besonders crashgefährdeten Bereichen verstärkt werden,
während
in den weniger crashrelevanten Bereichen durch eine geringere Wandstärke Gewicht eingespart
werden kann.
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Bei
der erfindungsgemäflen
Tragstruktur ist es möglich,
die Säulen
mit einem sich über
ihre Länge ändernden
Querschnitt auszubilden, so dass, wie eingangs erwähnt, die
Säulen
im unteren, besonders crashgefährdeten
Bereich einen großen
Querschnitt, im oberen Bereich, d.h. oberhalb der Fensterbrüstung, einen
entsprechend den Designvorgaben klein gewählten Querschnitt aufweisen.
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Nach
einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass jeweils mindestens
eines der Säulenenden
aufgeweitet ist. Durch die aufgeweiteten Säulenenden lassen sich großvolumige
und damit besonders steife Knotenstrukturen in der erfindungsgemäßen Tragstruktur
erzeugen.
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Eine
vorteilhafte Art der Anbindung der Säulen an die längs verlaufenden
Profilelemente der Tragstruktur besteht darin, dass jeweils mindestens eines
der Säulenenden
in den ihm zugeordneten bodenseitigen Längsträger oder Längsträger des Dachrahmens eingesteckt
und dort an den sich gegenüber liegenden
Seitenflächen
des jeweiligen Längsträgers, insbesondere
an hier eingeformten Sicken, abgestützt ist. Dabei wirkt das eingesteckte
Ende der Säule
wie ein Schottblech und erhöht
somit insbesondere die Torsionssteifigkeit des Längsträgers. Durch eine derartige
Einstecklösung,
welche sich besonders für
die Verbindung der Säulen
mit bodenseitigen Längsträgern, z.B.
den Bodenschwellern, eignet, wird eine hochsteife Knotenstruktur
erzeugt, durch die die Tragstruktur einen optimalen Insassenschutz bei
einem Seitenaufprall gewährleistet.
Zudem kann die Knotenstruktur derart ausgestaltet sein, daß ihr Crashverhalten
dem einer Crashbox gleichkommt, also durch eine definierte Verformung gezielt
zum Abbau der bei einem Aufprall wirkenden Kräfte beiträgt.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
jeweils mindestens eines der Säulenenden
beschnitten ist. Durch einen geeigneten Beschnitt werden an diesen
Säulenenden Flansche
erzeugt, über
welche die Säule
an Längsträger der
Tragstruktur angelegt und mit ihnen verbunden werden kann. Diese
Art der Anbindung ermöglicht
eine besonders kompakte Knotenstruktur, die sich insbesondere für die Verbindung
des oberen Säulenendes
mit dem Längsträger des
Dachrahmens eignet und eine ausreichende Steifigkeit aufweist. Zweckmäßigerweise
liegt das mindestens eine beschnittene Säulenende an der Außenseite
und mindestens einer weiteren Seite des ihm zugeordneten bodenseitigen
Längsträgers oder
Längsträgers des
Dachrahmens an. Dadurch wird verhindert, dass die Säule bei
einem heftigen Seitenaufprall, der beispielsweise zu einem Reißen von
Schweißnähten oder ähnlichen
Fügeverbindungen
führt,
mit ihrem einen Ende in den Fahrzeuginnenraum gedrückt wird, was
bei den Insassen zu Verletzungen führen würde. Eine besonders sichere
Anbindung wird dadurch erreicht, dass das mindestens eine beschnittene
Säulenende
den ihm zugeordneten Längsträger U-förmig umschließt.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine aus Hohlprofilen
zusammengesetzte Tragstruktur eines Kraftfahrzeugs in Spaceframe-Bauweise
mit einem Dachrahmen, bodenseitigen Längsträgern und den Dachrahmen mit
den Längsträgern verbindenden
Säulen,
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2a–2c eine
B-Säule
der Tragstruktur der 1 in
zweifacher Seitenansicht sowie in Schnittansicht gemäß der Linie
II-II der 2a,
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3a, 3b eine Knotenstruktur zur Anbindung
der B-Säule der 2 an einen Längsträger des
Dachrahmens der Tragstruktur der 1 in zweifacher
Seitenansicht,
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4a, 4b eine Knotenstruktur zur Anbindung
der B-Säule der 2 an einen bodenseitigen Längsträger der
Tragstruktur der 1 in
zweifacher Ansicht sowie in Schnittansicht gemäß der Linie IV-IV der 4a,
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5a, 5b eine D-Säule der Tragstruktur der 1 in zweifacher Seitenansicht,
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6a, 6b eine Knotenstruktur zur Anbindung
der D-Säule der 5 an einen Längsträger des Dachrahmens
der Tragstruktur der 1 in zweifacher
Seitenansicht und
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7a, 7b eine Knotenstruktur zur Anbindung
der D-Säule der 5 an einen bodenseitigen Längsträger der
Tragstruktur der 1 in
zweifacher Seitenansicht.
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Die
in der 1 dargestellte
aus Hohlprofilen zusammengesetzte Tragstruktur umfasst einen Dachrahmen 1 mit
Längs-
und Querträgern 1a, 1b sowie
beidseitige auf Höhe
des Fahrzeugbodens angeordnete Längsträger 2a, 2b.
Die in Fahrzeuglängsrichtung
zentral angeordneten Längsträger 2a sind als
Bodenschweller ausgebildet. Die Längsträger 2b erstrecken
sich vom vorderen Stoßfänger bis
zum Heckabschluss der Tragstruktur. Weiterhin umfasst die Tragstruktur
drei Säulenpaare
in Form von Hohlprofilen, nämlich
die B-Säulen 3,
die C-Säulen 4,
sowie die D-Säulen 5,
wobei die B- und C- Säulen 3, 4 den
Dachrahmen 1 mit den Längsträgern 2a und
die D-Säulen 5 den
Dachrahmen 1 mit den Längsträgern 2b verbinden.
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Wie
am Beispiel der B- und D-Säule 3, 5 in den 3 bis 7 dargestellt, sind die Säulen 3, 4, 5 jeweils
als an ihrem umlaufenden Rand verschweißte, innenhochdruckumgeformte
Doppelplatinen ausgebildet, wobei der umlaufende Rand Flansche 3c, 5c für Tür- und/oder Fensterdichtungen
bildet. Vorzugsweise nehmen die Flansche 3c, 5c selbst
eine Dichtung auf. Dies gilt selbstverständlich auch für den umlaufenden
Rand der – nicht
im Detail dargestellten – C-Säule 4.
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In 2 ist eine B-Säule 3 der
Tragstruktur im Detail dargestellt. Durch Innenhochdruckumformen
sind die beiden Platinen der Doppelplatine zu einer Innenschale 3a und
einer Außenschale 3b mit
einem gemeinsamen umlaufenden Rand umgeformt. Vorzugsweise bestehen
die beiden Schalen 3a, 3b der Säule 3 aus
unterschiedlichen Werkstoffen. So kann beispielsweise die bei einem
Crash besonders belastete äußere Schale 3b der
B-Säule 3 aus
einem hochfesten Stahl bestehen. Ebenso kann eine der Schalen 3a, 3b oder
auch beide aus jeweils einem Tailored Blank bestehen. Damit kann
die Struktur in den besonders crashsensitiven Bereichen verstärkt werden,
während
in den weniger crashrelevanten Bereichen durch eine geringere Wandstärke Gewicht eingespart
werden kann.
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Wie
insbesondere in 2b dargestellt, weist
die B-Säule 3 einen
sich über
die Länge
der Säule 3 ändernden
Querschnitt auf. An ihrem oberen Ende ist die B-Säule 3 unter
Ausbildung einer oberen Anschlusszone 31 aufgeweitet und
beschnitten. Wie in den 3a und 3b detailliert dargestellt,
weist die B-Säule 3 in
ihrer oberen Anschlusszone 31 infolge des Beschnittes zwei
parallele nach oben abstehende Flansche 31a auf, welche
zur Anbindung der Säule
an den Dachrahmen 1 einen Längsträger 1a des Dachrahmens 1 (ausschnittsweise
dargestellt) U-förmig
umschließen
und mit diesem über
Schweißnähte 31b verbunden
sind. Dadurch wird ein sehr kompakter und ausreichend steifer Verbindungsknoten
zwischen der B-Säule
und dem Dachrahmen 1 gebildet.
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Wie
insbesondere aus der 2a hervorgeht,
ist die B-Säule 3 an
ihrem unteren Ende unter Ausbildung einer weiteren Anschlusszone 32 in
einer Dimension aufgeweitet. Die Anbindung der B-Säule 3 an
einen Längsträger 2a der
Tragstruktur ist in den 4a–4c dargestellt. Demnach ist
die B-Säule 3 mit ihrer
unteren Anschlusszone 32 in den Längsträger 2a durch eine
in dessen Oberseite eingeformte Öffnung 21a eingesteckt.
Um einen sicheren Halt der B-Säule 3 in
dem Längsträger 2a zu
gewährleisten, weist
dieser an seinen beiden Seitenflächen
jeweils zwei übereinander
angeordnete, in Längsrichtung des
Längsträgers 2a verlaufende
Sicken 22a auf. Die innen liegenden Kuppen der sich paarweise
gegenüber
liegenden Sicken 22a sind dabei derart voneinander beabstandet,
dass sie an den Schalen 3a, 3b der eingesteckten
B-Säule 3 beidseitig
spielfrei anliegen. An diesen Anlagepunkten ist die B-Säule 3 über Schweißnähte 32a mit
dem Bodenschweller 2a fest verbunden. Dabei werden die
Schweißnähte 32a vorzugsweise über ein
Durchschweißen
des Längsträgers 2a mit
Laserstrahlung erzeugt.
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Über die
vorstehend beschriebene Art der Anbindung der B-Säule 3 an
den Längsträger 2a,
bei der das eingesteckte Ende der B-Säule im Längsträger 2a wie ein Schottblech
wirkt, wird eine hochsteife Knotenstruktur gebildet, durch die die
Tragstruktur ein hohes Maß an
Sicherheit für
die Fahrzeuginsassen im Falle eines Seitencrashs bietet.
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5 zeigt eine D-Säule 5 der
Tragstruktur. Diese weist ebenfalls einen sich über die Länge der Säule 3 ändernden Querschnitt
auf und ist wie die vorstehend beschriebene B-Säule 3 an ihrem oberen Ende
zur Ausbildung einer Anschlusszone 51 aufgeweitet und beschnitten.
Wie in 6 im Detail dargestellt,
weist die D-Säule 5 im
Bereich ihrer oberen Anschlusszone 51 an der Außenschale 5b einen
nach oben abstehenden Flansch 51a sowie an der Innenschale 5a einen
um 90° umgebogenen,
in Richtung des Fahrzeuginnenraums weisenden Flansch 51b auf.
Beide Flansche 51a, 51b umschließen den
ausschnittsweise dargestellten Längsträger 1a des Dachrahmens 1 L-förmig und
sind mit ihm über Schweißnähte 51c verbunden.
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Wie
in den 5 und 7 dargestellt, ist das untere
Ende der D-Säule 5 unter
Ausbildung einer unteren Anschlusszone 52 aufgeweitet und
teilweise beschnitten. Im einzelnen ist die Innenschale 5a der D-Säule 5 gegenüber der
Außenschale 5b zurückgeschnitten,
so dass die D-Säule 5 mit
ihrer unteren Anschlusszone 52 den Bodenschweller 2a L-förmig umschließt. Zur
Ausbildung eines steifen Verbindungsknotens ist die D-Säule 5 mit
dem Längsträger 2a über Schweißnähte 52a fest
verbunden.