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Die
Erfindung betrifft eine A-Säule
für ein Kraftfahrzeug
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Unter
der Prämisse
einer hohen Karosseriesteifigkeit sowie der Karosseriefestigkeit
treten zunehmend höhere
Anforderungen an die Fahrzeugkarosserie bezüglich des Leichtbaus auf. In
den Druckschriften
DE
100 15 325 A1 und WO 03 03 12 52 A1 werden Karosseriebauteile
insbesondere A-Säulen vorgeschlagen,
die aus gegossenem Stahl bestehen und durch verschiedene Verstärkungen
beziehungsweise Verrippungen verstärkt sind. Beide vorgeschlagenen
A-Säulen
weisen jedoch eine Vielzahl von Streben und Rippen auf, die zur
Verstärkung
dienen. Zur Optimierung des Bauteilgewichtes ist es jedoch notwendig,
die Vielzahl der Verstrebungen bei gleichbleibender Bauteilfestigkeit
und -steifigkeit zu reduzieren.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine A-Säule bereitzustellen, die dieselbe
Festigkeit und Steifigkeit aufweist wie eine A-Säule aus dem Stand der Technik
und hierbei ein niedrigeres Gewicht umfasst.
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Die
Lösung
der Aufgabe besteht in einer A-Säule
mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Die
A-Säule
nach Anspruch 1 eines Kraftfahrzeuges verläuft von einem Fahrzeugdach
in Richtung eines Fahrzeugbodens und verläuft hierbei mindestens über einen
Längenabschnitt
gekrümmt. Die
A-Säule
weist eine im wesentlichen geschlossene Mantelfläche auf, hierbei ist sie in
ihrem Innenbereich im wesentlichen hohl ausgestaltet.
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Die
A-Säule
nach Anspruch 1 zeichnet sich dadurch aus, dass sie in ihrem gekrümmten Längenabschnitt
eine Verstärkungsstrebe
aufweist, die wiederum einen Hohlquerschnitt der A-Säule durchläuft. Die Verstärkungsstrebe
durchläuft
die A-Säule bezüglich des
Fahrzeuges von einem hinteren Wandungsbereich zu einem vorderen
Wandungsbereich. Hierbei ist die Verstärkungsstrebe derart ausgestaltet,
dass sie in einer – bezüglich des
Kraftfahrzeuges – oberen
und unteren Begrenzungslinie eine elliptische oder eine kreisförmige Aussparung
aufweist. Der Radius der Ellipse beziehungsweise des Kreises kann
sich entlang des Verlaufes der Aussparung ändern. So kann die Aussparung
eine Kurvenform annehmen.
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Die
Verstärkungsstrebe
nach Anspruch 1 durchläuft
die A-Säule
im Bereich ihrer größten Krümmung und
zwar von einem hinteren Bereich zu einem vorderen Bereich. Dies
bedeutet, sie durchläuft
die A-Säule
in dem Bereich, in dem bei einem Überschlag die höchste Belastung
auftritt. Die höchsten
Kräfte
wirken gerade bei diesem Belastungsfall eben in der Krümmung der
A-Säule
und wirken dann insbesondere auf den vorderen und den hinteren Wandungsbereich.
Der bezüglich
des Fahrzeuges vordere Wandungsbereich ist hierbei auf Zug belastet,
wobei der hintere Wandungsbereich auf Druck belastet ist. Die Verstärkungsstrebe
verläuft
somit gezielt von einem stark zugbelasteten Bereich zu einem stark
druckbelasteten Bereich. Beide Hochbelastungsbereiche werden durch
die Verstärkungsstrebe verbunden,
wodurch eine Knickfestigkeit bzw. Beulsteifigkeit der A-Säule gezielt
verbessert wird.
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Durch
diesen Verlauf der Verstärkungsstrebe werden
Spannungen abgebaut, die ansonsten durch einen Wandungsbereich der
A-Säule getragen
werden müssten.
Hierdurch werden wiederum die Wandungsbereiche entlastet, was zu
einer höheren
Festigkeit der A-Säule
führt und
gleichzeitig eine Materialeinsparung und somit eine Gewichtsreduzierung der
Wandungsbereiche der A-Säule
ermöglicht.
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Die
Verstärkungsstrebe
der A-Säule
nach Anspruch 1 zeichnet sich zu dem dadurch aus, dass sie eine
elliptische oder kreisförmige
Aussparung in der oberen und unteren Begrenzungslinie aufweist. Diese
Aussparungen bewirken, dass die Steifigkeit der A-Säule in dem
Krümmungsbereich,
der durch die Strebe verstärkt
ist, kontinuierlich und homogen ansteigt. Hierdurch werden Steifigkeitssprünge vermieden.
Steifigkeitssprünge
würden
bei einer dynamischen Belastung zu Kerbspannungen in der Verstärkungsstrebe
führen,
was wiederum zum Riss der Strebe und zu einem plötzlichen Verlust der Steifigkeit
und Festigkeit der A-Säule
führen
könnte.
Die Aussparungen in der Verstärkungsstrebe
sind somit auf das Auftreten von plötzlichen hohen dynamischen
Spannungen, die bei einem Überschlag
der Fahrzeuges auftreten, optimiert.
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Die
Höhe der
Verstärkungsstrebe,
jeweils gemessen von ihrer tiefsten Aussparung beträgt in vorteilhafter
Weise mindestens fünf
Zentimeter. In der Regel weist die Verstärkungsstrebe hierbei eine maximale
Höhe von
30 Zentimeter auf. Bei besonderen Belastungsfällen kann auch eine höhere Höhe zweckmäßig sein.
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In
einer Ausgestaltungsform der Erfindung ist die A-Säule und
die Verstärkungsstrebe
durch ein integriertes Stahlgussbauteil ausgestaltet. Hierbei ist die
Verstärkungsstrebe
mit der A-Säule
besonders fest verbunden, was der Steifigkeit zuträglich ist.
Außerdem
können
durch das Herstellen eines integralen Bauteils mehrere Fügeschritte
eingespart werden, wodurch die Herstellungskosten reduziert werden.
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Insbesondere
durch die Herstellung in einem Gießverfahren ist es möglich, die
Wandungsbereiche der A-Säule
und der Verstärkungsstrebe
mit einer variablen Wandstärke
auszugestalten. Hierdurch kann auf die besonderen Belastungsfälle gezielt
eingegangen werden und somit an wenig belasteten Stellen Material
reduziert werden, was wiederum dem Bauteilgewicht zugute kommt.
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Die
A-Säule
verläuft
wiederum in einer vorteilhaften Ausgestaltung von einem Wandungsbereich
mit erhöhter
Wandstärke
zu einem anderen Wandungsbereich mit erhöhter Wandstärke. Diese Wandungsbereiche
sind wiederum die Wandungsbereiche, die jeweils der höchsten Zug-
und Druckspannung unterlegen sind. Diese Wandungsbereiche sind wie
bereits dargelegt, bezüglich
eines Fahrzeuges vorderen und hinteren Wandungsbereiche. Dem gemäß sind somit
diese Wandbereiche, die vorderen und hinteren Wandbereiche mit einer
erhöhten Wandstärke ausgestaltet.
Seitliche Wandungsbereiche der A-Säule können hingegen entsprechend dünn dargestellt
sein.
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Durch
die Strebe, die die A-Säule
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 durchläuft, wird eine deutliche Reduktion
der weiteren Streben bewirkt, mit der eine A-Säule üblicherweise versehen ist.
In einer Ausgestaltungsform der Erfindung kann abhängig vom
Belastungsfall die gesamte A-Säule
lediglich mit einer einzigen Verstärkungsstrebe versehen sein.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungsformen der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren
näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch ein Kraftfahrzeug mit einer A-Säule und Verstärkungsstrebe,
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2a einen
Längsschnitt
durch eine A-Säule
mit Verstärkungsstrebe,
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2b einen
Querschnitt durch die A-Säule aus 2a entland
des Schnitts IIb,
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2c einen
Querschnitt durch eine A-Säule
nach 2a Entland des Schnitts IIc,
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3a einen
Längsschnitt
durch eine A-Säule
mit einer Verstärkungsstrebe,
die einen variablen Querschnitt aufweist,
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3b,
c Beispiele für
einen Querschnitt einer Verstärkungsstrebe
durch den Schnitt IIIb, IIIc aus 3a,
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4 einen
Querschnitt durch eine A-Säule mit
Darstellung der auf die A-Säule
wirkenden Kräfte,
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5a,
b, c, verschiedene Typen von A-Säulen
und deren Ausrich tung bezüglich
der Bordkante und des Schwellerbereiches.
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In 1 ist
eine grundlegende Anordnung der beanspruchten A-Säule in einem
typischen Fahrzeug dargestellt. Das Kraftfahrzeug 2, das
in 1 durch seine Mittellängsebene geschnitten ist, die wiederum
in der Zeichenebene liegt, weist eine Bordkante 8, einen
Schweller 10 sowie eine Fahrzeugdach 3 und ein
Fahrzeugboden 5 auf. Die A-Säule 4 verläuft somit
von einem Fahrzeugdach 3 in Richtung eines Fahrzeugbodens 5 und
endet in diesem Beispiel mit dem Schweller 10. Sie weist
eine im wesentlichen geschlossene Mantelfläche 17 auf. Für alle weiteren
Figuren wird zur besseren Darstellung ein Koordinatensystem angelegt,
das durch die 1 definiert wird. Nach dem in 1 dargestellten
Koordinatensystem wird die Fahrzeugquerebene, in diesem Fall die
Zeichenebene als XZ-Ebene
bezeichnet. Die Y-Achse zeigt nach dieser Definition in die Zeichenebene
hinein, wobei die XY-Ebene in etwa der Fahrbahn entspricht.
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Analog 1 ist
in 2a eine A-Säule 4 ohne
Fahrzeug dargestellt. Es handelt sich bei der 2a um
eine Schnittzeichnung durch die A-Säule 4. Es ist dabei
anzumerken, dass die A-Säule
im Schnitt nicht vollständig
in der XZ-Ebene
liegt, je nach Fahrzeugtyp weist die A-Säule in ihrem Verlauf auch eine
Krümmung
in Y-Richtung auf. Der Schnitt der A-Säule durch die XZ-Ebene, wie
er in 2a dargestellt ist, stellt somit
lediglich eine zeichnerische Vereinfachung dar.
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Es
sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass der Begriff A-Säule ganz
allgemein verschiedene Ausdehnungsbereiche dieser Säule umfasst.
Dieses sei durch die 5a bis c definiert. In 5a ist eine
A-Säule 4 dargestellt,
die von einem, hier nicht dargestellten Fahrzeugdach bis zu einer
in gestrichelter Linie dargestellten Bordkante 8 reicht.
Die A-Säule 4 aus 5b reicht
von einem Fahrzeugdach über
die Bordkante 8 hinaus und ist dort durch eine nicht dargestellte
Verbindung mit der restlichen Fahrzeugkarosserie verbunden. Unter
dem Begriff A-Säule
kann auch eine A-Säule 4 nach
der 5c verstanden werden, die von einem Fahrzeugdach über die
Bordkante 8 hinaus bis hin zum Fahrzeugboden 5 beziehungsweise
zum Schweller 10 erstreckt ist.
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Die
A-Säule 4 aus 2a weist
eine Verstärkungsstrebe 6 auf,
die im Bereich einer Krümmung 15 der
A-Säule 4 angeordnet
ist. Der Bereich der stärksten
Krümmung 15 verläuft häufig im
Bereich der Bordkante 8 oder etwas darüber. Die Verstärkungsverstrebung 6 verläuft dabei,
wie in den Schnitten 2b und 2c dargestellt ist,
in etwa in X-Richtung, wobei der genaue Verlauf der Verstärkungsstrebe 6 bezüglich der
in 4 durch den Belastungsfall F eines Überschlages
angedeuteten Spannungsverlaufes angepasst ist.
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Im
wesentlichen verläuft
die Verstärkungsstrebe 6 von
einem, bezüglich
der Fahrtrichtung (X-Richtung) hinteren Bereich 16 der
A-Säule
zu einem bezüglich
der Fahrtrichtung vorderen Bereich 18 der A-Säule 4.
Diese Wandungsbereiche 16, 18, auf die auch die
höchste
Zugspannung beziehungsweise Druckspannung wirken, weisen auch die
höchste Wandstärke der
A-Säule 4 auf.
Im Gegensatz hierzu sind die äußeren beziehungsweise
seitlichen Wandungsbereiche 20 in Y-Richtung relativ dünn ausgestaltet.
Gegebenenfalls können
die Wandungsbereiche 20 sogar derart dünn ausgestaltet sein, dass
die A-Säule
in diesem Bereich überhaupt
kein Material mehr beinhaltet, und demnach offen gestaltet ist.
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In
dem YX-Querschnitt der 2c (Hohlquerschnitt 7)
ist eine Verstärkungsstrebe 6 beziehungsweise
in gestrichelter Linie 6' dargestellt,
wobei sich der Querschnitt der Verstärkungsstrebe 6, 6' entsprechend
der auftretenden Kräfte
und bezüglich
ihrer Z-Ausdehnung verjüngen
kann beziehungsweise verdicken kann. Die Wandstärke der Verstärkungsstrebe 6 beziehungsweise 6' ist entlang
ihrer Längserstreckung
in zweckmäßiger Weise
aus gießtechnischen
Gründen
bezüglich
der YX-Ebene in
einem mittleren Bereich verjüngt
(siehe Linie 6').
Diese Verjüngung 6' führt dazu,
dass beim Gießen
der A-Säule und
beim Abkühlen
des Gussteiles weniger Spannungen entstehen.
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In 2b ist
der Hohlquerschnitt 7 entlang der YX-Ebene IIb aus 2a dargestellt.
Der Querschnitt IIb verläuft
durch den Bereich einer Aussparung 12 der Verstärkungsstrebe 6 aus 2a.
In 2b sind im Bereich 18 und 20,
also in den Bereichen von hoher Zug- beziehungsweise Druckspannung
wiederum höhere
Wandstärken
zu erkennen. Die Ansätze
der Verstärkungsstrebe 6 sind
bereits vorhanden, jedoch durch die Aussparung 12 unterbrochen.
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Sollten
diese Aussparungen 12 beziehungsweise 14 nicht
eingebracht sein, würde
in einem Belastungsfall nach 4, der durch
die Kraft F gekennzeichnet ist und einen Überschlag eines Fahrzeugs simulieren
soll, Spannungsspitzen 21 auftreten, die zum Riss der Verstärkungsstrebe 6 führen könnten. Durch
die Aussparungen 12 und 14 werden die Spannungsspitzen 21 minimiert.
In 4 sind ferner die im Belastungsfall auftretenden
Zugspannungen 24, die an einer vorderen Seite der A-Säule wirken und Druckspannungen 26,
an einer hinteren Seite der A-Säule
schematisch dargestellt. Grundsätzlich
ist es zweckmäßig, dass
im Bereich der Zugspannungen 24 und der Druckspannungen 26 die A-Säule über ihren
gesamten Verlauf eine höhere Wandstärke aufweist.
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Eine
alternative Möglichkeit,
Spannungsspitzen zu minimieren besteht darin, analog der 3 die Verstärkungsstrebe 6 in einem
oberen Bereich dünner
auszugestalten, in einem mittleren Bereich dicker werden zu lassen
und in einem unteren Bereich wieder zu verdünnen. In 3a ist
eine derartige A-Säule dargestellt,
die der in 2a im wesentlichen entspricht,
jedoch keine, dort vorhandenen Aussparungen 12 und 14 aufweist.
Stattdessen weist eine derartige A-Säule 4 entlang des
Schnittes 3b, 3c, der sich in der YX-Ebene befindet,
variierende Wandstärke
auf. In den 3b und 3c sind
Beispiele für
mögliche
variierende Wandstärken
dargestellt. Derartige Verstärkungsstreben 6 weisen
jeweils in der Mitte ihre höchste
Dicke auf. In welcher Art sie nach oben und nach unten sich verjüngen, hängt vom
jeweils bestehenden Belastungsfall ab. Selbstverständlich können auch
derartige Verstärkungsstreben 6 nach
der 3 mit hier nicht dargestellten
Aussparungen im oberen und unteren Bereich versehen sein.