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Gewicht einzusparen ist im Karosseriebau für Automobile seit jeher wünschenswert. Dabei darf die Reduktion des Gewichts jedoch nicht zu Lasten der Karosserieeigenschaften in Hinblick auf die Stabilität, die gewünschte Steifigkeit und nicht zuletzt die Montierbarkeit im Umfeld robotergestützter Fertigungsstraßen gehen. Insbesondere Karosseriebereiche, die aufgrund ihrer Stabilitätseigenschaften bei Unfällen die damit typischerweise verbundenen Krafteinwirkungen auffangen sollen, sind Gegenstand zahlreicher unterschiedlicher Konstruktionsbemühungen. Besonders Schweller und Karosserieträger sind vielfach variiert worden.
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Die hauptsächliche Bedeutung des Schwellers als Karosserieelement liegt darin, dass er sowohl bei Frontalzusammenstößen als auch beim Seitenaufprall Lasten aufnimmt. Beim Seitenaufprall ist eine ausgewogene Steifigkeit erwünscht, die einen gezielten Abbau der Aufprallenergie ermöglicht. So werden mehrteilige Schweller mit geschlossenem Profil in ihrem Inneren oft mit Rippen, Versteifungen oder allgemein Lastübertragungselementen versehen, um insbesondere die Knicksteifigkeit punktuell zu erhöhen, wie beispielsweise in
DE 11 2008 002 515 T5 offenbart. Für die Fertigung ist dabei die Schwellergeometrie insofern von Bedeutung, als sie vorgibt, wie, insbesondere aus welcher Richtung und in welchem Produktionsschritt, das Einfügen von Lastübertragungselementen zu erfolgen hat.
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Nachteilig ist, dass die Formen von Lastübertragungselementen und umgebender Deformationskontur des Schwellers wegen der im Fokus stehenden statischen und dynamischen Anforderungen in der Regel so ausgestaltet sind, dass die Deformationskontur des Schwellers geschlossen sein muss, bevor die übliche Beschichtung mittels kathodischer Tauchlackierung (KTL) erfolgen kann. Ein Einfügen von Lastübertragungselementen nach der Tauchlackierung ist nicht möglich ohne im Gesamtablauf der Produktion unerwünschte Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Die Materialwahl für die Lastübertragungselemente ist dadurch eingeschränkt. Der Schweller wird gemeinhin an oder neben einen rohbaufesten Karosserieträger gefügt. Beide Formteile tragen maßgeblich zu Gewicht und Materialeinsatz im Karosseriebau bei.
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BESTÄTIGUNGSKOPIE
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Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Gewichtsreduktion bei gleichzeitiger Materialeinsparung zu erreichen, die Möglichkeiten bei der Materialauswahl zu erhöhen, ebenso wie eine Mischung von Materialien, wie beispielsweise Stahl und Aluminium, also eine hybride Bauweise zu ermöglichen, die aufgeführten Nachteile zu beseitigen und das Zusammenwirken von Träger und Schweller zu verbessern.
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Dies gelingt erfindungsgemäß mittels eines Sicherheitsschwellers gemäß Anspruch 1, wobei sich vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung aus den Unteransprüchen ergeben.
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Es wird ein Sicherheitsschweller vorgeschlagen, der einerseits die klassische Funktion eines Schwellers erfüllt, also die gezielte Lastaufnahme bei Frontal- oder Seitenaufprallereignissen, und andererseits die Funktion eines rohbaufesten Trägers im Gesamtgefüge einer Fahrzeugkarosserie übernimmt, vorzugsweise als Längsträger eines Montagerahmens für eine Karosserie. Dabei werden die beiden Funktionen zusammengeführt, indem ein bereits rohbaufest installiertes Formteil des Karosserieträgers, das allein noch nicht über ausreichende Tragfähigkeit und Belastbarkeit verfügen muss, als Trägerelement zusammen mit der übrigen Rohbaukarosserie, vorzugsweise nach der Antikorrosionsbehandlung mittels kathodischer Tauchlackierung (KTL), mit einem Schwellerelement zusammengefügt wird. Das Schwellerelement steigert dabei einerseits die Tragfähigkeit und Belastbarkeit des rohbaufesten Trägerelements auf das für einen Karosserieträger hinreichende Maß und konstituiert so, zusammen mit dem Trägerelement, einen wenigstens zweiteiligen Karosserieträger, der andererseits über die Eigenschaften zur Absorption von Aufpralllasten verfügt, die für einen Sicherheitsschweller gefordert werden. Dabei kann der Anteil des Trägerelements im Verhältnis zum Anteil des Schwellerelements am Karosserieträger bzw. Sicherheitsschweller den jeweiligen Anforderungen entsprechend angepasst werden. Es ist nicht zwingend, dass das Trägerelement rohbaufest verbaut ist. Ebenso ist es möglich, dass das Schwellerelement rohbauseitig gestellt wird und mit einem Trägerelement, das beispielsweise Bestandteil eines Montagerahmens ist, zusammengefügt ist.
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Zugrunde gelegt wird hier das im Fahrzeugbau übliche dreidimensionale, rechtshändige ENU-(East-North-Up)-Koordinatensystem, dessen Nullpunkt in der Mitte einer gedachten Linie zwischen den Mittelpunkten beider Vorderräder liegt. Dabei verläuft die Y-Achse entlang dieser Linie von der rechten zur linken Fahrzeugseite, die X-Achse verläuft vom Heck zur Front, und die Z-Achse vom Boden zum Dach. Vorteilhaft ist es, wenn die Geometrie des Trägerelements es erlaubt, das Schwellerelement seitlich, also im Wesentlichen ohne Verschiebungen in Richtung der X- oder Z-Achse der Karosserie, unter Formschluss anzufügen. Dies gelingt in einer einfachen Ausführungsform, wenn der Querschnitt des Trägerelements L-förmig ist und innerhalb des Karosserierohbaus so angeordnet ist, dass der Seitenschenkel des L entlang der Y-Achse nicht zur Karosseriemitte sondern nach außen weist. Weist das Schwellerelement ebenfalls einen L-förmigen Querschnitt auf, der bezüglich seiner Größe auf das Trägerelement abgestimmt ist, so kann das Schwellerelement das Trägerelement vorteilhaft zu einem geschlossenen, rechteckförmigen Karosserieträger bzw. Sicherheitsschweller ergänzen. Bei dieser Variante können Ausführungsformen mit verschiedenen Lastaufnahmeelementen bereit gestellt werden, die den jeweiligen Anforderungen an die Eigenschaften bezüglich der Absorption von Aufprallenergie angepasst sind, beispielsweise als Wabenstruktur, und von der durch Träger- und Schwellerelement gebildeten, im Querschnitt geschlossenen Deformationskontur umschlossen sind, ansonsten aber keiner Beschränkung in ihrer Art und Struktur durch den Vorgang der KTL-Beschichtung oder einer anderen geeigneten Beschichtungsart unterliegen.
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Eine andere Variante des Sicherheitsschwellers weist ein Trägerelement mit einer Kavität an der Außenseite auf, in die das Schwellerelement formschlüssig seitlich, im Wesentlichen entlang der Y-Achse eingefügt werden kann. Im vorteilhaften einfachsten Fall weist das Trägerelement dabei die Form eines liegenden U auf, dessen Öffnung nach außen weist und die Kavität für das Schwellerelement bildet. Vorteilhaft für die seitliche Zugänglichkeit der Kavität ist es, wenn der Querschnitt zur Seite dergestalt geöffnet ist, dass sich die Tangenten der am weitesten außen liegenden Punkte der als einfache Linie gezeichneten Kontur auf der Innenseite schneiden oder parallel verlaufen. Der Begriff Tangente bezieht sich dabei nicht nur auf die Steigung in einem Punkt einer gekrümmten Linie sondern auch in einem Punkt einer geraden Linie. In der Praxis bedeutet dies, dass keine Überstände der Kontur in die Öffnung ragen, die ein Ausweichen des entlang der Y-Achse erfolgenden Einfügens des Schwellerelements entlang der Z- oder X-Achse erfordern würden. Ein Einfügen entlang der Y-Achse ist wünschenswert, um eine komplikationslose Integration der Zuführung des Schwellerelements in Fabrikationsstraßen nach heutigem Stand der Technik zu gewährleisten.
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Um ein nach der üblichen kathodischen Tauchlackierung an oder in das Trägerelement eingeführtes Schwellerelement zu fixieren, ist es vorteilhaft, sich einer Verbindungstechnik zu bedienen, die ohne den Einsatz von Wärme oder Hitze wie bei Schweißtechniken auskommt. Es wird daher eine Verbindung von Trägerelement und Schwellerelement mittels Kleben oder Schrauben bevorzugt. Insbesondere für die Fixierung durch Kleben ist es vorteilhaft, wenn sämtliche Kontaktflächen des Formschlusses zwischen den beiden Formteilen eine Neigung gegenüber der X-Y-Ebene der Karosserie aufweisen, da der Reibschluss an parallel zur X-Y-Ebene verlaufenden Kontaktflächen auch klebstoffverstärkt im Falle von Seitenaufprallbelastungen deutlich geringer als bei entsprechend geneigten Flächen ist.
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Ausführungsformen, die erhöhten Aufprallbelastungen standhalten, ergeben sich, wenn die Deformationskontur aus Träger- und Schwellerelement, also die Außenmantelfläche beider Elemente im zusammengefügten Zustand, durch ein oder mehrere, vorzugsweise an die Außenseite des Schwellerelements angefügte, Crash-Formteile vergrößert wird. Selbstverständlich müssen hier nicht zwingend zusätzliche Formteile zum Einsatz kommen. Ebenso ist es möglich, das Schwellerelement so zu konturieren, dass es nach Zusammenfügen mit dem Trägerelement nicht nur die Kavität des Trägerelements ganz oder teilweise ausfüllt, sondern auch außerhalb dieser Kavität eine Ausformung aufweist, die in Funktion und Ausmaß einem zusätzlichen Crash-Formteil entspricht. Vorteil der mehrgliedrigen Bauweise mit Crash-Formteil ist es, dass vorgefertigte Formteile aus unterschiedlichen Materialien Verwendung finden können, die optional ein jeweils spezifisches Lastübertragungselement umschließen, das optimal auf die Beanspruchung des Formteils in seiner jeweiligen Position abgestimmt werden kann. Ein Materialmix bezüglich des Sicherheitsschwellers ist unabhängig von einem zusätzlichen Crash-Formteil möglich, wenn beispielsweise das Trägerelement aus Stahl und das Schwellerelement aus Aluminium gefertigt ist. Auch eine Kombination verschiedener Strukturen und Materialien für ein kombiniertes Lastübertragungselement innerhalb eines geschlossenen Querschnitts, wie beispielsweise dem des Schwellerelements oder dem des aus L-förmigem Träger- und Schwellerelement zusammengesetzten Sicherheitsschwellers ist möglich.
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Darüber hinaus kommen für die Lastübertragungselemente nunmehr eine Vielzahl von Materialien in Frage, beispielsweise Verbundwerkstoffe, Aluminiumschaum als Hohlraumfüllung, Rippen oder dergleichen, Wabenstrukturen oder beliebige Kombinationen aus diesen. Aufgrund der fertigungstechnischen Möglichkeiten, die das Zusammenfügen eines Trägerelements mit einem Schwellerelement zu einem Sicherheitsschweller eröffnet, können für die Lastübertragungselemente nunmehr Materialien verwendet werden, die aufgrund der physikalischen Bedingungen während des bisher notwendig nach Einbau von Lastübertragungselementen erfolgenden Lackierungsschrittes nicht eingesetzt werden konnten. Falls gewünscht, kann das montierbare Schwellerelement selbstverständlich nachträglich mit einer geeigneten Lackierung versehen werden, oder der außen sichtbare Teil der Deformationskontur mit einer Designblende überdeckt werden, die die gewünschten optischen Eigenschaften aufweist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des Sicherheitsschwellers für Elektrofahrzeuge ergibt sich, wenn das montierbare Trägerelement Bestandteil eines, günstigerweise geschlossenen Montagerahmens für die Karosserie ist, der eine Aufnahme für ein Batteriepaket aufweist. Vorteilhafterweise kommt bei dieser Variante die L-Form des Trägerelements zum Einsatz, die von einem komplementär L-förmigen Schwellerelement ergänzt wird. Bei dieser Variante kann das Zusammenfügen von Träger- und Schwellerelement zumindest teilweise auch entlang der Z-Achse erfolgen.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen des Sicherheitsschwellers anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt einen Querschnitt durch einen Sicherheitsschweller (1), der aus einem rohbaufesten Trägerelement (2) und einem montierbaren Schwellerelement (3) durch Kleben zusammengefügt ist. Gezeigt sind hier Innen- (5) und Außenseite (6) des Trägerelements (2), wobei die Außenseite (6) in diesem Ausführungsbeispiel eine nahezu U-förmige Kavität (siehe 2, Ziff. 7) aufweist. Durch das Zusammenfügen des Trägerelements (2) und des Schwellerelements (3) wird ein Karosserieträger (4) konstituiert, der mit dem Sicherheitsschweller (1) übereinstimmt, wobei die tragenden Eigenschaften sich in diesem Beispiel überwiegend aus dem Trägerelement (2) und dem die Kavität (siehe 2, Ziff. 7) ausfüllenden Teil des Schwellerelements (3) ergeben. Die äußere Mantelfläche des Sicherheitsschwellers bildet die Deformationskontur (20), welche auch mit einer optional anzubringenden Designblende abgedeckt werden kann.
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2 zeigt das Trägerelement (2) mit angesetzter B-Säule im Querschnitt und das dazu passende Schwellerelement (3) im Querschnitt. Zu erkennen ist die offene Konturlinie (9) der Außenseite (6) entlang der hier nahezu U-förmigen Kavität (7), die Enden (10, 11) der Konturlinie (9), die am weitesten außen gelegenen Punkte (12, 13) der Konturlinie (9) sowie die Tangenten (14, 15) in diesen Punkten (12, 13), die sich aufgrund der Formgebung der Kavität (7), die sich bezüglich der Verbindungslinie (16) zwischen den Punkten (12, 13) auf der Seite (17) des Trägerelements (2) schneiden.
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Weiterhin zeigt 2 das Schwellerelement (3) im Querschnitt als einteiliges Ausführungsbeispiel mit vorteilhafter Formgebung. Man kann zwei Bereiche des Schwellerelements (3) wegen des kombiniert aufgebauten Lastübertragungselements (22) unterscheiden, zum einen aufgrund der als Beispiel angedeuteten Wabenstruktur (24) im die Kavität (7) des Trägerelements (2) ausfüllenden Teil des Schwellerelements (3), zum anderen aufgrund des beispielhaft integrierten Aluminiumschaums (23) im weiter außen angeordneten Bereich. Darüber hinaus sind die Kontaktflächen (18) für den Formschluss zwischen Trägerelement (2) und Schwellerelement (3) gezeigt, die hier vorteilhaft sämtlich gegenüber des X-Y-Ebene der Karosserie geneigt sind und so einen guten Reibschluss im Falle von Aufprallbelastungen bieten.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Sicherheitsschwellers (1) im Querschnitt, das insbesondere für Elektrofahrzeuge geeignet ist aufgrund der L-Form des rohbauseitigen Schwellerelements (3) und der dazu komplementären L-Form des Trägerelements (2), wobei das Trägerelement (2) über Anschlussfortsätze (8) mit dem Schwellerelement (3) verbunden ist, hier mittels durch unterbrochene Linien skizzierten Schraubverbindungen. Weiterhin ist hier bereits ein Teil des Montagerahmens (25) mit Aufnahme (26) für ein Batteriepaket (27) für ein Elektrofahrzeug zu erkennen.
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4 zeigt das Trägerelement (2) und das Schwellerelement (3) vor der Montage des Ausführungsbeispiels aus 3 im Querschnitt. Hier ist gut zu erkennen, dass ein Lastübertragungselement (22) leicht zugänglich zwischen Träger- (2) und Schwellerelement (3) eingefügt werden kann. Am Schwellerelement (3) ist auch hier die angesetzte B-Säule angedeutet in der Position des Karosseriegesamtgefüges.
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5 zeigt den Montagerahmen (25) mit dem Trägerelement (2) und dem Schwellerelement (3) von der Seite im Querschnitt entlang der X-Z-Ebene für das Ausführungsbeispiel aus 3.
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6 zeigt den Montagerahmen (25) für das Ausführungsbeispiel aus 3 von vorne im Querschnitt entlang der Y-Z-Ebene und die Sicherheitschweller (1) bzw. Trägerelement (2) und Schwellerelement (3) im Verhältnis zur Karosseriemitte (21) bezüglich der Y-Achse.
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7 zeigt den Montagerahmen (25) mit zwei Sicherheitsschwellern (1) für das Ausführungsbeispiel aus 3 von oben auf die X-Y-Ebene (19), wobei die Sicherheitsschweller (1) die Holme eines doppelten Leiterrahmens bilden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112008002515 T5 [0002]
