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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeugbauteil gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Anspruch 1.
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Bei Kraftfahrzeugbauteilen der erfindungsgemäßen Art handelt es sich insbesondere um Karosserie- oder Strukturbauteile von Kraftfahrzeugen wie A-, B-, oder C-Säulen, Schweller, Stoßfängerquerträger oder Seitenaufprallträger und ähnliche crashrelevante Formbauteile. Die Kraftfahrzeugbauteile weisen einen aus einem Stahlblech geformten Basiskörper auf. Der Basiskörper ist warmgeformt und formgehärtet oder besteht aus einem kaltgeformten Stahlblech. Solche Kraftfahrzeugbauteile unterliegen höchsten Anforderungen im Hinblick an ihre Festigkeit, so dass zu deren Herstellung hoch-, höher- und höchstfeste Stähle verwendet werden, insbesondere Mangan-Bor-Stähle. In diesem Zusammenhang zählt das Formhärten zum Stand der Technik. Formhärten ist ein Verfahren zum Warmumformen von Blechen, welches auch als Presshärten bezeichnet wird. Beim Formhärten wird ein Blech aus einer Mangan-Bor-Stahllegierung auf eine Temperatur oberhalb der spezifischen Austenitisierungstemperatur des Werkstoffs erwärmt, in ein Pressenwerkzeug eingelegt und zum Formbauteil warm umgeformt, wobei es während der Formgebung abkühlt. Im Pressenwerkzeug eingespannt werden die Formbauteile durch die Kühlung gehärtet. Solche Formbauteile zeichnen sich durch ihre hohen Festigkeitswerte aus. Insbesondere bei Formbauteilen aus Mangan-Bor-Stahlblechen lassen sich Festigkeiten über 1.200 MPa, insbesondere im Bereich von 1.300 MPa bis zu 2.000 MPa durch Formhärten erreichen.
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Die Kraftfahrzeugbauteile der in Rede stehenden Art sollen aber auch eine gute Crashperformance bei hoher Steifigkeit gewährleisten. In diesem Zusammenhang ist man bestrebt solche Kraftfahrzeugbauteile belastungsgerecht auszulegen und zu gestalten.
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Durch das europäische Patent
EP 1 052 295 B1 zählt ein Verfahren zur Herstellung von Strukturbauteilen im Automobilbau zum Stand der Technik, wobei die Strukturbauteile zumindest bereichsweise eine hohe Festigkeit und eine Mindestdehnbarkeit von 5% bis 10% aufweisen sollen.
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Die
EP 2 185 735 B1 betrifft ein Verfahren zum Herstellen von gehärteten Profilbauteilen und offenbart ein gehärtetes Profilbauteil, welches über den Querschnitt mit Härtegradienten ausgebildet ist. Zur Einstellung der Härtegradienten über den Querschnitt des Bauteils werden freie Kanten angeordnet, wobei Größe, Art und Ausdehnung der Kanten auf einen gewünschten Härtegrad und/oder Härtegradienten abgestimmt angeordnet werden. Die Kanten können durch Ausnehmungen in Form von Löchern gebildet sein.
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Die
EP 1 180 470 B1 betrifft eine B-Säule, die einen weichen unteren Teil aufweist und eine kontrollierte Art der Verformung fördert.
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Aus der
US 6,820,924 B2 ist eine B-Säule bekannt, die im unteren Bereich zwei schmale weiche Bänder, sogenannte Crash Trigger, aufweist.
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Im Umfang der
DE 10 2011 011 320 A1 zählt eine Fahrzeugkarosserie-Komponente zum Stand der Technik. Diese Komponente umfasst mindestens ein erstes und ein zweites Strukturelement die durch ein Paneel-Element miteinander verbunden sind, wobei das Paneel-Element zumindest teilweise transparent ist und eine perforierte Struktur umfasst bzw. ein perforiertes Metallblech ist. Diese Ausgestaltung erfolgt jedoch mit dem Ziel, das Sichtfeld des Fahrzeugfahrers zu verbessern.
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Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zu Grunde, ein für den Lastfall funktional verbessertes Kraftfahrzeugbauteil zu schaffen, welches ein höheres Absorptionsvermögen für kinetische Energie bei Reduktion von Zugspannungslasten besitzt.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in einem Kraftfahrzeugbauteil gemäß Anspruch 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbauteils sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Das Kraftfahrzeugbauteil besitzt einen formgehärteten oder kaltgeformten Basiskörper aus einem härtbaren oder gehärteten Stahlblech, insbesondere einen Mangan-Bor-Stahlblech. Der Basiskörper weist einen mit Löchern versehenen Flächenabschnitt auf. Erfindungsgemäß besitzt der Flächenabschnitt eine Zugfestigkeit Rm von größer oder gleich (≥) 1.250 MPa. Die maximale Zugfestigkeit Rm in diesem Flächenabschnitt beträgt 2.100 MPa. In diesem Flächenabschnitt ist ein Lochmuster aus mindestens drei Löchern vorgesehen, welches eine Deformationseinflusszone bildet, wobei erfindungsgemäß der Flächenanteil der Löcher im Flächenabschnitt zwischen 20% und 60% beträgt.
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Bei den erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbauteilen handelt es sich insbesondere um Karosserie- oder Strukturbauteile von Kraftfahrzeugen die einen, zumindest bereichsweise, warmumgeformten und gehärteten Basiskörper besitzen. Am kaltgeformten oder formgehärteten Basiskörper können weitere Bauteilkomponenten später gefügt oder angebaut sein. Vor dem Formhärten bzw. nach der Formgebung kann die Steifigkeit des Basiskörpers lokal durch ein Verstärkungsblech oder Kunststoffeinsatz weiter verbessert werden.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Kraftfahrzeugbauteils wird dessen Fähigkeit zur Aufnahme und Umwandlung von kinetischer Energie gesteigert. Dies resultiert aus dem durch die Deformationseinflusszone verwirklichten größeren Intrusions- bzw. Formänderungsweg, bevor es zu einem kritischen Riss bzw. Versagen kommt, und zwar ohne dass die spezifische Zugfestigkeit bzw. Härte herabgesetzt werden muss. Wesentlich hierzu trägt des Weiteren die geminderte Rissempfindlichkeit der Formbauteile bzw. des Basiskörpers bei, der durch ein durch das Lochmuster bewirktes Teilen/Gabeln von Zugspannungslasten an den Grenzflächen der Lochränder bewirkt wird.
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Die durch das Lochmuster gebildete Deformationseinflusszone in dem Flächenabschnitt führt des Weiteren zu einem Ausgleichen bzw. Zerstreuen von Zugspannungslasten durch ein vielfaches Gabeln der Teil-Zugspannungen in dem Bereich aus mindestens drei einzelnen Löchern.
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Schließlich wird auch eine Gewichtsverbesserung bzw. -reduzierung der Kraftfahrzeugbauteile erreicht, und zwar durch die Löcher selber. Es ist auch möglich, Stege zwischen einzelnen Löchern im Lochmuster zu entfernen.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeugbauteil ist funktional verbessert und weist ein hohes Absorptionsvermögen zur Aufnahme bzw. Umwandlung von kinetischer Energie bei einer Reduktion von Zugspannungslasten auf. Dies ist im Lastfall vorteilhaft, insbesondere bei einem aus einem Anprall resultierenden Lastfall.
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Das Lochmuster und die durch das Lochmuster gestaltete Deformationseinflusszone ist so ausgelegt, dass im Lastfall auftretende Kräfte, insbesondere Zugkräfte, an den Grenzflächen, d.h. an den Lochrändern, geteilt und in Zugspannungspfade aufgegabelt werden.
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Die Deformationseinflusszone steigert die Energieaufnahmefähigkeit durch die örtliche Erhöhung der Streckbarkeit, Umformbarkeit und der Formänderungsgrade und zwar in allen Raumrichtungen und Drehwinkeln.
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Darüber hinaus wird ein Risswachstum begrenzt bzw. die Rissausbreitung gesteuert, wodurch eine Steigerung des Verformungsvermögens in Folge vom örtlichen Mindern der Zugspannungen einhergeht. Dies wird durch ein Zusammenwirken der Löcher des Lochmusters in der Deformationseinflusszone bewirkt, die als Entlastungszonen fungieren.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ermöglicht des Weiteren Kraftfahrzeugbauteile dergestalt auszulegen, dass eine Steifigkeitsänderung über deren Längs- und/oder Querverlauf sprunghaft bzw. stufenförmig möglich ist und zwar bei Kraftfahrzeugbauteilen mit formgehärteten Basiskörpern aus einem Stahlblech von gleichmäßiger Dicke und gleichmäßigem Festigkeitsverlauf.
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Weiterhin können durch die Deformationseinflusszonen Sollknickstellen im Kraftfahrzeugbauteil gebildet sein. Die Deformationseinflusszonen können ein selektives oder gestaffeltes Kollabieren des Bauteils bewirken. Dies erfolgt durch örtliches Mindern der Knicksteifigkeit bzw. durch partielles Schwächen des Widerstandsmoments über die Deformationseinflusszonen und deren Auslegung und Anordnung. Das Lochbild wird bauteil- und funktionsgerecht ausgelegt. Möglich ist beispielsweise die Anordnung von großen relativ dicht zueinander angeordneten Löchern in einer Zeile, also eine einzeilige Anordnung.
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Ein Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die Löcher insbesondere rund, oval oder elliptisch sind. Bevorzugt sind gerundete Löcher ohne eckige Übergänge. Hierdurch kann eine Kerbwirkung vermieden werden. Die Löcher weisen bevorzugt einen Durchmesser zwischen 5 mm und 100 mm auf. Die Angabe des Durchmessers bezieht sich jeweils auf die Längsachse eines Lochs bzw. die Hauptachse eines Lochs. Die Löcher sind gut stanzbar.
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In der Praxis sind Lochdurchmesser zwischen 6 bis 70 mm oder 7 bis 50 mm oder auch 5 bis 40 mm und/oder 30 mm möglich und effizient.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind zwei benachbarte Löcher in einem Abstand zueinander angeordnet, wobei der Abstand der Löcher kleiner oder gleich (≤) dem Lochdurchmesser bemessen ist. Dieser Abstand wird vom Lochrand eines der Löcher zum benachbarten Lochrand des benachbarten Loches gemessen.
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Eine praktische Ausgestaltung sieht in diesem Zusammenhang vor, dass zwei benachbarte Löcher in einem Abstand zwischen jeweils einschließlich 4,0 mm und 50,0 mm angeordnet sind. Diese Ausführung weist eine gute Stanzbarkeit in einem Pressenhub auf.
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Der Flächenabschnitt des Basiskörpers weist eine Abschnittslänge auf die in Richtung der Hauptachse bzw. Erstreckungsachse des Basiskörpers bemessen ist. Der Basiskörper weist gemessen über seine Hauptachse eine Gesamtlänge auf. Ein vorteilhafter Aspekt dieser Erfindung sieht vor, dass das Verhältnis der Abschnittslänge des Flächenabschnitts zur Gesamtlänge des Basiskörpers zwischen 1 bis 35 zu 100 (1:100 bis 35:100) bemessen ist. Mit anderen Worten, Grundkörper bzw. das Fahrzeugbauteil hat im überwiegenden Teil seiner Fläche keine gelochten Flächenabschnitte mit Lochmuster. Selbstverständlich sind im Rahmen der Erfindung weitere funktionale Öffnungen möglich.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht ein Lochmuster vor, welches aus zumindest zwei vertikal und/oder horizontal zueinander beabstandeten Lochreihen gebildet ist. Besonders vorteilhaft sind die Löcher der Lochreihen vertikal und/oder horizontal zueinander versetzt angeordnet. Einzelne Lochreihen können geradlinig oder kurvenförmig verlaufen. Insbesondere sind die Lochlöcher und die Lochreihen bzw. das Lochbild abgestimmt auf den dreidimensionalen Konturverlauf des Basiskörpers im Flächenabschnitt und der Ausgestaltung der Deformationseinflusszone.
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Alternativ zur Anordnung mehrerer Lochreihen kann auch eine unregelmäßige Verteilung der Löcher ohne Reihenzuordnung vorteilhaft sein, insbesondere zur Rissbehinderung bzw. Risshemmung bei einer crashbedingten Verformung.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform besteht in einem Lochmuster, welches einen ungelochten Bereich des Flächenabschnitts umschließt.
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Eine Deformationseinflusszone ist erfindungsgemäß so ausgestaltet und derart im Flächenabschnitt zu einem Beschnittrand angeordnet, dass einem Risswachstum entgegenwirkt wird. Insbesondere wird ein Wachsen oder Ausbreiten von Rissen, die bei einem Anprall auftreten minimiert jedenfalls begrenzt. Die Deformationseinflusszone ist derart angeordnet, dass sie ein Risswachstum begrenzt. In diesem Zusammenhang ist die Deformationszone zu einem Beschnittrand beanstandet angeordnet und besitzt einen Zonenabstand zum Beschnittrand, der mindestens dem Durchmesser des kleinsten Lochs in einer Deformationseinflusszone entspricht. Der Basiskörper besteht vorzugsweise aus einem homogen, dicken- oder werkstoffeinheitlichen Stahlblech. Durch die Erfindung kann auf den Einsatz von tailored blanks, insbesondere tailored rolled oder tailored welded blanks verzichtet werden.
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Im Rahmen der Erfindung kann ein Basiskörper auch mehrere, insbesondere zwei Flächenabschnitte mit einer Zugfestigkeit Rm von größer oder gleich 1250 MPa und jeweils eine darin vorgesehene Deformationseinflusszone aufweisen.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeugbauteil in Form einer B-Säule in einer Frontalansicht;
- 2 die B-Säule in einer Seitenansicht;
- 3 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbauteils;
- 4 technisch schematisiert den Querschnitt des Kraftfahrzeugbauteils und
- 5 einen Ausschnitt aus dem Kraftfahrzeugbauteil gemäß der 4 im Bereich der Deformationseinflusszone.
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Die 1 und 2 zeigen ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeugbauteil 1 in Form einer B-Säule.
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Die B-Säule weist einen formgehärteten Basiskörper 2 aus einem Mangan-Bor-Stahlblech auf. Der Basiskörper 2 besitzt einen Flächenabschnitt 3. Dieser Flächenabschnitt 3 weist durch die Formhärtung eine Zugfestigkeit Rm von größer oder gleich (≥) 1.300 MPa auf. In den Abschnitten 4, 5 oberhalb und unterhalb des Flächenabschnittes 3 kann die B-Säule eine von der Zugfestigkeit des Flächenabschnitts 3 abweichende Zugfestigkeit Rm aufweisen. Im Flächenabschnitt 3 ist ein Lochmuster 6 aus mindestens drei Löchern 7 angeordnet, welches eines Deformationseinflusszone 8 bildet. Der Flächenanteil der Löcher 7 im Flächenabschnitt 3 beträgt zwischen 30% und 60%.
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Der Flächenabschnitt 3 mit dem Lochmuster 6 und die dadurch ausgebildete Deformationseinflusszone 8 sind im unteren Drittel der B-Säule im Bereich oberhalb des Übergangs zum Säulenfuß 9 angeordnet.
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Das Lochmuster 6 weist jeweils zwei einen Doppellochstreifen 10 bildende Lochreihen 11, 12 aus. Die Doppellochstreifen 10 bzw. die Lochreihen 11, 12 erstrecken sich in Querrichtung schräg über die nahezu vollständige Breite der B-Säule 1. Jeweils an den seitlichen Schenkeln 13, 14 der B-Säule ist eine weitere zum Lochmuster 6 gehörende vertikal ausgerichtete Lochreihe 15, 16 vorgesehen. Das Lochmuster 6 wird durch vertikal und horizontal zueinander beabstandete Lochreihen 11, 12, 15, 16 gebildet. Das Lochmuster 6 umschließt einen ungelochten Bereich 17 des Flächenabschnitts 3.
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Die Löcher 7 besitzen einen Durchmesser d zwischen 5 mm und 100 mm, siehe hierzu auch 3 bis 5. Der Durchmesser d der Löcher 7 innerhalb eines Lochmusters 6 kann variieren. Bei der B-Säule bzw. deren Basiskörper 2 sind die Löcher 7 kreisrund mit einem Durchmesser d zwischen 7,0 mm und 10,0 mm. Zwei benachbarte Löcher 7 sind jeweils in einem Abstand a zueinander angeordnet, wobei der Abstand a generell zwischen 4,0 mm und 50,0 mm liegen kann. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand a zwischen 4,0 mm und 20,0 mm. Bei mehreren Lochreihen 11, 12 oder 15, 16 ist ein horizontaler Abstand b und ein vertikaler Abstand a vorhanden, wobei der Abstand a und der Abstand b gleich oder voneinander verschieden sein können. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Abstand b kleiner oder gleich dem Zweifachen des Durchmessers d und größer als der Durchmesser d. Der Abstand b wird dabei von Lochmittelpunkt zu Lochmittelpunkt gemessen.
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Das Verhältnis des Abstands b zum Durchmesser d kann wie folgt ausgedrückt werden: d ≤ b ≤ 2d. Der Abstand b zwischen zwei Lochreihen ist größer oder gleich dem Durchmesser d, jedoch kleiner oder gleich als das Zweifache des Durchmessers d. Diese Maßgabe stellt sicher, dass ausreichend Material zum Energieabbau zwischen den Löchern der beiden Lochreihen vorhanden ist. Hierdurch ist potenzielles Rissmaterial und eine Rissstrecke sichergestellt.
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Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Deformationseinflusszone 8 ist die B-Säule für einen Lastfall bei einem Seitenanprall optimiert. Die B-Säule weist eine deutlich verbesserte Fähigkeit zur Aufnahme von kinetischer Energie auf. Das Lochmuster 6 ist dergestalt ausgelegt und angeordnet, so dass gezielte Biegesteifigkeit eingestellt und verändert ist und Zugspannungslasten in Folge der Krafteinleitung reduziert werden. Dies geschieht insbesondere durch ein vielfaches Gabeln der auftretenden Lasten in Teilzugspannungen bzw. -pfade. Zudem wird durch die Lochung eine Gewichtsreduzierung des Kraftfahrzeugbauteils 1 erzielt.
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Die 3 bis 5 zeigen eine weitere Ausführungsform eines Kraftfahrzeugbauteils 1. Hierbei handelt es sich um einen Längs- oder Querträger bzw. einen Schweller. Die Ausgestaltung ist analog zum anhand der 1 und 2 beschriebenen Kraftfahrzeugbauteils 1 ausgeführt. Demzufolge sind die Bezugszeichen entsprechend verwendet. Das Kraftfahrzeugbauteil 1 weist einen formgehärteten Basiskörper 2 aus einem Stahlblech auf. Der Basiskörper 2 besitzt einen mit Löchern versehenen Flächenabschnitt 3, wobei der Flächenabschnitt 3 eine Zugfestigkeit Rm von größer oder gleich (≥) 1.250 MPa, insbesondere 1300 MPa besitzt. Das aus den Löchern 7 gebildete Lochmuster 6 bildet im Flächenabschnitt 3 eine Deformationseinflusszone 8, wobei der Flächenanteil der Löcher im Flächenabschnitt 3 zwischen 20%, insbesondere 30 % und 60% beträgt.
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Mit 18 ist in der 3 ein Anprallhindernis gekennzeichnet.
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Der Flächenabschnitt 3 in den Basiskörpern 2 der Kraftfahrzeugbauteile 1 gemäß den Darstellungen der 1 und 2 bzw. 3 weist eine Abschnittslänge IA auf. Der Basiskörper 2 besitzt eine Gesamtlänge IG . Das Verhältnis der Abschnittslänge IA zur Gesamtlänge IG ist zwischen 1:100 bis 35:100 bemessen, insbesondere liegt das Verhältnis bei ca. 30:100.
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Bei den in den 3 bis 5 dargestellten Kraftfahrzeugbauteil 1 ist das Lochmuster 6 aus zumindest zwei vertikal und/oder horizontal zueinander beabstandeten Lochreihen 11, 12 gebildet. Die Löcher 7 in den Lochreihen 11, 12 sind jeweils zueinander versetzt angeordnet. Es kann sinnvoll sein, maximal zwei Lochreihen vorzusehen, um zu lange Risse zwischen den Lochreihen bzw. Löchern zu verhindern. Vorzugsweise ist der horizontale Abstand b kleiner 30 mm.
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Die 4 ist technisch schematisiert und nicht maßgeblich zu verstehen. Die 4 dient zur Erläuterung der Anordnung einer Deformationseinflusszone 8 in Relation zu einem Beschnittrand 19 eines Basiskörpers 2. Die Deformationseinflusszone 8 sitzt zum Beschnittrand 19 einen Zonenabstand z der mindestens dem Durchmesser d des kleinsten Lochs 7 in der Deformationseinflusszone 8 entspricht.
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Bezugszeichenliste
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- 1 -
- Kraftfahrzeugbauteil
- 2 -
- Basiskörper
- 3 -
- Flächenabschnitt
- 4 -
- Abschnitt
- 5 -
- Abschnitt
- 6 -
- Lochmuster
- 7 -
- Löcher
- 8 -
- Deformationseinflusszone
- 9 -
- Säulenfuß
- 10 -
- Doppellochstreifen
- 11 -
- Lochreihe
- 12 -
- Lochreihe
- 13 -
- Schenkel
- 14 -
- Schenkel
- 15 -
- Lochreihe
- 16 -
- Lochreihe
- 17 -
- Bereich
- 18 -
- Anprallhindernis
- 19 -
- Beschnittrand
- a -
- Abstand
- d -
- Durchmesser
- IA -
- Abschnittslänge
- IG -
- Gesamtlänge
- z -
- Zonenabstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1052295 B1 [0004]
- EP 2185735 B1 [0005]
- EP 1180470 B1 [0006]
- US 6820924 B2 [0007]
- DE 102011011320 A1 [0008]
