-
Gebiet der
Erfindung
-
Die
Erfindung betrifft einen Querträger,
der unter der Instrumententafel von Kraftfahrzeugen vorgesehen ist
und als Aufnahme für
verschiedene Cockpitkomponenten dient. Zusätzlich ist gewöhnlicher
Weise auf dem Querträger
die Instrumententafel verschraubt.
-
Stand der
Technik
-
Solche
Querträger
werden üblicherweise aus
einem Stahlrohr im Innenhochdruckverfahren hergestellt, an das verschiedene
Aufnahmen angeschweißt
werden. Zu diesen Aufnahmen gehören beispielsweise
eine Aufnahme für
den Airbag, Knieprotektoren, die Instrumententafelanbindung, die
Anbindung an die A-Säulen, die
den Querträger abstützen, Tunnelstützen, Lenksäulenaufnahmen usw.
Allerdings weisen diese gewöhnlichen
Stahlquerträger
ein verhältnismäßig hohes
Gewicht auf, das sich im Kraftfahrzeug aufgrund des zusätzlich durch
das Kraftfahrzeug mitzuführenden
Gewichts nachteilig auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Ferner
sind verhältnismäßig viele
Arbeitsschritte erforderlich, um die verschiedenen Anbindungen am Stahlquerträger vorzusehen.
Gleichzeitig kann das Anschweißen
dieser Anbindungen dazu führen,
dass sich der Stahlquerträger
verzieht.
-
Daher
wurden in der Vergangenheit auch Magnesiumquerträger entwickelt, bei denen im Druckgussverfahren
die Anbindungen direkt mit angeformt werden können und somit gegenüber dem Stahlquerträger Arbeitschritte
eingespart werden können.
Magnesiumquerträger
sind jedoch verhältnismäßig raumintensiv.
-
Aus
der
DE 100 64 522
A1 ist ein Querträger bekannt,
der aus einem geraden, rohrartigen Grundkörper besteht, in dem wenigstens
ein Kanal vorgesehen ist, wobei der Quergrundkörper bevorzugt aus Metall besteht.
Im Inneren ist der Grundkörper
mit Kunststoff ausgekleidet, so dass aus Kunststoff bestehende Kanalwände gebildet
werden. Somit müssen
keine zusätzlichen
Luftführungskomponenten wie
Blasteile, Luftschläuche
oder ähnliches
vorgesehen werden, da diese Medien direkt durch das Rohr geführt werden
können.
Ferner kann die Wandstärke des
aus Metall bestehenden Grundkörpers
verringert werden und somit Gewicht eingespart werden.
-
Aus
der
DE 200 08 201
U1 ist ein Instrumententafelträger bekannt, der einen länglichen
schalenartigen Grundkörper
und stabilisierende Einlegeteile aus metallischen Werkstoffen aufweist.
Diese Elemente sind durch eine angespritzte innere Kunststoffverrippung
zu einem Metall-Kunststoff-Verbundteil zusammengefügt, das
von mindestens einem Luftführungskanal
wenigstens teilweise durchsetzt ist. zusammen mit der Kunststoffverrippung
werden gegenüber
dem Grundkörper
nach außen
vorspringende Halter, Konsolen und Anbindungspunkte aus Kunststoff
einstückig
angespritzt.
-
Darstellung
der Erfindung
-
Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Querträger für ein Kraftfahrzeug
vorzusehen, der einen verhältnismäßig geringen
Bauraum benötigt
und ein geringes Gewicht hat.
-
Diese
Aufgabe wird mit einem Querträger
mit Merkmalen des Anspruchs 1 oder 2 gelöst.
-
Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass die Hauptbelastungen
an einem Querträger
gewöhnlich
im Bereich zwischen linker A-Säule
und Tunnelstütze
des Kraftfahrzeugs auftreten. Im Bereich zwischen Tunnelstütze und
rechter A-Säule müssen hingegen
kaum noch Kräfte
aufgenommen werden. Wie es dem Fachmann ersichtlich ist treten entsprechend
in einem rechtsgelenkten Fahrzeug diese Kräfte bzw. Belastungen genau
in den umgekehrten Bereichen auf. Daher löst die Erfindung die gestellte
Aufgabe dadurch, dass der Querträger
in diesem belastungsintensiven Bereich als Bogen vorgesehen wird,
der gute Kraftaufnahmeeigenschaften aufweist. Dazu wird der Bogen
durch einen Rohrbogen aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet.
Diese Ausführungsvariante
weist die Eigenschaft auf, dass sie ein deutliches Gewichtseinsparungspotential
gegenüber
herkömmlichen
Stahlquerträgern
aufweist, wobei die Kraftaufnahmeeigenschaften bzw. Festigkeitseigenschaften
durch die Wahl der Werkstoffe und der Gestalt, also der Bogenform,
gewährleistet
sind. Zur Festigkeit des Rohrbogens aus Faserverbundwerkstoff trägt ferner
bei, dass der Bogen einen Rohrquerschnitt aufweist, der an sich
erhöhte Steifigkeitseigenschaften
mit sich bringt und dennoch wenig Gewicht hat. Insbesondere ist
ein Rohr mit Kreisquerschnitt dabei vorteilhaft, wobei auch andere geschlossene
Querschnittsprofile ähnliche
Festigkeitseigenschaften haben.
-
Ferner
ist es bei beiden Ausführungsformen möglich, durch
Einlegen des bogenförmigen
Bauteils in ein Spritzgusswerkzeug, also des Rohrbogens aus Faserverbundwerkstoff,
direkt weitere Anschlusselemente anzuspritzen, ohne dass zusätzliche
Arbeitsschritte benötigt
werden. Somit weist der Querträger einen
erhöhten
Integrationsgrad auf.
-
Vorteilhafte
Ausführungsformen
sind durch die übrigen
Ansprüche
gekennzeichnet.
-
So
wird nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform für den Bereich
zwischen linker A-Säule
im Kraftfahrzeug und Kardantunnel ein Rohrbogen aus mit Kohlefasern
verstärktem
Kunststoff, mit Glasfasern verstärktem
Kunststoff, mit Aramidgewebe oder mit gemischten Fasern verstärktem Kunststoff
vorgesehen.
-
Das
Faserverbundrohr kann im Wickelverfahren oder durch das Aufbringen
eines Flechtschlauchs aus Faserverbundwerkstoff auf einen Kern und
ein anschließendes
Laminieren hergestellt werden. Die dazu verwendeten Kerne können z.
B. Holz-, Schaum- oder Sandkerne sein, die nach dem Laminieren des
Rohres entweder im Bauteil verbleiben oder aus diesem wieder entfernt
werden. Das Verfahren zum Herstellen gekrümmter Rohre im Innendruck-
bzw. Schlauchblasverfahren ist in der Technik bekannt. Die Laminierung
an sich erfolgt beispielsweise im Harzinjektionsverfahren oder durch Vakuumpressen.
Ferner ist es möglich,
um einen Rohrbogen aus Faserverbundwerkstoff herzustellen, vorimprägnierte
Faserverbunde (Prepregs) zu verwenden und im Autoklavverfahren zum
Rohrbogen zu formen. Ferner können
zur Herstellung des Faserverbundrohres Faserflechtschläuche mit
eingearbeiteten Thermoplastfäden
(z.B. PA) verwendet werden, die nach dem Umformen und Erkalten das
Faserverbundrohr bilden.
-
Diese
Rohrbögen
werden vorteilhafter Weise an der A-Säule mit einer Klemmverbindung
und zusätzlicher
Verklebung befestigt, wobei die Klemmverbindung vorteilhafter Weise
aus Stahl gefertigt ist und Öffnungen
zur Verschraubung an die A-Säule
aufweist. Die zusätzliche
Verklebung bietet dämpfende Eigenschaften
und wirkt außerdem
kerbspannungsmindernd, so dass das Bauteil erhöhte Festigkeitseigenschaften
aufweist. Diese Klemmverbindung kann zusätzlich durch Formschluss unterstützt werden,
d. h. das Faserverbundrohr kann in diesem Bereich beispielsweise
ein Polygonprofil aufweisen, das ein Verdrehen der Klemmverbindung
verhindert. Das Ausspritzen eines Verbindungsflausches an das Faserverbundrohr
zur Befestigung an der A-Säule
ist ebenfalls möglich.
-
Vorzugsweise
sind an den Querträger,
d. h. den Bogen, zusätzlich
Anschlusskomponenten, Befestigungskomponenten für an der Instrumententafel anzubringende
Bauteile und/oder Sicherheitskomponenten, wie Knieprotektoren, im
Spritzgussverfahren angespritzt. Auch eine Instrumententafelanbindung kann
an den Bogen direkt im Spritzgussverfahren angespritzt sein. Anbindungselemente
können
problemlos und ohne wesentliche zusätzliche Fertigungsschritte
integriert werden. Somit ist es möglich, mehrere Anbindungselemente
in einem einzigen Fertigungsschritt, nämlich dem Spritzgussschritt,
mit dem Bogenelement zu verbinden.
-
Vorzugsweise
weist der Querträger,
der als Rohrbogen aus Faser-Verbundwerkstoff hergestellt ist, im
Allgemeinen einen kreisförmigen
Querschnitt auf. Im Bereich der Anbindung der Knieprotektoren, der
Instrumententafelanbindung oder Ähnlichem weist
der Querträger
vorteilhafter Weise eine Querschnittsform auf, die mit dem Innenquerschnitt
eines Befestigungsbereichs der Anbindungsteile, wie beispielsweise
der Knieprotektoren oder der Instrumententafelanbindung, formschlüssig ist.
Beispielsweise können
Polygonprofile, vorzugsweise Dreiecksprofile, eingesetzt werden,
die ein Verdrehen der Kunststoffanspritzungen im Rohrbogen verhindern.
Dadurch wird sichergestellt, dass neben der Klemmwirkung , die durch
das Anspritzen an sich entsteht, ein Formschluss vorgesehen wird
und z. B. die Knieprotektoren dennoch im Crashfall ausreichend nachgeben
können
und Kräfte
aufnehmen können.
-
Der
Querträger
umfasst gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
ferner eine Verbindungsstrebe, die beispielsweise gerade gestaltet
ist, zwischen der Tunnelstütze
und der rechten A-Säule. Diese
Verbindungsstrebe ist vorzugsweise als Spritzgussbauteil ausgeführt und
kann direkt an den Rohrbogen aus Faserverbundwerkstoff angespritzt
werden. Die Verbindungsstrebe an sich kann ebenfalls wiederum Knieprotektoren,
eine Aufnahme für
den Beifahrerairbag und eine Anbindung für die Instrumententafel und
die A-Säule
aufweisen, wobei diese Elemente vorzugsweise ebenfalls direkt im
Spritzgussverfahren angespritzt sind. Dadurch können zusätzliche Fertigungsschritte
vermieden werden. Da zusätzlich
die Hauptkraftaufnahme im Bereich zwischen linker A-Säule und
Kardantunnel erfolgt, ist es aus Festigkeitsaspekten ausreichend,
die Verbindungsstrebe als offenes Profil mit Versteifungsrippen auszuführen.
-
Wenn
an ein Faserverbundrohr, das im Innendruck- oder Schlauchblasverfahren
hergestellt ist, Anbindungselemente angespritzt werden sollen, wird
vorzugsweise das Faserverbundrohr während des Spritzgussvorgangs
mit Innendruck belegt. Alternativ kann der Rohrbogen beispielsweise
auch vor dem Spritzgießen
mit Sand ausgefüllt
werden, mit Holzkernen bestückt
werden oder es können
Fluide eingebracht werden. Dadurch wird verhindert, dass das Faserverbundrohr
bei den hohen Drucken, die beim Spritzgussvorgang auftreten, verquetscht
wird.
-
Die
Lenksäulenanbindung,
die gewöhnlich ein
metallisches Bauteil ist, wird an dem Rohrbogen vorzugsweise mittels
einer form-, kraft- und/oder stoffschlüssigen Verbindung montiert.
Insbesondere bei der vorteilhaften Verwendung einer stoffschlüssigen Verbindung
mittels Klebstoff, ggf. zusätzlich
zu einer form und/oder kraftschlüssigen
Verbindung, können
im Belastungsfall Spannungsspitzen im Faserverbundrohr abgebaut
werden, was wiederum eine Kerbwirkung und damit eine verringerte
Festigkeit des Bauteils verhindert.
-
Neben
der Verwendung einer metallischen Lenksäulenanbindung kommt bevorzugterweise auch
in Betracht eine Lenksäulenanbindung
mit Thermoplastmatrix im Tiefziehverfahren vorzustehen. Die Kunststoffteile
werden vorzugsweise durch Verschraubung, Verklebung oder Verschweißung am Rohrbogen
befestigt.
-
Insgesamt
weist die Verwendung eines Bogens aus Faserverbundwerkstoff im Vergleich
zu Stahlbauteilen verbesserte Schwingungseigenschaften auf, was
insbesondere bedeutet, dass der geforderte Eigenfrequenzwert von
einem Querträger durch
den Matrix- und Faserverbund besser als bei einem Stahlbauteil erfüllt wird.
-
Nach
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
umfasst der Querträger
ferner im Beifahrerbereich, d. h. im Bereich zwischen Kardantunnel
und rechter A-Säule
ein Rohrbogen aus Faserverbundwerkstoff. Dieser Bogen endet an der
linken Kardantunnelwand und wird an der rechten A-Säule verschraubt.
Knieprotektoren und andere Anschlusselemente können ebenso wie bei dem Bogen,
der zwischen linker A-Säule
und Kardantunnel vorgesehen wird, angespritzt werden.
-
Die
Knieprotektoren, die an einem oder beiden der Bögen angebracht werden, werden
dabei vorzugsweise als offene, mit Rippen verstärkte Bauteile oder alternativ
als Schlaufen ausgeführt.
-
Werden
zwei Bögen
eingesetzt, d. h. ein erster Bogen, der von der linken A-Säule zur
Kardantunnelwand führt,
und ein zweiter Bogen, der von der Kardantunnelwand zur rechten
A-Säule führt, werden diese
Bögen vorzugsweise
durch eine beispielsweise ebenfalls angespritzte Aufnahmevorrichtung
für ein Audio-
und/oder Navigationsgerät
oder eine Verbindungsstrebe, die z. B. als offenes Profil mit Verrippung
ausgeführt
ist, verbunden. Diese Elemente können
alternativ auch anderweitig, d. h. nachträglich, an den Bögen befestigt
werden, wobei dies jedoch zusätzliche
Arbeitsschritte erfordert und daher weniger bevorzugt ist.
-
Vorzugsweise
sind an den jeweiligen Bögen zusätzlich Befestigungselemente
in Form von Klemmverbindungen und/oder Verrastungen vorgesehen,
in die Leitungen, insbesondere Flach- oder Rundleiter, eingefügt werden
können.
Dadurch entfällt
die Notwendigkeit, solche Leitungen mit Kabelverbindern am Querträger zu befestigen.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
Nachfolgend
wird die Erfindung rein beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in denen:
-
1 eine
erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Querträgers zeigt;
-
2 eine
zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Querträgers zeigt;
und
-
3 eine
alternative Ausführungsform
im Bereich der Lenksäulenanbindung
zeigt.
-
Wege zur Ausführung der
Erfindung
-
Der
erfindungsgemäße Querträger 10,
der in 1 dargestellt ist, umfasst zwischen dem Anschluss
zur linken A-Säule des
Kraftfahrzeugs und der Kardantunnelwand einen Rohrbogen 12 aus
einem Faserverbundwerkstoff, vorzugsweise CFK (mit Kohlefasern verstärkter Kunststoff).
Zur Befestigung an der linken A-Säule (nicht dargestellt) ist
eine Säulenanbindung 14 vorgesehen,
die ihrerseits aus metallischem Werkstoff gefertigt und am Rohrbogen 12 verklemmt
ist, d. h. form- und reibschlüssig
angeschlossen ist, und zusätzlich
mit Klebstoff befestigt ist. Der Klebstoff, mit dem die Anbindung 14 am Rohrbogen 12 angebracht
wird, wirkt dämpfend
und kerbspannungsmindernd auf den Rohrbogen 12. Die Anbindung 14,
d. h. meist eine Klemmverbindung, ist vorzugsweise aus Stahl hergestellt
und hat Öffnungen
zur Verschraubung an der A-Säule.
-
Ferner
sind an dem in 1 dargestellten Querträger im Bereich
des Rohrbogens 12 Knieprotektoren 16 im Spritzgussverfahren
angespritzt. Einer der Knieprotektoren 16, der linke in 1,
ist zusätzlich
integral mit einer Instrumententafelanbindung 18 geformt,
die ihrerseits im Spritzgussverfahren und unter Einbindung von Versteifungsrippen
geformt ist. Die in 1 verwendeten Knieprotektoren 16 weisen eine
schlaufenförmige
Gestalt auf. Wie es dem Schnitt A-A aus 1 zu entnehmen
ist, ist im Bereich der Knieprotektoren 16 der Rohrbogen 12 mit einem
Polygonprofil, d. h. einem Dreiecksprofil, geformt, so dass der
angespritzte Knieprotektor 16 zusammen mit der integral
gefertigten Instrumententafelanbindung 18 (bzw. beim rechten
Knieprotektor 16 ohne die Instrumententafelanbindung) sich
gegenüber
dem Rohrbogen 12 auch bei Auftreten von Belastungen nicht
verdreht.
-
Anstatt
die Instrumententafelanbindung 18 integral mit dem Knieprotektor 16 zu
formen, ist es auch möglich,
beide Elemente getrennt an dem Rohrbogen 12 anzubringen.
-
Ferner
ist im Bereich des Rohrbogens 12 des Querträgers 10 eine
Lenksäulenanbindung 20 vorgesehen.
Die Lenksäulenanbindung 20,
an der die Anschraubplatte der Lenksäule (auch nicht dargestellt) montiert
wird, kann mit dem Rohr 12 eine form-, kraft- und/oder
stoffschlüssige
Verbindung eingehen. Klebstoff für
die Verbindung, zumindest zusätzlich
vorzusehen, wird bevorzugt, da dadurch im Belastungsfall Spannungsspitzen
im Faserverbundrohr abgebaut werden und somit die Festigkeit des
Faserverbundrohrs 12 nicht beeinträchtigt wird. Die Lenksäulenanbindung 20 an
sich ist vorzugsweise aus metallischem Werkstoff, d. h. aus Stahl
oder ähnlichem.
-
Wie
in 3 gezeigt, kommt statt der metallischen Lenksäulenanbindung
(20) auch eine Anbindung in Betracht, bei der an dem in 3 beispielhaft gezeigten
Rohrbogen 12 zwei faserverstärkte Kunststoffteile 21 angebracht
werden. Diese werden im Tiefziehverfahren, also durch Einlegen der
Halbschalen in ein Werkzeug, Erwärmen
und Umformen hergestellt, wobei Faserverbundplatten mit Thermoplastmatrix,
d.h. insbesondere Platten aus gerichteten Endlosfasern mit thermoplastischer
Matrix, die als Halbschalen erhältlich
sind, als Ausgangsmaterial verwendet werden. Diese geformten Kunststoffteile 21 sind
mittels Verschraubung oder aber auch Verklebung oder Verschweißen am Rohrbogen 12 befestigt.
Die dafür
vorgesehene Verschraubungslöcher
sind in 3 erkennbar.
-
Der
Querträger 10 gemäß 1 weist
ferner eine Verbindungsstrebe 22 auf. Diese Verbindungsstrebe 22 ist
im Spritzgussverfahren an den Rohrbogen 12 aus Faserverbundwerkstoff
angespritzt, wobei im Verbindungsbereich 24 wiederum eine
formschlüssige
Verbindung zum Einsatz kommt, d. h. der Rohrbogen in diesem Bereich
beispielsweise ein dreiecksförmiges
oder anderes polygonales Querschnittsprofil aufweist. Die Verbindungsstrebe 22,
die sich vom Verbindungsbereich 24 am Rohrbogen 12 zur
rechten A-Säule (nicht
dargestellt) erstreckt, ist ihrerseits als Spritzgussbauteil mit
Verstärkungsrippen
ausgeführt.
-
In
der dargestellten Ausführungsform
sind an die Verbindungsstrebe 22 Knieprotektoren 17 für den Beifahrerbereich,
eine Airbaganbindung 26 sowie die Anbindung 28 an
die A-Säule
(rechter A-Säule)
direkt angespritzt. Dies bedeutet, wenn das Rohrstück 12 in die
Spritzgussform eingelegt ist und ggf. vor dem Spritzgießen mit
Sand oder anderen Kernen bzw. Fluiden ausgefüllt ist, um ein Verquetschen
des Rohrelements 12 während
des Spritzgussvorgangs zu vermeiden, können alle weiteren Elemente
in einem Arbeitsschritt angespritzt werden. Somit ist der Herstellungsvorgang
wenig arbeitsintensiv. Nach Bedarf können zusätzlich auch Befestigungselemente für Leitungen
(nicht dargestellt) an den Rohrbogen 12 bzw. die Verbindungsstrebe 22 mit
angeformt werden.
-
Der
Rohrbogen 12 an sich wird vorzugsweise durch Aufbringen
eines Flechtschlauchs aus Faserverbundwerkstoff auf einen Kern (Holz-,
Schaum-, Sandkern) und anschließendes
Laminieren hergestellt. Der Kern kann nach dem Laminieren aus dem Bauteil
entfernt werden oder verbleibt im Bauteil, je nach Art des Kerns.
-
2 zeigt
eine weitere Ausführungsform des
Querträgers 10 gemäß der Erfindung.
Der Bereich zwischen linker A-Säule
(nicht dargestellt) und Kardantunnel ist dabei im Wesentlichen identisch
zu dem im Zusammenhang mit 1 beschriebenen. Daher
wird die Beschreibung nicht nochmals wiederholt. Lediglich die Knieprotektoren 16 sind
in der in
-
2 dargestellten
Ausführungsform
als offene Bauteile ausgeführt.
-
Im
Bereich zwischen Kardantunnel und rechter A-Säule wird der in 2 dargestellte
Querträger 10 durch
einen Rohrbogen 32 aus Faserverbundwerkstoff ähnlich zu
dem Rohrbogen 12 gebildet. An diesen Rohrbogen 32 sind
wiederum Knieprotektoren 17 in offener Ausführungsform
sowie eine Anbindung an die Instrumententafel 18 angespritzt.
Die Anbindung an die rechte A-Säule 34 ist
entsprechend der Anbindung 14 an die linke A-Säule.
-
Es
ist ferner möglich,
weitere Anbindungselemente an diesem Rohrbogen 32 anzubringen,
beispielsweise eine Aufnahme für
einen Airbag oder ähnliches.
-
Eine
weitere Ausführungsform
des Querträgers 10 ist
in 2 ebenfalls angedeutet. Dabei werden der linke
Rohrbogen 12 und der rechte Rohrbogen 32, d. h.
der Rohrbogen 12, der den Bereich zwischen linker A-Säule und
Kardantunnel abdeckt und der rechte Rohrbogen 32, der den
Bereich zwischen Kardantunnel und rechter A-Säule abdeckt, miteinander verbunden,
indem zwischen beiden Elementen ein Spritzgussanschlussteil angefügt wird.
Dieses Spritzgussanschlussteil kann beispielsweise eine Aufnahme 36 für ein Audio-
bzw. Navigationsgerät sein
oder aber aus einer Verbindungsstrebe 38 aus mit Rippen
versteiften Kunststoff bestehen. Der Anschluss an die Rohrbögen 12 bzw. 32 dieser
Verbindungselemente 36, 38 kann dabei ebenfalls
wieder durch geeignete Querschnittswahl der Rohrbögen 12, 32 in
den jeweiligen Verbindungsbereichen formschlüssig gestaltet werden.
-
Der
wesentliche Aspekt der Erfindung liegt darin, einen Querträger für ein Kraftfahrzeug
vorzusehen, der kostengünstig
herzustellen ist und bei dem Anschlusselemente ohne erheblichen
zusätzlichen
Fertigungsaufwand nach Bedarf vorgesehen werden können.