DE4224489C3 - Vorderer Längsträger für ein Kraftfahrzeug mit Strangpreßprofil aus Leichtmetall - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen vorderen Längsträger für ein Kraftfahrzeug mit Strangpreßprofil aus Leichtme­ tall nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zum Aufbau selbsttragender Karosserien werden im Tiefziehverfahren verformte Stahlbleche verwendet. Träger, insbesondere Längsträger mit Hohlprofilen, werden dabei jeweils aus wenigstens zwei tiefgezoge­ nen und miteinander verschweißten Blechen hergestellt. Die Preßwerkzeuge zum Verformen der Bleche sind verhältnismäßig teuer, lassen jedoch hohe Stückzahlen zu, so daß für eine Großserienfertigung damit eine ko­ stengünstige Lösung zur Verfügung steht. Für Kleinse­ rien ist eine solche Karosserieherstellung aufgrund der hohen erforderlichen Werkzeuginvestitionen sehr ko­ stenintensiv.

Es ist daher insbesondere für Kleinserien bekannt (EP 0 146 716 B1), Fahrzeugkarosserien für Personenkraft­ wagen mit einer Tragstruktur aus Hohlprofilen herzu­ stellen, welche durch Knotenelemente miteinander ver­ bunden sind. Die Hohlprofile sind dabei als Leichtme­ tall-Strangprofile und die Knotenelemente als Leicht­ metall-Gußteile ausgebildet. Neben einer kostengünsti­ geren Lösung für Kleinserien werden mit einer solchen Konstruktion vorteilhaft auch geringere Karosseriege­ wichte und Verbesserungen beim Korrosionsschutz er­ reicht.

Die Tragstrukturen der Karosserien enthalten im Vorderwagen sowohl bei selbsttragenden Karosserien aus Stahlblech (DE-AS 18 01 960) als auch bei Leicht­ metall-Karosserien aus Strangprofilen und Knotenele­ menten (EP 0 146 716 B1) beidseitig verlaufende vorde­ re Längsträger. Diese Längsträger haben neben ihrer Tragfunktion bei modernen Karosserien zudem im Fall eines Frontalaufpralls eine Sicherheitsfunktion derge­ stalt zu erfüllen, daß sie bei einer Belastung und Form­ veränderung Aufprallenergien aufnehmen. Die Aufpral­ lenergie wird damit u. a. über die Verformung der vor­ deren Längsträger abgebaut und nicht in die Fahrgast­ zelle eingeleitet, die zum Schutz der Insassen möglichst stabil und in ihrer Form unverändert verbleiben soll.

Eine große Energieaufnahme wird in an sich bekann­ ter Weise erreicht, wenn ein Längsträger bei einer Bela­ stung in Längsrichtung verkürzt wird, wobei sich durch ein sog. Faltenbeulverhalten aus der Belastungsrichtung eine Falte an die andere anschließt, wodurch dann die Gestalt eines zusammengeschobenen Faltenbalgs ent­ steht. Dieses Faltenbeulverhalten weisen bei geeigneter Dimensionierung und Anordnung im Fahrzeug vordere Längsträger mit üblichen Profilquerschnitten wie Vier­ eckprofile, Sechseckprofile, Achteckprofile und Kreis­ profile auf (FR 2 439 124). Bei Blechträgerkonstruktio­ nen ist es zudem bekannt (DE-AS 18 01 960), durch querverlaufende Sicken und Aussparungen die Einlei­ tung des Faltbeulvorgangs zu unterstützen und ein Auf­ falten ohne Ausknicken des Trägers sicherzustellen. Sol­ che querverlaufenden Sicken und Aussparungen sind aufgrund des Herstellungsverfahrens bei Leichtmetall- Strangpreßprofilen nicht möglich. In einer bekannten Tragstruktur einer Leichtmetallkarosserie (EP 0 146 716 B1) bestehen die Längsträger im Vorderwa­ gen aus einem Strangprofil mit einem im Querschnitt rechteckigen Profilhohlraum.

Auch bei Leichtmetallkarosserien wird angestrebt, Leichtmetallbauteile, insbesondere Träger mit wenig Gewicht einzusetzen, da dadurch einerseits das Fahr­ zeuggewicht zur Reduzierung des Treibstoffverbrauchs noch günstiger wird und andererseits eine kostengünsti­ ge Fertigung durch geringen Materialaufwand des rela­ tiv teuren Leichtmetalls möglich wird. Bei vorderen Längsträgern der Karosserie muß aber in jedem Fall die erforderliche Steifigkeit und Stabilität in Verbindung mit einer bei einem Frontaufprall erforderlichen Ener­ gieaufnahme in einem Faltenbeulvorgang gewährleistet sein.

Es sind weiter Leisten bekannt (DE 40 13 784 A1) als Leichtmetall-Strangpreßprofile (Bezugszeichen 31) mit in Längsrichtung durchgehender Mittenwand. Diese Leisten sind jedoch keine vorderen Längsträger im Sin­ ne des Anmeldungsgegenstandes, sondern Bestandteile der doppelwandigen Bodenstruktur der Fahrgastzelle in einem Teileverbund. Bei einem Frontprallaufwand soll die Fahrgastzelle und damit auch die Bodenstruktur un­ verformt bleiben, so daß hier ein gezieltes Faltenbeul­ verhalten weder in Frage kommt, noch durch den Bau­ teileverbund in der doppelwandigen Bodenstruktur möglich ist.

In dieser ist auch ein vorderer Längsträger (Bezugs­ zeichen 5) angegeben. Dieser vordere Längsträger ist aus drei Profilbereichen aufgebaut, wobei an einem mittleren, runden Profilquerschnitt zu beiden Seiten ge­ genüberliegend kastenförmige Profile angeformt sind, die an ihrer Anlagefläche zum runden Profil eingezogen sind, wodurch sich eine schmale, linienförmige Verbin­ dung ergibt. Das dargestellte, schmale Profil (Fig. 1) ist für einen Faltenbeulvorgang ungeeignet, da der Längs­ träger, insbesondere durch die linienförmige Verbin­ dung der oberen und unteren Profilbereiche mit dem Rundprofil, eine hohe, vertikale Stabilität, verbunden mit einer geringen Querstabilität, aufweist. Bei einer Frontalbelastung wird der Längsträger daher ohne Fal­ tenbeulverhalten in Querrichtung ausknicken.

Aus den Anfängen des Automobilbaus ist es weiter bekannt (DE-PS 607 577), zum Schutz des Fahrzeugs und nicht zum Schutz der Fahrgäste starre Stoßstangen in Verbindung mit stabilen Rahmenkonstruktionen zu verwenden. Entsprechend sind auch die dortigen Längs­ träger im wesentlichen mit gleichen Querschnittsaus­ führungen durch das ganze Fahrzeug geführt. Ein Längsträger mit faltenbeulendem Querschnittsprofil für eine moderne Leichtmetall-Karosserie ist hieraus nicht zu entnehmen. Zudem hat es sich gezeigt, daß es bei den dargestellten Blechkonstruktionen von Trägern Längs­ wände im Profilhohlraum bei Längsbelastungen an den Schweißstellen abreißen, so daß diese in einen Falten­ beulprozeß nicht mit einbezogen werden.

Aus einer nachveröffentlichten Schrift (DE 41 13 711 A1) ist ein Hohlträger zu entnehmen, bei dem Verstär­ kungswände bei Verformung des Hohlträgers in vorbe­ stimmter Weise zu Falten verformt werden. Dazu sind diese Verstärkungswände von vornherein gewölbt aus­ geführt. Ersichtlich ist hier die Belastungsrichtung quer zur Profillängsrichtung bzw. wird ein Abschnitt des Hohlträgers mit seiner Profillängsrichtung quer zur Be­ lastungsrichtung für eine Energieaufnahme montiert. Dies ist bei der großen Längserstreckung eines vorde­ ren Längsträgers im Vorderwagen nicht möglich.

"Es ist weiter eine Fahrzeugkarosserie für Personenkraftwagen mit einer Tragstruktur aus Leichtmetall-Strangprofilen bekannt (EP 0 494 116 A2), wobei zur Vermeidung von Gußknotenelementen die Leichtmetall-Strang­ profile als Hohlprofile ausgeführt sind, die ineinandergesteckt und fixiert werden können. Die verwendeten Trägerteile bestehen im wesentlichen aus flachen, langgestreckten Elementen mit einer Mehrzahl nebeneinander­ liegender Hohlraumkammern, die durch Längsstege voneinander getrennt sind. Aus diesen plattenförmigen Strangprofilelementen werden die in der Tragstruktur des Personenkraftwagens verwendeten Teile durch nachträg­ liches Beschneiden hergestellt, wobei unter anderem Hohlraumkammern in Längsrichtung teilweise herausgeschnitten werden. Die hier verwende­ ten vorderen Längsträger sind entsprechend hergestellt, wobei aus einem vertikal stehenden Plattenelement im vorderen Bereich mittlere Hohlkam­ mern teilweise herausgeschnitten wurden, so daß sich jeweils ein gabel­ förmiger vorderer Längsträger (Bezugszeichen 32) ergibt. Die Ausschnitte in den Hohlraumkammern dienen der Gewichtsreduzierung und bilden Öffnungen für angrenzende Funktionskomponenten, wie Komponenten der Lenkung. Der obere Gabelteil des vorderen Längsträgers weist in seinem vorderen Bereich durch den Ausschnitt ein Rechteckprofil mit zwei Hohl­ raumkammern auf. Die gabelartige Ausbildung des Längsträgers, bei dem am unteren Gabelteil ein stabiler Fahrschemel montiert ist, dürfte bei einem Frontaufprall zu keiner Krafteinwirkung führen, die den oberen Längsträgergabelteil in Längsrichtung so belastet, daß sich eine Faltenbeulung ausbilden könnte. Der Abbau von Aufprallenergie bei einem Frontaufprall ist in der Schrift nicht angesprochen.

Bei einem ähnlichen, bekannten Trägerteil (WO 90/04534) liegen ebenfalls in einer insgesamt schmalen, plattenförmigen Anordnung in einem Strangprofil mehrere Hohlraumkammern übereinander (Fig. 1). Wegen der flachen Gestalt mit mehreren Querstegen tritt hier bei einem Frontaufprall kein Faltenbeulvorgang über eine längere Distanz auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen vorderen Leichtmetall-Längsträger eines Kraftfahrzeugs als Strangpreßprofil zu schaffen, der bei geringem Materialeinsatz bei einem Faltenbeulvorgang eine hohe Energieaufnahme als massenspezifische Energieaufnahme aufweist.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Gemäß Anspruch 1 ist der Querschnitt der Trägeraußenwand kreisring­ förmig als Kreis geschlossen und die Längswand bildet als Steg einen Kreisdurchmesser des Querschnitts.

Es hat sich gezeigt, daß trotz eines Querstegs im Trägerquerschnitt ein Faltenbeulvorgang möglich ist, bei dem der Quersteg, ohne von der Trägerwand abzureißen, teilnimmt. Eine überraschend hohe, massenspezi­ fische Energieaufnahme tritt bei einem kreisringförmigen Querschnitt mit einem Quersteg als Kreisdurchmesser auf. Damit können Längsträger mit geringem Leichtmetall-Materialeinsatz bei hoher Aufprallenergieaufnahme verwendet werden, die gewichtsgünstig und preiswert herstellbar sind. Es ist somit eine Optimierung hinsichtlich des Materialeinsatzes und/oder der Energieaufnahme bei einem Faltenbeulprozeß (insbesondere unter Berück­ sichtigung der Merkmale von Anspruch 2) möglich."

Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Versuchs­ aufbaus zur Ermittlung der massenspezifischen Energie­ aufnahme und der mittleren Faltenbeulkraft von Leicht­ metall-Strangpreßprofilen als Längsträger bei einem Frontalaufprall,

Fig. 2 untersuchte Querschnittsgeometrien von Leichtmetall-Strangpreßprofilen,

Fig. 3 eine Darstellung eines undeformierten Vier­ eckprofils als Rechteckprofil,

Fig. 4 eine Darstellung des deformierten Rechteck­ profils nach Fig. 3,

Fig. 5 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen, un­ deformierten Viereckprofils als Rechteckprofil mit Steg,

Fig. 6 eine Darstellung des deformierten Rechteck­ profils nach Fig. 5,

Fig. 7 eine Darstellung eines undeformierten Kreis­ profils (Rohr),

Fig. 8 eine Darstellung des deformierten Kreisprofils nach Fig. 7,

Fig. 9 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen, un­ deformierten Kreisprofils mit Steg,

Fig. 10 eine Darstellung des deformierten Kreispro­ fils nach Fig. 9,

Fig. 11 ein Diagramm über die Werte der massenspe­ zifischen Energieaufnahme unterschiedlicher unter­ suchter Querschnittsgeometrien und

Fig. 12 ein Diagramm über Werte für die mittlere Faltenbeulkraft der Querschnittsgeometrien nach Fig. 11.

In Fig. 1 ist der Versuchsaufbau zur Ermittlung einer massenspezifischen Energieaufnahme eines Leichtme­ tall-Strangpreßprofils 1 bei einer Längsbelastung in ei­ nem Frontalaufprall dargestellt. Dazu wird das Leicht­ metall-Strangpreßprofil entsprechend der Belastung, wie sie bei einem vorderen Längsträger in einem Kraft­ fahrzeug auftritt senkrecht gegen eine Wand 2 gefah­ ren, wobei das Fahrzeug mit seinem Gewicht durch ei­ nen Schubwagen 3 simuliert ist. Der Schubwagen 3 hat dabei eine Masse von 1000 kg und Fährt mit einer Ge­ schwindigkeit von v = 13,89 m/sek das Leichtmetall- Strangpreßprofil 1 gegen die Wand 2. Es wurden die unterschiedlichen Querschnittsgeometrien nach Fig. 2 untersucht, d. h. in der Anordnung nach Fig. 1 wurden Leichtmetall-Strangpreßprofile 1 mit den in Fig. 2 ange­ gebenen Querschnittsgeometrien der Reihe nach unter­ sucht und die Ergebnisse hinsichtlich der massenspezifi­ schen Energieaufnahme und einer mittleren Faltenbeul­ kraft ermittelt.

Gemäß Fig. 2 wurde ein Viereck als Rechteckform 4 sowohl ohne als auch mit durchgehender Längswand 5 untersucht. Einzelheiten sind in den Fig. 3 bis 6 näher dargestellt. Weiter wurden ein gleichmäßiger Sechseck­ querschnitt 6 und Achteckquerschnitt 7 untersucht.

Ebenfalls wurde ein Kreisquerschnitt 8 ohne und mit Längswand 9 untersucht Einzelheiten sind in den Fig. 7 bis 10 gezeigt.

Um die untersuchten Strangpreßprofile mit unter­ schiedlichen Querschnittsgeometrien vergleichbar zu machen, wurde jeweils eine Länge der Strangpreßprofi­ le von 400 mm und eine Wandstärke von 1,7 mm aller auftretenden Wände gewählt. Zudem liegt der Quer­ schnittsdurchmesser bei 100 mm bei etwa gleicher Querschnittsfläche, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.

In Fig. 3 ist ein Viereck-Strangpreßprofil als Recht­ eckprofil 4 (ohne Steg) im undeformierten Zustand ge­ zeigt, wie es als vorderer Längsträger in einem Kraft­ fahrzeug verwendet wird.

In Fig. 4 ist dasselbe Rechteckprofil im deformierten Zustand dargestellt, wobei die Krafteinleitung entspre­ chend der Aufprallstelle gemäß der Anordnung nach Fig. 1 von der linken Seite her erfolgte. Es ist zu ersehen, daß die Länge des Rechteckprofils 4 unter Bildung von querverlaufenden Falten 10 und Beulen 11 verkürzt ist.

In Fig. 5 ist ein undeformiertes Rechteckprofil 4 ent­ sprechend Fig. 3, jedoch mit einer mittleren Längswand 5 (Steg) dargestellt.

In Fig. 6 ist dasselbe Rechteckprofil 4 nach dem Fal­ tenbeulvorgang dargestellt. Es ist zu erkennen, daß auch die Längswand 5, ohne von der umgebenden Außenwand abzureißen, durch Falten und Beulen verformt wurde, wobei an der Außenwand Einbuchtungen 12 im Bereich der Längswand 5 auftreten.

In Fig. 7 ist ein undeformiertes Strangpreßprofil mit kreisringförmigem Querschnitt gezeigt, wie es als vor­ derer Längsträger in einem Kraftfahrzeug verwendbar ist.

In Fig. 8 ist das gleiche Profil nach einem Frontauf­ prall im deformierten Zustand gezeigt, wobei auch hier die Krafteinleitung von Links her erfolgte. Auch hier tritt eine Verkürzung unter Bildung von querverlaufenden Falten 10 und Beulen 11 auf.

In Fig. 9 ist ein erfindungsgemäßes Leichtmetall- Strangpreßprofil mit kreisringförmigen Querschnitt 8 und einer mittleren Längswand 9 (Steg) dargestellt.

In Fig. 10 ist das Profil nach Fig. 9 im deformierten Zustand nach dem Aufprall gezeigt. Auch hier nimmt die Längswand 9, ohne von der umgebenden Außen­ wand abzureißen, am Faltenbeulvorgang teil, wobei auch hier Einbuchtungen 12 im Bereich des Übergangs von der Außenwand zur Längswand 9 auftreten.

In den Fig. 11 und 12 sind die Ergebnisse der Untersu­ chungen hinsichtlich der massenspezifischen Energie­ aufnahme (Wert in kJ/kg) und mittleren Faltenbeulkraft (Werte in kN) angegeben.

Aus Fig. 11 ist ersichtlich, daß mit der erfindungsge­ mäßen Maßnahme durch Einbringung einer Längswand 5,9 als Steg die massenspezifische Energieaufnahme im Vergleich zu einer Querschnittsgeometrie ohne Steg er­ heblich gesteigert werden kann. Bei einer Viereckgeo­ metrie wurde eine Steigerung des Wertes von 18,8 auf 27,4 und bei einer Kreisgeometrie von 29,2 auf 32,2 er­ mittelt. Die höchste massenspezifische Energieaufnah­ me und somit die beste Materialausnutzung wurde für die Querschnittsgeometrie Kreis mit Steg mit einem Wert von 32,2 festgestellt. Dieser Wert liegt auch höher als die Werte für Sechseck (27,7), Achteck (28,1) und Kreis (29,2) jeweils ohne Steg.

In Fig. 12 ist noch die mittlere Faltenbeulkraft ange­ geben, wobei zu ersehen ist, daß diese bei den erfin­ dungsgemäßen Ausführungen mit Steg im Vergleich zu den übrigen Querschnittsgeometrien höher liegt, was die Stabilität beim Einsatz als Längsträger in einer Fahr­ zeugkarosserie verbessert.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß durch Ein­ bringen der erfindungsgemäßen Längswand bei einem Frontalaufprall weiter ein gleichmäßiger Faltenbeulvor­ gang in Verbindung mit einer vorteilhaften Erhöhung der massenspezifischen Energieaufnahme gewährleistet ist.

Claims (2)

1. Vorderer Längsträger für ein Kraftfahrzeug mit Strangpreßprofil aus Leichtmetall
mit einer im Querschnitt ringförmig geschlossenen Trägeraußenwand, die einen längsverlaufenden, im Querschnitt gleichbleibenden Profilhohl­ raum umgibt, wobei der Profilhohlraum durch eine ebene Längswand als durchgehender Steg in zwei längsverlaufende, im Querschnitt gleichblei­ bende Hohlraumkammern geteilt ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Querschnitt der Trägeraußenwand kreisringförmig als Kreis (8) geschlossen und die Längswand (9) als Steg ein Kreisdurchmesser des Querschnitts ist und der Längsträger ein Faltenbeulverhalten bei einer Belastung in Längsrichtung aufweist.

2. Vorderer Längsträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Wandstärke der Trägeraußenwand gleich ist, und
daß die Wandstärke der Längswand (9) der Wandstärke der Träger­ außenwand entspricht.