Die Erfindung bezieht sich auf eine Karosserie eines Per
sonenkraftwagens mit einer Tragstruktur, welche im we
sentlichen aus stranggepreßten Leichtmetallträgern be
steht. Solche Tragstrukturen zeichnen sich insbesondere
durch eine geringe Masse aus, woraus Kraftstoffeinsparun
gen resultieren.
Bekannt sind Karosserien der o. g. Art beispielsweise aus
der DE-OS 41 39 306. Hier werden Trägerverbindungen durch
Knotenelemente stabilisiert, wobei die Knotenelemente
dickwandige Gußknoten sind. So soll ein steifer Verband
insbesondere kritische Schwachstellen im Bereich des
Fahrzeugdachs belastbarer machen. Die Fertigung der Guß
knoten ist aufwendig und teuer. Eine Vielzahl verwendeter
Gußknoten erhöht die Masse der Karosserie und verschlech
tert ihre Wiederverwertbarkeit für vergleichbare Anwen
dungsfälle. Da die Recyclingfähigkeit bei Leichtmetall
karosserien als besonderer Vorteil zu werten ist, werden
hier die größten Effekte erzielt, wenn möglichst keine
grundlegend verschiedenen Legierungen zum Einsatz kommen.
Dies ist aber gegeben, wenn einerseits Strangpreßprofile
und andererseits Gußknoten zum Einsatz kommen.
Die Stabilität einer PKW-Tragstruktur wird wesentlich be
stimmt durch die Art und Weise der Verbindung der einzel
nen Träger. Wie in der DE-OS 41 39 306 ausgeführt, ist es
ratsam, daß die Träger das Knotenelement zumindest in
einem Teilbereich überdecken, also die Träger seitlich am
Knotenelement anliegen. So soll eine breite Basis für die
Verbindung zur Verfügung stehen. In letzter Konsequenz
realisiert ist dies aber nach dem o. g. Stand der Technik
nicht, da ein Träger immer mit einer endseitigen Stirn
fläche am Knotenelement anliegt. Dies wird umso problema
tischer, wenn relativ schlanke Träger mit nur kleiner
Stirnfläche zu verbinden sind. Ein Knotenelement sollte
nie unmittelbar im Eckbereich zweier zu verbindender Trä
ger angeordnet sein.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbin
dung von Leichtmetallträgern innerhalb einer PKW-Karosse
rie zu schaffen, die kostengünstig herstellbar ist, keine
Nachteile bezüglich der Recyclingfähigkeit mit sich
bringt, die hohen Belastungen Stand hält und die univer
sell an vielen Stellen der Tragstruktur nutzbar ist. Eine
spezielle Aufgabe der Erfindung ist es, die Verbindung
zwischen einer A-Säule und einem Dachrahmenträger im Hin
blick auf die o. g. Kriterien optimal zu gestalten.
Zur Lösung dieser Aufgaben zeichnet sich die Tragstruktur
der PKW-Karosserie durch die kennzeichnenden Merkmale der
Patentansprüche 1 und 3 aus. Weitere Gestaltungsmerkmale
ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 sowie 4 bis 10.
Winklig miteinander zu verbindende Leichtmetallträger aus
Strangpreßprofilen werden unter Zwischenschaltung von
Knotenelementen miteinander verschweißt, wobei die Kno
tenelemente ebenfalls aus stranggepreßten Leichtmetall
profilen zugeschnitten sind und an seitlichen Flächen der
zu verbindenden Leichtmetallträger anliegen. Ein so ent
stehender Verbund in Dreiecksform kann präzise herge
stellt werden und ist hochbelastbar. Die Strangpreßrich
tung des Knotenelementes wird derart ausgerichtet, daß
sie etwa parallel zu einer von den Leichtmetallträgern
gebildeten Ebene verläuft. Das Knotenelement kann auf
beide zu verbindende Leichtmetallträger aufgeschuht wer
den. Es ist aber auch möglich und vorteilhaft, das Kno
tenelement nur auf einen der Leichtmetallträger aufzu
schuhen und den anderen Leichtmetallträger an das Knoten
element anzulegen oder ihn in das Profil des Knotenele
mentes einzuführen. Das heißt praktisch, daß die Strang
preßrichtung des Knotenelementes etwa parallel zur
Strangpreßrichtung eines der Leichtmetallträger verlaufen
kann. Bei der letztgenannten Gestaltungsvariante ist die
Querschnittsfläche des Knotenelementes bereichsweise kom
plementär zu der Querschnittsfläche des Leichtmetallträ
gers auszugestalten, dessen Strangpreßrichtung etwa par
allel zu der des Knotenelementes ausgerichtet ist. Neben
dem Vorteil der guten Kraftverteilung innerhalb der Ver
bindungsstelle ist von besonderer Bedeutung, daß die Kno
tenelemente aus dem gleichen Material wie die Leichtme
tallträger gefertigt sein können. Sie sind somit beson
ders gut schweißbar und absolut problemlos recycelbar.
Insbesondere können annähernd gleiche Aluminiumlegierun
gen Anwendung finden.
Aufgrund der vielfältigen Gestaltungsmöglichkeiten für
die konkrete Form der Knotenelemente ist es möglich, wei
tere Leichtmetallträger der Tragstruktur an dasselbe Kno
tenelement anzubinden. Diese Knotenelemente erfüllen aber
immer eine Hauptaufgabe - die sichere Verbindung zweier
Leichtmetallträger. Dabei ist es unwesentlich, ob es sich
um Eckverbindungen oder beispielsweise um T-Verbindungen
handelt.
Die detaillierte Beschreibung der Erfindung erfolgt an
hand von Ausführungsbeispielen, wobei in den Fig. 1 und 2
ungünstig gestaltete, der vergleichenden Betrachtung die
nende Beispiele gezeigt sind, die nicht Inhalt der Erfin
dung sind. In den weiteren Zeichnungen zeigt:
Fig. 3 eine T-Verbindung von zwei Leichtmetall
trägern der Tragstruktur einer PKW-Karos
serie;
Fig. 4 die Verbindung einer A-Säule mit einem
Dachrahmenträger in einer Seitenansicht;
Fig. 5 Schnitt V-V aus Fig. 4 in vergrößertem
Maßstab;
Fig. 6 perspektivische Ansicht auf ein weiteres
Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei
eine A-Säule, ein Dachrahmenträger, ein
weiterer Stützträger und ein Scheibenquer
träger an einem Knotenelement verschweißt
sind.
In Fig. 1 ist eine Verbindungsstelle von Leichtmetallträ
gern innerhalb der Tragstruktur einer PKW-Karosserie dar
gestellt. Die hier gezeigte Art der Verbindung ergibt
sich aus der eingangs beschriebenen DE-OS 41 39 306. Eine
A-Säule 1 ist als Leichtmetallträger, insbesondere als
Aluminium-Strangpreßprofil ausgeführt und mit einem Dach
rahmenträger 2 verbunden, der ebenfalls aus einem Strang
preßprofil gefertigt ist. Ein Knotenelement 3 liegt seit
lich an dem Dachrahmenträger 2 an und stützt sich zusätz
lich an der endseitigen Schnittfläche der A-Säule 1 ab.
Das Knotenelement 3 besteht aus Leichtmetallguß und damit
aus anderem Material als die A-Säule 1 bzw. der Dachrah
menträger 2. Die Fertigung des Knotenelementes 3 ist auf
wendig. Das Knotenelement selbst stellt eine zum Ansatz
an den Dachrahmenträger 2 passende Verlängerung der A-
Säule 1 dar. Die Verschweißung des Knotenelementes 3 an
der A-Säule 1 erfolgt über nahezu die gesamte Breite der
Stirnfläche der A-Säule 1. Am Dachrahmenträger 2 wird das
Knotenelement 3 nur abschnittsweise verschweißt, um Deh
nungen oder Stauchungen zuzulassen.
In Fig. 2 ist ein Knotenelement 4 gezeigt, das stirnsei
tig auf die A-Säule 1 und den Dachrahmenträger 2 aufge
schuht ist, wobei das Knotenelement 4 ebenfalls aus einem
stranggepreßten Leichtmetallprofil gefertigt ist, was
prinzipiell von Vorteil ist. Diese Trägerverbindung ist
aber nur schwach belastbar, da die Strangpreßrichtung des
sehr kurzen Knotenelementes 4 etwa senkrecht auf einer
Ebene steht, die von der A-Säule 1 und dem Dachrahmenträ
ger 2 gebildet wird. Das Profil müßte sehr dickwandig ge
fertigt und mit vielen Verstrebungen versehen werden, um
die notwendige Stabilität aufzuweisen. Dadurch wird es
aber zu schwer. Ein so angeordnetes Knotenelement 4 ist
nur dann sinnvoll verwendbar, wenn definierte Knautsch
zonen geschaffen werden sollen.
Fig. 3 zeigt einen äußerst vorteilhaft gestalteten Aus
schnitt der Tragstruktur einer PKW-Karosserie, wobei es
sich hier um eine T-Verbindung zweier Leichtmetallträger
5, 6 handelt. Ein Knotenelement 7 ist an beiden Leichtme
tallträgern 5, 6 verschweißt, wobei zusätzlich der
Leichtmetallträger 6 an einer Seitenwand des Leichtme
tallträgers 5 verschweißt ist. Die Strangpreßrichtung des
Knotenelementes 7 liegt in einer von den Leichtmetallträ
gern 5, 6 gebildeten Ebene. Das Profil des Knotenelemen
tes 7 ist derart ausgerichtet, daß ein Aufschuhen auf
Seitenflächen beider Leichtmetallträger 5, 6 möglich ist.
Der so gebildete Dreiecksverbund verringert die Belastun
gen im unmittelbaren Eckbereich beider Leichtmetallträger
5, 6. Aufzunehmende Kräfte werden auf drei Schweißbe
reiche verteilt und das Knotenelement 7 bewirkt als Zug-
Druck-Stab eine hohe Steifigkeit der Verbindung. Alle
Schweißzonen befinden sich an gut zugänglichen Bereichen
und die Schweißung kann unproblematisch erfolgen, da
gleiche Materialien zu verschweißen sind.
In den Fig. 4 und 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt, wobei es sich um die Verbin
dungsstelle zweier Leichtmetallträger, insbesondere einer
A-Säule 8 mit einem Dachrahmenträger 9 handelt. Die A-
Säule 8 ist etwa senkrecht stehend angeordnet und ihr
oberes Ende ist mit dem winklig zur A-Säule 8 ausgerich
teten Dachrahmenträger 9 zu verbinden. Auch diese Träger
verbindung wurde so gestaltet, daß Kräfte sich nicht (wie
in den Fig. 1 und 2 gezeigt) im unmittelbaren Kreuzungs
bereich der Leichtmetallträger konzentrieren. Der Dach
rahmenträger 9 ist gegenüber den eingangs beschriebenen
Beispielen nach vorne verlängert bzw. die A-Säule 8 ist
nach hinten versetzt. Somit handelt es sich nicht mehr um
eine Eckverbindung, sondern um eine schiefwinklige T-Ver
bindung. Durch ein (in Fahrtrichtung) vor der A-Säule 8
angeordnetes Knotenelement 10 entsteht ein in Dreiecks
form verschweißter Verbund mit optimalen Eigenschaften.
Die Strangpreßrichtung des wiederum stranggepreßten
Leichtmetall-Knotenelementes 10 liegt etwa in der von der
A-Säule 8 und dem Dachrahmenträger 9 gebildeten Ebene und
ist in diesem Ausführungsbeispiel auch parallel zur
Strangpreßrichtung des Dachrahmenträgers 9 ausgerichtet.
Das Knotenelement 10 hat ein Profil, das bereichsweise
komplementär zum Profil des Dachrahmenträgers 9 geformt
ist. Wie insbesondere aus Fig. 5 deutlich wird, befindet
sich das Profil des Knotenelementes 10 im Eingriff mit
einer unteren Profilfläche des Dachrahmenträgers 9. So
ist eine sehr genaue Positionierung des Knotenelementes
10 am Dachrahmenträger 9 (der Teil eines Dachrahmenmoduls
sein kann) möglich und die Verschweißung kann mit gerin
gem Aufwand erfolgen. Das Knotenelement 10 ist auf die A-
Säule 8 aufgeschuht und auch dort verschweißt, wobei die
Endkante des Knotenelementes 10 schräg (wie in Fig. 4 ge
zeigt) oder parallel (wie in Fig. 3 gezeigt) zur Strang
preßrichtung der A-Säule 8 verlaufen kann. Die Ver
schweißung in Strangpreßrichtung der A-Säule 8 bringt
Vorteile bezüglich des Schweißverzuges mit sich.
Die Querschnittsfläche der A-Säule 8 ist oberhalb des
Knotenelementes 10 gegenüber der ursprünglichen Quer
schnittsfläche dieses Leichtmetallträgers verändert. Da
Kräfte hier nicht über nur eine Schweißstelle, sondern
über drei Schweißstellen, und das Knotenelement 10 über
tragen werden, ist die Belastung der A-Säule 8 oberhalb
des Knotenelementes 10 gering. Das Gewicht des Knotenele
mentes 10 kann im Bereich der oberen A-Säule 8 wieder
eingespart werden und der Anschluß der A-Säule 8 an den
Dachrahmenträger 9 vereinfacht sich.
Ein komplexer ausgeführtes Beispiel für einen Bereich der
Tragstruktur einer PKW-Karosserie ist in Fig. 6 gezeigt.
Die hierzu zu nennenden Vorteile gelten auch für das Aus
führungsbeispiel nach den Fig. 4 und 5. Eine wiederum
etwa senkrecht stehende A-Säule 11 befindet sich auch in
Fig. 6 im Verbund mit einem Dachrahmenträger 12. Der
Dachrahmenträger 12 ragt in Fahrtrichtung (Pfeil F) über
die A-Säule 11 hinweg und ist vor der A-Säule 11 mit
einem Knotenelement 13 verschweißt. Der Dachrahmenträger
12 wird in einer Profilausnehmung 14 des Knotenelementes
13, die komplementär zum Profil des Dachrahmenträgers
ausgebildet ist, aufgenommen und ist dort verschweißt. Im
Verbindungsbereich ist damit also die Strangpreßrichtung
des Knotenelementes 13 wieder parallel zur Strangpreß
richtung des Dachrahmenträgers 12 ausgerichtet. Im weite
ren Verlauf wurde der Dachrahmenträger 12 gebogen. Das
Knotenelement 13 wurde wiederum auf die Seitenflächen der
A-Säule 11 aufgeschuht und beidseitig verschweißt. Nur
ein Profilkasten 15 der A-Säule 11 ist oberhalb des Kno
tenelementes 13 direkt mit dem Dachrahmenträger 12 ver
schweißt. Die Querschnittsfläche der A-Säule 11 ist damit
wieder oberhalb des Knotenelementes 13 gegenüber der ur
sprünglichen Querschnittsfläche verändert. Dies kann den
Erfordernissen entsprechend in unterschiedlicher Weise
erfolgen. Die Querschnittsfläche kann (wie gezeigt) in
Fahrtrichtung F verringert, aber auch quer zur Fahrtrich
tung F verändert werden. So ist eine exakte Anpassung des
mit dem Dachrahmenträger 12 zu verschweißenden Bereiches
der A-Säule 11 an die Form des Dachrahmenträgers 12 mög
lich. Des weiteren kann die Querschnittsfläche der A-
Säule 11 genau den berechneten Belastungen angepaßt wer
den. Unter Umständen ist es sogar möglich, die A-Säule 11
oberhalb des Knotenelementes 13 enden zu lassen und nicht
direkt mit dem Dachrahmenträger 12 zu verschweißen.
Ein durch das Knotenelement 13 hergestellter Dreiecksver
bund zwischen der A-Säule 11 und dem Dachrahmenträger 12
bringt wesentliche Vorteile mit sich:
- - Kraftverteilung und damit Entlastung der an sich be
kannten Eckverbindung A-Säule - Dachrahmenträger;
- - einfache Schweißbarkeit;
- - kostengünstige Fertigung;
- - geringer Aufwand für Änderungen im Design und für
die damit verbundene Neugestaltung des Knotenelemen
tes 13;
- - vorzügliches Recycling;
- - Knotenprofile werden als Halbzeug-Meterware angelie
fert und daraus mechanisch bearbeitet;
- - Förderung des Systems der Modulbauweise (ein modula
rer Dachrahmen kann einfach positioniert und ver
schweißt werden);
- - Anschlußmöglichkeiten für weitere Elemente der
Tragstruktur.
Die Strangpreßprofile sind nahezu beliebig gestaltbar,
wobei es sich in den Ausführungsbeispielen um Profile aus
Aluminiumlegierungen handelt. Alle Leichtmetallträger wie
Knotenelemente werden aus Aluminiumlegierungen einer
Gruppe gefertigt, sind also vom Werkstoff her nahezu
gleich.
Die folgenden Erläuterungen gelten dem weiter oben letzt
genannten Vorteil. Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, wurden
an das Knotenelement 13 weitere Elemente der Tragstruktur
angeschlossen. Das Knotenelement 13 ist derart bogenför
mig ausgebildet, daß es von einer etwa fahrtrichtungs
parallelen Ausrichtung zu einer zur Fahrzeugmitte hin
weisenden Ausrichtung übergeht. Somit sind zusätzlich zu
den in etwa einer Ebene liegenden Leichtmetallträgern (A-
Säule 11; Dachrahmenträger 12) ein weiterer Stützträger
16 und ein Scheibenquerträger 17 an das Knotenelement 13
ansetzbar. Der Stützträger 16 ist wiederum als Strang
preß-Leichtmetallprofil ausgebildet und seine Strangpreß
richtung verläuft etwa parallel zu der des Knotenelemen
tes 13. Das Profil des Knotenelementes 13 ist bereichs
weise komplementär zum Profil des Stützträgers 16 gestal
tet, wobei der Stützträger 16 in das Profil des Knoten
elementes 13 eingeschoben wurde und dort verschweißt ist.
Des weiteren wurde das Knotenelement 13 auf den Scheiben
querträger 17 aufgeschuht. Dieser Scheibenquerträger 17
ist winklig zur Profilrichtung des Knotenelementes 13
ausgerichtet.
Prinzipiell wäre es auch möglich, daß das Knotenelement
13 selbst im Bereich des Stützträgers 16 soweit verlän
gert ist, daß die Funktion des Stützträgers 16 von einem
Profilkasten des Knotenelementes 13 übernommen wird und
der Stützträger 16 entfällt. Damit wäre aber ein relativ
großer Bearbeitungsaufwand am Knotenelement 13 verbunden,
was als Nachteil gegenüber der gezeigten Lösung zu werten
ist.