DE4407501C2 - Tragstruktur einer PKW-Karosserie - Google Patents

Description

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 41 39 306 A1. 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 41 39 306 A1 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, wobei insbesondere die Verbindung zwischen einer A-Säule und einem Dachrahmenträger im Hin­ blick auf die o. g. Kriterien optimal gestaltet werden soll.

Zur Lösung dieser Aufgaben zeichnet sich die Tragstruktur der PKW-Karosserie durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 aus. Weitere Gestaltungsmerkmale ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 8.

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 41 39 306 A1. 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.

Claims (8)

1. Tragstruktur einer PKW-Karosserie, die im wesentli­ chen aus stranggepreßten Leichtmetallträgern be­ steht, wobei einer dieser Leichtmetallträger eine etwa senkrecht stehende A-Säule (8; 11) bildet, die endseitig über ein Knotenelement (10; 13) mit einem winklig zur A-Säule (8; 11) angeordneten Dachrahmen­ träger (9; 12) verschweißt ist, dadurch gekennzeich­ net, daß das Knotenelement (10; 13) aus einem stranggepreßten Leichtmetallprofil zugeschnitten ist und an Seitenflächen der A-Säule (8; 11) und des Dachrahmenträgers (9; 12) anliegt.

2. Tragstruktur einer PKW-Karosserie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Knotenelement (10; 13) auf die A-Säule (8; 11) aufgeschuht und derart am Dachrahmenträger (9; 12) gehaltert ist, daß die Strangpreßrichtungen des Dachrahmenträgers (9; 12) und des Knotenelementes (10; 13) etwa parallel zu­ einander ausgerichtet sind.

3. Tragstruktur einer PKW-Karosserie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Knotenelement auf den Dachrahmenträger aufgeschuht und derart an der A-Säule gehaltert ist, daß die Strangpreßrichtungen der A-Säule und des Knotenelementes etwa parallel zueinander ausgerichtet sind.

4. Tragstruktur einer PKW-Karosserie nach den Ansprü­ chen 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des Knotenelementes (10; 13) bereichsweise komplementär zu der Querschnitts­ fläche des Leichtmetallträgers ausgebildet ist, dessen Strangpreßrichtung annähernd parallel zur Strangpreßrichtung des Knotenelementes (10; 13) verläuft.

5. Tragstruktur einer PKW-Karosserie nach den Ansprü­ chen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leichtmetallträger (5, 6; 8, 9; 11, 12, 16, 17) und die Knotenelemente (7; 10; 13) aus annähernd gleichem Material, insbesondere aus einer annähernd gleichen Aluminiumlegierung bestehen.

6. Tragstruktur einer PKW-Karosserie nach den Ansprü­ chen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die A-Säule (8; 11), der Dachrahmenträger (9; 12) und das Knotenelement (10; 13) einen in Dreiecksform ver­ schweißten Verbund bilden, wobei das Dreieck von der A-Säule (8; 11) aus in Fahrtrichtung (F) nach vorne weist.

7. Tragstruktur einer PKW-Karosserie nach den Ansprü­ chen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die A-Säule (8; 11) oberhalb des an ihr verschweißten Kno­ tenelementes (10; 13) einen veränderten Querschnitt aufweist.

8. Tragstruktur einer PKW-Karosserie nach den Ansprü­ chen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß neben der A-Säule (11) und dem Dachrahmenträger (12) weitere zusätzliche Leichtmetallträger (16, 17) an dem Kno­ tenelement (13) gehaltert sind.