DE10347556B4 - Säule in einer Tragstruktur eines Kraftfahrzeugs in Spaceframe-Bauweise - Google Patents

Abstract

Tragstruktur eines Kraftfahrzeugs in Spaceframe-Bauweise mit einem Längs- (1a) und Querträger (1b) umfassenden Dachrahmen (1) und beidseitigen auf Höhe des Fahrzeugbodens angeordneten Längsträgern (2a, 2b) aus Hohlprofilen sowie mit Säulen (3, 4, 5) in Form von Hohlprofilen, welche mit ihren oberen und unteren Enden an die Längsträger (1a, 1b) des Dachrahmens (1) und an die bodenseitigen Längsträger (2a, 2b) angebunden sind, wobei mindestens zwei gegenüberliegende Säulen (3, 4, 5) der Tragstruktur, insbesondere die B-, C- oder D-Säulen, aus an ihrem umlaufenden Rand unter Bildung von Flanschen verschweißten Doppelplatinen gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelplatinen innenhochdruckumgeformt sind, die von den umlaufenden Rändern der Doppelplatinen gebildeten Flansche (3c, 5c) als Träger für Tür- und/oder Fensterdichtungen ausgebildet sind und die jeweiligen Enden der Säulen (3, 4, 5) als der Form der bodenseitigen Längsträger (2a, 2b) und der Längsträger (1a) des Dachrahmens (1) angepaßte Anschlußzonen (31, 51, 32, 52) zur Anbindung an die...

Description

• Die Erfindung betrifft eine Tragstruktur eines Kraftfahrzeugs in Spaceframe-Bauweise mit einem Längs- und Querträger umfassenden Dachrahmen und beidseitigen auf Höhe des Fahrzeugbodens angeordneten Längsträgern aus Hohlprofilen sowie mit Säulen in Form von Hohlprofilen, welche mit ihren oberen und unteren Enden an die Längsträger des Dachrahmens und an die bodenseitigen Längsträger angebunden sind, wobei mindestens zwei gegenüberliegende Säulen der Tragstruktur, insbesondere die B-, C- oder D-Säulen, aus an ihrem umlaufenden Rand unter Bildung von Flanschen verschweißten Doppelplatinen gebildet sind.
• Aus der Praxis bekannte Tragstrukturen für Kraftfahrzeuge in Spaceframe-Bauweise weisen eine Vielzahl von Trägern und Säulen auf, die als Hohlprofile ausgebildet sind. Im Falle der Säulen stehen verschiedene Technologien zur Verfügung, um den Hohlprofilen die jeweils gewünschte Form zu verleihen. Die Ausbildung der Säulen aus Walzprofilen hat den Vorteil einer relativ kostengünstigen Fertigung, wobei durch den Einsatz sogenannter Tailored Strips das verwendete Material hinsichtlich seiner Stärke und Güte den Vorgaben des Anwenders angepasst werden kann. Zudem können Flansche für Dichtungen ohne großen Aufwand in das Profil integriert werden. Diesem Vorteilen steht jedoch der entscheidende Nachteil gegenüber, dass mit der Walztechnologie keine variablen Querschnitte möglich sind. Daraus folgt, dass der bei modernen Kraftfahrzeugen typische Verlauf einer Säule, beispielsweise der B-, C- oder D-Säule, mit einem in bezug auf die Crasheigenschaften des Fahrzeugs vorteilhaft großen Querschnitt im unteren Bereich und einem unter Design-Gesichtspunkten gewünschten schlanken Querschnitt oberhalb der Fensterbrüstung nicht dargestellt werden kann.
• Neben solchen Tragstrukturen sind in der Praxis weitere Tragstrukturen bekannt geworden. Der Einsatz sogenannter DAVEX-Profile, welche als Hohlprofile aus zwei gegenüberliegenden Gurten und zwei die Gurte verbindenden Stegen bestehen, bietet ebenfalls den Vorteil einer kostengünstigen Fertigung der Säulen. Zudem sind fertigungsbedingt mehrere Flansche zur Aufnahme von Dichtungen von vornherein vorhanden. Der Nachteil eines über die Länge konstanten Querschnittes ergibt sich jedoch auch bei diesen Profilen. Hinzu kommt, dass DAVEX-Profile nur mit einer Mindestmaterialdicke herstellbar sind, was zu einem unter Leichtbaugesichtspunkten nicht mehr akzeptablen Gewicht der Säule führt.
• Nach einem weiteren bekannten Fertigungsansatz kann ein rohrförmiges Ausgangsprofil zur Erzeugung der Säule innenhochdruckumgeformt werden. Dabei ist ein sich über den Verlauf der Säule ändernder Querschnitt zwar begrenzt möglich, jedoch nur unter Inkaufnahme eines zu hohen Materialaufkommens in den Bereichen mit geringem Querschnitt, beispielsweise im Bereich oberhalb der Fensterbrüstung. Dieses überschüssige Material muss dann durch nach innen gerichtete Sicken versteckt werden, trägt jedoch mit zu einem insgesamt zu hohen Gewicht der Säule bei. Stärkere Querschnittsänderungen der Säule im Bereich des Anschlusses der Säule an die in Fahrzeuglängsrichtung verlaufenden Träger (Knotenbereich) lassen sich bei einem Hohlprofil durch Innenhochdruckumformen nicht erzeugen. Ein weiterer Nachteil ist, dass Flansche für Dichtungen in einem zusätzlichen Verfahrensschritt an den Hohlprofilen anzubringen sind. Schließlich ist es schwierig, an innenhochdruckumgeformten Hohlprofilen kompliziert geformte Anschlussbereiche unter Leichtbaugesichtspunkten herzustellen.
• Bei einer bekannten Tragstruktur eines Kraftfahrzeuges in Spaceframe-Bauweise der eingangs genannten Art ( DE 30 08 840 A1 ) sind die Säulen und Längsträger aus Halbschalen gefertigt, die an ihren Längsrändern Verbindungsflansche aufweisen, die den Einsatz verschiedener Verbindungstechniken, insbesondere Verschweißen erlauben. Bei dieser Tragstruktur sind die Säulen nicht unmittelbar an den Längsträgern angebunden, sondern es werden spezielle Verbinder eingesetzt, die entweder mit Teilen der Längsträger kombiniert werden oder als selbständige Bauelemente zwischen die Längsträger und die Säulen eingesetzt werden. Wegen der Vielzahl der miteinander zu verbindenden Einzelteile ist die Herstellung einer solchen Tragstruktur aufwendig. Darüber hinaus ist eine solche Verbindung von Säulen und Längsträgern im Crashfall nicht besonders widerstandsfähig.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Tragstruktur eines Kraftfahrzeugs in Spaceframe-Bauweise zu schaffen, welche insbesondere im Bereich der Säulen ohne großen Aufwand an die Formvorgaben des Anwenders angepasst werden kann und sich durch ein hohes Maß an Steifigkeit und Crashsicherheit auszeichnet.
• Die Aufgabe wird bei einer Tragstruktur der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Doppelplatinen innenhochdruckumgeformt sind, die von den umlaufenden Rändern der Doppelplatinen gebildeten Flansche als Träger für Tür- und/oder Fensterdichtungen ausgebildet sind und die jeweiligen Enden der Säulen als der Form der bodenseitigen Längsträger und der Längsträger des Dachrahmens angepaste Anschlußzonen zur Anbindung an die bodenseitigen Längsträger und die Längsträger des Dachrahmens ausgebildet sind, indem sie beschnitten sind und den Längsträger umgreifen oder durch eine Öffnung im hohlen Längsträger gesteckt sind und innenseitig an ihm anliegen.
• Bei der erfindungsgemäßen Tragstruktur weisen die als innenhochdruckumgeformte Doppelplatinen ausgebildeten Säulen eine große Variabilität hinsichtlich ihrer Formgebung auf. Damit lassen sie sich einfach in der vorgegebenen Form herstellen, ohne dass es weiterer Umformschritte bedarf. Darüber hinaus können die als Anschlusszonen ausgebildeten Säulenenden der Form und der relativen Lage des Längsträgers des Dachrahmens bzw. des bodenseitigen Längsträgers leicht angepasst werden. Damit ist eine sichere Anbindung der Säule an die Tragstruktur mittels hochsteifer Knotenstrukturen möglich, was maßgeblich zur Crashsicherheit der gesamten Tragstruktur beiträgt. Durch einen geeigneten Beschnitt der Säulenenden werden Flansche erzeugt, über welche die Säule an Längsträger der Tragstruktur angelegt und mit ihnen verbunden werden kann. Diese Art der Anbindung ermöglicht eine besonders kompakte Knotenstruktur, die sich insbesondere für die Verbindung des oberen Säulenendes mit dem Längsträger des Dachrahmens eignet und eine ausreichende Steifigkeit aufweist. Bei der Einsteckanbindung wirkt das eingesteckte Ende der Säule wie ein Schottblech und erhöht somit insbesondere die Torsionssteifigkeit des Längsträgers. Diese Art der Anbindung ist vor allem für die Verbindung der Säule mit den bodenseitigen Längsträgern, z.B. den Bodenschwellern geeignet, weil durch sie eine hochsteife Bodenstruktur erzeugt wird, durch die die Tragstruktur einen optimalen Insassenschutz bei einem Seitenaufprall gewährleistet. Zudem kann die Knotenstruktur derart ausgestaltet sein, daß ihr Crashverhalten dem einer Crashbox gleichkommt, also durch eine definierte Verformung gezielt zum Abbau der bei einem Aufprall wirkenden Kräfte beiträgt. Schließlich sind die Flansche der innenhochdruckumgeformten Doppelplatinen der Säulen für Tür- und Fensterdichtungen nutzbar, indem sie entweder als Anschlagfläche für eine Dichtung dienen, zweckmäßigerweise nehmen sie aber die Dichtung selbst auf.
• Eine weiter verbesserte Crashsicherheit der Tragstruktur kann erreicht werden, wenn die beiden Platinen der Doppelplatine aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. So kann beispielsweise die die äußere Seite der Säule bildende Platine aus einem hochfesten Stahl bestehen. Ebenso ist es unter Crash- und Leichtbaugesichtspunkten vorteilhaft, wenn mindestens eine der beiden Platinen der Doppelplatine aus einem Tailored Blank besteht. Durch den Einsatz von Tailored Blanks kann die Wandstärke und damit die Steifigkeit der Säule gezielt in den besonders crashgefährdeten Bereichen verstärkt werden, während in den weniger crashrelevanten Bereichen durch eine geringere Wandstärke Gewicht eingespart werden kann.
• Bei der erfindungsgemäßen Tragstruktur ist es möglich, die Säulen mit einem sich über ihre Länge ändernden Querschnitt auszubilden, so dass, wie eingangs erwähnt, die Säulen im unteren, besonders crashgefährdeten Bereich einen großen Querschnitt, im oberen Bereich, d.h. oberhalb der Fensterbrüstung, einen entsprechend den Designvorgaben klein gewählten Querschnitt aufweisen.
• Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass jeweils mindestens eines der Säulenenden auf geweitet ist. Durch die aufgeweiteten Säulenenden lassen sich großvolumige und damit besonders steife Knotenstrukturen in der erfindungsgemäßen Tragstruktur erzeugen.
• Im Falle der Einstecklösung lässt sich eine besonders gute Anpassung zwischen eingestecktem Ende und Längsträger erreichen, wenn in den sich gegenüberliegenden Seitenflächen des jeweiligen Längsträgers Sicken eingeformt sind.
• Zweckmäßigerweise liegt das mindestens eine beschnittene Säulenende an der Außenseite und mindestens einer weiteren Seite des ihm zugeordneten bodenseitigen Längsträgers oder Längsträgers des Dachrahmens an. Dadurch wird verhindert, dass die Säule bei einem heftigen Seitenaufprall, der beispielsweise zu einem Reißen von Schweißnähten oder ähnlichen Fügeverbindungen führt, mit ihrem einen Ende in den Fahrzeuginnenraum gedrückt wird, was bei den Insassen zu Verletzungen führen würde. Eine besonders sichere Anbindung wird dadurch erreicht, dass das mindestens eine beschnittene Säulenende den ihm zugeordneten Längsträger U-förmig umschließt.
• Im folgenden wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
• 1 eine aus Hohlprofilen zusammengesetzte Tragstruktur eines Kraftfahrzeugs in Spaceframe-Bauweise mit einem Dachrahmen, bodenseitigen Längsträgern und den Dachrahmen mit den Längsträgern verbindenden Säulen,
• 2a–c eine B-Säule der Tragstruktur der 1 in zweifacher Seitenansicht sowie in Schnittansicht gemäß der Linie II-II der 2a,
• 3a, b eine Knotenstruktur zur Anbindung der B-Säule der 2 an einen Längsträger des Dachrahmens der Tragstruktur der 1 in zweifacher Seitenansicht,
• 4a, b eine Knotenstruktur zur Anbindung der B-Säule der 2 an einen bodenseitigen Längsträger der Tragstruktur der 1 in zweifacher Ansicht sowie in Schnittansicht gemäß der Linie IV-IV der 4a,
• 5a, b eine D-Säule der Tragstruktur der 1 in zweifacher Seitenansicht,
• 6a, b eine Knotenstruktur zur Anbindung der D-Säule der 5 an einen Längsträger des Dachrahmens der Tragstruktur der 1 in zweifacher Seitenansicht und
• 7a, b eine Knotenstruktur zur Anbindung der D-Säule der 5 an einen bodenseitigen Längsträger der Tragstruktur der 1 in zweifacher Seitenansicht.
• Die in der 1 dargestellte aus Hohlprofilen zusammengesetzte Tragstruktur umfasst einen Dachrahmen 1 mit Längs- und Querträgern 1a, 1b sowie beidseitige auf Höhe des Fahrzeugbodens angeordnete Längsträger 2a, 2b. Die in Fahrzeuglängsrichtung zentral angeordneten Längsträger 2a sind als Bodenschweller ausgebildet. Die Längsträger 2b erstrecken sich vom vorderen Stoßfänger bis zum Heckabschluss der Tragstruktur. Weiterhin umfasst die Tragstruktur drei Säulenpaare in Form von Hohlprofilen, nämlich die B-Säulen 3, die C-Säulen 4, sowie die D-Säulen 5, wobei die B- und C- Säulen 3, 4 den Dachrahmen 1 mit den Längsträgern 2a und die D-Säulen 5 den Dachrahmen 1 mit den Längsträgern 2b verbinden.
• Wie am Beispiel der B- und D-Säule 3, 5 in den 3 bis 7 dargestellt, sind die Säulen 3, 4, 5 jeweils als an ihrem umlaufenden Rand verschweißte, innenhochdruckumgeformte Doppelplatinen ausgebildet, wobei der umlaufende Rand Flansche 3c, 5c für Tür- und/oder Fensterdichtungen bildet. Vorzugsweise nehmen die Flansche 3c, 5c selbst eine Dichtung auf. Dies gilt selbstverständlich auch für den umlaufenden Rand der – nicht im Detail dargestellten – C-Säule 4.
• In 2 ist eine B-Säule 3 der Tragstruktur im Detail dargestellt. Durch Innenhochdruckumformen sind die beiden Platinen der Doppelplatine zu einer Innenschale 3a und einer Außenschale 3b mit einem gemeinsamen umlaufenden Rand umgeformt. Vorzugsweise bestehen die beiden Schalen 3a, 3b der Säule 3 aus unterschiedlichen Werkstoffen. So kann beispielsweise die bei einem Crash besonders belastete äußere Schale 3b der B-Säule 3 aus einem hochfesten Stahl bestehen. Ebenso kann eine der Schalen 3a, 3b oder auch beide aus jeweils einem Tailored Blank bestehen. Damit kann die Struktur in den besonders crashsensitiven Bereichen verstärkt werden, während in den weniger crashrelevanten Bereichen durch eine geringere Wandstärke Gewicht eingespart werden kann.
• Wie insbesondere in 2b dargestellt, weist die B-Säule 3 einen sich über die Länge der Säule 3 ändernden Querschnitt auf. An ihrem oberen Ende ist die B-Säule 3 unter Ausbildung einer oberen Anschlusszone 31 aufgeweitet und beschnitten. Wie in den 3a und 3b detailliert dargestellt, weist die B-Säule 3 in ihrer oberen Anschlusszone 31 infolge des Beschnittes zwei parallele nach oben abstehende Flansche 31a auf, welche zur Anbindung der Säule an den Dachrahmen 1 einen Längsträger 1a des Dachrahmens 1 (ausschnittsweise dargestellt) U-förmig umschließen und mit diesem über Schweißnähte 31b verbunden sind. Dadurch wird ein sehr kompakter und ausreichend steifer Verbindungsknoten zwischen der B-Säule und dem Dachrahmen 1 gebildet.
• Wie insbesondere aus der 2a hervorgeht, ist die B-Säule 3 an ihrem unteren Ende unter Ausbildung einer weiteren Anschlusszone 32 in einer Dimension aufgeweitet. Die Anbindung der B-Säule 3 an einen Längsträger 2a der Tragstruktur ist in den 4a–c dargestellt. Demnach ist die B-Säule 3 mit ihrer unteren Anschlusszone 32 in den Längsträger 2a durch eine in dessen Oberseite eingeformte Öffnung 21a eingesteckt. Um einen sicheren Halt der B-Säule 3 in dem Längsträger 2a zu gewährleisten, weist dieser an seinen beiden Seitenflächen jeweils zwei übereinander angeordnete, in Längsrichtung des Längsträgers 2a verlaufende Sicken 22a auf. Die innen liegenden Kuppen der sich paarweise gegenüber liegenden Sicken 22a sind dabei derart voneinander beabstandet, dass sie an den Schalen 3a, 3b der eingesteckten B-Säule 3 beidseitig spielfrei anliegen. An diesen Anlagepunkten ist die B-Säule 3 über Schweißnähte 32a mit dem Bodenschweller 2a fest verbunden. Dabei werden die Schweißnähte 32a vorzugsweise über ein Durchschweißen des Längsträgers 2a mit Laserstrahlung erzeugt.
• Über die vorstehend beschriebene Art der Anbindung der B-Säule 3 an den Längsträger 2a, bei der das eingesteckte Ende der B-Säule im Längsträger 2a wie ein Schottblech wirkt, wird eine hochsteife Knotenstruktur gebildet, durch die die Tragstruktur ein hohes Maß an Sicherheit für die Fahrzeuginsassen im Falle eines Seitencrashs bietet.
• 5 zeigt eine D-Säule 5 der Tragstruktur. Diese weist ebenfalls einen sich über die Länge der Säule 3 ändernden Querschnitt auf und ist wie die vorstehend beschriebene B-Säule 3 an ihrem oberen Ende zur Ausbildung einer Anschlusszone 51 aufgeweitet und beschnitten. Wie in 6 im Detail dargestellt, weist die D-Säule 5 im Bereich ihrer oberen Anschlusszone 51 an der Außenschale 5b einen nach oben abstehenden Flansch 51a sowie an der Innenschale 5a einen um 90° umgebogenen, in Richtung des Fahrzeuginnenraums weisenden Flansch 51b auf. Beide Flansche 51a, 51b umschließen den ausschnittsweise dargestellten Längsträger 1a des Dachrahmens 1 L-förmig und sind mit ihm über Schweißnähte 51c verbunden.
• Wie in den 5 und 7 dargestellt, ist das untere Ende der D-Säule 5 unter Ausbildung einer unteren Anschlusszone 52 aufgeweitet und teilweise beschnitten. Im einzelnen ist die Innenschale 5a der D-Säule 5 gegenüber der Außenschale 5b zurückgeschnitten, so dass die D-Säule 5 mit ihrer unteren Anschlusszone 52 den Bodenschweller 2a L-förmig umschließt. Zur Ausbildung eines steifen Verbindungsknotens ist die D-Säule 5 mit dem Längsträger 2a über Schweißnähte 52a fest verbunden.

Claims (11)

1. Tragstruktur eines Kraftfahrzeugs in Spaceframe-Bauweise mit einem Längs- (1a) und Querträger (1b) umfassenden Dachrahmen (1) und beidseitigen auf Höhe des Fahrzeugbodens angeordneten Längsträgern (2a, 2b) aus Hohlprofilen sowie mit Säulen (3, 4, 5) in Form von Hohlprofilen, welche mit ihren oberen und unteren Enden an die Längsträger (1a, 1b) des Dachrahmens (1) und an die bodenseitigen Längsträger (2a, 2b) angebunden sind, wobei mindestens zwei gegenüberliegende Säulen (3, 4, 5) der Tragstruktur, insbesondere die B-, C- oder D-Säulen, aus an ihrem umlaufenden Rand unter Bildung von Flanschen verschweißten Doppelplatinen gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelplatinen innenhochdruckumgeformt sind, die von den umlaufenden Rändern der Doppelplatinen gebildeten Flansche (3c, 5c) als Träger für Tür- und/oder Fensterdichtungen ausgebildet sind und die jeweiligen Enden der Säulen (3, 4, 5) als der Form der bodenseitigen Längsträger (2a, 2b) und der Längsträger (1a) des Dachrahmens (1) angepaßte Anschlußzonen (31, 51, 32, 52) zur Anbindung an die bodenseitigen Längsträger (2a, 2b) und die Längsträger (1a) des Dachrahmens (1) ausgebildet sind, indem sie beschnitten sind und den Längsträger (1a, 1b) umgreifen oder durch eine Öffnung (21a) im hohlen Längsträger (2a, 2b) gesteckt sind und innenseitig an ihm anliegen.
2. Tragstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flansche (3c, 5c) eine Dichtung aufnehmen.
3. Tragstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Platinen der Doppelplatine aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.
4. Tragstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der beiden Platinen der Doppelplatine aus einem Tailored Blank besteht.
5. Tragstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Säulen (3, 4, 5) einen sich über ihre Länge ändernden Querschnitt aufweisen.
6. Tragstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mindestens eines der Säulenenden aufgeweitet ist.
7. Tragstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass von jeder Säule (3, 4, 5) mindestens ein Ende in den ihm zugeordneten Längsträger (1a, 2a, 2b) eingesteckt ist.
8. Tragstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesteckten Enden der Säulen (3, 4, 5) an in den Seitenflächen des hohlen Längsträgers (2a, 2b), eingeformten Sicken (22a) abgestützt ist.
9. Tragstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschnitt der Enden der Säulen (3, 4, 5) jeweils an mindestens einem ihrer Enden vorgesehen ist.
10. Tragstruktur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine beschnittene Säulenende an der Außenseite und mindestens einer weiteren Seite des ihm zugeordneten bodenseitigen Längsträgers (2a, 2b) oder Längsträgers (1a) des Dachrahmens (1) anliegt.
11. Tragstruktur nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine beschnittene Säulenende den ihm zugeordneten Längsträger (2a, 2b, 1a) U-förmig umschließt.