Trägerelemente von Fahrzeugkarosserien sind in der Regel aus Blechen mit konstanter Wandstärke aufgebaut. Häufig werden diese Bleche in Halbschalen geformt und mehrere Halbschalen zu einem Trägerelement oder Strukturelement verschweißt. Im Falle der A-Säulen von Kraftfahrzeugen, insbesondere von Cabriolets, ist die Festigkeit des Trägerelementes bei einem Überschlag oftmals nicht hoch genug, um einen ausreichenden Überlebensraum der Insassen zu gewährleisten.

Zur Gewährleistung der Crashsicherheit werden die Dachsäu- len, insbesondere die A-Säule von Cabriolets, mit einem Stahlrohr, das im Zentrum der Säule verläuft, verstärkt.

Gattungsbildend ist eine derartige A-Säule'in der DE 40 16 730 C2 beschrieben.

Im Zuge eines umfassenden Leichtbaubestrebens im Automobil- bau ist man zunehmend bemüht, auch bei tragenden Teilen Ge- wicht einzusparen. In einem Zeitungsartikel (mot 9/2001, S. 64) wird eine Studie eines Fahrzeuges mit einer A-Säule dargestellt, die zwei Streben umfasst, die über ein zweidi- mensionales Zick-Zack-Profil verbunden sind. Diese Bauweise bietet zwar ein hohes Potential an Gewichtseinsparung, die Crashsicherheit ist jedoch durch diese einfache Zick-Zack- Struktur nicht gewährleistet, da sie insbesondere für einen Seitenaufprall keine geeignete Verstärkung aufweist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Tragelement be- reitzustellen, das gegenüber dem Stand der Technik ein nied- rigeres Gewicht bei gleicher oder verbesserter Festigkeit aufweist.

Die Lösung der Aufgabe besteht in den Merkmalen des An- spruchs 1 und des Anspruchs 7.

Das erfindungsgemäße Trägerelement nach Anspruch 1 ist aus gegossenem Eisen dargestellt. Der Vorteil gegenüber den her- kömmlichen, im Fahrzeug-Karosseriebau verwendeten Stahlble- chen besteht darin, dass bei Strukturen aus gegossenem Eisen die Materialstärke den auftretenden Kräften angepasst werden kann. So ist es möglich, durch Belastungssimulationen die Bereiche mit den höchsten mechanischen Belastungen zu ermit- teln und an diesen das Material zu verstärken. An Bereichen mit geringer Belastung kann hingegen Material eingespart werden. Durch Optimierung dieser Methode kann bei einem Trä- gerelement mit selber Funktionsweise eine Gewichtseinsparung von über 50 % gegenüber einer Stahlblechkonstruktion erzielt werden.

Gegenüber einer Konstruktion aus Aluminiumguss besteht der Vorteil der Erfindung in der höheren Festigkeit und höheren Dehnung der Eisenwerkstoffe gegenüber den Aluminium-Guss- werkstoffen. Durch die beschriebene Materialverlagerung und Materialeinsparung können Trägerelemente dargestellt werden, die bei gleicher Funktion eine ähnliche Masse wie Aluminium- Gussbauteile aufweisen, dafür jedoch'wesentlich höher mecha- nisch belastbar sind.

Das Trägerelement ist in einen Hohlraum mit einem Kern aus Hohlkugeln oder einem Metallschaum auf Eisenbasis (Eisen- schaum) gefüllt. Die Hohlkugeln oder der Eisenschaum führen als Kernmaterial zu einer Steigerung der mechanischen Fes- tigkeit, wobei sie das Gewicht des Trägerelementes nur unwe- sentlich erhöhen. Die Hohlkugeln tragen zudem zu Verbesse- rung der Dämpfung von Karosserieschwingungen bei.

Das Trägerelement nach Anspruch 2 umfasst wenigstens ein ge- gossenes Schalenelement, das im Wesentlichen aus Streben dargestellt ist. Besteht das Trägerelement aus mehreren Schalenelementen, so sind diese zu dem Trägerelement zusam- mengefügt und bilden eine Fachwerkkonstruktion, die einen Hohlraum umgeben. Bei Verwendung eines Schalenelementes kann dieses mit dem Trägerelement identisch sein. Der Hohlraum wird von der Fachwerkkonstruktion umgeben und weist in der Regel keine geschlossene Oberfläche auf. Die Streben des Trägerelementes sind derart angeordnet, dass bei einer Zug- belastung einer Strebe mindestens eine korrespondierende Strebe gleichermaßen auf Druck belastet wird.

Das Trägerelement enthält bevorzugt mindestens drei Längs- streben, die den Hohlraum bilden. Die Längsstreben sind durch mehrere Querstreben so verbunden, dass jeweils Zug- und Druckbelastungen ausgeglichen werden. In der Regel ver- laufen die Querstreben jeweils zwischen benachbarten Längs- streben, sie können jedoch auch durch den Hohlraum zu gege- nüberliegenden Längsstreben verlaufen wenn die mechanische Beanspruchung dies erfordert.

In einer weiteren Ausgestaltungsform nach Anspruch 3 ist das Trägerelement ebenfalls aus mindestens einem Schalenelement aufgebaut. Dieses Schalenelement weist eine über weite Teile geschlossene Oberfläche auf. Die Oberfläche des Schalenele- mentes ist in Richtung einer konkaven Wölbung des Schalen- elementes mit Streben versehen. Die Streben sind bevorzugt in Form von Rippen ausgebildet. Die Oberfläche kann zur Ma- terialeinsparung in dieser Ausgestaltungsform an mechanisch gering belasteten Bereichen sehr dünne Wandstärken oder Lö- cher aufweisen. Die Wirkungsweise dieser Ausgestaltung der Erfindung ist analog der Fachwerkkonstruktion, so dass durch die Verstrebungen im Hohlraum eine Zugbelastung durch eine analoge Druckbelastung ausgleichbar ist.

Bevorzugt weist die Wandstärke des Trägerelementes an der 0- berfläche oder den Streben oder Rippen eine Dicke auf, die kleiner ist als 3 mm. Durch derartige Wandstärken wird das Gewicht des Trägerelementes bei Gewährleistung einer ausrei- chenden Festigkeit reduziert.

Die Hohlkugeln sind untereinander verbunden, wodurch ihre Festigkeitssteigernde Wirkung noch erhöht wird.

Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein Verfahren nach Anspruch 7 zur Herstellung des erfindungsgemäßen Trä- gerelementes nach Anspruch 1.

Hiernach werden Schalenelemente zur Darstellung des erfin- dungsgemäßen Trägerelementes in einer Sandform abgegossen.

Die Sandform umfasst mehrere Teilkerne. Mindestens einer der Teilkerne besteht aus metallischen Hohlkugeln oder einem Ei- senschaum. Die Sandform wird mit einer Eisenlegierung ausge- gossen, wobei mindestens der eine innere Teilkern durch die Eisenlegierung umgossen wird und als Verstärkungselement im Trägerelement verbleibt.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind ver- schieden Gießverfahren und Wärmebehandlungsverfahren zweck- mäßig. Bevorzugte Verfahren sind der Stahlguss, der Sphäro- guss oder der Temperguss. Auslagerungen bzw. Wärmebehandlun- gen zu bainitisch gehärtetem Eisen oder dem sogenannten austenitisch duktilen Eisen (ADI) sind ebenfalls zweckmä- ßig.

Im Folgenden werden besonders bevorzugte Ausgestaltungsfor- men an Hand der Figuren 1 bis 3 näher erläutert.

Es zeigen : Fig. 1 ein Trägerelement mit einer Fachwerkstruktur, Fig. 2 ein Trägerelement mit Verstrebungen in einem Hohl- raum, Fig. 3a-3c Ausschnitte aus einer Oberfläche eines Trägerele- mentes mit einer Lochstruktur.

Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt des Trägerelementes aus Fig. 1, gefüllt mit Hohlkugeln, Fig. 5 einen Ausschnitt des Trägerelementes aus Fig. 2, ge- füllt mit Hohlkugeln.

Das in Fig. 1 dargestellte Trägerelement 2 ist in Form einer A-Säule eines Kraftfahrzeuges ausgestaltet. Zur besseren Darstellbarkeit des Trägerelementes sind die erfindungsgemäß eingelagerten Hohlkugeln in den Trägerelementen der Figuren 1 und 2 nicht abgebildet.

Das Trägerelement in Fig. 1 weist vier Längsstreben 4-7 auf, wobei sich die Längsstrebe 7 im unteren Bereich verzweigt (7a und 7b). Das Trägerelement 2 besteht aus einem Schalen- element, das in diesem Fall mit dem Trägerelement 2 iden- tisch ist. Die Längsstreben 4-7 und 7a, b sind durch Quer- streben 9 verbunden. Gemeinsam ergeben die Längsstreben 4-7, 7a, b und die Querstreben 9 eine Fachwerkstruktur, die die O- berfläche des Trägerelementes bildet, in weiten Bereichen jedoch offen ist.

Das Trägerelement 2 weist im Sockelbereich eine umlaufende Querstrebe 11 auf, die deutlich breiter ausgebildet ist als die übrigen Querstreben 9. Die Querstrebe 11 ist als exem- plarisch anzusehen, ebenso sind bei entsprechenden Belas- tungsfällen die übrigen Längs-bzw. Querstreben 4-7,7a, b, 9,13 breiter bzw. dicker auszuführen. Dies führt dazu, dass eventuell die Öffnungen 13 in der Fachwerkstruktur entspre- chend kleiner werden. Die Fachwerkstruktur umfasst einen Hohlraum 14.

Im Einsatz im Kraftfahrzeug wird das Trägerelement 2 in der Regel mit einer Beplankung versehen sein. Die Beplankung kann aus dünnen Metallblechen, flächigen Kunststoffteilen, Glas-oder Plexiglasscheiben bestehen. Beim Einsatz von transparenten Materialien besteht der Vorteil, dass die Säu- le teilweise durchsichtig ist, was zur Verbesserung des Sichtfeldes beiträgt.

Die in Fig. 2 dargestellte Halbschale 15 ist als Teil einer A-Säule ausgestaltet. Sie weist in dieser Ausgestaltungsform eine geschlossen Oberfläche 17 auf, die in konkaver Wölbung einen Hohlraum 19 umgibt. Der Hohlraum 19 (der mit hier nicht dargestellten Hohlkugeln gefüllt ist) ist von Streben durchzogen, die in Fig. 2 als Rippen 21 ausgebildet sind.

Die Rippen 21 stehen über ihre gesamte Länge mit der Ober- fläche in Berührung. Eine hier nicht dargestellte zweite Halbschale kann zur vollständigen Umschließung herangezogen werden. Die Halbschale 15 ist jedoch auch als Trägerelement alleine selbsttragend.

Ein weiterer Vorteil von Trägerelementen nach den Figuren 1 und 2 bezüglich der Masseoptimierung besteht darin, dass ge- genüber dem herkömmlichen Stand der Technik auf ein zentra- les Stahlrohr verzichtet werden kann. Die Massereduktion am Beispiel einer A-Säule nach Figur 1 beträgt gegenüber einer A-Säule herkömmlicher Bauart ca. 55 %.

Die Dicke der Oberfläche und Rippen der Trägerelemente in den Figuren 1 oder 2 beträgt auf Grund der Masseoptimierung bevorzugt weniger als 3 mm. Aus mechanischen Gründen ist es jedoch erforderlich, an ausgewählten Stellen höhere Wanddi- cken zu gewährleisten. Als Ausgleich besteht jedoch insbe- sondere bei Halbschalen nach Fig. 2 die Möglichkeit, an we- niger belasteten Stellen auf Material zu verzichten. Dies bedeutet entweder dünnere Wandstärken oder Löcher in der 0- berfläche 17 bzw. in den Verrippungen 21.

Derartige Abwandlungen der Oberfläche 17 sind in beispiel- hafter Form in den Figuren 3a bis 3c dargestellt. Die Ober- fläche 17 weist Öffnungen 21,23, 25 auf, wie sie die ge- nannten Fig. 3a bis 3c als Flächenausschnitte offenbaren.

Die Öffnungen 21,23, 25 dienen insbesondere zur Reduzierung der Masse. Die Größe der Öffnungen 21,23, 25 nimmt von der Fig. 3a zur Fig. 3c hin zu. In Figur 3c ist der Spezialfall einer-zumindest lokalen-Fachwerkstruktur dargestellt.

Die Verstrebung der Halbschale 15 kann in allen Fällen auch in Form von hier nicht dargestellten Streben analog der Fig.

1 erfolgen. Gießtechnisch ist jedoch eine Verrippung analog der Rippen 21 vorteilhaft.

In den Figuren 4 und 5 sind Ausschnitte der Trägerelemente 2 und 15 aus den Figuren 1 und 2 dargestellt. In diesen Dar- stellungen sind die Trägerelemente 2,15 mit metallischen Hohlkugeln 23 gefüllt. Durch die metallischen Hohlkugeln 23 wird eine zusätzliche Festigkeitssteigerung bewirkt.

Die Hohlkugeln weisen einen Durchmesser zwischen 0,5 mm und 10 mm auf und sind bevorzugt in einer kubisch dichtesten Ku- gelpackung angeordnet.

Die Hohlkugeln können zur Steigerung der Packungsdichte eine Verteilung ihrer Durchmesser aufweisen. Bevorzugt ist hier- bei eine bimodale Durchmesser-Verteilung vorgesehen.

Es ist ebenfalls zweckmäßig, den Hohlraum 19 mit einem Me- tallschaum auf Eisenbasis zu füllen.

Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Trägerelementes wird eine Sandform gefertigt. Im Unterschied zu einer herkömmli- chen Sandform wird ein Kernteil, das den Hohlraum 19 ausbil- det, aus Hohlkugeln 23 oder einem Eisenschaum dargestellt.

Das Trägerelement wird mit einer Eisenlegierung ausgegossen und die äußere Sandform entfernt. Die Hohlkugeln verbleiben im Hohlraum und dienen zur Erhöhung der Steifigkeit der Trä- gerelementes.

Ein bevorzugtes Verfahren zum Gießen der Schalenelemente ist der Stahlguss, insbesondere im Niederdruckguss bei sehr ge- ringen Wandstärken. Das Material hat einen geringen Kohlen- stoffanteil (unter 2%) und ist bei entsprechender Handhabung wie gewalzter Stahl vergütbar. Durch Stahlguss werden Zug- festigkeiten von über 450 N/mm2 erzielt, vergütete Stähle können bis zu 1000 N/mm2 erzielen.

Ein weiteres bevorzugtes Gießverfahren ist der Sphäroguss, das sogenannte Gusseisen mit Kugelgraphit, das sich wie der Stahlguss durch seine relativ hohe Duktilität auszeichnet und im vergüteten Zustand ebenfalls 1000 N/mm2 Zugfestigkeit erreicht. Ein weiteres vorteilhaftes Gießverfahren ist der Niederdruckguss.

Ebenfalls zweckmäßig zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Trägerelementes ist der sogenannte Temperguss. Durch Tempe- raturbehandlungen von ca. 900° C und weiteren chemischen Re- aktionen mit Gasen wird dem Gusseisen Kohlenstoff entzogen und das Material somit duktilisiert. Eine Duktilisierung beispielsweise von Sphäroguss kann durch das sogenannte austenitisch duktilisierte Eisen, dem ADI-Verfahren, erfol- gen, das ebenfalls einen Glühprozess bei ca. 900°C voraus- setzt, dem eine differenzierte Abkühlung auf ca. 380°C folgt, durch die die gewünschte Gefügeausbildung, ein Zwi- schenstufengefüge aus Kohlenstoff stabilisierten Austenit und Ferrit, gesteuert wird.

Alle Gießverfahren werden bevorzugt im Sandguss mit einem verlorenen Kern durchgeführt, wodurch der Hohlraum innerhalb der Streben oder der Oberfläche ausgebildet werden kann.

Einen weiteren Vorteil weist das erfindungsgemäße Trägerele- ment bei Fahrzeugen mit besonderen ballistischen Schutz auf.

Durch eine vergleichsweise kleine Änderung an den Kernen o- der Formen, kann die Wandstärke variiert werden.

Auf diese Weise kann ausgehend von den Anforderung an den ballistischen Schutz gezielt lokal die Wandstärke erhöht werden. Dies kann direkt in der Serienfertigung vorgenommen werden. Das zu panzernde Fahrzeug wird gleich bei der Monta- ge mit dem verstärkten Trägerelement ausgerüstet, eine nach- trägliche Demontage ist nicht erforderlich. Zudem können aufwändige Schweißvorgänge vermieden werden. Diesen Möglich- keit des erfindungsgemäßen Trägerelementes trägt erheblich zur Kostensenkung bei.