Kraftfahrzeug mit einer eine Bodenstruktur aufweisenden

Karosserie, und wenigstens einem Versteifungselement zum

Versteifen der Bodenstruktur

B e s c h r e i b u n g

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer eine Bodenstruktur aufweisenden Karosserie, und wenigstens einem Versteifungselement zum Versteifen der Bodenstruktur nach Anspruch 1.

Gemäß gesetzlicher Anforderungen nach FMVSS214

- MY09 ergeben sich für den Side-Pole-Test (Seitenpfahl- test) erheblich höhere strukturelle Anforderungen an Kraftfahrzeuge. Danach darf der Pfahl nicht mehr als 220 mm in die Fahrzeugstruktur eindringen. Ein derartiges Aufprallszenario ist in Figur 1 gezeigt.

übliche Fahrzeugkonstruktionen weisen jedoch Eindringtiefen ( Intrusionen) von 450 bis 500 mm nach diesem Test auf. Bodenstrukturen solcher Fahrzeuge bestehen aus zwei Querträgern, die unter den Vordersitzen eines Kraftfahrzeugs eingebaut sind.

Diese Querstruktur ist für die Erfüllung der zukunftigen Anforderungen im Side-Pole-Impact nicht ge- eignet. Die Struktur der Vordersitze wird wegen geringer zulassiger Intrusion wenig Einfluss auf die Gesamtquer-

Steifigkeit haben. Das Versagen von einem der beiden Querträger fuhrt zu großen lokalen Intrusionen, da die restliche Struktur kaum Quersteifigkeit aufweist.

Die Patentschrift DE 43 26 270 zeigt ein Kraftfahrzeug mit einer steifen Bodenstruktur, bei der mehrere energieabsorbierende Aufprallelemente über die Lange der Fahrgast zelle in den seitlichen Karosserieteilen integriert sind. Allerdings kann auch durch diese Maßnahme die gesetzlich vorgeschriebene Intrusion nicht sicher erreicht werden, da die Wirkung der Aufprallelemente eine jeweils noch intakte Bodenstruktur voraussetzt. Versagt diese bei Seitenaufprall vorzeitig, finden die Aufprallelemente keine Abstutzung mehr gegen den Innenraum mit der Folge des zu weiten Eindringens des Pfahls.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fahrzeug mit einer steifen Bodenstruktur bereitzustellen, die erhöhten Widerstand gegen seitlich einwirkende Pfahl- krafte bietet, die keine wesentliche Gewichtserhöhung des Fahrzeugs nach sich zieht und die einfach und kostengünstig zu realisieren ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Fahrzeug mit einem Versteifungselement gelost, das wellenförmig ausgebildet ist, wobei die Wellen quer zur Fahrzeuglangsachse verlaufen .

Ein wesentlicher Punkt besteht dabei darin, dass eine solche Struktur in seitlicher Richtung besonders hohe Schubfestigkeit und Biegesteifigkeit aufweist, und zudem zB durch Kaltpressen leicht herstellbar ist. Die Hohe der 'Wellen' ist dabei so gestaltet, dass weder die Fußfreiheit noch der für den Einbau der Luftungskana- Ie erforderliche Bauraum tanσiert wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Fahrzeugs mit der besagten Bodenstruktur sind in den folgenden Unteran- spruchen 2 bis 14 angegeben.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Karosserie des Fahrzeugs können die Versteifungselemente einstuckig mit der Bodenstruktur ausgebildet sind. Eine solche Versteifung ist presstechnisch besonders einfach zu realisieren und zudem kostengünstig, da zusätzliche Montagevorgange und Kosten für weitere Teile entfallen.

In einer alternativen Weiterbildung der Karosserie des Fahrzeugs können die Versteifungselemente auch fahrzeuginnenseitig an einem Karosserieboden angeordnet sein. Dadurch wird die Versteifung von der Dicke der Bodenstruktur unabhängig und kann zB starker als diese ausgeführt werden. Grundsatzlich ist es auch möglich, die Versteifungselemente fahrzeugaußenseitig an dem Karosserieboden anzubringen, wodurch allerdings Verkleidungs- probleme am Unterboden entstehen können. Gleichzeitig entfallen Gestaltungsmoglichkeiten des Innenraums unter Nutzung der Versteifungselemente, wie im Folgenden zu zeigen sein wird.

Vorzugsweise werden danach die Versteifungselemente im Sitzbereich, insbesondere im Bereich der Vordersitze angeordnet. Die üblicherweise vorgesehenen beiden Querträger unter dem Vordersitz werden dabei durch eine entsprechende Sandwich-Konstruktion ersetzt. Damit werden die besonders gefährdeten Sitzpositionen des Fahrers und Beifahrers gezielt gegen einen Seitenaufprall geschützt, und an anderen Positionen Gewicht eingespart.

Zum besseren Ableiten der eingeleiteten Lasten in die Fahrzeugstruktur sind die Versteifungselemente bevorzugt mit einem darunter verlaufenden Karosserieboden

verbunden. Eine Verbindung kann abhangig vom Material der Elemente durch Kleben, Schweißen, Schrauben, Vernieten oA hergestellt werden. Für die Elemente kommt jedes geeignete energieabsorbierende Material in Frage, insbesondere Aluminiumblech, Stahlblech oder (gewebeverstarkter )

Kunststoff. Grundsatzlich ist aber auch eine Ausprägung der Elemente direkt am Karosserieboden selbst denkbar, zB als wellenförmige Struktur des Bodenblechs.

Obwohl die Wellen ein beliebiges, geeignetes

Querschnittsprofil aufweisen können ist ein im Querschnitt kastenförmiges Profil bevorzugt. Dadurch ergibt sich eine ebene obere und untere Montageflache zB für einen Sitz oA.

über eine solche Flache hinweg können an einem Versteifungselement im Wesentlichen quer zur Erstre- ckungsrichtung der Wellen verlaufende Verstärkungen angebracht sein. Dadurch wird eine Verformung des Verstei- fungselements durch Biegebeanspruchungen, die beim Eindringen des Pfahls auftreten, verhindert. In der Folge bleibt die Aufnahmefähigkeit des Versteifungselements für Schubbelastungen erhalten. Die Verstärkungen können dabei als Sitzstutzen ausgebildet sein, auf der die Laufschie- nen der Sitze montiert werden.

Zur besseren Ableitung der eingeleiteten Lasten bei einem Kraftfahrzeug, bei dem die Bodenstruktur einen in Fahrzeuglangsrichtung verlaufenden Fahrzeugtunnel so- wie beidseitig am Fahrzeug ausgebildete Langstrager um- fasst, erstrecken sich die Versteifungselemente in einem Lastpfad zwischen einem jeweiligen seitlichen Trager und dem Tunnel. Damit wird ein durchgangiger Lastpfad zwischen Tragern und Tunnel gebildet, über dessen Lange hin- weg die eingeleiteten Lasten abgebaut werden können. Die Deformationszonen (und damit Energieabbauzonen) liegen

dabei im Bereich der Trager und des Tunnels, wahrend die Versteifungselemente zum Schutz der Insassen ihre Form im Wesentlichen behalten.

Eine Weiterbildung dieser Anordnung sieht vor, dass die Versteifungselemente einerseits an dem Tunnel und andererseits/oder dem seitlichen Trager befestigt sind. Damit wird ein 'Ausbrechen' der Elemente aus dem Lastpfad sicher verhindert.

Eine besonders formstabile Verbindung entsteht dann, wenn Befestigungselemente vorgesehen sind, deren Profil dem wellenförmigen Querschnittsprofil der Versteifungselemente zur gleichmaßigen übertragung der eingelei- teten Lasten folgt und mit diesem kraftschlussig verbunden ist. Lastspitzen bei Kraftübertragung in die Elemente und von diesen wiederum in den Tunnel werden damit ausgeschlossen .

Ein Vorteil entsteht dadurch, dass in dem Tunnel ein Auspuff zum Aufnehmen von Deformationsenergie gefuhrt ist. Der Auspuff nimmt dabei zumindest einen Teil der über den Lastpfad Langstrager - Versteifungselement - Tunnel eingeleiteten Aufpralllasten auf, indem er sich unter diesen Lasten verformt.

Um dabei zu verhindern, dass der Auspuff bei einem Seitenaufprall aus dem Lastpfad gedruckt wird, ist es von Vorteil, wenn eine Tunnelspange vorgesehen ist, die sich an den Schenkeln des nach unten offenen Tunnels so abstutzt, dass sie den Auspuff bei Deformation des Tunnels nach oben druckt. Damit wird selbst bei großen Deformationskraften ein zuverlässiger Abbau der eingeleiteten Energie sichergestellt.

Zur weiteren Erhöhung der Steifigkeit gegen seitlichen Lasteintrag können sowohl die Trager als auch der Tunnel zusatzlich gegen einen Seitenaufprall versteift sein. Dadurch werden die Versteifungselemente entlastet und die Insassen noch besser geschützt.

Die Steifigkeit der Bodenstruktur kann zusätzlich erhöht werden, indem beidseitig am Fahrzeug ausgebildeten Schweller gegen einen Seitenaufprall versteift sind.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausfύhrungsbeispiels unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen naher erläutert. Gleiche oder gleichwirkende Teile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Es zeigen :

Figur 1 ein übliches Fahrzeug in Querschnittsansicht, dass einem Side- Pole-Test unterzogen wurde;

Figur 2a ein erfindungsgemäßes Fahrzeug in

Querschnittsansicht mit einer steifen Bodenstruktur, deren Aufbau unter einem Sitz noch einmal in Seitenansicht dargestellt ist;

Figur 2b die Bodenstruktur des Fahrzeugs der Figur 2a in schematischer Querschnittsansicht zum Verdeutlichen der Position und Wirkungsweise des Versteifungselements im Lastpfad;

Figur 2c einen vergrößerten Ausschnitt der Bodenstruktur des Fahrzeugs der Figur 2a mit dem Versteifungselement in der

oberen Ansicht, das noch einmal im Schnitt A - A in der unteren Ansicht gezeigt ist, und

Figur 2d das erfindungsgemaße Fahrzeug der Figur 2a mit der Bodenstruktur vor und nach dem Test, sowie die Verschiebungen der Positionen A - D entlang der B-Saule über der Aufprallzeit in Dia- grammform.

Die Figur 1 zeigt ein übliches Fahrzeug in

Querschnittsansicht, dass einem Side-Pole-Test unterzogen wurde. Der Pfahl deformiert dabei das Fahrzeug im Auf- prallbereich und druckt die Karosserie bis in den (Beifahrer) Sitzbereich.

Die Figur 2a zeigt ein erfindungsgemaßes Fahrzeug mit einer Bodenstruktur 100, deren Aufbau unter ei- nem Sitz 200 noch einmal in Seitenansicht dargestellt ist. Der Sitz 200 kann dabei ein Vordersitz, Rucksitz oA sein. Ein Versteifungselement 110 mit quer zur Fahrzeug- langsrichtung verlaufenden Wellen 111, 111' weist hier ein kastenförmiges Profil auf, womit eine ebene Oberfla- che zur Montage von Verstärkungen 112, 112' erzeugt wird. Diese Verstärkungen 112, 112' verlaufen quer zur Erstre- ckungsrichtung der Wellen 111, 111' und verleihen dem Versteifungselement 110 damit eine zusatzliche Biegestei- figkeit um eine in diese Richtung verlaufende Torsions- achse. Dadurch kann das Versteifungselement 110 unter der Last des Aufpralls nicht oder nur schwer nach oben oder unten ausweichen, womit seine Ausrichtung gegen den seitlich eindringenden Pfahl und damit seine Aufnahmefähigkeit für Schubkräfte in Erstreckungsrichtung der Wellen 111, 111' sowie für Biegemomente um eine Torsionsachse quer zur Erstreckungsrichtung der Wellen 111, 111' erhal-

ten bleibt. Die sich aus der wellenförmigen Ausprägung ergebenden Lastaufnahmefahigkeiten des Versteifungselements 110 bleiben damit erhalten. Gleichzeitig kann durch entsprechende Wahl der Hohe der Verstärkungen 112, 112' für ausreichende Fußfreiheit im Fond des Fahrzeugs gesorgt werden. Auf diesen Verstärkungen 112, 112' sind die Laufschienen des Sitzes 200 montiert. Das Versteifungselement 110 kann dabei zur weiteren Erhöhung der Formsta- bilitat mit einem Karosserieboden 120 verbunden (ver- klebt, verschraubt, vernietet oA) sein.

Der zum übertragen und Abbauen der Pfahlkrafte vorgesehene Lastpfad ergibt sich aus der Anordnung eines Langstragers 140 und eines Fahrzeugtunnels 130, und dem dazwischen angeordneten Versteifungselement 110. Die Deformationsbereiche beim Side-Pole-Test werden durch das Versteifungselement 110 in einen Außenbereich (85 mm Breite) und in einen Mittenbereich (285 nun Breite) verschoben, womit die Sitzposition nicht in Mitleidenschaft gezogen wird. Das bedeutet, dass der Energieabbau im Wesentlichen im Bereich des Tragers 140 und im Bereich des Tunnels 130 stattfindet, wahrend das dazwischenliegende Versteifungselement 110 praktisch unbeschädigt bleibt.

In dem Tunnel 130 ist dabei ein Auspuff 300 gefuhrt, der zur Aufnahme von Deformationsenergie genutzt wird, dh bei einem Seitenaufprall zusammengedruckt werden kann. Um zu verhindern, dass sich der Auspuff bei einem Seitenaufprall aus dem Lastpfad bewegt, ist eine gewölbte Tunnelspange 150 vorgesehen, die sich beidseitig an den Schenkeln des Tunnels 130 abstutzt. Bei einem Seitenaufprall verschiebt sich das Versteifungselement 110 nach links in Richtung Tunnel 130. Dieser wird dadurch deformiert, dh seitlich eindruckt und damit in der Hohe ver- kürzt. Die Soanσe 150 wandert so nach oben und verhin-

dert, dass der Auspuff 300 nach unten - und damit aus dem Lastpfad - gedrangt wird.

Die Figur 2b zeigt die Bodenstruktur 100 des Fahrzeugs der Figur 2a in schematischer Querschnittsansicht zum Verdeutlichen der Position und Wirkungsweise des Versteifungselements 110 im bezeichneten Lastpfad. Das Versteifungselement 110 ist mit dem Karosserieboden 120 verbunden, im Lastpfad zwischen dem Langstrager 140 und dem Fahrzeugtunnel 130 angeordnet und mit diesem zusätzlich über ein Befestigungselement 113 verbunden. Dieses Befestigungselement 113 ist optional und kann zwischen Tunnel 130 und Versteifungselement 110 und/oder zwischen Trager 140 (am Karosserieboden seitlich) und Versteifungselement 110 konstruiert werden. In dem Tunnel 130 ist der Auspuff 300 gefuhrt und wird bei einem Sei- tenaufprall über eine am Tunnel 130 angebrachte Spange 150 wie beschrieben nach oben gedruckt und im Lastpfad Trager 140, Versteifungselement 110 und Tunnel 130 gehal- ten. Da das Versteifungselement 110 eine erhebliche Steifigkeit aufweist, finden damit die Deformationen - und damit der Lastabbau - im Bereich des Tunnels 130 und des Tragers 140 statt. Im Bereich des Tunnels 130 geschieht der Lastabbau zusätzlich über das Zusammendrucken des Auspuffs 300. Der über dem Versteifungselement 110 angeordnete Sitz 200 wird damit praktisch nicht in Mitleidenschaft gezogen. Bei dieser Ausfuhrungsform sind sowohl am Langstrager 140 wie in einem Schweller 160 des Fahrzeugs zusätzliche Verstärkungen 141 und 161 vorgesehen. Die Verstärkung 141 des Tragers 140 ist als zur Fahrzeugseite hin geschlossenes U-Profil ausgelegt, die insbesondere die m Figur 2b gezeigte wellenförmige Grundstruktur des Tragers 140 gegen Biegung schützt. Die Verstärkung 161 des Schwellers ist als kastenförmiges Profil ausgelegt, das diese Wirkung zusatzlich unterstützt.

Die Figur 2c zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Bodenstruktur 100 des Fahrzeugs der Figur 2a mit dem Versteifungselement 110 in der oberen Ansicht, das noch einmal im Schnitt A - A in der unteren Ansicht gezeigt ist. Dabei sind die Wellen 111, 111' des Versteifungselements 110 zwischen Tunnel 130 und Langstrager 140 deutlich sichtbar. Der Trager 140 weist dabei ebenfalls eine wellenförmige Grundstruktur auf. Durch die wellenförmige Struktur des Versteifungselements 110 wird eine Steifigkeit der Bodenstruktur 100 erzielt, die dem eindringenden Pfahl einen erheblichen Widerstand entgegensetzt. Die eingeleiteten Lasten werden im Wesentlichen im Bereich des Tragers 140 und des Tunnels 130 abgebaut.

Die Figur 2d zeigt das erfindungsgemaße Fahrzeug der Figur 2a mit der Bodenstruktur 100 vor und nach dem Test, sowie die Verschiebungen der Positionen A - D entlang der B-Saule über der Aufprallzeit in Diagrammform. Die Intrusion der Karosseriewand betragt dabei nur 209 mm, wobei die eingeleitete Energie im Langsträger- und Tunnelbereich des Fahrzeugs abgebaut wird, wie an der geringen Verformung des Versteifungselements 110 und dem Verlauf der oberen Kurven im Diagramm festzustellen ist. Weder die Maximalwerte der D-Position noch die der ande- ren Positionen liegen im Wertebereich der Bodenstruktur eines bekannten Fahrzeugs.

Insgesamt entsteht dadurch eine hohe Querstei- figkeit der Struktur bei relativ geringem Gewicht. Durch die Maßnahmen werden die maximalen Intrusionen beim Side- Pole-Test erheblich reduziert und liegen damit im zulassigen Bereich gemäß FMVSS214 - MY09. Bei einer lokalen überlastung der Bodenstruktur 100 übernehmen die benachbarten Wellen 111, 111' die Last und vermeiden so zu gro- ße Deformationen. Die übertragung der Pfahlkrafte auf die Struktur 100 über Schweller 160 und Versteifungselement

110 sowie Karosserieboden 120 bis zum Tunnel 130 und zum Auspuff 300 erfolgt auf relativ großer Breite. Der Energieabbau verlauft daher mit höherer Effizienz als bisher üblich. Diese Art der Konstruktion erfüllt damit die ge- setzlichen Anforderungen nach dem Side-Pole-Test .

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Bezugszeichenliste

100 Bodenstruktur

110 Versteifungselement

111, 111' Welle

112, 112' Verstärkung Versteifungselement 113 Befestigungselement

120 Karosserieboden

130 Fahrzeugtunnel

140 Langstrager

141 Verstärkung Langstrager 150 Tunnelspange

160 Fahrzeugschweller

161 Verstärkung Schweller 200 Vordersitz

300 Auspuff