Trägerteil für eine Leichtmetall¬ karosserie eines Kraftfahrzeugs

Die Erfindung betrifft ein Trägerteil für eine Leichtmetall¬ karosserie eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des An¬ spruchs 1.

Ein bekanntes Trägerteil (DE-OS 37 07 554) als Blechkonstruk¬ tion für einen Fahrzeugrahmen besteht aus einem oberen, U- förmigen Teil und einem unteren, U-förmigen Teil sowie einem dazwischen angebrachten Versteifungsteil in Form einer ge¬ rippten Platte. Die Kämme und Furchen der Platte weisen vor¬ zugsweise ebene Bereiche auf, die durch Versteifungsbereiche miteinander verbunden sind. Die Versteifungsbereiche sind in einem Winkel gegenüber der Querachse des Trägerteils angeord¬ net. Dadurch soll insbesondere die Biegefestigkeit erhöht wer¬ den.

Die Versteifung erfolgt somit durch Wände zwischen den U-för¬ migen Teilen, die im wesentlichen den gesamten Freiraum zwi¬ schen den U-förmigen Teilen einnehmen und die in einem Winkel zur Querachse angeordnet sind. Die Anordnung dient dazu, ein solches Trägerteil gewichtsgünstiger für den normalen, elasti¬ schen Belastungsfall auslegen zu können. Bei einem starken Aufprall eines Fahrzeugs treten aber gänzlich andere Beanspru¬ chungen in Form von plastischen Verformungen auf, wobei insbe¬ sondere der Querschnitt eines solchen Trägerteils verändert wird. Beim Einfallen des Querschnitts durch eine plastische Verbiegung des Trägerteils wird dessen Steifigkeit sehr stark

reduziert. Durch die in einem Winkel gegenüber der Querachse angestellten Versteifungswände wird, einem Einfallen des Quer¬ schnitts nur unzureichend entgegengewirkt. Solche schräg ste¬ henden Wände zwischen zwei U-förmigen Teilen sind auch nur aufwendig herzustellen und insbesondere an Leichtmetall-Gu߬ teile nicht einfach anzuformen. Solche Versteifungswände müßten dabei in aufwendiger Weise nachträglich eingebracht und fixiert werden.

Bei einem weiter bekannten Trägerteil (EP 370342-A) als Blech¬ konstruktion ist in einem einseitig offenen Schalenelement zur Versteifung ein aus aneinandergereihten V-Abschnitten bestehendes Kunststoffteil eingesetzt und an den Wänden des Metallelements fixiert. In einer ähnlichen, bekannten Anord¬ nung (DE-PS 38 39 855) werden V-förmige Kunststoffversteifun¬ gen nachträglich in einen schalenfδrmig offenen Tragkörper eingespritzt. Dies dient zur Erhöhung der Biege- und Torsions- steifigkeit gegenüber einem schalenförmigen Trägerteil ohne solche Versteifungen. Wegen der V-förmigen Anordnung kommt den Versteifungen nur eine untergeordnete Bedeutung hinsicht¬ lich einer querschnittserhaltenden Funktion zu.

Bei einem weiter bekannten Trägerteil (EP 0 055 398 AI) als Blechkonstruktion sind zwei winkelig abgebogene Blechteile verwendet. An einem dieser Blechteile sind über die Länge in Abständen versetzt dreiecksförmige Verstärkungsbleche einge¬ setzt und durch Punktschweißen über Schweißflansche verbun¬ den. Wie in dieser Schrift zurecht ausgeführt wird, reißen bei einer Querbelastung diese nur einseitig angebrachten Ver¬ stärkungsdreiecke verhältnismäßig bald aus, so daß gemäß der in dieser Schrift weiter beschriebenen Erfindung eine schalen¬ artig in das Hohlprofil eingeschweißte Versteifung vorgeschla¬ gen wird. Weiter sind ähnliche, schalenförmig in Hohlstruk- turen von Trägern eingeschweißte Versteifungen bekannt (DE-AS 22 54 299), die sich gegenüberliegen und bei einer Belastung gegeneinander abstürzen. Solche schalenförmigen Versteifungen mit umschlossenen Hohlbereichen und Hinterschneidungen sind bei Gußteilen aus fertigungstechnischen Gründen nicht mach-

bar ,

Zum Aufbau selbsttragender Karosserien mit den vorstehend be¬ schriebenen Trägerteilen werden im Tiefziehverfahren verform¬ te Stahlbleche verwendet. Träger mit Hohlprofilen werden da¬ bei jeweils aus wenigstens zwei tiefgezogenen und miteinander verschweißten Blechen hergestellt. Die Preßwerkzeuge zum Ver- for en der Bleche sind verhältnismäßig teuer, lassen jedoch hohe Stückzahlen zu, so daß für eine Großserienfertigung damit eine kostengünstige Lösung zur Verfügung steht. Für Kleinserien ist eine solche Karosserieherstellung aufgrund der hohen erforderlichen Werkzeuginvestitionen sehr kosten¬ intensiv.

Es ist daher insbesondere für Kleinserien bekannt (EP 0 146 716 Bl) , Fahrzeugkarosserien für Personenkraftwagen mit einer Tragstruktur aus Hohlprofilen herzustellen, welche durch Kno¬ tenelemente miteinander verbunden sind. Die Hohlprofile sind dabei als Leichtmetall-Strangprofile und die Knotenelemente als Leichtmetall-Gußteile ausgebildet. Die Leichtmetall-Gu߬ teile können aus zusammengesetzten Schalen zur Bildung einer Hohlprofilstruktur bestehen. Neben einer kostengünstigeren Lösung für Kleinserien werden mit einer solchen Konstruktion vorteilhaft auch geringere Karosseriegewichte und Verbesserun¬ gen beim Korrosionsschutz erreicht.

Ein besonders hoch belastetes Knotenelement in der Bodengrup¬ pe einer Leichtmetallkarosserie eines Personenkraftwagens ist das Verbindungsteil zwischen Längsträgerteilen im Vorderwagen und einem aufgrund des Radkastens seitlich dazu versetzten Schweller. Dieses Knotenelement ist zur Überbrückung der Ver¬ setzung Z-förmig auszubilden, wodurch insbesondere bei einem Frontalaufprall kein gerade durchgehender Kraftverlauf mög¬ lich ist. Durch die beiden bogenförmig umgelenkten Kraftflüs- se im Z-Verlauf besteht gerade hier die Gefahr, daß bei einer starken Belastung eine plastische Verbiegung eintritt, der Trägerquerschnitt einfällt und dadurch die Steifigkeit und die Abstützfunktion schlagartig sehr stark abnehmen.

Es ist allgemein bekannt, an Gußteilen Verstärkungsrippen an¬ zubringen. Diese werden so gelegt, ^' daß entsprechend der Kraft¬ einleitung und des Kraftflusses eine Versteifung des Bauteils und eine Reduzierung der Spannungsspitzen erzielt werden, so daß die Verstärkungsrippen im wesentlichen in der Kraftflu߬ richtung liegen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Trägerteil so weiterzubilden, daß bei guter und kostengünstiger Ferti¬ gung und Montage die Festigkeit und Steifigkeit bei starken Belastungen verbessert werden.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des An¬ spruchs 1 gelöst.

Gemäß Anspruch 1 sind zur Versteifung der Hohlprofilstruktur Versteifungen als im Abstand liegende Verstärkungsrippen an den Innenwänden der beiden schalenförmigen Leichtmetall-Gu߬ teile angeformt. Die Gestalt dieser Verstärkungsrippen und die Anordnung sind so gewählt, daß sich diese als schmale, plattenförmige Stege über einen Großteil des Querschnittver- laufs der Hohlprofilstruktur mit einer Anordnung quer zum Längsverlauf des Trägerteils erstrecken und mit einer Schmal¬ seite in ihrer Rippenhöhe in den Hohlraum des Trägerteils ab¬ stehen.

Bei einer üblichen Trägerauslegung wird dieser hinsichtlich Biegung und Torsion durch eine geeignete Wandstärke und Quer¬ schnittswahl optimiert. Die vorgeschlagenen Verstärkungsrip¬ pen bringen dabei in der Regel keinen Gewinn an Biege- und Torsionssteifigkeit bei einer üblichen, elastischen Bela¬ stung. Bei sehr großen Beanspruchungen, wie beispielsweise im Crashfall bei einem Kraftfahrzeug, treten jedoch plastische Verformungen auf. Mit den erfindungsgemäßen Verstär ungsrip- pen wird verhindert, daß bei solchen starken Belastungen mit plastischer Verformung der Tragerquerscnnitt in sich zusammen¬ fällt und damit die Trägersteifigkeit plötzlich sehr klein wird. Diese querschnittserhaltende Versteifung wird durch die

Anordnung der Verstärkungsrippen in einer jeweiligen Quer¬ schnittsebene radial, bzw. quer zum Längsträgerverlauf, er¬ reicht. Sollten die Kräfte im Falle eines Fahrzeugcrashs je¬ doch soweit ansteigen, daß sich ein Verformen des Trägerquer¬ schnitts auch durch die erfindungsgemäße Maßnahme nicht mehr verhindern läßt, nehmen die Verstärkungsrippen vorteilhaft noch zusätzlich Energie auf.

Die Leichtmetall-Gußteile lassen sich bei der vorgeschlagenen Anordnung der Verstärkungsrippen einfach entformen. Da die Verstärkungsrippen bereits bei der Herstellung der Leicht¬ metall-Gußteile mit angeformt sind, werden dafür die Verstei¬ fungen im Gegensatz zu Blechkonstruktionen keine weiteren Arbeitsschritte mehr erforderlich.

Nach Anspruch 2 werden die schalenförmigen Leichtmetall-Gu߬ teile mit Längsflanschen aneinanderliegend verklebt und/oder verschraubt, bevorzugt jedoch verschweißt, wodurch sich eine einfach herstellbare, feste Verbindung ergibt. Im Bereich der Längsflansche sind dann die über den übrigen, gesamten Quer¬ schnitt umlaufenden Verstärkungsrippen unterbrochen.

Gemäß Anspruch 3 können besonders vorteilhaft Leichtmetall- Knotenelemente zur Verbindung von Strangprofilen an Längsträ¬ gern eines Kraftfahrzeugs hergestellt werden, wobei ein bevor¬ zugt herzustellendes Bauteil das Z-förmige Knotenelement ist, das die Längsträgerteile im Vorderwagen mit einem seitlich dazu versetzten Schweller verbindet und das wegen seiner Z- Form starken Belastungen, insbesondere bei einem Frontalauf¬ prall, ausgesetzt ist.

Anhand einer Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfin¬ dung mit weiteren Einzelheiten, Merkmalen und Vorteilen näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Trägerteil als Verbindungsteil eines vorderen Längsträgers ^' und eines Schwellers an einem Personenkraftwagen und

Fig. 2 einen Schnitt durch das Trägerteil nach Fig. 1 entlang der Linie A-A.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Trägerteil 1 dargestellt, das aus zwei schalenförmigen Leichtmetall-Gußteilen 2 und 3 zu einem Hohlprofilträgerteil zusammengesetzt ist. Dazu liegen die bei¬ den Leichtmetall-Gußteile 2 und 3 mit Längsflanschen 4 und 5 aneinander und sind an den Anlageflächen verschweißt.

Das Trägerteil 1 bzw. die Leichtmetall-Gußteile 2 und 3 stel¬ len ein Knotenelement einer Leichtmetall-Karosserie dar, mit dem ein Längsträgerteil 6 im Vorderwagen mit einem seitlich dazu versetzten Schweller 7 verbunden ist. Das Längsträger¬ teil 6 und der Schweller 7 sind Strangpreßteile, die eben¬ falls aus Leichtmetall hergestellt sind. In der Anordnung nach Fig. 1 führt ein weiteres Strangpreßprofil 8 zu einem (nicht dargestellten) Mitteltunnel.

Das Längsträgerteil 6 verläuft in an sich bekannter Weise hin¬ ter dem Radhaus versetzt zum Schweller 7 bzw. zur seitlichen Außenfläche des Fahrzeugs. Daher ist es erforderlich, das Kno¬ tenelement bzw. das Trägerteil 1 zur Überbrückung dieses Ver¬ satzes Z-förmig in der dargestellten Art auszubilden. Bei einem Frontaufprall ist entsprechend der Kraftverlauf durch das Trägerteil 1 Z-förmig umgelenkt, entsprechend der strich¬ punktierten Linie 9.

Durch die beiden Krümmungen im Kraftverlauf am Trägerteil 1 entsteht bei einem starken Frontaufprall eine Art von Scher¬ bewegung zwischen dem Längsträgerteil 6 und dem Schweller 7 mit hohen Kraftspitzen, die im Trägerteil 1 aufgenommen wer¬ den müssen. Die entstehenden Kräfte haben ersichtlich das Bestreben, das Trägerteil 1 an den Biegungen auszuknicken. Bei einer solchen plastischen Verformung besteht die Gefahr,

daß dadurch der Querschnitt einfällt und damit wegen der dann fehlenden Hohlstruktur des Trägers ^' dessen Steifigkeit schlag¬ artig auf einen sehr geringen Wert abfällt.

Um ein solches Einfallen des Querschnitts zu verhindern, sind in Abständen liegende Verstärkungsrippen 10, 11, usw. ange¬ formt. Diese Verstärkungsrippen liegen jeweils in einer Quer¬ schnittsebene quer oder radial zum Längsverlauf des Träger¬ teils 1 bzw. zum Kraftverlauf entsprechend der Linie 9. Zur Darstellung des radialen Verlaufs der Verstärkungsrippen 10, 11 sowie der weiter eingezeichneten Verstärkungsrippen sind die Mittelpunkte 12, 13 der Z-Krümmungen eingezeichnet. Die Stellung der Verstärkungsrippen folgt den zugeordneten Radien 14, 15.

In Fig. 2 ist am Beispiel der Verstärkungsrippe 11 deren kon¬ krete Struktur im Hohlraum 16 des Trägerteils 1 gezeigt: Im oberen, schalenförmigen Leichtmetall-Gußteil 2 ist eine Ver¬ stärkungsrippe 11a vom Längsflanschbereich 4 zum Längsflansch- bereich 5 geführt, wobei die Flanschbereiche frei belassen wurden. Entsprechend ist in der gleichen Querschnittsebene am unteren, schalenförmigen Leichtmetall-Gußteil 3 eine Verstär¬ kungsrippe 11b angeformt. Die Verstärkungsrippenteile 11a und 11b entsprechen somit praktisch einer in einer Querschnitts¬ ebene umlaufenden Verstärkungsrippe. Die Rippenteile 11a und 11b sind als plattenförmige Stege mit einer Wandstärke ent¬ sprechend der Belastung auf den schalenförmigen Leichtmetall- Gußteilen 2 und 3 ausgeführt. Diese Stege stehen mit einer Schmalseite 17 in den Hohlraum 16. Das Trägerteil 1 enthält somit keine, den Hohlraum 16 unterteilende Wände, sondern weist einen im Längsverlauf durchgehenden Hohlraum 16 auf.

Die dargestellte Trägerteilausführung hat folgende Funktion: Der Querschnitt und die Wandstärken des Trägerteils 1 sind hinsichtlich der Biege- und/oder Torsionssteifigkeit opti¬ miert, wobei die Ver≤tärkungsrippen 10, 11 usw. bei einer nor¬ malen, betriebsmäßigen Beanspruchung im elastischen Bereich praktisch keinen Gewinn an zusätzlicher Biege- oder Torsions-

steifigkeit bringen. Anders liegen die Beanspruchungen im Crashfall sowohl bei einem Front- als auch bei einem Seiten¬ aufprall. Hierbei treten plastische Verformungen auf, wobei durch die Anordnung der Verstärkungsrippen in Querschnitts¬ ebenen etwa radial zum Trägerverlauf bzw. zum Kraftverlauf das Einfallen des Trägerquerschnitts und damit ein praktisch schlagartiges Verschwinden des Abstützwiderstands weitgehend verhindert wird. Wenn bei sehr starken Belastungen dennoch eine Verformung des Trägerquerschnitts auftritt, nehmen die Verstärkungsrippen vorteilhaft zusätzlich Energie auf.