DE10153025B4

DE10153025B4 - Aufprallträger einer Fahrzeugkarosserie

Info

Publication number: DE10153025B4
Application number: DE10153025A
Authority: DE
Inventors: Patrick Dr. Kim; Hartmut Dipl.-Ing. Albers; Thomas Dipl.-Ing. Schuh
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2001-10-26
Filing date: 2001-10-26
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2021-10-27
Also published as: DE10153025A1; US7077438B2; US20050077752A1; JP2005507342A; WO2003037668A1; EP1438207A1

Abstract

Aufprallträger einer Fahrzeugkarosserie, welcher ein längliches kastenförmiges Hohlprofil und ein zumindest an der dem Fahrzeug zugewandten Rückseite des Hohlprofils angebrachtes längliches, flächiges faserverstärktes Kunststoffteil aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil (8) mit einem Stützkörper (14) aus Balsaholz ausgefüllt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Aufprallträger einer Fahrzeugkarosserie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein gattungsgemäßer Aufprallträger ist aus der JP 6-101732 A bekannt. Der dortige Aufprallträger ist gebildet durch ein längliches kastenförmiges Hohlprofil und ein zumindest an der dem Fahrzeug zugewandten Rückseite des Hohlprofils angebrachtes längliches, flächiges faserverstärktes Kunststoffteil. Das Hohlprofil besteht aus einer Aluminiumlegierung und ist durch Fließpressen hergestellt.

Der EP 0 467 829 B1 ist ein stranggepresster und als kastenförmiges langgestrecktes Hohlprofil ausgebildeter Aufprallträger zu entnehmen. Dabei weist das Hohlprofil einen zum Fahrzeuginnenraum gewandte als Innengurt dienende innere Profilwand und eine gegenüberliegende als Außengurt dienende äußere Profilwand auf. Die beiden Profilwände sind durch Querwände miteinander verbunden, die gegenüber den Profilwänden eine vergleichsweise geringe Wandstärke besitzen. Um eine gleichmäßige Verformung des Trägers beim Aufprall zu erreichen und dabei dem Einknicken des Träger-Druckgurtes, dem Außengurt, entgegenzuwirken, sollen im Außengurt Löcher vorgesehen sein, die außerhalb des Trägerschwerpunktes liegen. Trotz dieser Maßnahme ist die Sicherheit gegenüber einem Einknicken bei einem Aufprall nicht ausreichend. Wenn außerdem der Leichtbauaspekt eine wichtige Rolle spielt, ist die Festigkeit und Steifigkeit des Trägers nicht sehr hoch, wenn es sich um einen Träger aus Leichtmetall handelt.

Aus der DE 36 21 697 A1 ist ein Aufprallträger für die Versteifung von Fahrzeugtüren bekannt, beim der Zuggurt auf seiner Außenseite mit einer faserverstärkten Kunststoffschicht überzogen ist. Der Überzug bzw. die Beschichtung oder Schicht besitzt vor dem Applizieren auf das Bauteil keine definierte Form, sondern liegt vielmehr in flüssigem oder quasigasförmigem Zustand vor. Bei der Herstellung des Aufprallträgers folgt die Schicht beim Beschichten bzw. beim Überziehen des Bauteils konturtreu der Form des Bauteils. Zusätzlich ist der Träger innenseitig durch Einbringen eines Versteifungsgitters versteift.

Die mit der US 4,020,202 inhaltsgleiche deutsche Fassung DE 23 34 645 A1 offenbart einen Aufprallträger, der ausschließlich aus faserverstärktem Kunststoff gebildet ist. Die Fasern können aus Kohlenstoff bestehen und liegen optional entlang der Längsrichtung des Kunststoffteils.

Die DE 198 13 092 A1 zeigt ein Strukturelement eines Kraftfahrzeuges, insbesondere eine Längsträger, der mit einem Metallschaum ausgeschäumt ist. Bei der DE 41 33 144 A1 ist ein Aufprallträger entnehmbar, der eine Füllung enthält, die aus Holz bestehen kann.

Aus der DE 40 31 680 A1 ist ein Türverstärkungselement aus Holz für Kraftfahrzeuge ersichtlich, welches aus verschiedenen zusammengeleimten Schichten aufgebaut ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Aufprallträger dahingehend weiterzubilden, dass dieser trotz Leichtbauweise eine im Falle eines Aufpralls ausreichende Steifigkeit und Festigkeit bei vergrößerter Energieaufnahme entgegenbringt.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Durch das Zusammenwirken des Hohlprofiles mit einem flächigen faserverstärkten Kunststoffteil werden die jeweils günstigen Eigenschaften hinsichtlich Leichtbau, Steifigkeit und Festigkeit des Aufprallträgers gebündelt. Dabei erbringt das Hohlprofil aufgrund seiner umfänglichen Geschlossenheit für den Träger einen hohen Widerstand gegenüber Schubkräften, während das faserverstärkte Kunststoffteil dem bei einer Aufprallbelastung im Träger entstehenden Biegemoment durch den Zug seiner parallel zum Träger verlaufenden Fasern entgegenwirkt und somit ein hohes Maß an elastischer Steifigkeit und Festigkeit gegenüber Biegung und in axialer Richtung wirkenden Kräften beiträgt. Die Energieaufnahme und der erzielbare bruchfreie Verformungsweg sind dabei besonders hoch. Aufgrund der flächigen Kastenform wird eine besonders gute Anbindung des Kunststoffteils an das Hohlprofil geschaffen. Durch die einfache Anbringbarkeit des Kunststoffteils und dessen Erzeugung sowie die des Hohlprofiles ist der Aufwand zur Herstellung des erfindungsgemäßen Trägers gering. Durch die Erfindung ist zudem die Ausbildung eines Trägers möglich, der bei gleichbleibender Steifigkeit und Festigkeit hinsichtlich herkömmlicher Träger wesentlich schmaler ist und/oder eine geringere Wandstärke besitzt. Hierdurch lassen sich an der Fahrzeugkarosserie an geeigneter Stelle schlankere Strukturen realisieren ohne Steifigkeit- und Festigkeitseinbußen in Kauf nehmen zu müssen. Darüber hinaus wird das Gewicht des Trägers und damit der gesamten Karosserie erheblich verringert. Der Anwendungsbereich des Trägers findet sich überall dort am Fahrzeug, wo nur geringe Krümmungen auftreten und wo Lasten gerichtet auf das Fahrzeug einwirken. Der Träger lässt sich dabei als Stoßfängerbiegeträger oder als Teil davon verwenden, im Mittelteil des seitlichen Dachrahmens oder auch als Seitenaufprallschutz einsetzen. Ebenfalls denkbar ist die Verwendung als Dachspriegel zur Verbindung der B-Säulen.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung anhand zweier in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele nachfolgend näher erläutert; dabei zeigt:
1 in einer Seitenansicht ein Außenteil einer Kraftfahrzeugtür mit einem erfindungsgemäßen Aufprallträger,
2 in einer perspektivischen Ansicht einen erfindungsgemäßen Aufprallträger mit Holzkern,
3 in einem Querschnitt einen erfindungsgemäßen Aufprallträger mit Stabilisierungsflanschen und Versteifungsrippe.
In 1 ist eine Innenseite 1 des Außenteils einer dreischalig aus Innenteil, Außenteil und Beplankung bestehenden Seitentür 2 einer Kraftfahrzeugkarosserie dargestellt, an deren Rahmen 3 unterhalb des Fensters 4 eine in Fahrzeuglängsrichtung verlaufende längliche Querverstrebung mit beiden Enden 5 und 6 befestigt ist. Die Querverstrebung bildet dabei einen Aufprallträger 7, der zum Seitenaufprallschutz dient.
Der Aufprallträger 7 setzt sich zum einen aus einem länglichen kastenförmigen Hohlprofil 8 zusammen (2), an dem an seiner dem Fahrzeuginneraum zugewandten Rückseite 9 ein längliches, flächiges faserverstärktes Kunststoffteil 10 angebracht ist. Obwohl die Anbringungsarten vielfältig und dabei auch lösbare Verbindungen zwischen dem Kunststoffteil 10 und dem Hohlprofil 8 wie beispielsweise eine Vernietung oder Verschraubung denkbar sind, ist aus Gründen einer möglichst integralen Anbindung und der daraus resultierenden Haltbarkeit des Kunststoffteils 10 und des Hohlprofiles 8 aneinander und dem Aspekt einer möglichst geringen Teilevielfalt eine flächige Verklebung zu bevorzugen. Hierzu ist eine Kleberschicht 11 vorgesehen, die zwischen Kunststoffteil 10 und Hohlprofil 8 eingebracht wird. Für eine möglichst optimale Verklebung werden zuerst beide Klebeflächen vorbehandelt, d.h. gereinigt, und anschließend ein Primer auf die Klebefläche des Hohlprofiles 8 und die Kleberschicht 11 auf die Klebefläche des Kunststoffteils 10 aufgetra gen. Daraufhin werden beide Teile miteinander verpreßt und der Kleber mittels elektromagnetischer Bestrahlung, vorzugsweise Wärmestrahlung ausgehärtet.
Das Hohlprofil 8, das auch als Mehrkammerprofil für eine besonders hohe Steifigkeit des Aufprallträgers 7 ausgebildet sein kann, ist aus Leichtbaugründen und hinsichtlich eines einfachen, kostengünstigen und schnellen Herstellungsprozesses von einem Aluminium-Strangpreßprofil aus einer hochfesten Aluminiumlegierung, beispielsweise AlMgSi 1 gebildet. Das Aluminiumhohlprofil 8 wie auch jedes andere Leichtmetallhohlprofil gibt dem Aufprallträger 7 hohe Duktilität und einen hohen Schubwiderstand. Des weiteren können durch die Ausbildung des Hohlprofiles 8 als Metallhohlprofil für die Anbindung des Aufprallträgers 7 an die übrige Karosseriestruktur bekannte zuverlässige Fügetechniken, wie beispielsweise Verschraubungen oder Verklebungen eingesetzt werden.
Das faserverstärkte Kunststoffteil 10 ist lamellenförmig ausgebildet und beinhaltet in seiner Epoxidharz-Matrix ausschließlich unidirektional verlaufende Kohlefasern, die sich längs des Kunststoffteils 10 erstrecken. Die Matrix kann auch aus einem Thermoplast gebildet sein, was die Vorformbarkeit des lamellenförmigen Kunststoffteils 10 zur Formanpassung in der Karosseriestruktur verbessert. Anstelle der Kohlefasern sind ebenso Aramidfasern oder Borfasern, die die Zugeigenschaften von Kohlefasern noch übertreffen, jedoch relativ teuer sind, denkbar. Dies erbringt für den sich aus dem Verbund von Kunststoffteil 10 und Hohlprofil 8 zusammensetzenden Aufprallträger 7 eine sehr hohe elastische Steifigkeit und Festigkeit – auch nach Fliessen des Aluminiums im Crashfall – und einen optimalen Widerstand gegenüber den vom Biegemoment des Aufprallträgers 7 verursachten axialen Kräften. Kohlefaserverstärkter Kunststoff mit unidirektional liegenden Fasern (UD-CfK) besitzen für die gestellten Anforderungen in Verbindung mit dem Leichbau die beste Mischung an Materialeigenschaften unter den für einen Einsatz möglichen Werkstoffen. UD-CfK weist dabei ein hohes Zugmodul mit Werten größer als 150 GPa und eine sehr hohe Zugfestigkeit von größer als 2200 Mpa, sowie eine sehr geringe Dichte von 1,6 g/cm³ aus. Außerdem verfügt dieser Werkstoff über gute Ermüdungseigenschaften, so dass bezüglich des Kunststoffteils 10 eine hohe Dauerhaltbarkeit gegeben ist. Das Kunststoffteil 10 wird durch Pultrusion hergestellt, wodurch zum einen ein hoher Faseranteil und zum anderen eine gleichmäßige Verteilung der Fasern in der Matrix erreicht wird, was die Wirkungsweise des Kunststoffteiles 10 für den Aufprallträger verbessert.
Es ist zwar denkbar, ein weiteres Kunststoffteil 10 an die Vorderseite 12 des Hohlprofiles 8 anzubringen. Dies würde zwar zu einer weiteren Erhöhung der Steifigkeit des Aufprallträgers 7 führen, jedoch versagt das Kunststoffteil 10 beim Aufprall unter der einwirkenden Druckbelastung relativ schnell, so dass es zu einem unerwünscht steilen Abfall in der Energieaufnahme und damit in der Verformungscharakteristik des Aufprallträgers 7 kommt.
Zur Stabilisierung des Aufprallträgers 7 gegen Einknicken unter Aufprallbelastung wird in den Innenraum 13 des Hohlprofiles 8 ein Stützkörper 14 aus einem Leichtbaustoff eingeführt und im Hohlprofil 8 befestigt. Dies kann durch einfaches Einpressen geschehen oder ebenfalls durch Kleben erfolgen. Der Stützkörper 14 kann im Hohlprofil 8 derart angeordnet sein, dass das Hohlprofil 8 vollständig ausgefüllt ist oder aber für Anbringungszwecke des Aufprallträgers 7 am Türrahmen 3 an beiden Enden eine axial offene Kammer aufweist. Der Stützkörper 14 kann aus einem Leichtmetall-Formschaum bestehen, der dem Aufprallträger noch zusätzliche Steifigkeit verleiht. Vorzugsweise wird der Stützkörper 14 jedoch aufgrund der hohen Bruchdehnungseigenschaften der Fasern und geringen Kosten aus Holz hergestellt. In für den Leichtbau günstiger Weise wird als Holz Balsaholz verwandt, das auch einfach zuzuschneiden ist. Der Stützkörper 14 aus Balsaholz sollte vorteilhafterweise so angeordnet werden, dass die mikroskopische Säulenstruktur 15 des Holzes in Aufprallrichtung ausgerichtet ist, wodurch eine besonders gute Abstützung erreicht wird. Insgesamt wird durch den Holzstützkörper 14 beim Aufprall eine verteilte plastische Verformung des Aufprallträgers 7 erzielt und dadurch eine hohe Tragfähigkeit des Kunststoffteils 10 ohne Bruchgefahr bis zu sehr hohen Verformungen gewährleistet. Das Kunststoffteil 10 kann somit auch im hochverformten Zustand weiter erheblich belastet werden. Zur Erhöhung der Widerstandes des Kunststoffteils 10 gegen Biegemomente kann die dem Kunststoffteil 10 nächstliegende Wandung 16 des Hohlprofils 8 eine geringere Wandstärke aufweisen die der gegenüberliegenden Seite (3), da damit die Zugwirkung der Fasern des Kunststoffteils 10 durch den verringerten Kraftaufwand besser zur Geltung kommen kann. Die neutrale Achse wird dabei von dem Kunststoffteil 10 weg zur gegenüberliegenden Wandung 18 hin verschoben. Zudem trägt die Wandstärkenverminderung zu einem optimierten Leichtbau deutlich bei.
Eine weitere Erhöhung der Steifigkeit und der Festigkeit des Aufprallträgers 7 kann dadurch erzielt werden, dass mit der Ausbildung des Hohlprofiles 8 eine von der Innenseite 17 der dem Kunststoffteil 10 gegenüberliegenden Wandung 18 ausgehende und in den Innenraum 13 des Hohlprofiles 8 abragende Versteifungsrippe 19 mitangeformt wird (3). Prinzipiell können auch mehrere Versteifungsrippen 19 angeformt sein. In der Figur weist diese Wandung 18 seitlich abstehende Stabilisierungsflansche 20 auf, die ebenfalls mitangeformt sind und über die aufgrund der damit sich ergebenden größeren Angriffsfläche mehr Stoßenergie in den Aufprallträger 7 eingeleitet und dort verzehrt werden kann, was sich in einer verbesserten Schutzwirkung gegenüber einem Aufprall zeigt. Das Hohlprofil 8 wird durch die Flansche 20 gegenüber Einknicken und ein Einbeulen der Belastungsseite (Druckseite), also der Seite des Hohlprofiles 8, an der die Flansche 20 angeordnet sind, form- und funktionsstabil gehalten. Die Rippe 19 erhöht den Widerstand des Flansches 20 des Hohlprofiles 8 gegen Einbeulen und Einknicken und verzögert somit den Kollapszeitpunkt.
Insgesamt erbringt der erfindungsgemäße Aufprallträger 7 eine höhere und frühzeitige Energieaufnahme und damit eine geringere Eindringtiefe des aufprallenden Objektes, also eine höhere Sicherheit durch größere Verformungswege bei gleichzeitig geringem Gewicht. Das Gewicht des Aluminium/CfK-Verbundes ist dazu um mehr als 40% niedriger als ein vergleichbarer Stahlträger und um mehr als 20% niedriger als ein vergleichbarer Träger aus Aluminium. Bei einer derartigen Gewichtseinsparung wird im elastischen Bereich eine Steigerung um bis zu 40% in der Steifigkeit gegenüber einem Aluminiumträger erreicht. Weiterhin wird eine Festigkeit wie ein Bauteil aus hochfestem Stahl bei erheblich niedrigerem Gewicht erzielt. Das duktile Verhalten gibt sich derart, dass es selbst bei einer Durchbiegung von 450mm die CfK-Lamelle 10 unversehrt bleibt und dadurch keine Trennung des Aufprallträgers 7 auftritt.
Als weiterer Anwendungsfall für den Aufprallträger 7 ist im übrigen dieser als zweite Strebe an der Innenseite der Tür 2 anstatt einer aufwendig verstärkten Oberbordkante denkbar.

Claims

Aufprallträger einer Fahrzeugkarosserie, welcher ein längliches kastenförmiges Hohlprofil und ein zumindest an der dem Fahrzeug zugewandten Rückseite des Hohlprofils angebrachtes längliches, flächiges faserverstärktes Kunststoffteil aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil (8) mit einem Stützkörper (14) aus Balsaholz ausgefüllt ist.
Aufprallträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil (8) ein Aluminium-Strangpreßprofil ist.
Aufprallträger nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffteil (10) kohlefaserverstärkt ist, wobei die Kohlefasern unidirektional und entlang der Längserstreckung des Kunststoffteils (10) verlaufen.
Aufprallträger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffteil (10) eine pultrudierte Lamellenform besitzt.
Aufprallträger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Balsaholz so angeordnet ist, dass die makroskopische Säulenstruktur (15) des Holzes in Aufprallrichtung ausgerichtet ist.
Aufprallträger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil (8) mindestens eine in den Innenraum (13) hineinstehende Versteifungsrippe (19) aufweist.
Aufprallträger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil (8) an der Seite, an der das Kunststoffteil (10) angebracht ist, eine geringere Wandstärke besitzt als auf der gegenüberliegenden Seite.
Aufprallträger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem Kunststoffteil (10) abgewandten Seite des Hohlprofiles (8) seitlich abstehende Stabilisierungsflansche (20) angeordnet sind.