DE102011086813A1

DE102011086813A1 - Einstückiges Blechbauteil für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102011086813A1
Application number: DE102011086813A
Authority: DE
Inventors: Horst Lanzerath; Jürgen Wesemann; Omar Ghouati
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2011-11-22
Filing date: 2011-11-22
Publication date: 2013-05-23
Also published as: DE112012004865A5; CN103906676A; US20140193659A1; WO2013075996A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein einstückiges Bauteil aus Blech für ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, als selbsttragendes Teil, vornehmlich im Boden-, Seiten- und Dachbereich des Fahrzeugs. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einstückiges, selbsttragendes Blechbauteile für ein Fahrzeug zu schaffen, welches leicht herstellbar ist, eine hohe Festigkeit aufweist und eine relativ leichte Konstruktion bildet. Zu diesem Zweck ist das Bauteil ausschließlich als Blechteil (3) aus hochfestem Metall, vorzugsweise aus Borstahl, ausgebildet, wobei das Blechteil (3) in seinen besonders stark beanspruchten Bereichen mit Aussteifungen und/oder Verstärkungen bzw. Aufdickungen (4) versehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein einstückiges Bauteil aus Blech für ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, als selbsttragendes Teil, vornehmlich im Boden-, Seiten- und Dachbereich des Fahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei handelsüblichen Kraftfahrzeugen werden die Blechbauteile, insbesondere wenn diese als großflächige Teile ausgebildet sind, mittels Schienen bzw. Längs- und Querträgern verstärkt, um eine selbsttragende Konstruktion zu schaffen.
Aus der US-PS 5,102,187 A ist beispielsweise eine Bodenkonstruktion für ein Kraftfahrzeug bekannt, die aus einem vorderen Blechteil sowie einem hinteren Blechteil besteht. Die Blechteile sind mit mehreren Verstärkungselementen in Form von aufgesetzten Trägern versehen, die mit dem Blechkörper verschweißt sind. Dadurch entstehen selbsttragende Bauteile, die den Bodenbereich eines Kraftfahrzeugs bilden können.
Eine ähnliche Konstruktion ist auch aus der EP 1 525 132 B1 bekannt, bei der das Bodenblech mittels eines Längsträgers und seitlich angesetzten Stegblechs verstärkt ist.
Aus der US-PS 7,111,900 B2 ist bereits ein einstückig hergestelltes Blechbauteil bekannt, welches auch eine tragende Funktion übernehmen kann. Dieses Bauteil ist jedoch äußerst kompliziert aufgebaut und weist extrem gekrümmte Bereiche auf, die teilweise auch mit Hinterschneidungen versehen sind und äußerst schwierig herstellbar sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein einstückiges, selbsttragendes Blechbauteile für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, welches leicht herstellbar ist, eine hohe Festigkeit aufweist und eine relativ leichte Konstruktion bildet. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass das Bauteil ausschließlich als Blechteil aus hochfestem Metall ausgebildet ist und dass das Blechteil in seinen besonders stark beanspruchten Bereichen mit Aussteifungen und/oder Verstärkungen versehen ist.
Das Hauptmerkmal der erfindungsgemäßen Konstruktion liegt demnach darin, ein hochfestes Blechmaterial mit einer geometrischen Steifigkeit zu versehen. Dadurch ist es möglich, großflächige Blechteile mit relativ geringer Wandstärke zu verarbeiten, die wesentlich leichter sind als die bekannten Bauteile und darüber hinaus mindestens die gleiche Stabilität aufweisen.
Durch die Erfindung ist es möglich, mehrere Lastpfade in ein einziges großflächiges Bauteil zu integrieren. Dies ermöglicht eine bessere homogene Lastverteilung durch eine flächige Einleitung der Lasten im Crashfall, anstatt lokal eingeleiteter Kräfte in konventionellen Bauweisen.
Vorzugsweise wird das Blech, aus welchem das Bauteil gefertigt ist, aus hochfestem Stahl, beispielsweise Borstahl, gefertigt. Geometrisch komplexe Bauteile, wie sie in der Kraftfahrzeugtechnik gefordert werden, können vorzugsweise aus warm-umgeformtem Borstahl gefertigt werden, um eine sehr hohe Festigkeit im Bauteil zu erhalten. Die Vorteile sind eine deutliche Gewichts- und Teileeinsparung, wodurch insbesondere die Herstellungskosten reduziert werden können.
Die verwendeten Bleche aus Borstahl sind im Handel bis zu einer Stärke von 0,7 mm und gegebenenfalls sogar noch darunter erhältlich.
Alternativ ist es auch möglich, die zur Herstellung der Bauteile dienenden Bleche aus hochfesten Aluminiumlegierungen herzustellen. Derartige Blechteile können warm-verformt und pressgehärtet sein.
Bei besonderen Anwendungsfällen kommt es darauf an, dass das Blech, aus welchem das Bauteil gefertigt ist, gut kalt-umformbar sein soll. Für derartige Zwecke kann das Bleche beispielsweise auch aus duktilen Hochfeststählen wie zum Beispiel FeMn-, FeAl- oder Edelstählen bestehen.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen einstückigen Bauteils besteht darin, dass das Blechteil als Aussteifungen bzw. Verstärkungen in seinen besonders stark beanspruchten Bereichen mit Aufdickungen versehen ist. Solche lokalen Aufdickungen, hergestellt z.B. mit einer "Patch-Weld-Technologie", sind möglich, wenn eine folgender Warmumformprozess (Hot-Forming) zum Einsatz kommt. Dabei werden auf die ebene Grundplatine aus beispielsweise Borstahl im „weichen“ Zustand vor dem Umformen kleine, ebene Bleche aufgeschweißt (z.B. durch Laser- oder Punktschweißen), die dann zusammen mit der Grundplatine auf ca. 950° erwärmt und dann umgeformt und gehärtet werden. Durch die aufgebrachten Aufdickungen sind die Struktureigenschaften genau auf die jeweiligen strukturellen Anforderungen einstellbar.
Als Aussteifungen bzw. Verstärkungen können auf das Blechteil auch aufgeschweißte Verstärkungslagen aus hochfestem Material vorgesehen sein. Besonders geeignet sind aber auch mit Blechplatinen mit flexibler Dickenverteilung ("Tailor Rolled Blanks"), bei denen der Dickenverlauf und gegebenenfalls auch Festigkeitsverlauf durch die Variation des Walzspaltes erreicht wird.
Alternativ können als Aufdickungen auch auf das Blechteil aufgepresste oder aufgewalzte Verstärkungslagen aus hochfestem Material vorgesehen sein.
Bei einer anderen Ausführungsform sind als Aussteifungen bzw. Verstärkungen in das Blechteil geometrisch eingeformte Versteifungsbereiche vorgesehen.
Die Verstärkungen des Blechteils können auch durch lokales Aufhärten, zum Beispiel mittels eines thermischen Prozesses erzielt werden. Dieser Prozess kann auch gezielt zur Anpassung an die Anforderungen unterschiedlicher Fahrzeugderivate verwendet werden.
Diese Versteifungsbereiche können als U-Kanäle und/oder Rippen in Längs- und/oder Querrichtung des Blechteils in das Blech eingeformt sein.
Zur Erzielung einer optimalen Stabilität können die U-Kanäle und/oder Rippen mit Schließblechen versehen sein.
Durch Verwendung von Schließblechen unterschiedlicher Dicke und/oder Festigkeit kann eine Anpassung an die Lastanforderungen unterschiedlicher Fahrzeugderivate erfolgen. Das ist besonders vorteilhaft, da es ermöglicht, ein einheitliches Bodenblech für verschiedene Fahrzeugderivate herzustellen und die Anpassung an verschiedene Lastanforderungen erst spät im Fertigungsprozess durchzuführen.
Zur Erzielung einer optimalen Stabilität können die U-Kanäle auch mit Strukturschäumen und/oder Kunststoffteilen verstärkt werden. Diese Verstärkungen können auch zur Anpassung an die Lastanforderungen unterschiedlicher Fahrzeugderivate verwendet werden.
Durch entsprechende Anordnung der Versteifungsbereiche ist die Konstruktion der Blechbauteile sehr variabel. Sofern erforderlich, können in dem Bauteil auch besonders nachgiebige Bereiche vorgesehen werden.
Das erfindungsgemäße einstückige Blechbauteil kann im Kraftfahrzeugbau für verschiedene Bereiche des Fahrzeugs angewendet werden. Als Hauptanwendungsgebiet kann das Bodenblech angesehen werden und damit die Integration der besonders vorteilhaften Lastpfade. Alternativ ist es aber auch möglich, das Bauteil in den Seiten- und Dachbereichen einer Kraftfahrzeugkarosserie oder im Bereich der Stirnwand einzusetzen.
Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Bauteils als Bodenblech können die Aussteifungen und/oder Verstärkungen bzw. die Aufdickungen des Blechs so gewählt werden, dass durch diese die Funktion von Längs- und/oder Querträgern übernommen werden können.
Bei Verwendung des Bauteils im Bodenbereich des Fahrzeugs, kann das Blechteil in Längsrichtung und/oder in Querrichtung zumindest in zwei Teile unterteilt werden, beispielsweise in ein vorderes Bodenblech und ein hinteres Bodenblech. Die Gewichtseinsparungen gegenüber herkömmlichen Lösungen sind erheblich.
Die Erfindung ist in der Zeichnung am Beispiel eines hinteren Bodenblechs veranschaulicht. Es zeigen:
1: eine herkömmliche Konstruktion eines hinteren Bodenteils;
2a, b: eine Blechplatine mit aufgebrachten Aufdickungen zur Herstellung eines hinteren Bodenteils und ein fertig verformtes hinteres Bodenteil gemäß der Erfindung; und
3a, b: eine Blechplatine mit aufgebrachten Aufdickungen zur Herstellung eines weiteren hinteren Bodenteils und ein weiteres, fertig verformtes hinteres Bodenteil gemäß der Erfindung.
In 1 ist die herkömmliche Bauweise eines hinteren Bodenteils für ein Kraftfahrzeug dargestellt. Das Bodenteil besteht aus einem entsprechend zugeschnittenen Blechteil 1, welches zu der benötigten Form mit ihren sämtlichen Funktionsteilen und Anschlussbereichen geometrisch verformt ist. Dieses Blechteil 1 wird anschließend mit einem Tragrahmen 2 kombiniert, der unter das fertig hergestellte Blechteil gesetzt wird.
In 2a ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Um das hintere Bodenteil eines Kraftfahrzeugs herzustellen, wird zunächst ein Blechteil 3 in seiner äußeren Kontur zugeschnitten. Dieses Blechteil 3 besteht vorzugsweise aus sehr dünnwandigem Borstahl von beispielsweise 0,7 oder 0,65 mm Stärke. Auf dieses Blechteil 3, welches zunächst noch ebenflächig ist, werden lokale Aufdickungen 4 aufgebracht, beispielsweise durch eine Patch-Weld-Technologie. Dabei werden auf die ebene Grundplatte aus Borstahl im „weichen“ Zustand vor dem Umformen kleine, ebene Bleche als Aufdickungen aufgeschweißt, zweckmäßig durch Laser- oder Punktschweißen oder aufgepresst.
In 2a ist das Blechteil 3 in der endgültigen Form gezeigt, die es nach einer weiteren Umformung erreicht hat. Dazu werden die Aufdickungen 4 im Ofen zusammen mit dem Blechteil 3 auf 950° erwärmt und dann umgeformt und gehärtet. Durch diese aufgebrachten Aufdickungen 4 sind die Struktureigenschaften des herzustellenden Bauteils genau auf die jeweiligen strukturellen Anforderungen einstellbar.
Die entstandene Konstruktion ähnelt der in 1 gezeigten Anordnung der Längs- und Querträger einer konventionellen hinteren Bodenstruktur. Vorteilhaft ist jetzt aber die gesamte hintere Bodenstruktur aus dem Blechteil 3 selber gebildet, der aus 1 bekannte, separate Tragrahmen 2 wird hier nicht benötigt, da dessen Eigenschaften direkt in das Blechteil 3 eingeformt sind.
Das gleiche Prinzip würde natürlich auch dann gelten, wenn das Bauteil als vorderes Bodenteil verwendet wird, welches nicht nur einen frontalen Crash sondern auch einen seitlichen Crash aufnehmen muss.
Das in 3a dargestellte Ausführungsbeispiel des Blechteils 5 entspricht von der Vorbereitung dem Blechteil 3 aus 2a: Auf dem ebenen Blechteil 5 werden Aufdickungen 6 aufgebracht, die durch Laser- oder Punktschweißung am Blechteil 5 befestigt sind. In diesem Fall besteht das Blech wiederum aus Borstahl, alternativ aber auch aus beispielsweise leicht verformbarem FeMn-Stahl.
In 3b ist das Blechteil 5 gezeigt, nachdem es, mit den Aufdickungen 6 versehen, wiederum einer Wärmebehandlung unterzogen, geometrisch verformt und gehärtet wurde. Auch diese Struktur ist selbsttragend und kommt ohne einen zusätzlichen Tragrahmen aus. Diese Konstruktion zeichnet sich durch die in die Struktur regelmäßig eingebrachten Längsrippen 7 aus und weist dadurch gute Energieabsorptionseigenschaften bei einem Heckaufprall auf.
Im Falle der Anwendung dieses Bauteils als hinteres Bodenblech ergibt sich ein völlig neuer Energieabsorptionsmechanismus, der wesentlich effizienter ist, als bei herkömmlichen Strukturen mit Längsträgern. Die Lasten werden im Crashfall nicht lokal sondern flächig eingeleitet, wodurch eine homogenere Lastverteilung erzielt wird.
Die oben beschriebenen neuen Konstruktionslösungen können mit konventionellen Fügetechniken in die Fahrzeugstruktur integriert werden. Es ist kein fertigungstechnischer Mehraufwand erforderlich.
Bezugszeichenliste

1: Blechteil
2: Tragrahmen
3: Blechteil
4: Aufdickungen
5: Blechteil
6: Aufdickungen
7: Längsrippen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5102187 A [0003]
EP 1525132 B1 [0004]
US 7111900 B2 [0005]

Claims

Einstückiges, flächiges Bauteil aus Blech für ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, als selbsttragendes Teil, insbesondere im Boden-, Seiten- und Dachbereich des Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ausschließlich als Blechteil (3; 5) aus hochfestem Metall ausgebildet ist und ausgeformte Trägerstrukturen, insbesondere Längs- und Querträger, aufweist.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech, aus welchem das Blechteil (3; 5) gefertigt ist, aus hochfestem Stahl besteht, insbesondere aus Borstahl oder duktilen Hochfeststählen wie zum Beispiel FeMn-, FeAl- oder Edelstählen.
Bauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech, aus welchem das Blechteil (3; 5) gefertigt ist, eine Dicke von ≤ 0,7 mm aufweist.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech, aus welchem das Blechteil (3; 5) gefertigt ist, aus einer hochfesten Aluminiumlegierung besteht.
Bauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechteil (3; 5) in seinen besonders stark beanspruchten Bereichen mit Aussteifungen und/oder Verstärkungen versehen ist.
Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechteil (3; 5) als Aussteifungen bzw. Verstärkungen in seinen besonders stark beanspruchten Bereichen mit Aufdickungen (4; 6) versehen ist.
Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Aufdickungen (4; 6) auf das Blechteil (3; 5) aufgeschweißte, aufgepresste oder aufgewalzte Verstärkungslagen vorgesehen sind.
Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufdickungen des Blechteils durch die Verwendung von flexibel gewalzten Platinen ("Tailor Rolled Blanks"), bei denen der Dickenverlauf und gegebenenfalls der Festigkeitsverlauf durch die Variation des Walzspaltes erreicht wird, erzielt werden.
Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungen des Blechteils durch lokales Aufhärten, zum Beispiel mittels eines thermischen Prozesses erzielt werden.
Bauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Trägerstrukturen in das Blechteil (3; 5) als U-Kanäle und/oder Rippen in Längs- und/oder Querrichtung des Blechteils (5) in das Blech eingeformt sind.
Bauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstrukturen zumindest abschnittsweise mit Schließblechen geschlossen sind.
Bauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Trägerstrukturen mit Verstärkungen wie Strukturschäumen oder Kunststoffteilen versehen sind.
Bauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechteil (3; 5) für den Bodenbereich des Fahrzeugs vorgesehen ist, insbesondere als hinteres oder vorderes Bodenblech oder als Schottwand.
Verwendung eines Bauteils nach einem der vorherigen Ansprüche in verschiedenen Fahrzeugderivaten, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung an die unterschiedlichen Festigkeiten der Fahrzeugderivate erfolgt, indem die Verstärkungen, die Aussteifungen, die Schließbleche, die Strukturschäume und/oder die Kunststoffeinlegeteile an die Anforderungen der unterschiedlichen Fahrzeugderivate angepasst sind.