DE10307637A1

DE10307637A1 - Querträger eines Stoßfängersystems aus Leichtmetall

Info

Publication number: DE10307637A1
Application number: DE2003107637
Authority: DE
Inventors: Wulf Dr. Härtel; Markus Kettler; Thomas Dr. Kordisch
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2003-02-22
Filing date: 2003-02-22
Publication date: 2004-09-09

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Querträger 7 als Bestandteil eines Stoßfängersystems aus Leichtmetall mit einem hutförmigen Profil und zeichnet sich dadurch aus, dass der Querträger 7 aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung besteht, wobei die Wandstärke des Zentralstegs 8 größer ist als die Wandstärke der divergierenden Schenkel 9. Vorzugsweise sind die Deformationselemente 13 und 14 über eine Schraubanbindung 11 und 12 an dem Querträger 7 befestigt, wobei sich die Schraubverbindung 11, 12 insbesondere in einer Kunststoffhülse befindet. Zwischen der Stirnseite der Deformationselemente 13, 14 und dem Zentralsteg 8 des Querträgers 7 befindet sich bevorzugt ein Kontaktelement.

Description

Die Erfindung betrifft einen quer zur Fahrzeuglängsrichtung angeordneten Querträger aus Leichtmetall als Bestandteil eines Stoßfängersystems mit einem offenen hutförmigen Profil mit einem Zentralsteg und zwei davon divergierenden Schenkeln, an die sich jeweils randseitig ein Flansch anschließt, und einer Anbindung an ein Deformationselement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es gehört zum Stand der Technik einen quer zur Fahrzeuglängsrichtung angeordneten Querträger als Bestandteil eines Stoßfängersystems mit Anbindung an ein Deformationselement aus einem Leichtmetall wie beispielsweise Aluminium oder aus nichtmetallischen Materialien herzustellen, um gegenüber einem Querträger aus Stahl Gewicht einzusparen. Aus Aluminium sind bereits sowohl geschlossene als auch offene Hohlprofile für den Querträger bekannt. Beispielsweise zeigt die DE 199 11 595 A1 einen Querträger mit einem hutförmigen Profil aus Aluminium, in dem ein elastisch verformbarer Kunststoff-Schaum angeordnet ist. Die DE 298 12 843 U1 beschreibt insbesondere die lokale Verstärkung kanalförmiger Profile, die Biegekräften ausgesetzt sind, wobei mehrere Ansätze als Alternative zu teuren Legierungen, Dickmetallprofilen und großen Schaumstoffkernen vorgeschlagen werden.

Wünschenswert wäre es, neben Aluminium und der Verstärkung durch Schaumkörper auch Magnesium als Ausgangsmaterial einsetzen zu können, da Aluminium aufgrund seiner größeren Dichte gegenüber Magnesium noch immer etwa 50% schwerer ist. Dieser Gewichtsunterschied kann in bestimmten Anwendungsfällen auch die höheren Materialkosten des Magnesiums rechtfertigen. Magnesium ist jedoch relativ spröde und besitzt einen Elastizitätsmodul der ca. um den Faktor 5 kleiner ist als der von Stahl und ca. 40% kleiner als der von Aluminium. Folglich sind Querträger aus Magnesium im Verhältnis viel zu materialintensiv, um die gleiche Crashperformance wie Querträger aus Aluminium oder Stahl aufzuweisen. Außerdem neigt Magnesium zur Kontaktkorrosion, wenn es mit anderen Metallen wie beispielsweise einer Crash box aus Stahl oder Aluminium in Berührung kommt. So ist es zwar grundsätzlich bekannt, dass zumindest Teile eines Stoßfängers auch aus Magnesium hergestellt werden können. Den gesamten Querträger aus einem anderen Leichtmetall als aus Aluminium zu bauen erweist sich bei der Umsetzung in die Praxis jedoch als so problematisch, dass sich bisher in der Massenproduktion nur Leichtmetalle auf der Basis von Aluminium durchgesetzt haben.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Konstruktion eines Querträgers aus Leichtmetall dahingehend weiterzuentwickeln, dass auch andere Leichtmetalle außer Aluminium für die Massenproduktion geeignet sind.

Diese Aufgabe löst die Erfindung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1.

Demnach wird der Querträger mit dem an sich bekannten offenen hutförmigen Profil mit einem Zentralsteg und zwei davon divergierenden Schenkeln, an die sich jeweils randseitig ein Flansch anschließt aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung hergestellt, wobei die Wandstärke des Zentralstegs größer ist als die Wandstärke der divergierenden Schenkel, um der geringeren Druckbeanspruchbarkeit von Magnesium entgegenzuwirken. Insbesondere dieses spezielle offene Hutprofil kann die vergleichsweise schlechte Verformbarkeit bei Druckbelastungen von Magnesium in einem Crashfall kompensieren. Außerdem kann der Magnesiumquerträger über eine in einer Aufnahmehülse befindliche Schraubverbindung in den divergierenden Schenkeln an ein Deformationselement angebunden werden. Zum einen wird dadurch gewährleistet, dass sich das Magnesiumprofil während des Crashs um die Schraube drehen kann und so hohe Biegespannungen an der Anbindung zum Deformationselement vermieden werden. Zum anderen wird insbesondere mittels einer Aufnahmehülse aus Kunststoff eine Kontaktkorrosion zwischen dem Magnesium und dem Material der Crashbox, wenn diese beispielsweise aus Stahl oder Aluminium besteht, ausgeschlossen. Alternativ kann die Aufnahmehülse auch eine Metallhülse sein, die entweder mit Kunststoff beschichtet oder durch eine Kunststofftrennscheibe im Bereich der Schenkel des Querträgers vor einem Kontakt mit dem Magnesiumquerträger geschützt ist. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn sich zwischen der Stirnseite des Deformationselementes und der Innenseite des Zentralstegs des Magnesiumquer trägers ein Kontaktelement befindet, welches vorzugsweise aus Kunststoff oder einem Elastomer besteht. Durch dieses Kontaktelement wird im Falle eines Crashs die Kraft, die auf die Schraubanbindung in den divergierenden Schenkeln wirkt, derart gemildert, dass ein Ausreißen der Anbindung während des Aufpralls verhindert wird. Zudem unterbindet das Kontaktelement aus beispielsweise Kunststoff oder Elastomer eine Kontaktkorrosion zwischen dem Magnesiumquerträger und dem Material der Crashbox.

Aufgrund dieser konstruktiven Maßnahmen kann der Magnesiumquerträger mit vergleichsweise geringen Wandstärken von 4 bis 6 mm im Zentralsteg und 2,5 bis 4,5 mm in den divergierenden Schenkeln sowie 1,5 bis 3,5 mm in den randseitigen Flanschen hergestellt werden. Er ist daher deutlich leichter als ein vergleichbarer Querträger aus Aluminium und liefert trotzdem eine vergleichbare Crashperformance, ohne dass das Material versagt. Aufgrund der Vorkehrungen gegen Kontaktkorrosion weist der erfindungsgemäße Querträger auch die erforderlichen Dauerhaltbarkeitswerte auf.

Die erhebliche Gewichtsersparnis, die mit dem erfindungsgemäßen Querträger gegenüber herkömmlichen Querträgern aus Leichtmetall erzielt werden kann, ist insbesondere bei frontangetriebenen Fahrzeugen im Bereich der Vorderachse interessant, um die Achslastverteilung optimal gestalten und so ein möglichst optimales dynamisches Fahrverhalten erreichen zu können.

Der erfindungsgemäße Querträger erweist sich besonders dann als für die Massenfertigung vorteilhaft, wenn er aus einem stranggepressten hutförmigen Profil besteht, dass je nach Bauraumerfordernissen nach dem Strangpressen warm oder kalt gebogen wurde. Alternativ kann der erfindungsgemäße Querträger zur Erzielung einer etwas höheren Duktilität auch aus einem partiell abgewalzten Magnesiumblech bestehen, bei dem die Blechdicke im Bereich der divergierenden Schenkel und der randseitigen Flansche partiell reduziert wurde, und das in einem Umformschritt warm in die Endform gebracht wurde. Ein zusätzliches Biegen entfällt.

Bei beiden Herstellungsvarianten kann der Querträger durch das Einbringen einer zusätzlichen Sicke im Zentralsteg versteift werden. Zusätzlich oder alternativ kann eine Versteifung durch eine partielle Verstärkung, die mit mechanischen Fügeverfahren befestigt werden kann, erreicht werden. Auch ein Umstellen des Flansches nach innen, eventuell verbunden mit einem randseitigen Hochbiegen der Flansche nach innen erhöht die Steifigkeit des Profils. Das offene Profil kann alternativ mittels eines Magnesiumbleches zumindest teilweise geschlossen werden. Dadurch werden zwar Kosten und Gewicht erhöht, das Schließblech kann jedoch die benötigte Steifigkeit erzielen.

Als Ausgangsmaterialien werden insbesondere dann, wenn der erfindungsgemäße Querträger aus einem Strangpressprofil hergestellt ist, bevorzugt die Magnesiumknetlegierungen MgAl3Zn1 und MgZn2Mn1 aufgrund ihrer guten Pressbarkeit eingesetzt. Auch die Magnesiumknetlegierung MgAl6Zn1 hat sich für hohe Festigkeitsanforderungen bewährt.

Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen
1: einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Querträger 1
2: einen gebogenen Querträger 1 von vorn
3: einen Querträger 7 mit zwei Deformationselementen 13, 14 von hinten
4: den Querträger 7 mit den Deformationselementen 13, 14 von vorn
5: den Querträger 7 von hinten mit Anbindungsdetails der Deformationselemente 13, 14
6: einen Detailausschnitt aus 5
7: den Querträger 7 von oben
8: einen Querträger 20 mit einer Sicke 21
1 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Querträger 1 mit einem offenen hutförmigen Profil. Der Querträger 1 ist aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung hergestellt, wobei die Wandstärke des Zentralstegs 2 größer ist als die Wandstärke der divergierenden Schenkel 3 und 4. Die randseitig der Schenkel 3 und 4 befindlichen Flansche 5 und 6 sind in etwa rechtwinklig nach außen umgestellt.
2 zeigt den Magnesiumquerträger 1 von vorn, wobei die leicht gebogene Form des Zentralstegs 2, der divergierenden Schenkel 3 und 4 und des nach außen umgestellten Flansches 5 gut sichtbar wird. Der Querträger 1 ist aus einem Magnesiumstrangpressprofil hergestellt, das nach dem Strangpressen warm oder kalt gebogen wurde. Das Strangpressprofil hat den Vorteil, dass die Wanddicke variabel über den Querschnitt verändert werden kann, wobei der Zentralsteg 2 in jedem Fall dicker ist als die Schenkel 3 und 4.
3 zeigt einen Querträger 7 mit einem Zentralsteg 8 und zwei Schenkeln 9 von hinten. Die Flansche 10 sind in diesem Fall nach innen umgestellt und u-förmig hochgebogen. An den Querträger 7 sind zwei Deformationselemente 13 und 14 über je eine Schraubverbindung 11 und 12 angebracht. Als Deformationselement 13, 14 wurde hier eine Lösung aus dem Stand der Technik verwandt, lediglich die Anbindung des Magnesiumquerträgers 7 an das Deformationselement 13, 14 ist auf das Material des erfindungsgemäßen Querträgers 7 abgestimmt.
4 zeigt den Querträger 7 aus 3 von vorn. Im Falle eines Frontalaufpralls würde der Querträger 7 im Bereich des Zentralstegs 8 nach innen gedrückt. Hierbei ist es entscheidend, dass sich der Magnesiumquerträger um die Schraubanbindung 11, 12 drehen kann, damit er an dieser Stelle nicht reißt. Zusätzlich wird der Querträger 7 durch die nach innen umgestellten und u-förmig hochgebogenen Flansche versteift.
In 5 wird verdeutlicht, dass die am Querträger 7 angebundenen Deformationselemente 13 und 14 über Kontaktelemente 15 und 16 verfügen, die sich an der Stirnseite des Deformationselementes 13, 14 befinden.
6 zeigt dazu einen Detailausschnitt aus 5. Gut zu erkennen ist zunächst, dass der Zentralsteg 8 erheblich dicker ist als die Schenkel 9, 9'. Die Flansche 10 und 10' sind zur Erhöhung der Steifigkeit nach innen u-förmig umgebogen. Die Schraubanbindung 11 befindet sich zur Vermeidung einer Kontaktkorrosion in einer Kunststoffhülse 17. Das Kontaktelement 16 liegt von innen am Zentralsteg 8 an.
Bei einem Aufprall auf den Zentralsteg 8 leitet das Kontaktelement 16 die Aufprallenergie direkt in das Deformationselement 14 weiter, was die Belastung auf die Schraubanbindung 11 so reduziert, dass sie nicht ausreißt. Das Kontaktelement 16 besteht aus Kunststoff, um eine Kontaktkorrosion zwischen dem Zentralsteg 8 und dem Deformationselement 14 zu vermeiden.
7 zeigt den Querträger 7 mit den Deformationselementen 13 und 14 von der Seite. Zu erkennen sind die Schraubanbindungen 11 und 12. Auch dieser Magnesiumquerträger 7 besteht aus einem nach dem Strangpressen gebogenen Strangpressprofil.
8 zeigt einen Magnesiumquerträger 17 mit zwei stranggepressten Deformationselementen 18 und 19. Im Zentralsteg 20 des Querträgers 17 ist eine Sicke 21 zur Versteifung eingebracht. Bei diesem Querträger 17 handelt es sich um ein Magnesiumprofil, das aus einem partiell abgewalzten Magnesiumblechwerkstoff in einem Umformzug warm geformt wurde. Die Anbindung der Deformationselemente 18 und 19 ist in diesem Fall über ein Blindnieten erfolgt.

Claims

Quer zur Fahrzeuglängsrichtung angeordneter Querträger 1, 7, 17 aus Leichtmetall als Bestandteil eines Stoßfängersystems mit einem offenen hutförmigen Profil mit einem Zentralsteg 2, 8, 20 und zwei davon divergierenden Schenkeln 3, 4, 9, 9', an denen sich jeweils randseitig ein Flansch 5, 6, 10, 10' anschließt, und einer Anbindung 11, 12 an ein Deformationselement 13, 14, 18, 19 dadurch gekennzeichnet, dass der Querträger 1, 7, 17 aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung hergestellt ist und die Wandstärke des Zentralstegs 2, 8, 20 größer ist als die jeweilige Wandstärke der divergierenden Schenkel 3, 4, 9, 9'.
Querträger 7 nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindung des Querträgers 7 an ein Deformationselement 13, 14 über eine in einer Aufnahmehülse 17 befindliche Schraubverbindung 11, 12 in den divergierenden Schenkeln 9, 9' erfolgt.
Querträger 7 nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen der Stirnseite des Deformationselementes 13, 14 und der Innenseite des Zentralstegs 8 ein Kontaktelement 15, 16 befindet.
Querträger 7 nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmehülse 17 mit Kunststoff beschichtet oder mittels einer Kunststoffscheibe vom Material des Querträgers 7 isoliert oder aus Kunststoff hergestellt ist und das Kontaktelement 15, 16 aus einem Kunststoff oder einem Elastomer besteht.
Querträger 1, 7 nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem stranggepressten hutförmigen Profil besteht und nach dem Strangpressen warm oder kalt gebogen wurde.
Querträger 17 nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem partiell abgewalzten Magnesiumblech besteht und in einem Umformzug warmgeformt wurde.
Querträger 17 nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er durch Einbringen einer Sicke 21 in den Zentralsteg 20 und/oder durch das Einbringen partieller Verstärkungen mittels mechanischer Fügeverfahren versteift ist.
Querträger 7 nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flansche 10, 10' nach innen umgestellt und an den Rändern u-förmig hochgebogen sind.