DE19715069C2 - Querträger für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Querträger entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Querträger erstrecken sich im Rahmen einer Kraftfahrzeugstruktur unter anderem zwischen den vorderen bzw. A-Säulen und erfüllen - zum Teil herstellerabhängig - unterschiedliche Funktionen. Sie dienen zum einen im weitesten Sinne als Cockpitträger bzw. als Halteeinrichtung für zahlreiche An­ bauteile, wobei lediglich beispielhaft die Befestigung von Elementen der Lenk­ säule, Teile von Airbagsystemen, Komponenten von Lüftungs- und/oder Kli­ matisierungseinrichtungen, ein Handschuhfach und gegebenenfalls Schal­ tungseinrichtungen genannt seien. Sie üben darüber hinaus nach Maßgabe ihrer konstruktiven Ausbildung auch eine Versteifungsfunktion auf die Fahr­ zeugstruktur aus.

Traditionell werden die Querträger häufig als Stahlrohrkonstruktion ausgebildet, die mit zahlreichen, jeweils individuell auf die anzubindenden Anbauelemente ausgerichteten Halteelementen verschweißt ist. Die Halteelemente bestehen ihrerseits wiederum aus miteinander verschweißten Einzelelementen, an denen an geeigneter Stelle Verschraubungspunkte vorgesehen sind, die hinsichtlich ihrer Lage an die jeweiligen Anbauelemente angepaßt sind.

Im Zuge politisch motivierter Zielvorgaben betreffend die allgemeine Weiter­ entwicklung des Straßenverkehrs hinsichtlich Energie- und Kosteneinsparun­ gen ist das bekannte Konstruktionselement Querträger - auch unter Berück­ sichtigung der Tatsache, daß es sich um ein Zulieferbauteil für den Automobil­ hersteller handelt - unter mehreren Aspekten als nachteilig anzusehen.

Dieses Konstruktionselement einschließlich der genannten Halteelemente kann aus Stahl ausgebildet sein. In Abhängigkeit von der jeweiligen konstruktiven und/oder werkstofflichen Ausbildung kann in diesem Bauelement eine bedeu­ tende Masse verkörpert sein. Die aus Gründen des Umweltschutzes geforderte Treibstoffeinsparung jetzt jedoch auch bei Optimierung der Motorentechnik eine Massereduzierung der Fahrzeuge voraus.

Aufgrund der zahlreichen Schweißnähte dieses Konstruktionselements beste­ hen häufig Probleme, die Verschraubungspunkte mit den Anbauelementen und gegebenenfalls die Verbindungspunkte des Querträgers mit den genannten A- Säulen nach Maßgabe einer gewünschten geringen Toleranz bereitzustellen.

Aus der EP 0 546 671 A1 ist ein Querträger für ein Kraftfahrzeug bekannt, der aus einem langgestreckten rohrförmigen Grundkörper besteht, dessen beide Enden mit Verbindungselementen ausgerüstet sind, die zur Befestigung an den A-Säulen einer Fahrzeugstruktur bestimmt und ausgestaltet sind. Die Be­ festigung beruht auf einer Verschraubung, infolge welcher an den Enden des Querträgers angebrachte Montageplatten mit konisch verlaufenden, an den genannten Säulen angebrachten Schienen in einen keilartigen Eingriff gebracht werden, so dass diese Art der Anbindung grundsätzlich geeignet ist, Maßtole­ ranzen des Querträgers in einem gewissen Rahmen auszugleichen.

Aus der DE 42 32 846 A1 ist ein weiterer Querträger bekannt, der aus drei Leichtmetallstrangpressteilen zusammengesetzt ist, nämlich zwei kastenartigen Seitenteilen und einem global L-förmigen Mittelteil, wobei sämtliche dieser Teile miteinander verschweißt sind. An diesen Querträger werden Halterungen bei­ spielweise für die Lenksäule und weitere Komponenten angeschraubt. Häufig ist jedoch der Querträger mit diversen Halteelementen jedoch auch unlösbar verbunden, so dass sich insbesondere in diesem Fall ein sperriges, beim Stra­ ßen- oder auch Schienentransport ein bedeutendes Frachtvolumen beanspru­ chendes Bauteil ergibt. Von diesen Gegebenheiten gehen naturgemäß nachtei­ lige Folgen für die Kostensituation bezogen auf das einzelne Konstruktionsele­ ment aus.

Entsprechend dem in Teilaspekten herstellerspezifischen Bestimmungszweck dieses Konstruktionselements gehen von diesem im Fall eines Seitenaufpralls unterschiedliche Wirkungen auf die Integrität der Fahrzeugstruktur als Ganzes aus. Ist dieses konstruktiv beispielsweise dahingehend ausgebildet, daß eine wesentliche Versteifungswirkung auf die Fahrzeugstruktur ausgeübt werden soll, ergibt sich im Fall eines Seitenaufpralls unter anderem die Wirkung, daß die seitlich in die Fahrzeugstruktur eingeleiteten Kräfte aufgrund der versteifen­ den Wirkung des Querträgers auf die dem Aufprall gegenüberliegende Fahr­ zeugseite übertragen werden und auch hier Schäden in der Form von plasti­ schen Verformungen auslösen. Hieraus wiederum ergeben sich erhöhte In­ standsetzungskosten, da Ausbesserungsarbeiten zwangsläufig beide Sei­ ten des Fahrzeugs betreffen. Erhöhte Instandsetzungskosten wirken sich jedoch zwangsläufig auch als erhöhte Versicherungskosten aus.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Querträger der eingangs be­ zeichneten Art mit Hinblick auf Kostenaspekte des Fahrzeugbetriebs und der Montage sowie mit Hinblick auf Sicherheitsaspekte weiter auszuge­ stalten. Gelöst ist diese Aufgabe bei einem solchen Querträger durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1.

Der Querträger ist in wenigstens zwei Teilabschnitte unterteilt, die untereinander in einer lösbaren Verbindung stehen. Nach Maßgabe der Unterteilung des Querträgers in Teilabschnitte verbessern sich die Transportmöglichkeiten des gesamten Konstruktionselements, weil die Unterteilung auch mit Hinblick auf eine Minimierung des benötigten Frachtvolumens vorgenommen werden kann. Hieraus wiederum ergeben sich bedeutende Kostenvorteile.

Der Querträger kann entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 2 aus ei­ nem Leichtbauwerkstoff ausgebildet sein. Im Regelfall werden hier Leichtmetallegierungen, z. B. auf Aluminium- oder Magnesiumbasis in Be­ tracht kommen. Grundsätzlich können jedoch auch faserverstärkte Kunst­ stoffe, z. B. in der Form von kohle- oder glasfaserverstärkten Kunst­ stoffen zum Einsatz kommen. Der Verwendungszweck der letztgenannten Werkstoffe dürfte jedoch aus Kostengründen auf Sonderfälle beschränkt sein. Unter Berücksichtigung der durch Legierungsbildung erzielbaren Festigkeitsverhältnisse kann sich bei gleicher Beanspruchbarkeit ge­ genüber dem Werkstoff Stahl eine Massereduzierung ergeben, so daß auf diesem Weg ein Beitrag zur Treibstoffeinsprarung für den Betrieb des jeweiligen Fahrzeugs erreichbar ist. Innerhalb der Gruppe der Leicht­ metalle kommen zahlreiche werkstoffliche Varianten in Betracht, wobei als Basiswerkstoff vorzugsweise Aluminium oder Magnesium zum Einsatz kommen.

Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 3 bestehen gleichermaßen die genann­ ten Halteelemente aus einem Leichtbauwerkstoff, der grundsätzlich dem­ jenigen des Querträgers entsprechen kann. Es können jedoch im Rahmen dieser Halteelemente auch solche herkömmlicher Art benutzt werden, die - ihrerseits aus Einzelelementen zusammengeschweißt sein können. In diesem Fall muß jedoch durch geeignete Maßnahmen dafür Sorge getragen werden, daß aus der Verbindung zweier unterschiedlicher Metalle keine elektrochemisch bedingte Korrosion auftritt.

Dadurch, daß entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 4 das Halteele­ ment/die Halteelemente als Gußteile, vorzugsweise als Druckgußteile ausgebildet sind, entfallen die sich aus einer Anhäufung von Schweiß­ nähten ergebenden Toleranzprobleme. Es besteht auf diesem Wege eine bedeutend verbesserte Möglichkeit, einen mit Halteelementen bestückten Querträger ohne die Notwendigkeit aufwendiger Nacharbeiten bereitzu­ stellen, bei dem somit gewünschte Toleranzen eingehalten sind.

Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 5 können die genannten Teilab­ schnitte des Querträgers und/oder das wenigstens eine Halteelement auch aus Stahl ausgebildet werden, wobei vorzugsweise ein hochfester Stahl in Betracht kommt. Auch diese Werkstoffvariante ermöglicht eine massearme Ausbildung, wenn entweder auf konstruktivem Wege eine bean­ spruchungsgerecht ausgebildete Ausführungsform gewählt wird und/oder wenn durch Verwendung hochfester Stähle eine darüber hinausgehende weitere Massereduzierung erreicht wird. Grundsätzlich kann somit auch das Gesamtsystem aus Querträger und Halteelementen aus Stahl bestehen.

Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 6 ist der Querträger mit wenigstens einem, eine begrenzte Verschiebung der Endpunkte desselben in Richtung seiner Längserstreckung ermöglichenden Konstruktionselement ausgerü­ stet, wobei die Verschiebung unter Energieabsorption erfolgt. Der Zweck dieser Maßnahme besteht darin, im Falle eines Seitenaufpralls Schadwirkungen auf die Unfallseite zu beschränken, soweit durch die auf der Unfallseite in die Fahrzeugstruktur eingeleiteten Kräfte und Momente der konstruktiv vorgegebene maximale Verschiebeweg nicht über­ schritten wird. Es ist dieses Konstruktionselement mit Hinblick auf die Umsetzung einer definierten kinetischen Energie ausgelegt, die bei einem Seitenaufprall unter ebenfalls definierten Bedingungen zwangs­ läufig umgesetzt wird. Sind diese Bedingungen erfüllt, sind Instand­ setzungsarbeiten zur Behebung der Unfallfolgen auf die Unfallseite des Fahrzeugs beschränkt, wohingegen die der Unfallseite gegenüberliegende Fahrzeugseite im wesentlichen unbeschädigt bleibt. Der konstruktiv vorgegebene Verformungsweg muß natürlich auch unter Berücksichtigung der erforderlichen Personensicherheit gewählt werden. Soweit das Kon­ struktionselement zur irreversiblen Energieumsetzung entlang eines vorgegebenen Wegelements geeignet ist, ist dessen genaue konstruktive Ausbildung grundsätzlich beliebig.

Ein rohrförmiger Grundkörper für den Querträger entsprechend den Merk­ malen des Anspruchs 7 wird im Regelfall in Betracht kommen. Es sind jedoch durchaus auch andere Querschnittsformen denkbar.

Entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 8 und 9 besteht das zur Ener­ gieabsorption benutzte Konstruktionselement aus zwei Teilen, die rela­ tiv zueinander nach Maßgabe eines definierten Wegelements unter Ener­ gieabsorption verschiebbar sind, wobei die genannten Teile mit den Teilabschnitten des Querträgers in unmittelbarer Verbindung stehen. Die im Falle eines Seitenaufpralls in das Konstruktionselement einge­ brachte kinetische Energie wird hierbei irreversibel in Verformungs­ energie umgesetzt, d. h. zur teilweisen plastischen Verformung der ge­ nannten Teile.

Es ist dieses Konstruktionselement im übrigen derart beschaffen, daß nach Durchlaufen des genannten Wegelements eine weitere plastische Verformung nicht möglich ist, so daß sich der Querträger im Falle ei­ ner weiteren Energieumsetzung am Ende dieses Wegelements nunmehr wie ein in sich starrer Körper verhält. Die konstruktive Ausbildung eines solchen Konstruktionselements kann nach an sich bekannten, hier nicht näher zu erörternden Prinzipien erfolgen.

Es kann das genannte, der Energieabsorption dienende Konstruktionsele­ ment entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 10 auch als Soll-Verfor­ mungsstelle des Querträgers ausgebildet sein, die eine definierte Ver­ formung nach Maßgabe eines vorgegebenen Wegelements zuläßt.

Vorzugsweise ist das genannte Konstruktionselement entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 11 in einem mittigen Bereich des Querträgers angeordnet. Dies bringt den Vorteil mit sich, daß im Falle eines Sei­ tenaufpralls Verschiebebewegungen auf den der Unfallseite zugekehrten Seitenabschnitt des Querträgers beschränkt bleiben, wobei die übrigen Abschnitte/der übrige Abschnitt des Querträgers ihre/seine Seitenposi­ tion nicht verändern/verändert. Auf diesem Wege wird zumindest die Seitenposition des Airbagsystems, welches sich auf der der Unfallseite gegenüberliegenden Seite befindet, nicht verändert und es behält die­ ses weiterhin seine, an eine optimale Sicherungswirkung angepaßte Po­ sition bei.

Entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 12 sind die lösbaren Verbin­ dungen der Teilabschnitte des Querträgers als Steckverbindungen ausge­ bildet, in die beispielsweise durch eine entsprechende umfangsseitige Profilierung eine Verdrehsicherung integriert sein kann. Zusätzlich ist die Einsteckposition der Teilabschnitte des Querträgers durch eine Verschraubung gesichert. Darüber hinaus ist anstelle einer Verschrau­ bungssicherung auch eine Verrastungssicherung denkbar.

Durch die Erfindung ist somit ein Querträger gegeben, der sich durch eine relativ geringe Masse auszeichnet und bei dem aufgrund seiner Un­ terteilung in Teilabschnitte das erforderliche Frachtvolumen und auf diesem Wege die durch einen Straßen- oder Schienentransport veranlaß­ ten Kosten in Grenzen gehalten werden können.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf das zeichnerische Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Die Zeichnung zeigt einen sogenannten A-Säulen-Querträger 1, dessen einander gegenüberliegende Enden 2, 3 zur Anbringung an den genannten A-Säulen, somit vertikalen Tragelementen einer Kraftfahrzeugstruktur bestimmt und ausgestaltet sind.

Entsprechend diesem Zweck erstreckt sich dieser Querträger 1 im we­ sentlichen in der Höhe der Unterkante der vorderen Windschutzscheibe des Kraftfahrzeugs und dient als Träger für zahlreiche, mit dem Be­ trieb des Kraftfahrzeugs zusammenhängende Funktionselemente. Der Quer­ träger 1 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel rohrartig ausgebil­ det und entsprechend seinem Bestimmungszweck mit zahlreichen, der Be­ festigung der genannten Funktionselemente dienenden Halteelementen ausgerüstet. Lediglich beispielhaft und ohne Anspruch auf Vollstän­ digkeit sei auf ein Halteelement 4 zur Anbringung des Zentralrohrs der Lenksäule, auf Halteelemente 5 zur Anbindung der Mittelkonsole des Fahrzeugs sowie auf an der Stelle 6 befindliche Halteelemente zur An­ bringung von Funktionselementen eines Beifahrer-Airbagsystems sowie eines Handschuhfachs hingewiesen. Darüber hinaus dient der Querträger in zeichnerisch nicht dargestellter Weise der Anbindung von Funktions­ elementen der Innenraumbelüftung und/oder Klimatisierung, worauf je­ doch im folgenden nicht näher eingegangen werden soll.

Der Querträger 1 einschließlich sämtlicher Halteelemente besteht er­ findungsgemäß aus einem Leichtmetall bzw. einer Leichtmetallegierung, insbesondere einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung. Auch unter Be­ rücksichtigung der unterschiedlichen Festigkeitsverhältnisse zwischen diesen Leichtmetallen und dem bisher für den Querträger benutzten Stahl ergibt sich bei unveränderter Belastbarkeit dieses Bauteils die Möglichkeit einer bedeutenden Massereduzierung. Die genannten Halte­ elemente können sämtlich als Druckgußelemente ausgebildet sein, die werkstofflich dem Querträger 1 entsprechen und mit diesem in lösbarer Verbindung stehen.

Grundsätzlich kann das System am Querträger 1 und Halteelementen, je­ doch auch aus Stahl, insbesondere hochfestem Stahl bestehen.

Der Querträger 1 ist in zwei oder auch drei Abschnitte unterteilt, die untereinander in einer in geeigneter Weise unverdrehbar ausgebildeten Steckverbindung stehen, die darüber hinaus durch Verschraubung gesi­ chert ist. Die Plazierung der auf diese Weise notwendigen Trennstellen entlang des Querträgers 1 kann nach Zweckmäßigkeitsgesichtspunkten er­ folgen und sollte unter anderem mit Hinblick auf den Platzbedarf für den Transport der Teilabschnitte gewählt werden, insbesondere dahinge­ hend, daß ein für den Transport mittels eines Straßen- oder Schienen­ fahrzeugs gegebenes Frachtvolumen optimal nutzbar ist.

Der Querträger 1 ist vorzugsweise in einem mittigen Bereich, somit an einer Stelle 7 in geeigneter Weise dahingehend ausgebildet, daß eine in Längsrichtung, somit parallel zu den Pfeilen 8 auf diesen einwir­ kende Kraft, die z. B. als Folge eines Seitenaufpralls auftreten kann, an dieser Stelle zu definierten Verformungen führt, so daß zumindest ein Teil der über den Seitenaufprall aufgenommenen kinetischen Energie irreversibel in Verformungsenergie umgesetzt wird. Praktisch kann dies durch eine an der Stelle 7 für diesen Zweck vorbereitete besondere Ge­ staltung des Querträgers erfolgen. Besonders vorteilhaft, insbesondere mit Hinblick auf definierte Verformungswege und Verformungsenergien ist jedoch die Anbringung eines besonderen Energieabsorptionselements an dieser Stelle. Als ein solches Energieabsorptionselement kann jedes System eingesetzt werden, welches aus zwei, unter Energieabsorption relativ zueinander bewegbaren Teilen besteht, deren eines an dem einen Teil des Querträgers und deren anderes Teil an den jeweils anderen Teil des Querträgers angebracht ist.

Der Querträger 1 übt somit zwar global eine versteifende Wirkung auf die Fahrzeugstruktur aus - er ist jedoch hinsichtlich seiner Fähigkeit zur Längskraftaufnahme gleichzeitig dahingehend ausgebildet, daß ein Seitenaufprall, dessen Energieumsatz unterhalb eines definierten Wer­ tes liegt, lediglich zu einer Verschiebung des einen Teils des Quer­ trägers 1 gegenüber dem anderen Teil führt, welch letzterer seine Lage somit nicht verändert. Der maximal mögliche Verschiebungsweg ist hier­ bei über das Energieabsorptionselement konstruktiv vorgegeben, wobei dieses Element im übrigen derart ausgestaltet ist, daß erst nach Durchlaufen dieses Verschiebungsweges der Querträger 1 als nunmehr starrer Körper fungiert. Im Vergleich zu einer a priori starren Aus­ bildung des Querträgers bedeutet dies, daß im Fall eines Seitenauf­ pralls die auf die Fahrzeugstruktur seitlich übertragenen Kräfte Schadwirkungen auf lediglich einer Seite des Fahrzeugs zur Folge ha­ ben, solange der maximal vorgegebene Verschiebungsweg des Energieab­ sorptionselements noch nicht durchlaufen ist. Dies bedeutet auch, daß Instandsetzungskosten zur Behebung der Unfallfolgen auf die Kosten solcher Instandsetzungstätigkeiten beschränkt werden können, die sich auf die Beseitigung der Schäden der Unfallseite beziehen. Der über das Energieabsorptionselement vorgegebene Verschiebungsweg ist hierbei na­ turgemäß derart bemessen, daß die Sicherheit der Fahrzeuginsassen nicht beeinträchtigt wird.

Eine mittige Lage dieses Energieabsorptionselements bzw. der Soll-Ver­ formungsstelle des Querträgers ist gewählt, um sicherzustellen, daß die exakte Positionierung eines Airbagsystems im Falle eines Seiten­ aufpralls zumindest für die der Unfallseite gegenüberliegende Seite des Fahrzeugs nicht verändert wird.

In dem erfindungsgemäßen Querträger steht somit für den Kraftfahrzeug­ bau ein Konstruktionselement zur Verfügung, welches dem Bedürfnis nach Massereduzierung, niedrigen Handhabungs- und Transportkosten und einem erhöhten Sicherheitsstandard Rechnung trägt. Die Integration sämtli­ cher dieser Eigenschaften wird sowohl durch konstruktive Maßnahmen als auch durch die zweckentsprechende Wahl eines Werkstoffs erreicht.

Claims (13)

1. Querträger (1) zwischen zwei seitlichen Randbereichen einer Fahr­ zeugstruktur mit wenigstens einem Halteelement (4, 5) zur Anbindung von Fahrzeugfunktionselementen, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Querträger (1) in wenigstens zwei, miteinander lösbar in Verbindung stehende Teilabschnitte unterteilt ist.

2. Querträger (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Teilabschnitte aus einem Leichtbauwerkstoff, z. B. aus ei­ nem Leichtmetall, einer Leichtmetallegierung oder einem faserver­ stärkten Kunststoff bestehen.

3. Querträger (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das wenigstens eine Halteelement (4, 5) aus einem Leichtbau­ werkstoff, z. B. einem Leichtmetall, einer Leichtmetallegierung oder einem faserverstärkten Kunststoff besteht.

4. Querträger (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß das wenigstens eine Halteelement (4, 5) als Gußteil, insbe­ sondere als Druckgußteil aus einem Leichtmetall oder einer Leichtmetallegierung besteht.

5. Querträger (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Teilabschnitte und/oder das wenigstens eine Halteelement (4, 5) aus Stahl, insbesondere einem hochfesten Stahl bestehen.

6. Querträger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch

• - wenigstens ein, eine Verschiebung der Enden (2, 3) relativ zuein­ ander nach Maßgabe eines definierten Wegelementes ermöglichendes Konstruktionselement,
• - wobei sich das Wegelement in Längsrichtung des Querträgers (1) erstreckt und
• - wobei die Verschiebung unter Energieabsorption erfolgt.

7. Querträger (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch

• - einen rohrartigen Grundkörper.

8. Querträger (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das Konstruktionselement ein aus zwei, relativ zueinander un­ ter Aufwendung einer definierten Energie verschiebbaren Teilen bestehendes Absorptionselement ist und
• - daß die Teile des Absorptionselementes an jeweils miteinander zu verbindenden und einander zugekehrten Enden zweier Teilabschnitte des Querträgers (1) angeordnet sind.

9. Querträger (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die genannten Teile unter Aufwendung von Verformungsenergie relativ zueinander verschiebbar sind.

10. Querträger (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das Konstruktionselement als eine Soll-Verformungsstelle des Querträgers (1) ausgebildet ist.

11. Querträger (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das Konstruktionselement in einem mittigen Bereich des Quer­ trägers angeordnet ist.

12. Querträger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Teilabschnitte in einer steckbaren, verdrehsicheren Ver­ bindung stehen und
• - daß die Verbindung durch eine Verschraubung oder in sonstiger Weise gesichert ist.