WO2005012119A1 - Fahrzeugstrukturelement aus leichtmetall - Google Patents
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Definitions
- Vehicle structure element made of light metal
- the invention relates to a vehicle structural element
- DE 195 18 946 a Vehicle structure element made of light metal to save weight.
- the problem here is that the strength and elongation of such structural elements made of light metals have significantly poorer values than the comparable conventional structural elements made of steel.
- Such a configuration requires a comparatively complex cross-sectional shape of the reinforcing element.
- the object of the present invention is to provide a vehicle structural element made of light metal which is at least comparable in terms of strength and elongation
- a vehicle structural element according to the invention made of light metal e.g.
- An A-pillar contains at least one shell element and at least one reinforcing element, the shell element being a cast component and the reinforcing element being an extruded profile, the profile having an essentially identical cross section over its entire length and being connected to the shell element via transverse ribs.
- the production of the shell element by casting preferably die casting, lowers the costs. This applies in particular to small shell elements, which is why the structural element can also advantageously be assembled from several small shell elements.
- the casting technology allows a high degree of design freedom, which is why fewer individual parts have to be manufactured and later joined.
- Variable wall thicknesses are easy to implement, in particular the cross ribs can also be cast. Another advantage is the low internal stresses of cast components and their good damping behavior (vibrations, acoustics).
- Extruding a profile with a cross section that is essentially the same over its entire length is also less expensive than extruding a profile with a cross section that follows the internal cross section of the structural element.
- transverse ribs in the shell element ensures sufficient power transmission between the shell element and the reinforcing element. At the same time, it allows in- NEN geometry of the shell element and the outer geometry of the reinforcing element to make simple and therefore inexpensive. In addition, the hollow spaces present between the shell element, reinforcing element and transverse ribs reduce the overall weight of the structural element.
- rectangular profiles has proven to be particularly advantageous on account of their geometry, which can be produced particularly easily by means of extrusion molding.
- rectangular profiles have particularly high resistance moments, which means that the deficiency in the strength of light metal compared to conventional steel pipes can be compensated for.
- Particularly suitable light metals are high-strength aluminum alloys:
- an AlMg 5 Si 2 Mn alloy (trade name: Magsimal 59) is advantageous, which is suitable for die casting and is also easy to weld, which makes subsequent repairs easier.
- Their low iron content improves ductility.
- the manganese content was increased to avoid sticking in the die-casting mold, which is accompanied by a desired improvement in the heat resistance.
- the high magnesium content serves to establish a high strength.
- AlSigMgMn to Al-SinMgMn alloys (trade name: Silafont), which are suitable for both die casting and sand casting. In addition, these alloys are easy to machine and corrosion-resistant.
- the reinforcing element are zinc and copper-based alloys with the designations (according to the European standard EN 573-3: 2003) AW7xxx and AW2xxx, in particular AW7108 or an AlZn 5 , 5 Mg ⁇ , 5 Mn alloy, due to their high Strength advantageous.
- the Si-based aluminum alloys AW ⁇ xxx for example AW6056 and AW6082, are also suitable. These aluminum alloys also have a high ductility.
- the different aluminum alloys have similar expansion coefficients. This has the advantage over steel-reinforced light metal structural elements that lower stresses and distortions occur, especially in subsequent processes such as KTL (cathodic diving
- Corrosion is correspondingly lower.
- FIG. 1 shows:
- Figure 1 A pillar of a convertible
- A-pillars especially of convertibles, have to endure enormous loads in the event of an accident, especially a roof fall. Therefore, they are usually designed as a sheet steel shell with a steel reinforcement element.
- the steel sheet usually has a wall thickness of 1.2 mm, the reinforcing element consists, for example, of a round, high-strength one
- BTR steel tube with a diameter of 32 mm and a wall thickness of 3 mm.
- Such a steel reinforcement element has a section modulus of approximately 1800 mm 3 .
- a convertible A pillar according to the invention consists of two shell elements 1, 3 made of an AlMg 5 Si 2 Mn alloy and of a reinforcing element 2 made of a Si-based Al alloy according to the European one
- the die-cast shell elements 1, 3 are approximately 5 mm thick and have 5 mm thick transverse ribs against which the extruded reinforcing element 2 with a rectangular profile rests.
- the shell elements 1, 3 and the reinforcing element 2 were joined together by welding.
- the rectangular profile of the reinforcement element 2 has a cross section of 33 * 21 mm 2 and has a resistance moment of over 3500 mm 3 , that is almost twice as large as the conventional steel reinforcement element.
- Such an A-pillar according to the invention has a force absorption that is almost 100 percent higher than the conventional steel construction described above. is attributed to an improved stress distribution of the cast component. In addition, a weight reduction of 40 percent is achieved.
- the reinforcing element 2 is extruded from a zinc-based Al alloy in accordance with the European standard AA7108.
- the previous shell elements 1, 3 are each divided into two smaller components. This allows smaller ones
- the structural element has only a single, one-piece shell element 1, into which the reinforcing element 2 is inserted.
- the vehicle structural element according to the invention proves to be particularly suitable for A-pillars, in particular of convertibles.
- the invention is not limited to the exemplary embodiments described above, but rather can be transferred to others.
- the vehicle structural element is thus suitable for a large number of vehicle components, in particular load-bearing frame components.
- vehicle components in particular load-bearing frame components.
- Examples include the C-pillar and a number of longitudinal and cross members, in particular the vehicle body, e.g. called the steering column bracket.
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Abstract
Fahrzeugstrukturelemente aus Leichtmetall sind bekannt. Beispielsweise wird in ein aus Plattenelementen aus Leichtmetall gefertigtes Strukturelement ein aus Leichtmetallextrudat hergestelltes Verstärkungselement derart eingepasst, dass es dem inneren Querschnitt des Strukturelementes folgt. Eine derartige Ausgestaltung erfordert eine vergleichsweise aufwendige Querschnittsform des Verstärkungselementes. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Fahrzeugstrukturelement aus Leichtmetall anzugeben, welches bezüglich Festigkeit und Dehnung mindestens vergleichbare Werte zu bisherigen stahlverstärkten Strukturelementen aufweist und einfacher und kostengünstiger zu fertigen ist als bisherige leichtmetallische Fahrzeugstrukturelemente. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Fahrzeugstrukturelement aus Leichtmetall, z.B. eine A-Säule, das mindestens ein Schalenelement (1, 3) und mindestens ein Verstärkungselement (2) enthält, wobei das Schalenelement (1, 3) ein Gussbauteil ist und das Verstärkungselement (2) ein Strangpressprofil, wobei das Profil über seine gesamte Länge einen im wesentlichen gleichen Querschnitt aufweist und mit dem Schalenelement (1, 3) über Querrippen verbunden ist.
Description
Fahrzeugstrukturelement aus Leichtmetall
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugstrukturelement aus
Leichtmetall gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solches Strukturelement ist bereits aus der DE 195 18 946 AI bekannt .
Gemäß der DE 195 18 946 wird ein. Fahrzeugstrukturelement aus Leichtmetall gefertigt, um Gewicht einzusparen. Problematisch ist dabei, dass Festigkeit und Dehnung von derartigen Strukturelementen aus Leichtmetallen deutlich schlechtere Werte aufweisen als die vergleichbaren üblichen Strukturelemente aus Stahl. Um dies auszugleichen wird in der DE 195 18 946 AI vorgeschlagen, in ein aus Plattenelementen aus Leichtmetall gefertigtes Strukturelement ein aus Leichtmetallextrudat hergestelltes Verstärkungselement derart einzupassen, dass es dem inneren Querschnitt des Strukturelementes folgt. Eine derartige Ausgestaltung erfordert eine vergleichsweise aufwendige Querschnittsform des Verstärkungselementes.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Fahrzeugstrukturelement aus Leichtmetall anzugeben, welches bezüglich Festigkeit und Dehnung mindestens vergleichbare
Werte zu bisherigen stahlverstärkten Strukturelementen aufweist und einfacher und kostengünstiger zu fertigen ist als bisherige leichtmetallische Fahrzeugstrukturelemente.
Diese Aufgabe wird von einem Fahrzeugstrukturelement mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein erfindungsgemäßes Fahrzeugstrukturelement aus Leichtmetall, z.B. eine A-Säule, enthält mindestens ein Schalenelement und mindestens ein Verstärkungselement, wobei das Schalenelement ein Gussbauteil ist und das Verstärkungsele- ment ein Strangpressprofil, wobei das Profil über seine gesamte Länge einen im wesentlichen gleichen Querschnitt aufweist und mit dem Schalenelement über Querrippen verbunden ist .
Die Herstellung des Schalenelementes durch Guss, vorzugsweise Druckguss, senkt die Kosten. Dies gilt insbesondere für kleine Schalenelemente, weshalb das Strukturelement auch vorteilhaft aus mehreren kleinen Schalenelementen zusammengefügt werden kann. Darüber hinaus gewährt die Gießtechnik eine hohe Designfreiheit, weshalb weniger Einzelteile hergestellt und später gefügt werden müssen. Variable Wandstärken sind leicht umsetzbar, insbesondere können die Querrippen mitgegossen werden. Als weiterer Vorteil sind die geringen Eigenspannungen von Gussbauteilen und ihr gutes Dämpfungsverhalten (Vib- rationen, Akustik) zu nennen.
Das Strangpressen eines Profils mit einem über seine gesamte Länge im wesentlichen gleichen Querschnitt ist ebenfalls kostengünstiger als das Extrudieren eines Profils mit einem dem Innenquerschnitt des Strukturelementes folgenden Querschnitt.
Der Einsatz von Querrippen in dem Schalenelement gewährleistet eine ausreichende Kraftübertragung zwischen Schalenelement und Verstärkungselement. Gleichzeitig erlaubt er die In-
nengeometrie des Schalenelementes und die Außengeometrie des Verstarkungselementes einfach und damit kostengünstig zu gestalten. Darüber hinaus verringern die zwischen Schalenelement, Verstarkungselement und Querrippen vorhandenen Hohlrau- me das Gesamtgewicht des Strukturelementes.
Besonders vorteilhaft erweist sich die Verwendung von Rechteckprofilen aufgrund ihrer besonders einfach mittels Strangpressen herstellbaren Geometrie. Darüber hinaus weisen Recht- eckprofile besonders hohe Widerstandsmomente auf, wodurch das Defizit an Festigkeit von Leichtmetall gegenüber den üblichen Stahlrohren kompensiert werden kann.
Besonders geeignete Leichtmetalle sind hochfeste Aluminium- Legierungen:
Für das Schalenelement ist beispielsweise eine AlMg5Si2Mn- Legierung (Handelsname: Magsimal 59) vorteilhaft, die Druck- guss geeignet ist und darüber hinaus auch gut schweißbar, was spatere Reparaturen erleichtert. Deren geringer Eisengehalt verbessert die Duktilitat. Gleichzeitig wurde der Mangangehalt zur Vermeidung des Klebens in der Druckgussform angehoben, damit einher geht eine erwünschte Verbesserung der Warmfestigkeit. Der hohe Magnesiumgehalt dient der Einstellung einer hohen Festigkeit. Auch geeignet sind AlSigMgMn- bis Al- SinMgMn-Legierungen (Handelsname: Silafont) , die sowohl Druckguss als auch sehr gut Sandguss geeignet sind. Außerdem sind diese Legierungen gut zerspanbar und korrosionsbeständig.
Für das Verstarkungselement sind Zink- und Kupfer-basierte Legierungen mit den Bezeichnungen (gemäß der europaischen Norm EN 573-3:2003) AW7xxx und AW2xxx, insbesondere AW7108 oder auch eine AlZn5,5Mgι,5Mn-Legierung, aufgrund ihrer hohen
Festigkeit vorteilhaft. Geeignet sind aber auch die Si-basie- rende Aluminiumlegierungen AWδxxx, z.B. AW6056 und AW6082. Diese Aluminium-Legierungen weisen außerdem eine hohe Dukti- lität auf.
Darüber hinaus weisen die verschiedenen Aluminium-Legierungen ähnliche Ausdehnungskoeffizienten auf. Dies hat gegenüber stahlverstärkten Leichtmetall-Strukturelementen den Vorteil, dass geringere Spannungen und Verzüge auftreten, insbesondere bei Nachfolgeprozessen wie z.B. KTL (Kathodische Tauch-
Lackierung) . Entsprechend niedriger ist auch die Korrosion.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von zwei Ausführungsbeispielen und der Figur 1 näher erläutert. Dabei zeigt:
Figur 1 A-Säule eines Cabriolets
A-Säulen, insbesondere von Cabriolets, müssen bei einem Unfall, insbesondere Dachfall, enorme Belastungen aushalten. Deshalb sind sie üblicherweise als Stahlblechschale mit Stahlverstärkungselement gestaltet. Das Stahlblech weist üblicherweise eine Wanddicke von 1,2 mm auf, das Verstärkungs- element besteht beispielsweise aus einem runden hochfesten
BTR-Stahlrohr mit Durchmesser von 32 mm und einer Wandstärke von 3mm. Ein solches Stahl-Verstärkungselement weist ein Widerstandsmoment von circa 1800 mm3 auf.
Eine erfindungsgemäße Cabriolet-A-Säule besteht gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel aus zwei Schalenelementen 1,3 aus einer AlMg5Si2Mn-Legierung und aus einem Verstärkungselement 2 aus einer Si-basierten AI-Legierung nach der europäischen
Die druckgegossenen Schalenelemente 1, 3 sind circa 5 mm dick und weisen 5 mm dicke Querrippen auf, an denen das strangge- presste Verstarkungselement 2 mit rechteckigem Profil an- liegt. Die Schalenelemente 1, 3 und das Verstarkungselement 2 wurden mittels Schweissen zusammengefugt.
Das Rechteckprofil des Verstarkungselementes 2 weist einem Querschnitt von 33*21 mm2 auf und besitzt ein Widerstandsmo- ment von über 3500 mm3, also fast doppelt so groß, wie das übliche Verstarkungselement aus Stahl.
Eine derartige erfindungsgemaße A-Saule weist eine um nahezu 100 Prozent höhere Kraftaufnahme auf als die oben beschrie- bene übliche Stahlkonstruktion, was u.a. auf eine verbesserte Spannungsverteilung des Gussbauteils zurückgeführt wird. Darüber hinaus wird eine Gewichtsreduktion von 40 Prozent erreicht .
Gemäß einem zweiten Ausfuhrungsbeispiel ist das Verstarkungselement 2 aus einer Zink-basierten AI-Legierung gemäß der europaischen Norm AA7108 stranggepresst .
Die bisherigen Schalenelemente 1, 3 sind jeweils in zwei kleinere Komponenten aufgeteilt. Dadurch können kleinere
Druckgussanlagen verwendet werden, was Verarbeitungszeiten und Kosten senkt.
Gemäß einem dritten Ausfuhrungsbeispiel weist das Struktur- element nur ein einziges einteiliges Schalenelement 1 auf, in welches das Verstarkungselement 2 eingefugt ist.
Das erfindungsgemäße Fahrzeugstrukturelement erweist sich in den Ausführungsformen der vorstehend beschriebenen Beispiele als besonders geeignet für A-Säulen, insbesondere von Cabriolets .
Die Erfindung ist nicht auf die zuvor geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern vielmehr auf weitere übertragbar.
So ist das Fahrzeugstrukturelement für eine Vielzahl von Fahrzeugbauteilen, insbesondere tragenden Rahmenbauteilen, geeignet. Beispielhaft seien die C-Säule und eine Reihe von Längs- und Querträgern, insbesondere der Fahrzeugkarosserie, z.B. die Lenksäulenhalterung, genannt.
Claims
1. Fahrzeugstrukturelement aus Leichtmetall, z.B. A-Säule, enthaltend mindestens ein Schalenelement (1,3) und mindestens ein Verstärkungselement (2), wobei das Schalenelement (1,3) ein Gussbauteil ist und das Verstärkungselement (2) ein Strangpressprofil, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Profil über seine gesamte Länge einen im wesentlichen gleichen Querschnitt aufweist, aus einer Zink-, Kupfer- oder Silizium-basierten Aluminiumlegierung besteht und mit dem Schalenelement (1,3) über Querrippen verbunden ist.
2. Fahrzeugstrukturelement nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Profil ein Rechteckprofil ist.
3. Fahrzeugstrukturelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Schalenelement (1,3) aus einer hochfesten Al- Legierung besteht.
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