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Die
Erfindung betrifft einen Verbindungsknoten zwischen länglichen
Strukturelementen einer Fahrzeugkarosserie der im Oberbegriff von
Patentanspruch 1 angegebenen Art.
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Ein
derartiger Verbindungsknoten zwischen Karosseriesäule und
damit verschweißtem Längsträger als längliche
Strukturelemente ist in der
DE 10 2004 044 037 A1 bereits für
Rohbaukarosserien in Blechschalenbauweise offenbart. Diese bekannte Bauweise
mit auf ein geschlossenes Längsträgerprofil aufgesetzter
B-Säule zeichnet sich durch eine besonders wirtschaftliche
Fertigungsmöglichkeit aus. Auch lässt sich mit
der Bauweise des Verbindungsknotens problemlos die erforderliche
Betriebsfestigkeit erreichen. Insbesondere wenn für eine
Rohbaustruktur in Leichtbauweise dünnwandige Bleche eingesetzt
werden sollen, kann die Crashstabilität des Verbindungsknotens
für den Fall eines Seitenaufpralls aber unzureichend sein.
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Demgegenüber
sind bei Serienkraftwagen mit einem Rohbau in Blechschalenbauweise
seitliche Verbindungsknoten zwischen den B-Säulen und dem zugeordnetem
Längsträger verbreitet, bei denen ein unterer
Endbereich der B-Säule in einen freigeschnittenen Längsträger
eingesteckt und mit oberer und unterer Blechwand des Längsträgers
verschweißt ist. Die seitlichen Aufprallkräfte
beim Crash können hierbei deutlich besser in die Unterbaustruktur
des Rohbaus übertragen werden, wie sich z. B. durch entsprechende
Lastfallsimulationen nachweisen lässt. Jedoch ist die Fertigung
des Verbindungsknotens bei dieser Bauweise deutlich aufwändiger
als bei einem Verbindungsknoten mit aufgesetzter Karosseriesäule.
Zudem ist der Verbindungsknoten mit aufgesetzter Karosseriesäule
einem Verbindungsknoten mit eingesteckter B-Säule im Hinblick
auf Akustikanforderungen, Dichtheitsanforderungen, Verschnittrate und
Möglichkeit zur Variantenbildung des Rohbaus deutlich überlegen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Verbindungsknoten
zwischen länglichen Strukturelementen einer Fahrzeugkarosserie gemäß dem
Oberbegriff von Patentanspruch 1 dahingehend zu verbessern, dass
die Belastungsfähigkeit des Verbindungsknotens unter Beibehaltung
des aufgesetzten Strukturelements deutlich vergrößert
sein kann.
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Die
Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen von
Patentanspruch 1.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben.
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Durch
die erfindungsgemäße Gestaltung werden die Vorzüge
eines Verbindungsknotens mit aufgesetztem Hohlprofil bei überschaubarem
technischem Mehraufwand mit den Vorzügen eines Verbindungsknotens
mit eingestecktem Hohlprofil vereint. Dahinter steht die Erkenntnis,
dass es zur verbesserten Anbindung des aufgesetzten Hohlprofils
nicht zwingend der Durchdringung der stützenden Wand des
anderen Hohlprofils bedarf, sondern die Abstützkraft über
Biegekräfte auch durch die stützende Wand hindurch
auf die Verstärkungsanordnung und von dieser auf die gegenüberliegende
Wand des stützenden Hohlprofils übertragen werden
kann. Die Verstärkungsanordnung stellt also eine Art wirksame Verlängerung
des aufgesetzten Hohlprofils dar, obwohl sie nur mittelbar über
die stützende Wand mit ihr verbunden ist.
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Je
nach den konstruktiven Bedingungen kann die Verstärkungsanordnung
von einem einzigen Verstärkungselement gebildet werden,
dessen Querschnitt weitgehend an die gestoßene Fügefläche
angepasst und auf der Innenseite gegenüberliegend zur gestoßenen
Fügefläche an der stützenden Umfangswand
befestigt sein kann. Die an der Umfangswand durch das aufgesetzte
Hohlprofil wirkenden Kräfte können somit unter
Zwischenschaltung der Umfangswand unmittelbar von der Verstärkung
mitgetragen werden. Zudem wird ein Abstand zwischen der Krafteinleitungsseite
und einem günstigen Anbindungsbereich an der gegenüberliegenden
Wandseite des Hohlprofils vom Verstärkungselement zur Abstützung überbrückt.
Somit sind Gestaltung und Erstreckung des im Hohlquerschnitt des
Hohlprofils befestigten Verstärkungselements am Einleitungskraftfluss des über
den Umfang abgestützten Hohlprofils orientiert.
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Bei
Fügeverfahren für den Verbindungsknoten, die einer Überlappung
von Fügeflanschen bedürfen wie z. B. Punktschweiß-
oder Klebeverfahren, kann ein die Einleitungskraft übertragender
Verbindungsflansch des gestoßenen Hohlprofils vorzugsweise
durch den von ihm überdeckten Wandbereich des Hohlprofils
hindurch mit einem unter Überlappung gefügten
Befestigungsflansch des zugeordneten Verstärkungselements
verbunden sein. Wenn sich der Verbindungsflansch des gestoßenen
Hohlprofils dabei im Wesentlichen in Längsrichtung des Hohlprofils
erstreckt, müssen die Anbindungskräfte nahezu
vollständig über Schubkräfte übertragen
werden. Durch eine Vergrößerung der Überlappungslänge
von Verbindungsflansch des aufgesetzten Hohlprofils zum Befestigungsflansch
des zugehörigen Verstärkungselements und somit
auch zum zwischen ihnen liegenden Wandbereich des stützenden
Hohlprofils kann eine deutlich vergrößerte Fläche
für die Fügung geschaffen werden. Folglich können
zur Intensivierung der Befestigung im Abstand voneinander z. B.
zwei Punktnahtreihen angebracht werden. Soll sich ein Verbindungsflansch
des gestoßenen Hohlprofils demgegenüber quer zu
dessen Längsrichtung erstrecken und ist mit einem ebenfalls
abgewinkelten Befestigungsflansch des zugehörigen Verstärkungselements
gefügt, so kann eine Fügeverbindung mit der üblichen Überlappung
von Schweißflanschen wegen der günstigeren Beanspruchung
bei geringerem Materialbedarf eine hinreichende Befestigungsintensität
sicherstellen.
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Bei
einem U-förmigen Querschnitt des gestoßenen Hohlprofils,
wie er z. B. bei der Außenschale einer B-Säulen
vorliegen kann, ist vorzugsweise jeder der drei Profilschenkel mit
einem zugeordneten Verbindungsflansch versehen. Bei einem Verbindungsknoten
an einer Säulenwurzel kann sich der Verbindungsflansch
des Mittelschenkels in konstruktiv günstiger Weise in Längsrichtung
des Säulenprofils erstrecken, während die Verbindungsflansche
der seitlichen Profilschenkel quer zur Längsrichtung des Säulenprofils
abgewinkelt sind. Den drei Verbindungsflanschen wird zweckmäßig
jeweils ein Befestigungsflansch des zugehörigen Verstärkungselements
unmittelbar gegenüberliegen, wobei die drei Befestigungsflansche
von einem gemeinsamen Verstärkungselement abstehen. Zumindest
im Anordnungsbereich der Befestigungsflansche kann das Verstärkungselement
somit einen im Wesentlichen gleichen Querschnitt aufweisen wie das
untere Ende des Säulenprofils selbst, so dass sich in Verbindung mit
oberer und unterer Wand des Längsträgers eine sehr
druckfester Stützkasten ergibt. Um den Kraftfluss beim
Seitenaufprall stärker in Richtung Bodenanlage weiterleiten
zu können, kann sich der Stützkasten nach seinem
Anbindungsabschnitt schräg nach unten in Richtung des Hauptbodens
erstrecken.
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Anstelle
eines Stützkastens kann die Verstärkungsanordnung
auch von zwei einzelnen, jeweils als Stützbock mit U-förmigem
Querschnitt ausgebildeten Verstärkungselementen gebildet
werden, die in einem seitlichen Abstand voneinander angeordnet sind.
Die Stützböcke sind dabei so angeordnet, dass
ihr jeweils äußerer Befestigungsflansch im Überdeckungsbereich
des Verbindungsflansches des zugeordneten Profilschenkels des Säulenprofils liegt.
Die Mittelschenkel der beiden Stützböcke können
dabei über den überlappenden Verbindungsflansch
des Mittelschenkels des Säulenprofils miteinander verbunden
sein.
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Wenn
die am Verbindungsknoten beteiligten Hohlprofile beide Blechschalen
eines Rohbaus in Blechschalenbauweise sind, ist jedes Verstärkungselement
der Verstärkungsanordnung vorzugsweise als Blechbiegeteil
ausgebildet. Solche Blechbiegeteile lassen sich kostengünstig
herstellen und mit üblicher Schweißtechnik problemlos
in den Fertigungsprozess von Rohbauten in Blechschalenbauweise einbinden.
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Nachfolgend
sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand zeichnerischer
Darstellungen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch einen Verbindungsknoten zwischen Längsträger
und aufgesetzter B-Säule mit einer ersten Verstärkungsanordnung;
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2 eine
perspektivische Innenansicht der äußeren Blechschalen
des verstärkten Verbindungsknotens;
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3 eine
perspektivische Innenansicht der B-Säule samt Verbindungsknoten
zum Längsträger mit einer zweiten Verstärkungsanordnung
und
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4 einen
vergrößerten Ausschnitt von 3 im
Bereich der verstärkten Säulenwurzel.
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Ein
im vertikalen Querschnitt gemäß 1 sichtbarer
Verbindungsknoten befindet sich im Bereich der Säulenwurzel
einer B-Säule 10 eines nicht in der Gesamtheit
gezeigten Rohbaus einer Kraftwagenkarosserie in Blechschalenbauweise,
die mit ihrem unteren Ende auf den zugehörigen Längsträger 12 aufgesetzt
und mit diesem verschweißt ist. Die B-Säule 10 ist
aus einer nach außen gewandten Außenschale 10.1 und
einer dem Kraftwageninnenraum zugewandten Innenschale 10.2 zusammengesetzt, wobei
Außenschale 10.1 und Innenschale 10.2 in
bekannter Weise entlang von seitlichen, flächig aufeinanderliegenden
Schweißflanschen miteinander punktverschweißt
sind. Im gezeigten Zusammenbauzustand werden die Außenschale 10.1 von
einer Säulenbeplankung 14 und die Innenschale 10.2 von einer
Innenverkleidung 16 verdeckt.
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Der
Längsträger 12 seinerseits ist ebenfalls aus
mehreren Blechschalen 12.1, 12.2 und 12.3 zusammengesetzt,
die jeweils mehrfach abgewinkelt und entlang von sich parallel zu
ihrer Längserstreckung verlaufenden Schweißflanschen
durch Punktschweißnähte miteinander verbunden
sind. Die Blechschalen 12.1 und 12.2 sind als
Hauptschalen großformatig gestaltet, erstrecken sich über
die gesamte Höhe des Längsträgers 12 und
bilden dessen Außenschale bzw. Innenschale, die an nach
oben bzw. unten abstehenden Schweißflanschen der Blechschalen 12.1 und 12.2 miteinander
verschweißt sind. Mit dem unteren Schweißflansch
ist zusätzlich noch der untere Schweißflansch
der Blechschale 12.3 verschweißt, die insgesamt
einen hutprofilähnlichen Querschnitt aufweist, wobei sich
der Querschnitt etwa über zwei Drittel der Höhe
des Längsträgers 12 erstreckt. Der senkrecht
abstehende obere Schweißflansch der Blechschale 12.3 liegt
flächig auf einem zum Innenraum vorspringenden Wandbereich der
Seitenwand von Blechschale 12.2 auf und ist im Auflagebereich
mit dieser verschweißt. Die Blechschalen 12.2 und 12.3 bilden
dadurch gemeinsam einen Hohlträger etwa rechteckförmigen
Querschnitts, an dessen unteren Eckbereich ein Hauptboden 18 oder
eine entsprechende Unterbaustruktur des Rohbaus angeschweißt
ist.
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Um
den möglichen Verformungsweg des Längsträgers 12 beim
Seitenaufprall weiter zu vergrößern, springt die
Außenschale 12.1 im unteren Bereich stufig nach
außen vor, wodurch der Längsträgerquerschnitt
eine zusätzlich aussteifende Wirkung gegenüber
Querkräften erfährt. Oberhalb dieses stufigen
Bereichs verläuft die Blechschale 12.1 über
einen relativ großen Höhenabschnitt senkrecht und
wird auf der Außenseite von einem flächig aufliegenden
Verbindungsflansch der aufgesetzten Außenschale 10.1 überdeckt.
An diesem großformatigen Überlappungsbereich 22 sind
die aufeinanderliegenden Verbindungsflansche mit zwei höhenversetzten
Schweißpunktreihen gefügt. Auf der Innenseite der
Blechschale 12.1 liegt im Überlappungsbereich 22 ein
oberer Plattenschenkel eines als Blechbiegeteil ausgeführten
Verstärkungselements 20 flächig an, der
ebenfalls über die beiden Schweißpunktreihen fest
verschweißt ist. Unterhalb des Überlappungsbereichs 22 erstreckt
sich das Verstärkungselement 20 im Höhenschnitt
gesehen schräg nach unten in Richtung der Blechschale 12.3 und
geht mit Erreichen der horizontal verlaufenden unteren Wand der
Blechschale 12.1 in einen hierzu parallel abgewinkelten
Befestigungsschenkel über, der nahe dem unteren Schweißflansch
des Längsträgers 12 mit der Wand der
Blechschale 12.1 verschweißt ist. Im Höhenschnitt
gesehen ergibt sich somit eine diagonale Aussteifung des unteren äußeren
Eckbereichs des Längsträgers 12, die
in der Lage ist, den Kraftfluss seitlich auf den Verbindungsknoten
einwirkender Aufprallkräfte teilweise in den besonders
steifen Bereich der Unterbodenkonstruktion weiterzugeben.
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Wie
in Verbindung mit der perspektivischen Darstellung nach 2 zu
erkennen ist, erstreckt sich das Verstärkungselement 20 in
der Blechschale 12.1 nur über einen etwa der Querschnittslänge
der aufgesetzten Außenschale 10.1 angepassten
Längenabschnitt. Außerdem weist es unterhalb der
Aufstandsfläche der Seitenschenkel der Außenschale 10.1 zu
diesen fluchtend jeweils einen seitlichen Plattenschenkel auf, so
dass das Verstärkungselement 20 einen sehr drucksteifen,
in der Draufsicht U-förmigen Stützkasten bildet,
der sich nach unten verjüngt. Für die technische
Funktion ist dabei wesentlich, dass die seitlichen Schenkel der
Außenschale 10.1 und der ihnen zugeordnete Plattenschenkel
des Verstärkungselements 20 durch die obere Wand
der Blechschale 12.1 hindurch weitgehend ohne Biegebeanspruchung
der oberen Wand fest miteinander verbunden sind und die Plattenschenkel
des Verstärkungselements 20 zudem eine feste Verbindung
zur unteren Wand der Blechschale 12.1 herstellen. Damit dies
auch bei toleranzbehaften Blechschalen sichergestellt werden kann,
sind die seitlichen Plattenschenkel des Verstärkungselements 20 jeweils
mit einem rechtwinklig abgekanteten Befestigungsflansch versehen,
der im Überdeckungsbereich zum aufstehenden Verbindungsflansch
der Außenschale 10.1 liegt, so dass die Flansche über
die dazwischenliegende Blechschale 12.1 miteinander verschweißt werden
können.
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Durch
Einbindung des ggf. mit Sicken oder Rippen versteiften Verstärkungselements 20 in
den Hohlquerschnitt der Blechschale 12.1 lässt
sich eine Crashstabilität des Verbindungsknotens zwischen B-Säule 10 und
Längsträger 12 erreichen, die der eines
Verbindungsknotens mit einer in den Längsträger
eingesteckten B-Säule entspricht.
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Gleiches
gilt für die in den 3 und 4 gezeigte
Ausführungsform, die sich lediglich durch eine andere Verstärkungsanordnung
von dem beschriebenen Verbindungsknoten unterscheidet und zur Vereinfachung
der weiteren Beschreibung nur im Hinblick auf die Unterschiede zum
beschriebenen Verstärkungselement 20 erläutert
ist. Anstelle eines einzigen Verstärkungselements 20 weist
diese Verstärkungsanordnung zwei einzelne Verstärkungselemente 24 auf.
Die beiden baugleichen Verstärkungselemente 24 sind
jeweils als Stützbock mit U-förmigem Querschnitt
ausgebildet, die im Abstand voneinander angeordnet sind. Der Abstand
ist dabei so bemessen, dass der jeweils äußere
Schenkel des Stützbocks jeweils zu einem der Seitenschenkel
der aufgesetzten Außenschale 10.1 fluchtet. Die
Querschnittsbreite der Verstärkungselemente 24 ist
ferner so bemessen, dass der Stützabstand ihrer Seitenschenkel
voneinander etwa dem Abstand zwischen den beiden Verstärkungselementen 24 entspricht. Um
eine problemlose Einbindung in die Schweißkonstruktion
zu ermöglichen, weisen die Seitenschenkel beider Verstärkungselemente 24 an
ihrem oberen und unteren Ende jeweils einen rechtwinklig abgekanteten
Befestigungsflansch auf, mit denen er flächig aufliegend
mit der oberen bzw. unteren Wand der Blechschale 12.1 verschweißt
ist. Außerdem liegen die beiden Verstärkungselemente 24 mit
ihrem Mittelschenkel an dem senkrechten Wandabschnitt der Blechschale 12.1 und
somit im Überlappungsbereich 22 an, in dem sie
durch den Wandabschnitt hindurch mit dem verlängerten Verbindungsflansch
der Blechschale 12.1 verschweißt sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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