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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Trägerelements einer Karosserie eines Personenkraftwagens nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Trägerelement einer Karosserie eines Personenkraftwagens nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 8. Zur Erfindung gehört auch eine Karosserie eines Personenkraftwagens nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 13.
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Ein solches Trägerelement gemäß dem Stand der Technik ist in 1 dargestellt. Die 1 zeigt ein Trägerelement 10 einer Karosserie eines Personenkraftwagens, welches einen ersten Trägerbereich 12 und einen zweiten, sich schräg dazu erstreckenden Trägerbereich 14 umfasst. Dabei verläuft der erste Trägerbereich 12 des Trägerelements 10 in Längsrichtung des Personenkraftwagens, wobei es sich bei dem ersten Trägerbereich 12 um einen Längsträger und bei dem zweiten Trägerbereich 14 um einen Diagonal- bzw. Querträger handelt.
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Wie in der 1 zu sehen ist, besteht das Trägerelement 10 also aus den beiden Trägerbereichen 12 und 14, die als Einzelteile ausgebildet sind und mittels Schweißnähte 16 miteinander thermisch verbunden werden, wodurch es in Folge eines Wärmeeintrags eines derartigen thermischen Fügeverfahrens zu einem Verzug des Trägerelements 10 kommt, was zu Problemen insbesondere bei einer anschließenden Montage führt.
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Es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Trägerelement der eingangs genannten Art und ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Trägerelements derart weiterzuentwickeln, dass eine Montage des Trägerelements vereinfacht ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Trägerelements mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Trägerelement einer Karosserie eines Personenkraftwagens mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein solches Verfahren zum Herstellen eines einen ersten Trägerbereich und einen zweiten, sich quer bzw. schräg dazu erstreckenden zweiten Trägerbereich aufweisenden Trägerelements einer Karosserie eines Personenkraftwagens, bei dem ein Hohlprofil zumindest bereichsweise durch Innenhochdruckumformen und durch Biegen bearbeitet wird, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass das Hohlprofil in einem ersten Bearbeitungsschritt durch Biegen und in einem anschließenden Bearbeitungsschritt durch Innenhochdruckumformen bearbeitet wird. Zum einen ergibt sich daraus der Vorteil, dass im Vergleich zum beschriebenen Stand der Technik ein Verzug in Folge eines Wärmeeintrags eines thermischen Fügeverfahrens bei der Verbindung von zwei Einzelteilen eliminiert ist, wodurch ein maßgenaueres Bauteil ermöglicht ist. Dies resultiert wiederum in einer einfacheren Montage, da Toleranzen genauer einhaltbar sind. Diese Aufwandsreduzierung der Montage hat wiederum geringere Montagekosten zur Folge, was somit Kosten für das erfindungsgemäße Verfahren und somit Gesamtkosten für einen Personenkraftwagen mit einem derartigen Trägerelement gering hält. Die Anbindung eines derartig hergestellten Trägerelements an die Karosserie des Personenkraftwagens bzw. an eine umliegende Rohbaustruktur kann somit hochpräzise und praktisch toleranzfrei erfolgen.
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Zudem ist durch die Einteiligkeit des Trägerelements eine Reduzierung einer Teileanzahl erreicht, was in geringeren Beschaffungskosten und damit in geringeren Gesamtkosten für die Karosserie des Personenkraftwagens resultiert.
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Des Weiteren ist ein zusätzlicher Arbeitsschritt zum Verbinden zweier Bauteile beispielsweise durch ein Schweißverfahren vermieden, was ebenso in geringeren Montagekosten und damit in geringeren Gesamtkosten resultiert.
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Ein weiterer Vorteil, der durch diese Integration eines Quer-/Diagonalträgers in einen Längsträger, insbesondere in einem vorderen Längsträger, einhergeht, ist der, dass im Falle eines Unfalls, insbesondere eines Frontalaufpralls, ein besserer Lastpfad zum Verteilen einer Aufprallenergie in der Karosserie des Personenkraftwagens erreicht ist. Dies bedeutet eine höhere Sicherheit für Insassen der Karosserie des Personenkraftwagens mit einem derartigen Trägerelement und eine Herabsetzung einer Verletzungswahrscheinlichkeit und einer Verletzungsschwere der Insassen im Falle eines Unfalles. Dies kommt insbesondere dann zum Tragen, wenn das Trägerelement als ein Trägerelement in einem Vorderwagenbereich der Karosserie des Personenkraftwagens verbaut wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Hohlprofil nach dem Biegen zumindest im Bereich der Biegestelle bzw. Biegestellen durch Innenhochdruckumformen bearbeitet. Die Bearbeitung mittels Innenhochdrucks erfolgt dabei bedarfsgerecht, wobei in Folge einer Aufweitung durch das Innenhochdruckumformen Eindrückungen, die beim Biegen entstehen, nivelliert werden. Daraus ergibt sich eine weitere Verbesserung des Lastpfades, da beispielsweise für den Crashfall kritische und ungewünschte Eindrückungen und/oder Faltenbildungen, die aus einem Biegevorgang normaler Weise resultieren, aufgrund der herstellungsbedingt mit Innenhochdruck erreichten Wiederherstellung der Ursprungskontur des Hohlprofils nicht mehr vorhanden sind und somit eine definiertere Verteilung der Aufprallenergie eines Unfalls bzw. definiertere Einleitung der Aufprallenergie in die Karosserie des Personenkraftwagens mittels eines derartigen Trägerelements erfolgen kann. Weiterhin kann das Hohlprofil somit an eine umliegende Rohbaustruktur der Karosserie des Personenkraftwagens konturgerecht konditioniert werden, sodass eine Anbindung beispielsweise an eine A-Säule der Karosserie des Personenkraftwagens hochpräzise und praktisch toleranzfrei gestaltet werden kann. Somit wird durch das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur ein Verzug in Folge eines Wärmeeintrags durch ein thermische Fügeverfahren vermieden, sondern etwaige geringe und ungewünschte Geometrieänderung durch das Biegen werden mittels des an das Biegen anschließende Innenhochdruckumformens ausgeglichen, wodurch also eine noch präzisere Herstellung ermöglich ist, was in einer noch einfacheren und unkomplizierteren Montage resultiert, was wiederum die Montagekosten und somit die Gesamtkosten der Karosserie des Personenkraftwagens absenkt.
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Wird das Hohlprofil mittels einer Schließbewegung eines Innenhochdruckumformwerkzeugs, also des Werkzeugs, mittels dessen der Innenhochdruckumformprozess durchgeführt wird, gebogen, so ist dies insofern vorteilhaft, als dass dadurch eine Parallelisierung von Prozessschritten und damit eine Einsparung von Herstellungszeit des Trägerelements erreicht ist, da die Schließbewegung des Innenhochdruckumformwerkzeug und das Biegen des Hohlprofils quasi zeitgleich durchgeführt werden. Zudem kann anschließend an das Biegen direkt der Innenhochdruckumformprozess durchgeführt werden. Eine Entnahme des Hohlprofils aus einem etwaigen separaten Biegewerkzeug ist somit nicht nötig, wodurch ein zusätzlicher Prozessschritt und damit Herstellungskosten eingespart werden. Zudem treten auch keine Positionierungsfehler, die von einem Transfer zwischen Umformwerkzeugen – einem Biegewerkzeug und einem Innenhochdruckumformwerkzeug – herrühren, auf, so dass die hohe gewünschte Reproduzierbarkeit der aus dem Herstellungsprozess hervorgegangenen Bauteile gewährleistet ist. Nichtsdestotrotz ist es ebenso möglich, das Biegen auch außerhalb des Innenhochdruckwerkzeugs durchzuführen, um beispielsweise eine unnötig komplizierte und damit kostenaufwendige Konstruktion und Herstellung des Innenhochdruckwerkzeugs zu vermeiden. In jedem Falle erfolgt das Innenhochdruckumformen anschließend an das Biegen des Hohlprofils, wodurch alle in diesem Zusammenhang bereits beschriebenen Vorteile erreicht werden.
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Bei einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung wird das Trägerelement aus Aluminium gebildet, woraus sich der Vorteil ergibt, dass das Trägerelement in diesem Falle ein besonders geringes Gewicht aufweist, wodurch auch ein Gesamtgewicht der Karosserie des Personenkraftwagens mit einem derartigen Trägerelement in einem geringen Rahmen gehalten werden kann. Damit geht ein geringes Gesamtgewicht des Personenkraftwagens einher, was in einer Reduzierung eines Kraftstoffverbrauchs einer Verbrennungskraftmaschine und damit in einer Reduzierung von CO2-Emissionen resultiert. Nichts desto weniger ist es durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich, ein gleichzeitig leichtes aber dennoch unfallsicheres und kostengünstiges Trägerelement herzustellen.
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Ein weiterer, den Kostenaspekt betreffender Vorteil ergibt sich dadurch, dass bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung das Trägerelement aus einem Strangpressprofil gebildet wird. Damit erweist sich das so hergestellte Trägerelement als äußerst kostengünstig bei gleichzeitiger Beibehaltung aller bisher beschriebenen Vorteile.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird zumindest ein Durchbruch in das Trägerelement eingebracht, was insbesondere dann vorteilig ist, wenn der zumindest eine Durchbruch durch Stanzen mittels eines im Innenhochdruckumformwerkzeug integrierten Stempels eingebracht wird. Dadurch ist zum einen erreicht, dass das Trägerelement praktisch toleranzfrei und hochpräzise mittels des Durchbruchs, welcher beispielsweise als ein Verschraubungsloch ausgebildet ist, an die Rohbaustruktur bzw. an die Karosserie des Personenkraftwagens angebunden werden kann, was mit einer weiteren Vereinfachung der Montage und damit mit einer weiteren Reduzierung der Montagezeit und damit der Montagekosten einhergeht. Zum anderen ist durch die Einbringung des Durchbruchs mittels eines im Innenhochdruckumformwerkzeug integrierten Stempels eine weitere Parallelisierung von Prozessschritten erreicht, was wiederum zu einer Reduzierung der Herstellungszeit und damit in einer Reduzierung der Herstellungskosten führt. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Einbringung des Durchbruchs mittels Stanzen im Innenhochdruckumformprozess erfolgt. Dies hat ebenfalls zur Folge, dass ein zusätzlicher Prozessschritt zum Einbringen eines derartigen Durchbruchs und damit weiterer Herstellungskosten eingespart werden können.
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Bei einem erfindungsgemäßen Trägerelement einer Karosserie eines Personenkraftwagens, welches einen ersten Trägerbereich und einen zweiten, sich quer bzw. schräg dazu erstreckenden zweiten Trägerbereich umfasst und welches durch ein zumindest bereichsweise durch Innenhochdruckumformen und durch Biegen bearbeitetes Hohlprofil gebildet ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Hohlprofil in einem ersten Schritt durch Biegen und in einem anschließenden Bearbeitungsschritt durch Innenhochdruckumformen bearbeitet ist. Dies hat, wie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben, eine Vermeidung von Schweißverzügen zur Folge, was insbesondere eine einfachere Montage des Trägerelements an die Karosserie des Personenkraftwagens zur Folge hat, da das Trägerelement hochpräzise und praktisch toleranzfrei gefertigt ist.
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Durch die Einstückigkeit, also die Vermeidung von mehreren Bauteilen, die durch ein thermische Fügeverfahren verbunden werden, ist zudem ein Lastpfad im Falle eines Unfalls verbessert, sodass äußere mechanische Kräfte verbessert in eine Rohbaustruktur der Karosserie des Personenkraftwagens einleitbar und verteilbar sind. Zudem sind schadensanfällige Schweißverbindungen sowie das Problem der Korrosion insbesondere an diesen Schweißverbindungen vermeidbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Trägerelements ist das Hohlprofil nach dem Biegen zumindest in dem Bereich der Biegestelle bzw. Biegestellen durch Innenhochdruckumformen bearbeitet, wodurch sich eine Versteifung des Trägerelements ergibt, was dem Unfallverhalten und der beschriebenen Einleitung und Verteilung der mechanischen Kräfte weiterhin zuträglich ist. Die Vorteile eines besseren Unfallverhaltens des Trägerelements ergeben sich insbesondere dann, wenn das Trägerelement dazu dient, mittels seines quer- bzw. schräg zum ersten Trägerbereich erstreckenden Trägerbereich einen Stoßfänger der Karosserie des Personenkraftwagens zu halten.
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Die beschriebene Einstückigkeit des Trägerelements hat weiterhin den Vorteil, dass sowohl eine Teileanzahl als auch eine Anzahl von Prozessschritten zur Herstellung des Trägerelements reduziert sind, was mit günstigeren Beschaffungs- und Herstellkosten des Trägerelements einhergeht, wodurch auch die Gesamtkosten des Personenkraftwagens reduzierbar sind.
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Ist das Trägerelement vorteilhafter Weise aus Aluminium gebildet, so sind dadurch alle bisher beschriebenen Vorteile der einfacheren Montage, des verbesserten Unfallverhaltens und der geringeren Kosten mit einem geringen Gewicht des Trägerelements verknüpfbar, wodurch sich ein Kraftstoffverbrauch einer Verbrennungskraftmaschine des Personenkraftwagens und damit CO2-Emissionen reduzieren lassen.
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Zudem ist dem Kostenaspekt die Bildung des Trägerelements aus einem Strangpressprofil äußerst zuträglich, da sich dadurch die Beschaffungskosten weiterhin absenken lassen.
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Weist das Trägerelement zumindest einen Durchbruch auf, der insbesondere als ein Verschraubungsloch ausgebildet sein kann, so kann das praktisch toleranzfrei und hochpräzise gefertigte Bauteil in Form des Trägerelements besonders einfach, unaufwendig und damit kostensparend an die Karosserie des Personenkraftwagens angebunden werden.
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Die Vorteile eines derartigen Trägerelements, insbesondere was das Unfallverhalten angeht, treten besonders dann zu Tage, wenn zumindest ein derartiges Trägerelement an einer A-Säule der Karosserie angeordnet ist. Bei einer derartigen Karosserie eines Personenkraftwagens kann beispielsweise vorgesehen sein, dass also ein erfindungsgemäßes Trägerelement einerseits an der A-Säule angebunden ist und andererseits als Halterung für einen Stoßfänger des Personenkraftwagens fungiert, wodurch alle beschriebenen Vorteile insbesondere bezüglich des Unfallverhaltens erreichbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die in der nachfolgenden Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnungen zeigen in:
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1 eine perspektivische Ansicht eines Trägerelements einer Karosserie eines Personenkraftwagens aus zwei einzelnen Bauteilen in Form eines Längsträgers und eines Diagonalträgers, welche mittels Schweißnähte miteinander verbunden sind, gemäß dem Stand der Technik.
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2 eine perspektivische Ansicht eines Trägerelements einer Karosserie eines Personenkraftwagens mit einem ersten Trägerbereich und einem zweiten sich schräg zu erstreckenden Trägerbereich, welches durch ein Innenhochdruckumformen und Biegen bearbeitetes Hohlprofil gebildet ist, wobei das Hohlprofil in einem ersten Bearbeitungsschritt durch Biegen und in einem anschließenden Bearbeitungsschritt durch Innenhochdruckumformen bearbeitet ist.
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Während die 1 ein Trägerelement gemäß dem Stand der Technik zeigt, welches aus zwei einzelnen Bauteilen gebildet ist, zeigt die 2 im Gegensatz dazu ein einstückiges Trägerelement, welches verbesserte Eigenschaften bezüglich einer Montagetoleranz und eines Unfallverhaltens aufweist, wodurch Montagekosten reduzierbar und ein Unfallverhalten verbesserbar sind.
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Die 2 zeigt ein Trägerelement 20 einer Karosserie eines Personenkraftwagens, welches einen ersten Trägerbereich 22 und einen zweiten sich schräg dazu erstreckenden Trägerbereich 24 umfasst und welches durch zumindest ein bereichsweise durch Innenhochdruckumformen und durch Biegen bearbeitetes Hohlprofil gebildet ist, wobei vorgesehen ist, dass das Hohlprofil in einem ersten Bearbeitungsschritt durch Biegen und in einem anschließenden Bearbeitungsschritt durch Innenhochdruckumformen bearbeitet ist.
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Das Trägerelement 20 ist dabei aus einem Hohlprofil aus einem Stangpressprofil aus Aluminium gebildet, welches beispielsweise zunächst keinen gekrümmten Bereich aufweist. Zur Herstellung der in 2 gezeigten Form des Trägerelements 20 wird das Stangpresshohlprofil zunächst gebogen und in ein Innenhochdruckumformwerkzeug eingelegt. Idealerweise allerdings wird es in seiner Rohform in das Innenhochdruckumformwerkzeug eingelegt und mittels einer Schließbewegung des Innenhochdruckumformwerkzeugs gebogen, wodurch ein zusätzlicher Prozessschritt, nämlich der des Biegens, parallel zum Schließen des Innenhochdruckumformwerkzeugs durchgeführt wird, wodurch Herstellkosten reduzierbar sind.
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In beiden Fällen erfolgt das Innenhochdruckumformen anschließend an das Biegen, und insbesondere folgt das Innenhochdruckumformen insbesondere in einem Bereich einer Biegestelle 26, um dadurch durch das Biegen etwaig entstandene Eindrückungen und/oder Faltungen zu nivellieren.
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Zur Anbindung des Trägerelements 20 an einer Rohbaustruktur der Karosserie des Personenkraftwagens werden im Innenhochdruckumformprozess durch Stanzen mittels in das Innenhochdruckumformwerkzeug integrierter Stempel Durchbrüche 28, 30, 32, 34, 36, 38 und 40 in das Trägerelement eingebracht. Dadurch ist ein einstückiges, verzugsfreies und damit praktisch toleranzfreies Bauteil geschaffen, welches in unaufwendiger Art und Weise an die Rohbaustruktur der Karosserie des Personenkraftwagens angebunden werden kann. Das Trägerelement 20 kann dabei beispielsweise mittels des ersten Trägerbereichs 22 an eine A-Säule der Karosserie des Personenkraftwagens angebunden sein und mittels seines zweiten Trägerbereichs 24 einen Stoßfänger oder ein Stoßfängerelement der Karosserie des Personenkraftwagens halten.
