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Die Erfindung betrifft ein Karosseriebauteil für einen Kraftwagen nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Beim Kraftwagenbau finden aus Gründen der Gewichtseinsparung und Eigenschaftsoptimierung zunehmend so genannte Hybridkarosserien Anwendung. Diese bestehen abschnittsweise aus unterschiedlichen Materialien, wie beispielsweise Stahl und Aluminium. Dies wird heutzutage derart realisiert, dass die Übergänge zwischen den unterschiedlichen Materialien mit den jeweiligen Bauteilgrenzen zusammen fallen. Beispielsweise werden Seitenwände aus Aluminium mit Bodengruppen aus Stahl kombiniert, um so einerseits ein geringes Gewicht der Gesamtkarosserie zu realisieren, andererseits durch die besonders feste Stahl-Bodengruppe eine crashresistente Fahrgastzelle zu schaffen.
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Das Zusammenfallen von Materialübergängen und Bauteilgrenzen führt jedoch auch zu Problemen. So sind die für die unterschiedlichen Bauteile verwendeten Materialien oftmals nur schwer zu fügen. Dies gilt insbesondere für Stahl und Aluminium, die nur unter Verwendung aufwendiger Schweißverfahren miteinander verschweißbar sind. Die alternative Verwendung von formschlüssigen Fügelementen, wie beispielsweise Nieten, zum Verbinden von Stahlbauteilen mit Aluminiumbauteilen ist zwar in der Durchführung einfacher, benötigt jedoch vergleichbar deutlich mehr Arbeitsschritte, so dass auch hier die Herstellung derartiger Hybridkarosserien besonders teuer ist. Aufgrund der elektrochemischen Eigenschaften der unterschiedlichen Metalle ist zudem oftmals eine aufwändige galvanische Trennung zwischen den unterschiedlichen Bauteilen notwendig, um elektrochemische Kontaktkorrosion zu vermeiden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Karosseriebauteil nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bereitzustellen, welches eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung von Hybridkarosserien für Kraftwagen ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Karosseriebauteil mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.
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Ein derartiges Karosseriebauteil für einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen, ist aus einem Verbundblech, insbesondere einer maßgeschneiderten Platine gefertigt. Dieses weist wenigstens zwei flächige Teilbereiche aus unterschiedlichen Metalllegierungen auf. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Karosseriebauteil einen randständigen Teilbereich aus einem Stahl und einen weiteren Teilbereich aus einer Aluminiumlegierung umfasst.
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Da im Gegensatz zu üblichen Hybridkarosserien eine aus derartigen Karosseriebauteile aufgebaute Karosserie nicht notwendigerweise Materialübergänge im Bereich der Bauteilgrenzen, sondern vielmehr innerhalb der einzelnen Karosseriebauteile selbst aufweist, ist ein wesentlich größerer Gestaltungsspielraum bei der Gewichts- und Funktionsoptimierung von Karosseriebauteilen gegeben. Der randständige Teilbereich aus Stahl ermöglicht ein einfaches Fügen des Karosseriebauteils mit benachbarten Stahlbauteilen, ohne dass Hybrid-Fügeverbindungen notwendig sind. Vielmehr können einfache konventionelle Schweißtechniken Anwendung finden, welche wesentlich prozesssicherer und kostengünstiger durchgeführt werden können als Hybrid-Fügeverfahren. Damit können überwiegend aus Aluminium bestehende Leichtbaukarosseriebauteile problemlos an Stahlbauteile einer Karosserie angebunden werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Karosseriebauteil als vorderer Längsträger ausgebildet. Der vordere Längsträger kann daher besonders leicht ausgebildet werden und dennoch einfach mit Stahlbauteilen gefügt werden. Vorzugsweise ist hierzu der randständige Teilbereich als Anbindungsbereich für eine Stirnwand und/oder ein weiteres Trägerteil der Karosserie ausgebildet. Damit kann ein derartiger vorderer Aluminium-Längsträger mit üblichen Schweißverfahren mit der Stirnwand oder beispielsweise einem Längsträger im Bodenbereich des Kraftwagens verbunden werden, ohne dass die Gefahr von Kontaktkorrosion auftritt oder aufwändige Fügeverfahren notwendig sind.
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Der weitere Teilbereich kann in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zudem einen Anbindungsbereich für einen Dämpferdom umfassen. Auch hier wäre der Dämpferdom dann vollständig aus Stahl ausgebildet, während der leichte Aluminiumträger über seinen Stahlrandbereich problemlos mit dem Dämpferdom gefügt werden kann. Der Aluminiumbereich kann jedoch den Dämpferdom mit einschließen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das Karosseriebauteil zwei gegenüber liegende randständige Teilbereiche aus einem Stahl und einem mittigen Teilbereich aus einer Aluminiumlegierung auf. Dies ermöglicht das problemlose beidseitige Fügen eines derartigen, überwiegend aus Aluminium bestehenden Leichtbauteils mit benachbarten Stahlbauteilen.
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Derart ausgebildete Karosseriebauteile können beispielweise als Bestandteile des Hinterwagens einer Kraftwagenkarosserie Anwendung finden. Das Karosseriebauteil kann dabei als Blechschale eines Kompensationsträgers, eines Hinterachsquerträgers oder eines Fondsitzquerträgers ausgebildet sein. Alle diese Teile profitieren vom geringen Gewicht des aus Aluminium gefertigten Mittenbereiches. Über den randständigen Teilbereich kann die Anbindung der jeweiligen Trägerbauteile an seitliche Längsträger mit konventionellen Schweißverfahren erfolgen. In einer derartigen Heckwagenstruktur ist vorzugsweise der Heckboden des Kraftwagens aus einem Aluminiumblech ausgebildet. Um auch hier eine problemlose, bezüglich des Werkstoffes homogene Fügeverbindung zu ermöglichen, weist der mittlere Teilbereich eines derart ausgebildeten Kompensationsträgers, Hinterachsquerträgers oder Fondsitzquerträgers einen Anbindungsbereich für diesen Heckboden auf. Auch hier können konventionelle Schweiß- oder Nietverfahren verwendet werden, ohne dass besondere Maßnahmen zur Herstellung von Hybridfügeverbindungen getroffen werden müssen. Insbesondere muss keine Rücksicht auf mögliche elektrochemische Korrosion getroffen werden, da alle Fügeverbindungen derart ausgebildeter Träger zwischen gleichartigen Materialien gebildet sind.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können solche Karosseriebauteile auch Anwendung für ein Dach eines Kraftwagens finden. Das Karosseriebauteil kann dabei als Blechschale eines Dachspriegels, eines vorderen oder eines hinteren Dachrahmens ausgebildet sein. Dies ermöglicht die einfache Fertigung von Leichtbaudächern, die an Stahlbauteilen einer Karosserie befestigt werden sollen. Auch hier erfolgt die Befestigung des Daches über die aus Stahl bestehenden Randbereiche der genannten Spriegel bzw. Rahmenbauteile, so dass konventionelle Fügeverfahren Anwendung finden können. Der Mittenbereich dient dagegen der Anbindung eines Dachbleches aus Aluminium, so dass auch hier bezüglich des Werkstoffes homogene Fügeverbindungen vorliegen und keine elektrochemische Korrosion auftritt.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Karosserie für einen Personenkraftwagen mit einer Mehrzahl von Karosseriebauteilen der beschriebenen Art. Derartige Hybridkarosserien zeichnen sich dadurch aus, dass die Materialübergänge zwischen den unterschiedlichen Werkstoffen in der Karosserie im Wesentlichen frei gewählt werden können.
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Vorzugsweise besteht bei einer derartigen Karosserie ein Vorbau der Kraftwagenkarosserie, welcher sich im Wesentlichen von einem Dämpferdom bis zu einem Biegequerträger erstreckt, zumindest im Wesentlichen aus einer Aluminiumlegierung. Gleiches gilt für eine Hinterwagenstruktur, welches sich von einem Fondsitzquerträger bis zum Heck der Karosserie erstreckt. Auch ein oberer Bereich, welcher ein Dach, die A-Säulen und C-Säulen bis etwa auf Höhe einer Bordwandkante sowie die B-Säulen bis etwa auf Höhe einer Säulenwurzel umfasst, ist vorzugsweise zumindest überwiegend aus einer Aluminiumlegierung gefertigt. Der restliche Teil des Kraftwagens, also insbesondere der Bodenbereich, die Stirnwand, die Heckwand und der A-Säulen – sowie C-Säulenbereich bis auf Höhe der Bordwandkante besteht dagegen aus Stahl, so dass die beschriebene Karosserie eine besonders feste Fahrgastzelle aufweist und dennoch aufgrund des hohen Aluminiumanteils besonders leicht ist. Die Materialgrenzen können aufgrund der Verwendung der beschriebenen Karosseriebauteile dabei mit Hinblick auf Steifigkeit, Crashfestigkeit und Gewicht, sowie gegebenenfalls anderen Strukturen und funktionellen Kriterien frei gewählt werden.
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Bei allen geschilderten Karosseriebauteilen sowie der gesamten Karosserie verlaufen die einzigen Hybrid-Fügeverbindungen innerhalb der maßgeschneiderten Platinen, die zur Herstellung der Karosseriebauteile verwendet werden. Die Hybrid-Fügeverbindungen werden dabei bereits bei der Herstellung der Platine selbst, also im unverformten Zustand der jeweils verwendeten Bleche eingebracht, so dass eine besonders gute Prozessführung und Qualitätskontrolle der Schweißnähte möglicht ist.
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Aufgrund der hohen Schweißnahtqualität und der fehlenden Überlappung der Bleche tritt im Bereich dieser Nähte keine Kontaktkorrosion auf. Kontaktkorrosion ist üblicherweise lediglich im Bereich von Überlappungsflanschen ein Problem, die jedoch bei einer hier beschriebenen Karosserie nur zwischen gleichartigen Werkstoffen auftreten, so dass keine aufwändigen Abdichtmaßnahmen oder dergleichen notwendig sind.
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Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
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1 Bestandteile einer Vorderwagenstruktur einer Kraftwagenkarosserie mit Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Karosseriebauteile;
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2 Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Karosseriebauteile, die als Blechschalen für Längsträger einer unteren Längsträgerebene eines Karosserievorbaus ausgebildet sind;
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3 Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Karosseriebauteile, die als Blechschalen für Längsträger einer oberen Längsträgerebene eines Karosserievorbaus ausgebildet sind;
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4 Bestandteile eines Kompensationsträgers nach dem Stand der Technik;
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5 Bestandteile eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kompensationsträgers;
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6 mehrere als Querträger eines Hinterwagens ausgebildete erfindungsgemäße Karosseriebauteile;
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7 Bestandteile eines als Fondsitzquerträgers ausgebildeten erfindungsgemäßen Karosseriebauteils;
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8 Bestandteile eines bei einem Fahrzeugdach als Dachspriegel und Dachrahmen ausgebildeten erfindungsgemäßen Karosseriebauteilen;
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9 die Blechschalen von Dachspriegels und Dachrahmen gemäß 8 und
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10 den Verlauf der Materialübergänge in einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftwagenkarosserie.
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1 zeigt die Bauteile einer Vorbaustruktur für eine Kraftwagenkarosserie. Die Vorbaustruktur umfasst eine Stirnwand 10, an welcher sich vordere Längsträger 12 anschließen. An diese angebunden sind die Federbeindome 14 der Karosserie. Die vorderen Längsträger 12 sind hierbei als Hybridstrukturen ausgebildet, deren vorderer Bereich 16 bis zu einer Trennlinie 18 aus Aluminium besteht. Der hintere Bereich 20 der Längsträger 12 ist dagegen aus Stahl gefertigt und kann mit üblichen Schweißverfahren an die ebenfalls aus Stahl gefertigte Stirnwand 10 angebunden werden. Die Federbeindome 14 sind aus Aluminium ausgebildet, so dass die gesamte Vorbaustruktur besonders leicht ist. Auch zusätzliche Stärkungsschalen 22, 24 weisen jeweilige Trennlinien 18 auf und bestehen aus einem vorderen Bereich 16 aus Aluminium und einem hinteren Bereich 20 aus Stahl. Insgesamt wird so eine besonders leichte Vorbaustruktur geschaffen, die dennoch problemlos über den hinteren Bereich 20 an die stählerne Stirnwand 10 bzw. an andere Trägerelemente aus Stahl angebunden werden kann.
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Auch die in 2 gezeigten Blechschalen 26, 28 für Längsträger der unteren Längsträgerebene des Kraftwagensvorbaus weisen eine entsprechende Hybridstruktur auf. Auch hier ist in Fahrzeuglängsrichtung ein vorderer Bereich 16 aus Aluminium und ein hinterer Bereich 20 aus Stahl ausgebildet. Die Blechschalen 26, 28, die den fertigen Karosserielängsträger der unteren Längsträgerebene des Kraftwagenvorbaus bilden, sind daher einerseits besonders leicht, können jedoch andererseits besonders stabil mit konventionellen Schweißverfahren an die Stirnwand 10 bzw. eine ebenfalls aus Stahl bestehende Bodengruppe angebunden werden.
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Gleiches gilt für die Blechschalen der Längsträger der oberen Längsträgerebene des Kraftwagenvorbaus, die in 3 dargestellt sind. Auch diese Blechschalen 30, 32 sowie 34, 36, die paarweise jeweils einen Längsträger der oberen Längsträgerebene des Kraftwagenvorbaus ausbilden, weisen die Hybridstruktur auf, wie bereits geschildert wurde. Eine Trennlinie 18 grenzt einen vorderen Bereich 16 aus Aluminium sowie einen hinteren Bereich 20 aus Stahl voneinander ab. Auch hier gelten die genannten Vorteile.
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Alle geschilderten Bauteile können in Form von sogenannten Tailored-Blanks bereitgestellt werden. Hierbei handelt es sich um flächige Hybridhalbzeuge, die abschnittsweise aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Diese werden dabei vor dem Umformen der Hybridhalbzeuge gefügt, was beispielsweise durch Reibrührschweißen oder Kaltmetalltransferschweißen geschehen kann. Erst nach dem Fügen wird durch Ziehen, Walzen oder dergleichen umgeformt. Durch das Fügen des Aluminiumbereichs 16 mit dem Stahlbereich 20 im unverformten Zustand werden besonders gute Schweißnähte erhalten.
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Das geschilderte Konzept kann auch für die Hinterbaustruktur des Kraftwagens Verwendung finden. Ein wichtiger Bestandteil einer solchen Hinterbaustruktur ist der im Ganzen mit 38 bezeichnete Kompensationsträger, der insbesondere zur Torsionsversteifung des Heckwagens dient. Wie in 4 gezeigt, ist eine solcher Kompensationsträger nach dem Stand der Technik als mehrteilige Blechkonstruktion aus einem mittleren Blechprofil 40, zwei im Bereich der Radkästen an der Restkarosserie befestigten Randteilen 42 sowie Übergangsteilen 44 gefertigt. Nach dem Stand der Technik bestehen alle diese Teile 40, 42, 44 aus Stahl.
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Um einen besonders leichten Kompensationsträger 38 zu schaffen, kann auch hier eine Hybridbauweise angewendet werden. Hierzu werden die Übergangsteile 44 als Hybridbleche gefertigt. Auch hier verläuft der Materialübergang zwischen Aluminium und Stahl entlang einer Trennlinie 18. Ein innerer Bereich 16 der Übergangsbauteile 44 ist Aluminium, der äußere Bereich 20 aus Stahl gefertigt. Dies ermöglicht ein einfaches Fügen mit dem Mittelblech 40, welcher hier ebenfalls aus Aluminium gefertigt ist. Die Randteile 42 sind dagegen aus Stahlblech hergestellt. Gegebenenfalls kann ein solcher Kompensationsträger 38 auch aus einem einteiligen Hybridblech hergestellt werden, wobei die Lage des Materialübergangs 18 identisch zur in 5 gezeigten mehrteiligen Variante ist. Auch eine zweiteilige Ausführung, bei welchem Kompensationsträger entlang der mittigen Trennlinie 46 getrennt ist, ist vorstellbar. Toleranzausgleich kann dabei an der mittigen Trennung erfolgen. Ein derartiger Kompensationsträger 38 kann in einer Hinterbaustruktur mit einem Heckboden aus Aluminium, der im Mittenteil 40 angebunden wird, Anwendung finden. Über die Zwischenteile 44 kann eine Anbindung an ebenfalls aus Aluminium bestehende hintere Längsträger stattfinden, während die Randbauteile 42 eine Anbindung an eine ansonsten aus Stahl gefertigte Karosserie ermöglichen. Damit kann eine besonders leichte Heckbodenstruktur geschaffen werden.
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Zur weiteren Gewichtseinsparung kann auch der in 6 gezeigte Fondquerträger 50 und die beiden Hinterachsquerträger 52, 54, in der beschriebenen Hybridbauweise hergestellt werden. Auch hier zeigt die strichlierte Linie 18 jeweils den Materialübergang zwischen äußeren Stahlbereichen 20 und einem mittigen Aluminiumbereich 16 an. Auch hier ist eine Verbindung des Hinterachsquerträgers 48 mit einem Heckboden aus Vollaluminium problemlos möglich.
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7 zeigt schließlich einen unterhalb des Fondsitzes angeordneten Querträger, der ebenfalls in der geschilderten Hybridbauweise ausgeführt ist. Der insgesamt mit 55 bezeichnete Querträger besteht aus zwei Blechen 56, 58 sowie zwei Verstärkungsteilen 60. Auch hier geben die Trennlinien 18 den Verlauf des Materialübergangs zwischen einem Mittenbereich 16 aus Aluminium und den aus Stahl bestehenden Randbereichen 20 an. Auch hier ist eine Verbindung mit einem Heckboden aus Vollaluminium ohne Hybridfügenähte möglich, während über die Randbereiche 20 ein Fügen des Fondsitzquerträgers 55 mit einer Stahlkarosserie ermöglicht ist.
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Neben dem Vorder- und Hinterwagen kann ein Kraftwagendach in der geschilderten Hybridbauweise geschaffen werden. Die Bauteile eines solchen Dachs sind in 8 dargestellt. Die Dachbeplankung 62 besteht dabei vollständig aus Aluminium, während die Blechschalen 64, 66 des vorderen Dachrahmens, die Blechschalen 68, 70 des hinteren Dachrahmens sowie der Dachspriegel 72 in Hybridbauweise ausgeführt sind, wobei auch hier die gestrichelten Linien 18 die Materialgrenzen zwischen einem Mittenbereich 16 aus Aluminium und einem Randbereich 20 aus Stahl angeben. Ein solches Dach ist aufgrund des hohen Aluminiumanteils besonders leicht, kann jedoch auch hier ohne Hybridfügenähte mit einer Stahlkarosserie verbunden werden.
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9 zeigt noch einmal im Detail die Blechbauteile 64, 70 und 72 für Dachrahmen und Dachspriegel.
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Insgesamt lässt sich, wie in 10 gezeigt, durch die Verwendung von Hybridbauteilen der geschilderten Art eine insgesamt mit 74 bezeichnete Kraftwagenkarosserie schaffen. Die Karosserie 74 ist als Aluminium-Stahl-Hybrid ausgebildet, wobei die Materialgrenzen auch hier innerhalb einzelner Karosseriebauteile verlaufen. Für die gesamte Karosserie 74 verläuft die Materialtrennung entlang der strichlierten Linien 76. Eine Plattform 78 bildet den unteren Bereich der Karosserie 74 und ist aus Stahl gefertigt. Die Materialgrenze 76 zu einem aus Aluminium gefertigten Oberbau 80 verläuft etwa in Höhe der Bordwandkante durch die A-Säulen 81 sowie auf Höhe der Bordwandkante durch die C-Säulen 82, erstreckt sich im mittleren Bereich des Kraftwagens jedoch nach unten bis auf Höhe einer Säulenwurzel 84 der B-Säulen 86. Eine derartige Karosserie 74 weist daher ein besonders gutes Stabilitäts- und Crashverhalten auf, da die Festigkeit durch den Stahlunterbau 78 gewährleistet wird. Durch den im Falle eines Crashs nicht wesentlich beanspruchten Oberbau 80, der im Wesentlichen aus Aluminium ausgebildet ist, wird jedoch das Gesamtgewicht der Karosserie 74 verringert. Neben dem Oberbau 80 können auf bereits geschilderte Weise auch ein Vorderwagen 88 sowie ein Heckwagenbereich 90 in Leichtbauweise gefertigt werden.
