DE10333037B4

DE10333037B4 - Fahrzeugstrukturelement aus Leichtmetall

Info

Publication number: DE10333037B4
Application number: DE2003133037
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dipl.-Ing. Boldin; Anja Hölzl; Michael Scheydecker
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-07-21
Filing date: 2003-07-21
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2023-07-22
Also published as: DE10333037A1; WO2005012119A1

Abstract

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, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil über seine gesamte Länge einen im wesentlichen gleichen Querschnitt aufweist, aus einer Zink- oder Kupfer-basierten Aluminiumlegierung besteht und mit dem Schalenelement (1, 3) über Querrippen verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugstrukturelement aus Leichtmetall gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solches Strukturelement ist bereits aus der DE 195 18 946 A1 bekannt. Weiterer relevanter Stand der Technik zu Fahrzeugstrukturelementen findet sich in der DE 41 39 303 A1 und in der DE 42 13 130 A1 . In der EP 0 488 670 B1 ist eine Aluminiumlegierung offenbart.

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 A1 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 Verstärkungselement ein Strangpressprofil, wobei das Profil über seine gesamte Länge einen im wesentlichen gleichen Querschnitt aufweist aus einer Zink- oder Kupfer-basierten Aluminiumlegierung besteht 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 (Vibrationen, 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 Innengeometrie des Schalenelementes und die Außengeometrie des Verstär kungselementes einfach und damit kostengünstig zu gestalten. Darüber hinaus verringern die zwischen Schalenelement, Verstärkungselement und Querrippen vorhandenen Hohlräume das Gesamtgewicht des Strukturelementes.

Besonders vorteilhaft erweist sich die Verwendung von Rechteckprofilen aufgrund ihrer besonders einfach mittels Strangpressen herstellbaren Geometrie. Darüber hinaus weisen Rechteckprofile 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 beispielsweise eine AlMg₅Si₂Mn-Legierung, die Druckguss geeignet ist und darüber hinaus auch gut schweißbar, was spätere Reparaturen erleichtert. Für das Verstärkungselement sind Zink- und Kupfer-basierte Legierungen gemäß der europäischen Normen AA7xxx und AA2xxx, insbesondere AA7108 und AA7018, aufgrund ihrer hohen Festigkeit vorteilhaft. Geeignet ist aber auch eine Si-basierende Aluminiumlegierung nach AA6056. Diese Aluminium-Legierungen weisen außerdem eine hohe Duktilität 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 1 näher erläutert. Dabei zeigt:
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 Verstärkungselement 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 Al-Legierung nach der europäischen Norm AA6056.
Die druckgegossenen Schalenelemente 1, 3 sind circa 5 mm dick und weisen 5 mm dicke Querrippen auf, an denen das stranggepresste Verstärkungselement 2 mit rechteckigem Profil anliegt. Die Schalenelemente 1, 3 und das Verstärkungselement 2 wurden mittels Schweissen zusammengefügt.
Das Rechteckprofil des Verstärkungselementes 2 weist einem Querschnitt von 33 × 21 mm² auf und besitzt ein Widerstandsmoment von über 3500 mm3, also fast doppelt so groß, wie das übliche Verstärkungselement aus Stahl.
Eine derartige erfindungsgemäße A-Säule weist eine um nahezu 100 Prozent höhere Kraftaufnahme auf als die oben beschriebene 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 Ausführungsbeispiel ist das Verstärkungselement 2 aus einer Zink-basierten Al-Legierung gemäß der europäischen 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 Ausführungsbeispiel weist das Strukturelement nur ein einziges einteiliges Schalenelement 1 auf, in welches das Verstärkungselement 2 eingefügt 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

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, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil über seine gesamte Länge einen im wesentlichen gleichen Querschnitt aufweist, aus einer Zink- oder Kupfer-basierten Aluminiumlegierung besteht und mit dem Schalenelement (1, 3) über Querrippen verbunden ist.
Fahrzeugstrukturelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil ein Rechteckprofil ist.
Fahrzeugstrukturelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schalenelement (1, 3) und/oder das Verstärkungselement (2) aus einer hochfesten Al-Legierung besteht.