Trägerelement und Energieabsorptionselement
in Hybridbauweise für einen Kraftwagen
Die Erfindung betrifft ein Trägerelement in Hybridbauweise für einen Kraftwagen, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Zudem betrifft die Erfindung ein Energieabsorptionselement in Hybridbauweise für einen Kraftwagen, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 9.
Hybridbauweisen von Bauteilen für den Serienbau von Personenkraftwagen, bestehend aus einem Metallelement und einem Kunststoffelement, sind in einer Vielzahl von
Ausführungen bekannt. Zunächst wird dadurch eine Reduzierung des Gewichts des jeweiligen Bauteils mit den damit verbundenen Einsparungen im Hinblick auf den
Kraftstoffverbrauch erreicht. In Bezug auf Trägerelemente für den Aufbau des jeweiligen Kraftwagens können außerdem die Vorzüge beider Werkstoffe des Metallelements und des Kunststoffelements genutzt werden.
Ein Trägerelement in Hybridbauweise ist beispielsweise bereits aus der
DE 10 2009 042 272 A1 bekannt. Ein äußeres Trägerelement aus Metallblech ist dabei innenseitig durch eine, eine Mehrzahl von Rippen umfassende Verstärkungsstruktur aus
Kunststoff ausgesteift. Eine ähnliche Gestaltung ist auch der DE 20 2010 002 099 U1 zu entnehmen.
Aus der DE 10 2004 049 396 A1 ist des Weiteren ein Träger bekannt, welcher einen Grundkörper und eine innen liegende Kunststoffauskleidung aufweist, welche durch einen im Hohlraum des Grundkörpers angeordneten Folienkanal aus Kunststoff gebildet ist. Im Überdeckungsbereich mit dem Grundkörper liegt die Kunststoffauskleidung über den ganzen Flächenbereich an dem Grundkörper an.
Des Weiteren ist es bekannt, Energieabsorptionselemente zum Abbau von
unfallbedingten Kräften bei Kraftwagen in derartigen Hybridbauweisen zu gestalten. Als Beispiel hierfür sei die DE 197 17 473 B4 genannt, bei welcher innerhalb eines
rohrförmigen Metallelements ein ebenfalls rohrförmiges Kunststoffelement angeordnet ist. Im gegenseitigen Überdeckungsbereich liegt das rohrförmige Kunststoffelement mit seinem Außenumfang durchgängig am Innenumfang des rohrförmigen Metallelements an.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Trägerelement beziehungsweise ein Energieabsorptionselement der eingangs genannten Art zu schaffen, welches gewichts- und bauraumgünstig ausgebildet ist sowie bei einer unfallbedingten Beaufschlagung ein vorteilhaftes Verformungsverhalten aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein Trägerelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Energieabsorptionselement mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um ein Trägerelement der eingangs angegebenen Art zu schaffen, welches einerseits besonders gewichts- und bauraumgünstig ausgebildet ist und andererseits bei einer unfallbedingten Kraftbeaufschlagung ein besonders vorteilhaftes Verformungsverhalten aufweist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Metallelement und das
Kunststoffelement in einem überwiegenden Flächenbereich des Trägerelements aneinander anliegend ausgebildet und in wenigstens einem Flächenbereich des
Trägerelements unter Ausbildung einer Hohlkammer voneinander beabstandet sind.
Das Metallelement, welches insbesondere ein umgeformtes Metallblech ist, wird durch das an ihm großflächig anliegende Kunststoffelement bauraum- und gewichtsgünstig ausgesteift. Somit kann als Metallelement ein dünnwandiges Stahlblech, welches beispielsweise aus hochfestem Stahl oder aus Federstahl gebildet ist, verwendet werden, welches durch das Kunststoffelement verstärkt ist. Das Kunststoffelement ist dabei vorzugsweise als Kunststoffschicht und/oder Kunststofffolie ausgebildet, welche insbesondere eine zumindest im Wesentlichen einheitliche Schichtdicke aufweist. Durch die Verwendung des Metallelements weist das Trägerelement ein hohes
Energieaufnahmevermögen bei einem Unfall sowie ein duktiles Verhalten auf.
In demjenigen Flächenbereich, in welchem das Kunststoffelement und das Metallelement hohlprofilartig voneinander beabstandet sind, ist eine Art Kastenprofil geschaffen, wodurch der Verbund aus dem Kunststoffelement und dem Metallelement eine besonders hohe Struktursteifigkeit aufweist. Somit kann das Trägerelement unfallbedingte Kräfte
sehr gut an anderweitige Strukturbauteile weiterleiten bzw. für eine entsprechende Lastverteilung sorgen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich zur Realisierung eines nur sehr geringen Gewichts als vorteilhaft gezeigt, wenn das Metallelement als dünnwandiges Metallblech, insbesondere als dünnwandiges Stahlblech ausgestaltet ist. Hierdurch kann auch eine günstig lackierbare Außenseite des Trägerelements dargestellt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass das Kunststoffelement aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet ist. Durch einen derartigen Kunststoff ist ein sehr leichtes und besonders stabiles und steifes Kunststoffelement geschaffen.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass eine Faserverstärkung des
Kunststoffelements auf den an dem Metallelement anliegenden Flächenbereich und den wenigstens einen, die Hohlkammer bildenden Flächenbereich des Trägerelements abgestimmt ist. Eine derartige Abstimmung kann insbesondere vorsehen, dass
Faserlagen der Faserverstärkung beispielsweise in Richtung und Anzahl an bei einer unfallbedingten Kraftbeaufschlagung auftretenden Belastungen angepasst sind. So ist es beispielsweise denkbar, dass in demjenigen Flächenbereich, in dem die Hohlkammer gebildet ist, eine stabilere Faserverstärkung vorgesehen wird als im überwiegenden Flächenbereich, in welchem das Metallelement und das Kunststoffelement aneinander anliegen. Beispielsweise ist es auch möglich, im Flächenbereich der Hohlkammer mehr Fasern vorzusehen als im überwiegenden Flächenbereich des Trägerelements.
Das Trägerelement kann besonders vorteilhaft als Längsträgerelement oder als
Querträgerelement - insbesondere als Biegequerträger - des Kraftwagens verwendet werden. Gerade derartige Längsträgerelemente und/oder Querträgerelemente dienen zur Aufnahme und/oder zum Ableiten von unfallbedingten Lasten, um die Fahrgastzelle und somit Fahrzeuginsassen zu schützen. Hierbei kommen die Vorteile beider Werkstoffe des Metallelements und des Kunststoffelements zum Tragen, wobei durch das Metallelement eine vorteilhafte Duktilität und durch das Kunststoffelement eine hohe Steifigkeit des Trägerelements gewährleistet ist. Ferner kann das Metallelement mit einer geringen Materialdicke ausgebildet werden, wobei durch das Kunststoffelement eine hinreichende Verstärkung bzw. Aussteifung gewährleistet ist.
Um eine besonders hohe Festigkeit und Steifigkeit des Trägerelements zu schaffen, sieht eine weitere Ausführungsform vor, dass die Hohlkammer zumindest teilweise durch einen
Kunststoff ausgefüllt ist. Dadurch kann auch das Verformungsverhalten des
Trägerelements bedarfsgerecht eingestellt werden. Bei dem Kunststoff, mit welchem die Hohlkammer zumindest teilweise ausgefüllt ist, handelt es sich vorzugsweise um ein Schaumelement. Mit anderen Worten ist die Hohlkammer durch den Kunststoff gewichtsgünstig zumindest teilweise ausgeschäumt.
Das Trägerelement zeichnet sich des Weiteren dadurch aus, dass sich das
Kunststoffelement über das zumindest annähernd gesamte Trägerelement erstreckt, wodurch das Metallelement besonders großflächig ausgesteift ist.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass wenigstens ein Kabel, Kanal oder dergleichen Leitung in der Hohlkammer verlegt ist. Dadurch ist ein besonders hoher Integrationsgrad geschaffen, wobei die Hohlkammer zum einen zur Aussteifung und zum anderen zur verborgenen Aufnahme einer entsprechenden Leitung, beispielsweise für einen Sensor, genutzt wird.
Um ein Energieabsorptionselement für einen Kraftwagen zu schaffen, welches besonders gewichts- und bauraumgünstig ausgebildet ist und ein besonders vorteilhaftes
Unfallverhalten aufweist, ist es gemäß Anspruch 9 vorgesehen, dass das Metallelement und das Kunststoffelement in einem Flächenbereich des Energieabsorptionselements aneinander anliegend ausgebildet und in wenigstens einem Flächenbereich des
Energieabsorptionselements unter Ausbildung einer Hohlkammer voneinander beabstandet sind.
Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Trägerteil erläuterten
Ausgestaltungen und Vorteile gelten dabei auch für das erfindungsgemäße
Energieabsorptionselement.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht eines Trägerelements in
Hybridbauweise in Form eines Biegequerträgers für einen Personenkraftwagen;
Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht eines Trägerelements in
Hybridbauweise in Form eines Längsträgerelements für einen Personenkraftwagen;
Fig. 3 eine schematische Querschnittsansicht eines Trägerelements in
Hybridbauweise in Form eines Querträgerelements für einen Personenkraftwagen und
Fig. 4 eine schematische Querschnittsansicht eines Energieabsorptionselements in Hybridbauweise für einen Personenkraftwagen.
In Fig. 1 ist in einer schematischen Querschnittsansicht ein Trägerelement in Form eines Biegequerträgers 10 für einen Personenkraftwagen dargestellt. Der Biegequerträger 10 ist dabei in Hybridbauweise ausgestaltet und umfasst ein aus einem metallischen Werkstoff gebildetes Metallelement 12 sowie ein mit diesem verbundenes Kunststoffelement 14. Der Biegequerträger 10 ist beispielsweise einem Stoßfänger des Personenkraftwagens zugeordnet und erstreckt sich im montierten Zustand zumindest im Wesentlichen in Fahrzeugquerrichtung. Der Biegequerträger 10 dient insbesondere dazu, bei einer unfallbedingten Kraftbeaufschlagung - beispielsweise infolge eines Frontalaufpralls - unfallbedingte Lasten aufzunehmen und in Fahrzeuglängsrichtung dahinter angeordnete Strukturbauteile wie beispielsweise Längsträgerelemente des Personenkraftwagens abzuleiten bzw. zu verteilen.
Das Metallelement 12 ist in Fahrzeuglängsrichtung außenseitig angeordnet und durch ein dünnwandiges Metallblech, insbesondere aus Stahl oder Federstahl, geschaffen.
Alternativ wäre anstelle eines Stahls bzw. einer Stahllegierung natürlich auch eine anderweitige Metalllegierung, beispielsweise eine Aluminiumlegierung, denkbar. Durch das Metallelement 12 ist vorliegend ein offener Hohlquerschnitt gebildet, in welchem das Kunststoffelement 14 angeordnet ist. Das Kunststoffelement 14, welches als
Kunststoffschicht bzw. Kunststoffauflage mit zumindest im Wesentlichen gleich bleibender Schichtdicke ausgebildet ist, dient insbesondere zur Aussteifung des dünnwandigen Metallelements 12. Das Kunststoffelement 14 erstreckt sich dabei über die zumindest annähernd gesamte Höhe und Breite des Metallelements 12, so dass dieses im
Unterschied zu anderen Herstellungsverfahren nicht lediglich partiell, sondern großflächig mit dem Kunststoffelement 14 verbunden und durch dieses ausgesteift und verstärkt ist.
Dabei sind das Metallelement 12 und das Kunststoffelement 14 in einem überwiegenden Flächenbereich des Biegequerträgers 10 aneinander anliegend ausgebildet. Der überwiegende Flächenbereich wird vorliegend durch drei Flächenteilbereiche 16, 18, 20 gebildet. Zumindest in einem Teil dieser Flächenteilbereiche 16, 18, 20 erfolgt auch die Verbindung des Metallelements 12 mit dem Kunststoffelement 14. Eine solche
Verbindung kann beispielsweise durch Verkleben oder durch unmittelbares Aufbringen des Kunststoffelements 14 auf das Metallelement 12 realisiert sein.
In den Flächenteilbereichen 16, 18, 20 ist das Metallelement 12 durch das anliegende Kunststoffelemente 14 entsprechend verstärkt und weist beispielsweise eine sehr hohe Beulsteifigkeit auf. Dadurch ist ein besonders steifer Verbund aus dem Metallelement 12 und dem Kunststoffelement 14 geschaffen.
In weiteren Flächenbereichen 22, 24 sind das Metallelement 12 und das
Kunststoffelement 14 unter Ausbildung jeweiliger Hohlkammern 26, 28 voneinander beabstandet. Bezogen auf die Fahrzeughochrichtung ist dabei die Hohlkammer 26 in einem oberen Eckbereich 30 und die Hohlkammer 28 in einem unteren Eckbereich 32 des Biegequerträgers 10 gebildet. In einem in Fahrzeughochrichtung zwischen den
Eckbereichen 30, 32 angeordneten mittleren Bereich 34 liegt das Kunststoffelement 14 im Flächenteilbereich 18 am Metallelement 12 an.
Durch die Beabstandung des Kunststoffelements 14 vom Metallelement 12 in den weiteren Flächenbereichen 26, 28 sind somit Kastenprofile oder Profilelemente mit einem in Umfangsrichtung geschlossenen Querschnitt gebildet, welche sich zumindest im Wesentlichen in Fahrzeugquerrichtung erstrecken und eine sehr hohe Steifigkeit des Biegequerträgers 10 insbesondere in den weiteren Flächenbereichen 22, 24
gewährleisten. Die Hohlkammer 26 und die Hohlkammer 28 sind in
Fahrzeuglängsrichtung nach hinten und in Fahrzeughochrichtung nach unten durch das Kunststoffelement 14 begrenzt. In Fahrzeuglängsrichtung nach vorne und in
Fahrzeughochrichtung nach oben sind die Hohlkammern 26, 28 durch das Metallelement 12 begrenzt. Die Hohlkammern 26, 28 sind vorliegend durch einen Schaumstoff 35, 37, zumindest teilweise ausgefüllt, um beispielsweise die Festigkeit- bzw. Steifigkeit einzustellen und hierdurch das Verformungsverhalten des Biegequerträgers 10 bedarfsgerecht einzustellen.
Der Hohlkammer 26 und/oder 28 kann auch eine Doppelfunktion zukommen, und zwar nicht nur zur Aussteifung bzw. Verstärkung des Biegequerträgers 10, sondern auch als Aufnahmeräume für wenigstens eine Komponente des Personenkraftwagens genutzt werden. Bei einer solchen Komponente kann es sich beispielsweise um eine in Fig. 1 nicht dargestellte Leitung handeln. Eine solche Leitung kann beispielsweise dazu genutzt werden, einen Abstandssensor, welcher wie der Biegequerträger 10 in einem
Vorderwagenbereich des Personenkraftwagens angeordnet ist, mit einer
Stromversorgung zu verbinden und/oder mit einem Steuergerät des Personenkraftwagens zu koppeln, so dass das Steuergerät und der Abstandssensor Signale austauschen können. Somit können Kabel, Kanäle oder dergleichen Leitungen platzsparend und verborgen in den Hohlkammern 26, 28 angeordnet werden.
Fig. 2 zeigt in schematischer Querschnittsansicht eine weitere Ausführungsform eines Trägerelements in Form eines Längsträgerelements 36 in Hybridbauweise für einen Personenkraftwagen. Das Längsträgerelement 36 umfasst zwei jeweilige, aus einem metallischen Werkstoff gebildete Metallelemente 12, 12', welche jeweilige
Schalenelemente des Längsträgerelements 36 darstellen. Mit anderen Worten ist das Längsträgerelement 36 in Schalenbauweise ausgebildet, bei der die Metallelemente 12, 12' über jeweilige Verbindungsflansche 38, 40 miteinander verbunden sind.
Die Metallelemente 12, 12', weisen einen jeweiligen, offenen Hohlquerschnitt auf, in dem ein jeweiliges Kunststoffelement 14, 14' überwiegend angeordnet ist. Dabei ist das zum Metallelement 12 des Biegequerträgers 10 Geschilderte ohne weiteres auf die
Metallelemente 12, 12' des Längsträgerelements 36 übertragbar. Ebenso ist das zum Kunststoffelement 14 des Biegequerträgers 10 Geschilderte ohne weiteres auf die Kunststoffelemente 14, 14' des Längsträgerelements 36 übertragbar. Die jeweiligen Metallelemente 12, 12' und die jeweiligen Kunststoffelemente 14, 14' sind in einem überwiegenden Flächenbereich des Längsträgerelements 36 aneinander anliegend ausgebildet. Dieser überwiegende Flächenbereich setzt sich vorliegend zusammen aus Flächenteilbereichen 16, 18, 20, 46, 48, 50, 52, 53, 54 und 57. In weiteren
Flächenbereichen 22, 24, 56 sind die jeweiligen Metallelemente 12, 12' und die jeweils zugehörigen Kunststoffelemente 14, 14' unter Ausbildung jeweiliger Hohlkammern 26, 28, 58, 60, 62 voneinander beabstandet. Die Hohlkammern 28, 60 sind dabei in einem jeweiligen Eckbereich des Längsträgerelements 36 angeordnet, während die
Hohlkammern 26, 58 in einem Mittenbereich angeordnet sind.
Wie bei dem Querträgerelement 10 sind die dünnwandigen Metallelemente 12, 12' durch die Kunststoffelemente 14, 14' ausgesteift und verstärkt. Durch die Hohlkammern 26, 28, 60 sind jeweilige, sich in Längserstreckungsrichtung des Längsträgerelements 36 erstreckende Profilteile gebildet, welche zu einer besonders hohen Steifigkeit des Längsträgerelements 36 führen. In Einbaulage erstreckt sich das Längsträgerelement 36 zumindest im Wesentlichen in Fahrzeuglängsrichtung, so dass sich auch die durch die Hohlkammern 26, 28, 58, 60 gebildeten Profilteile in Fahrzeuglängsrichtung erstrecken. Auch die Hohlkammern 26, 28, 58, 60 sind vorliegend vollständig mit einem jeweiligen Kunststoff 35, 37, 39, 41 ausgefüllt.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Trägerelements in Form eines
Querträgerelements 70 für einen Personenkraftwagen, der vorliegend an einem
Fahrzeugboden 72 des Personenkraftwagens über jeweilige Verbindungsflansche 38, 40 angebunden ist. Bei dem Querträgerelement 70 kann es sich beispielsweise um einen Sitzquerträger handeln. Auch das Querträgerelement 70 ist in Hybridbauweise
ausgebildet und umfasst ein Metallelement 12 sowie ein Kunststoffelement 14. Das Kunststoffelement 14 und das Metallelement 12 sind in einem überwiegenden
Flächenbereich des Querträgerelements 70 aneinander anliegend ausgebildet, wobei sich dieser überwiegende Flächenbereich aus Flächenteilbereichen 16, 18, 20, 46, 48, 50, 52 zusammensetzt. In weiteren Flächenbereichen 22, 24 sind das Metallelement 12 und das Kunststoffelement 14 unter Ausbildung einer jeweiligen Hohlkammer 26, 28 voneinander beabstandet. Die jeweiligen Hohlkammern 26, 28 sind vorliegend vollständig durch einen Kunststoff 35, 37, insbesondere einen Schaumstoff, ausgefüllt.
Die Kunststoffelemente 14, 14' sind dabei vorzugsweise mit einer Faserverstärkung, welche in den Fig. nicht erkennbar ist, versehen, die in einer Faserlage an die jeweiligen Belastungen angepasst ist. So ist es beispielsweise denkbar, in den beabstandeten Flächenbereichen 22, 24, 56, 59 eine größere Anzahl an Fasern einzusetzen als in den Flächenteilbereichen 16, 18, 20, 46, 48, 50, 52, 53, 54, 57, in welchen das
Kunststoffelement 14 bzw. 14' den sandwichartigen, anliegenden Verbund mit dem Metallelement 12 bzw. 12' oder mit dem Metallelement 68, 68' bildet.
Bevorzugter Weise kommen als Fasern solche aus Karbon bzw. Kohlenstoff, Glas oder Aramid zum Einsatz. Der Kunststoff der Kunststoffelemente 14, 14' dient dabei als Matrix, in die die Fasern der Faserverstärkung zumindest teilweise eingebettet sind. Als
Kunststoff wird hierbei beispielsweise ein Duroplast oder Duromer verwendet.
Fig. 4 zeigt ein Energieabsorptionselement 66, auf welches die beschriebene
Hybridbauweise angewendet ist. Dabei umfasst das Energieabsorptionselement 66 zwei jeweilige Metallelemente 68, 68' und jeweilige Kunststoffelemente 14, 14', welche in einem vorzugsweise überwiegenden Flächenbereich des Energieabsorptionselements 66 aneinander anliegend ausgebildet sind. Dieser überwiegende Flächenbereich wird dabei durch Teilflächenbereiche 16, 18, 20, 46, 48, 50, 52, 53 gebildet. Dadurch können die Metallelemente 68, 68' mit einer nur geringen Materialdicke und somit gewichtsgünstig ausgestaltet werden und sind durch die Kunststoffelemente 14, 14' verstärkt. Die mit den Kunststoffelementen 14, 14' versehenen Metallelemente 68, 68' sind über jeweilige Verbindungsflansche 38, 40 miteinander verbunden.
In weiteren Flächenbereichen 22, 24, 56, 59 sind die Metallelemente 68, 68' wiederum unter Ausbildung jeweiliger Hohlkammern 26, 28, 58, 60 voneinander beabstandet, welche vollständig mit einem jeweiligen Kunststoff ausgefüllt sein können.
In an der Karosserie des Personenkraftwagens angebundenem Zustand erstreckt sich das Energieabsorptionselement 66 zumindest im Wesentlichen in Fahrzeuglängsrichtung und dient insbesondere dazu, Aufprallenergie unter Verformung in Verformungsenergie umzuwandeln. Dabei kann beispielsweise der Biegequerträger 10 über zwei in
Fahrzeugquerrichtung voneinander beabstandete Energieabsorptionselemente 66 an jeweiligen Längsträgerelementen 36 angebunden sein.