DE102009055010A1

DE102009055010A1 - Dachanordnung

Info

Publication number: DE102009055010A1
Application number: DE200910055010
Authority: DE
Inventors: Christiaan Theodorus Wilhelmus Lahaije; Willem Dirk Theodoor Spanjer; Jürgen Wilhelmus Vrenken
Original assignee: Aleris Aluminum Duffell BVBA
Current assignee: Aleris Aluminum Duffell BVBA
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2009-12-18
Publication date: 2011-06-22
Also published as: DE102009055010A8

Abstract

Dachanordnung an einer Karosserie eines Kraftfahrzeugs, mit einem Dachrahmen (1), einer Dachaußenhaut (2) und zumindest einem Zusatzteil (3), wobei die Dachaußenhaut (2) und das Zusatzteil (3) aus einem Leichtmetall und der Dachrahmen (1) aus Stahl hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Zusatzteil (3) nur abschnittsweise im Randbereich der Dachaußenhaut/des Dachrahmens angebracht ist und durch das Zusatzteil (3) die Materialdicke der Dachanordnung in diesen Bereichen erhöht wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dachanordnung an der Karosserie eines Kraftfahrzeugs, die einen Dachrahmen, eine Dachaußenhaut und zumindest ein Zusatzteil aufweist, wobei die Dachaußenhaut und das Zusatzteil aus einem Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung und der Dachrahmen aus Stahl hergestellt sind.
Wenn eine Dachanordnung an der Karosserie eines Kraftfahrzeugs, bei der der Dachrahmen aus Stahl und die Dachaußenhaut aus einem Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung, beispielsweise aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung, hergestellt ist, die Lackierstrasse passiert, treten in der Dachaußenhaut, insbesondere während des Schritts des Lackeinbrennens, Spannungen auf. Dies resultiert daher, dass das Leichtmetall einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der Stahl aufweist. Problematisch ist es jedoch, wenn diese Spannungen die Dehngrenze des Materials übersteigen. Dann bleiben nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur plastische Verformungen in der Dachaußenhaut zurück. Diese lokalen plastischen Verformungen resultieren in Verzug bzw. Beulen in der Dachaußenhaut der Karosserie, welche nicht erwünscht ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Dachanordnung an einer Karosserie eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, welche die lokalen Spannungen über einen größeren Bereich verteilt, um so die lokalen plastischen Verformungen zu verhindern.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich hinsichtlich der Dachanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen.
Bei Kraftfahrzeugen ist es bekannt, die selbsttragende Karosserie nicht ausschließlich aus Stahl, sondern in einer Mischbauweise zu fertigen. Bei dieser Mischbauweise werden die Karosseriestruktur aus Stahlblech und die Karosseriebeplankung aus beispielsweise Aluminiumblech hergestellt. Dadurch wird eine Gewichtsreduzierung für den Personenkraftverkehr erreicht, der eine Verbesserung der Fahrdynamik sowie eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs bewirkt. Die Mischbauweise kann jedoch problematisch sein, da Stahlbauteile mit Leichtmetallbauteilen verbunden werden müssen. Daher beschäftigt sich der Stand der Technik vor allem mit verbesserten Verbindungstechniken zwischen einem Fahrzeugdach aus Leichtmetall und einem Fahrzeugrahmen aus Stahl, welche ebenfalls die unterschiedliche Dehnung der verschiedenen Materialien berücksichtigen.
Aus der DE 10 2004 019 818 B4 ist eine Dachanordnung an der Karosserie eines Kraftfahrzeuges bekannt, wobei die feste Verbindung zwischen der Dachaußenhaut und dem Dachrahmen durch eine kehlförmige Lötverbindung zwischen der Dachaußenhaut und dem Abschnitt des Dachrahmens gebildet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann am Dachrahmen zumindest eine Halteschiene (aus Stahlblech) befestigt sein, welche die Dachaußenhaut relativ zum Dachrahmen hält. Diese Haltschiene bewirkt bei der Herstellung der Lötverbindung eine zusätzliche Wärmeableitung in den Dachrahmen hinein, die vorteilhaft einem thermischen Verzug der Dachaußenhaut entgegenwirkt.
Die Druckschrift EP 1 580 102 A1 zeigt ein Montageverfahren für ein Aluminiumdach auf die Seitenwände eines Kraftfahrzeuges, wobei ein L-förmiges Aluminium- oder Aluminiumlegierungsprofil zwischen Aluminiumdach und Seitenwand eingebracht wird, wobei der eine Schenkel des Profils am Rand des Aluminiumdaches fixiert wird und der zweite Schenkel des Profils am Flansch einer Seitenwand fixiert wird, so dass der Stahlrahmen mit dem Aluminiumdach verbunden ist. Durch diese Profile ist es möglich sich von den Dehnungsunterschieden zwischen Aluminium und Stahl unabhängig zu machen und so das Risiko von Deformationen im Autodach, insbesondere während des Durchlaufens der Kataphorese und der Trocknung, zu verringern.
Die DE 199 39 978 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Dachaufbaus eines Fahrzeuges in Mischbauweise, bei dem zunächst ein Fahrzeugrahmen mit einer Dachöffnung hergestellt wird, die dann mit einem Dachelement verschlossen wird. Dabei wird vor dem Verschließen der Dachöffnung ein Dachelementträger aus Stahl dauerhaft an dem Fahrzeugrahmen befestigt, wobei der Dachelementträger einen die Dachöffnung umgebenden Dachrahmen bildet. Das Leichmetall-Dachelement wird vorteilhafterweise mit dem Dachelementträger verklebt, wobei durch eine gezielte Auswahl des Klebestoffes ein unterschiedliches Wärmedehnungsverhalten des Dachrahmens und des Dachelements teilweise ausgeglichen werden kann.
Die EP 2 030 877 offenbart ein Fahrzeuggestell mit einem Grundgerippe aus Metall sowie einem festliegenden, für die Montage aber modularen Dachelement aus einem anderen Werkstoff, wobei die beiden Komponenten durch Klebeverbindungen aneinander angeschlossen sind, wobei eine Komponente mit einem hervorstehenden Formelement in eine entsprechend geformte rinnen- oder nutartige Einformung der anderen Komponente eingreift und zwischen diesen Teilen ein spaltartiger Raum gebildet ist, der eine entsprechend geformte Schicht als Klebekörper aus der Klebeverbindung enthält. Die mit dem Grundgerippe geometrisch formschlüssig verklebte Verbindung gewährleistet die Kompensation eines Wärmeunterschieds zwischen verschiedenen Materialien und Komponenten.
Die EP 1 953 072 offenbart eine Schweißanordnung um ein Aluminiumdach mit einem Dachrahmen aus Stahlblech zu verbinden, wobei der Dachrahmen aus drei Platten besteht. Die äußere Platte besteht aus verzinktem Stahl, und die Aussteifung (bzw. die mittlere Platte) und die innere Platte ist aus nicht verzinktem Stahl. Die Platten werden wechselseitig so angeordnet, dass zum einen das Aluminiumdach mit dem Zwischenstück und das Zwischenstück mit dem Stahlrahmen verschweißt werden kann.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich jedoch insbesondere mit dem Problem der Lackeinbrennreaktion einer Anordnung aus einem Leichtmetalldach und einer Stahlrohkarosserie. Wenn ein Leichtmetalldach auf einer Stahlkarosserie angebracht ist, wobei diese Anordnung später lackiert und der Lack eingebrannt wird, ergeben sich Spannungen im Leichtmetalldach aufgrund der Tatsache, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient von beispielsweise Aluminium doppelt so hoch ist wie der von Stahl. Wenn diese Spannungen die Dehngrenze des Leichmetalls überschreiten, entstehen plastische Verformungen nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur. Diese lokalen plastischen Verformungen resultieren in einem Verzug bzw. in Beulen des Leichtmetalldaches, welches für den Kunden nicht akzeptabel ist. Daher ist es Aufgabe der Erfindung, diese lokalen Verformungen zu reduzieren oder zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Patentansprüchen entnehmbar. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die o. g. lokalen Spannungen über eine größere Fläche des Daches verteilt werden, um die plastische Verformung zu reduzieren. Dies wird dadurch erreicht, dass die Dicke des Leichtmetallmaterials erhöht wird. Da die Spannungen nur örtlich auftreten, ist es ausreichend, nur örtlich die Dicke des Materials zu erhöhen.
Erfindungsgemäß wird eine Dachanordnung vorgeschlagen, welche an einer Karosserie eines Kraftfahrzeugs vorhanden ist und einem Dachrahmen, eine Dachaußenhaut und zumindest einem Zusatzteil aufweist. Somit handelt es sich bei dieser Dachanordnung um eine dreischichtige Anordnung aus Dachrahmen, Dachaußenhaut und Zusatzteil, welche jedoch nur abschnittsweise im Randbereich der Dachaußenhaut bzw. des Dachrahmens vorgesehen ist. Das Zusatzteil bewirkt vorzugsweise eine lokale Versteifung der Dachaußenhaut an bestimmten, kritischen Bereichen. Bei der erfindungsgemäßen Dachanordnung sind die Dachaußenhaut und das Zusatzteil aus einem Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung und der Dachrahmen aus Stahl hergestellt.
Das Leichtmetall kann vorzugsweise Aluminium und die Leichtmetalllegierung eine Aluminiumlegierung der 6xxx oder 7xxx-Serie sein. Beispielsweise kann eine Aluminiumlegierung aus den Serien AA6016, AA6013, AA6056, AA6111 oder AA7021 sowie Modifikationen davon verwendet werden. Dabei ist es nicht notwendig, dass die Dachaußenhaut und das Zusatzteil aus demselben Leichtmetall bzw. derselben Aluminiumlegierung hergestellt sind. Es ist also möglich ein Zusatzteil, welches wahlweise aus demselben Material oder aus einem anderen Material wie die Dachaußenhaut gefertigt ist, bereitzustellen. Beispielsweise kann dies ein Leichtmetall mit einer höheren Festigkeit als das Leichtmetall der Dachaußenhaut sein. Des Weiteren ist es nicht notwendig, dass das Zusatzteil dieselbe Dicke wie die Dachaußenhaut aufweist, wichtig ist nur, dass in den Bereichen in denen das Zusatzteil angeordnet ist, die Materialdicke der Dachaußenhaut erhöht wird.
In einer Ausführungsform ist die Dachaußenhaut aus einer Aluminiumlegierung gefertigt, welche lokal verzinkt sein kann.
Beim Zusatzteil handelt es sich beispielsweise um einen so genannten Leichtmetallverdoppler bzw. Aluminiumverdoppler. Dieser ist nur abschnittsweise im Randbereich der Dachaußenhaut bzw. des Dachrahmens angeordnet. Der Leichtmetallverdoppler stellt also keine durchgehende Verbindung entlang des Randbereichs des Dachrahmen bzw. der Dachaußenhaut dar, d. h. es gibt keine großflächige Verbindung zwischen Leichtmetallverdoppler, Dachrahmen und Dachaußenhaut. Der Randbereich ist insbesondere der Bereich, an welchem in Einbaulage Dachaußenhaut und Dachrahmen überlappen, und somit miteinander verbindbar sind. In einer bevorzugten Ausführungsform sind nur vier Leichmetallverdoppler in den vier Ecken des Fahrzeugsdaches- bzw. -rahmens vorhanden. Der Leichtmetallverdoppler ist vorzugsweise ein Flachmaterialzuschnitt aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung. Der Leichmetallverdoppler kann in einer bevorzugten Ausführungsform beispielsweise zwischen dem Dachrahmen und der Dachaußenhaut angeordnet sein. Durch den Leichtmetallverdoppler wird die Materialdicke der Dachaußenhaut bevorzugt nur an den Stellen erhöht, an denen beim Lackierbrennen starke Spannungen aufgrund von thermischer Ausdehnung auftreten, und somit können diese lokalen Spannungen besser abgefangen bzw. absorbiert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Leichtmetallverdoppler ungefähr 10 bis 20 cm lang, 15 bis 25 mm breit und 0.5 bis 1.5 mm dick, besonders bevorzugt ungefähr 15 cm lang, 20 mm breit und 1 mm dick.
Durch die Verbindung des Leichtmetallverdopplers mit dem Stahlbauteil und dem Leichtmetalldach ist es möglich, den Verzug im Leichtmetalldach insbesondere durch das Einbrennlackieren zu vermindern.
Die Leichtmetalldachaußenhaut, das Zusatzteil und der Stahlrahmen sind miteinander bevorzugt nicht stoffschlüssig, also z. B. nicht durch Kleben, sondern formschlüssig miteinander verbunden, beispielsweise durch Stanznieten, Druckfügen, Schraubverbindungen oder ähnliches. Diese Verbindungstechnik ermöglicht eine hochfeste Verbindung zwischen den beteiligten Verbundpartnern, die bei Belastungen während des normalen Einsatzes, aber auch in unvorhergesehenen Grenzsituationen eine Sicherheitsreserve bilden. Weiterhin benötigen diese Verbindungen nur einen kleinen erforderlichen Einbauraum und gewährleisten eine gute Zugänglichkeit der Verbindungsstellen z. B. für nachfolgende Fertigungsoperationen. Dabei ist es nicht notwendig, dass die Stanznieten alle drei Schichten der dreischichtigen Anordnung aus Dachrahmen, Dachaußenhaut und Zusatzteil miteinander verbinden. In einer weiteren Ausführungsform ist beispielsweise abwechselnd eine Verbindung zwischen Zusatzteil und Dachaußenhaut bzw. zwischen Zusatzteil, Dachaußenhaut und Dachrahmen vorhanden. Somit wechselt sich eine zweischichtige Verbindung mit einer dreischichtigen Verbindung ab. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind wechselweise das Zusatzteil mit der Dachaußenhaut bzw. das Zusatzteil mit dem Dachrahmen verbunden, d. h. die dreischichtige Dachanordnung wird durch verschiedene zweischichtige Verbindungen verbunden.
Klebeverbindungen sind jedoch nicht erwünscht, da sie nicht so hochfeste Verbindungen ermöglichen.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf die in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Die Zeichnungen zeigen:
1A zeigt schematisch eine Autodachanordnung im Querschnitt mit einer ersten Ausführungsform, wobei das Zusatzteil zwischen dem Dachrahmen und der Dachaußenhaut angeordnet ist,
1B zeigt schematisch eine Autodachanordnung im Querschnitt mit einer weiteren Ausführungsform, wobei das Zusatzteil unterhalb des Dachrahmens und der Dachaußenhaut angeordnet ist,
1C zeigt schematisch eine Autodachanordnung im Querschnitt mit einer weiteren Ausführungsform, wobei das Zusatzteil oberhalb des Dachrahmens und der Dachaußenhaut angeordnet ist,
2A zeigt den Querschnitt AA durch die Autodachanordnung in 1C, wobei der Dachrahmen, die Dachaußenhaut und das Zusatzteil miteinander verbunden sind,
2B zeigt den Querschnitt AA durch die Autodachanordnung in 1C, wobei das Zusatzteil wechselweise mit der Dachaußenhaut und dem Dachrahmen bzw. nur mit der Dachaußenhaut verbunden ist,
2C zeigt den Querschnitt AA durch die Autodachanordnung in 1C, wobei das Zusatzteil wechselweise mit der Dachaußenhaut bzw. mit dem Dachrahmen verbunden ist,
3 zeigt schematisch ein Fahrzeuggestell mit einer Dachaußenhaut, wobei der mögliche Verzug in der Dachaußenhaut durch die Kreise gekennzeichnet ist.
Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt schematisch ausschnittsweise eine Fahrzeugkarosserie in Leichtbaukonstruktion im Bereich des Übergangs eines Dachrahmens in das Fahrzeugdach. Der Querschnitt liegt beispielsweise zwischen der A- und B-Säule der Karosserie eines Personenkraftfahrzeugs. Der Dachrahmen als Teil eines Fahrzeugrahmens 1 ist dabei aus Stahl hergestellt, wohingegen das Fahrzeugdach 2 aus einem Leichtmetall hergestellt ist. Zwischen das Fahrzeugdach 2 und den Stahlrahmen 1 wird nun das Zusatzteil 3 angeordnet, welches ebenfalls aus einem Leichtmetall hergestellt ist. Bei dem Leichtmetall handelt es sich um Aluminium oder um eine Aluminiumlegierung.
1B zeigt wie 1A eine Ausführungsform in der Dachrahmen als Teil eines Fahrzeugrahmens 1 aus Stahl hergestellt ist, wohingegen das Fahrzeugdach 2 aus einem Leichtmetall hergestellt ist. Der Unterschied zu 1A ist nur, dass das Zusatzteil 3 unterhalb des Dachrahmens 1 und der Dachaußenhaut 2 angeordnet ist.
Die 1C zeigt im Unterschied zu 1A, dass das Zusatzteil 3 oberhalb des Dachrahmens 1 und der Dachaußenhaut 2 angeordnet ist.
Die Ausführungsform in 2A zeigt den Querschnitt AA, welcher sich aus der 1C ergibt, wobei der Dachrahmen 1, die Dachaußenhaut 2 und das Zusatzteil 3 miteinander verbunden sind. Die Verbindung 4 erfolgt beispielsweise durch Stanznieten. Bei dieser Ausführungsform gehen die Stanznieten 4 durch alle drei Schichten der Dachanordnung. Auch hier ist die Dachaußenhaut 2 und das Zusatzteil 3 aus Leichtmetall, während der Dachrahmen 1 aus Stahl hergestellt ist.
Die Ausführungsform in 2B zeigt ebenfalls den Querschnitt AA der 1C, jedoch verbinden in dieser Ausführungsform die Stanznieten 4 abwechselungsweise das Zusatzteil 3 mit der Dachaußenhaut 2 bzw. das Zusatzteil 3 mit der Dachaußenhaut 2 und dem Dachrahmen 1, so dass sich eine dreischichtige Verbindung mit einer zweischichtigen Verbindung abwechselt.
Die 2C zeigt ebenfalls den Querschnitt AA der 1C, jedoch verbinden in dieser Ausführungsform die Stanznieten 4 abwechselungsweise das Zusatzteil 3 mit der Dachaußenhaut 2 bzw. das Zusatzteil 3 mit dem Dachrahmen 1, so dass sich verschiedene zweischichtigen Verbindung abwechseln. In dieser Ausführungsform weist das Zusatzteil 3 eine gewellte Form auf.
Die 3 zeigt schematisch den Dachaufbau eines Kraftfahrzeugs mit A-Säule 5, B-Säule 6 und C-Säule 7 des Dachrahmens 1 und der Dachaußenhaut 2, wobei durch die Kreise 8 gekennzeichnet wird, wo sich der Verzug in der Dachaußenhaut nach der Lackeinbrennreaktion ergibt.
Bezugszeichenliste

1: Dachrahmen
2: Dachaußenhaut
3: Zusatzteil bzw. Leichtmetallverdoppler
4: Verbindung
5: A-Säule
6: B-Säule
7: C-Säule
8: Verzug

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004019818 B4 [0006]
EP 1580102 A1 [0007]
DE 19939978 [0008]
EP 2030877 [0009]
EP 1953072 [0010]

Claims

Dachanordnung an einer Karosserie eines Kraftfahrzeugs, mit einem Dachrahmen (1), einer Dachaußenhaut (2) und zumindest einem Zusatzteil (3), wobei die Dachaußenhaut (2) und das Zusatzteil (3) aus einem Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung und der Dachrahmen (1) aus Stahl hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Zusatzteil (3) nur abschnittsweise im Randbereich der Dachaußenhaut/des Dachrahmens angebracht ist und durch das Zusatzteil (3) die Materialdicke der Dachanordnung in diesen Bereichen erhöht wird.
Dachanordnung nach Anspruch 1, wobei das Zusatzteil (3) zwischen dem Dachrahmen (1) und der Dachaußenhaut (2) angeordnet wird.
Dachanordnung nach Anspruch 1, wobei das Zusatzteil (3) oberhalb des Dachrahmens (1) und der Dachaußenhaut (2) angeordnet ist.
Dachanordnung nach Anspruch 1, wobei das Zusatzteil (3) unterhalb des Dachrahmens (1) und der Dachaußenhaut (2) angeordnet ist.
Dachanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Dachrahmen (1), die Dachaußenhaut (2) und das Zusatzteil (3) durch Stanznieten miteinander verbunden sind.
Dachanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Leichtmetall Aluminium und die Leichmetalllegierung eine Aluminiumlegierung ist.
Dachanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Dachaußenhaut (2) und das Zusatzteil (3) aus derselben Aluminiumlegierung hergestellt sind.
Dachanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Dachaußenhaut (2) und das Zusatzteil (3) aus unterschiedlichen Aluminiumlegierungen hergestellt sind.
Dachanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Zusatzteil (3) nur in den Eckbereichen der Dachaußenhaut/des Dachrahmens angeordnet ist.
Dachanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Zusatzteil (3) ein Flachmaterialzuschnitt ist.
Dachanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Dachanordnung dreischichtige Abschnitte aus Dachrahmen, Dachaußenhaut und Zusatzteil umfasst.