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Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil für ein Fahrzeug zur Aufnahme von in einer Energieeinleitungsrichtung eingeleiteter kinetischer Energie durch wenigstens teilweise Umformung in Verformungsarbeit gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ein gattungsbildendes Strukturbauteil als Aufprallschutzelement ist aus der
DE 10 2010 003 497 A1 für ein Fahrzeug bekannt, welches ein Hohlkörperelement mit einem Stabilisierung-/Stauchelement als hohlkörperförmiges Verformungselement aufweist, wobei das Stabilisierung-/Stauchelement als Hohlkörper in Aufprallrichtung X einen sich konisch verjüngenden Verlauf aufweist. Das Hohlkörperelement ist in der Ebene, in welcher das Stabilisierung-/Stauchelement einen konisch verlaufenden Querschnitt aufweist, mit einem rechteckförmigen Querschnitt ausgebildet. Ferner liegen die Stirnseiten des als Hohlkörper ausgebildeten Stabilisierung-/Stauchelementes flächig an den inneren Stirnflächen des Hohlkörperelementes an. Dieses bekannte Aufprallschutzelement dient als Seitenaufprallschutz für ein Fahrzeug.
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Weiterhin ist ein Strukturbauteil für ein Fahrzeug aus der
DE 103 59 483 A1 bekannt, welches zur Umwandlung von eingeleiteter kinetischer Energie in Verformungsarbeit zwischen einem Stoßfänger und der tragenden Fahrzeugstruktur des Fahrzeugs angeordnet ist und aus einem vorbestimmt verformbaren Hohlkörper besteht, der im Inneren ein weiteres energieaufnehmendes, in der Regel als Blechformteil hergestelltes Verformungselement aufweist. Mit diesem bekannten Strukturteil soll im Vergleich zum Stand der Technik ein höheres Kraftniveau mit einem annähernd kontinuierlichen Verlauf erreicht werden, so dass Schwankungen des Kraftverlaufs gering gehalten werden könnten.
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Desweiteren wird in der
DE 102 39 933 A1 eine mit einer Fahrzeugtragstruktur verbundene Aufprallschutzeinrichtung beschrieben, bei welcher das Volumen eines mit einem faltbalgförmigen Dämpfungselement gekoppelten Hohlraums mittels eines pyrotechnischen Aktuators schlagartig vergrößert wird, so dass im Falle eines Aufpralls eine Krafteinleitung über das Dämpfungselement in die Fahrzeugkarosserie erfolgt.
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Die
DE 10 2004 036 929 A1 beschreibt eine Pralldämpferanordnung mit einem in einem Außenrohr verschiebbar angeordneten Innenrohr, wobei beide Rohre in einem Abschnitt eine parallel zueinander ausgerichtete Verjüngung aufweisen, so dass die Verjüngung des Innenrohres von der Verjüngung des Außenrohres umschlossen wird. Bei einem Fahrzeugaufprall ist eine Verschiebung von dem Innenrohr relativ zum Außenrohr möglich, so dass zumindest eines der beiden Rohre bei einer solchen Verschiebung verformt wird.
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Weiterhin ist aus der
DE 199 45 590 A1 ein Crashträger bekannt, der stirnseitig mit topfförmigen Bauteilen verbunden ist. Diese topfförmigen Bauteile weisen in sich geschlossene Seitenwände auf, die konusförmig verjüngend zur Stirnfläche des Crashträgers verlaufen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Strukturbauteil der eingangs genannten Art mit verbesserten Eigenschaften zu schaffen, insbesondere einen Verlauf der Verformungskraft zu erreichen, welche mit einem niedrigen Wert beginnt und anschließend kontinuierlich ansteigt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Strukturbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Eine solches Strukturbauteil für ein Fahrzeug zur Aufnahme von in einer Energieeinleitungsrichtung eingeleiteter kinetischer Energie durch wenigstens teilweise Umformung in Verformungsarbeit, welches als in Energieeinleitungsrichtung verlaufendes Hohlprofil mit einem im Inneren wenigstens bereichsweise in Profilrichtung verlaufenden Verformungselement ausgebildet ist, wobei das Verformungselement eine in wenigstens einer Ebene der Profilrichtung des Hohlprofils mit einer in Energieeinleitungsrichtung sich konusförmig verbreiternde Raumstruktur aufweist, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass das Hohlprofil in Anpassung an das Verformungselement in Energieeinleitungsrichtung mit einer konusförmigen Verbreiterung ausgebildet ist, wobei das Verformungselement an den Seitenwänden des Hohlprofils anliegt.
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Bei einem solchen erfindungsgemäßen Strukturbauteil mit einem Verformungselement als Einlegeteil steigt das anfängliche Kraftniveau bei einem beginnenden Verformungsvorgang im Wesentlichen kontinuierlich an. Insbesondere kann durch eine konstruktive Ausgestaltung dieses Einlegeteils bei einem Verformungsvorgang das anfängliche Kraftniveau als auch dessen weiterer Anstieg eingestellt werden. Durch die Überlagerung der Verformungen sowohl des Hohlprofils als auch dessen Verformungsteils werden Schwankungen der Verformungskraft des Strukturbauteils weitestgehend vermieden, so dass ein nahezu kontinuierlicher und stetiger Anstieg des Kraftniveaus erzielt wird.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Verformungselement mit einer gegenüber der Länge des Hohlprofils kürzeren Länge ausgebildet und in Energieeinleitungsrichtung am endseitigen Ende des Hohlprofils angeordnet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Verformungselement federelastisch in Profilrichtung ausgebildet. Damit steigt mit zunehmendem Verformungsweg aufgrund der Elastizität des Verformungselementes das Kraftniveau annähernd linear an. Vorzugsweise ist das Verformungselement als elastisches Federelement, bspw. als Konusfeder ausgebildet.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass das Verformungsteil als zick-zack- oder sägezahnförmige Raumstruktur ausgebildet ist, wobei die Höhe der Zick-Zack- oder Sägezahnform und/oder die Breite der Zick-Zack- oder Sägezahnform konusförmig verläuft. Ein solches Verformungsteil kann als in kostengünstiger Weise herstellbares Kantblech ausgeführt werden oder weiterbildungsgemäß als aus Federstahl bestehendes Federelement ausgebildet sein. Des Weiteren kann dieses Verformungsteil auch aus einem energieabsorbierenden Material, wie bspw. aus einem Faser-Verbund-Kunststoff (FVK) hergestellt werden.
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Ein konusförmig ausgebildetes Hohlprofil kann weiterbildungsgemäß mit einem rechtförmigen Querschnitt ausgebildet sein, wobei wenigstens zwei gegenüberliegende Seitenflächen des Hohlprofils eine konusförmige Verbreiterung bilden. Dabei reicht es zumindest aus, wenn eine Seitenfläche nichtparallel zur gegenüberliegenden Seitenfläche verläuft.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematische Teildarstellung einer Fahrzeugkarosserie im Bereich eines Hinterwagens mit einem erfindungsgemäßen Strukturbauteil in einer Draufsicht in der z-x-Ebene,
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2 eine schematische Teildarstellung der Fahrzeugkarosserie im Bereich eines Hinterwagens mit einem erfindungsgemäßen Strukturbauteil nach 1 in einer Draufsicht in der x-y-Ebene,
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3 eine Schnittdarstellung des Schnittes A-A nach 2,
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4 eine Schnittdarstellung des Schnittes B-B nach 2,
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5 eine schematische und perspektivische Darstellung eines Verformungselementes in einer ersten Ausführungsform,
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6 eine schematische und perspektivische Darstellung eines Verformungselementes in einer zweiten Ausführungsform, und
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7 ein Kraft-Weg-Diagramm mit einem prinzipiellen Kraftverlauf des erfindungsgemäßen Strukturbauteils.
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Die 1 und 2 zeigen einen Hinterwagen 11 einer Fahrzeugkarosserie 10, wobei dieser Hinterwagen 11 mit Längsträger 12 im Bereich einer Ersatzreifenmulde 13 und einem Radhaus 14 ausgestattet und in den 1 und 2 nur die linke Hälfte des Hinterwagens 11 mit einem Längsträger 12 dargestellt ist.
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Gemäß diesen 1 und 2 endet der Längsträger 12 in einem Strukturbauteil 1, welches seinerseits endseitig über ein Karosserieelement 15 mit der Fahrzeugstruktur verbunden ist.
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Dieses Strukturbauteil 1 dient zur Aufnahme von im Falle eines Heckaufpralls auf das Fahrzeug 10 in Energieeinleitungsrichtung R eingeleiteten kinetischer Energie, die zumindest teilweise in Verformungsarbeit an diesem Strukturbauteil 1 umgewandelt wird.
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Dieses Strukturbauteil 1 besteht aus einem als Hohlprofilträger ausgebildeten Hohlprofil 2, welches gemäß den Schnittdarstellungen nach 3 und 4 im Inneren ein Verformungselement 3 aufweist.
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Der Hohlprofilträger 2 des Strukturbauteils 1 ist mit einem rechteckförmigen Querschnitt ausgebildet, der jedoch über die Länge des Strukturbauteils 1 nicht konstant ist, sondern in Energieeinleitungsrichtung R zunimmt. Dieser Hohlprofilträger 2 besteht aus vier Seitenflächen 2a bis 2d, wobei die beiden in der X-Y-Ebene liegenden Seitenflächen 2a und 2b gemäß 1 in Energieeinleitungsrichtung R eine symmetrische und konische Verbreiterung bilden, während die rechtwinklig hierzu liegenden Seitenflächen 2c und 2d in der X-Z-Ebene gemäß 2 ebenso eine konische Verbreiterung bilden, dabei jedoch die Seitenfläche 2c parallel zur Symmetrielinie S des Strukturbauteils 1 verläuft und hierzu die Seitenfläche 2d in Energieeinleitungsrichtung R mit zunehmendem Abstand gegenüber der Seitenfläche 2c verläuft und der Abstand am Ende nicht linear zunimmt, sondern endseitig stärker zunimmt, so dass sich ein trichterförmiger Querschnitt ergibt. Dieses Ende des Hohlprofilträgers 2 ist mit dem Längsträger 12 verbunden.
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Aus den beiden Querschnittsdarstellungen nach den 3 und 4 ist die Anordnung des nach 5 ausgestalteten Verformungselementes 3 im Inneren des Profilträgers 2 ersichtlich, welches eine in Energieeinleitungsrichtung R an den konischen Verlauf des Profilträgers 2 angepasste Raumstruktur aufweist. Gemäß 4 erstreckt sich dabei das Verformungselement 3 nicht über die gesamte Länge L des Profilträgers 2, sondern ist mit einer geringeren Länge l in Energieeinleitungsrichtung R am endseitigen Ende des Profilträgers 2 angeordnet, so dass bei einem Verformungsvorgang zunächst nur der Profilträger 2 verformt wird.
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5 zeigt das aus einem Blechstreifen als Kantblech hergestellte Verformungselement 3, welches in Richtung des Blechstreifens mit einer Zick-Zack-Form ausgebildet ist, so dass die die Höhe dieser Zick-Zack-Form begrenzenden Kurven h1 und h2 in Energieeinleitungsrichtung R sich konusförmig verbreitern. Anstelle der Zick-Zack-Form kann auch eine Sägezahnform realisiert werden.
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Dieser konische Verlauf der beiden Kurven h1 und h2 entspricht dabei im Wesentlichen dem Verlauf der beiden Seitenflächen 2c und 2d, wie dies andeutungsweise in 2 dargestellt ist. Jede der beiden Kurven h1 und h2 kann als Gerade oder zur Anpassung an den Verlauf der begrenzenden Seitenflächen 2a bis 2d des Hohlprofilträgers 2 einen bogenförmigen Verlauf aufweisen.
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Aus 1 ist ersichtlich, dass auch die Breite B des das Verformungselement 3 bildenden Blechstreifens in Energieeinleitungsrichtung R entsprechend der von den beiden Seitenflächen 2a und 2b gebildeten Konusform zunimmt.
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7 zeigt in einem Zeit-Kraft-Diagramm den Verlauf der Verformungskraft in Form einer Kurve K2 in dem gemäß den 3 und 4 aufgebauten Strukturbauteil 1 bei einem heckseitigen Energieeintrag in das Fahrzeug 10. Die Kurve K1 zeigt den Verlauf der Verformungskraft des Profilträgers 2, welcher kein Verformungselement 3 im Inneren aufweist.
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Da zu Beginn eines Verformungsvorganges aufgrund der kürzeren Länge l des Verformungselementes 3 gegenüber der Länge L des Hohlprofilträgers 2 nur dieser Hohlprofilträger 2 verformt wird, verläuft die Kurve K2 anfänglich zusammen mit der Kurve K1 und steigt erst mit beginnender Verformung des Verformungselementes 3 stärker als die Kurve K1 an. Das Verformungselement 3 wird daher nicht gleichzeitig mit dem Hohlprofilträger 2 aktiviert.
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Damit besteht die Möglichkeit, über die Länge l des Verformungselementes 3 die Kraftkurve K2 des t-F-Diagrammes nach 7 zu gestalten, also in Abhängigkeit der Länge l des Verformungselementes 3 die Kurve K2 gegenüber der Kurve K1 ansteigen zu lassen. Natürlich kann das Verformungselement 3 auch mit einer Länge l ausgebildet werden, die der Länge L des Hohlprofilträgers 2 entspricht.
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So ist aus diesem t-F-Diagramm der Effekt des konischen Verlaufs des Profilträgers 2 ohne ein in einem solchen Profilträger 2 angeordnetes Verformungselement 3 ersichtlich, nämlich ebenso ein leichter und kontinuierlicher Anstieg des Kraftniveaus.
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Das Verformungselement 3 gemäß 5 kann auch aus Federstahl hergestellt werden, so dass hieraus ein federelastisches Verformungselement 3 entsteht, bei welchen mit zunehmendem Verformungsweg entsprechend dessen Federkonstante das Kraftniveau zunimmt.
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Anstelle des Verformungselementes 3 gemäß 5 kann auch ein Verformungselement 3 gemäß 6 eingesetzt werden, welches eine Konusfeder darstellt und bereits von seiner Form konusförmig ausgebildet ist. Diese Konusfeder 3 wird entsprechend 4 derart von dem Hohlprofilträger 2 aufgenommen, dass sich in Energieeinleitungsrichtung R eine konische Verbreiterung ergibt. Der Verlauf des Kraftniveaus bei Einleitung von kinetischer Energie in das Strukturbauteil 1 entspricht der Kurve K2 des t-F-Diagramms nach 7.
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Zur Herstellung des Profilträgers 2 können die unterschiedlichsten Materialien, wie beispielsweise Stahl, Aluminium, faserverstärkte Kunststoffe (FSK) usw. verwendet werden.
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Neben der Herstellung des Verformungselementes 3 gemäß 5 als Kantblech oder als federelastisches Element aus Federstahl ist es auch möglich, als Material hierfür ein Elastomer zu verwenden. Ein als Elastomerbauteil ausgebildetes Verformungselement 3 kann eine Längenänderung beispielsweise durch eine Breitenänderung oder eine Wandstärkenänderung ausgleichen. Beispielsweise kann das elastische Element als Bauteil mit einer der Konusfeder gemäß 6 entsprechenden äußeren Form hergestellt werden. Auch ist eine Raumstruktur entsprechend des Verformungselementes 3 nach 5 möglich.
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Das erfindungsgemäße Strukturbauteil wird gemäß den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen in einem Längsträger des Hinterwagens einer Fahrzeugkarosserie verwendet. Natürlich kann ein solches erfindungsgemäßes Strukturbauteil auch in einem Vorderwagen, einem Seitenteil oder in sonstigen Längs- oder Querträgern der Fahrzeugkarosserie verbaut werden, um im Falle eines Frontal- oder Seitenaufprall die eingeleitete kinetische Energie zumindest teilweise durch Verformungsarbeit abzubauen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Strukturbauteil
- 2
- Hohlprofil, Hohlprofilträger
- 2a
- Seitenteil des Hohlprofils 2
- 2b
- Seitenteil des Hohlprofils 2
- 2c
- Seitenteil des Hohlprofils 2
- 2d
- Seitenteil des Hohlprofils 2
- 3
- Verformungselement
- 10
- Fahrzeug
- 11
- Hinterwagendes Fahrzeugs 10
- 12
- Längsträger des Hinterwagens 11
- 13
- Ersatzreifenmulde des Hinterwagens 11
- 14
- Radhaus des Hinterwagens 11
- 15
- Karosserieelement des Hinterwagens 11
