-
Die
Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Vorderwagen mit Trägerwerk
und Vorderachsfahrschemel gemäß dem Oberbegriff
des Patantanspruchs 1.
-
Kraftfahrzeuge
dieser Art sind bekannt. Der Vorderwagen dieser Kraftfahrzeuge ist
dabei so ausgelegt, dass durch Deformation einzelner Fahrwerkbauteile,
wie des Vorderachsfahrschemels beziehungsweise des Trägerwerks,
insbesondere der Längs-,
Kotflügel-
sowie Verbindungsträger,
gezielt Formänderungsenergie
aufgenommen werden kann und somit der Insassenschutz gewährleistet
wird. Durch die Deformation von Fahrwerkbauteilen, welche der Vorderachse
zugeordneten sind, wird in erster Linie, der Fußraum der Fahrgastzelle geschützt. Dabei
soll in der Anfangsphase des Crashs möglichst viel kinetische Energie
in Deformationsenergie umgewandelt werden. Gegen Ende des Crashs
soll sich die deformierte Konstruktion allerdings zunehmend steif
verhalten.
-
Bekannte
Crashelemente sind als Träger
in die Fahrwerkskonstruktion eingebunden. Die
DE 28 45 548 C2 beschreibt
ein Fahrzeug der vorbeschriebenen Art mit einem oberen und einem
unteren Längsträger sowie
mit einem Verbindungsträger,
welcher die Längsträger verbindet.
Von einer Verbindungsstelle des oberen Längsträgers mit dem Verbindungsträger erstreckt
sich zur Stirnwand der Fahrgastzelle hin ein mit dem oberen Längsträger im wesentlichen
fluchtenden Stützträger. Der
Stoßfänger stützt sich
an der Stirnwand der Fahrgastzelle ab und weist eine definierte
Deformationszone auf. Die Deformationszone ist nahe der Verbindungsstelle
des oberen Längsträgers mit
dem Verbindungsträger
angeordnet und derart ausgebildet, dass diese sich bei frontaler
Krafteinwirkung auf den oberen Längsträger zeitlich
nach diesem, aber vor dem unteren Längsträger verformt. Der Stützträger ist
mit einem Querschnitt ausgestaltet, welcher von der Deformationszone
aus zur Stirnwand der Fahrgastzelle hin zunimmt. Das bedeutet, dass
der Stützträger entgegen der
Fahrtrichtung stärker
wird.
-
Vielfach
kollabiert die Trägerkonstruktion vollständig und
weist dann keine stabilisierende Wirkung mehr auf. Insbesondere,
wenn die Deformationszonen beim Aufprall vollständig verformt sind, wird von
den Trägern
keine Deformationsenergie mehr aufgenommen, so dass dann die Deformation im
Fahrgastraum fortgesetzt wird, um weitere Energie aufzunehmen. Die
Einwirkung auf den Fahrgastraum hängt somit im Wesentlichen von der
Länge des
Vorderbaus sowie von der dadurch möglichen Ausgestaltung der Deformationszonen
an den Trägern
ab.
-
Weiter
beschreibt die
DE 26
24 188 A1 einen als Hohlprofil ausgebildeten Längsträger eines
Kraftfahrzeugrahmens mit unterschiedlichem Wanddickenverlauf und
zur Fahrzeugmitte hin zunehmender Knicksteifigkeit, wobei besagter
Längsträger über seine
Länge hinweg
in wenigstens zwei durch Umfangsnähte miteinander verbundene
Trägerschüsse quergeteilt
ist, deren Wandstärke
und/oder Werkstoffgüte
in Richtung auf die Fahrzeugmitte zu von Trägerschuss zu Trägerschuss
jeweils größer bzw. besser
ist als die Wandstärke
bzw. Werkstoffgüte
des davorliegenden Trägerschusses.
-
Die
DE 195 26 398 A1 offenbart
ferner ein Konstruktionsteil für
eine Kraftfahrzeugkarosserie mit einem vorderen, einem mittleren
und einem hinteren Bereich, wobei besagte Bereiche einen polygonalen Querschnitt
aufweisen. Der mittlere Bereich weist eine Querschnittsänderung
vom vorderen zum hinteren Bereich sowie eine Druckfestigkeit auf,
die größer der
Druckfestigkeit des vorderen und hinteren Bereiches ist. Der vordere
Bereich ist dabei so ausgebildet, dass dieser im Zuge eines Frontalzusammenstoßes in Druckrichtung
verformt wird. Hergestellt ist das Konstruktionsteil aus einem rechteckigen,
extrudierten Hohlteil, wobei der vordere und mittlere Bereich durch
Pressen verformt sind.
-
Die
DE 699 10 426 T2 offenbart
schließlich einen
deformierbaren Träger
für Fahrzeuge
in Form einer sogenannten Kollisionsschiene, die ausschließlich aus
einem Kompositmaterial, welches in einer Matrix angeordnete Fasern
umfasst, gebildet ist. Die Kollisionsschiene weist einen hohlen,
quadratischen oder rechteckigen Querschnitt auf, der sich seinerseits
linear von einem größten Querschnitt
an einem einer Trennwand benachbarten Fußabschnitt zu einem kleinsten
Querschnitt am vorderen Kopfabschnitt der Kollisionsschiene verjüngt. Ferner
verjüngt
sich die Wanddicke der Kollisionsschiene linear von einer größten Wanddicke
am Fußabschnitt
zu einer kleinsten Wanddicke am Kopfabschnitt. Die Kollisionsschiene
ist so konstruiert, dass das Material derselben im Falle einer etwaigen
Kollision reichlich bevor die Kollisionsschiene sich unter den einwirkenden
Kräften
verzieht, beginnt zu verfallen, und zwar selbst dann, wenn die wirkenden
Kräfte
nicht längs entlang
der Kollisionsschiene wirken, sondern Biegemomente auf diese ausüben. Durch
diese Maßnahme
soll die Kollisionsschiene fortschreitend zerfallen derart, dass
der Kopfabschnitt als erstes zerfällt, dann der Mittelabschnitt
und zuletzt der Fußabschnitt.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Kraftfahrzeug mit einem Crashelement zur
Verfügung
zu stellen, dass trotz einfacher und leichter Bauweise eine hohe
Crashenergie aufnimmt.
-
Ausgehend
von einem Kraftfahrzeug mit einem Vorderwagen mit Trägerwerk
und Vorderachsfahrschemel, einem Vorderbau und einer den Fahrgastraum
begrenzenden Stirnwand sowie mit wenigstens einem Crashelement zur
Aufnahme von Formänderungsenergie
bei einem frontalen Aufprall, wobei das Crashelement wenigstens
ein in Längsrichtung
des Fahrzeugs angeordnetes, mit dem Vorderachsfahrschemel verbundenes
Rohr umfasst, welches unterschiedliche Steifigkeit aufweist und
wobei die Steifigkeit des Crashelementes in Fahrtrichtung nach vorne
abnimmt, wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass das wenigstens eine
Rohr als rohrförmiger
Metallkörper
ausgebildet und der Länge nach
und/oder abschnittsweise mit einem Faserverbundwerkstoff ummantelt
ist und/oder innen ein Schaummaterial aufweist.
-
Dabei
sind als Rohr einfach gezogene rohrförmige Metallkörper sowie
ein- oder mehrschalige, vorzugsweise geschlossene, Profilkörper vorgesehen.
Die Ausgestaltung ermöglicht
beim Crash über einen
größeren Zeitraum
kinetische Energie in Deformationsenergie am Crashelement umzuwandeln, wobei
das Crashelement durch vorbestimmte Formänderung zusätzlich Energie aufnimmt. Gegenüber herkömmlichen
Trägerkonstruktionen
sind dabei neben den Längsträgern und
Kotflügelträgern zusätzlich Crashelemente
vorgesehen, welche als Anbauteil oder als Bestandteil des Vorderwagens
ausgestaltet sein können.
-
In
der Anfangsphase des Crashs nimmt das lösungsgemäße Crashelement viel Crashenergie durch
Verformung auf. In der Endphase des Crashs wird das Crashelement
zunehmend steifer. Gegenüber
Crashgegnern führt
die Aufnahme eines größeren Anteils
an Deformationsenergie im Fahrschemelverbund zu erheblich mehr Sicherheit,
wobei das Fahrzeug ein günstigeres
Crashverhalten aufweist. Das Crashelement weist keine tragende Funktion auf,
sondern dient als Verbindungselement oder Verlängerung der Konstruktion, womit
die Aufnahme von Crashenergie bezogen auf den Vorderachsenfahrschemel
erhöht
werden kann. Des Weiteren kann das Crashelement von den Trägern des
Vorderwagens gesondert hergestellt und montiert werden, so dass
die Träger
ohne die dem Crashelement zugeordneten zusätzliche Funktionen bezüglich des
Deformationsverhaltens herstellbar sind.
-
Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird dadurch erreicht,
dass das Rohr aus mehreren Rohrelementen besteht, welche ineinander
gepasst sind und dass die Steifigkeit des Rohres in Fahrtrichtung
nach vorne, zumindest abschnittsweise, stetig abnimmt. Hierdurch
wird ein gleichmäßiger, vorbestimmter
Crashverlauf bei der Deformation des Crashelementes erreicht. Dies
wird dadurch erreicht, dass das Rohr aus dünnwandigem Stahl besteht, vorzugsweise
mit einer Wandstärke
kleiner als 2 mm beziehungsweise dadurch, dass das Rohr unterschiedliche
Wandstärke
aufweist, welche in Fahrtrichtung nach vorne abnimmt. Um die Steifigkeit
des Crashelements insgesamt zu verbessern, ist vorgesehen, dass
das Rohr der Länge
nach und/oder abschnittsweise mit einem Faserverbundwerkstoff versehen
ist, welcher vorzugsweise Aramid-, Kohlefaser- und/oder Glasfaserwerkstoffe
aufweist und dass die Stärke
des Faserverbundwerkstoffs in Fahrtrichtung nach vorne abnimmt.
-
Dies
wird in vorteilhafter Weise dadurch erreicht, dass der Faserverbundwerkstoff
auf dem Rohr aufgewickelt ist. Besonders günstig hat sich dabei erwiesen,
dass der Faserverbundwerkstoff einem Faservolumenanteil von wenigstens
60% aufweist.
-
Was
das Schaummaterial anbelangt, kann dieses aus Metall- oder Kunststoffsubstrat
bestehen. Dabei können
bereits durch die Anordnung des Schaummaterials im Rohr Deformationszonen
und die Steifigkeit von bestimmten Abschnitten des Rohres vorbestimmt
werden.
-
Dies
wird in vorteilhafter Weise dadurch erreicht, dass das Schaummaterial
Aluminium- oder Zinkschaum,
vorzugsweise mit einer Dichte zwischen 0,3 und 0,9 g/cm3,
umfasst. Dabei kann das Schaummaterial entweder als Formmasse eingespritzt
oder als Formkörper
in das Rohr eingebracht werden. In vorteilhafter Weise wird das
Schaummaterial dabei mit dem Rohr verbunden. Es hat sich des Weiteren
als zweckmäßig erwiesen,
dass das Rohr gegenüber
dem Metallschaum im Inneren korrosionsgeschützt ist, vorzugsweise aus einem
nichtrostenden Stahl besteht.
-
Des
Weiteren ist vorgesehen, dass das Rohr, der Metallschaum und/oder
der Faserverbundwerkstoff Knickzonen aufweisen und dass das Crashelement
nach Aufnahme einer vorbestimmten Energie an den Knickzonen in eine
vorbestimmte Richtung knickt. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise,
bereits bei der Konstruktion des Fahrschemels das Deformationsverhalten
der Bauteile im Zusammenwirken mit dem Crashelement zu bestimmen
und somit an die jeweiligen Gegebenheiten des Vorderwagens anzupassen.
-
Eine
Ausführungsform
wird dadurch bereitgestellt, dass das Crashelement mit dem Fahrschemel
und/oder dem Vorderbau verbunden ist, vorzugsweise angeschraubt
oder angeschweißt
ist. Dies wird in vorteilhafter Weise dadurch erreicht, dass das Crashelement
zur Verbindung wenigstens eine Konsole und/oder einen Flansch aufweist.
Um eine möglichst
kompakte Bauform zu erreichen, ist vorgesehen, dass das Crashelement
als Verlängerung
am Fahrschemel angeordnet, vorzugsweise in den Fahrschemel integriert
ist.
-
Derartige
Crashelemente wirken in erster Linie in Fahrzeuglängsrichtung.
Die aus dünnwandigem
Stahl bestehenden Rohre sind als vorgefertigte passgenaue Bauteile
gefügt,
z. B. lasergeschweißt. Das
Crashelement wird dabei vorzugsweise aus zwei oder mehreren Rohren
hergestellt, welche entgegen der Fahrtrichtung eine zunehmende Dicke
und somit eine ansteigende Steifigkeit aufweisen. Die Crashelemente
werden mit Deformationszonen versehen, beispielsweise Kerben, so
dass ein gezieltes Einknicken beim Crash ermöglicht wird. Jedes Crashelement
ist mit dem Fahrschemel und dem Vorderbau über Konsolen oder Flansche
verschraubt, was eventuelle Reparaturen oder den Austausch erleichtert.
Alternativ können
die Crashelemente angeschweißt
werden. Die Crashelemente sind in vorteilhafter Weise als Verlängerung
des Fahrschemels vorgesehen, z. B. eines IHU-Fahrschemels, oder
sie können
an bestehenden Serienfahrschemeln als Verlängerungselemente angefügt werden.
Die mittlere Verschraubung des Vorderachsfahrschemels an den Längsträgern kann
so ausgelegt werden, dass im Crashfall ab einer bestimmten Energie
die Verbindung abreißt
und der mittlere Bereich des Crashelements beziehungsweise des Fahrschemels
in den hinteren Bereich eingeschoben wird, womit das Fußverletzungsrisiko
im Fahrgastraum vermindert wird.
-
Des
Weiteren sind Crashelemente vorgesehen, welche eine Hybridstruktur
aufweisen. Sie bestehen aus einem dünnwandigen Stahlrohr mit konstantem
Durchmesser, vorzugsweise einem Durchmesser kleiner als 2 mm, welches
der Länge
nach oder in Teilbereichen mit dem Faserverbundwerkstoff mittels
einem hochautomatisierten Wickelverfahren von außen versteift ist. Im Sinne
einer optimalen Crashauslegung wird das Rohr entgegen der Fahrtrichtung
mit einer zunehmenden Stärke
umwickelt. Als Wickelmaterial kommen hierfür Aramid-, Kohlefaser- oder
vorzugsweise Glasfaserverbundwerkstoffe mit einem hohen Faservolumenanteil
beispielsweise größer als
60% in Frage. Im Crash wird der Faserverbundwerkstoff durch das
Ausknicken des Rohres zerstört,
wodurch gegenüber
dem einfachen Rohr zusätzliche
Crashenergie aufgenommen werden kann.
-
Crashelemente
der vorgenannten Art können
zusätzlich
innen in Teilbereichen oder entlang der ganzen Länge mit einem Schaummaterial
gefüllt sein.
Als Füllwerkstoff
kommen Aluminium- oder Zinkschäume
mit einer Dichte von 0,4 bis 0,8 g/cm3, sowie
Kunststoffschäume
in Frage. Der Schaumkern wird beim Crash extrem komprimiert und
nimmt aufgrund der porösen
Struktur zusätzliche
Formänderungsenergie
auf.
-
Bei
dreifacher Hybridkonstruktion des Crashelementes, wobei das Rohr
mit Faserverbundwerkstoff und Schaummaterial versehen ist, trägt der Schaumwerkstoff
zu einem kontrollierten Kraftfluss von innen nach außen bei,
so dass das metallene Rohr gezielt ausgebeult und dadurch der Faserverbundwerkstoff
zerstört
wird. Um Kontaktkorrosionsprobleme zu vermeiden, ist als Rohrmaterial
ein nichtrostender Stahl wie z. B. der Nirosta H400 geeignet.
-
Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es
zeigen:
-
1 einen
Vorderwagen eines Kraftfahrzeugs mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Crashelementes
in Seitenansicht;
-
2 einen
Ausschnitt des Vorderwagens gemäß 1 mit
Vorderachsfahrschemel in Draufsicht von oben;
-
3 verschiedene Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Crashelements
im Längsschnitt.
-
1 zeigt
einen Vorderwagen 1 eines Kraftfahrzeugs in Seitenansicht.
Der Vorderwagen 1 weist einen Vorderachsfahrschemel 2 sowie
den oberen Längsträger 3 auf,
welcher am Vorderbau 4 befestigt ist. Zwischen dem Vorderachsfahrschemel 2 und
dem oberen Längsträger 3 ist
ein Verbindungsträger 5 angeordnet,
welcher beide verbindet. Zwischen dem Vorderbau 4 und dem
Vorderachsfahrschemel 2 ist ein Crashelement 6 angeordnet.
Das Crashelement 6 ist mit dem Vorderbau 4 und
dem Vorderachsfahrschemel 2 fest verbunden. Es ist dazu
vorgesehen, dass das Crashelement 6 angeschweißt oder
angeschraubt wird. Der obere Längsträger 3 ist
im Wesentlichen parallel zur Fahrzeuglängsrichtung angeordnet und
mit seinem hinteren Ende 7 fest mit der Stirnwand 8 des
Fahrgastraumes verbunden.
-
2 zeigt
einen Ausschnitt des Vorderwagens 1 gemäß 1 mit dem
Vorderachsfahrschemel 2 in Draufsicht von oben ohne den
Längsträger 3.
Das Crashelement 6 ist im Wesentlichen parallel zur Fahrzeuglängsrichtung
zwischen Vorderbau 4 und Vorderachsfahrschemel 2 angeordnet.
-
3a zeigt
eine Ausgestaltung des Crashelements 6 im Längsschnitt.
Das Crashelement 6 umfasst ein metallenes Rohr 9,
welches zwei Rohrelemente 10, 11 aufweist. Jedes
der Rohrelemente 10, 11 weist eine andere Wandstärke auf
und hat somit entsprechend verschiedene Steifigkeit. Das Crashelement 6 ist
in der Darstellung entsprechend seiner Lage im Fahrschemel 1 wiedergegeben.
Dabei liegt das Rohrelement 10 mit geringerer Wandstärke in Fahrtrichtung
nach vorne vor dem Rohrelement 11 mit größerer Wandstärke.
-
Im
Falle eines Crashs wird das Rohrelement 10 durch den Vorderbau 4,
welcher in der Zeichnung nicht dargestellt ist zuerst beaufschlagt
und nimmt Crashenergie auf, wobei sich das Rohrelement 10 verformt.
Dabei wird das Rohrelement 10 durch die Gegenkraft, welche
durch das steifere Rohrelement 11 erzeugt wird so gestaucht,
dass es in das Rohrelement 11 eingeschoben wird. Alternativ
sind Ausgestaltungen des Rohres 9 vorgesehen, bei welchem das
Rohrelement 11 in das Rohrelement 10 eingeschoben
wird. Bei weiter anwachsender Beaufschlagung wird das Rohrelement 11 anschließend verformt
und nimmt seinerseits Energie auf.
-
Es
sind auch Rohrelemente 10, 11 vorgesehen, welche
zwar gleiche Wandstärke
jedoch unterschiedliche Festigkeit aufweisen. Dabei ist eine mögliche Ausführungsform
dadurch gegeben, dass die Rohrelemente 10 und 11 aus
dem gleichen metallenen Material bestehen und mit verschiedenen
Vergütungsverfahren
behandelt worden sind. Vorstellbar ist auch, dass die beiden Rohrelemente 10, 11 aus
verschieden Materialien, vorzugsweise Metallen mit unterschiedlicher
Steifigkeit, bestehen und zusammengefügt werden.
-
3b zeigt
ein lösungsgemäßes Crashelement 6 aus
einem dünnwandigen
metallenen Rohr 9, welches mit einem Faserverbundwerkstoff 12 umgeben
ist. Der Faserverbundwerkstoff 12 weist in Fahrtrichtung
nach vorne, die in der Zeichnung in Richtung des Pfeils Z weist,
verschiedene Steifigkeit auf. In der Zeichnung liegt das Crashelement 6 gemäß seiner Lage
im Fahrschemel 1. Dabei weist der Faserverbundwerkstoff 12 in
Fahrtrichtung vorne geringere Stärke
auf als in Fahrtrichtung hinten.
-
Alternativ
ist auch ein derartiges Crashelement 6 umfasst, welches
neben der Beschichtung mit unterschiedlich starkem Faserverbundwerkstoff 12 zur
Erzeugung unterschiedlicher Steifigkeit zusätzlich Rohre 9 gemäß 3a vorsieht,
welche darüber hinaus
unterschiedliche Steifigkeit aufweisen, um diesen Effekt zu verstärken.
-
3c zeigt
ein Crashelement 6 gemäß 3b mit
einem dünnwandigen
metallenen Rohr 9 und Faserverbundwerkstoff 12,
welches zusätzlich mit
einer Schaummasse 13 ausgefüllt ist. Dabei kommen Aluminium-
oder Zinkschäume
mit einer Dichte von vorzugsweise 0,4 bis 0,8 g/cm3,
sowie Kunststoffschäume
in Frage. Der Schaumkern wird beim Crash extrem komprimiert und
nimmt aufgrund der porösen
Struktur zusätzliche
Formänderungsenergie auf.
Der Schaumwerkstoff 13 erhöht die Steifigkeit des Crashelements 6,
wobei das metallene Rohr 9 von Innen stabilisiert wird.
Um definierte Deformationen beim Crash zu begünstigen, kann der Schaumwerkstoff 13 mit
Bereichen 14 geringerer Dichte und somit geringerer Steifigkeit
versehen sein. Alternativ ist es möglich diese Bereiche 14 ohne
Schaumwerkstoff herzustellen. An diesen Bereichen 14 wird
im Crashfalle die Deformation zuerst eintreten, so dass das Crashelement 6 in
eine vorbestimmte Richtung knickt.
-
Als
eine Alternative zu der dargestellten Ausführungsform ist von der Erfindung
auch ein Crashelement 6 umfasst, welches ohne Faserverbundwerkstoff 12 ausschließlich als
Rohr 9 mit Schaumwerkstoff 13 gefüllt, hergestellt
ist.
-
- 1
- Vorderwagen
- 2
- Vorderachsfahrschemel
- 3
- oberer
Längsträger
- 4
- Vorderbau
- 5
- Verbindungsträger
- 6
- Crashelement
- 7
- hinteres
Ende
- 8
- Stirnwand
- 9
- Rohr
- 10
- Rohrelement
- 11
- Rohrelement
- 12
- Faserverbundwerkstoff
- 13
- Schaummasse
- 14
- Bereich
mit geringerer Dichte
- Z
- Fahrtrichtung