DE10114958B4

DE10114958B4 - Verbundteil für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE10114958B4
Application number: DE10114958A
Authority: DE
Inventors: Jörg Hoffmann
Original assignee: Siemens Restraint Systems GmbH
Current assignee: Continental Safety Engineering International GmbH
Priority date: 2000-04-07
Filing date: 2001-03-27
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2021-03-28
Also published as: DE10114958A1; WO2001076915A1

Abstract

Verbundbauteil für Kraftfahrzeuge für potentielle Aufprallbereiche von Verkehrsteilnehmern, die nicht von einer sie umgebenden Karosserie geschützt sind, oder von Kleinfahrzeugen mit vergleichsweise geringer Masse, bestehend aus wenigstens zwei miteinander verbundenen, unterschiedlichen Komponenten, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten (2, 3) formschlüssig zu einem leichten und hochfesten Bauteil (1) miteinander verbunden sind und dass wenigstens ein von einem Precrash- und/oder Early-Crash-Signal ansteuerbarer Aktuator (4, 5, 6) vorgesehen ist, durch den die formschlüssige Verbindung zwischen den Komponenten (2, 3) teilweise oder ganz gelöst und die Festigkeit des Bauteils (1) verringert werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbundbauteil für Kraftfahrzeuge für potentielle Aufprallbereiche von Verkehrsteilnehmern, die nicht von einer sie umgebenden Karosserie geschützt sind, oder von Kleinfahrzeugen mit vergleichsweise geringer Masse, bestehend aus wenigstens zwei miteinander verbundenen unterschiedlichen Komponenten.

Bei der Entwicklung von Fahrzeugen, insbesondere von Personenkraftwagen wird neben der Verbesserung der Sicherheit der Kraftfahrzeuginsassen in zunehmendem Maße auch der Partner- bzw. Fremdschutz berücksichtigt, um die Folgen eines unfallbedingten Aufpralls auf die Karosserie für einen Fußgänger, Radfahrer oder Insassen eines massearmen Kleinfahrzeuges möglichst weitgehend zu begrenzen. Aus der Unfallstatistik und aus Crashversuchen kennt man die bevorzugten Aufprallbereiche. Man weiß also, welche Bereiche der Fahrzeugkarosserie im Hinblick auf die Verletzungsgefahr derartiger Verkehrsteilnehmer möglichst weich und energieabsorbierend ausgelegt werden müssen. Im Allgemeinen kann diese konstruktive Vorgabe jedoch nicht befolgt werden, weil die gleichen Teile eine hohe Eigenfestigkeit aufweisen müssen, um bei geringem Gewicht den erforderlichen Beitrag zur Karosseriesteifigkeit erbringen zu können.

Von besonderem Interesse sind hierbei die gesamte Frontpartie eines Personenkraftwagens und die Motorhaube. Es ist ohne weiteres verständlich, dass eine Frontpartie, die nach den Vorstellungen der Versicherungsunternehmen einen um 40% außermittigen Frontalaufprall mit 15 km/h unbeschädigt überstehen soll, nicht gleichzeitig optimal für einen unfallbeteiligten Fußgänger ausgelegt sein kann. Auch die Motorhaube, die ein relativ großes flächiges Bauteil mit nur wenigen Anlenk- bzw. Auflagepunkten darstellt, muss im Hinblick auf die statischen und dynamischen Beanspruchungen einerseits möglichst leicht und andererseits möglichst steif ausgebildet werden. Auch hier ist es daher schwierig, die Anforderungen, die sich aus dem normalen Fahrbetrieb ergeben mit den Anforderungen zu vereinbaren, die im Hinblick auf eine möglichst geringe Gefährdung von Fußgängern wünschenswert wären.

Zur Verminderung des Fahrzeuggewichtes werden in zunehmendem Maße Verbundbauteile verwendet, die aus Kunststoffformteilen mit eingegossenen metallischen Verstärkungen oder außen liegenden dünnen metallischen Abdeckungen bestehen. Auf diese Weise können beispielsweise bei sog. "front-end moduls" Gewichtseinsparungen im Bereich von 20 bis 25% im Vergleich zu den überlicherweise mehr oder weniger gänzlich aus Stahl hergestellten Modulen erzielt werden (vergl. European Automotive Design, Juni 1999, Seite 20/21).

Aus der DE 199 29 048 A1 ist eine aufprallweiche Frontklappe, insbesondere eine Motorhaube für ein Automobil, bekannt, die durch deren Aufbau im Falle eines Aufpralls Energie verbraucht und dadurch Verletzungen des aufprallenden Körpers vermindert. Die bekannte Motorhaube weist diese Eigenschaft jedoch zu jedem Zeitpunkt auf, so dass bei Zusammenstößen mit anderen Fahrzeugen diese Eigenschaften von Nachteil sein können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige Verbundbauteile so weiterzuentwickeln, dass sie nicht nur einen größtmöglichen Beitrag zur Gewichtsersparnis liefern können, sondern auch die oben geschilderten gegensätzlichen Forderungen nach optimaler Festigkeit bzw. Formsteifigkeit und Nachgiebigkeit bzw. Energieabsorption bei einem Aufprall zu erfüllen. Die gesuchten Verbundbauteile sollen in der Herstellung nicht wesentlich teurer sein als die herkömmlichen Verbundbauteile, damit ihrer Großserienanwendung, die im Hinblick auf den Schutz von Fußgängern, Radfahrern und Insassen von Kleinfahrzeugen sehr wünschenswert ist, nicht an finanziellen Hürden scheitert.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Bauteil der eingangs genannten Art vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Komponenten formschlüssig zu einem leichten und hochfesten Bauteil miteinander verbunden sind und dass wenigstens ein von einem Precrash- oder Early-Crash-Signal ansteuerbarer Aktuator vorgesehen ist, durch den die formschlüssige Verbindung zwischen den Komponenten teilweise oder ganz gelöst und die Festigkeit des Bauteils verringert werden kann

Die Entwicklung eines sog. Precrash-Sensors wird seit längerem diskutiert. Inzwischen sind bereits Prototypen entwickelt worden, die – basierend auf der Radartechnik – Abstand und Abstandsänderungen zu einem möglichen Aufprallhindernis ermitteln und beim Überschreiten vorgebbarer Grenzwerte Rückhaltesysteme im Kraftfahrzeug aktivieren können. Auf diese Weise wird versucht, durch entsprechende Ansteuerung der Rückhaltesysteme flexibel auf die Aufprallstärke und -richtung zu reagieren und zusätzliche Zeit für eine angepaßte Reaktion zu gewinnen. Precrash-Sensoren können kein masseabhängiges Signal liefern, so dass eine die Masse des Unfallhindernisses berücksichtigende Reaktion ausgeschlossen ist.

Von den in Kraftfahrzeugkarosserien zentral angeordneten Crash-Sensoren mit einer Ansprechzeit im Bereich von 15 ms unterscheiden sich die Early-Crash-Sensoren dadurch, dass sie im Bereich der äußeren Karosserieoberfläche angeordnet sind und Ansprechzeiten im Bereich von 5 ms aufweisen. Die um rund 10 ms kürzere Ansprechzeit und die Möglichkeit, ein masseabhängiges Signal zu gewinnen, erlauben es, bei der Ansteuerung der Rückhalte- und Schutzsysteme flexibler zu reagieren und insbesondere auch ein Precrash-Signal zu qualifizieren. So kann man beispielsweise die Reaktion auf ein Precrash-Signal in Abhängigkeit vom Signal des Early-Crash-Sensors unterdrücken oder aber eine eingeleitete Reaktion bei reversiblen Systemen rückgängig machen.

Der Erfindung liegt die Erwägung zugrunde, unter Ausnutzung eines Precrash- und/oder Early-Crash-Signals Aufprallbereiche der Karosserie bzw. einzelner Karosserieteile gegenüber ihrem konstruktiven Ausgangszustand bereits vor einem Aufprall oder innerhalb kürzester Zeit nach dem Aufprall möglichst weitgehend zu schwächen, um die Unfallfolgen herabmindern zu kön nen. Da die Gesamtfestigkeit von Verbundbauteilen auf dem Zusammenwirken der Komponenten beruht, kann man die gewünschte Entfestigung dadurch erreichen, dass man den Verbund zwischen den Komponenten ganz oder teilweise auflöst, so dass aus dem ursprünglich sehr formsteifen Verbundbauteil ein relativ leicht verformbares Ensemble von mehr oder weniger voneinander getrennten Komponenten entsteht.

Vorteilhafte konstruktive Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 beschrieben.

Eine weitergehende Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ergibt sich aus Unteranspruch 8, der vorsieht, dass die formschlüssige Verbindung zwischen den Komponenten unter elastischer Vorspannung wenigstens einer der Komponenten teilweise lösbar ist, der Aktuator durch ein Early-Crash-Signal reversibel ansteuerbar ist und die formschlüssige Verbindung durch die elastische Vorspannung selbsttätig in ihren ursprünglichen Zustand rückversetzbar ist.

Die mit einem Precrash-Signal erreichbaren Vorteile können bei der Serienfertigung von Kraftfahrzeugen nur dann ausgenutzt werden, wenn das Signal ausreichend selektiv ist, d. h. wenn man zwischen einem echten Hindernis und einem auffliegenden Pappkarton sicher unterscheiden kann. Es wäre untragbar, wenn Airbags, Gurtstraffer und dergleichen von einem Fehlsignal aktiviert würden, weil derartige Falschauslösungen die Kraftfahrzeuginsassen mehr gefährden als schützen würden und mit erheblichen Kosten verbunden sind. Das gleiche gilt für die erfindungsgemäß vorgesehene Schwächung von Verbundbauteilen. Vorgesehen ist daher nur eine teilweise Lösung der formschlüssigen Verbindung zwischen den Komponenten und eine reversible Ansteuerung des Aktuators, wenn auf das Precrash-Signal kein oder nur ein sehr schwaches Early-Crash-Signal folgt. In derartigen Fällen wird zwar die für den Partnerschutz notwendige Schwächung des oder der Verbundbauteile kurzzeitig erreicht, dann aber wieder zurückgenommen, um den Verbundbauteilen die für den normalen Fahrzeugbetrieb erforderliche Festigkeit zurückzugeben. Dabei sollen die verbleibenden Bindungskräfte zwischen den Komponenten nach dem teilweisen Auflösen der formschlüssigen Verbindung möglichst so gering sein, dass das vollständige Ablösen der Komponenten voneinander keine nennenswerte Vergrößerung des Aufprallwiderstandes darstellt.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgedankens besteht darin, dass gemäß Anspruch 9 zwischen den formschlüssig miteinander verbundenen Komponenten außerdem noch dämpfende und bei Verformung energieabsorbierende Puffer angeordnet sind.

Weitere Einzelheiten werden anhand der in den 1 bis 4 schematisch stark vereinfachten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

1 einen Ausschnitt eines Verbundbauteils gemäß der Erfindung im Ursprungszustand

2 den Ausschnitt des Verbundbauteils gemäß 1 nach teilweiser Lösung der formschlüssigen Verbindung

3 einen Ausschnitt eines anderen Verbundbauteils gemäß der Erfindung
4 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundbauteils. Das in 1 dargestellte Bauteil 1 besteht aus einer ersten Komponente 2 in Form eines dünnwandigen Bleches und einer zweiten Komponente 3 in Form eines Kunststoffformteils, das mit Vorsprüngen 3a in Ausnehmungen 8 der ersten Komponente 2 eingreift. Auf diese Weise ist ein Verbundbauteil geschaffen, dass die Übertragung hoher Scherkräfte zwischen den Komponenten 2 und 3 erlaubt. In den Bereichen außerhalb der Versprünge 3a bzw. Ausnehmungen 8 ist zwischen den Komponenten 2 und 3 ein Aktuartor 4 in Form einer piezo aktiven Folie angeordnet. Derartige Folien sind in der Lage, bei Anlegen einer entsprechenden elektrischen Spannung ihre Dicke schlagartig zu vergrößern, wobei verwertbare Hübe bis 0,5 mm erreicht werden. Mit Hilfe einer derartigen Folie kann die formschlüssige Verbindung zwischen den Komponenten 2 und 3 um ein vorgebbares Maß gelöst werden, so dass das Bauteil 1 erheblich geschwächt wird und keine nennenswerten Scherkräfte mehr übertragen werden können.
Ein derartiger Zustand ist für das Verbundbauteil gemäß 1 in 2 dargestellt. Die piezoaktorische Folie 4 hat sich ausgedehnt und dabei die Komponente 2 von der Komponente 3 abgelöst. Die Ausnehmungen 8 erscheinen gegenüber den Vorsprüngen 3a nach oben verschoben, wobei das Maß der Ablösung einerseits von der Blechstärke der Komponente 2 und andererseits vom Hubvermögen der piezoaktorischen Folie abhängig ist. In beiden 1 und 2 sind die Dickendarstellung der Komponenten 2 und 3 und das Ausmaß der Ablösung (ca. 50% der Blechstärke) nicht streng maßstäblich zu sehen. Es ist ohne weiteres ersichtlich, dass im Rahmen des Erfindungsgedankens auch andere Abmessungen und Lösungsgrade ohne weiteres realisierbar sind.
Bei der Ausführungsform gemäß 3 ist die formschlüssige Verbindung zwischen den Komponenten 2 und 3 ähnlich gestaltet wie in den 1 und 2, wobei wiederum Vorsprünge 3a der aus Kunststoff bestehende Komponente 3 in Ausnehmungen 8 der aus einem dünnen Blech bestehende Komponente 2 des Bauteils 1 eingreifen. Quer zur Längserstreckung der Ausnehmungen und versetzt zu diesen sind hier zwischen den Komponenten Gaskanäle 6 vorgesehen, die von einem Gasgenerator 5 bei vorliegen eines Precrash-Signals mit Druckgas beaufschlagbar sind. In diesem Fall ist die formschlüssige Verbindung nur irreversibel und vollständig zu lösen, weil es derzeit noch nicht möglich ist, die im Bereich von Millisekunden aktivierbaren Gasgeneratoren so zu steuern, dass über das gesamte Bauteil 1 nur eine gleichmäßige teilweise Lösung der formschlüssigen Verbindung erreicht wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 besteht die eine Komponente wieder aus einem dünnen Blech 2, während die Komponente 3 wiederum ein Kunststoffformteil ist. In diesem Kunststoffformteil sind unterhalb der formschlüssig eingebundenen Blechbereiche 2a, 2b gleichgerichtete Ausnehmungen 10 vorgesehen, in denen im Querschnitt ovale Stäbe 7 drehbar angeordnet sind. Die Stäbe 7 sind über ein schematisch dargestelltes Hebesystem mit einem reversibel ansteuerbaren Aktuator, beispielsweise in Form eines Elektromotors gekoppelt. Aus der rechten Teildarstellung ist ersichtlich, dass bei einer Drehung der ovalen Stäbe um 90 Grad der max. mögliche Hub erreicht wird, mit dem die Blechbereiche 2a, 2b aus ihrer Ursprungslage in die angehobene Lage befördert werden können. Auch hier kann man durch entsprechende Gestaltung der Querschnittabmessungen der ovalen Stäbe und der Bemessung der Dicke der Blechbereiche 2a, 2b den Grad der Lösbarkeit festlegen. Darüber hinaus ist es jedoch bei dieser Version auch möglich, durch eine Drehung der Stäbe um weniger als 90 Grad einen beliebigen Rest an formschlüssigen Eingriff zwischen den Blechbereichen 2a, 2b und der Komponente 3 für den Fall beizubehalten, dass ein Precrash-Signal nicht durch ein Early-Crash-Signal bestätigt wird. Ebenso wie bei dem Ausführungsbeispiel der 1 und 2 kann dann der Aktuator – dort die piezoaktorische Folie 4, hier der Motor 9 – reversibel angesteuert werden, um die Voraussetzung dafür zu schaffen, dass der ursprünglich Verbundzustand erreicht werden kann. Sorgt man ferner dafür, dass das teilweise Lösen der formschlüssigen Verbindung mit einer elastischen Verformung wenigstens einer der Komponente verbunden ist, so können die elastischen Rückstellkräfte der beteiligten Materialbereiche dazu ausgenutzt werden, den in den 1 und 4, linke Hälfte dargestellten Ausgangszustand selbsttätig wieder zu erreichen. Diese Möglichkeit der reversiblen Veränderung der Festigkeit der erfindungsgemäßen Verbundbauteile erleichtert die Anwendung von Precrash-Signalen, weil sie dann nicht zwingend zu einer irreversiblen Entfestigung von Karosseriebauteilen führen sondern die Herstellung der ursprünglichen, für den normalen Fahrbetrieb erforderlichen Formfestigkeit der Karosserie aufrecht zu erhalten bzw. selbsttätig wieder herzustellen.

Claims

Verbundbauteil für Kraftfahrzeuge für potentielle Aufprallbereiche von Verkehrsteilnehmern, die nicht von einer sie umgebenden Karosserie geschützt sind, oder von Kleinfahrzeugen mit vergleichsweise geringer Masse, bestehend aus wenigstens zwei miteinander verbundenen, unterschiedlichen Komponenten, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten (2, 3) formschlüssig zu einem leichten und hochfesten Bauteil (1) miteinander verbunden sind und dass wenigstens ein von einem Precrash- und/oder Early-Crash-Signal ansteuerbarer Aktuator (4, 5, 6) vorgesehen ist, durch den die formschlüssige Verbindung zwischen den Komponenten (2, 3) teilweise oder ganz gelöst und die Festigkeit des Bauteils (1) verringert werden kann.
Verbundbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die formschlüssige Verbindung aus einer Mehrzahl über das gesamte Bauteil verteilter Verbindungsstellen besteht.
Verbundbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Komponente aus einem dünnwandigen Blech (2) und die andere Komponente aus einem Kunststoffformteil (3) besteht.
Verbundbauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech (2) Ausnehmungen (8) aufweist, in die das Kunststoffformteil (3) formschlüssig eingreift.
Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator aus einer zwischen den Komponenten (2, 3) angeordneten piezoaktorischen Folie (4) besteht.
Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator aus einem pyrotechnischen Gasgenerator (5) besteht und dass zwischen den Komponenten (2, 3) mit Druckgas beaufschlagbare Gaskanäle (6) vorgesehen sind.
Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator aus einer Mehrzahl zwischen den Komponenten angeordneten, im Querschnitt ovalen Stäben (7) und einem Drehantrieb (9) für die Stäbe (7) besteht.
Verbundbauteil nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass – die formschlüssige Verbindung zwischen den Komponenten (2, 3) unter elastischer Vorspannung wenigstens einer der Komponenten (2, 3) teilweise lösbar ist, – der Aktuator (4, 9) durch ein Early-Crash-Signal reversibel ansteuerbar ist und – die formschlüssige Verbindung durch die elastische Vorspannung in ihren ursprünglichen Zustand rückversetzbar ist.
Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den formschlüssig miteinander verbundenen Komponenten außerdem noch dämpfende und bei Verformung energieabsorbierende Puffer angeordnet sind.