DE102004031222B3

DE102004031222B3 - Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102004031222B3
Application number: DE200410031222
Authority: DE
Inventors: Jochem Fischer
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2004-06-28
Filing date: 2004-06-28
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2024-06-29

Abstract

Zur Früherkennung von drohenden Schäden, insbesondere von Rissen an Strukturbauteilen eines Kraftfahrzeugs, ist in den Verbindungsbereich 4 zwischen Blechen 2, 3 des Strukturbauteils 1 ein Belastungsdetektor 5 mit einem Sollbruchelement 6 integriert, welcher mit einer Diagnoseeinheit 8 in Verbindung steht. Das Sollbruchelement 6 ist in einem begrenzt elastischen Grundkörper 7 eingebettet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug, welches aus zumindest zwei miteinander verbundenen Blechen gebildet ist.
Der überwiegende Teil moderner Kraftfahrzeuge verfügt über eine sogenannte selbsttragende Karosserie. Diese besteht aus mehreren hunderten verschieden geformten Blechteile, Blechhohlkörpern und -schalen. Zu den Strukturbauteilen zählen alle tragenden, stabilitäts- und sicherheitsrelevanten Karosseriekomponenten, beispielsweise Längs- und Querträger, Seitenschweller und die A-, B-, C-Säulen. Aus technischer Sicht müssen diese immer ein Höchstmaß an Sicherheit garantieren. Die Karosseriesteifigkeit ist einer der wesentlichen Schlüssel für Sicherheit, Stabilität, Komfort und Haltbarkeit eines Kraftfahrzeugs. Eine Verformung der Karosserie würde sich unmittelbar auf das gesamte Fahrverhalten des Fahrzeugs auswirken.
Durch die heutzutage immer größer werdenden Wartungs- und Inspektionsintervalle werden die Karosserie und deren Strukturbauteile immer mehr belastet. Insbesondere an kritischen Verbindungsstellen, die im Fahrbetrieb statischen und dynamischen Belastungen, insbesondere hohen Schwingungsbelastungen unterliegen, kann es zu Bauteilermüdungen bis hin zur Schwingungsrissbildung kommen. So können durch Aufreißen von Schweißnähten oder -punkten kritische Verbindungen zerstört werden. Dies kann sich besonders kritisch auswirken, da aufgrund von möglichst niedrigen Fertigungskosten immer weniger Schweißpunkte/-nähte an der Karosserie bzw. deren Strukturbauteilen gesetzt werden. Insbesondere sehr dünnwandige Strukturbauteile sind rissanfällig mit der Folge, dass dort Schäden verstärkt auftreten.

Mit der DE 31 11 698 A1 gehört ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überprüfung von Schäden, Missbildungen und Verbindungslockerungen an überlappenden Verbindungen zum Stand der Technik. An einer Verbindung von zwei Blechen ist eine die Verbindungsteile durchsetzende Kontrollbohrung vorgesehen. Im Laufe des Lebenszyklus wird die Bohrung mit Passstiften auf Fluchten geprüft. Die Überprüfung kann auch mittels eines permanent eingesetzten Passstiftes erfolgen, der eine Sollbruchstelle aufweist. Der Bruch des Passstiftes wird an eine Diagnoseeinheit weitergeleitet. Es ist auch vorgesehen, die Lastaufnahme einer Messverschraubung über in die Schraube integrierte Dehnmessstreifen bzw. über Unterlegscheiben aus Piezomaterial zu messen. Die ermittelte Lastaufnahme wird dann ebenfalls von der Diagnoseeinheit ausgewertet.

Die DE 198 35 561 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auslösen von Airbags, wobei drucksensitive Sensoren im Falle eines Unfalls über eine Steuereinheit die im Fahrzeug angeordneten Airbags auslösen. Die Sensoren sind über Signalausgänge mit einem Steuergerät verbunden. Als Drucksensoren sind Piezosensoren vorgesehen, die folienartig ausgebildet und außenseitig am Fahrzeug befestigt sind.

In der EP 1 242 796 B1 wird ein Berührungssensor mit druckabhängigem Kontaktwiderstand offenbart. Zwei leitfähige Werkstücke liegen dazu in einer Auflagefläche aufeinander und haben mechanischen Kontakt. Eines der Werkstücke besteht aus einem Elastomermaterial. Durch einen Druck auf die Auflagefläche wird ein Kontakt hergestellt, wobei der Kontaktwiderstand vom auf die Fläche ausgeübten Druck abhängig ist. Eine an den Berührungssensor angeschlossene Diagnoseeinheit wertet vom Sensor aufgenommene Signale aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug aufzuzeigen, an dem eine Schadenserkennung möglich ist bevor es zu einem Komplettversagen des Strukturbauteils kommt.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in einem Strukturbauteil gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 1.

Das Strukturbauteil besteht aus zumindest zwei miteinander verbundenen Blechen. In den Verbindungsbereich der Bleche ist ein Belastungsdetektor integriert, welcher mit einer Diagnoseeinheit signalübertragend in Verbindung steht. Der Belastungsdetektor weist ein Sollbruchelement auf. Das Sollbruchelement reißt bei einer übermäßigen Dehnung. Hierdurch kündigt sich eine Bauteilbeschädigung an. Dies wird von der Diagnoseeinheit erkannt und entsprechend zur Anzeige gebracht. Das Sollbruchelement ist in einem begrenzt elastischen Grundkörper eingebettet. Der Grundkörper schützt das Sollbruchelement und hält die Verbindung zwischen den Blechen aufrecht, auch wenn das Sollbruchelement ausgelöst hat.

Des Weiteren ist im Verbindungsbereich ein Foliensensor, insbesondere ein piezoelektrischer Foliensensor, zwischen den Blechen angeordnet, der zur Überwachung des Verbindungsbereichs zwischen den Blechen des Strukturbauteils herangezogen wird. Der Foliensensor gibt bei Unregelmäßigkeiten im Verbindungsbereich in Folge von auftretenden mechanischen Kräften, beispielsweise bei einer Rissbildung, ein elektrisches Signal ab, das gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Verstärkers an die Diagnoseeinheit weitergegeben wird. Hierdurch ist eine permanente Überwachung besonders wichtiger Strukturbauteile mit einer Frühwarnung möglich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des grundsätzlichen Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 und 3.

Über den in den Verbindungsbereich der Bleche integrierten Belastungsdetektor werden drohende bzw. beginnende Bauteilbeschädigungen der Strukturbauteile detektiert und durch die Diagnoseeinheit erkannt sowie zur Anzeige gebracht. Die Beschädigung wird erkannt, bevor es zu einem Komplettversagen des Strukturbauteils kommt. Hierdurch können schwerwiegende Unfälle vermieden werden. Der Fahrzeughalter erhält ein visuelles oder akustisches Signal im Kraftfahrzeug und wird auf die potentielle Gefahrensituation aufmerksam gemacht. Dies kann beispielsweise über den Bordcomputer erfolgen. Des Weiteren kann eine Schnittstelle vorgesehen sein, über die eine Prüfabfrage in einer Werkstatt vorgenommen werden kann.

Erfindungsgemäß werden insbesondere tragende sicherheitsrelevante Strukturbauteile on-board überwacht, beispielsweise die B-Säule und der Seitenschweller bzw. der Verbindungsbereich zwischen B-Säule und Seitenschweller.

Die Auslösung des Sollbruchelements kann auf unterschiedliche Weise detektiert werden, beispielsweise durch eine elektrische Widerstands- oder Kapazitätsmessung.

Zweckmäßigerweise besteht der Grundkörper aus einem Werkstoff, der einen höheren Elastizitätsmodul als das Sollbruchelement besitzt.

Zumindest die Verbindung zwischen dem Grundkörper und den Blechen kann durch eine Klebefügung bewirkt sein. Selbstverständlich sind auch andere Fügeverbindungen von Grundköper, Sollbruchelement und den Blechen im Verbindungsbereich möglich.

Der Belastungsdetektor kann von einem Sollbruchelement und einem Foliensensor gebildet sein, die unmittelbar miteinander gekoppelt sind. Auch kann das Sollbruchelement in den Foliensensor integriert sein.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 technisch schematisiert einen Ausschnitt aus einem Strukturbauteil in einer Schnittdarstellung;
2 das Strukturbauteil gemäß der 1 nach einer Überbelastung und
3 einen Ausschnitt aus einer weiteren Ausführungsform eines Strukturbauteils mit der Darstellung des Verbindungsbereichs.
Die 1 und 2 zeigen einen Ausschnitt aus einem Strukturbauteil 1, welches aus zumindest zwei miteinander verbundenen Blechen 2, 3 gebildet ist. Die beiden Bleche 2, 3 sind beispielsweise durch eine Schweißnaht miteinander gefügt. In den Verbindungsbereich 4 der Bleche 2, 3 ist ein Belastungsdetektor 5 integriert. Dieser umfasst ein Sollbruchelement 6, welches in einem Grundkörper 7 eingebettet ist und mit einer Diagnoseeinheit 8 signalübertragend in Verbindung steht.
Das Sollbruchelement 6 reißt bei einer übermäßigen Dehnung. Dies ist in der 2 verdeutlicht. Hierdurch kündigt sich eine Bauteilbeschädigung an. Die Auslösung des Sollbruchelements 6 kann durch eine elektrische Widerstands- oder Kapazitätsmessung detektiert werden. Die Überbelastung wird visuelle zur Anzeige gebracht, so dass potentielle Gefahrensituationen im Vorfeld erkannt werden können. Das Strukturbauteil 1 kann dann ausgetauscht werden, bevor es zu einem Totalversagen mit möglichen schwerwiegenden Folgen kommt.
Bei dem Sollbruchelement 6 kann es sich beispielsweise um einen dünnen Draht handeln. Der Grundkörper 7 besteht aus einem Werkstoff mit einem gegenüber dem Werkstoff des Sollbruchelements 6 höheren Elastizitätsmodul. So kann die Verbindung zwischen den Blechen 2, 3 über den Grundkörper 7 auch nach einem Auslösen des Sollbruchelements 6 aufrechterhalten werden.
Der Belastungsdetektor 5 ist in den Verbindungsbereich 4 eingeklebt. Hierbei ist zumindest die Verbindung zwischen dem Grundkörper 7 und den Blechen 2, 3 durch eine Klebefügung bewirkt.
Die in der 3 dargestellte Ausführungsform eines Strukturbauteils 9 entspricht vom grundsätzlichen Aufbau der zuvor beschriebenen. Von daher tragen einander entsprechende Bauteile die gleichen Bezugszeichen.
Bei dem Strukturbauteil 9 ist im Verbindungsbereich 4 zwischen den Blechen 2 und 3 zusätzlich ein piezoelektrischer Foliensensor 10 angeordnet. Bei dem Foliensensor 10 handelt es sich um einen dünnen aktiven elektromechanischen Wandler, der mechanische Energie in elektrische Energie und umgekehrt umwandeln kann. Mechanische Belastungen, beispielsweise in Folge von Schwingungen können so konstant überwacht werden. Bei Überschreiten bestimmter Grenzwerte mit einer übermäßigen Dehnung des Foliensensors 10 und des Sollbruchelements 6 wird das Frühwarnsystem der Diagnoseeinheit 8 aktiviert. Für die Praxis wird insbesondere die Kombination des Sollbruchelements 6 mit dem Foliensensor 10 als vorteilhaft angesehen, da hierdurch eine redundante Überwachung des Verbindungsbereichs 4 zwischen den Blechen 2, 3 des Strukturbauteils 9 möglich ist.

1: Strukturbauteil
2: Blech
3: Blech
4: Verbindungsbereich
5: Belastungsdetektor
6: Sollbruchelement
7: Grundkörper
8: Diagnoseeinheit
9: Strukturbauteil
10: Foliensensor

Claims

Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug, welches aus mindestens zwei miteinander verbundenen Blechen (2, 3) gebildet ist, und in den Verbindungsbereich (4) der Bleche (2, 3) ein Belastungsdetektor (5) mit einem Sollbruchelement (6) und ein Foliensensor (10) integriert sind, welche mit einer Diagnoseeinheit (8) in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass das Sollbruchelement (6) in einen begrenzt elastischen Grundkörper (7) eingebettet ist und der Foliensensor (10) zwischen den Blechen (2, 3) angeordnet ist.
Strukturbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (7) aus einem Werkstoff besteht, der einen höheren Elastizitätsmodul als das Sollbruchelement (6) besitzt.
Strukturbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen dem Belastungsdetektor (5) und den Blechen (2, 3) durch eine Klebefügung bewirkt ist.