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Die
Erfindung betrifft ein rohrförmiges
Crashelement für
Kraftfahrzeuge nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Derartige
Crashelemente werden im Fahrzeugbau dazu verwendet, bei Unfällen mit
geringer Fahrzeuggeschwindigkeit die im Falle eines Aufpralls auf
ein Hindernis auf das Fahrzeug einwirkende Stoßenergie durch Verformungsarbeit
abzubauen, sodass es nicht zu einer reparaturintensiven plastischen
Verformung der tragenden Karosserieteile kommt. Auf diese Weise
sollen die Reparaturkosten bei Unfällen mit geringen Fahrzeuggeschwindigkeiten
so gering wie möglich
gehalten werden.
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Aus
der
DE 199 59 701
A1 ist ein Crashelement (Crashbox) bekannt, das für den voranstehend genannten
Anwendungsfall vorgesehen ist. Dieses bekannte Crashelement weist
ein über
seine Längserstreckung
im Wesentlichen gleich bleibendes Kastenprofil auf, welches in Einleitungsrichtung
der aufzunehmenden Kraft mit einer derartigen konischen Erweiterung
ausgebildet ist, dass sich bei einem Zusammendrücken durch die aufzunehmende
Kraft das deformierte Material im Wesentlichen innerhalb des Querschnitts
der verbleibenden Deformationslänge des
Kastenprofils wenigstens annähernd
faltenartig anhäuft.
Bei diesem bekannten Crashelement sind in das Kastenprofil Sicken
eingebracht, die dafür
sorgen, dass die Faltungsart des Materials vorgegeben wird, sodass
eine gleichmäßige Kraftaufnahme
erreicht wird. Dieses bekannte Crashelement ist in Schalenbauweise
ausgeführt
und besteht aus zwei Blechschalen, die als Blechpressteile aus gebildet und
miteinander verschweißt
sind. Weiterhin weisen die Blechschalen Anschlussflansche auf, mit
denen das Crashelement mit der Fahrzeugkarosserie verbindbar ist.
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Bei
dem aus der
DE 199
59 701 A1 bekannten Crashelement ist nachteilig, dass die
Blechpressteile vergleichsweise aufwendig gestaltet sind. Insbesondere
die in die Blechhalbschalen eingebrachten Sicken und die angeformten
Befestigungsflansche bedingen vergleichsweise hohe Werkzeugkosten und
eine aufwendige Fertigungsweise.
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Alternativ
zu den sich im Crashfall auffaltenden kastenförmigen Crashelementen sind
aus dem Stand der Technik zahlreiche so genannte Stülprohr-Energieabsorptionselemente
bekannt, die nach dem Prinzip der rollenden Biegung arbeiten und eine
hohe Energieabsorption mit gleichmäßigem Kraftniveau ermöglichen.
Ein derartiges Crashelement ist beispielsweise aus der
DE 198 03 156 C1 bekannt.
Bei diesem Crashelement ist es erforderlich, dass das Stülpprofil
vor dem Aufprall des Kraftfahrzeugs auf das Hindernis aus einer
Ruhelage in eine Deformationsposition/Absorptionsposition geschoben
wird. Hierzu ist eine Antriebsvorrichtung vorgesehen, mittels der
das Stülpprofil
schlagartig in eine Absorptionsposition überführbar ist. Damit dieses System
arbeiten kann, ist darüber
hinaus eine Aktivierungssteuerung sowie eine Aufprallsensorik erforderlich.
Dieses bekannte System ist somit vorrichtungstechnisch aufwendig
und dementsprechend kostenintensiv.
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Aus
der DE-AS 1 931 844 ist ein Crashelement mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Patentanspruchs 1 bekannt. Bei diesem Crashelement handelt es
sich um ein Stülprohr-Energieabsorptionselement,
welches einen Stülprohrabschnitt
und einen Aufnahmerohrabschnitt aufweist. Stülprohrabschnitt und Aufnahmerohrabschnitt
sind über
einen Übergangsbereich
miteinander verbunden. Das so gestaltete Crashelement ist entweder
als einteiliges Rohr ausgebildet oder es besteht aus in einer Vertikalebene
geteilten separaten Rohrabschnitten. Im Falle des einteiligen Rohres
ist ein zusätzlicher
Ring erforderlich, der den Aufnahmerohrabschnitt im Übergangsbereich
vom großen
Querschnitt auf den kleinen Querschnitt lokal verstärkt und
der einen Widerstand entgegen der Wirkungslinie der Aufprallkraft
darstellt, welcher die einrollende Biegung des Stülprohrabschnitts
und damit die Energieabsorption ermöglicht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Crashelement gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 anzugeben, welches einfacher und kostengünstiger
herstellbar ist. Insbesondere soll auf separate Bauteile, welche
die rollende Biegung des Stülprohrabschnittes
erst ermöglichen,
vollständig verzichtet
werden können.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Crashelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis
8 angegeben.
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Dadurch,
dass das Crashelement in Längsrichtung
geteilt ist und aus zwei pressgeformten Blechhalbschalen gebildet
ist, wird eine einfache und kostengünstige Herstellung des Crashelements
erreicht. Die Blechhalbschalen sind auf sehr einfache und kostengünstige Art
und Weise herstellbar. Auch das Zusammensetzen der Blechhalbschalen
durch das Verschweißen
derselben ist ein sehr kostengünstiger
und einfach durchführbarer
Fertigungsschritt. Das erfindungsgemäße Crashelement ist mithin
besonders kostengünstig
und einfach im konstruktiven Aufbau.
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Die
Erfindung verbindet die Vorteile eines nach dem Prinzip der Stülprohr-Energieabsorptionselemente
arbeitenden Crashelements mit den Vorteilen der Schalenbauweise
unter Verwendung pressgeformter Blechhalbschalen. Obwohl Stülprohr-Energieabsorptionselemente
bereits seit langer Zeit aus dem Stand der Technik bekannt sind,
wurden diese bislang nicht in Schalenbauweise unter Ausnutzung der
damit verbundenen Vorteile hergestellt.
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Als
Werkstoffe für
die Blechhalbschalen eignen sich insbesondere höherfeste Stahlbleche mit einer
Streckgrenze größer 300
MPa.
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Damit
das Crashelement in die Fahrzeugkarosserie integriert werden kann,
sind stirnseitig Abschlussplatten angeordnet, die mit den Blechhalbschalen
verschweißt
sind. Erfindungsgemäße Crashelemente
können
z.B. vorteilhaft zwischen dem Querträger und dem Längsträger eines
Kraftfahrzeugs eingebaut werden. Die Anschlussplatten dienen dann
der Befestigung an dem Quer- bzw. dem Längsträger.
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Um
sicherzustellen, dass der Stülprohrabschnitt
bei der durch einen Aufprall auf ihn einwirkenden Kraft die beabsichtigte
rollende Biegebewegung, bei der die Energieabsorption stattfindet,
ausführt, nutzt
die Erfindung die Erkenntnis aus, dass es durch eine geeignete Dimensionierung
der Radien im Bereich des Übergangs
von dem kleinen Querschnitt auf den großen Querschnitt und in umgekehrter
Richtung ein verlässliches
Einrollen des Stülprohrabschnitts
erreicht werden kann. Auf einen zusätzlichen Ring, wie er z.B.
in der DE-AS 1 931 844 vorgesehen ist, kann daher verzichtet werden.
Alleine durch das geeignete Zusammenspiel der unter Berücksichtigung
der Dicke der Blechhalbschalen aufeinander abgestimmten Radien im Übergangsbereich
wird ein sicheres Einrollen des Stülprohrabschnitts erreicht und
die ordnungsgemäße Funktion
des Crashelementes sichergestellt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass die Dicke der Blechhalbschalen zwischen 1,5 und 3,0 mm beträgt und der
erste Radius, d.h. der Radius am Übergang vom kleinen Querschnitt
auf den großen Querschnitt
zwischen 6 und 10 mm und der zweite Radius, d.h. der Radius am Übergang
vom großen Querschnitt
auf den kleinen Querschnitt zwischen 4 und 9 mm liegt. Die Radiusangaben
beziehen sich dabei jeweils auf die neutrale Faser des Blechwerkstoffes.
Besonders bevorzugt sind Werte für
die Dicke der Blechschalen im Bereich zwischen 1,8 und 2,5 mm. In diesem
Fall sollte der erste Radius zwischen 7 und 9 mm betragen und der
zweite Radius zwischen 5 und 8 mm liegen.
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Die
im Bereich des Kraftfahrzeugkarosseriebaus bekannte und erprobte
Tailored Blanks Technologie ist auch in Bezug auf den erfindungsgemäßen Gegenstand
vorteilhaft einsetzbar. Unter Tailored Blanks Technologie ist in
diesem Zusammenhang das Kombinieren von Stahlblechen unterschiedlicher Dicken
und/oder Werkstoffgüten
durch Laserstrahlschweißen
zu verstehen. Auf diese Weise können ebene
Blechhalbzeuge hergestellt werden, die Abschnitte oder Bereiche
unterschiedlicher Eigenschaften, z.B. Festigkeitseigenschaften aufweisen.
Aus diesen Halbzeugen lassen sich dann z.B. durch Pressformen Bauteile
herstellen, deren Eigenschaften lokal an die im Einsatzfall auftreten
Belastungen und Anforderungen angepasst sind.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Crashelement können die
Blechhalbschalen vorteilhaft aus mehreren miteinander verschweißten Blechabschnitten
unterschiedlicher Stahlwerkstoffe und/oder Blechdicke gebildet sein.
Auf diese Weise können über die Längserstreckung
des Crashelementes abschnittsweise die Eigenschaften der Blechhalbschalen
an die Anforderungen angepasst werden, welche das Crashelement lokal
zu erfüllen
hat. So kann beispielsweise der Aufnahmerohrabschnitt aus einem Blechabschnitt,
größerer Dicke
und/oder höherer Festigkeit
bestehen, während
der Stülprohrabschnitt aus
einem dünneren
Material und/oder einem Material geringerer Festigkeit gebildet
ist. Auf diese Weise lässt
sich das Energieabsorptionsverhalten des Crashelementes an die Anforderungen
des Einzelfalls anpassen. Es kann beispielsweise die Höhe der maximal
absorbierbaren Energie variiert werden. Ebenso ist es möglich, das
Kraftniveau der Energieabsorption einzustellen.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Im
Einzelnen zeigen
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1 ein
Crashelement aus zwei miteinander über Punktschweißungen verbundenen
pressgeformten Blechhalbschalen ohne Anschlussplatten in perspektivischer
Darstellung;
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2 ein
Crashelement gemäß 1,
jedoch mit an den Stirnseiten angeschweißten Anschlussplatten.
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In 1 ist
das erfindungsgemäße Crashelement
ohne stirnseitige Anschlussplatten dargestellt. Das Crashelement
umfasst einen Stülprohrabschnitt 1 und
einen Aufnahmerohrabschnitt 2. Der Stülprohrabschnitt 1 und
der Aufnahmerohrabschnitt 2 sind über einen Übergangsbereich 3 miteinander verbunden.
Dabei gehen der Stülprohrabschnitt 1 und
der Aufnahmerohrabschnitt 2 kontinuierlich ineinander über.
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Der
Stülprohrabschnitt 1 weist
einen ersten Querschnitt auf, der kleiner ausgebildet ist als der Querschnitt
des Aufnahmerohrabschnitts 2. Hinsichtlich ihrer Form entsprechen
die beiden Querschnitte einander.
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In
dem Bereich, in dem der Querschnitt des Stülprohrabschnitts 1 eine
Querschnittserweiterung erfährt
und in den Übergangsbereich 3 übergeht,
ist ein erster Radius R1 ausgebildet. Ebenso ist in dem Bereich,
in dem der Querschnitt des Aufnahmerohrabschnitts 2 in
den Übergangsbereich 3 übergeht,
ein zweiter Radius R2 ausgebildet. Die beiden Radienbereiche sind
im Übergangsbereich 3 über eine
Absatzfläche 4 miteinander
kontinuierlich verbunden. Die Absatzfläche 4 ist vorzugsweise
im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse
des Crashelements ausgerichtet.
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Das
in 1 gezeigte Crashelement besteht aus zwei miteinander über Punktschweißungen 9 verbundene
Blechhalbschalen 5, 6, die als pressgeformte Blechhalbschalen
ausgeführt
sind. Derartige pressgeformte Blechhalbschalen sind mit sehr einfach
gestalteten Umformwerkzeugen auf einfache und kostengünstige Weise
herstellbar.
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In 2 ist
im Wesentlichen das gleiche Crashelement dargestellt wie in 1,
jedoch sind bei der Darstellung in 2 stirnseitig
Anschlussplatten 7, 8 vorgesehen, die als Blechplatten
ausgebildet und mit dem Crashelement verschweißt sind. Über diese Anschlussplatten 7, 8 kann
das Crashelement mit den Bauteilen der Karosserie verbunden werden, zwischen
denen es wirksam sein soll. So kann beispielsweise das erfindungsgemäße Crashelement zwischen
dem Querträger
und dem Längsträger eines
Kraftfahrzeugs eingebaut werden, indem die Anschlussplatte 8 mit
dem Querträger
und die Anschlussplatte 7 mit dem Längsträger verbunden wird. Die Verbindung
kann dabei z.B. durch Schweißen oder
durch Schraubverbindungen erzielt werden.
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Durch
eine geeignete Dimensionierung der Radien R1 und R2 wird bei dem
erfindungsgemäßen Crashelement
sichergestellt, dass im Crashfall durch die auf das Crashelement
in Längsrichtung
desselben einwirkende Kraft eine Einstülpung des Stülprohrabschnitts 1 in
den Aufnahmerohrabschnitt 2 nach dem Prinzip der rollenden
Biegung erfolgt. Dabei wird die kinetische Energie des Aufpralls
in Verformungsarbeit im Rahmen der rollenden Biegung umgewandelt
und auf diese Weise absorbiert.
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Bei
der Dimensionierung der Radien R1 und R2 ist insbesondere auch die
Blechdicke der Blechhalbschalen 5, 6 zu beachten.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung beträgt
die Blechdicke der Blechhalbschalen zwischen 1,5 und 3,0 mm, während der
erste Radius R1 zwischen 6 und 10 mm und der zweite Radius R2 zwischen
4 und 9 mm beträgt.
Dabei beziehen sich die Radiusangaben stets auf die neutrale Faser
des Blechwerkstoffes der Blechhalbschalen 5, 6.
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Eine
besonders sichere Einstülpung
des Stülprohrabschnitts 1 in
den Aufnahmerohrabschnitt 2 unter Energieabsorption nach
dem Prinzip der rollenden Biegung wird erreicht, wenn die Dicke
der Blechhalbschalen 5, 6 zwischen 1,8 und 2,5
mm, der erste Radius R1 zwischen 7 und 9 mm und der zweite Radius
R2 zwischen 5 und 8 mm beträgt.
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Die
Fertigung des erfindungsgemäßen Crashelements
erfolgt wir folgt:
Als Ausgangspunkt für die Herstellung der Blechhalbschalen 5, 6 werden
ebene Bleche mit einheitlicher, gleichförmiger Dicke und gleichförmigen Materialeigenschaften/Festigkeiten
gewählt.
Diese ebenen Bleche werden sodann in einer Presse mit einfach aufgebauten
Umformwerkzeugen zu U-förmigen Profilen
umgeformt. Anschließend
werden die U-förmigen
Profile mit ihren offenen Seiten ineinander geschoben, sodass sich
die Schenkel der U-Profile in einem Überlappungsbereich überlappen
und sich ein geschlossenes, lediglich an den Stirnseiten offenes Profil
bildet. In dem Überlappungsbereich
werden die Blechhalbschalen dann durch Punktschweißungen miteinander
stoffschlüssig
verbunden. Werden derartige einfache Blechelemente zur Erzeugung
der Blechhalbschalen 5, 6 eingesetzt, so sind
die Herstellkosten aufgrund der einfachen Halbzeuge und der einfach
aufgebauten Umformwerkzeuge besonders gering.
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Um
ein einbaufähiges
Crashelement zu erzeugen, werden sodann stirnseitig vor die Blechhalbschalen 5, 6 Anschlussplatten 7, 8 geschweißt. Über diese
Anschlussplatten 7, 8 kann das Crashelement mit
den Karosseriebauteilen verbunden werden, zwischen denen es wirksam
sein soll (z.B. zwischen Längs- und Querträger).
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Alternativ
zu den ebenen Blechen mit über ihre
Fläche
gleichförmiger
Dicke und gleichförmigen Materialeigenschaften
als Halbzeuge für
die Blechhalbschalen 5, 6 können erfindungsgemäß auch ebene
Blechplatinen zum Einsatz kommen, die nach der sogenannten Tailored
Blanks Technik hergestellt sind. Die aus dem technischen Gebiet
des Kraftfahrzeugkarosseriebaus seit langem bekannte und in der Praxis
gut beherrschbare Technologie der Tailored Blanks Fertigung lässt sich auf
das erfindungsgemäße Crashelement
vorteilhaft anwenden. Bei der Tailored Blanks Technologie werden
ebene Blechplatinen aus Blechabschnitten unterschiedlicher Dicke und/oder
unterschiedlicher Werkstoffeigenschaften/Festigkeiten mittels Laserstrahlschweißen gefertigt.
In der Regel werden die Blechabschnitte mittels Laserstrahlschweißen im Stumpfstoß miteinander verbunden.
In Bezug auf das erfindungsgemäße Crashelement
können
die Vorteile der Tailored Blanks Technik dadurch ausgenutzt werden,
dass z.B. der Aufnahmerohrabschnitt 2 aus einem Material größerer Dicke
und/oder höherer
Festigkeit besteht als der Stülprohrabschnitt 1.
Um dies zu erreichen, werden die ebenen Bleche, aus denen die Blechhalbschalen 5, 6 pressgeformt
werden, aus entsprechend ausgewählten
Blechabschnitten unterschiedlicher Dicke und/oder unterschiedlicher
Festigkeiten gebildet, indem die Blechabschnitte im ebenen Zustand
im Stumpfstoß miteinander
mittels Laserstrahlschweißen
verschweißt
werden. Die auf diese Weise hergestellten ebenen Blechplatinen werden
sodann in einem Pressformschritt umgeformt, sodass sie im Wesentlichen
eine U-förmige
Form erhalten. Die offenen Seiten der U-förmigen Profile werden dann,
analog zu der voranstehend bereits beschriebenen Vorgehensweise,
einander zugewandt und die Blechhalbschalen 5, 6 werden
ineinander geschoben, sodass sich ein Überlappungsbereich bildet.
Die beiden Blechhalbschalen 5, 6 werden sodann
mittels Punktschweißungen,
die im Überlappungsbereich
angeordnet sind, miteinander stoffschlüssig verbunden.
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Je
nach Wahl der Materialdicke und der Festigkeitseigenschaften der
Blechabschnitte, aus denen die Tailored Blanks Blechplatinen gebildet
sind, kann der Konstrukteur beeinflussen, wie groß die Energieabsorption
des Crashelements beim Einstülpen des
Stülprohrabschnittes
nach dem Prinzip der rollenden Biegung ist. Wird z.B. für den Stülprohrabschnitt 1 eine
Stahlgüte
mit einer hohen Festigkeit gewählt,
so wird eine größere Energiemenge
absorbiert als im Falle einer Stahlgüte geringerer Festigkeit. Andererseits
kann z.B. durch die gezielte Wahl einer größeren Materialdicke für den den
Aufnahmerohrabschnitt 2 bildenden Blechabschnitt das gewünschte mechanische
Verhalten des Aufnahmerohrabschnitts 2 unabhängig von
dem Stülprohrabschnitt 1 eingestellt
werden. Selbstverständlich
ermöglicht
die Verwendung von Tailored Blanks Platinen als Halbzeuge für die Blechhalbschalen 5, 6 auch
die Herstellung von gewichtsoptimierten Crashelementen (Leichtbau).
Werden z.B. Blechabschnitte mit hoher Festigkeit für den Stülprohrabschnitt 1 verwendet,
so kann eine ausreichend hohe Energieabsorption bei gleichzeitig
geringer Blechdicke des Stülprohrabschnitts 1 erreicht
werden. Auf diese Weise können
Crashelemente in Leichtbauweise erzeugt werden, die einen Beitrag
zur Kraftstoffeinsparung des Fahrzeugs leisten.
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- 1.
- Stülprohrabschnitt
- 2.
- Aufnahmerohrabschnitt
- 3.
- Übergangsbereich
- 4.
- Absatzfläche
- 5.
- Blechhalbschale
- 6.
- Blechhalbschale
- 7.
- Anschlussplatte
- 8.
- Anschlussplatte
- 9.
- Punktschweißung
- R1
- Radius
- R2
- Radius