DE102004044550B4

DE102004044550B4 - Verfahren für wabenförmig strukturierte, energieabsorbierende Verstärkungs- und Knautschschale für schalenförmige Karosserieteile zum Schutz von Fußgängern

Info

Publication number: DE102004044550B4
Application number: DE200410044550
Authority: DE
Inventors: Michael Mirtsch; Schokufeh Dr. Mirtsch; Eberhard Kurzweg
Original assignee: Mirtsch Dr GmbH
Current assignee: Mirtsch Dr GmbH
Priority date: 2004-09-15
Filing date: 2004-09-15
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2024-09-16
Also published as: DE102004044550A1

Abstract

Verfahren zur Strukturierung und zur sekundären Verformung einer dünnwandigen Materialbahn für eine energieabsorbierende Verstärkungsschale und/oder Knautschschale für schalenförmige karosserieteile, insbesondere für eine Motorhaube, für den Fußgängerschutz, bei dem eine gekrümmte Materialbahn über im Abstand zueinander angeordnete Stützelemente abgestützt wird und bei dem an ihrer gegenüberliegenden Seite ein Verformungsdruck so aufgebracht wird, dass sich eine Wandstruktur aus Beulfalten und -mulden einstellt und anschließend die so strukturierte, gekrümmte Materialbahn mit Hilfe von Rollen gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass
a. die gekrümmte Materialbahn durch örtlichen Verformungsdruck nur in ihrem mittleren Bereich beulstrukturiert wird, so dass breite Ränder der Materialbahn und breite Abschnitte der Materialbahn in ihrer Fertigungsrichtung eben bleiben und dann
b. die so partiell beulstrukturierte, stark konkav gekrümmte Materialbahn durch Andrücken von Rollen in eine schwach konkav gekrümmte Gestalt gerichtet wird und dann
c. diese schwach konkav gekrümmte Materialbahn durch Andrücken von Rollen in eine schwach konvex gekrümmte und...

Description

Die Erfindung betrifft eine wabenförmig strukturierte, energieabsorbierende Verstärkungsschale für schalenförmige Karosserieteile zum Schutz von Fußgängern, vorzugsweise eine beulstrukturierte Verstärkungsschale für eine Motorhaube von Automobilen gemäss dem Anspruch 1.
Bei dem Aufprall des Kopfes eines Fußgängers mit der Motorhaube eines Automobils kommt es häufig zu schweren oder sogar tödlichen Verletzungen, weil keine ausreichende Deformationszone zum körperverträglichen Abbremsen des Kopfes zur Verfügung steht. Hierzu ist eine erheblich größere Deformationszone und damit ein größerer Abstand zwischen der Motorhaube und dem Packaging/Motorblock, als es bisher üblich ist, erforderlich. Den hierfür benötigten größeren Abstand zwischen der Motorhaube und dem Motorblock möchte die Automobilindustrie wegen des höheren Kraftstoffverbrauchs infolge des größeren Reibungsbeiwertes, aus Designgründen oder sogar bei der Verwendung eines Aktors (zum Hochstellen der Motorhaube beim Crashfall) so gering wie möglich halten. Auf der Basis des „EEVc WG 17 Report – Improved test methods to evaluate pedestrian protection afford by passengers cars – European Enhanced Vehicle-safety Committee (1998)" darf ab dem Jahr 2010 bei einem Aufpralltest eines 4,8 kg Dummys (entsprechend eines Erwachsenenkopfes) und eines 2,5 kg Dummys (entsprechend eines Kinderkopfes) bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 40 km/h der Grenzwert von HIC(15) = 1.000 nicht überschritten werden. Dieser HIC(15)-Wert beschreibt die maximale integrale zeitliche negative Beschleunigung (körperverträgliche Kopfabbremsung) entsprechend einer allgemein bekannten Berechnungsgleichung. Eine körperverträgliche Kopfabbremsung bei gleichzeitig minimaler Deformationszone kann man durch eine äußere Motorhaubenschale und einem inneren Verstärkungsbauteil, das mit der äußeren Motorhaubenschale durch Fügen verbunden ist, erreichen. Die Motorhaube mit einem konventionellen Verstärkungsbauteil, das aus einem steifen Blechrahmen und freien Ausschnitten besteht, weist die folgenden wesentlichen Nachteile auf: Beim Aufprall des Kopfes auf die Motorhaube unmittelbar im Bereich des steifen Blechrahmens ergibt sich in der Regel ein zu geringer Deformationsweg, so dass der zulässige HIC(15) = 1.000 Wert drastisch überschritten wird. Beim Aufprall des Kopfes auf die Motorhaube im Bereich der freien Aussparungen des Verstärkungsbauteils verhält sich die Motorhaube so biegeweich, dass ein großer Deformationsweg für das körperverträgliche Abbremsen benötigt würde, der jedoch nicht zur Verfügung steht.
Eine weitere Ursache für das ungünstige Verhalten der konventionellen Motorhauben beim Kopfaufprall liegt in dem globalen Einknicken – sogenannten Durchschlagen – der konvex gekrümmten Motorhaube, weil dabei eine ungünstige und ungleichmäßige Energieabsorption stattfindet.
Schließlich weisen die herkömmlichen Verstärkungsbauteile der Motorhauben den ganz wesentlichen Nachteil auf dass bereits bei ihrer Herstellung (primäre Umformung) der Werkstoff sehr stark plasitifiziert wird. Deshalb stehen die für die Energieabsorption beim Kopfaufprall benötigten Plastifizierungsreserven für die Deformation des Werkstoffes (sekundäre Umformung) nur noch sehr eingeschränkt zur Verfügung. Das wirkt sich bei höherfesten, metallischen Werkstoffen und Leichtbaumaterialien, die nur geringe Dehngrenzen aufweisen, besonders nachteilig aus. Deshalb können die Motorhauben mit einem herkömmlichen Verstärkungsbauteil zusätzlich ein zu großes Gewicht erhalten, wenn eine körperverträgliche Kopfabbremsung bei möglichst geringem Deformationsweg erreicht werden soll. Dieses daraus resultierende, erhöhte Gewicht widerspricht der allgemein angestrebten Gewichtsreduzierung insbesondere im vorderen Bereich des Automobils und einem bedienungsfreudigen, leichten Öffnen und Schließen der Motorhaube. Für eine günstige Fahrdynamik und für eine Reduzierung des Treibstoffverbrauchs strebt man ferner weitere leichtere Karosseriekomponenten, wie Heckklappe, Dach, Türen, Kotflügel und Seitenwände an. Auch diese Karosseriekomponenten sind für den Fußgängerschutz relevant.

Aus der US 5 706 908 A ist eine Motorhaube bekannt, die mit einem energieabsorbierenden Aufprallkörper verbunden ist. Nachteilig ist hierbei, dass dieser zusätzliche Aufprallkörper sehr kompliziert und damit sehr aufwändig gestaltet ist, um eine ideal verlaufende Aufprallenergieabsorption durch plastische Deformation zur Einhaltung des geforderten HIC- Wertes zu erzielen. Nachteilig ist ferner das hohe Gewicht infolge der zahlreichen Verstärkungs- und Deformationsbauteile der aufwändigen Sandwichkonstruktion.

Aus der JP 05 155 355 A ist eine Motorhaube bekannt, die durch Verstärkungsprofile versteift ist und die sich beim Kopfaufprall plastisch deformiert. Nachteilig ist hierbei, dass die Verstärkungsprofile durch Löcher und Ausschnitte geschwächt sind, so dass sich entlang der Motorhaube keine örtlich gleichmäßigen Verläufe der Aufprallenergieabsorption ergeben. In ihrem mittleren Bereich verhält sich die Motorhaube elastischer und biegenweicher als an den unterstützten Rändern.

Aus der EP 1 093 980 B1 ist eine Motorhaube bekannt, die durch unterschiedliche Verstärkungsschalen bzw. Verstärkungsstreben so ausgestattet ist, dass sich definierte, örtlich angepasste Biegesteifigkeiten der Motorhaube ergeben, damit die Belastung an jeder Stelle möglichst gleich groß ausfällt. Dadurch soll der mittlere, großflächige Bereich der Motorhaube biegesteifer und der Randbereich der Motorhaube in der Nähe der Auflager (Scharniere, Schlösser und Gummipuffer) biegeweicher werden. Die unterschiedlichen Maßnahmen hierzu in der EP 1 093 980 B1 sind: veränderliche Materialdicken der Schalen, Sicken der inneren Verstärkungsschale bzw. Verstärkungsstreben mit definiert angepassten Abständen zur äußeren Motorhaubenschale oder zusätzlich eingefügte Materialien mit unterschiedlichem Elastizitätsmodul, wie Kunststoffe oder Faserverbundstoffe. Nachteilig ist hierbei der komplizierte und damit sehr aufwändige Sandwich-Aufbau der Motorhaube.

Ein häufig verwendeter Aufbau einer Motorhaube setzt sich aus einem Verstärkungsbauteil mit tiefgezogenen Näpfen oder Sicken, die noch freie Ausschnitte aufweisen können, zusammen. Nachteilig sind hierbei die beträchtliche Tiefe der Näpfe von ca. 18 mm, weiche einen erheblichen Bauraum erfordern, und schließlich die örtlich ungleichmäßige Aufprallenergieabsorption entlang der Motorhaube, wenn das Verstärkungsbauteil einerseits mehrere freie Ausschnitte (reduzierte Versteifung) und andererseits Verstrebungen infolge sternförmig zusammenlaufender Sicken (überhöhte Versteifungen) besitzt. So ergeben sich beim Kopfaufprall noch gravierende Unterschiede der HIC-Werte hinsichtlich der Kopfabbremsung entlang der Motorhaube beim Crashfall.

Schließlich werden alle diese bekannten Verstärkungsbauteile bei der Herstellung (primäre Umformung) ihrer Sicken, Näpfe und Prägungen bereits ganz wesentlich plasitifiziert, so dass die für die Energieabsorption beim Kopfaufprall erforderlichen Plastifizierungsreserven für die Deformation des Werkstoffes (sekundäre Umformung im Crashfall) nur noch sehr eingeschränkt zur Verfügung stehen. Das wirkt sich insbesondere bei hochfesten metallischen Werkstoffen und bei Leichbauwerkstoffen, die nur eine geringe Dehngrenze besitzen, sehr nachteilig aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese genannten Schwierigkeiten durch ein Verfahren zu überwinden, wobei ein Verstärkungsbauteil für schalenförmige Karosserieteile verschiedenster Art, insbesondere für eine Motorhaube, hinsichtlich eines effektiveren Fußgängeraufprallschutzes und soweit realisierbar auch unter Berücksichtigung einer Gewichtsreduzierung verbessert wird.

Soweit Beulstrukturen veröffentlicht sind, enthalten die Veröffentlichungen keinen Hinweis auf die Erfindung. Im einzelnen: in der deutschen Patentschrift DE 43 11 978 C1 wird ein Verfahren zur Beulverformung dünner Wände und Folien beschrieben, bei dem dünne Materialien oder Folien auf beabstandete Stützelemente aufgewickelt und von außen durch Überdruck in eine versetzte Beulstruktur mit viereckigen Beulfalten ühergeführt wird. Dabei stellen sich quasi von selbst versetzte Beulfalten ein, wobei jeweils immer nur drei Falten zu einem Sternpunkt zusammenlaufen. In der DE 43 11 978 C1 wird lediglich auf die prinzipielle energieabsorbierende Eigenschaft versetzt viereckig beulstrukturierter, dünner Flachmaterialien hingewiesen. Dabei knicken die axialen Falten des viereckig beulstrukturierten, dünnwandigen Zylinders unter axialer Belastung örtlich ein. Ferner sind beulstrukturierte Materialbahnen bekannt, die regelmäßige, versetzte, vorzugsweise sechseckige Strukturen ( EP 0693008 und EP 0900131 ) besitzen. Soweit beulstrukturierte Dosenrümpfe mit einem schmalen, glatten, d.h. nicht strukturierten, Rand bekannt sind, geben diese keinen Hinweis auf die Erfindung. Ferner sind mehrfach beulstrukturierte Materialbahnen bekannt, bei denen größere Beulen mit kleineren Gegenbeulen versehen sind ( DE 196 34 244 A1 ; DE 196 51 937 A1 ). Über das Verbinden von beulstrukturierten Wänden, die Gegenbeulen besitzen, an einen ebenen Rahmen oder an Wände ist jedoch bisher noch nichts bekannt. Weiterhin sind in DE 198 58 432.6 versetzte Beulstrukturen für ein energieabsorbierendes, zylindrisches Deformationselement bekannt, wobei die versetzten Beulfalten schräg zur axialen Richtung des strukturierten Zylinders angeordnet sind. Dabei wirkt die axiale Deformationskraft ausschließlich in Wandrichtung des Materials. Einzelheiten über eine Energieabsorption bei Deformationskräften quer zur Wand des dünnen Materials, wie bei Verstärkungsschalen für Motorhauben beim Kopfaufprall, werden in DE 43 11 978 C1 , EP 0693008 und EP 0900131 , DE 196 34 244 A1 , DE 196 51 937 A1 und DE 198 58 432.6 nicht beschrieben.

Die noch bestehenden, gravierenden Schwierigkeiten bei der Anwendung einer strukturierten, insbesondere beulstrukturierten, dünnen Materialbahn als Verstärkungsbauteil für schalenförmige Karosserieteile, insbesondere für eine Motorhaube für den Fußgängerschutz sind folgendermaßen begründet: Da das Verstärkungsbauteil lediglich in ihrem mittleren, crashrelevanten Bereich eine Struktur, vorzugsweise Beulstruktur, erhalten soll, und gleichzeitig ein breiter Rand des Verstärkungsbauteils vorzugsweise zunächst eben, d.h. nicht strukturiert, bleiben soll (die sekundäre Umformung des ebenen Randes erfolgt später), treten bisher große Verwerfungen in der partiell strukturierten Materialbahn auf. Diese störenden Verwerfungen entstehen dadurch, daß infolge der geometrischen Raffung des mittleren, strukturierten Bereiches der Materialbahn gegenüber ihrem breiten, nicht strukturierten Randbereich erhebliche Längendifferenzen und dadurch große Spannungen auftreten. Die Verwerfungen führen bei der sekundären Umformung des breiten, ebenen Randes der partiell strukturierten, vorzugsweise beulstrukturierten, Materialbahn unter der Presse zu unerwünschten Instabilitäten, die kein prozeßsicheres Verarbeiten der partiell strukturierten Materialbahn zu einer fertigen Verstärkungsschale für die Motorhaube ermöglichen. Eine weitere gravierende Schwierigkeit besteht darin, daß beim bekannten Beulstrukturieren die Beulmulden dadurch entstehen, daß eine gekrümmte, dünnwandige Materialbahn, die auf ihrer Innenseite durch Stützelemente abgestützt wird, durch äußere Druckbelastung nach innen spontan einbeult, und auf diese Weise die Beulmulden auf der Innenseite der gekrümmten Materialbahn angeordnet sind. Für die Anwendung einer beulstrukturierten Materialbahn als Verstärkungsschale unterhalb einer gekrümmten, äußeren Motorhaubenschale wird jedoch aus konstruktiven Gründen vorzugsweise eine entsprechend gekrümmte Materialbahn benötigt, deren Beulwölbungen vorzugsweise nicht nach innen sondern nach außen hin angeordnet sind. Auf diese Weise können die Beulwölbungen der strukturierten Materialbahn mit der Innenseite der gekrümmten, äußeren Motorhaubenschale einfach, insbesondere durch Kleben, verbunden werden. Schließlich besteht ein gravierender Nachteil der bekannten beulstrukturierten Materialbahn darin, dass bei der konstruktiven Auslegung der Verstärkungsschale die Crashbelastung an jeder Stelle der Motorhaube noch nicht annähernd gleich ist. Dazu müsste man noch die Wanddicke und/oder die Geometrie der Strukturen entsprechend variieren, welches sehr aufwändig wäre.

Es wurde überraschenderweise gefunden, daß man eine dünne Materialbahn in ihrem mittleren Bereich partiell strukturieren, vorzugsweise beulstrukturieren, kann, wobei breite Randbereiche der Materialbahn eben bleiben und trotzdem störende Verwerfungen der partiell strukturierten Materialbahn vermieden werden. Das gelingt dadurch, dass die partiell strukturierte Materialbahn nicht in die exakt ebene Gestalt sondern in eine lediglich schwach gekrümmte Form gerichtet wird, die angenähert der Krümmung der äußeren Motorhaubenschale entspricht. Gleichzeitig entsteht dabei überraschenderweise quasi von selbst ein flacher, geometrisch stabiler Sattel in dem partiell strukturierten Bereich der Materialbahn. Alle diese Verfahrensprozesse laufen extrem werkstoffschonend nach dem Prinzip der Energieminimierung ab, so dass eine aus der partiell strukturierten, vorzugsweise beulstrukturierten, Materialbahn erzeugte Verstärkungsschale noch große Plastifizierungsreserven für den Crashfall vorhält. Überraschenderweise ergeben sich durch den quasi von selbst gebildeten flachen Sattel mehrere synergetische Vorteile: Der flache Sattel reduziert ganz erheblich die unerwünschte Durchschlagscharakteristik einer konvex gekrümmten Schale, die keine etwa gleichmäßige Absorption der Crashenergie gestattet. Ferner kann in die freie Satteltasche, die durch den flachen Sattel der partiell strukturierten Materialbahn und die äußere Motorhaubenschale gebildet wird, auf einfache konstruktive Weise (ohne zusätzliche Umformprozesse) eine weitere strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, Verstärkungsschale als zusätzliches Knautschelement eingebaut werden. Die Strukturwölbungen dieser mittleren, strukturierten Knautschschale sind vorzugsweise nach außen gerichtet, um sie einfach mit der Innenseite der äußeren Motorhaubenschale verbinden zu können. So entsteht auf einfache Weise eine Sandwichkonstruktion für die komplette Motorhaube mit erheblich verbesserten Crasheigenschaften für den Fußgängerschutz. Man kann aber auch auf diese zusätzliche, mittlere Knautschschale in der freien Satteltasche verzichten, da insbesondere bei duktilen Werkstoffen der partiell strukturierten Materialbahn (Verstärkungsschale) in Verbindung mit der äußeren Motorhaubenschale bereits eine körperverträgliche Kopfabbremsung ermöglicht wird. Um die Wölbungen der Strukturen, vorzugsweise Beulstrukturen, der schwach gekrümmten, partiell strukturierten, vorzugsweise beulstrukturierten, Materialbahn mit der Unterseite der gekrümmten, äußeren Motorhaubenschale einfach verbinden zu können, sollen diese Strukturwölbungen vorzugsweise auf der Außenseite der schwach gekrümmten, partiell strukturierten Materialbahn angeordnet sein. Das erfordert jedoch ein Richten der zunächst konkav geformten, strukturierten Materialbahn (beim bekannten Beulstrukturierverfahren) in die konvexe Gestalt der strukturierten, vorzugsweise beulstrukturierten, Materialbahn. In dieser konvexen Gestalt der strukturierten Materialbahn sind die Strukturen wunschgemäß dann nach außen gerichtet. Dieses Richten von der konkaven Gestalt in die konvexe Gestalt war früher nicht möglich, weil die Strukturfalten und -mulden dabei einknickten und dadurch ihre Stabilität verloren. Es wurde nun überraschenderweise gefunden, dass sich durch eine Art Umklappen die partiell strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, Materialbahn aus ihrer konkaven Gestalt in eine schwach konvex gekrümmte Gestalt übergeführt werden kann, ohne dass dabei Strukturfalten und/oder -mulden einknicken. Die schwach konvex gekrümmte Gestalt der partiell strukturierten Materialbahn ist angenähert der gewünschten Krümmung der äußeren Motorhaubenschale angepasst.

Im Folgenden werden diese physikalischen Zusammenhänge noch etwas näher erläutert und die Verfahrensprozesse gemäß der Erfindung beschrieben.

Eine Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, dass die komplette Motorhaube nur aus einer partiell strukturierten, vorzugsweise beulstrukturierten, Verstärkungsschale und einer äußeren Motorhaubenschale besteht. Das Verfahren gemäß der Erfindung des partiellen Strukturierungsprozesses und des anschließenden Richt-/Umklapp-Prozesses läuft folgendermaßen ab: In einem ersten Schritt wird die dünne Materialbahn nur in ihrem mittleren Bereich partiell strukturiert, vorzugsweise beulstrukturiert, wobei die Beulmulden durch äußere Druckbeaufschlagung in die gekrümmte Materialbahn hineinspringen. Die beiden breiten Ränder sowie die breiten Zwischenbereiche in Fertigungsrichtung der partiell strukturierten Materialbahn bleiben glatt, d.h. unstrukturiert. In einem zweiten Prozessschritt wird diese partiell strukturierte Materialbahn aus ihrer stark konkav gekrümmten Form zunächst in eine schwach konkave Gestalt gerichtet. Schließlich wird diese schwach konkav gekrümmte Materialbahn in einem dritten Schritt durch einen Umklapp-Prozeß in eine schwach konvex gekrümmte Gestalt übergeführt, ohne dass dabei die Strukturfalten und/oder -mulden einknicken und ohne dass dabei störende Verwerfungen der partiell beulstrukturierten Materialbahn auftreten.

Eine partiell strukturierte, insbesondere beulstrukturierte, Materialbahn, die breite, ebene Ränder und breite, ebene, d.h. unstrukturierte Bereiche enthält, würde sich in einer exakt ebenen Gestalt extrem instabil verhalten. Der Grund hierfür resultiert aus den großen Materialspannungen, die infolge der Verkürzung (geometrische Raffung) des mittleren, strukturierten Bereiches gegenüber dem breiten, ebenen Rand der Materialbahn entstehen und dadurch starke Verwerfungen der gerichteten, partiell strukturierten Materialbahn hervorrufen.

Bei dem neuen Verfahren gemäß der Erfindung werden die Spannungen, die sich aus der partiellen, geometrischen Raffung ergeben, überraschenderweise durch den stabilisierenden Effekt sogar einer schwachen geometrischen Krümmung der partiell strukturierten Materialbahn so aufgefangen, daß keine störenden Verwerfungen in der Materialbahn mehr auftreten.

Nach dem Verfahren der Erfindung benötigt man keinen aufwändigen Umformprozess, um die zunächst schwach konkav gekrümmte Materialbahn in eine schwach konvexe Form zu überführen. Die gewünschte, schwach konvex gekrümmte Gestalt der partiell strukturierten Materialbahn entsteht auf einfache Weise dadurch, dass die zunächst schwach konkav gekrümmte, partiell strukturierte Materialbahn durch ein einfaches Andrücken von Rollen quasi von selbst in die gewünschte schwach konvex gekrümmte Gestalt umschlägt. Das erklärt sich dadurch, daß durch die Längendifferenz zwischen dem geometrisch gerafften (strukturierten), mittleren Bereich und dem breiten, ebenen Randbereich der Materialbahn erhebliche Schubkräfte im ebenen Randbereich auftreten. Diese Schubkräfte lösen in dem breiten Randbereich der Materialbahn, der sich auf Grund seiner ebenen Gestalt elastisch und zugleich biegeweich verhält, ein vorzugsweise elastisches Umklappen unmittelbar von der schwach konkav in die schwach konvex gekrümmte Gestalt der partiell strukturierten, vorzugsweise beulstrukturierten, dünnen Materialbahn aus, ohne dass dabei Strukturfalten und/oder -mulden einknicken.

Die Ausbildung eines flachen, stabilen Sattels innerhalb des strukturierten Bereiches der partiell strukturierten, vorzugsweise beulstrukturierten, Materialbahn wird ebenfalls durch eine geometrische Raffung (ca. 1% in Fertigungsrichtung der Materialbahn) des mittleren, beulstrukturierten Bereichs gegenüber den breiten, ebenen Bereichen hervorgerufen. Dieser Sattel mit einer partiellen, geometrischen Abflachung der konvex gekrümmten Materialbahn hat die besondere Eigenschaft, daß er die bekannte und zugleich unerwünschte Instabilität und das spontane Durchschlagen von gekrümmten Bögen oder Schalen drastisch reduziert. Dieses spontane Durchschlagen einer Verstärkungsschale in Verbindung mit der äußeren Motorhaubenschale ist ist einen effektiven Fußgängeraufprallschutz deshalb sehr unerwünscht, weil dieses Durchschlagen insbesondere bei schwach gekrümmten Schalen vorzugsweise im elastischen Bereich abläuft und dabei die Crashenergie beim Kopfaufprall vergleichsweise wenig und ungleichmäßig absorbiert wird. Dieser vorteilhafte Effekt des Sattels für eine verbesserte Crashperformance bleibt auch dann noch teilweise bestehen, wenn dieser geometrische Sattel (mit Hilfe von Formwerkzeugen in einem sekundären Kalibriervorgang) wieder teilweise aufgehoben wird. Bei beulstrukturierten, dünnwandigen Materialien lässt dieser flache Sattel auf Grund ihrer bekannten, geringen Rückfederung einfach durch kalibrieren ausformen. So kann man beispielsweise den Abstand zwischen der Sattelmulde der partiell strukturierten, vorzugsweise beulstrukturierten, Verstärkungsschale und der äußeren Motorhaubenschale so weit reduzieren, wie es für eine Klebeverbindung nötig ist.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, dass die komplette Motorhaube aus einer partiell strukturierten, vorzugsweise beulstrukturierten, Verstärkungsschale, einer äußeren Motorhaubenschale und einer zusätzlichen, mittleren, strukturierten, vorzugsweise beulstrukturierten, Deformationsschale (Knautschschale), die in die freie Satteltasche gefügt wird, besteht. Diese strukturierte, mittlere Deformationsschale besteht vorzugsweise aus einem duktilen Werkstoff, beispielsweise aus dünnem Tiefziehstahl oder aus Aluminium. Experimentelle Versuche haben ergeben, dass insbesondere beulstrukturierte, dünne Bleche für diese Knautschschale sehr geeignet sind, weil die erforderlichen Deformationskräfte (beim Kopfaufprall) der Beulwölbungen mit vergleichsweise großer spezifischer Deformationsenergie zusammendrücken und dabei einen beträchtlichen Teil der Crashenergie gleichmäßig absorbieren. Experimentelle Untersuchungen haben ferner ergeben, dass eine beulstrukturierte, dünne Platte im so genannten Rondenversuch, bei dem eine dünne, runde Platte auf ihrer Unterseite durch eine ringförmige Abstützung abgestützt und dann auf ihrer Oberseite senkrecht belastet wird, nicht spontan einknickt wie die ebene runde Platte oder wie die herkömmlich mechanisch strukturierte, „genoppte" Platte sondern vergleichsweise gleichmäßig deformiert wird und dabei einen vergleichsweise größeren Energiebetrag absorbiert. Der Sandwichaufbau der kompletten Motorhaube, bestehend aus innerer, partiell strukturierter Verstärkungsschale, mittlerer Knautschschale und äußerer Motorhaubenschale lässt sich bezüglich der Crashdeformation näherungsweise folgendermaßen charakterisieren: Beim Kopfaufprall wird die äußere Motorhaubenschale eingedrückt und deformiert. Sie verhält sich dabei wie ein typischer Obergurt. Die mittlere Deformationsschale wird insbesondere auf Druck, senkrecht zu ihrer Wandfläche, belastet und knautscht dabei ein. Die untere partiell strukturierte Verstärkungsschale erfüllt zugleich mehrere Funktionen. Im Bereich des Kopfaufprall verhält sich die untere Verstärkungsschale erstens als typischer Untergurt, der insbesondere auf Zug belastet wird und gleichzeitig eine feste Begrenzung für die mittlere Knautschschale darstellt, und zweitens deformiert sie sich progressiv durch Dehnung und teilweises Auffalten der Strukturen. Die Beulstrukturen besitzen ein progressives Dehnungs- und Auffaltungsverhalten dadurch, dass die Streckdeformation anfänglich zunächst nur kleine Kräfte erfordert und anschließend bei zunehmender Dehnung erheblich größere Kräfte erfordert. Dieses progressive Kraft-Streckverhalten ist für den gesamten Crashprozess der kompletten Motorhaube sehr vorteilhaft. Zu Beginn des Kopfaufschlages sind die Geschwindigkeit und die kinetischen Massenträgheiten der örtlichen Motorhaube groß, und damit sind auch die dynamischen Reaktionskräfte groß. Deshalb können hierbei die statischen Reaktionskräfte der Motorhaube noch gering sein. Dagegen sind gegen Ende des Kopfaufpralls die Geschwindigkeit und die kinetischen Massenträgheiten gering, und damit sind auch die dynamischen Reaktionskräfte gering. Deshalb sollen dann die statischen Reaktionskräfte der Motorhaube entsprechend groß sein, damit auf diese Weise eine etwa konstante Reaktionskraft zu erzeugen. Somit erhält der Sandwichaufbau der kompletten Motorhaube nach dem beschriebenen Verfahren gemäß der Erfindung eine vorteilhafte, etwa gleichmäßige Crashenergieabsorption bei geringem Deformationsweg. Experimentelle dynamische und statische Untersuchungen haben dieses charakteristische Verhalten bestätigt.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, dass für eine beulstrukturierte Verstärkungsschale eine dünne Materialbahn zum Einsatz kommt, wobei insbesondere versetze viereckige, sechseckige oder wappenförmige Beulstrukturen in der dünnen Materialbahn auf der Basis einer Selbstorganisation entstehen. Hierbei ergibt sich das beste Ergebnis hinsichtlich großer Strukturtiefe und geringster Plastifizierung des Werkstoffes. So lassen sich bei diesem Verfahren sogar auch höchstfeste Werkstoffe und Leichtbaumaterialien, die nur eine geringe Dehnfähigkeit besitzen, einsetzten.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass für die strukturierte Verstärkungsschale eine beulstrukturierte, dünne Materialbahn zum Einsatz kommt, wobei die Beulstrukturen nicht auf Basis einer Selbstorganisation sondern ebenfalls aus einer gekrümmten Gestalt heraus entstehen. Dabei wird die gekrümmte Materialbahn mit Hilfe geometrisch vorgegebener Stützwerkzeuge auf ihrer Innenseite abgestützt und auf ihrer Außenseite mit Druck, vorzugsweise mit Hilfe einer elastischen Druckwalze, beaufschlagt. So lassen sich polyedrische, wie viereckige, fünfeckige, sechseckige, achteckige oder wappenförmige, Beulstrukturen in die dünne Materialbahn mechanisch einbringen. Hierbei ergibt sich für die strukturierte, dünne Materialbahn bereits ein reduziertes Ergebnis hinsichtlich erzeugter Strukturtiefe und umgesetzter Plastifizierung des Werkstoffes. Deshalb lassen sich bei diesem Verfahren vorzugsweise duktilere Werkstoffe einsetzten.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, dass mit Hilfe von zwei mechanischen Formwerkzeugen (Matrize und Stempel) oder mit Hilfe eines mechanischen Formwerkzeuges und eines Wirkmediums (z.B. Kissen zur Druckbeaufschlagung) aus einer ebenen Gestalt heraus, eine strukturierte, dünne Materialbahn zum Einsatz kommt. Dabei können beliebig geometrisch vorgegebene Strukturen, die ebenfalls vorzugsweise eine palyedrische Gestalt aufweisen, auf rein mechanischem Wege in eine ebene, glatte Materialbahn hinein gepresst werden. Dieses mechanische Strukturieren kann dem Streck- bzw. Tiefziehen zugeordnet werden, und deshalb ergibt sich hierbei auch nur ein sehr vermindertes Ergebnis hinsichtlich erzeugter Strukturtiefe und umgesetzter Plastifizierung des Werkstoffes. Da beim Streckziehen die Wanddicke der dünnen Wand erheblich reduziert wird und ein großer Teil der Plastifizierungsreserven bereits durch das Strukturieren aufgebraucht wird, ist dieser mechanische Strukturierungsprozess für die Herstellung einer Verstärkungsschale einer Motorhaube für den Fußgängerschutz vorzugsweise nur für sehr duktile Werkstoffe, die eine große Dehnbarkeit und eine reduzierte Festigkeit aufweisen, anwendbar.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, daß die partiell strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, schwach konvex gekrümmte Materialbahn, vorzugsweise mit ihren nach außen gerichteten Strukturwölbungen bei der Crashbelastung durch den Kopfaufprall, eine hohe, gleichmäßige Energieabsorption erhält. Das kann man folgendermaßen erklären: Hierbei werden die 3D-Strukturen, vorzugsweise Beulstrukturen, der konvexen Materialbahn jeweils seitlich (in Wandrichtung) etwas ineinander gedrückt und dadurch etwas plastisch verformt. So wird die Krümmung der Materialbahn bereits etwas reduziert. Auf Grund der reduzierten Krümmung fällt der Durchschlag beim Übergang vom der schwach konvexen in die schwach konkave Gestalt der strukturierten Materialbahn sanfter aus. Nach diesem sanften Durchschlag der Materialbahn werden die 3D-Strukturen, vorzugsweise Beulstrukturen, etwas gestreckt und dadurch plastisch verformt. Auf diese Weise wird die durch den Kopfaufprall eingebrachte Crashenergie durch insbesondere plastische Deformation der strukturierten, vorzugsweise beulstrukturierten, Materialbahn vergleichsweise gleichmäßig absorbiert. Dieser Effekt des reduzierten Durchschlagens wird zusätzlich dadurch noch weiter gesteigert, dass die partiell strukturierte, insbesondere beulstrukturierte, Materialbahn als Verstärkungsschale mit der äußeren Motorhaubenschale durch rügen, insbesondere Kleben, verbunden wird und dadurch ein formsteife Sandwichkonstruktion entsteht. Bei der Crashdeformation dieser Sardwichschale treten zusätzlich plastische Deformationen, insbesondere durch Scherkräfte, auf, die den Durchschlag der schwach gekrümmten Sandwichschale weiter reduzieren.

Im Gegensatz dazu würde sich eine glatte, d.h. nicht strukturierte, schwach konvex gekrümmte Materialbahn, wie allgemein bekannt ist, quasi wie ein elastischer, glatter Bogen verhalten, der bei radialer Belastung (entspricht dem Kopfaufprall) spontan von seiner konvexen Krümmung in die konkave Krümmung übergeht. Hierbei wird prinzipiell nur eine geringe Crashenergie absorbiert, weil der glatte Bogen weitgehend elastisch durchschlägt und dabei einen vergleichsweise großen Deformationsweg in Anspruch nimmt, der dann für die Energieabsorption durch Plastifizierung des Werkstoffes nicht mehr zur Verfügung steht.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass die konvex gekrümmte Verstärkungsschale mit ihren nach außen gerichteten Strukturwölbungen, vorzugsweise Beulwölbungen, der Krümmung der äußeren Motorhaube angepasst ist. Diese geometrische Anpassung gelingt mit Hilfe von einfachen Kalibrierwerkzeugen, weil die strukturierte, insbesondere beulstrukturierte, dünnwandige Schale gegenüber der glatten Schale ein drastisch vermindertes Rückfederungsverhalten aufweist. Ferner gelingt eine Kalibrierung und eine zusätzliche örtliche Versteifung dadurch, dass auf der Innenseite der konvex gekrümmten Verstärkungsschale gleichzeitig ein Blechstreifen durch thermisches oder mechanisches Fügen oder Kleben angebracht wird.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass in einem ersten Umformprozess der gesamte mittlere, crashrelevante Bereich der Verstärkungsschale strukturiert, vorzugsweise beulstrukturiert wird, während ihre breiten Randbereiche zunächst eben bleiben. In einem zweiten Umformprozess werden dann die ebenen Randbereiche der partiell strukturierten Verstärkungsschale durch konventionelle Formwerkzeuge in die gewünschte Gestalt übergeführt, um insbesondere die Anbindung der fertigen Verstärkungsschale an die Motorhaubenschale zu realisieren.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass die nach außen gerichteten Strukturwölbungen der konvex gekrümmten Verstärkungsschale jeweils eine kleinere Gegenbeule erhalten. Diese kleineren Gegenbeulen dienen einerseits dazu, jeweils den Kleber aufzunehmen und andererseits die Dicke des Sandwichaufbaus (von Motorhaubenschale, Kleber und Verstärkungsschale) zu reduzieren. Auf diese Weise kann man die Steifigkeit der kompletten Motorhaube (Sandwich) örtlich so anpassen, dass die Biegesteifigkeit überall nahezu gleich ist. Da sich eine komplette Motorhaube in der Regel in ihrer Mitte biegeweicher als am Rand (z.B. in der Nähe der Scharniere) verhält, erhält die Gegenbeule in der Mitte der Verstärkungsschale eine entsprechend kleinere Beultiefe, um so die Biegesteifigkeit der kompletten Motorhaube in ihrem mittleren, crashrelevanten Bereich im Vergleich zu den Randbereichen (mit tieferen Gegenbeulen) zu vergrößern. Die Gegenbeulen können zusätzlich jeweils mit einem kleinen Loch versehen werden, um hierdurch den Kleber von der Unterseite der schwach gekrümmten Verstärkungsschale aus in den Zwischenraum von Verstärkungsschale und äußerer Motorhaubenschale einbringen zu können.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass der gesamte mittlere, crashrelevante Bereich der Verstärkungsschale für den Kopfaufprall strukturiert, vorzugsweise beulstrukturiert, wird.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass die bisher freien Ausschnitte eines konventionellen Verstärkungsrahmens (mit in der Regel zwei, drei oder vier freien Ausschnitten) mit strukturierten, vorzugsweise beulstrukturierten, dünnen Wänden durch Fügen (thermisches-, mechanisches Fügen bzw. Kleben) ausgesteift werden.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass für die partiell strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, Verstärkungsschale metallische Werkstoffe, wie Stahl, Edelstahl, Aluminium, Magnesium, sowie nicht-metallische Werkstoffe, wie insbesondere Polymere und Faserverbundstoffe, zum Einsatz kommen.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass in einem einzigen, integrierten Fertigungsprozess die komplette, partiell strukturierte Verstärkungsschale, deren Strukturen der Gestalt der beschriebenen Beulstrukturen geometrisch angepasst sind, incl. der Umformung der Randbereiche der Verstärkungsschale, mit Hilfe von zwei mechanischen Formwerkzeugen (Matrize und Stempel) oder mit Hilfe eines mechanischen Formwerkzeuges und eines Wirkmediums erzeugt wird.

Schließlich besteht eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens darin, dass insbesondere partiell strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, Materialbahnen für Verstärkungsschalen und Knautschschalen für Motorhauben, Heckklappen, Türen, Dächer sowie Seiten- und Trennwände in der Verkehrstechnik, insbesondere für den Fußgängerschutz, eingesetzt werden.

Der Erfindungsgedanke wird anschließend beispielhaft noch weiter erläutert:
1 zeigt den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Herstellung partiell beulstrukturierter Materialbahnen, die einen breiten Randbereich aufweisen, mit einer Walze, auf der Stützelemente angeordnet sind, und einer flexiblen Druckwalze sowie Rollen zum Richten der strukturierten Materialbahn in eine schwach konvexe Gestalt.
2 zeigt den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Herstellung partiell beulstrukturierter Materialbahnen mit einer Walze, auf der Stützelemente angeordnet sind, und einer flexiblen Druckwalze.
3 zeigt den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Herstellung partiell beulstrukturierter Materialbahnen mit einer Walze, auf der Stützelemente angeordnet sind, und einer flexiblen Druckwalze sowie einige Rollen zum Richten der strukturierten Materialbahn in eine schwach konkave Gestalt.
4 zeigt den schematischen Aufbau einer beulstrukturierten Schale (Querschnitt) bei ihrer schrittweisen Deformation bei der Belastung F von ihrer konvexen Anfangsgestalt in die konkave Endgestalt.
5 zeigt den schematischen Aufbau einer glatten Schale (Querschnitt) bei ihrer schrittweisen Deformation bei der Belastung F mit einem großen Durchschlag der glatten Schale von ihrer konvexen Anfangsgestalt in die konkave Endgestalt.
6 zeigt schematisch den Kraft-Weg-Verlauf der beulstrukturierten Schale, entsprechend 4, und der glatten Schale, entsprechend 5.
7 zeigt eine seitliche Aufsicht auf eine partiell beulstrukturierte Verstärkungsschale mit breiten, ebenen Randbereichen.
8 zeigt oben beispielhaft schematisch den Querschnitt von einem Sandwich aus einer Motorhaubenschale und einer inneren beulstrukturierten Verstärkungsschale, welche klebend miteinander verbunden sind. 8 zeigt in der Mitte schematisch den Querschnitt von einem Sandwich aus einer Motorhaubenschale, einer inneren, partiell beulstrukturierten Verstärkungsschale und einem zusätzlich versteifenden Blechstreifen. 8 zeigt unten schematisch den Querschnitt von einem Sandwich aus Motorhaubenschale, einer mittleren beulstrukturierten Knautschschale und einer inneren, partiell beulstrukturierten Verstärkungsschale.
9 zeigt beispielhaft ein experimentell ermitteltes Diagramm für den Verformungsweg eines Sandwiches, bestehend aus einer Motorhaubenschale und einer inneren, partiell beulstrukturierten Verstärkungsschale in Abhängigkeit von der absorbierten kinetischen Energie beim Kopfaufprall.
10 zeigt beispielhaft ein experimentell ermitteltes Diagramm für den Verformungsweg eines Sandwiches, bestehend aus einer Motorhaubenschale, einer mittleren beulstrukturierten Knautschschale und einer inneren, partiell beulstrukturierten Verstärkungsschale in Abhängigkeit von der absorbierten kinetischen Energie beim Kopfaufprall.
11 zeigt schematisch den Querschnitt durch eine Verstärkungsschale mit tiefen Beulstrukturen im mittleren Bereich und mit flachen Beulstrukturen im seitlichen Bereich des strukturierten Mittelfeldes entsprechend 7.
12 zeigt schematisch den Querschnitt durch eine Verstärkungsschale mit tiefen Beulstrukturen im mittleren Bereich und ferner mit Beulstrukturen, die Gegenbeulen enthalten, im seitlichen Bereich des strukturierten Mittelfeldes entsprechend 7.
13 zeigt beispielhaft eine Aufsicht auf eine partiell beulstrukturierte Verstärkungsschale für eine Motorhaube, deren gesamter, mittlerer Bereich strukturiert ist und deren breite Randbereiche eben, d.h. unstrukturiert, sind.
14 zeigt beispielhaft eine Aufsicht auf eine partiell beulstrukturierte Verstärkungsschale für eine Motorhaube, deren mittleren Bereiche zwischen den konventionellen Verstärkungsstegen strukturiert sind und deren breite Randbereiche eben, d.h. unstrukturiert, sind.
1 zeigt beispielhaft den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Herstellung partiell beulstrukturierter Materialbahnen, die einen breiten, seitlich ebenen Rand und breite, ebene Bereiche in Fertigungsrichtung aufweisen, und zum Richten der partiell beulstrukturierten Materialbahn in eine schwach konvexe gekrümmte Gestalt. Mit konvex gekrümmter Gestalt ist die Aufsicht gegen die Außenseite der Beulwölbungen der gekrümmten Materialbahn gemeint. Die beiden breiten Randbereiche, die sich an den beiden Seiten der partiell strukturierten Materialbahn hefinden, sind in 1 (Darstellung im Querschnitt) nicht dargestellt. Der Fertigungsprozess läuft folgendermaßen ab: Eine glatte Materialbahn 1 wird um die Walze 2, auf der die Stützelemente 3 angebracht sind, gebogen und durch Andrücken der elastischen Druckwalze 4 partiell mit Druck beaufschlagt. Dadurch entstehen die Beulstrukturen in der Materialbahn 1a. Der Richt- und anschließende Umklappvorgang durchläuft die folgenden Schritte: Die strukturierte Materialbahn 1a wird mit Hilfe der oberen Rollen 5 und der unteren Rollen 6 zunächst in die schwach konkave Gestalt gerichtet (siehe auch 3) und dann mit Hilfe der Rollen 7 und 8 in die schwach konvexe Form der Materialbahn 1c umgeklappt. Dabei knicken die Strukturfalten und -mulden nicht ein.
Die Zwischenschritte dieses komplexen Vorgangs des partiellen Beulstrukturierens, des Richtens und des Umklappens werden durch 2 und 3 noch detaillierter erläutert:
2 zeigt den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Herstellung einer partiell beulstrukturierten Materialbahn 1a. Die zunächst glatte Materialbahn 1 wird um die Walze 2, auf der die Stützelemente 3 angebracht sind, gebogen und durch Andrücken der elastischen Druckwalze 4 partiell mit Druck beaufschlagt. Dadurch entstehen die Beulstrukturen in der Materialbahn 1a. Insbesondere durch das Andrücken der Materialbahn 1 gegen die Walze 2 erhält die Materialbahn 1a ihre stark konkave Gestalt.
3 zeigt den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Herstellung partiell beulstrukturierter Materialbahnen analog 2, jedoch mit zusätzlichen Richtrollen 5 und 6. Dabei gelingt es nicht, die partiell strukturierte Materialbahn in die exakt ebene Gestalt zu richten. Es gelingt lediglich, die partiell beulstrukturierte Materialbahn durch Richten eine schwach konkave Gestalt 1b zu überführen. Der Grund hierfür Liegt in der Längendifferenz von dem geometrisch gerafften (beulstrukturierten), mittleren Bereich einerseits und dem breiten, ebenen Randbereich andererseits der partiell strukturierten Materialbahn und den daraus resultierenden inneren Spannungen. Auf diesen Zusammenhang wird in 7 noch näher eingegangen.
4 zeigt den schematischen Aufbau einer strukturierten, insbesondere beulstrukturierten Schale 1c in 1 (Querschnitt des mittleren, strukturierten Bereiches in Fertigungsrichtung) bei ihrer schrittweisen Deformation unter der Belastung F (beim Kopfaufprall) von ihrer schwach konvexen Anfangsgestalt (Ausgangsposition S0) über die beiden Zwischenpositionen S1 und S2 in die schwach konkave Endgestalt (Endposition S3). Die vergleichsweise hohe Biegesteifigkeit der strukturierten, vorzugsweise beulstrukturierten, Materialbahn in Belastungsrichtung der Kraft F einerseits sowie die elastisch-plastische Flexibilität der beulstrukturierten Materialbahn in Wandrichtung (etwa senkrecht zur Belastungsrichtung F) andererseits führt dazu, daß die schwach konvex gekrümmte, strukturierte Schale bei der Belastung F von ihrer Anfangsposition S0 in die Position S1 noch keine Instabilität aufweist. Deshalb beschränkt sich der Durchschlag der konvex gekrümmten, strukturierten Schale infolge Instabilität auf einen vergleichsweise kleinen Deformationsweg von S1 zu S2. Bei der weiteren Belastung F von der Position S2 zu S3 werden die Beulstrukturen gestreckt und dadurch etwas abgeflacht und dabei vorzugsweise plastisch deformiert. 4 beschreibt das typische Verhalten einer vollflächig strukturierten, vorzugsweise beulstrukturieren, schwach konvex gekrümmten Materialbahn. Die bereits beschriebene Sattelbildung bei einer partiell beulstrukturierten Materialbahn reduziert den Durchschlagsweg (Abstand von Position S1 zu Position S2) noch weiter.
5 zeigt schematisch ein ganz anderes Deformationsverhalten von einer glatten, schwach konvexen Materialbahn 7, bei sonst gleichen Bedingungen (Materialdicke, Krümmung, Kraft F) als in 4. Hierbei tritt bereits nach einem sehr kurzem Deformationsweg von der Position S0* zu S1* die bekannte Instabilität einer glatten, konvex gekrümmten Materialbahn auf, nach deren Überschreiten die gekrümmte Materialbahn von der konvexen Position S1* in die konkave Position S2* spontan durchschlägt. Bei diesem Durchschlagen ist die absorbierte Energie vergleichsweise gering. Eine plastische Deformation erfolgt deshalb hierbei nur insbesondere zwischen den Positionen S2* und S3*.
Zur energetischen Beschreibung dieser beiden Belastungsfälle in 4 und 5 zeigt 6 schematisch den Belastung(F)-Weg(S)-Verlauf bei der strukturierten, vorzugsweise beulstrukturierten, gekrümmten Materialbahn und bei der glatten, gekrümmten Materialbahn. Bei der glatten, gekrümmten Materialbahn entsteht nach einem linearen Anstieg 8 ein spontaner, langer Durchschlag 9 von S1* nach S2* mit einem anschließenden Anstieg 10. Bei der beulstrukturierten, gekrümmten Materialbahn ist der Anstieg 11 steiler und länger als bei der glatten Materialbahn. Der Durchschlag 12 von Position S1 zu S2 ist kürzer und sanfter als bei der glatten Materialbahn. Es folgt dann ein weiterer Anstieg 13 bis zur Endposition S3 Die absorbierte Energie ist deshalb bei der strukturierten Materialbahn erheblich höher als bei der glatten Materialbahn.
7 zeigt schematisch eine seitliche Aufsicht auf eine partiell beulstrukturierte Verstärkungsschale, die aus der partiell strukturierten Materialbahn 1c aus dem Herstellungsprozess nach dem Verfahren analog 1 entstand. Der Pfeil 14 gibt die Fertigungsrichtung des Herstellungsprozesses analog 1 an. Die partiell strukturierte Verstärkungsschale besitzt Strukturen 15, vorzugsweise Beulstrukturen, in ihrem mittleren Bereich, und ihre Randbereiche 16 und 17 bleiben eben. Der ebene Randbereich 16 entspricht den in 1 sichtbaren ebenen Materialbahnabschnitten in der Fertigungsrichtung. Der ebene, seitliche Randbereich 17 der partiell strukturierten Materialbahn 1c ist quer zur Fertigungsrichtung angeordnet. Jetzt kann man auch anschaulich erklären, warum sich die partiell strukturierte, insbesondere beulstrukturierte, Materialbahn 1c nicht in eine exakt ebene Gestalt sondern sich nur in eine schwach gekrümmte Form richten lässt: Beim partiellen Beulstrukturieren mit Hilfe der Strukturelemente 3 und der ausgesparten Druckwalze 4 (1) entsteht eine geometrische Verkürzung (ca. 1%) des mittleren, strukturierten Bereiches der Materialbahn in Fertigungsrichtung 14, weil hierbei die Materialbahn etwas gerafft wird. Auf diese Weise entsteht in Fertigungsrichtung 14 eine Längendifferenz zwischen dem gerafften, strukturierten, mittleren Bereich 15 und den glatten Randbereichen 17. Daraus folgt, dass durch eine Längendifferenz in Fertigungsrichtung 14 Schubspannungen 18a in den beiden seitlichen Randbereichen 17 der partiell beulstrukturierten Materialbahn auftreten, die eine schwache Krümmung der partiell strukturierten Materialbahn hervorrufen. Quer zur Fertigungsrichtung treten nur sehr geringe Schubspannungen 18b auf. So lässt sich auch erklären, warum die partiell strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, Materialbahn von ihrer zunächst schwach konkaven Gestalt 1b (3) in die schwach konvexe Gestalt 1c (1) umklappt. Auf diese Weise entsteht eine stabile, und zugleich reproduzierbar schwach gekrümmte, partiell strukturierte, vorzugsweise wölbstrukturierte, Materialbahn, die wegen der noch großen Plastifizierungsreserven des Werkstoffes vorteilhaft als formsteife und zugleich vorgekrümmte Verstärkungsschale (analog 7) Anvendung finden kann. Diese schwach konvexe Krümmung der partiell strukturierten Materialbahn 1c lässt sich im Herstellungsprozess (in 1) an die vorgegebenen Krümmung der fertigen Motorhaube angenähert anpassen.
8 zeigt oben beispielhaft den schematischen Querschnitt durch ein Sandwich, bestehend aus einer Motorhaubenschale 19 und einer inneren, strukturierten, vorzugsweise beulstrukturierten, Verstärkungsschale 15. Die Beulwölbungen der Verstärkungsschale 15 sind mit Hilfe eines Klebers mit der Motorhaubenschale 19 verbunden. 8 zeigt in der Mitte beispielhaft den Querschnitt durch ein Sandwich, bestehend aus einer Motorhaubenschale 19, einer inneren, beulstrukturierten Verstärkungsschale 15 und einem gefügten lokalen Blechstreifen 20 zwecks weiterer, örtlicher Versteifung und Kalibrierung der Verstärkungsschale 15. 8 zeigt unten beispielhaft den schematischen Querschnitt durch ein Sandwich, bestehend aus einer kompletten Motorhaubenschale 19, einer mittleren beulstrukturierten, schwach konvex gekrümmten Materialbahn 15a (Knautschschale) und einer inneren, partiell beulstrukturierten Verstärkungsschale 15 (entsprechend der Materialbahn 1b in 3).
9 zeigt ein experimentell ermitteltes Diagramm für den örtlichen Verformungsweg des Prototyps einer Motorhaube (Sandwich aus innerer Verstärkungsschale 15 und Motorhaubenschale 19, fest fixiert auf einem starren Rahmen) in Abhängigkeit von der absorbierten kinetischen Energie beim simulierten Kopfaufprall eines Erwachsenen-Dummies. Auf Grund der verringerten Durchschlagscharakteristik (6) der strukturierten, vorzugsweise beulstrukturierten, Verstärkungsschale gegenüber einer glatten Verstärkungsschale und wegen der besonders großen Plastifizierungsreserven der beulstrukturierten Verstärkungsschale ergibt sich angenähert ein linearer Anstieg der experimentell bestimmten Kurve in 9. Die experimentelle Basis für diese Crash-Simulation an einem Prototypen-Modell für einen Motorhaubenausschnitt waren die Werte:
0,75 mm Wanddicke der partiell beulstrukturierten Verstärkungsschale (900 mm × 850 mm) aus Tiefziehstahl mit einem mittleren, beulstrukturierten Bereich der Größe 520 mm × 450 mm; 0,5 mm Wanddicke einer noch nicht tiefgezogenen, schwach konvex gekrümmten, ebenen Motorhaubenschale. Die experimentell gemessene kinetische Energie = 296 Nm entspricht der Aufprallenergie eines 4,8 kg Dummies bei einer Autprallgeschwindigkeit von 40 km/h.
10 zeigt analog zu 9 beispielhaft ein experimentell ermitteltes Diagramm für einen Prototyp eines Motorhaubenausschnittes mit einem Stahl-Sandwich (entsprechend 8 unten), bestehend aus einer Motorhaubeschale (Wanddicke 0,6 mm, höherfestem Stahl), einer beulstrukturierten Knautschschale (Wanddicke 0,5 mm, Tiefziehstahl) und einer inneren, partiell beulstrukturierten, Verstärkungsschale (Wanddicke 0,6 mm, höherfestem Stahl). Bei diesem Prototyp hatte der komplette Motorhaubenausschnitt dieselben geometrischen Abmessungen wie in 9. Dieser Prototyp wurde als schwach konvexe Motorhaube auf einer Rahmenkonstruktion an den folgenden definierten Orten fixiert: an den beiden Scharnieren (oben an den beiden Seiten) und an dem Schloss (unten in der Mitte in Fahrtrichtung).
11 zeigt schematisch den Querschnitt durch eine Verstärkungsschale mit tiefen Beulstrukturen 15 im mittleren Bereich und mit flachen Beulstrukturen 21 im seitlichen Bereich des strukturierten Mittelfeldes 15 entsprechend 7. Auf diese Weise kann man die örtliche Biegesteifigkeit der kompletten Motorhaube, bestehend aus Motorhaubenschale und damit verbundener, innerer, partiell strukturierter Verstärkungsschale, so anpassen, dass entlang der Kopfaufprallzone angenähert ein einheitlicher HIC-Wert erreicht wird. Wegen der global größeren Biegeweichheit einer Schale in ihrem mittleren Bereich sind hierzu die Beulstrukturen in der Mitte tiefer (15) als an der Seite (21).
12 zeigt schematisch den Querschnitt durch eine Verstärkungsschale mit tiefen Beulstrukturen 15 im mittleren Bereich und mit Beulstrukturen, die Gegenbeulen 22 aufweisen, im seitlichen Bereich des strukturierten Mittelfeldes. Mit Hilfe dieser Gegenbeulen 22 wird die Beulhöhe und damit die Sandwichdicke der kompletten Motorhaube etwas reduziert. So ergibt sich ein ähnlicher Effekt wie in 11, um die Biegesteifigkeit lokal der Belastung anzupassen. In modifizierter Weise können auch die tieferen Beulstrukturen 15 mit kleinen Gegenbeulen versehen werden (in 12 nicht expliziert dargestellt). Dadurch ergeben sich kleine Mulden für eine vorteilhafte Aufnahme und Fixierung des Klebers analog zu 8. Die Gegenbeulen können zusätzlich jeweils ein kleines Loch aufweisen. Auf diese Weise kann man den Kleber vorteilhaft auch von der Unterseite der strukturierten, schwach gekrümmten Verstärkungsschale aus in den Zwischenraum des Sandwiches, bestehend aus Verstärkungsschale und Motorhaubenschale, leicht einbringen und so denkbare Differenzen in ihren Zwischenabständen durch den Kleber (analog zu 8) überbrücken.
13 zeigt beispielhaft eine partiell strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, Materialbahn in der Gestalt einer Verstärkungsschale 23 für eine Motorhaube. Die hexagonalen Beulstrukturen verlaufen hierbei in ihrer Fertigungsrichtung 14 (analog der Fertigungsrichtung in 1) quer zur Fahrtrichtung 24 der kompletten Motorhaube des Automobils (in 13 nicht explizit dargestellt). In einem sekundären Prozess wird die partiell strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, Verstärkungsschale an ihren glatten, breiten Rändern mit Hilfe konventioneller Formwerkzeuge zu der fertigen Verstärkungsschale weiter umgeformt und dann umsäumt (geschnitten) und schließlich mit der Motorhaubenschale gefügt (in 13 nicht explizit dargestellt).
In einer modifizierten Ausgestaltung des Verfahrens entsteht die Herstellung der fertigen Verstärkungsschale in einem integrierten Fertigungsprozess, indem das Strukturieren der ebenen Materialbahn in ihrem mittleren Bereich und die Umformung ihrer breiten Randbereiche mit Hilfe von zwei Formwerkzeugen oder mit Hilfe eines Formwerkzeuges und eines Wirkmediums erfolgt. Allerdings wird hierbei der Werkstoff der Verstärkungsschale viel stärker plastifiziert als beim werkstoffschonenden Beulstrukturieren. Dadurch werden die Plastifizierungsreserven für die eigentliche Energieabsorption beim späteren Kopfaufprall ganz erheblich reduziert.
14 zeigt beispielhaft ein konventionelles Verstärkungsbauteil 25, das Versteifungsrahmen 27 besitzt, welches mit strukturierten, vorzugsweise beulstrukturierten, Materialbahnen 26 verbunden ist. Diese strukturierten, vorzugsweise beulstrukturierten, Bleche 26 können in die bisher freien Ausschnitte konventioneller oder modifizierter Verstärkungsbauteile einfach gefügt werden. In einer modifizierten Ausgestaltung des Verfahrens entsteht die fertige Verstärkungsschale, in Anlehnung an die Modifikation von 13, in einem integrierten Fertigungsprozess mit Hilfe von zwei Formwerkzeugen oder einem Formwerkzeug und einem Wirkmedium. Allerdings wird auch hierbei der Werkstoff der Verstärkungsschale viel stärker plasitifiziert als beim werkstoffschonenden Beulstrukturieren. Das schränkt die Verwendung höherfester Werkstoffe, insbesondere Leichbau-Werkstoffe verschiedenster Art, die nur über geringe Dehnwerte verfügen, ganz erheblich ein. Dasselbe gilt natürlich auch für die Modifizierung analog zu 13.

Claims

Verfahren zur Strukturierung und zur sekundären Verformung einer dünnwandigen Materialbahn für eine energieabsorbierende Verstärkungsschale und/oder Knautschschale für schalenförmige karosserieteile, insbesondere für eine Motorhaube, für den Fußgängerschutz, bei dem eine gekrümmte Materialbahn über im Abstand zueinander angeordnete Stützelemente abgestützt wird und bei dem an ihrer gegenüberliegenden Seite ein Verformungsdruck so aufgebracht wird, dass sich eine Wandstruktur aus Beulfalten und -mulden einstellt und anschließend die so strukturierte, gekrümmte Materialbahn mit Hilfe von Rollen gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass a. die gekrümmte Materialbahn durch örtlichen Verformungsdruck nur in ihrem mittleren Bereich beulstrukturiert wird, so dass breite Ränder der Materialbahn und breite Abschnitte der Materialbahn in ihrer Fertigungsrichtung eben bleiben und dann b. die so partiell beulstrukturierte, stark konkav gekrümmte Materialbahn durch Andrücken von Rollen in eine schwach konkav gekrümmte Gestalt gerichtet wird und dann c. diese schwach konkav gekrümmte Materialbahn durch Andrücken von Rollen in eine schwach konvex gekrümmte und zugleich formstabile Gestalt umklappt, ohne dass dabei die Strukturfalten und/oder -mulden einknicken.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schwach konkav gekrümmte, partiell strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, Materialbahn, quasi von selbst, einen flachen Sattel erhält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schwach konvex gekrümmte, partiell strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, Materialbahn, quasi von selbst, einen flachen Sattel erhält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die schwach konvex gekrümmte, partiell strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, Materialbahn durch ihren flachen Sattel ein reduziertes Durchschlagverhalten erhält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sattel in der partiell strukturierten, vorzugsweise beulstrukturierten, Materialbahn durch mechanische Kalibrierwerkzeuge teilweise oder nahezu vollkommen wieder abgeflacht wird, ohne dabei die Strukturen wieder einzuebnen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung der partiell strukturierten, vorzugsweise beulstrukturierten, Materialbahn der Krümmung der Motorhaubenschale angepasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die partiell strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, Materialbahn mit ihrem flachen Sattel durch zusätzlich lokal gefügte Streifen, insbesondere Blechstreifen, weiter örtlich versteift und dabei kalibriert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die partiell strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte Materialbahn an ihren breiten, ebenen Rändern durch konventionelle Formwerkzeuge weiter zu einer fertigen Verstärkungsschale umgeformt und dann mit der Karosserieschale, insbesondere Motorhaubenschale, durch Fügen verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in die freie Satteltasche zwischen der partiell strukturierten, vorzugsweise beulstrukturierten, Materialbahn (Verstärkungsschale) und der Motorhaubenschale eine strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, Materialbahn als Knautschschale gefügt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die gekrümmte Materialbahn selbstorganisierend beulstrukturiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Materialbahn nicht-selbstorganisierend beulstrukturiert wird, wobei die gekrümmte Materialbahn auf ihrer Innenseite mit Hilfe eines geometrisch vorgegebenen, polymetrischen, insbesondere hexagonalen, wappenförmigen, tropfenförmigen, viereckigen, fünfeckigen, sechseckigen, achteckigen oder rhombischen, Stützrasters einer Werkzeugwalze abgestützt und auf ihrer Außenseite durch eine elastische Walze mit Druck beaufschlagt, so dass Beulstrukturen in das geometrisch vorgegebene Stützraster hineinspringen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Materialbahn aus ihrer ebenen Gestalt heraus durch zwei mechanische Formwerkzeuge (Stempel und Matrize) und/oder durch ein mechanisches Werkzeug und ein hydraulisches oder pneumatisches oder elastisches Wirkmedium in eine komplette Verstärkungsschale mit Sattel oder ohne Sattel umgeformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die schwach konvex gekrümmte, partiell strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, Materialbahn bei einer Belastung, etwa senkrecht zur Materialbahn analog einem Kopfaufprall, einen progressiven Kraft-Deformationsverlauf erhält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass für die partiell strukturierte Verstärkungsschale metallische Werkstoffe, wie Stahl, Edelstahl, Aluminium oder Magnesium sowie Polymere und faserverstärkte Materialien verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass für die Knautschschale vorzugsweise duktile, metallische Bleche oder Polymere oder Aluminiumschaum verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die partiell strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, Verstärkungsschale oder die strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, Knautschschale in ihrer schwach konvex gekrümmten Gestalt mit ihren Strukturwölbungen durch Fügen, vorzugsweise Kleben, mit der Innenseite der Motorhaubenschale verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die partiell strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, Verstärkungsschale und/oder die strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, Knautschschale in ihrem mittleren Bereich der Kopfaufprallzone mit tieferen Strukturen und in den Randbereichen der Kopfaufprallzone mit flacheren Strukturen versehen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die partiell strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, Verstärkungsschale und/oder die strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, Knautschschale mit kleineren Gegenbeulen versehen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die kleineren Gegenbeulen jeweils ein kleines Loch erhalten und den Kleber aufnehmen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialbahn in ihrem mittleren Bereich der crashrelevanten Zone flachere Gegenbeulen und in ihren seitlichen Bereichen tiefere Gegenbeulen erhält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Sandwichkonstruktion, bestehend aus partiell strukturierter, vorzugsweise beulstrukturierter, Verstärkungsschale, strukturierter, vorzugsweise beulstrukturierter, Knautschschale und Motorhaubenschale, einer gleichmäßigen Belastung und Deformation beim lokalen Kopfaufprall angepasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass in die freien Ausschnitte eines herkömmlichen Verstärkungsbauteils eine strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, Materialbahn als Deformationsschale gefügt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass in den gesamten mittleren, crashrelevanten Bereich eines konventionellen Verstärkungsbauteils eine strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, Materialbahn als Deformationsschale und/oder Knautschschale gefügt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Sandwichkonstruktion, bestehend aus einer schwach konvex gekrümmten, partiell strukturierten, vorzugsweise beulstrukturierten, Verstärkungsschale und der gefügten Karosserieschale, insbesondere Motorhaubenschale, ein reduziertes Durchschlagverhalten erhält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Sandwichkonstruktion, bestehend aus einer schwach konvex gekrümmten, partiell strukturierten, vorzugsweise beulstrukturierten, Verstärkungsschale, einer gefügten strukturierten, vorzugsweise beulstrukturierten, Knautschschale und der gefügten Karosserieschale, insbesondere Motorhaubenschale, ein reduziertes Durchschlagverhalten erhält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die schwach konvex gekrümmte, partiell strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, Verstärkungsschale verbunden mit der Karosserieschale, insbesondere Motorhaubenschale, die Crashenergie beim Kopfaufprall gleichmäßig entlang des Deformationsweges absorbiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die schwach konvex gekrümmte, partiell strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, Verstärkungsschale verbunden mit einer strukturierten, vorzugsweise beulstrukturierten, Knautschschale verbunden mit einen Karosserieschale, insbesondere Motorhaubenschale, die Crashenergie beim Kopfaufprall gleichmäßig entlang des Deformationsweges absorbiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sandwichkonstruktion, bestehend aus partiell strukturierter, vorzugsweise beulstrukturierter, Verstärkungsschale und einer Karosserieschale, für flächige Karosserieteile, insbesondere Motorhauben, Heckklappen, Türen, Seiten- und Trennwände und Kotflügel, hinsichtlich einem körperverträglichen Fußgängerschutz bei reduziertem Deformationsweg, beispielsweise etwa 60 mm, angewandt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sandwichkonstruktion, bestehend aus partiell strukturierter, vorzugsweise beulstrukturierter, Verstärkungsschale und strukturierter, vorzugsweise beulstrukturierter, Knautschschale und einer Karosserieschale, für flächige Karosserieteile, insbesondere Motorhauben, Heckklappen, Türen, Seiten- und Trennwände und Kotflügel, hinsichtlich einem körperverträglichen Fußgängerschutz bei reduziertem Deformationsweg, beispielsweise etwa 60 mm, angewandt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sandwichkonstruktion, bestehend aus partiell strukturierter, vorzugsweise beulstrukturierter, Verstärkungsschale und wahlweise strukturierter, vorzugsweise beulstrukturierter, Knautschschale und Karosserieschale, für flächige Karosserieteile, insbesondere Motorhauben, Heckklappen, Türen, Seiten- und Trennwände und Kotflügel, insbesondere bei Anwendung von dünnem, hoch- und höchstfestem Stahl und von Leichtbauwerkstoffen, wie Aluminium, Magnesium, Polymere, Gewebe, faserverstärkte Materialien, häufig mit niedrigen Dehngrenzen, für ein reduziertes Karosseriegewicht angewandt werden.