DE102004051336B4

DE102004051336B4 - Fahrzeug mit Energie absorbierenden Elementen

Info

Publication number: DE102004051336B4
Application number: DE200410051336
Authority: DE
Inventors: Andreas Winkler
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2004-10-21
Filing date: 2004-10-21
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2024-10-22
Also published as: DE102004051336A1

Abstract

Fahrzeug (1), insbesondere PKW, mit einer selbsttragenden Karosseriestruktur und/oder selbsttragenden Karosserie-Rahmen-Struktur, wobei die Struktur aus einer steifen Zelle und mehreren Energie absorbierenden Elementen (5, 6; 8, 9) aufgebaut ist, wobei örtlich zwischen einem ersten Fahrzeugaggregat und einem weiteren Fahrzeugaggregat und/oder der Struktur zumindest eines der Energie absorbierende Elemente (5, 6; 8, 9) angeordnet ist, wobei das zumindest eine Energie absorbierende Element (5, 6; 8, 9) eine Relativbewegung des mit dem zumindest einen Element (5, 6; 8, 9) verbundenen ersten Fahrzeugaggregates mit dem weiteren Fahrzeugaggregat oder der Struktur ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, dass sich gegeneinander abstützende Fahrzeugaggregate und Energie absorbierende Elemente (5, 6; 8, 9) wenigstens einen von der Struktur unabhängigen Lastpfad ausbilden und dass zumindest ein Energie absorbierendes Element (5, 6, 8, 9) verformt wird, bevor ein Fahrzeugaggregat des Lastpfades verformt wird.

Description

Die Erfindung betrifft Fahrzeuge, insbesondere PKW, mit einer selbsttragenden Karosseriestruktur und/oder selbsttragenden Karosserie-Rahmen-Struktur gemäß der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Karosseriestrukturen, insbesondere Karosseriestrukturen von Personenkraftwagen, werden einerseits nach Festigkeitsgesichtspunkten, andererseits nach Gesichtspunkten der Crash-Sicherheit ausgelegt. Dabei werden verformungssteife Partien, wie die Fahrgastzellen und verformungsweiche Partien so miteinander kombiniert, dass von außen auf die Karosseriestruktur wirkende Kräfte einerseits wirksam abgebaut werden, andererseits die Insassen des Fahrzeuges weitgehend vor Verletzungen geschützt sind.

Bei der Entwicklung der Karosseriestruktur sind jedoch Kompromisse einzugehen, die sich durch unterschiedliche Ausstattungen der Fahrzeuge, unterschiedliche Motorisierungen und dergleichen ergeben. Die ausgeführte Gesamtkombination ergibt dabei in keinem Fall eine Optimallösung.

Um Karosseriestrukturen im Fall geringer äußerer Kräfte vor dauerhaften Beschädigungen zu schützen, werden Anpralldämpfer eingesetzt, die entweder als Feder- und/oder Dämpferelemente oder als Deformationselemente ausgeführt sind und nach einem Anprall leicht ausgetauscht werden können, während die Karosseriestruktur im Übrigen nicht beeinträchtigt ist. Solche Lösungen sind für die Aufhängung der Stoßfänger bekannt.

Es ist auch bekannt, stoßempfindliche Bauteile, wie beispielsweise die zumeist im Frontbereich angeordneten Kühler, durch Kombination mit Deformationselementen zu schützen, um zu vermeiden, dass bei Deformationen geringen Umfangs die Kühler leck werden und Umweltschäden auftreten.

Nach einem Vorschlag in der EP 1 323 566 A1 soll die untere Lagerung eines Kühlers mit einem Deformationselement für den Stoßfänger in der Weise kombiniert sein, dass bei Deformation der untere Bereich des Kühlers einschwenkt, während der Kühler oben schwenkbar gelagert ist und dort zumindest in seiner Position bleibt.

In der DE 198 13 752 A1 ist ein Crashelement für ein Fahrzeug zur Weiterleitung von auf eine Fahrzeugkarosserie einwirkenden Aufprallkräften offenbart. Das Crashelement ist als ein separates Bauteil oder Montageteil ausgebildet, das in den dafür vorgesehenen Hohl- oder Zwischenraum steckbar bzw. montierbar ist. Das Crashelement liegt in der Regel zumindest an den Begrenzungsflächen des Hohl- oder Zwischenraumes an der Fahrzeugkarosserie an, an denen Aufprallkräfte in das Fahrzeuginnere eingeleitet werden können und an denen die Aufprallkräfte über das Crashelement in die zur Energieabsorption dienende angrenzende Struktur weitergeleitet werden können. Die Steifigkeit bzw. Druckfestigkeit des Crashelementes ist so ausgelegt, dass das Crashelement den bei einem Aufprall oder Crash entstehenden Kraftimpuls direkt und mit minimaler Energieabsorption an die zum Energieabbau der Aufprallenergie vorgesehen und an das Crashelement angrenzenden Struktur großflächig überträgt.

Ebenso ist bekannt, dass bestimmte Fahrzeugaggregate, wie die Motor-Getriebe-Einheit, Batterie, Klimaanlage und dergleichen größere Einzelmassen haben, die im Falle eines Anpralls erhebliche Verzögerungskräfte entwickeln. Bei derzeitigen Karosseriestrukturen werden diese Kräfte nicht oder nur unzureichend abgebaut. Folgeerscheinungen können das Abreißen von Halterungen, übernormale Deformationen der Karosseriestruktur und beim Anprall umherfliegende Teile, die ein erhebliches Gefahrenpotenzial haben, sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Fahrzeugaggregate zu sichern und die auf die Insassen eines Fahrzeuges einwirkenden Belastungen zu minimieren.

Diese Aufgabe wird bei einem Fahrzeug gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 in Verbindung mit seinen Oberbegriffsmerkmalen gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung bilden die Gegenstände der Unteransprüche.

Nach der Erfindung sind an den Verbindungsstellen der Hauptkomponenten des Fahrzeuges zur Karosseriestruktur und/oder zwischen einzelnen Fahrzeugaggregaten Energie absorbierende Elemente angeordnet. Diese Elemente werden entweder zusätzlich zu bereits vorhandenen Energie absorbierenden Elementen, wie beispielsweise den Schwingungsdämpfern der Motoraufhängung, eingesetzt oder konstruktiv mit diesen vereinigt. Die innerhalb des Fahrzeugaufbaus vorhandenen Freiräume, das heißt verfügbare Verformungswege, können mit deren Hilfe genutzt werden, Anprall- oder Verzögerungskräfte abzubauen.

Die Fahrzeugaggregate und Energie absorbierende Elemente sind dabei so zueinander angeordnet, dass so genannte Lastpfade innerhalb des Fahrzeugaufbaus ausgebildet werden. Durch die gezielte Anordnung von Energie absorbierenden Elementen wird eine Krafteinleitung in die Karosseriestruktur, von einem Fahrzeugaggregat zu einer anderen und dergleichen erreicht werden, die es ermöglicht, Verformungsenergie von der Fahrgastzelle weitgehend fernzuhalten. So kann beispielsweise ein Stoßfänger, ein Front-End-Modul mit integrierten Kühlern, eine Motor-Getriebe-Einheit in Folge so mit Energie absorbierenden Elementen versehen sein, dass abhängig von einwirkenden Kräften in Stufen und mit ausreichend langen Verformungswegen über die angeordneten Elemente Energie abgebaut werden kann.

Ein solcher Lastpfad kann insbesondere so angeordnet werden, dass er sich im Vorderwagen oben liegend befindet. Damit ergibt sich eine zusätzliche Linie, in der eine besondere Steifigkeit des Fahrzeugaufbaus vorhanden ist. Im Falle eines Anpralls des Fahrzeuges sind so zwei übereinander liegende Verformungsebenen vorhanden, sodass ein Nachobenschlagen des Fahrzeugaufbaus vermieden wird. Die in diese zweite, oben liegende Verformungsebene eingeleiteten Kräfte werden bei einer weiteren Ausführungsform vor und/oder über die Frontseite der Fahrgastzelle in die unten liegende Verformungsebene abgeleitet, sodass die Fahrgastzelle keine zusätzlichen Belastungen aufnehmen muss. Es ist selbstverständlich auch möglich, die Kräfte der oben liegenden Verformungsebene im Bereich der Vorderwand der Fahrgastzelle in dieselbe einzuleiten.

Lastpfade können durch Aufteilung der Energieabsorption auf mehrere nebeneinander angeordnete Elemente auch weiter aufgeteilt werden. Damit können beispielsweise in Fahrtrichtung links und/oder rechts oder auch von der Fahrtrichtung abweichend ausgerichtete Lastpfade verwirklicht werden.

Weiterhin können nicht direkt innerhalb von Lastpfaden angeordnete massereiche Bauteile, wie Hydraulik-, Kühlmittelpumpen und -behälter, Batterien, Elektronikeinheiten, Lenkgetriebe und dergleichen jeweils an Energie absorbierenden Elementen befestigt sein.

Eine vorteilhafte Ausführungsform solcher Elemente ist die Ausgestaltung als Deformationselemente, die bei Überlastung eine bleibende Deformation erfahren, jedoch kostengünstig herstellbar und gegebenenfalls leicht austauschbar sind.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen solcher Elemente können Feder-, Feder-Dämpfer- oder hydraulische Dämp ferelemente sein. Solche Energie absorbierende Elemente sind bei geringeren Verformungskräften vorteilhaft und deshalb zweckmäßig bei Fahrzeugkonzepten einsetzbar, bei denen die Gestalt gebende Struktur zunächst nicht deformiert werden soll.

Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung zu einem Fahrzeug mit Energie absorbierenden Elementen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben. In der Beschreibung, in den Patentansprüchen, der Zusammenfassung und in der Zeichnung werden die in der hinten angeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet. In der Zeichnung bedeutet:
1 eine schematische Darstellung eines Personenkraftwagens mit Fahrzeugaggregaten in Front- und Heckbereich;
2 eine schematische Darstellung des Vorderbaus eines Personenkraftwagens, und
3 eine schematische Darstellung des Vorderwagens eines Personenkraftwagens in der Draufsicht.
Ein Fahrzeug in der Form eines Personenkraftwagens 1 ist mit verschiedenen Energie absorbierenden Elementen ausgestattet. Der Vorderwagen 2 weist an der Fahrzeugfront 3 eine Kühlereinheit 4 auf, die durch die Energie absorbierenden Elemente 5 und 6 gesichert ist. Frontpartie 3 und Kühlereinheit 4 sind verformungsweiche Partien des Fahrzeugs, sodass im Falle eines Anpralls bei geringeren Verformungskräften zunächst die Front 3, dann die Kühlereinheit 4 deformiert und beschädigt würde. Eine Beschädigung der Kühlereinheit 4 kann dadurch vermieden werden, dass die Energie absorbierenden Elemente 5 und 6 in ihrem Dämpfungsverhalten so ausgelegt sind, dass sie vor der Kühlereinheit 4 verformt werden bzw. ihre dämpfende Wirkung entfalten.
Bei größeren äußeren Kräften wird das Fahrzeug 1 stark verzögert, wodurch die Motor-Getriebe-Einheit 7 aufgrund ihrer großen Eigenmasse zunächst eine Trägheitskraft in Fahrtrichtung entwickelt. In dieser Situation wirkt der gesamte Vorbau, bestehend aus Fahrzeugfront 3, Kühlereinheit 4, Energie absorbierendes Element 5 und 6 für die Motor-Getriebe-Einheit 7 anpralldämpfend. Bei noch größeren Anprallkräften schiebt sich dann das Fahrzeug mit seiner Karosseriestruktur gegen die bereits voll verzögerte Motor-Getriebe-Einheit 7 und wird dabei durch Energie absorbierende Elemente 8 und 9, die vor dem Frontbereich 3 der Fahrgastzelle bzw. Cockpit-Bauteilen angeordnet sind, gedämpft.
Im Heckbereich ist zwischen den Bodenträgern 10 des Kofferraums 11 und dem Hinterachstunnel 12 wenigstens ein Energie absorbierendes Element 13 eingebaut, das auf das Heck 14 des Fahrzeuges 1 einwirkende Anprallkräfte dämpft.
Bei einer solchen Anordnung von Energie absorbierenden Elementen kann wesentlich mehr Anprallenergie abgebaut werden, als bei den herkömmlichen Fahrzeugen.
Bei einem anderen Aufbau des Vorderwagens ist berücksichtigt, dass im Falle eines Anpralls auch ein Kippmoment auftritt, da herkömmliche Fahrzeuge lediglich im Bereich des Fahrzeugbodens eine Steifigkeitsebene ausbilden, die als Lastpfad dienen kann. In diesem Ausführungsbeispiel ist deshalb an der Fahrzeugfront 15 vor der Kühlereinheit 16 eine Dämpfungseinheit 17 und hinter der Kühlereinheit 16 eine weitere Dämpfungseinheit 18 angeordnet, die beide im Vorderwagen möglichst hoch angeordnet sind. Damit wird erreicht, dass der Vorderbau eine zweite Steifigkeitsebene erhält.
Das Energie absorbierende Element 18 stützt sich gegen den Motor 19 ab, wobei dieser sich weiterhin gegen das Energie absorbierende Element 20, ein beliebiges Fahrzeugaggregat 21 und ein weiteres Energie absorbierendes Element 22 abstützt. Von diesem werden die Verformungskräfte über die lediglich schematisiert eingezeichnete Spritzwand 23 in die Bodengruppe 24 der Fahrgastzelle eingeleitet. Die Fahrgastzelle bleibt weitgehend frei von zusätzlichen Kräften.
Der in diesem Ausführungsbeispiel vorhandene zweite Lastpfad kann beispielsweise verhindern, dass ein anprallendes Fahrzeug hinten aufsteigt und es durch einen nachfolgenden Aufprall des Daches der Fahrgastzelle zu Deformationen derselben kommt.
Eine weitere Ausführungsform besteht darin, dass in der Front 25 eines Fahrzeuges hinter dem Stoßfänger 26 ein in Fahrtrichtung rechts 27 und ein in Fahrtrichtung links 28 angeordnetes Energie absorbierendes Element vor der Kühlereinheit 29 angeordnet ist. Nach der Kühlereinheit 29 folgt wiederum je ein linkes 30 und rechtes Energie absorbierendes Element 31, die sich beide gegen den Motor 32 abstützen. Hinter dem Motor 32 ist wiederum ein linkes 33 sowie ein rechtes Energie absorbierendes Element 34 angeordnet, die vor den Fahrzeugaggregaten 35 und 36 liegen. Dahinter ist wiederum ein linkes 37 und ein rechtes Energie absorbierendes Element 38 angeordnet, die sich gegen die Spritzwand 39 der Fahrgastzelle abstützen.
Diese Ausführungsform der Erfindung ermöglicht es im Zusammenhang mit den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen, bis zu vier Lastpfade zusätzlich in ein Fahrzeug zu integrieren, wobei bei entsprechender Auslegung und Anordnung anderer Fahrzeugaggregaten gegenüber Fahrzeugen bekannter Bauart ein wesentlich verbessertes Verformungsverhalten erreicht wird. Selbst bei seitlich versetztem Anprall kann ein Aufsteigen des Fahrzeughecks vermieden werden. In Verbindung mit den verformungsweichen Partien der Karosseriestruktur können erheblich größere äußere Kräfte abgebaut werden.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass gegenüber bekannten Fahrzeugen, vorzugsweise PKW, zusätzliche Lastpfade in das Fahrzeug integriert werden, die gemeinsam mit der Karosseriestruktur äußere und/oder innere Kräfte dadurch abbauen, dass zusätzliche Energie absorbierende Elemente vorgesehen werden, die bei Ein wirken von Kräften diese zumindest teilweise abbauen. Die Energie absorbierenden Elemente können als Feder-, Feder-Dämpfer- oder sich deformierende Elemente oder als Kombinationen aus vorgenannten Merkmalen ausgeführt sein. Die Anordnung macht es möglich, nicht zur Karosseriestruktur gehörende Fahrzeugaggregate mit Energie absorbierenden Elementen auszustatten, mehrere zusätzliche Lastpfade in das Fahrzeug zu integrieren und insbesondere über dem durch die Karosseriestruktur ausgebildeten Lastpfad liegende Lastpfade auszuführen.

1: Fahrzeug
2: Vorderwagen
3: Fahrzeugfront
4: Kühlereinheit
5: Energie absorbierendes Element
6: Energie absorbierendes Element
7: Motor-Getriebe-Einheit
8: Energie absorbierendes Element
9: Energie absorbierendes Element
10: Bodenträger
11: Kofferraum
12: Hinterachstunnel
13: Energie absorbierendes Element
14: Heck
15: Fahrzeugfront
16: Kühlereinheit
17: Energie absorbierendes Element
18: Energie absorbierendes Element
19: Motor
20: Energie absorbierendes Element
21: Fahrzeugkomponente
22: Energie absorbierendes Element
23: Spritzwand
24: Bodengruppe
25: Front
26: Stoßfänger
27: Energie absorbierendes Element (rechts)
28: Energie absorbierendes Element (links)
29: Kühlereinheit
30: Energie absorbierendes Element (links)
31: Energie absorbierendes Element (rechts)
32: Motor
33: Energie absorbierendes Element (links)
34: Energie absorbierendes Element (rechts)
35: Fahrzeugkomponenten
36: Fahrzeugkomponenten
37: Energie absorbierendes Element (links)
38: Energie absorbierendes Element (rechts)
39: Spritzwand

Claims

Fahrzeug (1), insbesondere PKW, mit einer selbsttragenden Karosseriestruktur und/oder selbsttragenden Karosserie-Rahmen-Struktur, wobei die Struktur aus einer steifen Zelle und mehreren Energie absorbierenden Elementen (5, 6; 8, 9) aufgebaut ist, wobei örtlich zwischen einem ersten Fahrzeugaggregat und einem weiteren Fahrzeugaggregat und/oder der Struktur zumindest eines der Energie absorbierende Elemente (5, 6; 8, 9) angeordnet ist, wobei das zumindest eine Energie absorbierende Element (5, 6; 8, 9) eine Relativbewegung des mit dem zumindest einen Element (5, 6; 8, 9) verbundenen ersten Fahrzeugaggregates mit dem weiteren Fahrzeugaggregat oder der Struktur ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, dass sich gegeneinander abstützende Fahrzeugaggregate und Energie absorbierende Elemente (5, 6; 8, 9) wenigstens einen von der Struktur unabhängigen Lastpfad ausbilden und dass zumindest ein Energie absorbierendes Element (5, 6, 8, 9) verformt wird, bevor ein Fahrzeugaggregat des Lastpfades verformt wird.
Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lastpfad im Vorbau der Struktur und/oder im Hinterwagen liegt.
Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lastpfad über dem durch die Struktur selbst gebildeten Lastpfad liegt.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lastpfad im Vorbau der Struktur und über den durch die Struktur selbst gebildeten Lastpfad liegt, wobei derselbe durch ein Energie absorbierendes Element (17), die Kühlereinheit (16), ein Energie absorbierendes Element (18), die Motor-Getriebe-Einheit (19), ein Energie absorbierendes Element (20), eine Fahrzeugkomponente (21), ein weiteres Energie absorbierendes Element (22) ausgebildet ist und die verbleibenden Kräfte in den Bereich der Spritzwand (23) eingeleitet werden.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der über dem durch die Struktur selbst gebildeten Lastpfad liegende Lastpfad einen linken und einen rechten Lastpfad ausbildet.
Fahrzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der über dem durch die Struktur selbst gebildeten Lastpfad liegende Lastpfad einen linken und einen rechten Lastpfad ausbildet, wobei der linke Lastpfad durch ein Energie absorbierendes Element (28), die Kühlereinheit (29), ein weiteres Energie absorbierendes Element (30), die Motor-Getriebe- Einheit (32), ein Energie absorbierendes Element (33), eine Fahrzeugkomponente (35) sowie ein Energie absorbierendes Element (37) und der rechte Lastpfad durch ein Energie absorbierendes Element (27), die Kühlereinheit (29), ein weiteres Energie absorbierendes Element (31), die Motor-Getriebe-Einheit (32), ein Energie absorbierendes Element (34), eine Fahrzeugkomponente (36) und ein Energie absorbierendes Element (38) gebildet ist, wobei wiederum vom Stoßfänger (26) ausgehende Verformungsenergie in die Lastpfade eingeleitet wird und verbleibende Kräfte über die Spritzwand (39) in die Struktur eingeleitet werden.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Lastpfad übertragenen Kräfte vor und/oder über die Vorderwand der Zelle in die Bodengruppe der Zelle eingeleitet werden.
Fahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Energie absorbierenden Elemente (5, 6; 8, 9) und die Fahrzeugaggregate gebildete Lastpfad durch einen karosseriefesten/strukturfesten Lastpfad fortgesetzt wird.
Fahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energie absorbierende Element ein Feder-Dämpfer- und/oder ein Deformationselement ist.
Fahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Energie absorbierende Element mit der Struktur und/oder dem Fahrzeugaggregat lösbar verbunden ist.