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Die
Erfindung betrifft eine Crashbox zur Eingliederung zwischen einem
Stoßfängerquerträger und
Längsträgern eines
Kraftfahrzeugs gemäß den Merkmalen
im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Crashboxen
tragen dazu bei, dass die Fahrzeugstruktur eines Kraftfahrzeugs
bei einem Anprall mit geringer Geschwindigkeit keine Beschädigungen davonträgt. Crashboxen
absorbieren die aus einem Anprall resultierende Energie, indem diese
in Verformungsarbeit umgewandelt wird.
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Crashstrukturen
eines Kraftfahrzeugs werden kontinuierlich hinsichtlich ihrer Fähigkeit
der Energiedissipation weiterentwickelt, so dass es zwischenzeitlich
eine stattliche Anzahl von unterschiedlichen Crashboxausführungen
gibt. Es ist bekannt, neben den klassischen metallischen Werkstoffen auch
Faserverbundstrukturen einzusetzen, die einen hohen Anteil an der
Energiedissipation bei gleichzeitig geringem Beitrag zum Fahrzeuggesamtgewicht haben.
In der Praxis ist der Einsatz von Faserverbundstrukturen bislang
auf das hochpreisige Fahrzeugsegment beschränkt.
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Auf
dem Markt befindliche Crashboxen aus Aluminium und Stahl sind in
der Regel irreversibel ausgeführt
und beruhen auf der plastischen Deformation von Bauteilen. Als Beispiel
hierfür
ist die
DE 198 33
250 A1 zu nennen. Hauptsächlich kommen drei unterschiedliche
Deformationsprinzipien zum Einsatz: Häufig werden Crashboxen während der axialen
Belastung gefaltet. Es ist auch bekannt, Stülprohre einzusetzen, bei welchen
ein Rohrprofil durch plastische Umformung umgestülpt wird. Auch die Verjüngung eines
Rohrdurchmessers mittels Durchdrücken
durch eine Matrize ist bekannt.
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Ein
gezielt eingestelltes Falten der Crashbox führt erfahrungsgemäß ab einem
bestimmten Kraftniveau zu stark schwankenden Kraft-/Weg-Verläufen. Diese
Schwankungen resultieren in einer Energieaufnahme, die unterhalb
der maximal möglichen
Energieaufnahme liegt. Wenn die Energieaufnahmefähigkeit derartiger Crashboxen
vergrößert werden soll,
muss zwangsläufig
auch die Crashbox größer dimensioniert
werden, was wiederum mit einem höheren
Bauteilgewicht erkauft wird.
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Crashboxen,
die ausschließlich
nach dem Umstülpprinzip
arbeiten, erreichen zwar den angestrebten möglichst konstanten Kraft-/Weg-Verlauf,
jedoch wird dies mit einem deutlichen Mehrgewicht gegenüber den
Falten bildenden Crashboxen erkauft, da zur Einleitung der Umstülpung entsprechend
konfigurierte Widerlagerplatten mit Hohlkehlen oder dergleichen
erforderlich sind.
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Crashboxen,
bei welchen Metallprofile mit Faserverbundstrukturen kombiniert
werden, zeigen je nach Auslegung deutlich bessere Ergebnisse. Häufig bedingt
dies jedoch eine spezielle Anordnung der Fasern des Faserkunststoffverbunds.
Ferner ist zu beachten, dass Crashboxen in der Regel eine tragende
Funktion zukommt, da sie zur Stabilisierung des Kraftfahrzeugvorbaus
dienen und in der Regel das Frontend mit einem Stoßfänger, Kühler und
Zusatzaggregaten tragen. Diese Anforderungen führen oftmals zu konstruktiv
aufwändigen
Lösungen.
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Aufgrund
der räumlichen
Einbausituation von Crashabsorbern werden von den Kraftfahrzeugherstellern
Systeme bevorzugt, welche die kinetische Energie zum Zeitpunkt des
Schadensereignisses in einer möglichst
idealen Kraft-/Weg- Kennlinie
aufnehmen und nach einem anfänglich
steilen Kraftanstieg in ein konstantes Kraftniveau überführen, so
dass das Integral unter der Kraft-/Weg-Kennlinie maximal wird. In der
DE 197 36 803 C2 wurde
daher ein Deformationselement vorgeschlagen, bei welchem zumindest
abschnittsweise an der Innenwandung des als Rohrkörper ausgeführten Deformationselements ein
Schaumkörper
angeordnet ist, der so positioniert ist, dass sich ein möglichst
günstigere Kraft-/Weg-Verlauf
ergibt.
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Auch
ist es bekannt, Deformationselemente doppelwandig auszuführen. In
der
DE 103 43 431
B4 ist ein Deformationselement beschrieben, das einen Rohrkörper umfasst,
welcher durch Umstülpen
eines Rohrabschnitts Crashenergie umwandelt, indem sich das freie
Rohrende an einem Bauteil mit einer konkaven, den äußeren Stülpradius
bestimmenden Hohlkehle abstützt.
Zusätzlich
ist in den Rohrabschnitt ein ebenfalls der Energieumwandlung dienender
Einsatz angeordnet. Der Einsatz soll zumindest teilweise an der
Innenwandung des Rohrkörpers
anliegen und eine Matrix mit eingebetteten Kohlenstoff- oder Glasfasern
aufweisen, welche bei einer ausreichend großen Krafteinwirkung unter Aufgabe
der mechanischen Verbindung zersplittern und zerbröseln. Im Gegensatz
zu Einzelrohren soll durch diese Kombination eine erhöhte Knicksteifigkeit
erzielt werden und ein größerer Stülpwinkel
realisiert werden.
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Aus
der
DE 197 17 473
B4 ist ein Energieabsorberelement bekannt, welches aus
mehreren ineinander gefügten
rohrförmigen
Elementen aufgebaut ist, die aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. Im
Schadensfall nimmt ein erstes rohrförmiges Element durch Bruch
und ein zweites rohrförmiges
Element durch abrollende Verformung Energie auf, wobei sich die
gegeneinander gefügten
rohrförmigen Elemente
gegenseitig stabilisieren. Durch die Kombination eines sich rollend
verformenden mit einem zerbrechenden Element ist zwar eine Glättung des Kraft-/Weg-Verlaufs
möglich,
allerdings erfordert die Kombination dieser beiden Energieumwandlungsprinzipien
einen entsprechenden Bauraum, der im Bereich eines Personenkraftwagens
nicht unbedingt zur Verfügung
steht. Ein derartiges Energieabsorberelement eignet sich daher eher
im Bereich der Pralldämpfung
von Schienenfahrzeugen.
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Aus
der
DE 40 40 459 A1 ist
eine Crashbox zur Eingliederung zwischen einem Stoßfängerquerträger und
Längsträgern eines
Kraftfahrzeugs bekannt, umfassend Blattfedern, die durch eine Faserwicklung
miteinander verbunden sind. Die Blattfedern bestehen aus einem faserverstärktem Kunststoff
und sind sowohl elastisch als auch plastisch verformbar. Zwei Blattfedern
sind einerends an einem Fahrzeuglängsträger und die dritte Blattfeder
beiderends an einem Stoßfängerquerträger befestigt.
Die freien Enden der beiden am Fahrzeuglängsträger befestigten Blattfedern
verlaufen nach vorne und bogenförmig
nach außen.
Die am Stoßfängerquerträger befestigte
dritte Blattfeder ist U-förmig
ausgebildet und mit ihren nach vorne und bogenförmig nach außen verlaufenden
freien Enden am Stoßfängerquerträger befestigt.
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Hiervon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Crashbox
zur Eingliederung zwischen einem Stoßfängerquerträger und Längsträgern eines Kraftfahrzeugs in
möglichst
gewichtsgarender, kostengünstiger
und bauraumsparender Weise dahingehend weiterzuentwickeln, dass
eine möglichst
ideale Kraft-/Weg-Kennlinie realisiert wird, die einen anfänglich steilen
Kraftanstieg aufweist, der in ein möglichst konstantes Kraftniveau überführt werden
kann, so dass das Integral unter der Kraft-/Weg-Kennlinie möglichst
maximal wird.
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Diese
Aufgabe ist bei einer Crashbox mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei
der erfindungsgemäßen Crashbox
ist das Deformationsprofil zumindest in denjenigen Bereichen, in
denen sich bei einem Crash Falten bilden, außenseitig mit einem Mantel
aus einem Faserkunststoffverbund versehen, welcher formschlüssig an
der Außenseite
des Deformationsprofils anliegt.
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Durch
den außen
anliegenden Mantel und den engen Formschluss ergibt sich bei einer
Stauchung des metallischen Deformationsprofils eine der Faltenbildung
entgegenstehende Radialkraft, wodurch die Faltenbildung des Deformationskörpers steuerbar
ist. Insbesondere führt
die Bestrebung des Deformationselements Falten zu bilden zu einer
nach außen
gerichteten Druckkraft, die in eine Zugkraft innerhalb des Mantels
umgewandelt wird. Die Spannungsverteilung innerhalb des Mantels
ist von dem Spannungsverhältnis
zwischen den Fasern und der die Fasern umgebenden Matrix abhängig. Grundsätzlich sind
die Fasern und die Komponenten so aufeinander abgestimmt, dass sich
auftretende Kraftspitzen möglichst
gut im Material verteilen können.
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Der
Vorteil eines außen
liegenden Mantels wird insbesondere darin gesehen, dass eine Zugbelastung
anstelle einer Druckbelastung innerhalb des Mantels auftritt. Bei
einer Druckbelastung funktioniert die Matrix wie eine Rettung, in welcher
ein elastisch gebetteter Balken, das heißt die Faser, aufgenommen ist.
Für die
Druckfestigkeit des Werkstoffs ist daher sowohl die Matrixsteifigkeit
als auch die Biegesteifigkeit der Faser maßgeblich. Die Berechnung der Drucksteifigkeit
ist daher viel komplexer, da neben der reinen Zugfestigkeit der
Faser auch der Durchmesser der Faser aufgrund des in die Berechnung der
Biegesteifigkeit einfließenden
Flächenträgheitsmoments
eine Rolle spielt. Es handelt sich daher um ein Stabilitätsproblem,
bei welchem schon kleinste Veränderungen
in der Werkstoffzusammensetzung erhebliche Auswirkungen auf die
ertragbaren Kräfte haben
mit der Folge, dass ein Druckversagen sehr plötzlich schnell und teilweise
ohne Vorwarnung stattfinden kann. Ein außen liegender Mantel, der Zugkräfte aufnimmt,
ist daher wesentlich besser geeignet, das Deformationsverhalten
in Richtung einer gleichmäßigen Energieabsorption
zu verändern,
als ein innen liegendes Deformationselement aus einem Faser-Kunststoff-Verbund.
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Einen
entscheidenden Einfluss auf das Deformationsverhalten hat selbstverständlich der
Werkstoff des Mantels und hier insbesondere der Anteil und die Ausrichtung
der Fasern. Es wird als vorteilhaft angesehen, wenn das Deformationsprofil
von den Fasern des Mantels umwickelt wird oder wenn das Deformationsprofil
von einem Fasergeflecht umgeben ist. Grundsätzlich ist es für die Steuerung
des Faltungsverhaltens zweckmäßig, die
Fasern des Mantels individuell auszurichten, beispielsweise durch
Anordnung mehrerer übereinander
liegender Fasermatten mit unterschiedlichen Hauptfaserrichtungen.
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Die
Glättung
des Kraft-/Weg-Verlaufs wird dadurch erreicht, dass ein Ende des
Mantels während
des Crashs an einer Stützplatte
umstülpbar
ist. Der Mantel hat damit eine Doppelfunktion.
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Um
einen möglichst
engen Formschluss zwischen dem Deformationsprofil und dem Mantel
zu erreichen, bietet sich insbesondere das Faserwickelverfahren
an, bei welchem Endlosfaserstränge
sehr straff und eng aneinander liegen und mit einer hohen Maßgenauigkeit
gegenüber
dem Deformationsprofil positioniert werden. Die Endlosfasern können bzw. ein
Endlosfaserstrang kann zunächst durch
ein Tränkbad
geführt
werden, in welchem die Fasern mit dem Matrixwerkstoff benetzt werden.
Anschließend erfolgt
die Wicklung um das Deformationsprofil. Es ist aber auch möglich, Prepreg-Faserbahnen,
das heißt vorimprägnierte
Faserbahnen auf das Deformationselement aufzulegen, insbesondere
in Form von Fasermatten. Der Matrixwerkstoff ist dabei nicht mehr flüssig, sondern
hat eine leicht klebrige, feste Konsistenz.
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Der
Mantel kann sowohl bereichsweise mit dem Deformationsprofil verklebt
werden als auch auf das Deformationsprofil gepresst werden. Bei
der Klebung kann es sich um hartfeste bis zähelastische Verbindungen handeln,
die aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften die Faltung des
Deformationselements beeinflussen.
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Als
Fasern des Faserverbundwerkstoffs kommen insbesondere Kohlenstofffasern
zum Einsatz. Es sind allerdings auch Anwendungsfälle vorstellbar, bei welchen
die Fasern des Faser-Kunststoff-Verbunds aus Glas und/oder Aramid
bestehen. Auch eine zumindest bereichsweise Zusatzummantelung des
Mantels mit einer weiteren Metallschale ist denkbar, so dass dadurch
eine Art Sandwichstruktur entsteht.
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Entscheidend
für die
Fähigkeit
Energie zu absorbieren ist auch die Zusammensetzung der Matrix des
Faser-Kunststoff-Verbunds. Je zähelastischer
die Matrix ist, desto höher
ist grundsätzlich
das Energieabsortionsvermögen.
Bei der Matrix kann es sich dabei um duroplastische bis thermoplastische Kunststoffe
handeln. Ebenso können
nanomodifizierte, zähelastische
Harze zum Einsatz kommen. Dem Harz ist dabei ein Füllstoff
zugesetzt, der aus Partikeln mit Durchmessern im Nanometerbereich
besteht. Die Partikel können
beispielsweise Kohlenstoff-Nanofasern sein oder auch aus keramischen Materialien
bestehen. Diese Füllstoffe
verändern
die Duktilität
des Harzes in Richtung zu seinem zähelastischen Verhalten. Es
ist somit möglich
ein Duroplast so zu modifizieren, dass sich sein Verhalten dem der zähelastischen
Thermoplaste annähert.
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Auch
die Verwendung von in-situ polymerisierenden Thermoplasten ist denkbar.
Ein Beispiel hierfür
ist CBT (cyclic butylene therephthalat), ein Produkt der Firma Cyclics,
welches die Eigenschaften von Duro- und Thermoplast vorteilhaft
miteinander verbindet. Das Ausgangsprodukt CBT besteht aus Butylene-Therephthalat-Molekülen, die
in einem geschlossenen Kreis angeordnet sind. Durch Zugabe eines
Katalysators werden die Moleküle
aufgebrochen und langen Polymerketten verbunden. Dadurch entsteht
das Endprodukt, nämlich
der Thermoplast Poly-Butylen-Therephthalat (PBT). Die besonderen Eigenschaften
des Materials ermöglichen
es, dieses wie ein Duromer zu verarbeiten und dennoch ein Thermoplast
als Endprodukt zu erhalten.
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Um
das Energieabsorptionsvermögen
weiter zu erhöhen
kann im Inneren des Deformationsprofils eine Schaumfüllung vorgesehen
sein. Hierdurch lassen sich zusätzliche
positive Effekte bei der Faltung erzielen.
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Die
gezielte Faltung kann durch Sollbiegestellen im Deformationsprofil
unterstützt
werden.
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Die
Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass durch die Kombination
eines faltbaren Deformationsprofils mit einem Mantel aus einem Faser-Kunststoff-Verbund ein konstanter
Kraft-/Weg-Verlauf mit entsprechend optimierter Energieabsorption
realisierbar ist. Das Gewicht des Verbundbauteils ist sehr gering.
Gleichzeitig lässt
sich eine solche Crashbox sehr wirtschaftlich durch kosteneffektiven
Materialeinsatz herstellen. Die erfindungsgemäßen Vorteile kommen insbesondere
durch das direkte Aufbringen des Mantels durch entsprechende Wickel-
oder Flechtverfahren auf den metallischen Grundkörper zum Tragen. Im Fall von
trocken aufgebrachten Faserstrukturen lässt sich die Matrix durch Flüssigimprägnierprozesse,
wie z. B. das Spritzpressen, schnell einbringen und vernetzen. Dies
gilt auch für zähelastische
Thermoplaste (CBT). Es sind kurze Taktzeiten möglich.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Zeichnungen
dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Schnittdarstellung einer Crashbox vor dem Crash;
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2 eine
Schnittdarstellung durch die Crashbox der 1 nach einem
Crash;
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3 ein
Kraft-/Weg-Diagramm;
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4 unterschiedliche
Querschnittsformen des Deformationsprofils;
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5 zwei
unterschiedliche Crashboxgeometrien im Längsschnitt;
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6 unterschiedliche
Triggungen eines Mantels und
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7 unterschiedlich
getriggerte Mantel in Kombination mit unterschiedlichen Flanschplatten.
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1 zeigt
in rein schematischer Darstellung eine Crashbox 1, die
hinsichtlich ihrer Proportionen keinesfalls maßstäblich ist, sondern nur zur
Verdeutlichung des Aufbaus der Crashbox dient. Die Crashbox 1 wird
zwischen einen nicht näher
dargestellten Stoßfängerquerträger eingegliedert,
der sich in der Bildebene rechts anschließen würde und einen Längsträger des
Kraftfahrzeugs, der sich in der Bildebene links befinden würde. Die
Crashbox 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit schematisch
eingezeichneten Stützplatten 2, 3 versehen, über welche die
vom Stoßfängerquerträger auf
den Längsträger übertragene
Axialkraft F auf ein zwischen den Stützplatten 2, 3 angeordnetes
metallisches Deformationsprofil 4 sowie einen das Deformationsprofil 4 außenseitig
umgebenden Mantel 5 aus einem Faser-Kunststoff-Verbund übertragen
wird.
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Das
Deformationsprofil 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel auf endseitigen
Stutzen 6, 7 abgestützt, die jeweils mit den Stützplatten 2, 3 verbunden sind.
In diesen Bereichen ist der Mantel 5 mit dem Deformationsprofil
klebetechnisch verbunden. Zwischen den Stutzen 6, 7 ist
der Mantel 5 mit dem Deformationsprofil 4 bei
diesem Ausführungsbeispiel nicht
verklebt.
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In 1 sind
mehrere Sollbiegestellen 8 im Bereich zwischen den Stutzen 6, 7 angedeutet.
Die Sollbiegestellen 8 sind dafür vorgesehen, die Faltung des
Deformationsprofils 4 in gewissen Grenzen zu steuern, so
dass die Faltung im Falle eines Crashs nicht vollständig unkontrolliert
verläuft.
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Die
Crashsituation der in 1 dargestellten Crashbox 1 ist
in 2 zu sehen. Es ist zu erkennen, dass der Mantel 5 im
Bereich der Stützplatte 3 nach außen umgestülpt worden
ist, so dass durch die außenseitige
Umstülpung
ein Teil der Crashenergie absorbiert worden ist. Darüber hinaus
wurde Verformungsarbeit im Bereich des Deformationsprofils 4 geleistet.
Die eingezeichneten Falten 9 verdeutlichen eine mögliche Verformung
nach einem Crash.
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Durch
die Überlagerung
der Faltenbildung des metallischen Deformationsprofils 4 und
des kontinuierlichen Umstülpens
des Mantels 5 ergibt sich theoretisch der in 3 dargestellte
Kraft-/Weg-Verlauf. Es ist zu erkennen, dass die zur Umformung erforderliche
Kraft zunächst
stark ansteigt, jedoch nach Einsetzen der Umformung nahezu konstant
bleibt, so dass das Integral unter der Kurve und damit die in der Crashbox
geleistete Arbeit maximal ist.
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Die
erfindungsgemäßen Vorteile
dieser Kombination aus einem metallischen Deformationsprofil 4 und
einem außen
liegenden Faser-Kunststoff-Verbundbauteil in Form des Mantels 5 ergeben sich
auch bei ganz unterschiedlichen Querschnittsgeometrien der Crashbox 1. 4 zeigt
fünf Ausführungsbeispiele,
welchen Querschnitt die Crashbox 1 haben kann. Angefangen
von runden oder ovalen Querschnitten (4a), 4b)) kann die Crashbox 1 grundsätzlich auch
einen eckigen Querschnitt besitzen, wie die 4c)–4e) zeigen.
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Der
Querschnitt der Crashbox 1 kann über die gesamte Länge der
Crashbox 1 konstant bleiben. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar,
den Querschnitt zu variieren und insbesondere in Richtung zum Stoßfängerquerträger zu verjüngen. Die 5a) und 5b) zeigen
zwei Ausführungsbeispiele
eines solchen, sich in Richtung zum Stoßfängerquerträger verjüngenden Querschnitts einer
Crashbox. 5a) zeigt einen im Wesentlichen
trapezförmigen
Längsschnitt,
bei welchem eine Ober- und Unterseite der Crashbox im Winkel zur
Horizonta len verlaufen. Bei der Ausführungsform der 5b ist
vorgesehen, dass nur eine untere Seite der Crashbox im Winkel zur
Horizontalen verläuft,
während
eine Oberseite der Crashbox horizontal verläuft. Auch dadurch ergibt sich
ein trapezförmiger
Verlauf.
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Wesentlichen
Einfluss auf den Kraft-/Weg-Verlauf hat die so genannte Triggerkraft. Als
Triggerkraft wird die Kraftspitze bezeichnet, die üblicherweise
bei Deformationsbeginn auftritt. Zur Reduktion der Kraftspitzen
wird eine so genannte Triggerung des Mantels vorgeschlagen. Hierunter
ist eine besondere geometrische Ausgestaltung desjenigen Mantelendes
zu verstehen, das der stoßfängerquerträgerseitigen
Stützplatte 3 zugeordnet
ist. 6 zeigt vier unterschiedliche Ausführungsbeispiele
einer möglichen
Triggerung. Die 6a) und 6b) zeigen jeweils außen- bzw. innenseitig angefaste Enden
der Mäntel 5a.
Eine derartige Triggerung kann auch als "Bevel-Trigger" bezeichnet werden. 6c) zeigt
den so genannten "Kri-Trigger". 6d) zeigt den
so genannten "Tulip-Trigger".
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In 7 sind
zwei Zusammenbausituationen dargestellt. Der Mantel 5a mit
der außenseitigen
Anfasung ist an einer Stützplatte 3 fixiert,
wie sie bereits aus den 1 und 2 bekannt
ist. In dieser Stützplatte 3 ist
zusätzlich
eine Bohrung 10 vorgesehen, um für einen Druckausgleich zwischen
dem Inneren der Crashbox und der Umgebung zu sorgen.
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Im
Unterschied zu der Ausführungsform
der 7a) ist die Flanschplatte 3' der 7b) mit einer Hohlkehle 11 versehen,
die dafür
vorgesehen ist, den Umstülpvorgang
bei Einleitung der Kraft F besser zu steuern.
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- 1
- Crashbox
- 2
- Stützplatte
- 3
- Stützplatte
- 3'
- Stützplatte
- 4
- Deformationsprofil
- 5
- Mantel
- 5a
- Mantel
- 6
- Stutzen
- 7
- Stutzen
- 8
- Sollbiegestelle
- 9
- Falte
- 10
- Bohrung
- 11
- Hohlkehle
- F
- Kraft