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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erhöhung der
Steifigkeit von Säulen
eines Fahrzeugs. Zur Überprüfung der
Widerstandsfähigkeit
des Dachbereichs hinsichtlich des Eindrückens am Scheibenrahmen im
oberen Bereich der A-Säule gibt
es Vorschriften, wie beispielsweise die FMVSS 216 Hierfür werden
an definierten Messpunkten am Scheibenrahmen Stempelvorrichtungen
angesetzt, die unter Einwirkung einer Stempelkraft einen bestimmten
Stempelweg zurücklegen
ohne dass die A-Säule versagt.
Das heißt,
kein tragendes Bauteil darf brechen. Um diese Vorschrift zu erfüllen ist
es bisher notwendig für
die A-Säule
Stahl und/oder Aluminium zu verwenden, da diese Werkstoffe biegsam sind
und eine hohe Bruchdehnung aufweisen. Bei manchen Karosserieaufbauten
ist eine vertikale Querverstrebung zwischen der A-Säule und
dem Türrahmen
angebracht. Diese Querverstrebung dient dazu die Stabilität zu erhöhen und
den Hebel zwischen der oben im Dachbereich an der A-Säule einwirkende Kraft und der
Befestigung der A-Säule
unten im Bereich des Kotflügels
zu verkürzen.
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Nachteilig
bei solchen Aufbauten war es, dass der Stempeltest bei A-Säulen aus einem Faserverbund-Kunststoff
insbesondere aus Kohlenstofffasern die Vorschriften bezüglich der
Dehnbarkeit nur schlecht erfüllen
konnte, da diese Kunststoffe zu starr und zu spröde sind und deshalb eine wesentlich
geringere Bruchdehnung aufweisen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine A-Säule auch
aus einem Material mit einer geringen Bruchdehnung aufzubauen, wobei
der Aufbau so beschaffen sein soll, dass die Vorschriften zur Überprüfung der
Widerstandsfähigkeit
des Daches gegen Eindrücken
erfüllt
werden.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass die A-Säule
als Deformationselement aufgebaut wird. Die A-Säule weist entlang ihres Verlaufs
Sicken und/oder Einkerbungen auf, die eine Materialschwächung darstellen.
Diese Materialschwächungen
können
so angeordnet sein, dass bei einer Krafteinwirkung von oben auf
die A-Säule,
die A-Säule
in Abhängigkeit
von der räumlichen
Anordnung und der Festigkeit der Sollbruch- oder Sollknickstellen
koordiniert einknickt oder einbricht. Das heißt, der Windschutzscheibenrahmen
und insbesondere die A-Säule
kann starr und biegesteif dimensioniert werden.
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Die
Vorteile bei einer solchen Vorrichtung bestehen darin, dass für den Windschutzscheibenrahmen
insbesondere aber für
die A-Säule
auch starre Materialien wie beispielsweise Verbundfaser-Kunststoffe
verwendet werden können,
um die oben genannten Anforderungen zu erfüllen. Die Sicken- und die Kerbenform
erweisen sich als besonders vorteilhaft, wenn die Sicken bzw. Kerben
so geformt sind, dass sie sich nach dem Auseinanderbrechen aufeinander
abstützen
können.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Hierbei
erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn die A-Säule aus
einem Kohlefaserverbund-Kunststoff (CFK) hergestellt wird, der im
Gegensatz zu den vergleichbaren Metallaufbauten aus Stahl oder Aluminium
ein wesentlich geringeres Gewicht hat. Die Materialschwächungen
an der A-Säule bewirken,
dass die starre A-Säule
die gewünschten Eigenschaften
bezüglich
der Bruchdehnung aufweist. Auch läßt sich die gewünschte Materialschwäche an einer
bestimmten Stelle durch unterschiedliche Geometrien der Schwachstellen
einfach einstellen. Auch kann durch Variation des Abstands von Schwachstelle
zu Schwachstelle ein gewünschter Deformationsablauf
eingestellt werden. Durch die Variation des Schwächegrades und des Abstands
der Schwachstellen un tereinander können beispielsweise bei einem Überschlag
die gleichen Eigenschaften wie bei einer metallenen A-Säule nachgeahmt
werden.
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Die
Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen,
die in den 1 bis 5 dargestellt sind,
näher erläutert werden.
Es zeigen:
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1:
Unverformte A-Säule
aus Verbundfaser-Kunststoff mit Materialschwächungen.
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2:
Verformte A-Säule
aus Verbundfaser-Kunststoff mit deformierten Teilbereichen
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3:
Materialschwächung
mit Sicken- oder Faltenform.
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4:
Materialschwächung
mit Kerbform
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5:
Verformung bei einer Materialschwächung gemäß 3 oder 4
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1 zeigt
eine A-Säule 1 aus
Verbundfaser-Kunststoff, die mehrere Materialschwächungen aufweist.
Bei dem hier dargestellten Fahrzeug handelt es sich um einen offenen
Aufbau, wie es beispielsweise bei einem Cabriolet, Roadster oder
Spider der Fall ist. Jedoch kann ein Aufbau mit einer A-Säule 1 aus
einem starren bzw. spröden
Material auch für
Fahrzeuge verwendet werden, die über
einen geschlossenen Dachrahmen verfügen, wie beispielsweise bei
einer Limousine oder einem Coupe. Die Windschutzscheibe 2 des
Fahrzeugs wird in einem Windschutzscheibenrahmen getragen. Dieser Rahmen
besteht aus zwei A-Säulen 1.
Der Windschutzscheibenrahmen dient bei offenen Fahrzeugen auch als
eine Art Überrollbügel im Falle
eines Fahrzeugüberschlags.
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Insbesondere
Kohlefaser-Verbundwerkstoffe (CFK) weisen bei einer geringen Dichte
eine hohe Festigkeit auf. Aus diesem Grund kann die A-Säule 1 aus CFK oder
anderen vergleichbaren Materialien schmäler und leichtgewichtiger aufgebaut
werden, als eine vergleichbare metallische A-Säule.
Durch die Verwendung von CFK kann das Fahrzeuggewicht vermindert
und das Design verändert
werden. Die dünnere
A-Säule 1 bewirkt
auch, dass der Sichtwinkel in diesem Bereich vergrößert und
der tote Winkel in diesem Bereich verkleinert wird. Durch die kleineren
Abmessungen wird die Designfreiheit verbessert. Um, bei einem Überschlag
oder einer anderen Belastung, die mit der Kraft F im Bereich der
oberen A-Säule 1 einwirkt,
einen Teil der Aufprallenergie abzubauen sind Materialschwächungen 3 in
Form von Sicken 4 an der A-Säule 1 vorgesehen.
Diese Schwachstellen 3 sind an der Innenseite 6 der A-Säule 1 angeordnet,
die in Richtung der Fahrgastzelle weist. Diese Materialschwächungen 3 können durch
die Aufprallenergie eine Deformation der A-Säule bewirken und die elastische
Verformbarkeit einer metallischen A-Säule nachahmen.
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2 zeigt
ein Fahrzeug mit einer verformten A-Säule 1 aus Verbundfaser-Kunststoff
mit Materialschwächungen
nach einer Krafteinwirkung F. Hierbei wirkte eine Kraft F auf die
A-Säule
ein. Die Kraft F drückt
die A-Säule 1 auf
die Materialschwächung 3.
Dadurch geben die geschwächten
Bereiche von oben nach unten nach. Dadurch bewegt sich der obere
Säulenbereich
des Scheibenrahmens um den Stempelweg x nach unten, wobei durch
die Deformation der Materialschwächungen
dieser Stempelweg erreicht wird. Die Dimensionierung der A-Säule 1 und den
daran angeordneten Materialabschwächungen 3 muss so
gestaltet sein, dass die Deformation der Schwachstellen koordiniert
vonstatten geht, also beispielsweise zuerst die oben an der A-Säule 1 angebrachten
Schwachstellen 3 brechen oder verformt werden und dann
erst die darunter Liegenden. Die gewünschte Deformationsreihenfolge
lässt sich durch
den Grad der Materialabschwächung 3 einstellen.
Alternativ oder zusätzlich
können
auch die Abstände
a von Schwachstelle zu Schwachstelle variiert werden.
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3.
zeigt einen A-Säulen-Bereich 1 mit
einer sicken- oder faltenförmigen
Materialschwächung 3.
Unter sickenförmig 4 versteht
man, dass die Schwachstelle durch eine geometrische Formgebung entsteht.
Das heißt
das Material ist an der Stelle der Schwächung vollständig vorhanden,
jedoch weist es im Ausführungsbeispiel
keine ebene Oberfläche mehr
auf. In Teilbereichen wölbt
sich das Material aus der Hauptebene heraus oder ist eingedellt,
so dass die Kraftverteilung an dieser Stelle unterschiedlich ist.
Dies kann beispielsweise durch eine Dehnung, eine Stauchung oder
durch den Herstellprozess selbst erzielt werden. In diesem Ausführungsbeispiel sind
im Herstellprozess die Ausbuchtungen erzeugt worden. Durch die veränderte Geometrie
sind bei einer Krafteinwirkung diese Bereiche nicht so belastbar,
wie der restliche Aufbau. Die Ausbuchtungen können an der gleichen A-Säule 1 unterschiedlich verschieden
stabil auf gebaut sein oder der Abstand a variiert werden, so dass
sich eine bestimmte Reihenfolge bei der Deformation erzielen lässt, insbesondere
wenn die Verformung von oben nach unten hintereinander in Abhängigkeit
von der Höhe
der Krafteinwirkung erfolgt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die A-Säule als
Hohlprofil aufgebaut. Alternativ kann auch ein massiver Aufbau gewählt werden.
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4 zeigt
eine A-Säule
mit einer kerbenförmigen
Materialschwächung 3.
Unter kerbenförmig 5 versteht
man, das die Materialschwächung 3 durch Einschneiden
oder durch eine andere Materialentfernung entsteht. Das heißt, dass
Material an der Stelle der Schwächung
entfernt worden ist. Die Kerben 5 können an der gleichen A-Säule 1 unterschiedlich stabil
aufgebaut sein, so dass sich eine bestimmte Reihenfolge bei der
Deformation erzielen lässt,
insbesondere, wenn die Verformung von oben nach unten hintereinander
in Abhängigkeit
von der Höhe
der Krafteinwirkung erfolgt. Auch kann eine andere Möglichkeit
der Gestaltung darin bestehen, dass der Abstand a von Kerbe 5 zu
Kerbe 5 unterschiedlich ist, um den Deformationsprozess
zu steuern. Auch können
die verschiedenen Arten der Materialschwächung 3 an einer A-Säule 1 kombiniert
werden um die Eigenschaften eines elastischen Materials wie Stahl oder
Aluminium nachzubilden.
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5 zeigt
einen deformierten Teilbereich der A-Säule 1, die gemäß den 3 oder 4 aufgebaut
war. Durch die Materialschwächungen 3 werden
Verformungen der starren Kunststoff A-Säule erreicht, die der einer
elastischere Metall A-Säule ähnelt. An
den Sollbruchstellen bzw. Materialschwachstellen verschiebt sich
das Material so lange bis es durch gegenüberliegendes Material gestoppt
wird und/oder bis es bricht, Dadurch wird verhindert, dass bei einer
Belastung, beispielsweise durch einen Überschlag, die A-Säule 1 im
unteren Bereich sofort abbricht.