DE102009001312A1

DE102009001312A1 - Vorrichtung zum Dämpfen von Stößen, Verfahren und Verwendung

Info

Publication number: DE102009001312A1
Application number: DE200910001312
Authority: DE
Inventors: Andreas Wüst
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 2008-03-13
Filing date: 2009-03-04
Publication date: 2009-09-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Dämpfen von Stößen, umfassend mindestens einen verformbaren Balken (17), wobei ein Grundkörper des mindestens einen verformbaren Balkens (17) aus einem ersten Material gefertigt ist. Der Grundkörper des mindestens einen Balkens (17) enthält in Bereichen höherer Steifigkeit ein zweites Material, das eine geringere Steifigkeit aufweist als das erste Material. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Dämpfen von Stößen sowie eine Verwendung der Vorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Dämpfen von Stößen, umfassend mindestens einen Träger und mindestens einen verformbaren Querbalken. Der Träger ist mit dem Querbalken an mindestens einer Stelle verbunden und der mindestens eine Träger und der mindestens eine verformbare Querbalken sind aus einem ersten Material gefertigt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung der Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung.
Vorrichtungen zum Dämpfen von Stößen finden zum Beispiel Einsatz als untere Stoßfängerversteifung in Kraftfahrzeugen. Die untere Stoßfängerversteifung wird dabei hinter dem vorderen Stoßfänger des Kraftfahrzeuges positioniert. Die untere Stoßfängerversteifung wird eingesetzt, um die seitens des Gesetzgebers geförderten Grenzwerte beim so genannten „Lower Leg Test" einzuhalten. Üblicherweise handelt es sich bei den unteren Stoßfängerversteifungen um balkenartige Konstruktionen, die sich hinter dem vorderen Stoßfänger, angepasst an die jeweilige Form des Kraftfahrzeuges, unten quer von links nach rechts erstrecken. Die Befestigung erfolgt üblicherweise an zwei symmetrisch zur Fahrzeugmitte befindlichen Punkten unterhalb des vorderen Hauptquerträgers im Stoßfänger.
Die untere Stoßfängerversteifung wird im Allgemeinen aus einem nachgiebigen Material gefertigt, so dass sich dieses beim Aufprall verformt. Aufgrund der Konstruktion mit den notwendigen Trägern zur Befestigung der unteren Stoßfängerversteifung am Kraftfahrzeug ergibt sich beim Aufprall in der Fahrzeugmitte eine relativ weiche Strukturantwort und damit sehr kleine Steifigkeit in Fahrtrichtung. Wenn sich jedoch der Auftreffpunkt in Querrichtung in Richtung der Träger, mit denen die untere Stoßfängerversteifung an einem Kraftfahrzeug befestigt ist, verschiebt, nimmt die Steifigkeit aufgrund des abnehmenden Hebelarmes zu. Die höchste Steifigkeit ergibt sich direkt im Bereich des Trägers, mit dem die untere Stoßfängerversteifung am Fahrzeug montiert ist. Hier tritt nahezu keine Biegung mehr auf, sondern die Kraft wird direkt in die vergleichsweise starre Anbindung an das Fahrzeug übertragen.
Derzeit wird die Steifigkeit der unteren Stoßfängerversteifung durch unterschiedliche Querschnittsverläufe eingestellt. Hierdurch lässt sich jedoch nicht vermeiden, dass die untere Stoßfängerversteifung im Bereich der Befestigungspunkte im Wesentlichen keine Biegung mehr erfährt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zum Dämpfen von Stößen bereitzustellen, die auch im Bereich der Befestigungspunkte eine hinreichende Nachgiebigkeit aufweist, um auch in diesem Bereich die Stöße ausreichend dämpfen zu können.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Dämpfen von Stößen, umfassend mindestens einen verformbaren Balken, wobei ein Grundkörper des mindestens einen verformbaren Balkens aus einem ersten Material gefertigt ist. Der Grundkörper des mindestens einen Balkens ist in Bereichen höherer Steifigkeit mit einem zweiten Material verbunden, das eine geringere Steifigkeit aufweist als das erste Material.
Dies bedeutet erfindungsgemäß, dass im unverformten Zustand das Verhältnis der Steifigkeit des zweiten Materials mit der geringen Steifigkeit zur Steifigkeit des ersten Materials im Bereich von 1:1,5 bis 1:100, bevorzugt im Bereich von 1:10 bis 1:100 liegt.
Durch das Material geringerer Steifigkeit in den Bereichen des Balkens, in denen dieser eine höhere Steifigkeit aufweist, wird die Nachgiebigkeit des Balkens erhöht, so dass auch in den Bereichen, die bei nach dem Stand der Technik gefertigten Vorrichtungen eine höhere Steifigkeit aufweisen, eine verbesserte Dämpfung von Stößen erzielt wird. Insbesondere lässt sich eine Vergleichmäßigung der Dämpfungswirkung des Balkens erzielen.
Bereiche höherer Steifigkeit sind solche Bereiche, in denen eine geringere Verformung des Balkens bei einem Stoß auftritt. Diese Bereiche höherer Steifigkeit können zum Beispiel dadurch entstehen, dass der Balken an mindestens einer Stelle mit einem starren Träger verbunden ist. Der starre Träger gibt bei einem Stoß nicht nach, was dazu führt, dass bei einem Stoß im Bereich des starren Trägers auch der Balken nur eine sehr geringe Verformung aufweist. Durch das zweite Material mit geringerer Steifigkeit kann die Verformung im Bereich des Trägers vergrößert und damit die Dämpfung verbessert werden. In größerer Entfernung vom starren Träger tritt am Balken eine Hebelwirkung auf, so dass dieser flexibler ist und auch ohne Einsatz eines zweiten Materials mit geringerer Steifigkeit eine größere Nachgiebigkeit aufweist. In diesen Bereichen ist es nicht erforderlich, das zweite Material mit der geringeren Steifigkeit einzusetzen, da bereits eine hinreichende Dämpfung gegenüber Stößen aufgrund der Hebelwirkung des Balkens gegeben ist.
In einer ersten Ausführungsform ist das zweite Material als Schicht über die gesamte Breite des Grundkörpers des mindestens einen Balkens mit dem ersten Material verbunden. Die Schichtdicke ist dabei in Bereichen höherer Steifigkeit größer als in den übrigen Bereichen. Durch die höhere Schichtdicke des zweiten Materials, das die ge ringere Steifigkeit aufweist, wird eine verbesserte Dämpfung erzielt. Dadurch dass das zweite Material mit der geringeren Steifigkeit über die gesamte Breite des Grundkörpers des mindestens einen Balkens mit dem Grundkörper des Balkens verbunden ist, wird die Dämpfungswirkung des Balkens gegenüber Stößen über die gesamte Breite entsprechend der Dicke des zweiten Materials verbessert, da neben der Nachgiebigkeit des Balkens auch das Material nachgibt und so einen Stoß dämpfen kann.
In einer zweiten Ausführungsform wird das zweite Material in Form von Pass-Stücken in Bereichen höherer Steifigkeit an der Oberfläche des Grundkörpers des mindestens einen Balkens eingelagert. Das zweite Material liegt dabei zur Oberfläche hin frei. In dieser Ausführungsform wird die Dämpfung durch das zweite Material mit der geringeren Steifigkeit nur in den Bereichen verbessert, in denen dieses eingelagert ist. In den übrigen Bereichen erfolgt keine zusätzliche Verbesserung der Dämpfung durch das Aufbringen eines zusätzlichen Materials. Dadurch, dass das zweite Material nur in den Bereichen höherer Steifigkeit angebracht ist und nicht über die gesamte Breite des Querbalkens, kann gegebenenfalls gegenüber der Bauform, bei der das zweite Material über die gesamte Breite des mindestens einen Balkens mit dem Grundkörper des Balkens verbunden ist, Bauraum eingespart werden, da das zweite Material mit geringerer Steifigkeit nur in sehr geringem Maße zur Stabilität des Balkens beiträgt und so unabhängig davon, ob das zweite Material nur in den Bereichen mit höherer Steifigkeit in den Grundkörper des Balkens eingelagert wird oder über die Breite des gesamten Balkens mit dem Grundkörper verbunden wird, eine vergleichbare Dicke des ersten Materials mit höherer Steifigkeit erforderlich ist.
In einer dritten alternativen Ausführungsform ist das zweite Material in Bereichen höherer Steifigkeit umschlossen vom ersten Material in den mindestens einen Balken eingelagert. Durch das Einlagern des zweiten Materials in den Grundkörper des mindestens einen Balkens, wobei dieses vom ersten Material umschlossen ist, wird die Dämpfung von Stößen ebenfalls verbessert. Hierbei kann das zweite Material vom ersten Material derart umschlossen sein, dass es an seiner Ober- und/oder Unterseite nach außen hin frei liegt. Weiterhin ist es auch möglich, dass das zweite Material vom ersten Material an allen Seiten voll umschlossen ist. Zusätzlich wird eine gleichmäßige Oberfläche erzielt, da im Allgemeinen keine sichtbaren Bereiche des zweiten Materials nach außen hin freiliegen. Dies kann zum Beispiel dann, wenn der mindestens eine Balken sichtbar ist, bevorzugt sein, da auf diese Weise eine gleichmäßige Oberfläche erzielt werden kann.
Das erste Material, das eine größere Steifigkeit aufweist als das zweite Material, wird vorzugsweise so ausgewählt, dass mit der vorgegebenen Geometrie eine ausreichen de Stabilität erzielt wird. Bevorzugt als erstes Material wird ein Polymer oder ein Metall verwendet.
Als Metall eignet sich jedes beliebige Metall. Bevorzugt werden jedoch eisenhaltige Metalle, beispielsweise Stähle, oder Aluminium eingesetzt. Besonders bevorzugt wird jedoch ein Polymer verwendet. Geeignete Polymere sind zum Beispiel Thermoplaste oder Duroplaste. Diese können gefüllt oder ungefüllt eingesetzt werden. Bevorzugt werden jedoch gefüllte Polymere verwendet.
Als Polymere eignen sich zum Beispiel natürliche und synthetische Polymere und deren Derivate, Naturharze sowie synthetische Harze und deren Derivate, Proteine, Cellulosederivate und dergleichen. Diese können – müssen jedoch nicht – chemisch oder physikalisch härtend, beispielsweise luftaushärtend, strahlungshärtend oder temperaturhärtend, sein.
Neben Homopolymeren können auch Copolymere oder Polymergemische eingesetzt werden.
Bevorzugte Polymere sind ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol); ASA (Acrylnitril-Styrol-Acrylat); acrylierte Acrylate; Alkydharze; Alkylenvinylacetate; Alkylenvinylacetat-Copolymere, insbesondere Methylenvinylacetat, Ethylenvinylacetat, Butylenvinylacetat; Alkylenvinylchlorid-Copolymere; Aminoharze; Aldehyd- und Ketonharze; Cellulose und Cellulosederivate, insbesondere Hydroxyalkylcellulose, Celluloseester, wie -Acetate, -Propionate, -Butyrate, Carboxyalkylcellulosen, Cellulosenitrat; Epoxyacrylate; Epoxidharze; modifizierte Epoxidharze, zum Beispiel bifunktionelle oder polyfunktionelle Bisphenol A oder Bisphenol F-Harze, Epoxy-Novolak-Harze, bromierte Epoxidharze, cycloaliphatische Epoxidharze; aliphatische Epoxidharze, Glycidether, Vinylether, Ethylenacrylsäurecopolymere; Kohlenwasserstoffharze; MABS (transparentes ABS mit Acrylat-Einheiten enthaltend); Melaminharze; Maleinsäureanhydridcopolymerisate; Methacrylate; Naturharze; Kolophoniumharze; Schellack; Phenolharze; Polyester; Polyesterharze wie Phenylesterharze; Polysulphone (PSU); Polyethersulphone (PESU); Polyphenylensulfon (PPSU); Polyamide; Polyimide; Polyaniline; Polypyrrole; Polybutylenterephthalat (PBT); Polycarbonate (zum Beispiel Makrolon^® der Bayer AG); Polyesteracrylate; Polyetheracrylate; Polyethylen; Polyethylenthiophene; Polyethylennaphthalate; Polyethylenterephthalat (PET); Polyethylenterephthalat-Glykol (PETG); Polypropylen; Polymethylmethacrylat (PMMA); Polyphenylenoxid (PPO); Polyoxymethylen (POM); Polystyrole (PS), Polytetrafluorethylen (PTFE); Polytetrahydrofuran; Polyether (zum Beispiel Polyethylenglykol, Polypropylenglykol); Polyvinylverbindungen, insbesondere Polyvinylchlorid (PVC), PVC-Copolymere, PVdC, Polyvinylacetat sowie deren Copolymere, gegebenenfalls teilhydrolysierter Polyvinylalkohol, Polyvinylacetale, Poly vinylacetate, Polyvinylpyrrolidon, Polyvinylether, Polyvinylacrylate und -methacrylate in Lösung und als Dispersion sowie deren Copolymere, Polyacrylsäureester und Polystyrolcopolymere; Polystyrol (schlagfest oder nicht-schlagfest modifiziert); Polyurethane, unvernetzte bzw. mit Isocyanaten vernetzt; Polyurethanacrylate; Styrol-Acrylnitril; Styrol-Acryl-Copolymere; Styrol-Butadien-Blockcopolymere (zum Beispiel Styrofex^® oder Styrolux^® der BASF SE, K-Resin^TM der TPC); Proteine, wie zum Beispiel Casein; SIS; Triacin-Harz, Bismaleimid-Triacin-Harz (BT), Cyanatester-Harz (CE), allylierter Polyphenylen-Ether (APPE). Weiterhin können Mischungen zweier oder mehrerer Polymere eingesetzt werden.
Besonders bevorzugte Polymere als erstes Material mit höherer Steifigkeit sind Acrylate, Acrylatharze, Cellulosederivate, Methacrylate, Methacrylatharze, Melamin und Aminoharze, Polyalkylene, Polyimide, Epoxidharze, modifizierte Epoxidharze, zum Beispiel bifunktionelle oder polyfunktionelle Bisphenol A- oder Bisphenol F-Harze, Epoxy-Novolak-Harze, bromierte Epoxidharze, cycloaliphatische Epoxidharze; aliphatische Epoxidharze, Glycidether, Cyanatester, Vinylether, Phenolharze, Polyimide, Melaminharze und Aminoharze, Polyurethane, Polyester, Polyvinylacetale, Polyvinylacetate, Polystyrole, Polystyrol-Copolymere, Polystyrolacrylate, Styrol-Butadien-Blockcopolymere, Styrol-Acrylnitrl-Copolymere, Acrylnitril-Butadien-Styrol, Acrylnitril-Styrol-Acrylat, Polyoxymethylen, Polysulfone, Polyethersulfone, Polyphenylensulfon, Polybutylenterephthalat, Polycarbonate, Alkylenvinylacetate und Vinylchlorid-Copolymere, Polyamide, Cellulosederivate sowie deren Copolymere und Mischungen zweier oder mehrerer dieser Polymere.
Insbesondere bevorzugte Polymere sind Polyamide, beispielsweise Polyamid 46, Polyamid 6, Polyamid 11, Polyamid 66, Polyamid 6/6, Polyamid 6/10 oder Polyamid 6/12, Polypropylen, Polyethylen, Styrol-Arcylnitril, Acrylnitril-Butadien-Styrol, Acrylnitril-Styrol-Acrylat, Polyoxymethylen, Polysulfone, Polyethersulfone, Polyphenylensulfone, Polybutylenterephthalat, Polycarbonate sowie deren Mischungen.
Um die erforderliche Festigkeit des Balkens zu erhalten, ist das verwendete Polymermaterial vorzugsweise faserverstärkt. Zur Verstärkung kann jede beliebige, dem Fachmann bekannte, zur Verstärkung übliche Faser verwendet werden. Geeignete Fasern sind zum Beispiel Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Borfasern, Metallfasern oder Kaliumtitanatfasern. In Abhängigkeit von der Belastung des Balkens können die Fasern in Form von Kurzfasern oder Langfasern eingesetzt werden. Auch können die Fasern geordnet oder ungeordnet im Polymermaterial enthalten sein. Insbesondere bei Einsatz von Langfasern ist jedoch eine geordnete Anordnung üblich. Die Fasern können dabei zum Beispiel in Form von Einzelfasern, Fasersträngen, Matten, Geweben, Gestricken oder Rovings eingesetzt werden.
Wenn die Fasern in Form von Langfasern, als Rovings, oder als Fasermatte eingesetzt werden, so werden die Fasern üblicherweise in eine Form eingelegt und anschließend mit dem Polymermaterial umgossen. Der so hergestellte Balken kann einlagig oder mehrlagig aufgebaut sein. Bei einem mehrlagigen Aufbau können die Fasern der einzelnen Lagen jeweils gleichgerichtet sein oder die Fasern der einzelnen Lagen sind in einem Winkel von –90° bis +90° zueinander verdreht.
Neben dem Einlegen der Fasern in eine Form und dem Umgießen oder Umspritzen mit der Polymermasse ist es alternativ jedoch auch möglich, insbesondere bei Einsatz von gerichteten Langfasern, diese durch ein Extrusionswerkzeug zu leiten und mit der Kunststoffmasse während der Extrusion zu ummanteln.
Bei Einsatz von Kurzfasern werden diese üblicherweise der Polymermasse vor dem Aushärten zugemischt. Der Grundkörper des Balkens kann zum Beispiel durch Extrusion, Spritzgießen oder Gießen gefertigt werden. Bevorzugt wird der Grundkörper des Balkens durch Spritzgießen oder Gießen gefertigt. Im Allgemeinen sind die Kurzfasern im Einsatz ungerichtet enthalten. Wenn der Grundkörper des Balkens durch ein Spritzgussverfahren hergestellt wird, kann sich eine Ausrichtung der Kurzfasern durch das Pressen der die Fasern enthaltenden Polymermasse durch eine Anspritzdüse in das Werkzeug ergeben. Ebenso kann sich bei einer Extrusion der Polymermasse eine Ausrichtung der Kurzfasern aufgrund des Pressens durch das Extrusionswerkzeug ergeben.
Als Verstärkungsmittel eignen sich neben Fasern auch beliebige andere Füllstoffe, die dem Fachmann bekannt sind und die steifigkeits- und/oder festigkeitserhöhend wirken. Hierzu zählen unter anderem auch beliebige Partikel ohne Vorzugsrichtung. Derartige Partikel sind im Allgemeinen kugelförmig, plättchenförmig oder zylindrisch. Die tatsächliche Form der Partikel kann dabei von der idealisierten Form abweichen. So können insbesondere kugelförmige Partikel in der Realität zum Beispiel auch tropfenförmig oder abgeflacht sein.
Neben Fasern eingesetzte Verstärkungsmaterialien sind zum Beispiel Graphit, Kreide, Talkum und nanoskalige Füllstoffe.
Besonders bevorzugt zur Verstärkung werden jedoch Glasfasern eingesetzt. Insbesondere bevorzugt als erstes Material zur Herstellung des Grundkörpers des Balkens sind glasfaserverstärkte Polyamide.
Welches Material als zweites Material, das eine geringe Steifigkeit aufweist als das erste Material, eingesetzt wird ist davon abhängig, wie stark die Dämpfung sein soll und wie steif das erste Material ist. Bevorzugt als zweites Material sind Polymerschäume, Elastomere oder Wabenstrukturen aus einer Metallfolie.
Wenn das zweite Material, das eine geringere Steifigkeit aufweist als das erste Material, eine Wabenstruktur aus einer Metallfolie ist, so wird als Metall vorzugsweise ebenfalls ein eisenhaltiges Metall, beispielsweise Stahl, oder Aluminium eingesetzt. Bevorzugt als zweites Material wird jedoch ein Polymerschaum oder ein Elastomer verwendet.
Wenn das zweite Material ein Polymerschaum ist, so kann dieser ein geschäumter Thermoplast oder ein geschäumter Duroplast sein. Wenn das zweite Material ein geschäumter Thermoplast ist, so eignen sich zum Beispiel Polyolefine, beispielsweise Polyethylen oder Polypropylen, Polyvinylverbindungen wie Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid, Polyvinylester, beispielsweise Polyvinylacetat, Polyvinylacetale, Polyvinylether, Polyvinyllactame oder Polyvinylamine; Styrolpolymere, beispielsweise Polystyrol, Styrol-Acrylnitril-Copolymere, kautschukmodifiziertes Polystyrol oder kautschukmodifizierte Styrolcopolymere; Polymere der (Meth)acrylsäure und ihre Derivate, beispielsweise Polyacrylsäure, Poly(meth)acrylsäureester wie Polyacrylate oder Polymethacrylat, oder Polyacrylamid; Polycarbonate; Polyoxymethylen; Polyphenylenether; Fluorpolymere, beispielsweise Polytetrafluorethylen, fluorierte Polyethylene; Polyaromaten, wie Polyphenylensulfid, Polyethersulfon, Polysufon, Polyetheretherketon, Polyetherimid, Polyarylat, Polyimide, Polyamide, Polychinoxaline, Polyamidimide, Polychinoline, Polybenzimidazole; Polyester, beispielsweise Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Polyacrylnitril; Polyurethane wie Polyisocyanate; Polyole, beispielsweise Polyetherpolyole, Polyesterpolyole.
Geeignete duroplastische Polymerschäume sind zum Beispiel Polyurethanschäume. Neben Polyurethanen können jedoch auch alle anderen schäumbaren Duroplaste eingesetzt werden. So ist es zum Beispiel möglich, Melaminharzschäume, Phenolharzschäume, Epoxidharzschäume, Schäume aus ungesättigten Polyesterharzen zu verwenden.
Zur Herstellung thermoplastischer Schäume werden üblicherweise fertige Polymere mit Treibmittel versetzt und nachträglich verschäumt. Hierzu kann das Treibmittel entweder dem geschmolzenen Polymeren unter Druck zugemischt werden und dann unter Abkühlen entspannen, oder das feste Polymere wird bei tiefer Temperatur mit dem Treibmittel imprägniert und die Masse danach durch Temperaturerhöhung aufgeschäumt. Weiterhin ist es auch möglich, permanente Gase direkt in fluides Polymer einzuschlagen und den gewonnenen Schaum zu stabilisieren. Polymere, die sich nicht schmelzen lassen, können durch Sinterprozesse oder durch Extraktion einer löslichen, fein verteilten zweiten Phase in Schaumstoffe überführt werden. Weiterhin ist es auch möglich, insbesondere bei duroplastischen Schäumen, dass diese bei der Synthese entstehen, wenn dabei gasförmige Bestandteile abgespalten werden.
Bevorzugt für Schäume eingesetzte Polymere sind Polypropylen, Polyethylen, Polyamide, Polyester, Polyether, Polyurethane, Polystyrole, thermoplastische Polyester, thermoplastische Polyurethane sowie Mischungen daraus.
Besonders bevorzugt werden Schäume aus Polyproplyen oder Polystyrol eingesetzt.
Neben Polymerschäumen eignen sich auch Elastomere, die eine geringere Steifigkeit aufweisen als das erste Material, aus dem der Balken gefertigt ist. Unter Elastomere sind erfindungsgemäß auch thermoplastische Elastomere zu verstehen. Geeignete Elastomere sind zum Beispiel synthetische Kautschuke und Naturkautschuke sowie thermoplastische Polyurethane und thermoplastische Polyester. Geeignete Kautschuke sind beispielsweise Polyolefinkautschuke, wie Ethylen-Propylen-Kautschuke (EPM/EPDM), Polyisobutylen und Butylkautschuk, Ethylen-Vinylacetatkautschuk; Polydiene, beispielsweise Styrol-Butadien-Kautschuk, Polybutadien, Polyisopren, Polychloropren, Nitrilkautschuk, Silikonkautschuk sowie Naturkautschuk.
Die Verbindung des ersten Materials mit dem zweiten Material mit geringerer Steifigkeit kann kraftschlüssig oder formschlüssig erfolgen. So kann die Verbindung des zweiten Materials mit dem ersten Material zum Beispiel durch Hinterclipsen von Elementen aus dem zweiten Material hinter Hinterschneidungen im ersten Material des Grundkörpers des mindestens einen Balkens, durch Schnappverschlüsse, durch Kleben, durch Hinterspritzen, durch Umspritzen, durch Clipsen auf Zapfen, durch Verschrauben, Nieten oder durch Steckverbindungen erfolgen. Weiterhin ist es zum Beispiel auch möglich, wenn das erste Material und das zweite Material ein Metall oder beide Materialien thermoplastische Polymere sind, die Materialien durch Schweißen oder bei Metallen durch Löten zu verbinden.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der mindestens eine Balken an mindestens einer Stelle mit mindestens einem Träger verbunden. Der Träger dient dazu, den Balken zum Beispiel an einer Haltevorrichtung zu befestigen. Der Träger kann dabei an jeder beliebigen Stelle des Balkens angeordnet sein. Um eine stabile Befestigung des Balkens zu erzielen ist es bevorzugt, mindestens zwei Träger vorzusehen. Der mindestens eine Träger kann an jeder beliebigen Stelle des Balkens positioniert sein. Bevorzugt werden zwei Träger eingesetzt, die an den Enden des Balkens angeordnet sind.
Dabei ist es einerseits möglich, dass die Träger bündig am Balkenende angeordnet sind oder dass der Balken in die Träger ausläuft, alternativ ist es auch möglich, dass der Balken über die Träger hinausragt.
Zum Erzielen einer hinreichenden Stabilität, ist es bevorzugt, dass der mindestens eine Träger aus dem ersten Material gefertigt ist, aus dem auch der Querbalken gefertigt ist.
Der mindestens eine Träger kann als separates Bauteil gefertigt werden und anschließend mit dem Balken verbunden werden. Hierzu eignet sich ebenfalls jedes beliebige kraft- oder formschlüssige Verfahren. So ist es zum Beispiel möglich, den Träger an dem Balken durch Verschrauben, Nieten, Kleben, Clipsen auf Zapfen, Umspritzen, Hinterspritzen, Schweißen oder Löten oder durch eine Steckverbindung anzubringen. Insbesondere wenn der Balken und der mindestens eine Träger aus einem Polymer gefertigt sind, ist es jedoch bevorzugt, wenn der mindestens eine Balken und der mindestens eine Träger einstückig ausgebildet sind. Hierdurch wird eine stabile Verbindung des mindestens einen Balkens mit dem mindestens einen Träger gewährleistet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die erfindungsgemäße Vorrichtung als untere Stoßfängerverstärkung in einem Personenkraftwagen verwendet. Die untere Stoßfängerverstärkung in einem Personenkraftwagen dient insbesondere dazu, die Grenzwerte einzuhalten, die vom Gesetzgeber in der EU-Richtlinie zum Fußgängerschutz gefordert sind. Die untere Stoßfängerverstärkung wird dabei üblicherweise an den Längsträgern des Kraftfahrzeuges hinter dem vorderen Stoßfänger angebracht, wobei sich die untere Stoßfängerverstärkung von links nach rechts unten quer am Fahrzeug erstreckt. Die Befestigung der Vorrichtung erfolgt dabei üblicherweise an zwei symmetrisch zur Fahrzeugmitte angeordneten Punkten unterhalb des vorderen Hauptquerträgers im Stoßfänger.
Insbesondere beim so genannten „Lower Leg Test” lassen sich die vom Gesetzgeber geforderten Grenzwerte für Biegewinkel und Beschleunigung nur einhalten, wenn das aus Stoßfänger, oberem Querträger und unterer Stoßfängerverstärkung gebildete System über die gesamte im Test nachzuweisende Breite eine genau aufeinander abgestimmte Steifigkeit aufweist. Da die Steifigkeit zu den Befestigungsstellen des Balkens zunimmt, wird die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Bereichen aus dem zweiten Material eingesetzt. Anders als bei den aus dem Stand der Technik bekannten unteren Stoßfängerverstärkungen, bei denen sich direkt an der Lagerung die höchste Steifigkeit ergibt, da die untere Stoßfängerverstärkung aufgrund des fehlenden Hebelarms zur Lagerung praktisch keine Biegung mehr erfährt sondern die Kraft in die vergleichsweise starre Anbindung an das Fahrzeug direkt überträgt, gibt das zweite Material mit der geringeren Steifigkeit nach und führt so zu einer zusätzlichen Dämpfung. Durch die Anordnung des ersten Materials und des zweiten Materials wirken die mechanischen Steifigkeiten in Aufprallrichtung analog einer Reihenschaltung von Federn.
Der Einfluss des ersten Materials und des zweiten Materials auf die Gesamtsteifigkeit lässt sich für jedes verwendete Material durch die Eigensteifigkeit des Materials selbst sowie durch seine jeweilige geometrische Gestaltung festlegen. Durch eine geeignete Auswahl der Materialkombination und der geometrischen Gestalt lässt sich der Steifigkeitsverlauf über der Querrichtung in weiten Grenzen variieren.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Hierbei wird ein Grundkörper des mindestens einen Balkens aus einem ersten Material geformt und mit einem zweiten Material, das eine geringere Steifigkeit aufweist als das erste Material, zur Bildung eines vollständigen Balkens verbunden. Die Form des Grundkörpers aus dem ersten Material und der Bereiche aus dem zweiten Material wird durch mathematische Modellierung und Anpassung der Form an die Modellierung mit mathematischen Optimierungsverfahren bestimmt.
Übliche Verfahren zur mathematischen Modellierung sind Finite-Differenzen-Verfahren, Finite-Elemente-Verfahren und Finite-Volumen-Verfahren. Bevorzugt werden zur mathematischen Modellierung jedoch Finite-Elemente-Verfahren eingesetzt. Die zur Berechnung erforderlichen Randbedingungen sind von der Form des Balkens und der Art des zu dämpfenden Stoßes abhängig. Geeignete Randbedingungen und Parameter zur Durchführung der mathematischen Modellierung sind dem Fachmann bekannt. Mathematische Optimierungsverfahren, mit denen die Form an die Modellierung angepasst wird, sind Gestaltoptimierungsverfahren und Parameteroptimierungsverfahren. Diese sind dem Fachmann ebenfalls bekannt.
Über eine parametrisierte Darstellung der Konturtrennverläufe der beiden Materialien unterschiedlicher Steifigkeit lassen sich herkömmliche Parameteroptimierungsverfahren zur optimalen Gestaltung verwenden.
Wenn das zweite Material mit der geringeren Steifigkeit über die gesamte Breite des Grundkörpers des mindestens einen Balkens mit dem ersten Material verbunden ist, wobei die Schichtdicke in Bereichen höherer Steifigkeit größer ist als in den übrigen Bereichen, bzw. wenn das zweite Material in Form von Pass-Stücken in Bereichen höherer Steifigkeit an der Oberfläche des Grundkörpers des mindestens einen Balkens eingelagert ist und zur Oberfläche hin freiliegt, ist es üblich, dass zunächst der Grundkörper aus dem ersten Material geformt wird und anschließend die Bereiche aus dem zweiten Material damit verbunden werden. Die Bereiche aus dem zweiten Material können dabei zunächst geformt und anschließend mit dem ersten Material verbunden werden. In diesem Fall erfolgt die Verbindung zum Beispiel durch Verschrauben, Vernieten, Kleben, Schweißen, Hinterclipsen oder Clipsen auf Zapfen. Alternativ ist es jedoch zum Beispiel auch möglich, zunächst den Grundkörper aus dem ersten Material zu formen, das so entstandene Bauteil in eine Form einzulegen und anschließend zum Beispiel durch ein Spritzgussverfahren oder ein Gießverfahren die Bereiche aus dem zweiten Material direkt an den Stellen zu formen, an denen diese positioniert werden, wobei durch das Formen der Bereiche aus dem zweiten Material die Verbindung mit dem ersten Material entsteht.
Wenn die Bereiche aus dem zweiten Material voll umschlossen sind vom Grundkörper aus dem ersten Material, so ist es üblich, dass zunächst die Formteile aus dem zweiten Material gebildet werden und diese anschließend zum Beispiel durch ein Gießverfahren oder Spritzgussverfahren mit dem ersten Material umschlossen werden. Hierdurch lässt sich eine vollständige Ummantelung der Bereiche aus dem zweiten Material erzielen. Alternativ ist es jedoch zum Beispiel auch möglich, zunächst ein Bauteil aus dem ersten Material zu formen, Formteile aus dem zweiten Material in das Bauteil einzulegen und anschließend eine Abdeckung aufzubringen, um die Formteile aus dem zweiten Material vollständig zu umschließen.
Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen Frontbereich eines Kraftfahrzeugs mit unterer Stoßfängerverstärkung,
2 eine schematische Darstellung einer unteren Stoßfängerverstärkung,
3 eine linke Hälfte einer unteren Stoßfängerverstärkung in einer ersten Ausführungsform,
4 eine linke Hälfte einer unteren Stoßfängerverstärkung in einer zweiten Ausführungsform,
5 eine linke Hälfte einer unteren Stoßfängervorrichtung in einer dritten Ausführungsform.
In 1 ist ein Frontbereich eines Kraftfahrzeugs mit unterer Stoßfängerverstärkung dargestellt.
Ein Frontbereich 1 eines Kraftfahrzeuges umfasst üblicherweise eine Motorhaube 3, die hier geschnitten dargestellt ist, um die Struktur des Kraftfahrzeuges im Frontbereich darstellen zu können. Unterhalb der Motorhaube 3 befindet sich üblicherweise ein Stoßfänger 5. Insbesondere um bei Unfällen mit Fußgängern das Verletzungsrisiko für den Fußgänger zu reduzieren ist es erforderlich, dass der Stoßfänger 5 hinreichend nachgiebig gestaltet ist, um den Aufprall bei einem Unfall zu dämpfen. Eine weitere Reduzierung des Verletzungsrisikos für Fußgänger wird dadurch erreicht, dass hinter dem Stoßfänger 5 eine untere Stoßfängerverstärkung 7 angeordnet ist. Durch die untere Stoßfängerverstärkung 7 wird vermieden, dass zum Beispiel ein Bein eines Fußgängers unter das Kraftfahrzeug gerät und so auch schon bei geringen Geschwindigkeiten des Kraftfahrzeuges einen Beinbruch zur Folge hat. Die untere Stoßfängerverstärkung 7 wirkt hierbei mit dem Stoßfänger 5 zusammen. Ein Stoß gegen den Stoßfänger 5 führt dazu, dass der Stoßfänger 5 zusammen mit der unteren Stoßfängerverstärkung 7 verformt wird. Durch die Verformung von Stoßfänger 5 und unterer Stoßfängerverstärkung 7 wird der Stoß gedämpft.
Die Einbauposition der unteren Stoßfängerverstärkung 7 im Kraftfahrzeug ist üblicherweise unterhalb eines oberen Querträgers 9. Üblicherweise ist die untere Stoßfängerverstärkung 7 am Rahmen 11 des Kraftfahrzeuges befestigt. Die Befestigung erfolgt dabei im Allgemeinen symmetrisch von der Fahrzeugmitte aus gesehen links und rechts. Insbesondere bei einer unteren Stoßfängerverstärkung 7 aus einem Polymermaterial ist es üblich, dass die untere Stoßfängerverstärkung 7 durch Schrauben oder Nieten mit dem Rahmen 11 des Fahrzeuges verbunden wird. Im Allgemeinen umfasst die untere Stoßfängerverstärkung 7 hierzu Befestigungsbereiche 13.
In 2 ist eine untere Stoßfängerverstärkung 7 schematisch dargestellt. Die untere Stoßfängerverstärkung 7 ist bezüglich einer mittig liegenden Symmetrieachse 15 symmetrisch. In der hier dargestellten Ausführungsform umfasst die untere Stoßfängerverstärkung 7 einen Balken 17 und zwei Träger 19. Die Träger 19 sind dabei links und rechts der Symmetrieachse 15 am äußeren Bereich des Balkens 17 angeordnet. Die Träger 19 dienen als Befestigungsbereich 13, um die untere Stoßfängerverstärkung 7 am Fahrzeug zu befestigen. In der hier dargestellten Ausführungsform sind die Träger 19 mit einem Grundkörper 21 des Balkens 17 einteilig ausgebildet. Der Grundkörper 21 und die Träger 19 sind dabei aus einem ersten Material gefertigt, das eine hinreichend große Steifigkeit aufweist, um die Stabilität der unteren Stoßfängerverstärkung 7 zu gewährleisten. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass die Träger 19 als getrennte Bauteile gefertigt werden und zum Beispiel durch Schrauben, Nieten, Schweißen, Kleben oder jede beliebige andere, dem Fachmann bekannte Befestigungsart am Grundkörper 21 des Balkens 17 zu befestigen.
Im Bereich der Symmetrieachse 15 ergibt sich eine Dämpfung eines Aufpralls durch Verformung des Grundkörpers 21. Die Möglichkeit des Grundkörpers 21 sich zu verformen, nimmt jedoch in Richtung zum Träger 19 ab. Hierdurch werden Stöße, die auf den Grundkörper 21 auftreffen, schwächer gedämpft. Erfindungsgemäß ist der Grundkörper 21 des Balkens 17 daher mit einer Schicht 23 aus einem zweiten Material versehen. Die Schicht 23 ist dabei mit dem Grundkörper 21 verbunden. Um eine verbesserte Dämpfung im Bereich der Träger 19 zu erzielen, ist die Schichtdicke in diesem Bereich größer als in Bereichen, in denen eine Verformung des Balkens 17 möglich ist. Um eine hinreichend große Dämpfung zu erzielen, weist das zweite Material, aus dem die Schicht 23 gefertigt ist, eine geringere Steifigkeit auf als das erste Material des Grundkörpers 21 und der Träger 19.
Alternativ zu der in 2 dargestellten Ausführungsform können die Träger 19 auch ganz am Rande des Balkens 17 angeordnet sein. Auch können die Träger 19 in jedem beliebigen anderen Winkel angeordnet sein. Die Geometrie der Träger 19 ist dabei abhängig vom Aufbau des Kraftfahrzeuges, in dem der Balken 17 eingesetzt wird. Gegebenenfalls kann sogar vollständig auf die Träger 19 verzichtet werden und der Balken 17 wird direkt am Kraftfahrzeug befestigt.
In 3 ist eine linke Hälfte einer unteren Stoßfängerverstärkung in einer ersten Ausführungsform dargestellt.
In der in 3 dargestellten Ausführungsform umfasst der Balken 17 einen Grundkörper 21 aus einem ersten Material und eine Schicht 23 aus einem zweiten Material, das eine geringere Steifigkeit aufweist als das erste Material. Im Bereich des Trägers 19 ist die Dicke der Schicht 23 aus dem zweiten Material größer, als im Randbereich 25 und der Mitte des Balkens im Bereich der Symmetrieachse 15. Die größere Schichtdicke im Bereich des Trägers 19 ergibt sich aus der in diesem Bereich größeren Steifigkeit des Grundkörpers 21. Die Form der Trennlinie 27 zwischen dem Grundkörper 21 und der Schicht 23 kann zum Beispiel durch mathematische Modellierung mit einem Finit-Element-Verfahren und einem mathematischen Optimierungsverfahren zur Anpassung der Geometrie und der Prozessparameter, optimiert werden. So ergibt sich in Bereichen höherer Steifigkeit eine größere Dicke der Schicht 23 und in Bereichen geringerer Steifigkeit eine kleinere Dicke der Schicht 23.
In 4 ist eine linke Hälfte einer unteren Stoßfängerverstärkung in einer zweiten Ausführungsform dargestellt.
Im Unterschied zu der in 3 dargestellten Ausführungsform ist bei der in 4 dargestellten Ausführungsform keine Schicht 23 über die gesamte Breite des Grund körpers 21 aufgetragen sondern in Bereichen höherer Steifigkeit, wie sie sich zum Beispiel durch den Träger 19 ergeben, ist ein Formteil 29 in den Grundkörper 21 eingebracht. Die Befestigung des Formteils 29, das aus dem zweiten Material mit geringerer Steifigkeit gefertigt ist, kann auf die gleiche Weise erfolgen wie die Befestigung der Schicht 23. Alternativ ist es zum Beispiel auch möglich, dass der Grundkörper 21 mit Hinterschneidungen ausgeführt wird und das Formteil 29 hinter die Hinterschneidungen geclipst wird. Weitere Befestigungsmöglichkeiten sind zum Beispiel das Anclipsen des Formteiles 29 auf Zapfen am Grundkörper 21, Kleben, Schrauben, Nieten, oder das Einspritzen des Materials 29 in den Bereich, in dem das Formteil 29 aufgenommen wird und das Aufschäumen direkt in diesem Bereich.
Eine dritte Ausführungsform einer linken Hälfte einer unteren Stoßfängerverstärkung ist in 5 dargestellt. Diese unterscheidet sich von den Ausführungsformen in den 3 und 4 dadurch, dass Formteile 31 aus dem zweiten Material mit geringerer Steifigkeit in den Grundkörper 21 eingebettet sind und vom ersten Material vollkommen umschlossen sind. Die Form und Position der Formteil 31 ergibt sich vorzugsweise ebenfalls durch mathematische Modellierung und ein mathematisches Optimierungsverfahren. Das Einbetten der Formteile 31 kann zum Beispiel dadurch erfolgen, dass zunächst die Formteile 31 gefertigt werden, diese in eine Form eingelegt werden und anschließend mit dem Material für den Grundkörper 21 umgossen oder umspritzt werden. Alternativ ist es auch möglich, den Grundkörper 21 zu formen, Öffnungen für die Formteile 31 freizulassen, anschließend die Formteile 31 einzulegen und abschließend mit einem Deckel abzudecken. Hierdurch lässt sich eine gleichmäßige Oberfläche der gesamten unteren Stoßfängerverstärkung 7 erzielen, da im Allgemeinen keine sichtbaren Bereiche von Formteilen 29 oder der Schicht 23 aus dem zweiten Material mit geringerer Steifigkeit freiliegen.

1: Frontbereich
3: Motorhaube
5: Stoßfänger
7: untere Stoßfängerverstärkung
9: oberer Querträger
11: Rahmen
13: Befestigungsbereich
15: Symmetrieachse
17: Balken
19: Träger
21: Grundkörper
23: Schicht
25: Randbereich
27: Trennlinie
29: Formteil
31: Formteil

Claims

Vorrichtung zum Dämpfen von Stößen, umfassend mindestens einen verformbaren Balken (17), wobei ein Grundkörper (21) des mindestens einen verformbaren Balkens (17) aus einem ersten Material gefertigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (21) des mindestens einen Balkens (17) in Bereichen höherer Steifigkeit mit einem zweiten Material verbunden ist, das eine geringere Steifigkeit aufweist als das erste Material.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material als Schicht (23) über die gesamte Breite des Grundkörpers (21) des mindestens einen Balkens (17) mit dem ersten Material verbunden ist, wobei die Schichtdicke in Bereichen höherer Steifigkeit größer ist als in den übrigen Bereichen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material in Form von Pass-Stücken (29) in Bereichen höherer Steifigkeit an der Oberfläche des Grundkörpers (21) des mindestens einen Balkens (17) eingelagert ist, wobei das zweite Material zur Oberfläche hin frei liegt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Formteil (17) aus dem zweiten Material in Bereichen höherer Steifigkeit umschlossen vom ersten Material in den Grundkörper (21) des mindestens einen Balkens (17) eingelagert ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material ein Polymer oder ein Metall ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material ein Polymerschaum, ein Elastomer oder eine Wabenstruktur aus einer Metallfolie ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material mit dem ersten Material kraftschlüssig oder formschlüssig verbunden ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung des zweiten Materials mit dem ersten Material durch Hinterclipsen von Elementen aus dem zweiten Material hinter Hinterschneidungen in dem Grundkörper (21) des mindestens einen Balkens (17) aus dem ersten Material, durch Schnappverschlüsse, durch Kleben, durch Hinterspritzen, durch Umspritzen, durch Clipsen auf Zapfen, durch Verschrauben, durch Nieten oder durch Steckverbindungen erfolgt.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Balken (17) an mindestens einer Stelle mit mindestens einem Träger (19) verbunden ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Träger (19) aus dem ersten Material gefertigt ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (21) des mindestens einen Balkens (17) und der mindestens eine Träger (19) einstückig ausgebildet sind.
Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 als untere Stoßfängerverstärkung (7) in einem Personenkraftwagen.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem ein Grundkörper (21) des mindestens einen Balkens (17) aus einem ersten Material geformt wird und mit einem zweiten Material, das weicher ist als das erste Material, zur Bildung eines vollständigen Balkens (17) verbunden wird, wobei die Form des Grundkörpers (21) aus dem ersten Material und der Bereiche aus dem zweiten Material durch mathematische Modellierung und Anpassung der Form an die Modellierung mit mathematischen Optimierungsverfahren bestimmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst der Grundkörper (21) aus dem ersten Material geformt wird und anschließend die Bereiche aus dem zweiten Material damit verbunden werden.
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst Formteile (31) aus dem zweiten Material gebildet werden und diese anschließend zur Verbindung mit dem ersten Material umschlossen werden.