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Die Erfindung betrifft jeweils ein Kraftfahrzeug mit einem Deformationselement, insbesondere einer Crashbox, nach den Obergriffen der Patentansprüche 1 oder 2.
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Als Knautschzonen ausgebildete Teile von Fahrzeugstrukturen dienen dem passiven Schutz der Insassen. Ziel ist es, die bei einem Unfall auf die Insassen einwirkenden Kräfte weitestgehend zu reduzieren. Dies wird maßgeblich durch eine Kombination aus unterschiedliche Steifigkeiten aufweisenden Elementen erreicht. Dabei werden einzelne Bauteile als Deformationselement ausgebildet, welche zur gezielten Aufnahme von aus einem Aufprall resultierender Bewegungsenergie dienen, indem sie sich plastisch verformen.
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Deformationselemente können beispielsweise als Crashboxen ausgebildet sein, welche in Kombination mit einem Stoßfängerquerträger die Kollisionskräfte bei einem Aufprall mit geringer Geschwindigkeit absorbieren, ohne dass der Rest der Karosseriestruktur beschädigt wird.
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Die Einbindung in die restliche Fahrzeugstruktur ist dabei so gewählt, dass die Deformationselemente zumeist leicht und kostengünstig ersetzt werden können.
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In diesem Zusammenhang sind im Querschnitt eckige Deformationselemente bekannt, welche in ihrem Kantenbereich angeordnete Kerben aufweisen. Die Kerben bewirken eine bewusste Schwächung der Struktur, um ein gezieltes Knicken sowie den Verformungsverlauf beeinflussendes Verhalten bei einem längsgerichteten Aufprall zu erzwingen. Im Ergebnis wird ein kontrolliertes Zusammenstauchen des Deformationselements erreicht, bei dem die einzelnen Mantelflächen zwischen zwei benachbarten Kerben gefaltet sowie verbeult werden, um dabei möglichst viel Aufprallenergie in Deformationsenergie umzuwandeln.
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Es sind auch Crashboxen bekannt, die bezogen auf ihre längsgerichtete Einbaulage in Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs in Querrichtung dazu verlaufende Sicken aufweisen, die ein gezieltes Zusammenfalten der Mantelfläche im Crash-Fall bewirken.
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Die
DE 10 2004 039 592 B4 offenbart eine Crashbox zur Eingliederung zwischen einen Längsträger und einem Stoßfängerquerträger eines Kraftfahrzeugs. Dessen Deformationsabschnitt dient der Aufnahme von aus einem Aufprall resultierender Bewegungsenergie durch plastische Verformung. Die Crashbox besteht aus einem pyramidenförmigen Grundkörper, welcher an seiner Mantelfläche bereichsweise zur Versteifung dienende Sicken aufweist. Die in Bezug auf die Längsrichtung der Crashbox quer verlaufenden Sicken sind jeweils seitenweise nach innen und nach außen gerichtet, wobei das Sickenbild variabel ist und auch in Längsrichtung der Crashbox verlaufende Sicken beinhalten kann.
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Crashboxen dürfen aber auch nicht zu weich sein, da sie den Stoßfänger tragen. Daher muss die für die Steifigkeit notwendige Wanddicke exakt auf die oben beschriebenen Kerben oder die Anordnung von in Querrichtung verlaufenden Sicken abgestimmt werden.
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Die
DE 10 2008 029 634 A1 zeigt einen Stoßfänger mit einer Stoßstange, welche über Deformationselemente mit den Fahrzeuglängsträgern eines Kraftfahrzeugs koppelbar ist. Die Stoßstange ist als stranggepresstes Hohlprofil ausgeführt, welches durch Querwände und Mittelwände in Kammern aufgeteilt ist. Auch die Deformationselemente sind in einzelne Kammern aufgeteilt.
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Die
DE 195 45 069 A1 beschreibt eine Stoßstange mit einem Querträger für eine Fahrzeugkarosserie, der aus zwei Halbschalen gefertigt ist und zumindest mittelbar an zwei Längsträgern befestigbar ist. Energieabsorbierende Verformungsglieder, welche sich in Fahrzeuglängsachse erstrecken, können mit Hilfe derselben Halbschalenbauweise gefertigt sein.
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Die derzeitige Ausbildung von Deformationselementen lässt im Hinblick auf eine Gewichtsreduzierung mit dem Ziel, den Kraftstoffverbrauch zu senken, somit noch Raum für Verbesserungen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt dabei die Aufgabe zugrunde, ein Kraftfahrzeug mit verbessertem Deformationsverhalten zu schaffen, wobei das Deformationselement des Kraftfahrzeugs neben seiner Aufgabe der Absorption von Aufprallenergie durch Deformation bei gleichzeitig geringem Gewicht eine leichte Herstellungsweise ermöglicht.
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Zwei eigenständige Lösungen dieser Aufgabe zeigt die Erfindung in Patentanspruch 1 und Patentanspruch 2 auf.
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Gemäß Patentanspruch 1 ist der Grundkörper bezogen auf die Längsrichtung des Kraftfahrzeugs in einem Winkel in Ebene der Querrichtung des Kraftfahrzeugs angeordnet, wobei der Winkel zwischen Fahrzeuglängsrichtung und Längsrichtung des Grundkörpers in einem Bereich von 0° bis 30° liegt.
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Gemäß Patentanspruch 2 ist der Grundkörper bezogen auf die Längsrichtung des Kraftfahrzeugs parallel in Ebene der Querrichtung des Kraftfahrzeugs angeordnet, wobei die Sicken von den jeweiligen Enden des Grundkörpers beabstandet sind.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des grundsätzlichen Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Das Deformationselement des Kraftfahrzeuges besteht aus einem Grundkörper, welcher an seiner Mantelfläche zumindest bereichsweise zur Versteifung dienende Sicken aufweist. Das Deformationselement dient der Aufnahme von aus einem Aufprall resultierender Bewegungsenergie durch axiale plastische Verformung.
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Die Sicken sind gegenüber der sie umgebenden Mantelfläche in den Grundkörper hinein gerichtet. Hierdurch wird der mitunter begrenzte und beengte Bauraum nicht durch abstehende Bereiche der Sicken beeinflusst. Bereits vorhandene und auf den vorhandenen Bauraum zugeschnittene Komponenten können somit auch nachträglich durch leichtere, mit einer Sicke versehene Deformationselemente ausgetauscht sowie ersetzt werden. Weiterhin verlaufen die Sicken allesamt in Längsrichtung des Grundkörpers.
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Die Mantelfläche des Grundkörpers weist jeweils im Übergang von ihren Schmalseiten zu den Breitseiten einen rechteckigen Verlauf auf. Darüber hinaus sind benachbarte Sicken unterschiedlich lang ausgestaltet.
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Die in die Mantelfläche eingebrachte Sicke verändert den Querschnittsverlauf des Grundkörpers, wodurch insbesondere die sich zwischen dem Sickengrund und der umliegenden Mantelfläche erstreckenden Stege zu einer Erhöhung des Widerstandsmoments des Deformationselements führen.
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Der besondere Vorteil liegt in der Möglichkeit einer daraus resultierenden Gewichtseinsparung. Diese ergibt sich durch die erhöhte Steifigkeit des Grundkörpers aufgrund der Sicke, welche durch eine Reduzierung der Wanddicke wieder auf den erforderlichen Wert eingestellt wird. Bei Versuchen wurden Gewichtseinsparungen bis zu 30 % erreicht. In Kombination mit weiteren, den Querschnitt des Grundkörpers verändernden Nebenformen, beispielsweise im Kantenbereich angeordnete Kerben, kann das Deformationsverhalten bei gleichzeitiger Reduzierung des Bauteilgewichts gezielt gesteuert werden.
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Bezogen auf die Längsrichtung des Kraftfahrzeugs ist der Grundkörper parallel oder in einem Winkel in Ebene der Querrichtung des Kraftfahrzeugs angeordnet. Der Winkel zwischen Fahrzeuglängsrichtung und Längsrichtung des Grundkörpers liegt dabei in einem Bereich von 0° bis 30°. Die Sicken selbst können ebenfalls in einem Winkel von 0° bis 30° zur Längsrichtung des Grundkörpers verlaufen oder parallel dazu ausgerichtet sein. Grundsätzlich können auch mehrere Sicken in der Mantelfläche des Deformationselements angeordnet sein, welche dann einen im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten Verlauf aufweisen.
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Je nach Anzahl, Tiefe sowie Breite und Form der Sicke wird das sich so verändernde Widerstandsmoment des Deformationselements bedarfsmäßig eingestellt. Grundsätzlich kann die Mantelfläche dabei auch Bereiche mit voneinander unterschiedlichen Wanddicken aufweisen, um in einer Kombination mit der Sicke die gewünschten Eigenschaften bezüglich Bauteilgewicht und Deformationsverhalten aufzuweisen.
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Die Sicke ist mittels Verprägen in die Mantelfläche des Grundkörpers eingebracht. Die Einbringung der Sicke in die Mantelfläche kann auf mehrere Arten geschehen. So kann der Grundkörper selbst beispielsweise aus einem rollgeformten Halbzeug gebildet sein, in welches die Sicke bereits vor oder während seiner Umformung eingebracht ist/wird. Dabei wird der Grundkörper durch Umformen eines zunächst flachen Halbzeugs durch mehrmaliges Abkanten erzeugt. Die Verbindung der dann zumeist in Längsrichtung verlaufenden Enden des rollgeformten Halbzeugs kann dabei beispielsweise durch Schweißen oder allgemein durch ein stoffschlüssiges Verfahren erfolgen. Das Schweißen selbst kann beispielsweise über ein Stumpfnahtschweißen entlang der Stoßränder erfolgen.
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Grundsätzlich kann der Grundkörper auch durch ein Strangpressprofil gebildet sein, in welches die Sicke nachträglich eingebracht wird. Die Sicke kann auch direkt über das Strangpresswerkzeug in das Strangpressprofil eingearbeitet sein. Die Möglichkeit, den Grundkörper beispielsweise aus zwei ineinander gesetzten und anschließend zumindest punktverschweißten C-Profilen zu bilden, ist ebenfalls im Rahmen der Erfindung angedacht.
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Den jeweiligen Anforderungen folgend ist die Sicke auch über ihren in Längsrichtung des Grundkörpers gerichteten Verlauf unterschiedlich ausgestaltet. In ihrem Verlauf kann die Sicke beispielsweise durchlaufend oder nur in einem begrenzten Längenabschnitt angeordnet sein. Je nach Anforderung kann die Sicke einen geraden oder in sich abgewinkelten sowie alternierenden Verlauf aufweisen. Variierende Tiefen des Sickengrunds sind ebenfalls denkbar. Auch die jeweilige Breite der Sicke kann abschnittsweise angepasst sein. Grundsätzlich können in die Sicke auch abschnittsweise einzelne Öffnungen eingebracht sein. Durch die Anpassung der mittels Verprägen eingebrachten Sicke werden das gewünschte Widerstandsmoment sowie die nötigen Faltkräfte des Deformationselements eingestellt und je nach Ausbildung über den Verlauf hinweg angepasst.
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In einer Weiterführung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Grundkörper eine oder mehrere sich in seiner Längsrichtung erstreckende Kammern aufweist. Die einzelnen Kammern werden dabei durch einen Zwischensteg voneinander getrennt, welcher eine Erhöhung des Widerstandsmoments des Deformationselements bewirkt. Je nach Ausgestaltung kann der Zwischensteg bereits während der Umformung des Halbzeugs durch eine in den Grundkörper gerichtete Ausstellung gebildet sein. Grundsätzlich kann der Zwischensteg auch in den mittels Umformen erzeugten Grundkörper eingerollt sein. Der Zwischensteg kann dabei innerhalb des Grundkörpers mittels Klemmen oder beispielsweise über Schweißen mit dem Grundkörper verbunden sein. Sowohl der Grundkörper als auch einzelne Kammern können mit einem geeigneten Material zumindest abschnittsweise ausgeschäumt sein. Die einzelnen Kammern des Grundkörpers können auch durch eine Aneinanderreihung beispielsweise mehrerer Rechteckprofile gebildet sein. Die Verbindung der einzelnen Rechteckprofile kann beispielsweise über Schweißen oder Kleben erfolgen.
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Die in die Mantelfläche des Grundkörpers eingebrachte Sicke ist von den jeweiligen Enden des Grundkörpers beabstandet. Hierdurch verläuft die Sicke nicht bis zu den Randbereichen des Grundkörpers, wodurch ihre aussteifende Wirkung zwischen den Enden des Grundkörpers erfolgt. Um einen linearen Übergang der Steifigkeiten des Deformationselements zu erreichen, kann der Sickengrund der Sicke jeweils zu den Enden des Grundkörpers hin kontinuierlich auf das äußere Niveau der Mantelfläche des Grundkörpers ansteigen. Grundsätzlich können sowohl Anfang als auch Ende der Sicke einen sprunghaften Verlauf zwischen Sickengrund und umliegender Mantelfläche aufweisen, wobei der Sickengrund in einer oder mehreren Stufen auf die Ebene der Mantelfläche ansteigt.
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Eine Variante der Sicke sieht vor, dass die Sicke in der Mantelfläche des Grundkörpers zumindest an einem seiner Enden randseitig beginnt oder endet. Diese Ausführung ist zu wählen, wenn das mit dem Deformationselement zu verbindende Bauteil eine entsprechende Ausgestaltung aufweist, um den mit den Sicken randseitig veränderten Querschnitt des Grundkörpers aufnehmen zu können. Das mit dem Deformationselement zu verbindende Bauteil greift hierbei in oder um einen Endabschnitt des Grundkörpers.
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In vorteilhafter Weise wird auch eine über ein Strangpresswerkzeug in ein Strangpressprofil eingearbeitete Sicke nur auf einzelne Abschnitte begrenzt. Durch anschließendes Ablängen des Strangpressprofils in einzelne Grundkörper weisen diese nur abschnittsweise eine Sicke auf. Bevorzugt ist das Strangpressprofil dabei so abzulängen, dass die Grundkörper jeweils eine an einem Ende randseitig beginnende Sicke aufweisen, welche zum gegenüberliegenden Ende des Grundkörpers verläuft und von diesem Ende beabstandet ist. Grundsätzlich kann die so erzeugte Sicke auch von beiden Enden des Grundkörpers beabstandet sein.
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Es ist vorgesehen, dass die Mantelfläche des Grundkörpers mindestens eine Öffnung aufweist. Die Öffnung ist im Bereich der Enden des Grundkörpers angeordnet. Die Öffnungen können beispielsweise durch Bohren erfolgen. In vorteilhafter Weise werden die Öffnungen in die Mantelfläche des Grundkörpers gestanzt. In bevorzugter Weise werden die Öffnungen zusammen mit der Sicke in die Mantelfläche des Grundkörpers eingebracht.
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Über die Öffnungen kann das Deformationselement mit umliegenden Bauteilen des Kraftfahrzeugs verbunden werden.
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Die Verbindung sieht vor, dass die Enden des Deformationselements dabei in ein umliegendes Bauteil eingreifen oder um dieses herumgreifen. Das umliegende Bauteil weist im gepaarten Zustand ebenfalls eine Öffnung auf, welche deckungsgleich zu der Öffnung des Deformationselements angeordnet ist. Über die Öffnungen kann eine Verbindung beispielsweise über einen Bolzen erfolgen. In vorteilhafter Weise ist das Verbindungselement lösbar ausgebildet, um einen schnellen Austausch des Deformationselements zu ermöglichen.
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Grundsätzlich kann das Deformationselement aber auch über diverse andere Verbindungsarten mit umliegenden Bauteilen des Kraftfahrzeugs verbunden sein. So kann die Verbindung des Deformationselements zu umliegenden Bauteilen beispielsweise durch Schweißen, Löten, Klemmen oder Kleben sowie einer Kombination aus dem Genannten erfolgen.
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Auch wenn das Deformationselement beispielsweise aus Kunststoff oder faserverstärkten Materialien aufgebaut sein kann, ist der Grundkörper bevorzugt aus Metall. Hierdurch fügt sich das Deformationselement in die zumeist auch aus Metall gefertigte Grundstruktur des Kraftfahrzeugs ein. Um ein möglichst hohes Gewichtseinsparpotential zu erreichen, ist das Deformationselement bevorzugt aus einem Grundkörper aus Aluminium gebildet.
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Der Grundkörper des Deformationselements ist bevorzugt aus einem durchgehenden Hohlprofil gebildet, da sich dadurch die größte Gewichtseinsparung ergibt.
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Die zuvor erläuterte Erfindung schafft ein Kraftfahrzeug mit einem Deformationselement, insbesondere einer Crashbox, wobei das Deformationselement neben seiner Aufgabe der Absorption von Aufprallenergie durch Deformation insbesondere in seinem Gewicht reduziert ist. Durch die Einbringung der in Längsrichtung des Grundkörpers gerichteten Sicke erhöht sich das Widerstandsmoment des Deformationselements, wodurch die Wandstärke reduziert werden kann. Dabei ist die Sicke so in den Grundkörper des Deformationselements eingebracht, dass die plastische Verformung im Crashfall von der Seite der Krafteinwirkung aus beginnt. Hierdurch beginnt der Grundkörper vom Bereich der Krafteinleitung aus zu falten, während der restliche Grundkörper in seiner Form stabil bleibt. Die Faltung setzt sich je nach Stoßgeschwindigkeit vom Bereich des Lasteintritts weiter durch den Grundkörper mittels Falten fort. Auf diese Weise wird möglichst viel Energie durch plastische Verformung abgebaut.
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Das Deformationselement ist so ausgebildet, dass ein kontrolliertes Zusammenspiel zwischen lokalen Schwächungen des Grundkörpers und der Sicke erfolgt. Hierbei kann die Sicke gezielt geschwächte Bereiche des Grundkörpers, beispielsweise durch eine Verprägung, aussteifen, so dass es in diesem Bereich erst bei Überschreitung einer bestimmten Lastgröße zu einem kontrollierten Knicken des Grundkörpers kommt. Hierdurch wird ein frühzeitig erfolgendes und/oder möglicherweise unkontrolliertes Falten des Deformationselementes verhindert.
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Die Ausgestaltung der Sicke folgt einer zuvor definierten Kraftwegkurve. Insbesondere bei axialer Stauchung ist das Deformationselement über die eingebrachte Sicke so eingestellt, dass die kleinsten notwendigen Faltkräfte im Bereich der Kraftbeaufschlagung angeordnet sind. Von dort aus nehmen die notwendigen Faltkräfte zur Deformation des Grundkörpers linear und/oder exponential zu. Insbesondere vor dem ökologischen Hintergrund und dem Bestreben, das Fahrzeuggewicht zur Kraftstoffeinsparung weiter abzusenken, ergibt sich durch die Erfindung ein entsprechendes Gewichtseinsparpotential, wobei trotz verminderten Materialeinsatzes die geforderten Sicherheitsstandards erfüllt werden.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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1 zeigt ein Deformationselement 1 für ein Kraftfahrzeug, welches aus einen im Querschnitt rechteckigen Grundkörper 2 gebildet ist. Der Grundkörper 2 erstreckt sich als Hohlprofil in Längsrichtung zwischen seinen Enden A, B. Der Grundkörper 2 weist an seiner Mantelfläche 3 einzelne Sicken 4 auf, welche von den jeweiligen Enden A, B des Grundkörpers 2 beabstandet sind. Die Sicken 4 sind dabei in den Grundkörper 2 hinein gerichtet und verlaufen allesamt in dessen Längsrichtung. Der rechteckige Querschnitt des Grundkörpers 2 weist an einer seiner Schmalseiten X nur eine Sicke 4 auf, während eine seiner Breitseiten Y drei parallel zueinander verlaufende Sicken 4 aufweist. Die mittlere der an der Breitseite Y des Grundkörpers 2 gelegenen Sicke 4 ist dabei gegenüber ihren benachbarten Sicken 4 länger ausgebildet. Die Enden A, B des Grundkörpers 2 in Form des Hohlprofils sind unverschlossen.
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Im Bereich der Enden A, B des Grundkörpers 2 sind jeweils einzelne Öffnungen 5 angeordnet, welche die Mantelfläche 3 des Deformationselements 1 durchdringen. Die Öffnungen 5 am Ende A des Grundkörpers 2 liegen sich hierbei jeweils an der Schmalseite X des Grundkörpers 2 gegenüber, während die Öffnung 5 am Ende B des Grundkörpers 2 in die Breitseite Y des Grundkörpers 2 eingebracht ist. Die Mantelfläche 3 des Grundkörpers 2 weist jeweils im Übergang von ihren Schmalseiten X zu den Breitseiten Y einen rechteckigen Verlauf auf.
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2 zeigt das Deformationselement 1 der 1 in einer Variante. Ein hier dargestelltes Deformationselement 1a weist gegenüber dem zuvor erläuterten Deformationselement 1 einen veränderten Verlauf der Sicken 4 auf. Hierbei erstrecken sich einzelne Sicken 4a auf der Breitseite Y der Mantelfläche 3 bis zum Ende A eines Grundkörpers 2a. Hierdurch weist das Ende A des Grundkörpers 2a einen randseitig gewellten Verlauf auf, welcher durch die Tiefe und die Form der in den Grundkörper 2a gerichteten Sicken 4a in der Mantelfläche 3 bestimmt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Deformationselement
- 1a
- Deformationselement
- 2
- Grundkörper von 1
- 2a
- Grundkörper von 1a
- 3
- Mantelfläche von 2, 2a
- 4
- Sicke
- 4a
- Sicke von 2a
- 5
- Öffnung in 2, 2a
- A
- Ende von 2, 2a
- B
- Ende von 2, 2a
- X
- Schmalseite von 2, 2a
- Y
- Breitseite von 2, 2a
