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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Verändern einer Steifigkeit eines Querträgers eines Fahrzeugs, auf einen Querträger des Fahrzeugs sowie auf ein Verfahren zum Verändern einer Steifigkeit eines Querträgers eines Fahrzeugs.
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Ein herkömmlicher Querträger eines Fahrzeugs ist so ausgelegt, dass Kräfte eines Anpralls eines Objektes auf das Fahrzeug über den Querträger auf Deformationselemente zwischen dem Querträger und Längsträgern des Fahrzeugs abgeleitet werden. Dazu ist der Querträger steif gestaltet, um während des Anpralls strukturelle Integrität zu erhalten, damit die Kräfte des Anpralls in den Deformationselementen kontrolliert absorbiert werden können.
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Die
EP 1 792 786 A2 beschreibt eine Crashbox zur Eingliederung zwischen einem Stoßfängerquerträger und einem Fahrzeuglängsträger eines Kraftfahrzeugs, welche ein gehäuseartiges Deformationsprofil als Faltkonstruktion aus Metallblech und eine längsträgerseitige Flanschplatte aufweist die als Bestandteil der Faltkonstruktion ausgebildet ist.
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Die
DE 100 00 032 A1 offenbart ein Fahrzeug. Das Fahrzeug weist Gehäuse auf, die bei Gefahr innerhalb eines Rohrsystems zu einer möglichen Trefferfläche bewegt werden. Die Karosserie wird an der möglichen Trefferfläche mittels der Gehäuse verstärkt und versteift. Damit ist an der möglichen Trefferfläche mehr Masse zum Schutz der Insassen vorhanden.
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Die
DE 10 2004 051 571 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Steuern der Steifigkeit einer Fahrzeugkarosserie, welche ein Schieberelement, ein Basiselement, ein verformbares Element und einen Aktuator enthält. Das Schieberelement ist parallel zur Richtung einer Aufprallkraft angeordnet, die auf ein erstes Ende des Schieberelements wirkt. Das Basiselement, das an einem zweiten Ende des Schieberelements angeordnet ist, enthält einen Schlitz, in dem sich das Schieberelement bewegt. Das verformbare Element ist an dem ersten Ende des Schieberelements angeordnet. Beide Enden des verformbaren Elements sind mit dem Basiselement verbunden, und ein Querschnitt des verformbaren Elements ist im Wesentlichen U-förmig. Bei einer Kollision erlaubt der Aktuator entweder, dass sich das Schieberelement in dem Schlitz bewegt oder verhindert, dass sich das Schieberelement in dem Schlitz bewegt.
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Die
US 2005/0 012 317 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Steuern einer Steifheit eines Fahrzeugkörpers.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Verändern einer Steifigkeit eines Querträgers eines Fahrzeugs, ein verbessertes Fahrzeug mit einer Vorrichtung zum Verändern einer Steifigkeit eines Querträgers eines Fahrzeugs sowie ein verbessertes Verfahren zum Verändern einer Steifigkeit eines Querträgers eines Fahrzeugs zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung, einen Querträger sowie ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1, 9 und 10 gelöst.
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Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Verändern einer Steifigkeit eines Querträgers eines Fahrzeugs, ein Querträger des Fahrzeugs sowie ein Verfahren zum Verändern einer Steifigkeit eines Querträgers eines Fahrzeugs gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Bei einem Unfall unter Beteiligung eines Frontbereichs eines Fahrzeugs sollten je nach Aufprallsituation unterschiedliche Energiemengen absorbiert werden. Für eine Aktivierung einer Deformationsstruktur zum Absorbieren von Aufprallenergie ist eine Mindestenergiemenge notwendig. Diese Mindestenergiemenge wird bei einem Fußgängerunfall oft nicht erreicht, weshalb der Fußgänger ein hohes Verletzungsrisiko trägt, da der Frontbereich des Fahrzeugs wenig nachgibt.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass eine Steifigkeit eines Querträgers eines Fahrzeugs verändert werden kann, beispielsweise von einer harten Einstellung in eine weiche Einstellung. Hierzu kann der Querträger eine veränderbare Versteifungseinrichtung aufweisen. Durch eine solche Maßnahme kann auch eine Erhöhung der Schutzfunktion für Fußgänger erreicht werden, die bei einem Aufprall auf ein Fahrzeug nicht durch eine Deformation der Crashbox bzw. eines Deformationselementes geschützt würden.
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Vorteilhafterweise kann der Querträger in der harten Einstellung Aufprallkräfte eines schweren Aufpralls an Deformationsstrukturen ableiten, ohne selber übermäßig verformt zu werden. In der weichen Eistellung kann der Querträger Aufprallkräfte eines leichten Aufpralls innerhalb des Querträgers absorbieren und dabei beispielsweise stark verformt werden. Bei der weichen Eistellung der Steifigkeit des Querträgers kann ein Fußgängerschutz besser realisiert werden, als bei der harten Einstellung.
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Verändern einer Steifigkeit eines Querträgers eines Fahrzeugs, wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist:
ein zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position beweglich am Querträger gelagertes Versteifungselement zum Einstellen einer Steifigkeit des Querträgers, wobei das Versteifungselement dazu ausgebildet ist, um in der ersten Position eine erste Steifigkeit des Querträgers auszubilden und in der zweiten Position eine zweite Steifigkeit des Querträger auszubilden; und
einen Aktuator zum Bewegen des Versteifungselements zwischen der ersten Position und der zweiten Position.
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Weiterhin schafft die vorliegende Erfindung ein Fahrzeug oder einen Querträger für ein Fahrzeug mit einer Vorrichtung zum Verändern einer Steifigkeit eines Querträgers des Fahrzeugs gemäß dem hier vorgestellten Ansatz.
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Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verändern einer Steifigkeit eines Querträgers eines Fahrzeugs, wobei das Verfahren den folgenden Schritt umfasst:
Verändern der Steifigkeit durch eine Bewegung eines beweglichen Versteifungselements, ansprechend auf ein Bewegungssignal.
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Unter einer Steifigkeit des Querträgers kann ein Biegewiderstand verstanden werden, der Überwunden werden sollte, um den Querträger des Fahrzeugs zu verbeigen. Beispielsweise kann die Steifigkeit eine notwendige Kraft pro Verformungsstrecke repräsentieren. Ein Querträger kann ein Strukturbauteil einer Fahrzeugkarosserie sein, das quer zu einer Fahrzeuglängsachse in einer Knautschzone (Deformationszone) des Fahrzeugs angeordnet ist. Unter einem Versteifungselement kann ein Verstärkungsbauteil verstanden werden, das Kräfte aus dem Querträger aufnehmen kann, um den Querträger biegesteifer zu gestalten. Die Kräfte können Biegekräfte und/oder Scherkräfte sein. Das Versteifungselement kann zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position verschoben werden. In der ersten Position kann das Versteifungselement beispielsweise eine erste Seite (beispielsweise eine der Fahrtrichtung des Fahrzeugs zugewandten Frontseite) des Querträgers mit einer zweiten Seite (beispielsweise einer der Fahrtrichtung des Fahrzeugs abgewandten Rückseite) des Querträgers verbinden und so beispielsweise eine Sollbiegestelle des Querträgers überbrücken. Die Sollbiegestelle kann beispielsweise durch eine Kerbe im Querträger repräsentiert sein. Die Biegesteifigkeit des Querträgers an der Sollbiegestelle und die Biegesteifigkeit des Versteifungselements in der ersten Position können sich zur ersten Steifigkeit ergänzen. In der zweiten Position kann das Versteifungselement beispielsweise nur auf einer der Seiten der Sollbruchstelle des Querträgers angeordnet sein. Dann weist der Querträger die Biegesteifigkeit des Querträgers an der Sollbiegestelle ohne die Biegesteifigkeit des Versteifungselements auf. Die zweite Steifigkeit kann in diesem Fall klein gegenüber der ersten Steifigkeit sein. Ein Aktuator kann direkt oder indirekt auf das Versteifungselement wirken. Beispielsweise kann der Aktuator unmittelbar an dem Versteifungselement angeordnet sein oder mittels eines Übertragungselements eine Kraft auf das Versteifungselement bewirken, um dieses zu verschieben. Das Versteifungselement kann sich in der ersten Position befinden, wenn eine große Energiemenge zu absorbieren ist, beispielsweise bei einer Kollision mit einem anderen Fahrzeug oder einem festen Hindernis, wie einem Laternenpfahl. Dann kann die große Energiemenge auf weitere Deformationselemente abgeleitet werden, die dazu ausgebildet sind, solche großen Energiemengen zu absorbieren. Das Versteifungselement kann sich in der zweiten Position befinden, wenn eine kleine Energiemenge zu absorbieren ist, beispielsweise bei einer Kollision mit einem Fußgänger. Dann kann die kleine Energiemenge über ein Einknicken des Querträgers und eine Verbiegung des Querträgers über eine gegenüber der steifen Einstellung vergrößerten Deformationsstrecke im Querträger abgebaut werden, um die Knautschzone des Fahrzeugs „weich” zu gestalten.
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Der Aktuator kann ein Rückstellelement, insbesondere ein Rückstellfeder umfassen, das dazu ausgebildet ist, einer durch den Aktuator bewirkten Kraft entgegen zu wirken. Durch das Rückstellelement wie die Rückstellfeder kann das Versteifungselement mittels eines einfach wirkenden Aktuators bewegt werden. Die Rückstellfeder kann als Kraftspeicher für die durch den Aktuator bewirkte Kraft ausgebildet sein. Die Rückstellfeder kann auch als eigenständiges Bauteil auf das Versteifungselement wirken.
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Das Versteifungselement kann ausgebildet sein, um bei einer Bewegung zwischen der ersten Position und der zweiten Position eine sich ändernde Steifigkeit des Querträgers zu bewirken. Unter einer sich ändernden Steifigkeit kann ein Übergang von der ersten Steifigkeit zur zweiten Steifigkeit verstanden werden. Ein solcher Verlauf der Steifigkeit des Querträgers kann fließend (d. h. kontinuierlich) oder gestuft sein. Wenn das Versteifungselement einen Steifigkeitsverlauf aufweist, kann das Versteifungselement Zwischenpositionen zwischen der ersten und der zweiten Position einnehmen. Dann kann das Versteifungselement in einer solchen Zwischenposition eine Steifigkeit des Querträgers ausbilden, die zwischen der ersten und der zweiten Steifigkeit liegt. Durch einen solchen Steifigkeitsverlauf kann das Versteifungselement eine sehr fein skalierbare Steifigkeit des Querträgers einstellen, die in der jeweils betreffenden Situation benötigt wird.
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Ferner kann das Versteifungselement einen sich entlang einer Verschieberichtung ändernden Querschnitt aufweisen. Unter einem Querschnitt kann eine Schnittfläche durch das Versteifungselement senkrecht zu einer Kraftrichtung verstanden werden. Durch einen Verlauf des sich ändernden Querschnitts über zumindest einen Teil einer Länge des Versteifungselements kann das Versteifungselement in Zwischenpositionen zwischen der ersten Position und der zweiten Position dem Querträger eine bereits genannte Zwischensteifigkeit einprägen.
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Das Versteifungselement kann einen viereckigen Querschnitt aufweisen. Durch einen viereckigen Querschnitt kann das Versteifungselement besonders einfach ausgelegt und hergestellt werden. Das Versteifungselement kann auch ein Hohlprofil aufweisen um, wie beim Querträger, das Gewicht zu optimieren.
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Das Versteifungselement kann einen Doppel-T-förmigen Querschnitt aufweisen. Dabei können ein Kopfbereich und ein Fußbereich des Querschnitts quer zu einer zu erwartenden Kraftrichtung ausgerichtet werden. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass mit einem geringen Materialeinsatz eine besonders große Steifigkeit erhalten werden kann.
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Ferner kann das Versteifungselement eine Hülle und einen Kern aufweisen. Unter einer Hülle kann ein Randbereich des Versteifungselements verstanden werden. Unter einem Kern kann ein zentraler Bereich des Versteifungselements verstanden werden, der von der Hülle umgeben ist. Die Hülle und der Kern können aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Die Hülle und der Kern können auch aus unterschiedlichen Ausführungsformen des gleichen Materials bestehen. Beispielsweise kann die Hülle ein zugfestes oder steifes Material aufweisen, während der Kern ein scherfestes Material aufweisen kann. Zum Beispiel kann die Hülle aus Vollmaterial bestehen und der Kern kann aus geschäumtem Material bestehen. Dadurch kann eine hohe Steifigkeit bei geringem Gewicht erreicht werden. Ebenso können Leichtbaumaterialien und/oder Sandwich-Materialien verwendet werden. Das Versteifungselement kann die Hülle auf einander gegenüberliegenden Seiten aufweisen, die einer zu erwartenden Kraftrichtung zugewandt beziehungsweise abgewandt sind. An den verbindenden Seiten kann die Hülle dünn ausgeführt sein oder der Kern offenliegen. Dadurch kann weiteres Gewicht eigespart werden.
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Das Versteifungselement kann eine Anlagekante aufweisen, die dazu ausgebildet ist, Biegekräfte in das Versteifungselement einzuleiten, wobei die Anlagekante beweglich mit dem Querträger verbunden ist. Unter einer Anlagekante kann eine Schnittstelle zwischen Querträger und Versteifungselement verstanden werden, über die Kräfte und Bewegungen von dem Querträger auf das Versteifungselement übertragen werden können und umgekehrt. Die Anlagekante kann sich über eine vollständige Länge des Versteifungselements erstrecken. Die Anlagekante kann an dem Querträger anliegen. Die Anlagekante kann Verbindungselemente aufweisen, die dazu ausgebildet sind, die Kräfte und Bewegungen in Kraftrichtung zwischen dem Querträger und dem Versteifungselement zu übertragen, während eine Bewegung des Versteifungselements senkrecht zur Kraftrichtung möglich ist.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild einer Darstellung eines Fahrzeugs mit einer Vorrichtung zum Verändern einer Steifigkeit eines Querträgers des Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Verändern einer Steifigkeit eines Querträgers eines Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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die 3a bis 3c Darstellungen eines Querträgers mit einer Vorrichtung zum Verändern einer Steifigkeit des Querträgers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in unterschiedlichen Zuständen;
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die 4a bis 4c Darstellungen von Versteifungselementen zur Verwendung in Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
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5 eine Darstellung eines Versteifungselements zur Verwendung einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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6 eine Darstellung eines Ausschnitts eines Querträgers mit einer Vorrichtung zum Verändern einer Steifigkeit des Querträgers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer weiteren Einbaulage.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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Eine Deformationsstruktur oder Crashbox weist eine weichere Steifigkeit auf, als ein Längsträger eines Fahrzeugs. Das führt dazu, dass im Falle eines Niedriggeschwindigkeitscrashs (z. B. bis 16 km/h) mit einem anderen Fahrzeug nur die Crashbox kollabiert und der Längsträger unbeschädigt bleibt. Das führt in diesem Fall zu relativ geringen Reparaturkosten, da von der Struktur nur die Crashbox, die an den Längsträger verschraubt ist, getauscht werden muss.
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Bei Fußgängerkollisionen trägt die Steifigkeit des Crashbox sehr wenig zum Energieabbau bei. Auch wenn die Crashbox sehr weich ausgeführt wäre, würde sie erst sehr spät in der Kollision aktiviert werden. Grund dafür ist ein Verhältnis der Massenträgheit des Frontmoduls (Querträger plus Stoßstange plus Scheinwerfer und Befestigungsteile usw. die zusammen mehr als 20 kg wiegen können) zur Masse des Fußgängers bzw. des Fußgängerbeins. Aufgrund dessen kann eine Schaumstange (ca. 10 cm dick) vor dem Querträger befestigt werden, wodurch ein langsamerer Beschleunigungsgradient am Fußgängerbein ermöglicht wird.
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Eine adaptive Crashstruktur als Crashbox oder Deformationselement zu realisieren, die die Möglichkeit hätte, sich sehr weich einzustellen, würde also im Fall eines Fußgängerunfalls wenig Vorteile bringen, da sie nicht aktiviert werden würde. Die Schaumstange (Fußgängerschaum) ist daher vorteilhaft.
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1 zeigt eine Darstellung eines Fahrzeugs 100 mit einer Vorrichtung 102 zum Verändern einer Steifigkeit eines Querträgers 104 des Fahrzeugs 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Querträger 104 ist quer zu einer Fahrzeuglängsachse 106 in einer Knautschzone des Fahrzeugs 100 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Knautschzone in einer Frontpartie des Fahrzeugs 100 angeordnet. Die Vorrichtung 102 zum Verändern der Steifigkeit weist ein Versteifungselement 108 und einen Aktuator 110 auf. Die Vorrichtung 102 ist an dem Querträger 104 befestigt. Das Versteifungselement 108 ist relativ zum Querträger 104 beweglich und ist dazu ausgebildet, in einer ersten Position dem Querträger 104 eine erste Steifigkeit einzuprägen und in einer zweiten Position dem Querträger 104 eine zweite Steifigkeit einzuprägen. Der Aktuator 110 kann beispielsweise ein Elektromotor, ein induktiver oder ein anderer elektro-mechanischer Wandler sein, der dazu ausgebildet ist, das Versteifungselement 108 zwischen der ersten Position und der zweiten Position ansprechend auf ein Bewegungssignal zu bewegen. Der Aktuator 110 ist mit einem Steuergerät 112 verbunden, das mittels Sensorsignalen aus der Knautschzone und/oder weiteren Informationen eine Schwere eines Aufpralls ermitteln kann und entsprechend der Schwere des Aufpralls das Bewegungssignal für den Aktuator 110 bereitstellt.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Verändern einer Steifigkeit eines Querträgers eines Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 200 kann in einem Fahrzeug mit einer Vorrichtung zum Verändern einer Steifigkeit eines Querträgers des Fahrzeugs (wie in 1 dargestellt) ausgeführt werden. Das Verfahren 200 umfasst einen Schritt des Ermittelns 202, einen Schritt des Bereitstellens 204 und einen Schritt des Veränderns 206. Im Schritt des Ermittelns 202 werden Informationen über ein Geschehen in einem Umfeld des Fahrzeugs gesammelt. Beispielsweise können Objekte im Umfeld erfasst und klassifiziert werden. Insbesondere kann eine Energiemenge ermittelt werden, die ein Objekt freisetzen würde, wenn das Objekt auf die Knautschzone des Fahrzeugs auftreffen würde Dadurch kann bereits vor dem Aufprall ein Bewegungssignal für den Aktuator ermittelt werden. Im Schritt des Bereitstellens 204 wird das Bewegungssignal an die Vorrichtung bereitgestellt. Das Bewegungssignal repräsentiert eine Einstellung der Steifigkeit des Querträgers. Im Schritt des Veränderns 206 wird die Steifigkeit des Querträgers vom Aktuator ansprechend auf das Bewegungssignal verändert. Dazu wird eine Position des Versteifungselements relativ zum Querträger verändert. Je nach Position stützt das Versteifungselement den Querträger mit einer veränderlichen Steifigkeit ab, d. h. je nach eingestellter Position weist der Querträger eine unterschiedliche Steifigkeit auf.
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Die 3a, 3b und 3c zeigen Darstellungen eines adaptiven Querträgers 104 mit einer Vorrichtung zum Anpassen oder Verändern einer Steifigkeit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Querträger 104 ist entsprechend einer Frontpartie eines Fahrzeugs gebogen und symmetrisch quer zu einer Fahrzeuglängsachse 106 des Fahrzeugs angeordnet. Rechts und links der Fahrzeuglängsachse 106 ist der Querträger 104 mit je einem Längsträger 300 verbunden. Zwischen den Längsträgern 300 und dem Querträger 104 sind Deformationselemente oder Crashboxen 302 angeordnet. Zwischen je einer der Crashboxen 302 und je einem der Längsträger 300 ist eine Prallplatte des Längsträgers 304 mit einer Prallplatte der Crashbox verbunden bzw. verschraubt. In dem Querträger 104 sind ein Versteifungselement 108 und eine Feder 306 angeordnet. Das Versteifungselement 108 weist eine keilförmige Form auf und ist mit einer Anlagekante an einer Rückwand des Querträgers 104 angeordnet.
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3a zeigt den adaptiven Querträger 104 in einer steifen Einstellung. Das Versteifungselement 108 ist mittig im Querträger 108 angeordnet und versteift den Querträger.
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3b zeigt den adaptiven Querträger 104 in einer weichen Einstellung. Das Versteifungselement 108 ist außermittig angeordnet und trägt nicht zu einer Gesamtsteifigkeit des Querträgers 104 bei. Der Aktuator übt die Kraft Fakt auf das Versteifungselement 108 aus und drückt das Versteifungselement 108 gegen die Feder 306, die dadurch komprimiert wird.
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3c zeigt den Querträger 104 nach einer Kollision oder einem Aufprall mit geringer Aufprallenergie, beispielsweise einem Fußgängerunfall. Der Querträger 104 ist verformt. Das Versteifungselement 108 ist in der außermittigen Stellung aus 3b geklemmt. Die Crashboxen 302 sind nur leicht verformt, da die Aufprallenergie nicht ausgereicht hat, die Crashboxen 302 vollständig zu komprimieren.
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Die Biegefestigkeit des Querträgers 104 hat einen großen Einfluss auf das Crashgeschehen, und zwar für den Insassen und auch für den Unfallgegner. Die Biegesteifigkeit des hier dargestellten Querträgers 104 kann herabgesetzt werden, um bei einem Aufprall mit einem Fußgänger diesen besser zu schützen, oder kann erhöht werden, um bei anderen schweren Kollisionen die Insassen des Fahrzeugs besser zu schützen. Mittels des Aktuators 110 wird ein Versteifungselement 108 innerhalb des Querträgers 104 verschoben, um die Biegesteifigkeit des Querträgers 104 zu beeinflussen.
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Konstruktiv bedingt wird bei einer Kollision mit einem pfahlartigen Gegenstand die Mitte des Querträgers 104 am meisten deformiert, solange der Gegenstand zwischen den Längsträgern 300 einschlägt. Ein Längsträger hat meistens einen vier- oder rechteckigen Querschnitt. Teilweise ist eine der vier Seiten offen, ein U-Profil. Ersichtlich wird in 3a, dass wenn das Versteifungselement 108 in diesem Querträgerhohlraum platziert ist, die Biegesteifigkeit erhöht wird.
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Ersichtlich wird, wie das Versteifungselement 108 die Biegesteifigkeit beeinflusst. In 3b wurde die Biegesteifigkeit herabgesetzt. Das Versteifungselement 108 ist verschoben und hat nur wenig zur Gesamtsteifigkeit beigetragen.
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Der Querträger 104 kann mittig zwischen den Längsträgern 300, auf der Seite des Motorraums konstruktiv geschwächt werden, beispielsweise durch eine Kerbe. Diese Kerbe würde eine gezielte Biegedeformation des Querträgers 104 einleiten. Eine Einstellung des Versteifungselements 108 auf „weich”, also wie in 3b gezeigt, würde bewirken, dass der Querträger 104 „weich” eingestellt ist, was für den Fußgängerschutz sehr vorteilhaft ist. Eine Einstellung des Versteifungselements 108 auf „hart” (also wie in 3a gezeigt) stellt die Biegesteifigkeit des Querträgers hoch ein, was für den Pfahlanprall vorteilhaft wäre. Die Wirkung der Kerbe (d. h. der Steifigkeitsverlust durch die Kerbwirkung) ist bei dieser Einstellung vernachlässigbar. Demnach ist auch jede beliebige Position zwischen den beiden eben erwähnten „Extremen” möglich, darunter auch eine Einstellung des Versteifungselements, die genau der Biegesteifigkeit eines Querträgers ohne die hier vorgestellte Vorrichtung entspricht. Es ist eine Frage der Auslegung und vor allem eine Strategie des Fahrzeugherstellers, wie stark die untere und obere Grenze der Biegesteifigkeit gewählt wird und welche die „Default”-Einstellung ist.
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Für die Betätigung des Versteifungselements 108 können verschiedene Aktuatorkonzepte verwendet werden: Wirbelstromaktuator, Piezoaktuator, Hubmagnet, elektromechanische Aktuatoren, hydraulische und pneumatische Aktuatoren, Formgedächtnisaktuatoren usw. Für die Sensorik ist eine vorausschauende oder Umfeld-Sensorik (Radar, Lidar, Video, C2X usw.) vorteilhaft, allerdings kann eine Crashsensorik (Druck- oder Beschleunigungssensoren) oder andere Sensortypen wie Piezosensor, optischer Sensor, Temperatursensor usw. verwendet werden. Eine Kombination von mehreren Sensoren für eine Plausibilisierung kann ebenso angewandt werden.
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Von der Grundidee her ist ein steifer Querträger 104 für das Crashgeschehen vorteilhaft, es sei denn es handelt sich um eine Kollision mit einem Fußgänger. Bei schweren Crashs bei denen die Crashboxen 304 und die Längsträger 300 nicht direkt durch den Aufprall aktiviert werden, ist der Nutzen eines sehr steifen Querträgers 104 am höchsten. Beim Front-Pfahlanprall kann die Intrusion mittig zwischen beiden Längsträgern 300 erfolgen. Der Querträger 104 wird sehr schnell durchgebogen und nimmt dadurch nur bedingt Crashenergie auf, kann allerdings wenig an die Längsträger 300 und Crashboxen 304 weiterleiten. Ein steiferer Querträger 104 würde einen Teil der Crashenergie auf die Längsträger 300 und Crashboxen 304 übertragen, was dazu führen würde, dass die Motorverblockung und die Intrusion in die Fahrgastzelle weniger schlimm ausfallen würden. Bei Offsetcrashs wird einer der Längsträger 300 sehr viel und der andere 300 sehr wenig belastet. In diesem Fall würde ein sehr steifer Querträger 104 etwas mehr Crashkraft auf die weniger belastete Struktur einleiten und dafür weniger in der stark belasteten Struktur, was ein besseres Gleichgewicht darstellt und ebenso schonender für den Insassen ist.
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Da zum Einen die Crashbewertung bei Fußgängerkollisionen immer mehr an Bedeutung gewinnt (bei Crashtests z. B. Euro-NCAP) und zum Anderen der Gewichtsaspekt ebenfalls immer mehr in den Vordergrund tritt, wird bei einem Querträger ohne Verstellmöglichkeit die Steifigkeit als Kompromiss ausgelegt.
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Die 4a, 4b und 4c zeigen drei verschiedene Ausführungsformen eines Versteifungselements 108.
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4a zeigt ein Versteifungselement
108 in Quaderform. Das Versteifungselement
108 weist eine Länge l, eine Breite b und eine Höhe h auf. Deshalb kann mittels der Formel (1)
eine Durchbiegung bei einer gegebenen Kraft errechnet werden. Dabei bezeichnet s die Durchbiegung des Querträgers, F bezeichnet die Crashkraft, E bezeichnet das Elastizitätsmodul und J bezeichnet das Flächenträgheitsmoment. Das Flächenträgheitsmoment J kann mittels der Formel (2)
ermittelt werden. Aus der ersten Formel (1) ist ersichtlich, dass die Durchbiegung des Querträgers unter anderem mit den Materialeigenschaften (E) und dem Flächenträgheitsmoment (J) zusammenhängt. Je größer diese sind, desto steifer ist das Versteifungselement
108 und somit auch der Querträger. Die zweite Formel (2) zeigt, dass die Geometrie des Versteifungselements eine wesentliche Rolle spielt. Um für Wert des Flächenträgheitsmoments J einen möglichst hohen Wert zu bekommen ohne ein zu schweres Bauteil herstellen zu müssen, ist es vorteilhaft, dass die x-Richtung des Fahrzeuges bzw. Fahrtrichtung dem Term „b” in der zweiten Formel (2) entspricht.
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4b zeigt ein Versteifungselement 108 mit einem Verlauf der Biegesteifigkeit über eine Länge des Versteifungselements 108. Dabei weist ein erstes Ende eine große Breite „A” in x-Richtung auf, während ein gegenüberliegendes zweites Ende eine kleine Breite „a” aufweist. Da die Breite b mit der dritten Potenz in das Flächenträgheitsmoment J eingeht, weist das Versteifungselement 108 über die Länge ein veränderliches Flächenträgheitsmoment J auf.
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Die x-Richtung ist die Fahrtrichtung. „A” ist die Breite des Versteifungselements auf der einen Seite, „a” auf der anderen Seite. A ist größer als a. Die Position des Versteifungselements an der Sollknickstelle im Längsträger beeinflusst den Term „b”. Dies beeinflusst das Flächenträgheitsmoment und somit auch die Biegesteifigkeit des Versteifungselements 108 und auch die des Querträgers.
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4c zeigt ein Versteifungselement 108 in einer gewichtsreduzierten Ausführung. Da Anteile eines Querschnitts mit großem Abstand von einer neutralen Biegelinie überproportional in das Flächenträgheitsmoment eingehen, ist nahe der neutralen Biegelinie Material entfernt worden. Das führt zu einem Doppel-T-Träger-Profil oder einer Doppel-T-Form. Wie in 4b gezeigt, sind die Breiten „A” und „a” in x-Richtung unterschiedlich.
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5 zeigt ein Versteifungselement zur Verwendung in einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Um das Gewicht zu optimieren, ist es möglich z. B. einen Kern 500 des Versteifungselements aus einem Aluminiumschaum oder sonstige Leichtbaumaterialen zu gestalten, die zum Einen sehr leicht sind und zum Anderen eine hohe Biegesteifigkeit aufweisen. Der Kern 500 kann von einem Rahmen 502 umgeben sein. Dadurch kann das Versteifungselement besonders leicht und Steif ausgeführt werden.
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6 zeigt eine Darstellung eines Querträgers 104, in dem ein Versteifungselement 108 und eine Feder 306 angeordnet sind. Im Unterschied zu den 3a, 3b und 3c ist das Versteifungselement 108 mit der Anlagekante an einer Vorderwand des Querträgers 104 angeordnet. Es ist eine steife Einstellung des Querträgers 104 abgebildet, das Versteifungselement 108 ist mittig im Querträger 104 angeordnet. Das Versteifungselement 108 kann wie in 3a, mit der größten Fläche in Richtung Motorraum eingebaut werden. Es kann aber auch wie in 6 eingebaut werden, mit der größten Fläche in Fahrtrichtung.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
ermittelt werden. Aus der ersten Formel (1) ist ersichtlich, dass die Durchbiegung des Querträgers unter anderem mit den Materialeigenschaften (E) und dem Flächenträgheitsmoment (J) zusammenhängt. Je größer diese sind, desto steifer ist das Versteifungselement