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Die Erfindung betrifft eine Stoßfängeranordnung für ein Kraftfahrzeug entsprechend der Merkmale des Oberbegriffes des Anspruchs 1.
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Bekannt sind zum Beispiel Stoßfängeranordnungen, welche mittels zweier Deformationselemente einen in Fahrzeugquerrichtung ausgerichteten Querträger mit der Fahrzeugkarosse verbinden. Diese Deformationselemente dienen dazu, bei einem Fahrzeugaufprall auf ein Hindernis mit geringer Geschwindigkeit von weniger oder gleich 16 Kilometer pro Stunde, zu deformieren und dabei Aufprallenergie zu vernichten, ohne dass weitere im Lastpfad nachfolgende Bauteile, insbesondere die Längsträger der Fahrzeugkarosse, beschädigt werden. Somit muss nach einem derartigen Aufprall lediglich das Deformationselement ausgetauscht werden.
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Bei Unfällen mit höherer Geschwindigkeit hingegen wirkt das Deformationselement zusammen zumindest mit dem Querträger und den Längsträgern als Deformationszone, wodurch der Hauptteil der Aufprallenergie vernichtet wird, ohne dass die Insassen in der Sicherheitszone übermäßig belastet oder gefährdet werden.
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Eine Stoßfängeranordnung wird in der
WO 2011 030 281 A1 beschrieben, welches ein Deformationselement umfasst, das aus zwei Schalen aus Metallblech gebildet wird, die jeweils im Querschnitt hutförmig konfiguriert und unter Ausbildung eines Hohlraums an den Enden miteinander gefügt sind. Dabei weisen im Querschnitt die zwei gefügten Enden als Fügeflansche nach außen vom Hohlraum weg und vergrößern den benötigten Bauraum für das Deformationselement bedingt durch die Hutprofilform der Schalen.
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Weiterhin kennt der Fachmann die gattungsbildende
US 7 896 411 B2 , die ein Deformationselement offenbart, das aus zwei Schalen aus Metallblech gebildet wird, die jeweils im Querschnitt hutförmig konfiguriert und unter Ausbildung eines Hohlraums an den Enden miteinander gefügt sind. Das Deformationselement ist im Querschnitt vierzehneckig konfiguriert, wobei wenigstens zwei gegenüberliegende Wandabschnitte im Querschnitt jeweils nach innen in den Hohlraum weisende Wandabschnitte aufweisen.
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Ähnliche Deformationselemente sind auch der
DE 10 2012 205 963 A1 ,
JP 2011 179 579 A und
EP 0 856 681 A1 entnehmbar, wobei dies entweder als Profilbauteil oder als Blechbauteil ausgebildet sind.
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Nachteilig bei diesen bekannten Lösungen ist, dass diese Deformationselemente kein optimales Faltverhalten aufzeigen und trotz mindestens zehneckigem Wandquerschnitt ein relativ hohes Gewicht aufweisen.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stoßfängeranordnung für ein Kraftfahrzeug dahingehend zu verbessern, dass es bei unverändert gutem Deformationsverhalten bei einem Frontalaufprall auf ein Hindernis ein geringeres Gewicht aufweist und gleichzeitig die Anbindbarkeit des Deformationselements sowohl am Längsträger der Fahrzeugkarosse als auch am Querträger gewährleistet ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen.
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Es wird eine Stoßfängeranordnung für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, welche in Fahrzeugquerrichtung verlaufend einen Querträger sowie zwei an der Fahrzeugkarosse festlegbare Deformationselemente umfasst, wobei der Querträger über die Deformationselemente mit der Fahrzeugkarosse verbindbar ist, und wobei die Deformationselemente aus wenigstens einer Schale aus Metallblech gebildet sind, welche einen Hohlraum einschließt. Die Deformationselemente sind im Querschnitt wenigstens zehneckig konfiguriert, wobei wenigstens zwei gegenüberliegende Wandabschnitte im Querschnitt jeweils eine zahnartige Gestaltung mit nach innen in den Hohlraum weisender Ecke aufweisen.
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Durch diese Querschnittgestaltung, insbesondere durch die Unterteilung in mehrere kleine Wandflächen, ergibt sich eine überaus hohe Beulfestigkeit bei gleichzeitig positivem Faltverhalten bei einem Frontalaufprall. Gekennzeichnet ist die Stoßfängeranordnung dadurch, dass das Deformationselement aus zwei Schalen gebildet wird, welche sich bereichsweise mit ihren freien Enden überlappen und im Bereich der Überlappung gefügt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Deformationselement eine in Fahrzeug-(X)-Richtung kontinuierlich kleiner werdende Querschnittsfläche aufweist, wobei das Verhältnis der Querschnittsfläche zwischen zum Fahrzeug weisenden Ende und vom Fahrzeug weg weisenden Ende zwischen 1,05:1 und 2,2:1 beträgt.
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In vorteilhafter Weiterführung der Erfindung besitzt das Deformationselement zusätzlich an den zwei gegenüberliegenden Wandabschnitten jeweils zwei nach außen weisende Ecken, derart, dass sich ein zahnartiger Querschnittverlauf in diesen Wandabschnitten ergibt. Damit ist es möglich, ein hinsichtlich der Außenabmessungen des Deformationselements kompaktes Design einzuhalten, wobei der Wandabschnitt im Querschnitt in oben erwähnte kleine Flächen eingeteilt wird, welche gegenüber einem größeren geraden Wandabschnitt eine höhere Beulfestigkeit besitzen.
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Vorteil der zahnartigen Ausgestaltung des Wandabschnittes ist durch die wesentlich engeren Radien im Vergleich zu einer wellenartigen Gestaltung, dass die Festigkeit in dieser Zone deutlich größer ist als in den umliegenden Zonen des Wandabschnitts, hervorgerufen durch Kaltverfestigung im Herstellungsprozess.
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Im Rahmen der Erfindung ist unter Ecke beziehungsweise eckig eine nicht ebene Gestaltung eines Wandabschnittes im Querschnitt des Deformationselementes zu verstehen, nämlich eine zahnartige Gestaltung.
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Die im Querschnitt des Deformationselements ausgebildeten Ecken weisen wie schon erwähnt eine höhere Festigkeit auf als das Metallblech im Ausgangszustand vor der Umformung der wenigstens einen Schale zum erfindungsgemäßen Deformationselement. Dies ergibt sich insbesondere durch eine Kaltumformung des Blechmaterials durch Biegen, Ziehen, Strecken oder einer Kombination mechanischer Umformverfahren, wobei die so genannte Kaltverfestigung durch innere Reibungseffekte im Blechmaterial insbesondere bei Stahl auftritt.
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Bevorzugt sind dabei Stahlgüten zu verwenden, die ein hohes Kaltverfestigungsvermögen besitzen, beispielsweise ein Dualphasenstahl oder ein TRIP-Stahl, insbesondere mit folgender Legierungszusammensetzung ausgedrückt in Gewichtsprozent:
| Aluminium (Al) | max. 0,10 |
| Mangan (Mn) | max. 1,60 |
| Silizium (Si) | max. 0,90 |
| Chrom (Cr) + Molybdän (Mo) | max. 1,00 |
| Phosphor(P) | max. 0,07 |
| Bor (B) | max. 0,007 |
| Schwefel (S) | max. 0,015 |
| Niob (Nb) + Titan (Ti) | max. 0,18 |
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Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
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Erfindungsgemäß ist das Deformationselement aus zwei Schalen gebildet, welche sich bereichsweise mit ihren freien Enden überlappen und im Bereich der Überlappungen gefügt sind, insbesondere verschweißt. Dadurch entsteht ein Hohlprofil, was in seiner Längserstreckung, welche im Wesentlichen parallel der Fahrzeug-X-Richtung verläuft, Schweißnähte aufweist, die insbesondere als Steppnaht oder aber als durchgehende Naht ausgebildet sind. In der Wärmeeinflusszone der Schweißnaht kann sich zudem eine Aufhärtung des Blechmaterials bei der Verwendung von härtbarem Stahl ergeben, was ebenfalls zu einer lokal gesteigerten Festigkeit in Fahrzeug-X-Richtung führt. Im Falle der Verwendung von Leichtmetallblechen hingegen bietet sich ein Rührreibschweißen als effiziente stoffschlüssige Fügetechnik an.
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Erfindungsgemäß weist das Deformationselement eine in Fahrzeug-X-Richtung kontinuierlich kleiner werdende Querschnittsfläche auf, wobei das Verhältnis der Querschnittsfläche zwischen dem zum Fahrzeug weisenden Ende und dem vom Fahrzeug weg weisenden Ende des Deformationselementes zwischen 1,05:1 und 2,2:1, insbesondere 1,4:1 beträgt. Damit ist es möglich, einen besonders homogenen Energieabsorptionsverlauf über den Deformationsweg bei guter Faltenbildung zu erzeugen, und gleichzeitig die Anbindbarkeit des Deformationselements sowohl am in der Regel im Querschnitt größeren Längsträger der Fahrzeugkarosse als auch am relativ dazu kleineren Querträger zu gewährleisten.
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Weiterhin bevorzugt ist das Deformationselement in seinem Querschnitt symmetrisch zur Fahrzeug-XZ-Ebene ausgebildet, wobei das Verhältnis zwischen niedrigster lichter Höhe und größter lichter Höhe zwischen 1 zu 1,2 und 1 zu 2 beträgt. Das heißt mit anderen Worten, dass die nach innen weisenden Ecken auf der Oberseite und auf der Unterseite übereinander lotrecht positioniert sind, wobei die niedrigste lichte Höhe ebenso im Lot der Ecken verläuft, während die größte lichte Höhe im Querschnitt entsprechend davon beabstandet im Lot zweier nach außen weisender Ecken besteht. Natürlich ist es auch möglich, mehrere nach innen gerichtete Ecken vorzusehen, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise ist es möglich, an einer Oberschale und an einer Unterschale, welche übereinander positioniert und abgesehen von einer Überlappungszone symmetrisch zur Fahrzeug-XZ-Ebene ausgerichtet sind, genau zwei nach innen weisende Ecken vorzusehen, zwischen denen sich eine erste nach außen weisende Ecke befindet. Zwei weitere nach außen weisende Ecken schließen sich an die beiden äußeren nach innen gerichteten Ecken an, wobei jeweils die außen und die innen liegenden Ecken bevorzugt in einer Ebene angeordnet sind. Selbstverständlich stellen die im Querschnitt nach außen oder innen gerichteten Ecken in Längserstreckung des Deformationselements dessen Längskanten dar.
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Genauso ist es natürlich möglich, dass die Ausrichtung der Wandabschnitte sich ändern kann. Anstelle von Ober- und Unterschale können auch rechte und linke Schalen aus Blechmaterial Verwendung finden.
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In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Stoßfängeranordnung weist das Deformationselement im Querschnitt nach innen weisende Ecken an vier Wandabschnitten auf. Dabei sind die vier Wandabschnitte im Wesentlichen in Richtung der positiven und negativen Fahrzeug-Y-Querachse sowie in Richtung der positiven und negativen Fahrzeug-Z-Hochachse ausgerichtet. Es ergeben sich dadurch verschiedene Querschnittsgestaltungsmöglichkeiten, welche anhand von Figuren später noch weiter beschrieben werden.
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Des weiterhin bevorzugt weist das erfindungsgemäße Deformationselement im Querschnitt an jeder Ecke einen Radius auf, der wenigstens dem 1,5-fachen der Wandstärke des Metallblechs entspricht, maximal aber 15 mm beträgt. Diese sind durch übliche Fertigungsverfahren im Kaltformprozess erreichbar und erlauben zudem die oben beschriebenen inneren Reibungsprozesse zur lokalen Erhöhung der Festigkeit in den Bereich der Ecken bzw. der Längskanten.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterführung der Erfindung weist das Deformationselement in seinem vom Fahrzeug weg weisenden Ende eine Deformationsstartzone auf, wobei die Deformationsstartzone eine kraftspitzenmindernde Wirkung bei einem Fahrzeugaufprall entfaltet. Damit werden Lastspitzen reduziert, welche zu Beginn eines Frontalaufpralls bei einem Fahrzeugunfall üblicherweise auftreten, und damit Folgeschäden wie Risse am Deformationselement selbst oder an benachbarten Bauteilen nahezu ausschließen. Die Deformationsstartzone befindet sich bevorzugt am vom Fahrzeug weg weisenden Ende des Deformationselements, insbesondere in einem Abstand von weniger als 30mm zum Ende des Deformationselements und/oder unmittelbar neben einem Anbindungsbereich zum Querträger der Stoßfängeranordnung.
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Die Deformationsstartzone ist besonders bevorzugt als Prägung ausgebildet, insbesondere als umfangseitig umlaufende Verprägung. Die Prägung dient der Initialdeformation. Diese Gestaltung erlaubt eine symmetrische Faltenbildung und verhindert zugleich ein Einfallen des Profilquerschnitts bei einer radial angreifenden Belastungskomponente. Die Deformationsstartzone kann abhängig von der Anbindung und Geometrie des Querträgers umlaufend am Deformationselement vorgesehen werden, und auch einen verschieden großen Abstand zum Ende des Deformationselements aufweisen.
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Weiterhin bevorzugt besteht die Deformationsstartzone des Deformationselements aus mehreren einzelnen Prägungen, welche umfangseitig umlaufend am Deformationselement angeordnet sind und durch die Ecken des Deformationselements getrennt sind. Das erlaubt eine besonders einfache Herstellung der Verprägung bereits im Blechmaterial im flachen Ausgangszustand vor der Umformung und bewirkt keinen negativen Einfluss auf das Umformverhalten in der Herstellung.
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Abhängig von der Geometrie und Anbindung des Querträgers am Deformationselement kann es vorteilhaft sein, die Prägungen in verschiedenen Wandabschnitten des Deformationselementes vorzusehen, die einen unterschiedlichen Abstand zu dessen vom Fahrzeug weg weisenden Ende besitzen.
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In besonders vorteilhafter Weiterführung der Erfindung besitzt die erfindungsgemäße Stoßfängeranordnung in den Deformationszonen Prägungen im Querschnitt des Deformationselements, wobei jeweils benachbarte Prägungen im Wechsel nach innen und nach außen weisen. Unter Innen und Außen ist dabei im Rahmen der Erfindung die Richtung zu verstehen, welche die Prägung, die anschaulich als grabenförmig zu bezeichnen ist, an ihrem tiefsten Punkt zeigt. Eine nach innen weisende Prägung hat also ihren tiefsten Punkt in Richtung des Hohlraums des Deformationselements hinein.
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Dabei besitzt wenigstens eine der Prägungen eine Tiefe, welche dem 1,1 bis 3-fachen der Wandstärke des Deformationselements entspricht.
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Hinsichtlich des für das Deformationselement eingesetzte Blechmaterials haben sich metallische Werkstoff bewährt, welche eine Zugfestigkeit von mehr als 250 MPa und weniger als 900 MPa, bevorzugt von mehr als 350 und weniger als 700 MPa aufweisen. Bevorzugt seien Aluminiumlegierungen der 5000er oder 7000er Gruppe nach DIN EN 753-3 oder Stahllegierungen, beispielsweise ZSD 450, Dogal 500, CP 800 oder DP 600, genannt.
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Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen anhand der Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Dabei zeigen:
- 1 erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Deformationselementes;
- 2 zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Deformationselementes;
- 3 zeigt perspektivisch eine erfindungsgemäße Stoßfängeranordnung;
- 4a bis 4f zeigt verschiedene Querschnittsgeometrien des erfindungsgemäßen Deformationselements
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Eine erste besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Deformationselements 1 ist in 1 perspektivisch dargestellt.
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Zwei aus Metallblech bestehende Schalen 2, 3 sind überlappend auf der Oberseite 4 und der Unterseite 5 des Deformationselementes 1 verbunden und miteinander gefügt.
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Jede Schale 2, 3 weist im Querschnitt zwei gerade Wandabschnitte 6 auf, die einen Teil der Oberseite 4 und die Unterseite 5 des Deformationselements 1 ausbilden, während ein zwischen den geraden Wandabschnitten 6 befindlicher Wandabschnitt 7 zahnartig ausgebildet ist, so dass im Querschnitt eine Ecke nach innen in den durch die Schalen 2, 3 gebildeten Hohlraum I weist, während zwei angrenzende Ecken 9 nach außen weisen.
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Im durch die Schalen 2, 3 gebildeten Hohlraum I stellt sich eine kleinste lichte Breite B1 und eine größte lichte Breite B2 ein, die sich im Querschnitt jeweils zwischen den nach innen bzw. entsprechend nach außen weisenden Ecken 9 befindet. Zu erkennen ist weiterhin ein leicht konischer Verlauf des Deformationselements 1, wobei die Querschnittsfläche von seinem vom Fahrzeug weg weisendem Ende 10 in Richtung Fahrzeug 11 kontinuierlich größer wird. Das bedeutet, dass auch die größten und kleinsten lichten Innenmaße selbst nur auf eine bestimmte Querschnittsfläche bezogen konstant sind, relativ gesehen jedoch ein konstantes Verhältnis über die Längserstreckung (Fahrzeug-X-Richtung) des Deformationselements aufweisen.
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Die nach innen weisenden Ecken 7 weisen jeweils einen Radius R1 auf, der etwa 2 mm beträgt.
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Der Winkel Alpha (a) zwischen den geraden Wandabschnitten 6 und den jeweils zahnartigen Wandabschnitten 8 beträgt in dieser Ausführungsform mehr als 90°, insbesondere 120°.
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Die zahnartigen Wandabschnitte 7 weisen im Querschnitt jeweils fünf Ecken auf, die in Längserstreckung des Deformationselements 1 dessen Längskanten 12 darstellen.
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Weiterhin ist am vom Fahrzeug weg weisenden Ende 10 eine Deformationsstartzone 13 ausgebildet in Form von mehreren Prägungen 14, welche im Querschnitt durch die Ecken voneinander getrennt werden. Die Prägungen 14 weisen dabei abwechselnd in Richtung Hohlraum I nach innen und vom Hohlraum I weg nach außen.
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Eine weitere Ausführungsform des Deformationselements 1 ist in 2 gezeigt und unterscheidet sich nur darin vom Deformationselement der 1, dass die Prägungen 14 der Deformationsstartzone 13 am vorderen Ende 10 des Deformationselementes in verschiedenen Wandabschnitten 7, einen unterschiedlichen Abstand A7, A8 aufweisen. So kann ein Abstand A7 von 13 mm und ein Abstand A8 von 34 mm vorteilhaft sein.
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Die Wandstärke D des Deformationselements liegt außerhalb der Überlappungen 15 zwischen 0,8 und 5 mm, bevorzugt zwischen 1,0 und 2,0 mm, am bevorzugsten zwischen 1,1 und 1,5 mm.
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3 zeigt perspektivisch eine erfindungsgemäße Stoßfängeranordnung 16 mit einem Querträger 17, welcher sich in Fahrzeugquerrichtung (Y) über die Breite des Fahrzeugs erstreckt und mit zwei Deformationselementen 1 an die Flanschplatten 18 der nicht dargestellten Fahrzeuglängsträger koppelbar ist. Der Querträger selbst ist im Querschnitt hutförmig und nach vorn in Fahrzeug-(X)-Richtung offen ausgebildet und mit den Deformationselementen 1 stoffschlüssig an seiner Rückseite verbunden. In Koppelbereich K sind Deformationselement 1 und Querträger 17 verbunden, wobei in dieser Ausführungsform die Oberseite 4 und die Unterseite 5 den Querträger 17 teilweise umgreifen und somit ein partieller Formschluss in Fahrzeughochachse (Z) besteht.
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Die 4a bis 4f schließlich stellen stark vereinfacht verschiedene Querschnittsgeometrien für ein erfindungsgemäßes Deformationselement 1 dar. Allen Ausführungsformen gemein ist die Ausführung in Schalenbauweise aus Metallblech, wobei sich bis auf 5b zwei Schalen 2, 3 auf zwei gegenüberliegenden Seiten überlappen und einen Hohlraum I einschließen. In 5b hingegen besteht das Deformationselement 1 aus nur einer Schale 2, die entsprechend komplexer umgeformt wurde.
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In 4a bis 4c weisen jeweils zwei zahnartige Wandabschnitte 7 mit einer nach innen weisenden Ecke 8 und davon benachbarten Ecke 9 desselben Wandabschnittes nach außen. Auf der Oberseite 4 und der Unterseite 5 dieser Deformationselemente 1 befinden sich gerade Wandabschnitte 6, wobei dort die Überlappungen 15 der Schalen 2, 3 angeordnet sind. Die Schenkel S der nach innen weisenden Ecken 8 schließen einen Winkel α1 von ca. 120 Grad ein, wobei sich dabei in Simulationen ein Radius R1 von 6 mm als besonders vorteilhaft erwiesen hat. Der Radius R2 der nach außen weisenden Ecken 9 der zahnartigen Wandabschnitte 7 liegt zweckmäßigerweise im Bereich zwischen 6 mm.
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Im Gegensatz zu erstgenannten Deformationselementen 1 weisen in 4d jeweils zwei Ecken 8 eines zahnartigen Wandabschnittes 7 nach Innen, wobei sich aufgrund des engen Winkels α2 ein besonders großer Radius R3 zwischen dem die Oberseite 4 und die Unterseite 5 ausbildenden geraden Wandabschnitt 6 und dem zahnartigen Wandabschnitt 7 ergibt.
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Die Ausführungsformen der Deformationselemente 1 in 4e besitzt im Querschnitt 12 Ecken, wobei hier genau wie in 4f auch auf der Oberseite 4 und der Unterseite 5 zahnartige Wandabschnitte 7 vorgesehen sind, welche sich ebenso bereichsweise überlappen und dort nicht dargestellt gefügt, insbesondere verschweißt sind.
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Beiden gemein sind zudem die vier im Querschnitt nach innen weisenden Ecken 8, durch die wiederum eine überragende Beulfestigkeit erzielbar ist.
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Zwischen den jeweils gegenüberliegenden nach innen weisenden Ecken weist das Deformationselement im 4e im Querschnitt die niedrigste Lichte Höhe H2 auf, zwischen den nach außen weisenden Ecken entsprechend die größte lichte Höhe H1.
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Das Besondere an der Ausführungsform von 4e ist die Abwesenheit eines geraden Wandabschnitts. An jedem zahnartigen Wandabschnitt 7 schließt sich folglich ein weiterer an, wobei das Deformationselement 1 im Querschnitt ähnlich einem Schmetterling mit zwei ausgebreiteten und mittig gespaltenen Flügeln anschaulich zu beschreiben ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Deformationselement
- 2
- Schale
- 3
- Schale
- 4
- Oberseite
- 5
- Unterseite
- 6
- Gerader Wandabschnitt
- 7
- Zahnartiger Wandabschnitt
- 8
- Ecke nach innen weisend
- 9
- Ecke nach außen weisend
- 10
- Vom Fahrzeug weg weisendes Ende von 1
- 11
- Zum Fahrzeug weisendes Ende von 1
- 12
- Längskante
- 13
- Deformationsstarkzone
- 14
- Prägung
- 15
- Überlappung
- 16
- Stoßfängeranordung
- 17
- Querträger
- 18
- Längsträger
- A
- Abstand
- B
- Lichte Breite
- H
- Lichte Höhe
- D
- Wandstärke
- K
- Koppelbereich von 17
- I
- Hohlraum
- R1... R3
- Radius
- S
- Schenkel
- T
- Tiefe
- X, Y, Z
- Fahrzeugrichtung
- α
- Winkel
