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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Crashbox und eine Kraftfahrzeug-Rahmenstruktur, in der eine solche Crashbox verwendet ist.
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Aus
DE 10 2007 015 865 A1 ist eine Crashbox bekannt, die im Wesentlichen in Gestalt eines Vierkantrohres ausgebildet ist. Die Crashbox ist in Längsrichtung gegliedert in einen Verankerungsabschnitt, der in einen Längsträger der Fahrzeugkarosserie eingeschoben und daran befestigt ist, und einen stauchbaren Abschnitt, der sich zwischen einem vorderen Ende des Längsträgers und einem Stoßfänger erstreckt. Der stauchbare Abschnitt hat einen etwas größeren Querschnitt als der Verankerungsabschnitt und ist mit diesem über eine Stufe verbunden, die sich quer vor einer Vorderkante des Längsträgers erstreckt.
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Bei einem Zusammenstoß soll die Crashbox den Längsträger vor Beschädigung schützen, indem sie an dessen Stelle kollabiert und die Energie des Zusammenstoßes aufzehrt. Beim Kollabieren werden Wandbereiche der Crashbox in Fahrzeugquerrichtung zu verschiedenen Seiten hin ausgelenkt. Zwar ist, bedingt durch die Massenträgheit, die Deformationsneigung der Crashbox an ihrem dem Stoßfänger zugewandten Ende stärker als am in den Längsträger eingreifenden Ende, und es ist auch möglich, durch den Aufbau der Crashbox die Deformationsneigung am stoßfängerseitigen Ende noch zu fördern, doch ist bei heftigen Zusammenstößen letztlich nicht zu vermeiden, dass die Crashbox auf ihrer gesamten Länge kollabiert und folglich auch an der Grenze zum Verankerungsabschnitt erhebliche Auslenkungen in seitlicher Richtung auftreten. Wenn diese Verformungen sich auf den Längsträger übertragen, ist eine Reparatur durch Austausch der Crashbox nicht mehr möglich. Um die Verformung des Längsträgers wieder zu beseitigen, ist, sofern dies überhaupt möglich ist, ein hoher Aufwand erforderlich.
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Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Crashbox bzw. eine Rahmenstruktur eines Kraftfahrzeugs zu schaffen, bei der die Crashbox wirksamer als bisher eine Verformung eines Längsträgers bei einem Zusammenstoß verhüten kann.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einer Crashbox zum Verbinden eines Stoßfängerträgers und eines Längsträgers in einer Rahmenstruktur eines Kraftfahrzeugs, die als Hohlkörper mit einem in einer Längsrichtung stauchbaren Abschnitt und einem in der Längsrichtung an den stauchbaren Abschnitt anschließenden Verankerungsabschnitt ausgebildet ist, wobei der stauchbare Abschnitt wenigstens in einem Grenzbereich zum Verankerungsabschnitt in einer zu der Längsrichtung orthogonalen Querrichtung eine größere Abmessung aufweist als der Verankerungsabschnitt, der Grenzbereich mit dem Verankerungsabschnitt über eine ins Innere der Crashbox vorspringende Einbuchtung verbunden ist. Wenn bei einem Zusammenstoß der stauchbare Abschnitt auf seiner gesamten Länge gestaucht wird und dabei auch im Grenzbereich in der Querrichtung ausgelenkt wird, kann dadurch, dass die Einbuchtung gestreckt wird, eine Verformung des Verankerungsabschnitts, die den Längsträger in Mitleidenschaft ziehen könnte, vermieden werden.
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Der stauchbare Abschnitt weist vorzugsweise in der Längsrichtung gewellte Wände auf. Die Wellenform der Wände gibt vor, welche Wandbereiche bei einer Stauchung nach innen und welche nach außen ausgelenkt werden, und sorgt so für ein reproduzierbares Stauchverhalten.
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Die Wandstärken von Längsträger und Crashbox können beide im Bereich von 1,5–2,0 mm betragen. Dass sich die Crashbox bei einem Zusammenstoß bereitwilliger verformt als der Längsträger kann einerseits sichergestellt werden, indem für die Crashbox ein duktileres Stahlblech verwendet wird als für den Längsträger. Andererseits trägt auch eine nicht geradlinige Form der Wände im stauchbaren Abschnitt der Crashbox zu deren Verformbarkeit bei.
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Die Tiefe der Einbuchtung sollte, um wirksam zu sein, größer sein als die Wandstärke der Crashbox und/oder des Längsträgers; vorzugweise beträgt sie ein Mehrfaches dieser Wandstärke.
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Der Krümmungsradius der Einbuchtung ist vorzugsweise enger als derjenige der gewellten Wände in einem vom Verankerungsabschnitt abgewandten Bereich des stauchbaren Abschnitts. Zwar fördert eine solche starke Krümmung ein frühes Nachgeben der Einbuchtung unter der Belastung eines Zusammenstoßes, doch bewirkt diese Belastung zunächst nur, dass ein Wandabschnitt des Grenzbereichs sich an einer Vorderkante des Längsträgers abstützt, ohne dass dabei verformende Querkräfte in nennenswerter Stärke auf den Längsträger einwirken.
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Auf Seiten des stauchbaren Abschnitts kann sich an die Einbuchtung eine Ausbuchtung anschließen, die über eine gedachte Linie, die sich in Verlängerung einer Wand des Verankerungsabschnitts in den stauchbaren Abschnitt hinein erstreckt, in der Querrichtung hinausragt. Indem die Ausbuchtung wie die Einbuchtung bei einer starken Stauchung der Crashbox gestreckt wird, vergrößert sie das Ausmaß, in dem ein Wandabschnitt des stauchbaren Abschnitts seitwärts ausgelenkt werden kann, ohne dass dabei der Verankerungsabschnitt mitgezogen wird und dabei den Längsträger verformt.
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Der Überstand der Ausbuchtung über die Linie sollte größer sein als die Wandstärke der Crashbox und vorzugweise ein Mehrfaches der Wandstärke betragen 1
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- Auch hier: Zahlenangabe möglich?
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Damit ein Wandabschnitt der Crashbox, der sich zwischen einem Scheitelpunkt der Einbuchtung und einem Scheitelpunkt der Ausbuchtung erstreckt, bei einer Kollision zuverlässig flach auf die Vorderkante des Längsträgers auflegt, sollte dieser Wandabschnitt im intakten Zustand wenigstens lokal einen Winkel von wenigstens 30° zur Längsrichtung aufspannen.
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Die Crashbox kann auf einfache Weise aus zwei Profilen zusammengefügt sein, die entlang von in der Längsrichtung verlaufenden Nähten miteinander verbunden, insbesondere verschweißt sind.
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Gegenstand der Erfindung ist auch eine Rahmenstruktur eines Kraftfahrzeugs mit einer Crashbox wie oben beschrieben und einem Längsträger, in den der Verankerungsabschnitt der Crashbox eingeschoben ist. Der Längsträger kann an einem dem stauchbaren Abschnitt zugewandten Ende einen Flansch tragen, einerseits um die Druckbelastung durch die Crashbox bei einem Zusammenstoß großflächig aufzufangen, andererseits, weil der Flansch auch eine Versteifung des Endes des Längsträgers bewirkt und die Gefahr, dass Wandbereiche des Längsträgers durch den Kollaps der Crashbox seitwärts ausgelenkt werden, noch weiter verringert.
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Der Flansch ist vorzugsweise von einer Wand des Längsträgers nach außen abgewinkelt, so dass der in den Längsträger eingeschobene Verankerungsabschnitt an der Wand des Längsträgers innen großflächig anliegen kann.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Aus dieser Beschreibung und den Figuren gehen auch Merkmale der Ausführungsbeispiele hervor, die nicht in den Ansprüchen erwähnt sind. Solche Merkmale können auch in anderen als den hier spezifisch offenbarten Kombinationen auftreten. Die Tatsache, dass mehrere solche Merkmale in einem gleichen Satz oder in einer anderen Art von Textzusammenhang miteinander erwähnt sind, rechtfertigt daher nicht den Schluss, dass sie nur in der spezifisch offenbarten Kombination auftreten können; stattdessen ist grundsätzlich davon auszugehen, dass von mehreren solchen Merkmalen auch einzelne weggelassen oder abgewandelt werden können, sofern dies die Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht in Frage stellt. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Rahmenstruktur;
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2 eine Crashbox der Rahmenstruktur in intaktem Zustand;
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3 die Crashbox in einem leicht verformten Zustand; und
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4 die Crashbox in stark verformtem Zustand.
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1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht von außen einen Stoßfänger 1 eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Personenkraftwagens, mit zwei an seiner Rückseite befestigten Crashboxen 2 sowie einen Teil eines Längsträgers 3, der vorgesehen ist, um daran die linke der beiden Crashboxen 2 zu montieren. Der Längsträger 3 erstreckt sich über einen Großteil der Länge der Karosserie des Kraftfahrzeugs und reicht insbesondere nach vorn über eine Vorderachse, nach hinten über eine Hinterachse des Kraftfahrzeugs hinaus. Ein zweiter Längsträger, an dem die rechte Crashbox 2 befestigt wird, ist spiegelbildlich zum Längsträger 3 ausgebildet und in der Figur nicht dargestellt.
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Der Stoßfänger 1 ist hier ein einfaches einwandiges Stahlprofil von im Wesentlichen C-förmigem Querschnitt mit einer durch zwei sich in Fahrzeugquerrichtung zwischen den Crashboxen 2 eingeprägten Sicken 5 versteiften Frontplatte 4 und vom oberen und unteren Rand der Frontplatte 4 aus zum Fahrzeuginneren hin horizontal abgewinkelten Flanken 6.
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Die Crashboxen 2 sind am Stoßfänger 1 befestigt, hier indem sie von der Fahrzeuginnenseite her in den von der Frontplatte 4 und den Flanken 6 begrenzten Hohlraum an der Rückseite des Stoßfängers 1 eingreifen und dort verschweißt sind.
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Die Crashboxen 2 umfassen jeweils zwei hier im Wesentlichen rinnenförmige Elemente 7, die wie der Stoßfänger 1 aus Stahlblech geformt sind und eine im Wesentlichen vertikale Seitenwand 8 und von deren oberen und unteren Rand aus im Wesentlichen horizontal abgewinkelte Flanken 9 umfassen. Ihre Wandstärke beträgt hier zwischen 1,5 und 2,0 mm.
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Die Flanken 9 der zwei rinnenförmigen Elemente 7 jeder Crashbox 2 sind an ihren einander zugewandten Rändern nach oben bzw. unten abgewinkelt, um einander berührende und entlang einer Schweißnaht aneinander befestigte Flansche 12 zu bilden. Die sich an Ober- und Unterseite der Crashboxen 2 erstreckenden Flansche 12 sind jeweils mehrfach durch Kerben 13 unterteilt, um ein Einknicken und Ausweichen in vertikaler Richtung zu erleichtern, wenn die Crashbox 2 bei einem Zusammenstoß gestaucht wird.
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Die Crashboxen 2 sind in Fahrzeuglängsrichtung gegliedert in einen stauchbaren Abschnitt 10, in dem die Seitenwand 8 wellenförmig verläuft, und einen Verankerungsabschnitt 11, in dem sie in Fahrzeuglängsrichtung geradlinig verläuft. Der Verankerungsabschnitt 11 ist vorgesehen, um in eine stirnseitige Öffnung des zugeordneten Längsträgers 3 eingeschoben und verschraubt zu werden. Die Querschnittsabmessungen des Verankerungsabschnitts 11 sind um 1–2 mm kleiner als die der stirnseitigen Öffnung, um sicherzustellen, dass der Verankerungsabschnitt ohne zu verkanten eingeschoben werden kann.
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Die Flansche 12 erstrecken sich nur über den stauchbaren Abschnitt 10. In Höhe des Verankerungsabschnitts 11 sind die Elemente 7 nicht miteinander verbunden. Ein sich hier jeweils in Verlängerung der Flansche 12 zwischen den Elementen 7 erstreckender Spalt 14 erleichtert ein Auseinanderspreizen der Seitenwände 8 im Verankerungsabschnitt 11, wenn diese nach dem Einschieben in den Längsträger 3 an dessen Seitenwänden 15 verschraubt werden.
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Der Längsträger 3 ist hier ähnlich der Crashbox 2 aus zwei Profilen 16, 17 von hutförmigem Querschnitt gebildet, die zusammen die stirnseitige Öffnung des Längsträgers 3 begrenzen und von denen jedes eine der Seitenwände 15 bildet und die aneinander entlang von sich über die gesamte Länge der Profile 16, 17 erstreckenden Flanschen 18 verschweißt sind. Die Profile 16, 17 können dieselbe Wandstärke wie die Elemente 7 aufweisen, allerdings bestehen sie aus einem Stahl von höherer Festigkeit bzw. geringerer Duktilität als die Elemente 7.
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In der Darstellung der 1 sind die Seitenwände 15 der Profile 16, 17 an einem Ende des Längsträgers 3 durch Flansche 19 versteift. Die Flansche 19 sind hier einteilig mit den Profilen 16, 17 ausgebildet und durch Umformen erhalten. Anstelle der zwei sich gegenüberliegenden Flansche 19 kann auch ein einziger, sich rings um die stirnseitige Öffnung des Längsträgers 3 erstreckender Flansch vorgesehen sein; ein solcher Flansch kann insbesondere durch Schweißen an den Längsträger 3 angefügt sein.
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2 zeigt die im Längsträger 3 montierte Crashbox 2 in einem Längsschnitt im intakten Zustand. Der Verankerungsabschnitt 11 ist in den Längsträger 3 eingeschoben, und die Seitenwände 8 der zwei rinnenförmigen Elemente 7 sind im Verankerungsabschnitt 11 durch Schrauben 20 auseinandergespreizt und fest gegen die Seitenwände 15 des Längsträgers 3 angedrückt gehalten.
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In 2 ist deutlicher als in 1 die Struktur eines an den Verankerungsabschnitt 11 anschließenden Grenzbereichs 21 des stauchbaren Abschnitts 10 zu erkennen. Während die Seitenwände 8 sich im Verankerungsabschnitt 11 geradlinig erstrecken und flächig an den Seitenwänden 15 des Längsträgers anliegen, schließt im Grenzbereich 21 zunächst eine ins Innere der Crashbox 2 hinein vorspringende Einbuchtung 22 an. Die Tiefe der Einbuchtung 22 – gemessen in Fahrzeugquerrichtung zwischen einer Linie 24, die die Ebene, in der sich die Seitenwände 8, 15 gegenseitig berühren, in den stauchbaren Abschnitt 10 hinein verlängert, und einem Scheitelpunkt 27 am Boden der Einbuchtung 22 – beträgt hier wenigstens 2,5 mm, vorzugsweise wenigstens das Doppelte der Wandstärke. An die Einbuchtung 22 schließt eine Ausbuchtung 23 an, die über eine die Kontaktfläche der Seitenwände 8, 15 in den stauchbaren Abschnitt 10 hinein verlängernde Linie 24 in etwa genauso weit in Fahrzeugquerrichtung nach außen hinausreicht, wie die Einbuchtung 22 über diese Linie 24 hinaus ins Innere der Crashbox 2 eingreift, so dass der Abstand D zwischen den Scheiteln 28 der Ausbuchtungen 23 beider Seitenwände 8 deutlich größer ist als der Abstand d zwischen den Linien 24.
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Ein Wandabschnitt 25, der jeweils die Scheitel von Einbuchtung 22 und Ausbuchtung 23 miteinander verbindet, kreuzt die Linie 24 unter einem Winkel α von wenigstens 30°, hier ca. 80°. An dem sich zum Stoßfänger hin anschließenden Hauptteil des stauchbaren Abschnitts sind in der Seitenwand 8 mehrere Wellen 26 geformt, deren Amplitude mit zunehmender Entfernung vom Längsträger 3 anwächst. Der Krümmungsradius der Wellen 26 ist erheblich größer als der von Ein- und Ausbuchtung 22, 23, und der Winkel β zwischen der Linie 24 und einer Tangente zur Seitenwand 8 ist selbst an der steilsten Stelle der Wellen 26 deutlich kleiner als der Winkel α.
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Die horizontalen Flanken 9 der Elemente 7 können sich geradlinig über den stauchbaren Abschnitt 10 und den Verankerungsabschnitt 11 der Crashbox hinweg erstrecken. Bevorzugt ist allerdings, dass Ein- und Ausbuchtungen, in 2 angedeutet durch sich zwischen den Scheiteln 27 bzw. 28 erstreckende Linien 29, 30, auch über die horizontalen Flanken 9 verlaufen. Dabei kann die Linie 29 zwischen den Scheiteln 27 der Einbuchtungen 22 wiederum eine Einbuchtung sein, und die Linie 30 zwischen den Scheiteln 28 eine Ausbuchtung, oder umgekehrt.
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3 zeigt die Crashbox 3 bei einsetzender Verformung während eines Unfalls. Der große Winkel α zwischen der Wirkrichtung der stauchenden Kraft und dem Wandabschnitt 25 führt dazu, dass die Crashbox 2 zunächst im Grenzbereich 21 nachgibt. Ein- und Ausbuchtung 22, 23 werden flachgedrückt, wobei sich an den Scheiteln 27, 28 scharfe Knicke bilden, und der Wandbereich 25 kommt an den Flanschen 19 zur Anlage. Dadurch ist ein großflächiger Kontakt zwischen der Crashbox 2 und der Vorderkante des Längsträgers 3 gebildet, der zusammen mit den Flanschen 19 die Steifigkeit des Grenzbereichs 21 gegen in Fahrzeugsquerrichtung wirkende Kräfte erhöht und so die Gefahr einer Querverbiegung von Teilen des Längsträgers 3 verringert. Die Flansche 19 sind orthogonal zur Fahrzeuglängsrichtung orientiert, so dass der bei einem Zusammenstoß auf sie in Fahrzeuglängsrichtung einwirkende Druck der Crashbox 2 keine seitwärts gerichteten Kräfte im Längsträger 3 erzeugt.
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Eine weitergehende Stauchung, bei der Teile der Seitenwand 8 in Fahrzeugquerrichtung ins Innere der Crashbox 2 und nach außen ausgelenkt werden, setzt zunächst am zum Stoßfänger 1 benachbarten Ende der Crashbox 2 ein, wie in 3 gezeigt, und breitet sich von dort entlang des stauchbaren Abschnitts 10 in Richtung des Längsträgers 3 aus.
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4 zeigt die Crashbox in einem stark gestauchten Zustand. Die Seitenwände 8 des stauchbaren Abschnitts 10 sind ziehharmonikaartig zusammengefaltet. Die starken seitlichen Auslenkungen, die dabei an Teilen der Seitenwand 8 aufgetreten sind, haben dazu geführt, dass der in 3 zunächst Z-förmig zusammengefaltete Grenzbereich 21 stellenweise wieder – nach außen oder ins Innere der Crashbox 2 hinein – geradegezogen ist. Die Möglichkeit des Grenzbereichs 21, sich bei einer solchen Belastung in Fahrzeugquerrichtung zu strecken, schützt wiederum die Seitenwand 15 des Längsträgers 3 vor Querverformung und hilft so, aufwendige Reparaturmaßnahmen am Längsträger 3 zu vermeiden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stoßfänger
- 2
- Crashbox
- 3
- Längsträger
- 4
- Frontplatte
- 5
- Sicke
- 6
- Flanke
- 7
- rinnenförmiges Element
- 8
- Seitenwand
- 9
- Flanke
- 10
- stauchbarer Abschnitt
- 11
- Verankerungsabschnitt
- 12
- Flansch
- 13
- Kerbe
- 14
- Spalt
- 15
- Seitenwand
- 16
- Profil
- 17
- Profil
- 18
- Flansch
- 19
- Flansch
- 20
- Schraube
- 21
- Grenzbereich
- 22
- Einbuchtung
- 23
- Ausbuchtung
- 24
- Linie
- 25
- Wandbereich
- 26
- Welle
- 27
- Scheitel
- 28
- Scheitel
- 29
- Linie
- 30
- Linie
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007015865 A1 [0002]
