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Die Erfindung betrifft eine Längsträgeranordnung für eine Fahrzeugkarosserie mit wenigstens zwei parallel verlaufenden Längsträgern, welche an eine Fahrgastzelle der Fahrzeugkarosserie angebunden sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Vorderwagen- und/oder Hinterwagenstruktur einer Fahrzeugkarosserie mit einer erfindungsgemäßen Längsträgeranordnung.
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In der Regel weisen Fahrzeugkarosserien in deren Vorderwagen in Längsrichtung verlaufende Längsträger auf, die Längsträgerabschnitte mit unterschiedlichen Verformungswiderständen aufweisen. Solche Längsträgerstrukturen erfüllen zum einen Tragfunktionen und zum anderen auch Sicherheitsfunktionen, indem im Falle eines Frontalaufpralls Crashenergie abgebaut und absorbiert werden soll und infolgedessen die Fahrgastzelle nahezu unverformt bleibt. Eine solche Längsträgerstruktur ist bspw. aus der
EP 0 602 331 A1 bekannt, bei welcher ein Längsträger in einen energieverzehrenden ersten Trägerabschnitt und einen leicht deformierbaren, der Fahrgastzelle zugewandten zweiten Trägerabschnitt unterteilt ist, wodurch im Kollisionsfall die Fahrgastzelle nur wenig verformt werden soll.
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Eine gattungsbildende Längsträgeranordnung ist aus der
DE 10 2010 018 691 A1 bekannt, die im Vorderwagen eines Fahrzeugs jeweils beidseitig angeordnet ist und jeweils Längsträgerstrukturabschnitte mit unterschiedlichen Verformungswiderständen verfügt. Diese Längsstrukturabschnitte sollen derart ausgebildet sein, dass im Crashfall während eines Zurücklegens eines Ansprechweges eines dem Fahrzeuginsassen zugeordneten Rückhaltesystems innerhalb einer „Gurtlose” das Fahrzeug zunächst derart stark verzögert wird, dass eine schnelle Ankopplung des Fahrzeuginsassen an das Rückhaltesystems bewirkt und anschließend das Kraftniveau eines der Längsträgerstrukturabschnitte auf einen bestimmten geringeren Wert abgesenkt wird, so dass das Fahrzeug bis zum Stillstand geringer verzögert wird und dadurch der Fahrzeuginsasse eine geringere Belastung durch das Rückhaltesystem erfährt. Während des Crashvorganges erfährt das Fahrzeug eine degressive Verzögerung.
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Diese aus der
DE 10 2010 018 691 A1 bekannte Längsträgeranordnung besteht aus zwei parallel geschalteten, jeweils einen Lastpfad ausbildende Längsträgerstrukturabschnitten, die in Kombination ein Kraftniveau aufweisen, welches die beschriebene frühzeitige Ankopplung des Fahrzeuginsassen an das Rückhaltesystem bewirkt. Einer der beiden Lastpfade ist durch Versagen oder selbsttätiges Lösen oder mittels eines pyrotechnischen Elementes oder eines Aktors unterstütztes Lösen des betreffenden Längsträgerstrukturabschnittes von der vorderen Längsträgerstruktur des Vorderwagens unterbrechbar, wodurch das Kraftniveau dieses Längsträgerabschnittes definiert absenkt werden kann. Ferner wird vorgeschlagen, dass derjenige Längsträgerstrukturabschnitt, welcher durch Versagen oder selbsttätiges Lösen oder mittels eines pyrotechnischen Elementes oder mittels eines Aktors unterstütztes Lösen von der vorderen Längsträgerstruktur des Vorderwagens absenkbar bzw. der betreffende Lastpfad unterbrechbar ist, ein höheres Kraftniveau als der andere Längsträgerstrukturabschnitt aufweist.
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Nachteilig an diesem Stand der Technik gemäß der
DE 10 2010 018 691 A1 ist die geringe Anwendungsbreite einer solchen Längsträgeranordnung.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Längsträgeranordnung der eingangs genannten Art zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Längsträgeranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Eine solche Längsträgeranordnung für eine Fahrzeugkarosserie mit wenigstens zwei parallel verlaufenden Längsträgern, welche an eine Fahrgastzelle der Fahrzeugkarosserie angebunden sind, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass
- – ein erster Längsträger in dessen Längsrichtung mit mindestens einem ersten plastisch verformbaren Deformationsabschnitt und einem über ein Zwischenelement mit demselben verbundenen zweiten, an die Fahrgastzelle angebundenen Deformationsabschnitt ausgebildet ist, wobei der zweite Deformationsabschnitt bei Überschreiten einer bestimmten Triggerkraft durch eine Deformationskraft auf ein Deformationskraftniveau mit einem gegenüber der Triggerkraft kleinen Wert abfällt und der erste Deformationsabschnitt mit einem Deformationskraftniveau ausgebildet ist, welches kleiner als die Triggerkraft ist und
- – ein zweiter Längsträger plastisch verformbar und einstückig parallel zum ersten Längsträger verlaufend ausgebildet ist.
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Mit dieser erfindungsgemäßen Längsträgeranordnung wird in Summe durch die beiden Längsträger ein degressives Deformationsverhalten erzielt, bei dem zunächst mit dem Deformieren des ersten Deformationsabschnittes des ersten Längsträgers zusammen mit dem zweiten Längsträger ein hohes Kraftniveau sich einstellt, d. h. ein hohes Maß an Crashenergie abgebaut wird, während anschießend, wenn also die Crashfront das Zwischenelement erreicht und dabei der Wert der Triggerkraft durch die von einem Aufprall erzeugte Deformationskraft erreicht wird, das Verhalten des zweiten Deformationsabschnittes des ersten Längsträgers von einem stabilen und steifen Zustand in ein labiles und weiches Verhalten umgeschaltet wird, so dass sich in Summe mit dem zweiten Längsträger ein niedrigeres Deformationskraftniveau einstellt.
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Das Zwischenelement des ersten Längsträgers wirkt bei einem solchen Crashvorgang wie ein „Schalter”, da nach der Deformation des ersten Deformationsabschnittes eine weitere Deformation zunächst von dem Zwischenelement geblockt wird und dadurch die Deformationskraft ansteigt und erst durch deren Überschreiten der Triggerkraft ein Versagen, vorzugsweise ein abruptes Versagen d. h. ein Abfallen des Verformungswiderstandes des zweiten Deformationsabschnittes bewirkt wird, so dass im weiteren Deformationsverlauf das Deformationskraftniveau gegenüber der Triggerkraft nur noch einen kleinen Wert, vorzugsweise im Wesentlichen einen Wert Null aufweist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Zwischenelement mit einer höheren Steifigkeit als der erste und zweite Deformationsabschnitt des ersten Längsträgers ausgebildet. Damit wird die sogenannte „Schalterfunktion” weiter verbessert, so dass eine scharfe Trennung der jeweiligen Deformationsvorgänge am ersten und zweiten Deformationsabschnitt erreicht wird. Vorzugsweise ist das Zwischenelement als Gussknoten ausgebildet und weist daher die erforderliche Steifigkeit auf.
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Desweiteren sind bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sowohl der erste als auch der zweite Deformationsabschnitt des ersten Längsträgers als Hohlprofil ausgebildet. Damit kann sowohl über die Gestaltung des Querschnittes als auch der Wahl der Wandstärke und der Geometrie in Längsrichtung des ersten Längsträgers die gewünschten Deformationskraftniveaus eingestellt werden.
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Die Deformationskraftniveaus lassen sich auch über die Wahl der Materialen beeinflussen. So ist vorzugsweise der erste Deformationsabschnitt des ersten Längsträgers aus Leichtmetall, vorzugsweise aus Aluminium hergestellt, wodurch ein plastisches Verformungsverhalten des ersten Deformationsabschnittes erreicht wird.
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Ferner kann für diesen ersten Deformationsabschnitt auch faserverstärktes Kunststoffmaterial verwendet werden.
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Solche faserverstärkte Werkstoffe (FKV) zeichnen sich dadurch aus, dass mit deren Hilfe die Bauteileigenschaften nicht nur über die Geometrie sondern zusätzlich durch den inneren Lagenaufbau in weiten Grenzen eingestellt werden können. So lässt sich ein Deformationsabschnitt des ersten Längsträgers zum einen so gestalten, dass dieser unter einer Druckbeanspruchung energetisch stabil und effizient durch sogenanntes axiales Crushing zerstört wird oder zum anderen, dass ein solcher Deformationsabschnitt unter einer Druckbelastung bei Erreichen einer kritischen Kraft, die Triggerkraft genannt wird, energetisch ineffizient spröde versagt bzw. kollabiert und infolge dessen einen Deformationswiderstand gegen Null aufweist.
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Bei der Verwendung von faserverstärktem Werkstoff für den ersten Deformationsabschnitt des ersten Längsträgers erfolgt die Herstellung derart, dass der erste Deformationsabschnitt das erste beschriebene Verhalten aufweist, also unter einer Druckbeanspruchung in Längsrichtung des ersten Trägers dieser erste Deformationsabschnitt energetisch stabil und effizient durch axiales Crushing zerstört wird, und sich ein Deformationskraftniveau kleiner als die Triggerkraft ausbildet, um gezielt Energie abzubauen.
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Bei einer weiterbildungsgemäßen Herstellung des zweiten Deformationsabschnitt des ersten Längsträgers aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial, vorzugsweise aus einem kohlenfaserverstärkten oder glasfaserverstärkten Kunststoff (CFK, GFK), wird dagegen das zweitgenannte Verhalten des faserverstärkten Werkstoffes realisiert, so dass unter einer Druckbelastung bei Erreichen der kritischen Kraft, die Triggerkraft genannt wird, energetisch ineffizient spröde versagt bzw. kollabiert und infolge dessen einen Deformationswiderstand gegen Null aufweist.
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Alternativ ist es auch möglich, dass gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung der zweite Deformationsabschnitt des ersten Längsträgers aus Stahlblech mit wenigstens einer Sollbruchstelle, die vorzugsweise als Sicke ausgebildet ist, hergestellt ist. Über die Geometrie und Anzahl der Sicken kann das Deformationskraftniveau des zweiten Deformationsabschnittes eingestellt werden.
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Die erfindungsgemäße Längsträgeranordnung kann mit Vorteil für eine Vorderwagen- und/oder Hinterwagenstruktur einer Fahrzeugkarosserie eingesetzt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Längsträgeranordnung gemäß der Erfindung in einer Seitenansicht,
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2 eine schematische Darstellung eines erstes Längsträgers der Längsträgeranordnung nach 1 in einer ersten Ausführungsform,
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3 schematische Darstellungen eines ersten Längsträgers der Längsträgeranordnung nach 1 in einer zweiten Ausführungsform in einem nicht deformierten und einem deformierten Zustand, und
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4 Weg-Kraft-Diagramme des Verlaufs des Deformationskraftniveaus einer erfindungsgemäßen Längsträgeranordnung sowie des zugehörigen ersten und zweiten Längsträgers.
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1 zeigt in stark schematisierter Darstellung eine Längsträgeranordnung 1 zum Aufbau einer Vorderwagenstruktur einer Fahrzeugkarosserie 10. Diese Längsträgeranordnung 1 ist mit einem Ende an einer Stirnwand 12 einer Fahrgastzelle 11 der Fahrzeugkarosserie 10 angebunden und endet am gegenüberliegenden Ende beispielsweise mit einer Prallplatte 5.
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Diese erfindungsgemäße Längsträgeranordnung 1 umfasst zwei parallel verlaufende Längsträger, nämlich einen ersten Längsträger 2 sowie einen zweiten Längsträger 3, die beispielsweise an deren freien Enden durch die Prallplatte 5 verbunden sind. Eine solche Anordnung aus zwei Längsträgern 2 und 3 ist auf gegenüberliegenden Seiten der Vorderwagenstruktur der Fahrzeugkarosserie 10 angeordnet. Hierbei bilden die beiden ersten Längsträger 2 eine untere Ebene und die beiden zweiten Längsträger 3 eine obere Ebene.
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Der erste Längsträger 2 ist mehrteilig aufgebaut und umfasst in Bezug auf die Längsrichtung der Fahrzeugkarosserie einen vorderen ersten Deformationsabschnitt 2a, der in Richtung der Stirnwand 12 über ein Zwischenelement 2c mit einem zweiten Deformationsabschnitt 2b verbunden ist, wobei diese Deformationsabschnitte 2a und 2b sowie das Zwischenelement 2c unterschiedliche Verformungswiderstände aufweisen. Der zweite Längsträger 3 ist dagegen einteilig aufgebaut und plastisch verformbar.
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Im Folgenden wird anhand der Weg-Kraft-Diagramme gemäß den 4 ein Deformationsvorgang der Längsträgeranordnung 1 nach 1 beschrieben, der bei einem Frontalaufprall abläuft.
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Der Verformungswiderstand des ersten Deformationsabschnittes 2a ist geringer als derjenige des zweiten Deformationsabschnittes 2b und des Zwischenelementes 2c, so das zunächst auf einem hohen Deformationskraftniveau eine Deformation des ersten Deformationsabschnittes 2a erfolgt, bis die Deformationsfront nach einem Deformationsweg s1 das Zwischenelement 2c erreicht, welches aufgrund seiner höheren Steifigkeit bzw. höheren Verformungswiderstandes die Crashfront blockt und dadurch die Deformationskraft F ansteigt und dabei den Wert einer Triggerkraft erreicht bzw. übersteigt, wodurch bewirkt wird, dass der zweite Deformationsabschnitt 2b des ersten Längsträgers 2 im Wesentlichen seine Tragfähigkeit verliert, also auf ein Deformationskraftniveau abfällt, dessen Wert im wesentlichen Null, zumindest aber wesentlich kleiner als der Wert der Triggerkraft ist, wie dies 4a zeigt. Hiernach endet der Deformationsvorgang auf diesem niedrigen Deformationskraftniveau nach einem Deformationsweg s2. Dieser zweite Deformationsabschnittes 2b des ersten Längsträgers 2 ist also derart ausgebildet, dass dieser, solange die Deformationskraft F noch unter dem Wert der Triggerkraft bleibt, eine ausreichende Tragfähigkeit aufweist und erst nach dem Erreichen des Wertes der Triggerkraft dieser zweite Deformationsabschnittes 2b seine Tragfähigkeit verliert, also ein weiches Deformationsverhalten zeigt. Bei diesem Vorgang wirkt das Zwischenelement 2c in der Art eines „Schalters”, wonach das Verhalten des zweiten Deformationsabschnittes 2b von einem steifen Verhalten, also von einer hohen Tragfähigkeit auf ein labiles bzw. instabiles Verhalten mit niedrigem Deformationskraftniveau umgeschaltet wird.
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Gemäß dem Diagramm nach 4a weist dieser erste Längsträger 2 in Summe ein degressives Deformationsverhalten auf.
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Der zweite Längsträger 3 der Längsträgeranordnung 1 weist entsprechend des Diagrammes nach 4b ein übliches progressives Deformationsverhalten auf.
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Da die beiden Längsträger 2 und 3 zur Bildung der Längsträgeranordnung 1 parallel geschaltet sind, ergibt sich in Summe ein degressives Deformationsverhalten der Längsträgeranordnung 1, welches in dem Diagramm gemäß 4c dargestellt ist. Hiernach beginnt der Deformationsvorganges auf einem hohen Deformationskraftniveau welcher mit Erreichen des Deformationsweges s1, welcher dem Deformationsweg s1 nach 4a entspricht, auf einen niedrigeren Wert abfällt und bis zum Ende s2 des Deformationsweges auf diesem niedrigen Niveau verbleibt.
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Die 2 und 3 stellen konkrete Ausführungsformen des ersten Längsträgers 2 dar, wobei in diesen 2 und 3 auf die Darstellung des zweiten Längsträgers 3 verzichtet wird.
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Der erste Längsträger 2 gemäß 2 besteht aus einem ersten Deformationsabschnitt 2a, welcher als Hohlprofil aus Aluminium gefertigt und mit einem als Gussteil, beispielsweise aus Aluminiumdruckguss hergestellten Zwischenelement 2c verbunden ist. Dieses Gussteil 2c kann gleichzeitig zum Anbinden eines Hilfsrahmens der Fahrzeugkarosserie 10 verwendet werden. Auch der zweite Deformationsabschnitt 2b ist als Hohlprofil ausgebildet und aus einem faserverstärkten Kunststoff, beispielsweise CFK oder GFK hergestellt und ist einenends mit dem Zwischenelement 2c und andernends mit der Stirnwand 12 verbunden. Ferner ist in Richtung der Stirnwand 12 dieser zweite Deformationsabschnitt 2b konisch verbreiternd ausgebildet.
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Die Einstellung des Deformationswiderstandes dieser beiden Deformationsabschnitte 2a und 2b zur Erzielung des oben erläuterten Deformationsverhaltens des ersten Längsträgers 2 erfolgt durch eine entsprechende Wahl der Geometrie, des Querschnittes der verwendeten Hohlprofile sowie der Materialstärken. Die Crasheigenschaften des zweiten Deformationsabschnittes 2b werden auch von der verwendeten Faser und des Lagenaufbaus beeinflusst und weist die Eigenschaft auf, unter einer Druckbelastung bei Erreichen der Triggerkraft energetisch ineffizient spröde zu versagen bzw. zu kollabieren und infolge dessen auf einen Deformationswiderstand von annähernd Null abzufallen, wie dies in 4a dargestellt ist.
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Für diesen ersten Längsträger 2 gemäß 2 kann für den ersten Deformationsabschnitt 2a ebenso ein faserverstärkter Kunststoff verwendet werden, wenn der Aufbau und die Herstellung derart erfolgt, dass unter einer Druckbeanspruchung in Längsrichtung des ersten Trägers dieser erste Deformationsabschnitt 2a energetisch stabil und effizient durch axiales Crushing zerstört wird, und sich ein Deformationskraftniveau kleiner als die Triggerkraft ausbildet, um gezielt Energie abzubauen.
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Der erste Längsträger 2 gemäß 3a weist einen entsprechend dem ersten Längsträger 2 nach 2 aufgebauten ersten Deformationsabschnitt 2a auf, der über ein Zwischenelement 2c, welches ebenso als Gussteil, beispielsweise aus Aluminiumdruckguss hergestellt ist, mit einem aus Stahlblech hergestellten, hohlprofilartigen zweiten Deformationsabschnitt 2b verbunden ist, welcher seinerseits wiederum an einer Stirnwand 12 einer Fahrgastzelle 10 angebunden ist. Dieser zweite Deformationsabschnitt 2b weist zwei als Sicken 4 ausgebildete Sollbruchstellen auf, die während eines Deformationsvorganges zu einem Ausknicken und damit zu einem Versagen dieses zweiten Deformationsabschnittes 2b führen.
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Das Ergebnis eines solchen Deformationsvorganges zeigt 3b, wenn eine Deformationskraft F in Längsrichtung auf den ersten Längsträger 2 einwirkt. In diesem Zustand hat sich der erste Deformationsabschnitt 2a durch Beulen- und Faltenbildung deformiert, während der zweite Deformationsabschnitt durch Ausknicken im Bereich der beiden Sicken 4 versagt hat.
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Auch bei diesem ersten Längsträger gemäß 3a wird durch entsprechende Wahl der Querschnitte der hohlprofilartigen Deformationsabschnitte 2a und 2b sowie deren Geometrie und deren Wandstärken die Verformungswiderstände eingestellt.
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Der erste Längsträger 2 kann auch aus mehr als zwei Deformationsabschnitten 2a und 2b mit einer entsprechenden Anzahl von Zwischenelementen 2c aufgebaut werden, um durch entsprechende Wahl unterschiedlicher Verformungswiderstände einen gewünschten Deformationskraftverlauf der Längsträgeranordnung 1 zu erreichen.
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Bei den beiden Ausführungsbeispielen gemäß den 2 und 3 ist der zweite Deformationsabschnitt 2b derart konstruiert, dass bei Erreichen der Triggerkraft durch die Deformationskraft dessen Verformungswiderstand fast schlagartig zusammenbricht, zumindest aber sich stark reduziert. Diese passive Initiierung eines solchen Verhaltens kann auch aktiv herbeigeführt werden, indem beispielsweise das Zwischenelement 2c einen Crashsensor aufweist, der mit einer Detektion der Triggerkraft eine Zerstörung des zweiten Deformationsabschnittes oder ein Ablösen von dem Zwischenelement 2c mittels pyrotechnischen Mitteln oder mittels eines Aktors bewirkt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Längsträgeranordnung
- 2
- erster Längsträger der Längsträgeranordnung 1
- 2a
- erster Deformationsabschnitt des ersten Längsträgers 2
- 2b
- zweiter Deformationsabschnitt des ersten Längsträgers 2
- 2c
- Zwischenelement des ersten Längsträgers 2
- 3
- zweiter Längsträger der Längsträgeranordnung 1
- 4
- Sollbruchstelle, Sicke des zweiten Deformationsabschnittes 2b
- 5
- Prallplatte
- 10
- Fahrzeugkarosserie
- 11
- Fahrgastzelle
- 12
- Stirnwand der Fahrgastzelle 11
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0602331 A1 [0002]
- DE 102010018691 A1 [0003, 0004, 0005]
