DE102013100773B4

DE102013100773B4 - Structural element for axial force absorption

Info

Publication number: DE102013100773B4
Application number: DE102013100773.2A
Authority: DE
Inventors: David Pieronek; Siegfried Stammler; Thorsten Böger
Original assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Priority date: 2013-01-25
Filing date: 2013-01-25
Publication date: 2018-11-29
Anticipated expiration: 2033-01-26
Also published as: DE102013100773A1

Abstract

Strukturelement eines Fahrzeugs zur Aufnahme axialer Kräfte, welches derart ausgebildet ist, dass es bei einer Deformation unter Faltenbildung deformiert, wobei das Strukturelement zumindest bereichsweise einen Verbundwerkstoff (1') aufweist, und wobei das Strukturelement als geschlossenes Hohlprofil ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement mindestens zwei Halbschalen (6, 7, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17) aufweist, welche stoffschlüssig und/oder formschlüssig zum Hohlprofil verbunden sind, wobei der Verbundwerkstoff (1') mindestens zwei Kunststoffschichten (2, 2') und mindestens drei die beiden Kunststoffschichten abdeckende Metallschichten (3, 4, 5) aufweist.Structural element of a vehicle for absorbing axial forces, which is designed such that it deforms in a deformation with wrinkling, wherein the structural element at least partially a composite material (1 '), and wherein the structural element is formed as a closed hollow profile, characterized in that the Structural element at least two half-shells (6, 7, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17), which are cohesively and / or positively connected to the hollow profile, wherein the composite material (1 ') at least two plastic layers (2 , 2 ') and at least three metal layers (3, 4, 5) covering the two plastic layers.

Description

Die Erfindung betrifft ein Strukturelement eines Fahrzeugs zur Aufnahme axialer Kräfte, welches derart ausgebildet ist, dass es bei einer Deformation unter Faltenbildung deformiert, wobei das Strukturelement zumindest bereichsweise einen Verbundwerkstoff aufweist und wobei das Strukturelement als geschlossenes Hohlprofil ausgebildet ist, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung und vorteilhafte Verwendungen.The invention relates to a structural element of a vehicle for absorbing axial forces, which is designed such that it deforms during deformation under wrinkling, the structural element at least partially having a composite material and wherein the structural element is formed as a closed hollow profile, and a method for its production and advantageous uses.

Strukturelemente, welche zur Aufnahme axialer Kräfte ausgebildet sind und ein gezieltes Deformationsverhalten aufweisen, werden zur Energieabsorption, beispielsweise im Falle eines Unfalls, zur Absorption der Aufprallenergie verwendet, wobei über die Deformation des Strukturelements die Aufprallenergie absorbiert wird. Entsprechende Energieabsorptionselemente, welche unter Faltenbildung deformieren, sind aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus Kraftfahrzeugen bekannt, wobei irreversibel verformbare Systeme häufig als Crashboxen bezeichnet werden. Crashboxen werden in Fahrzeugen verwendet, um die Aufprallenergie im Falle eines Unfalles gezielt in Deformationsenergie umzuwandeln und andere Fahrzeugteile, beispielsweise Längsträger vor einer Deformation zu schützen. Crashboxen aus monolithischem Stahlblech haben sich aufgrund ihrer guten Energieabsorptionseigenschaften und der kostengünstigen Herstellweise durchgesetzt. Crashboxen haben zumeist die Form von geschlossenen Hohlprofilen und bestehen häufig aus Halbschalen, die aus monolithischen Stahlblechen hergestellt sind. Da große Deformationswege häufig nicht zur Verfügung stehen, aber gleichzeitig maximale Energieaufnahmevermögen gefordert werden, haben sich Blechdicken in Crashboxen durchgesetzt, welche im Bereich von 1,2 mm bis 3,0 mm liegen. Ein weiterer Gesichtspunkt stellt die Gleichmäßigkeit des Energieaufnahmevermögens in Abhängigkeit des Deformationsweges dar. Die Gleichmäßigkeit kann unter anderem von der Blechdicke abhängig sein und erfordert eine Mindestdicke, um nicht auszuknicken. Entsprechende Crashboxen respektive Strukturelemente sind daher hinsichtlich ihres Energieabsorptionsvermögens, der Gleichmäßigkeit der Deformationskraft in Bezug auf den Deformationsweg sowie bezüglich ihres Gewichts verbesserungswürdig.Structural elements which are designed to absorb axial forces and have a targeted deformation behavior are used for energy absorption, for example in the event of an accident, for absorbing the impact energy, the impact energy being absorbed via the deformation of the structural element. Corresponding energy absorption elements which deform under wrinkling are known from the prior art, for example from motor vehicles, irreversibly deformable systems often being referred to as crash boxes. Crash boxes are used in vehicles to convert the impact energy in the event of an accident deliberately into deformation energy and other vehicle parts, such as side members to protect against deformation. Crash boxes made of monolithic sheet steel have become established due to their good energy absorption properties and the cost-effective production method. Crash boxes are usually in the form of closed hollow sections and often consist of half-shells, which are made of monolithic steel sheets. Since large deformation paths are often not available, but at the same time maximum energy absorption capacity are required, sheet thicknesses have prevailed in crash boxes, which are in the range of 1.2 mm to 3.0 mm. Another aspect is the uniformity of the energy absorption capacity as a function of the deformation path. The uniformity may depend, inter alia, on the sheet thickness and requires a minimum thickness so as not to buckle. Corresponding crash boxes or structural elements are therefore in need of improvement in terms of their energy absorption capacity, the uniformity of the deformation force with respect to the deformation path and with respect to their weight.

Aus der WO 2004/098820 A1 ist ein deformierbares Strukturelement für Crashelemente für Fahrzeuge bekannt, das aus einem Verbundwerkstoff besteht, der aus mindestens zwei abdeckenden Schichten gebildet ist, zwischen denen eine Zwischenschicht mit einem Füllmaterial angeordnet ist.From the WO 2004/098820 A1 a deformable structural element for crash elements for vehicles is known, which consists of a composite material, which is formed from at least two covering layers, between which an intermediate layer is arranged with a filling material.

Die US 6,406,088 B1 betrifft ein Crashprofil für ein Fahrzeug, das zwischen den äußeren Metallschichten mehrere Schichten aus Kohlefaser und Glasfaser aufweist, wobei das Crashprofil dabei auch aus zwei Halbschalen hergestellt sein kann.The US Pat. No. 6,406,088 B1 relates to a crash profile for a vehicle having a plurality of layers of carbon fiber and glass fiber between the outer metal layers, wherein the crash profile can also be made of two half-shells.

In der Druckschrift DE 101 43 557 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturelements beschrieben, bei dem zwei Halbschalen an ihren Berührungsflächen mittels eines Schaumhalbzeugs zusammengefügt werden.In the publication DE 101 43 557 A1 a method for producing a structural element is described in which two half-shells are joined together at their contact surfaces by means of a foam semi-finished product.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 42 06 780 A1 ist darüber hinaus ein Deformationselement aus einem Verbundwerkstoff bekannt, welches derart ausgebildet ist, dass die Deformation durch einen Stülpvorgang eines rohrartigen Deformationsgliedes erfolgt. Um den Stülpvorgang zu gewährleisten, ist ein weiteres Bauteil notwendig, welches das Deformationsglied aufgrund einer Umfangsprofilierung radial nach außen aufweitet, sobald die auf das Deformationselement beaufschlagte Axialkraft einen vorgegebenen Wert überschreitet. Das bekannte Deformationselement aus dem Stand der Technik besteht daher mindestens aus zwei Bauteilen, aus dem Deformationsglied selbst und einem steifen Bauteil, welches den Stülpvorgang gewährleisten muss. Einerseits kann eine solche Anordnung von Bauteil und Deformationsglied nicht überall eingesetzt werden. Andererseits benötigt der Stülpvorgang zusätzlichen Raum und Deformationsweg, um größere Energien zu absorbieren. Dieser Raum bzw. dieser Weg steht im Fahrzeug häufig nicht zur Verfügung. Zudem sind diese Systeme teuer, knickanfällig und benötigen mehr Bauraum.From the German patent application DE 42 06 780 A1 Furthermore, a deformation element made of a composite material is known, which is designed in such a way that the deformation takes place by a turn-up operation of a tubular deformation element. In order to ensure the Stülpvorgang, another component is necessary, which widens the deformation member due to a circumferential profiling radially outwardly as soon as the applied to the deformation element axial force exceeds a predetermined value. The known deformation element of the prior art therefore consists of at least two components, of the deformation member itself and a rigid component, which must ensure the Stülpvorgang. On the one hand, such an arrangement of component and deformation member can not be used everywhere. On the other hand, the inverting process requires extra space and deformation path to absorb larger energies. This space or this way is often not available in the vehicle. In addition, these systems are expensive, prone to kinking and require more space.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein möglichst einfaches, gattungsgemäßes Strukturelement eines Fahrzeugs zur Verfügung zu stellen, welches neben einem hohen Energieabsorptionsvermögen gleichzeitig einfach herstellbar und universell einsetzbar ist. Darüber hinaus soll ein einfaches Herstellverfahren sowie bevorzugte Verwendungen des Strukturelements vorgeschlagen werden.Proceeding from this, the present invention has the object to provide a simple as possible, generic structural element of a vehicle, which in addition to a high energy absorption capacity is also easy to produce and universally applicable. In addition, a simple manufacturing method and preferred uses of the structural element to be proposed.

Gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die aufgezeigte Aufgabe für ein Strukturelement dadurch gelöst, dass das Strukturelement mindestens zwei Halbschalen aufweist, welche stoffschlüssig und/oder formschlüssig zum Hohlprofil verbunden sind, wobei der Verbundwerkstoff mindestens zwei Kunststoffschichten und mindestens drei die beiden Kunststoffschichten abdeckende Metallschichten aufweist.According to a first teaching of the present invention, the stated object of a structural element is achieved in that the structural element has at least two half-shells, which are materially and / or positively connected to the hollow profile, wherein the composite material at least two plastic layers and at least three metal layers covering the two plastic layers having.

Als Metallschichten werden beispielsweise Schichten aus einer Aluminiumlegierung, Magnesiumlegierung oder einem Stahl bevorzugt. Grundsätzlich können aber auch andere Metallschichten eine Verwendung finden. Es hat sich herausgestellt, dass Strukturelemente, welche zur Aufnahme axialer Kräfte ausgebildet sind, und bei einer Deformation unter Faltenbildung deformieren, durch die erfindungsgemäße Verwendung eines Verbundwerkstoffs mit mindestens einer Kunststoffschicht und mindestens zwei Metallschichten durch eine sehr feine Faltenbildung deformieren und dabei sehr gleichmäßig hohe Energien absorbieren und in eine Deformation umwandeln können. Im Gegensatz zu dem aus dem Stand der Technik bekannten, einen Stülpvorgang zur Energieabsorption verwendenden Deformationselementen, hat sich herausgestellt, dass die Faltenbildung des Verbundwerkstoffes Vorteile gegenüber dem Stülpvorgang und gegenüber konventionellen monolithischen Strukturelementen bietet. Das den Stülpvorgang gewährleistendes Bauteil wird nicht mehr benötigt und darüber hinaus kann auf kleinerem Deformationsweg mehr Energie bei kleinerem Bauraum absorbiert werden. Das erfindungsgemäße Strukturelement kann dazu mit deutlich geringerem Gewicht als die bisher verwendeten und unter Faltenbildung deformierenden monolithischen Crashboxen hergestellt werden.As metal layers, for example, layers of an aluminum alloy, magnesium alloy or a steel are preferred. In principle, however, other metal layers can find use. It has been found that structural elements which absorb axial Forces are formed, and deform in a deformation with wrinkling, deform by the inventive use of a composite material with at least one plastic layer and at least two metal layers by a very fine wrinkling and absorb very high energy and can convert it into a deformation. In contrast to the deformation elements known from the prior art, which use an inverting process for energy absorption, it has been found that the folding of the composite offers advantages over the inverting process and over conventional monolithic structural elements. The Stülpvorgang ensuring component is no longer needed and moreover, more energy can be absorbed in a smaller space on a smaller deformation path. The structural element according to the invention can be produced with a significantly lower weight than the monolithic crash boxes previously used and deforming under wrinkling.

Gemäß einer ersten Ausführungsform des Strukturelements weisen die metallischen Deckschichten aus Stahl eine Dicke von 0,1 mm bis 1,5 mm, vorzugsweise 0,1 mm bis 1,0 mm, besonders bevorzugt 0,1 mm bis 0,5 mm auf. Gemeinsam mit der zwischen den Metallschichten angeordneten Kunststoffschicht kann hieraus ein deutlicher Gewichtsvorteil gegenüber den bisherigen, monolithischen Strukturelementen erzielt werden. Darüber hinaus gewährleistet die Verwendung eines entsprechenden Verbundaufbaus ein vergrößertes Energieaufnahmevermögen bei geringerem Deformationsweg. Schließlich kann über den Verbundaufbau das gewünschte Deformationsverhalten, beispielsweise durch Wahl einer gegenüber den metallischen Deckschichten dickeren Kunststoffschicht gesteuert bzw. beeinflusst werden. Infolge einer höheren Biege- und Beulsteifigkeit wirkt sich die Verwendung dünner Deckschichten aus Metall positive auf den Deformationswiderstand und die Knickstabilität aus, so dass effektiv Energie durch Faltenbildung abgebaut werden kann. Eine einfache Verarbeitung bzw. Herstellung des Strukturelements kann dadurch erreicht werden, dass die Kunststoffschicht des Verbundwerkstoffs einen thermoplastischen Kunststoff aufweist. Vorzugsweise wird ein Polyamid, ein Polyethylen oder ein Blend aus Polyamid und Polyethylen verwendet. Thermoplastische Kunststoffe haben den Vorteil, dass diese beispielsweise zur Umformung, erwärmt werden können und dann einfach gemeinsam mit den Metallschichten umgeformt werden können. Darüber hinaus sind die angegebenen Kunststoffe Polyamid, Polyethylen oder ein Blend aus Polyamid und Polyethylen kostengünstig und gewährleisten bei Sandwichbauweise eine hohe Knicksicherheit bzw. Knicksteifigkeit des Strukturelements.According to a first embodiment of the structural element, the metallic cover layers made of steel have a thickness of 0.1 mm to 1.5 mm, preferably 0.1 mm to 1.0 mm, particularly preferably 0.1 mm to 0.5 mm. Together with the plastic layer arranged between the metal layers, a significant weight advantage over the previous, monolithic structural elements can be achieved from this. In addition, the use of a corresponding composite structure ensures an increased energy absorption capacity with a smaller deformation path. Finally, the desired deformation behavior can be controlled or influenced via the composite structure, for example by selecting a plastic layer thicker than the metallic cover layers. As a result of higher bending and buckling stiffness, the use of thin metal cover layers has a positive effect on the deformation resistance and the buckling stability, so that energy can effectively be broken down by wrinkling. A simple processing or production of the structural element can be achieved in that the plastic layer of the composite material comprises a thermoplastic material. Preferably, a polyamide, a polyethylene or a blend of polyamide and polyethylene is used. Thermoplastic plastics have the advantage that they can be heated, for example, for forming, and then simply be formed together with the metal layers. In addition, the specified plastics polyamide, polyethylene or a blend of polyamide and polyethylene are inexpensive and ensure in sandwich construction a high kink resistance or buckling stiffness of the structural element.

Bevorzugt ist die Kunststoffschicht faserverstärkt, so dass das Energieaufnahmevermögen sowie die Steifigkeit des Strukturelements weiter gesteigert werden kann.Preferably, the plastic layer is fiber-reinforced, so that the energy absorption capacity and the rigidity of the structural element can be further increased.

Vorzugsweise bildet das Strukturelement zumindest einen Teil eines Längs- oder Querträgers eines Fahrzeugs, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs. Strukturelemente, welche im vorderen oder hinteren Bereich des Längsträgers eines Fahrzeugs angeordnet sind, können hier zur Energieaufnahme, beispielsweise der Aufprallenergie im Falle eines Unfalls verwendet werden. Gleichzeitig kann ein verringertes Fahrzeuggewicht bei verbesserten Crasheigenschaften erreicht werden.Preferably, the structural element forms at least part of a longitudinal or transverse beam of a vehicle, for example a motor vehicle. Structural elements which are arranged in the front or rear region of the longitudinal member of a vehicle can be used here for absorbing energy, for example the impact energy in the event of an accident. At the same time a reduced vehicle weight can be achieved with improved crash characteristics.

Besonders bevorzugt wird das Strukturelement als Crashbox ausgebildet. Eine Crashbox ist üblicherweise zwischen dem Stoßfänger und den Längsträgern eventuell auch Querträgern angeordnet und dient dazu, bei geringen Aufprallenergien zuerst zu deformieren, so dass die Längsträger nicht deformiert werden. Das hohe Energieaufnahmevermögen der erfindungsgemäßen Strukturelemente ermöglicht einen besonders kurzen Deformationsweg bei gleichzeitigem Abbau hoher Aufprallenergien. Die Crashboxen können daher entsprechend geringe Längen aufweisen.Particularly preferably, the structural element is designed as a crash box. A crash box is usually also arranged between the bumper and the longitudinal members and cross members and serves to deform at low impact energies first, so that the side members are not deformed. The high energy absorption capacity of the structural elements according to the invention allows a particularly short deformation path while simultaneously reducing high impact energies. The crash boxes can therefore have correspondingly small lengths.

Erfindungsgemäß weist das Strukturelement mindestens zwei Halbschalen auf, welche stoffschlüssig und/oder formschlüssig zum Hohlprofil verbunden sind. Geschlossene Hohlprofile können im Allgemeinen besonders hohe axiale Kräfte aufnehmen bzw. axial eingeleitete Kräfte in Deformationsenergie umwandeln. Durch die hohe Knickstabilität des Verbundwerkstoffs verhält sich das Bauteil auch bei ungleichmäßiger Belastung vorteilhaft. Der optionale Aufbau des erfindungsgemäßen Strukturelements aus zwei Halbschalen ermöglicht eine besonders einfache Herstellung des Strukturelements als geschlossenes Hohlprofil, wobei die stoffschlüssige Verbindung zum Hohlprofil durch Kleben, Schweißen oder Löten erfolgen kann.According to the invention, the structural element has at least two half-shells, which are connected in a material-locking and / or form-locking manner to the hollow profile. Closed hollow sections can generally absorb particularly high axial forces or convert axially introduced forces into deformation energy. Due to the high kink stability of the composite material, the component behaves advantageously even with uneven loading. The optional structure of the structural element according to the invention of two half-shells allows a particularly simple production of the structural element as a closed hollow profile, wherein the cohesive connection to the hollow profile can be made by gluing, welding or soldering.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Strukturelements kann das Energieabsorptionsvermögen dadurch gesteigert werden, dass der Verbundwerkstoff mindestens zwei Kunststoffschichten und mindestens drei die beiden Kunststoffschichten abdeckende Metallschichten vorgesehen sind.According to a further embodiment of the structural element, the energy absorption capacity can be increased by providing the composite material with at least two plastic layers and at least three metal layers covering the two plastic layers.

Durch die Verwendung von gegenüber der Kunststoffschicht dünneren metallischen Deckschichten kann das Deformations-Kraftniveau für einige Anwendungen nicht ausreichend hoch sein, so dass vorteilhaft beispielsweise mehrere Elmente/Profile nebeneinander gesetzt werden, beispielsweise bei einer Crashbox, die aus zwei nebeneinander gesetzten Profilen besteht.By using metallic cover layers which are thinner than the plastic layer, the deformation force level can not be sufficiently high for some applications, so that, for example, several elements / profiles are juxtaposed, for example in a crash box consisting of two profiles placed next to one another.

Besonders einfache Strukturelemente können dadurch bereitgestellt werden, dass die Halbschalen des Strukturelements durch mindestens ein Hutprofil und/oder ein flanschloses Kastenprofil bereitgestellt werden. Selbstverständlich sind auch andere Querschnittformen, beispielsweise halbkreisförmige Querschnitte und dergleichen möglich. Ein Hutprofil hat allerdings den Vorteil, dass dieses im Bereich der Flansche besonders einfach mit einem weiteren Hutprofil oder einem anderen flanschbehafteten Bauteil verbunden werden kann. Flanschlose Kastenprofile ergeben im Hinblick auf den zur Verfügung stehenden Bauraum Vorteile. Bei Hutprofilen kann beispielsweise zusätzlich vorgesehen sein, dass die Kanten zwischen Zarge und Bodenbereich verdickt sind, in dem dort die Kunststoffschichtdicke vergrößert ist. Hierdurch wird gleichzeitig eine Stabilisierung der Kanten des Hutprofils und ein höherer Deformationswiderstand erreicht. Particularly simple structural elements can be provided by providing the half shells of the structural element by at least one hat profile and / or a flange-free box profile. Of course, other cross-sectional shapes, such as semicircular cross sections and the like are possible. However, a hat profile has the advantage that it can be easily connected in the region of the flanges with another hat profile or another flange-bearing component. Flange-free box profiles offer advantages with regard to the available installation space. For hat profiles, for example, can be additionally provided that the edges between the frame and bottom portion are thickened, in which there the plastic layer thickness is increased. As a result, a stabilization of the edges of the hat profile and a higher deformation resistance is achieved at the same time.

Eine weitere Steigerung des Energieaufnahmevermögens wird dadurch erreicht, dass zwischen den Halbschalen mindestens ein Stegblech oder eine weitere Halbschale vorgesehen ist. Stegbleche werden vorzugsweise dann angeordnet, sofern Hutprofile zur Bildung des Strukturelements verwendet worden sind. Die Stegbleche können dann auf einfache Weise zwischen zwei Hutprofilen angeordnet werden. Die Verwendung einer weiteren Halbschale bietet sich für den Fall an, dass zwei flanschlose, offene Kastenprofile zur Herstellung des Strukturelements verwendet worden sind. Die dritte Halbschale kann beispielsweise zwischen der ersten und der zweiten Halbschale angeordnet sein.A further increase in the energy absorption capacity is achieved by providing at least one web plate or a further half shell between the half shells. Web plates are preferably then arranged, if hat profiles have been used to form the structural element. The web plates can then be arranged in a simple manner between two hat profiles. The use of a further half shell lends itself to the case in which two flangeless, open box sections have been used for the production of the structural element. The third half-shell may for example be arranged between the first and the second half-shell.

Vorzugsweise weist mindestens eine der Kunststoffschichten des Verbundwerkstoffs eine größere Dicke als mindestens eine seiner Metallschichten auf. Hierdurch werden die Bleche möglichst weit entfernt von der neutralen Phase, der Sandwichmitte platziert, so dass eine hohe Beul- und Biegesteifigkeit erreicht wird. Die Kunststoffschicht, hat ein schubsteifes Materialverhalten und benötigt daher in Verbindung mit den metallischen Deckschichten besonders hohe Umformenergien, um Falten zu bilden. Besteht die Kunststoffschicht aus einem thermoplastischen Kunststoff, beispielsweise Polyethylen, Polyamid oder einem Blend beider Kunststoffe, weist diese gleichzeitig eine hohe Haftfestigkeit zur Deckschicht bzw. zu den Metallschichten auf, was die benötigten Umformenergien weiter steigert.Preferably, at least one of the plastic layers of the composite has a greater thickness than at least one of its metal layers. As a result, the sheets are placed as far away from the neutral phase, the sandwich center, so that a high buckling and bending stiffness is achieved. The plastic layer has a shear-resistant material behavior and therefore, in conjunction with the metallic cover layers, requires particularly high forming energies in order to form wrinkles. If the plastic layer consists of a thermoplastic material, for example polyethylene, polyamide or a blend of both plastics, this at the same time has a high adhesive strength to the cover layer or to the metal layers, which further increases the required forming energies.

Gemäß einer weiteren Lehre der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturelements dadurch bereitgestellt, dass aus einem ebenen Verbundwerkstoff mit mindestens zwei Kunststoffschichten und mindestens drei Metallschichten Halbschalen geformt werden und zu einem geschlossenen Hohlprofil stoffschlüssig verbunden werden. Durch das einfache Herstellverfahren besteht die Möglichkeit, das Strukturelement ohne Weiteres an die spezifischen Anforderungen des Einsatzgebietes anzupassen, beispielsweise in den die Querschnittform der Halbschalen entsprechend angepasst werden können.According to a further teaching of the present invention, a method for producing a structural element is provided by forming half-shells from a planar composite material having at least two plastic layers and at least three metal layers and joining them to form a closed hollow profile. Due to the simple manufacturing process, it is possible to adapt the structural element readily to the specific requirements of the application, for example, in which the cross-sectional shape of the half-shells can be adjusted accordingly.

Alternativ dazu besteht die Möglichkeit, die Halbschalen dadurch bereitzustellen, dass die Metallschichten in eine obere, optional mittlere oder untere Halbschalenform gebracht werden und der Zwischenraum zwischen den Halbschalen ausgeschäumt wird und die Halbschalen zu einem geschlossen Hohlprofil stoffschlüssig verbunden werden. Hier können beispielsweise als Schäume auch Aluminiumschaum aber auch ein Kunststoffschaum aus thermoplastischem oder duroplastischem Kunststoff eingesetzt werden. Auch ein komplettes Ausschäumen der Hohlstruktur kann zur weiteren Steigerung der Energieaufnahme führen, beispielsweise Aluminiumschaum. Hierdurch besteht eine weitere Möglichkeit eine Gewichtsersparnis zu erzielen. Diese ergibt sich selbstverständlich auch sofern ein ebener Verbundwerkstoff mit einer aufgeschäumten Kunststoffschicht verwendet wird.Alternatively, it is possible to provide the half-shells by bringing the metal layers into an upper, optionally middle or lower half-shell mold and foaming the space between the half-shells and by integrally bonding the half-shells into a closed hollow profile. Here, for example, as foams and aluminum foam but also a plastic foam made of thermoplastic or thermosetting plastic can be used. Even a complete foaming of the hollow structure can lead to a further increase in energy consumption, such as aluminum foam. As a result, there is another way to achieve a weight savings. Of course, this also results if a planar composite material with a foamed plastic layer is used.

Schließlich wird die aufgezeigte Aufgabe gemäß einer weiteren Lehre der Erfindung durch die Verwendung eines Strukturelementes in einem Kraftfahrzeug oder in einem Schienenfahrzeug gelöst. Wie bereits ausgeführt, weisen die Strukturelemente besonders hohe Energieabsorptionsvermögen auf und benötigen aufgrund ihres Aufbaus sehr wenig Bauraum. Darüber hinaus weisen sie ein besonders geringes Gewicht auf und können zur Kraftstoffeinsparung genutzt werden.Finally, the object shown is achieved according to a further teaching of the invention by the use of a structural element in a motor vehicle or in a rail vehicle. As already stated, the structural elements have particularly high energy absorption capacities and, because of their construction, require very little installation space. In addition, they have a particularly low weight and can be used to save fuel.

Dies gilt in besonderem Maße dann, wenn das Strukturelement gemäß einer weiteren Ausführungsform als Crashbox, Längs- oder Querträger eines Kraftfahrzeugs verwendet wird.This is particularly true when the structural element is used according to another embodiment as a crash box, longitudinal or cross member of a motor vehicle.

Im Weiteren soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt

1 in einer schematischen Schnittansicht den Verbundwerkstoff eines nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels des Strukturelements,
2 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Verbundwerkstoffs des Strukturelements,
3, 4, 5, 6, 7 fünf Ausführungsbeispiele eines Strukturelements in schematisch, perspektivischer Darstellung,
8 in einer schematischen Schnittansicht die Deformation eines Ausführungsbeispiels unter Faltenbildung,
9 ein Kraft-Verformungsweg-Diagramm von einem monolithischen Strukturelement und einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strukturelements,
10 in einer schematischen Draufsicht Längsträger, Querträger und Stoßfänger eines Kraftfahrzeugs und
11 als weiteres Ausführungsbeispiel in einer perspektivischen Darstellung eine Crashbox eines Kraftfahrzeugs.

In addition, the invention will be explained in more detail with reference to embodiments in conjunction with the drawings. In the drawing shows

1 in a schematic sectional view of the composite material of a non-inventive embodiment of the structural element,
2 an inventive embodiment of a composite material of the structural element,
3 . 4 . 5 . 6 . 7 5 embodiments of a structural element in a schematic, perspective view,
8th in a schematic sectional view of the deformation of an embodiment with wrinkling,
9 a force-deformation path diagram of a monolithic structural element and an embodiment of a structural element according to the invention,
10 In a schematic plan view of side members, cross member and bumper of a motor vehicle and
11 as a further embodiment in a perspective view of a crash box of a motor vehicle.

Nicht erfindungsgemäße Strukturelemente zur Aufnahme axialer Kräfte bestehen bereichsweise aus einem Verbundwerkstoff 1, welcher eine Kunststoffschicht sowie zwei metallische Deckschichten 3, 4 aufweist. In einer schematischen Schnittansicht zeigt 1 einen solchen Verbundwerkstoff. Daneben besteht auch die Möglichkeit beispielsweise mehrere Metallschichten oder mehrere Kunststoffschichten zu verwenden, wie das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel in 2 zeigt. Hier besteht der Verbundwerkstoff 1' aus zwei Kunststoffschichten 2, 2' sowie Metallschichten 3, 4, 5. Die Metallschichten 3, 4, 5, sowie die Kunststoffschichten 2 und 2' können angepasst an die Verwendung des Strukturelements ausgewählt werden. Beispielsweise können bei dem in 1 dargestellten Verbundwerkstoff die äußeren Deckschichten aus Metallschichten mit unterschiedlichen Blechdicken aus Stahl, beispielsweise aus einem 0,25 mm dicken und 0,6 mm dicken Stahlblech, und/oder aus unterschiedlichen Materialgüten bestehen. Selbstverständlich kommen auch andere Metalle, insbesondere Leichtmetalle in Frage. Die Kunststoffschicht 2 weist üblicherweise eine Dicke auf, so dass die neutrale Faser weit genug entfernt von den metallischen Deckschichten 3,4 ist. Bei den genannten Blechdicken kann die Kunststoffschicht 2 beispielsweise eine Dicke von 0,4 mm aufweisen.Non-inventive structural elements for receiving axial forces are partially made of a composite material 1 , which has a plastic layer and two metallic cover layers 3 . 4 having. In a schematic sectional view shows 1 such a composite material. In addition, it is also possible, for example, to use a plurality of metal layers or a plurality of plastic layers, such as the exemplary embodiment according to the invention in FIG 2 shows. Here is the composite material 1' made of two plastic layers 2 . 2 ' as well as metal layers 3 . 4 . 5 , The metal layers 3 . 4 . 5 , as well as the plastic layers 2 and 2 ' can be selected according to the use of the structure element. For example, in the in 1 represented composite material, the outer cover layers of metal layers with different thicknesses of steel, for example, from a 0.25 mm thick and 0.6 mm thick sheet steel, and / or consist of different material grades. Of course, other metals, in particular light metals come into question. The plastic layer 2 usually has a thickness such that the neutral fiber is far enough away from the metallic capping layers 3.4 is. At the mentioned sheet thicknesses, the plastic layer 2 for example, have a thickness of 0.4 mm.

Um das Umformverhalten zu verbessern, besteht die Kunststoffschicht 2 vorzugsweise aus einem Thermoplast, beispielsweise aus einem Polyethylen-Polyamid-Blend. Ein Polyehtylen-Polyamid-Blend lässt sich nicht nur einfach zum Verbundwerkstoff verarbeiten, sondern gewährleistet auch gute Haftfestigkeit zur metallischen Deckschicht sowie ein schubsteifes Materialverhalten. Grundsätzlich kann eine Erhöhung des Energieabsorptionsvermögens durch eine Faserverstärkung der Kunststoffschicht erreicht werden. Denkbar ist daneben auch der Einsatz von duroplastischen Kunststoffen.To improve the forming behavior, there is the plastic layer 2 preferably of a thermoplastic, for example of a polyethylene-polyamide blend. A polyethylene-polyamide blend can not only be easily processed into a composite material, but also ensures good adhesion to the metallic cover layer and a shear-resistant material behavior. In principle, an increase in the energy absorption capacity can be achieved by fiber reinforcement of the plastic layer. Also conceivable is the use of thermosetting plastics.

Unterschiedliche Werkstoffe können abhängig von der Anwendung und dem gewünschten Deformationsverhalten auch in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eines für das Strukturelement verwendeten Verbundwerkstoffs benutzt werden. Depending on the application and the desired deformation behavior, different materials can also be used in the 2 illustrated embodiment of a composite material used for the structural element can be used.

In Frage kommen unterschiedliche Kunststoffschichten aber auch unterschiedliche Blechdicke und Materialgüten bei den metallischen Schichten des Verbundwerkstoffes 1'. Die in den perspektivischen Darstellungen der 3 bis 7 gezeigten unterschiedlichen Strukturelementen können sowohl aus einem Verbundwerkstoff, wie in 1 aber auch wie in 2 dargestellt ist, hergestellt sein. Die einzelnen Schichten sind im Weiteren in den 3 bis 7 nicht dargestellt.In question, different plastic layers but also different sheet thickness and material grades in the metallic layers of the composite material come into question 1' , The in the perspective representations of 3 to 7 shown different structural elements can be made of a composite material, as in 1 but also like in 2 is shown to be manufactured. The individual layers are further in the 3 to 7 not shown.

Ein besonders einfaches, erfindungsgemäßes Strukturelement zeigt in perspektivischer Darstellung das Ausführungsbeispiel aus 3, wobei das Strukturelement aus zwei einfachen Halbschalen 6, 7 besteht, welche zu einem Kastenprofil miteinander stoffschlüssig verbunden sind. Es hat sich gezeigt, dass bereits diese einfache Form eines Kastenprofils durch Verwendung des Verbundwerkstoffs das gewünschte Deformationsverhalten unter Faltenbildung aufweist und eine deutliche Steigerung des Energieabsorptionsvermögens gewährleistet. Zusätzlich besitzt das in 3 dargestellte Strukturelement ein deutlich geringeres Gewicht als eine entsprechende monolithische Variante mit identischem Absorptionsvermögen.A particularly simple structural element according to the invention shows the exemplary embodiment in a perspective view 3 , wherein the structural element of two simple half-shells 6 . 7 exists, which are connected to a box profile cohesively. It has been shown that even this simple form of a box profile by using the composite material has the desired deformation behavior with wrinkling and ensures a significant increase in the energy absorption capacity. In addition, this possesses in 3 shown structural element a significantly lower weight than a corresponding monolithic variant with identical absorption capacity.

Eine Steigerung des Energieabsorptionsvermögens wird dadurch erreicht, dass eine dritte Halbschale 8 verwendet wird, um einen Mittelsteg in einem in 4 dargestellten, nächsten Ausführungsbeispiel des Strukturelements bereitzustellen. Die Verwendung von zwei einfachen Hutprofilen 9, 10 zur Bereitstellung eines nächsten Ausführungsbeispiels wird in 5 ebenfalls in perspektivischer, schematischer Darstellung gezeigt. Die beiden Hutprofile 9, 10 werden längs ihrer Flansche 9a und 10a mit einem weiteren Stegblech 11 stoffschlüssig und/oder formschlüssig verbunden. Als stoffschlüssige Verbindungstechniken können Kleben, Löten oder Schweißen verwendet werden. Für eine formschlüssige Verbindung kommen Verbindungen unter Verwendung von Befestigungsmitteln S in Frage, beispielsweise Schraub- oder Nietverbindungen, welche in 5 angedeutet sind. Das Stegblech 11 kann sowohl monolithisch, beispielsweise aus einem Stahlwerkstoff oder einem anderen Metall aber auch aus einem Verbundwerkstoff wie in 1 oder 2 gezeigt ist, bestehen.An increase in the energy absorption capacity is achieved by a third half-shell 8th is used to form a center bar in a 4 shown to provide the next embodiment of the structural element. The use of two simple hat profiles 9 . 10 to provide a next embodiment is in 5 also shown in perspective, schematic representation. The two hat profiles 9 . 10 become along their flanges 9a and 10a with another web plate 11 cohesively and / or positively connected. Bonding, soldering or welding can be used as cohesive bonding techniques. For a positive connection connections using fasteners S come into question, for example, screw or rivet, which in 5 are indicated. The web plate 11 can be both monolithic, for example of a steel material or another metal but also of a composite material as in 1 or 2 is shown exist.

Ein deutlich erhöhtes Energieabsorptionsvermögen und gleichzeitig eine besonders steife Variante des erfindungsgemäßen Strukturelements weist das in 6 dargestellte Ausführungsbeispiel auf. Hier werden jeweils zwei Hutprofile 12, 13, 14, 15, welche unterschiedlich breite Bodenbereiche aufweisen, derart angeordnet, dass diese über die Flanschbereiche und die entsprechenden Bodenbereiche miteinander stoffschlüssig und/oder formschlüssig, beispielsweise über Befestigungsmittel, miteinander verbunden sind. Durch die Verwendung von insgesamt vier hutförmigen Halbschalenprofilien zur Herstellung des Strukturelements können mit diesem Ausführungsbeispiel enorm große axiale Kräfte aufgenommen und in Deformationsenergie umgewandelt werden. Die entsprechenden Hutprofile 12, 13, 14, 15 sind in den Bodenbereichen 12a, 13a, 14a, 15a sowie in den Flanschbereichen 12b, 13b, 14b, 15b miteinander stoff- und/oder formschlüssig verbunden.A significantly increased energy absorption capacity and at the same time a particularly stiff variant of the structural element according to the invention has the in 6 illustrated embodiment. Here are two hat profiles 12 . 13 . 14 . 15 , Which have different widths bottom portions, arranged such that they are connected to each other via the flange and the corresponding bottom regions cohesively and / or positively, for example via fastening means. By using a total of four hat-shaped half-shell profiles for the production of the structural element, enormously large axial forces can be absorbed and converted into deformation energy with this exemplary embodiment. The corresponding hat profiles 12 . 13 . 14 . 15 are in the bottom areas 12a . 13a . 14a . 15a as well as in the flange areas 12b . 13b . 14b . 15b connected to each other material and / or positive.

In 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel, welches durch zwei trapezförmige Hutprofile bereitgestellt wird, dargestellt. Die trapezförmigen Hutprofile 16, 17 sind in ihren Flanschbereichen 16a, 17a stoffschlüssig und/oder formschlüssig miteinander verbunden. Um die Steifigkeit des in 7 dargestellten Ausführungsbeispiels eines Strukturelements zu erhöhen, sind die in Längsrichtung verlaufenden Kanten 16b, 16c, 17b, 17c bei der Herstellung der Hutprofile verdickt, so dass diese zu einer Steifigkeitserhöhung und höhere Energieabsorption führen. Wie auch in 6 ist in 7 eine formschlüssige Verbindung S zeichnerische in den Flanschbereichen angedeutetIn 7 is another embodiment, which is provided by two trapezoidal Hutprofile shown. The trapezoidal hat profiles 16 . 17 are in their flange areas 16a . 17a cohesively and / or positively connected with each other. To the rigidity of in 7 illustrated embodiment of a structural element to increase, are the longitudinal edges 16b . 16c . 17b . 17c thickened in the production of the hat profiles, so that they lead to an increase in stiffness and higher energy absorption. As well as in 6 is in 7 a positive connection S graphic indicated in the flange

8 zeigt nun in einer schematischen Schnittansicht, wie die über die axiale Kraft F eingeleitete Energie bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eines Strukturelements unter Faltenbildung in Deformationsenergie umgewandelt wird. Die Falten, welche hier rund dargestellt sind, sind idealisiert dargestellt. Einen Vergleich der aufgewendeten Kraft in Abhängigkeit vom Verformungsweg bei einfachen Kastenprofilen zeigt das Diagramm aus 9. Die Kurve A zeigt dabei die benötigte Kraft und den entsprechenden Verformungsweg in Millimetern eines nicht erfindungsgemäßen Strukturelements bestehend aus einem Verbundwerkstoff, wie er in 1 dargestellt ist. Die Kurve B zeigt das Kraftverformungsweg-Diagramm eines Strukturelements aus monolithischem Stahlblech. Die Fläche, welche die Kurve mit der Abszisse einschließt, entspricht der umgewandelten Verformungsenergie. Wie anhand der Kurve A feststellbar ist, schließt die Kurve A bei geringerem Verformungsweg von etwa 170 mm eine deutlich größere Fläche mit der Abszisse ein als Kurve B, welche einen Verformungsweg von etwa 180 mm zeigt. Das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Strukturelementes hat bei geringerem Platzbedarf, geringerem Gewicht auch ein deutlich besseres Energieabsorptionsvermögen. 8th now shows in a schematic sectional view of how the introduced via the axial force F energy is converted in the illustrated embodiment of a structural element with wrinkling in deformation energy. The folds, which are shown here round, are shown in idealized form. A comparison of the applied force as a function of the deformation in simple box profiles shows the diagram 9 , The curve A shows the required force and the corresponding deformation in millimeters of a non-inventive structural element consisting of a composite material, as in 1 is shown. Curve B shows the Kraftverformungsweg diagram of a structural element made of monolithic sheet steel. The area enclosing the curve with the abscissa corresponds to the converted strain energy. As can be determined from the curve A, the curve A with a smaller deformation path of about 170 mm includes a significantly larger area with the abscissa than curve B, which shows a deformation path of about 180 mm. The embodiment of the structural element according to the invention also has a significantly better energy absorption capacity with less space required, less weight.

Hieraus ergeben sich für die erfindungsgemäßen Strukturelemente spezifische Anwendungsmöglichkeiten, welche beispielhaft in 10 und 11 dargestellt sind. 10 zeigt in einer sehr schematischen Darstellung zwei Längsträger 20, 21 und zwei Querträger 22, 23 einer Fahrzeugkarosserie, welche zudem die sehr schematisch dargestellten Stoßfänger 24 und 25 aufweist. Die Längsträger 20, 21 können bereichsweise oder auch vollständig aus dem erfindungsgemäßen Strukturelement bestehen. Einfache Kastenprofile bestehend aus dem in 1 dargestellten nicht erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff stellen bei geringerem Gewicht bereits ein verbessertes Deformationsverhalten zur Verfügung. Gleichzeitig besteht die Möglichkeit, dass auch die Querträger 22 oder 23 durch entsprechende Verbundwerkstoffe hergestellt werden und ebenfalls in Querrichtung ein verbessertes Deformationsverhalten z.B. beim Seitencrash zeigen. Prinzipiell können auch die in 4 bis 7 dargestellten Querschnittsformen bzw. Formen des erfindungsgemäßen Strukturelements Anwendung im Längsträger aber auch im Querträger eines Kraftfahrzeugs finden.This results in specific application possibilities for the structural elements according to the invention, which are described by way of example in FIG 10 and 11 are shown. 10 shows in a very schematic representation two side members 20 . 21 and two cross members 22 . 23 a vehicle body, which also the very schematically illustrated bumper 24 and 25 having. The side members 20 . 21 may partially or completely consist of the structural element according to the invention. Simple box profiles consisting of the in 1 The non-inventive composite material shown already provide an improved deformation behavior at lower weight. At the same time there is the possibility that also the cross member 22 or 23 be produced by appropriate composite materials and also in the transverse direction show improved deformation behavior, for example, in a side crash. In principle, the in 4 to 7 cross-sectional shapes or forms of the structural element according to the invention used in the longitudinal beam but also in the cross member of a motor vehicle.

11 zeigt nun in einer schematischen Darstellung die Verwendung eines Ausführungsbeispiels eines Strukturelements als Crashbox 26, welche beispielsweise auf einen Längsträger 21 im hinteren oder vorderen Teil des Kraftfahrzeugs aufgesetzt ist und zur Absorption von Aufprallenergie verwendet wird. Die Crashbox 26 wird dann mit der Stirnseite mit einem nicht dargestellten Stoßfänger verbunden. Im Falle eines Unfalls wird zunächst die Crashbox 26 deformiert und die Aufprallenergie absorbieren, ohne dass der Längsträger beschädigt wird. In diesem Fall kann die Crashbox 26 zur Reparatur auf einfache Weise ausgetauscht werden. Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Strukturelements als Crashbox 26 kann das Fahrzeuggewicht bei verbesserten Crasheigenschaften reduziert werden. 11 now shows a schematic representation of the use of an embodiment of a structural element as a crash box 26 , which, for example, on a side member 21 is placed in the rear or front part of the motor vehicle and is used to absorb impact energy. The crashbox 26 is then connected to the front side with a bumper, not shown. In the event of an accident, the crash box will be first 26 deformed and absorb the impact energy without damaging the side member. In this case, the crashbox 26 be easily exchanged for repair. By using the structural element according to the invention as a crash box 26 The vehicle weight can be reduced with improved crash characteristics.

Claims

Structural element of a vehicle for absorbing axial forces, which is designed such that it deforms in a deformation with wrinkling, wherein the structural element at least partially a composite material (1 '), and wherein the structural element is formed as a closed hollow profile, characterized in that the Structural element at least two half-shells (6, 7, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17), which are cohesively and / or positively connected to the hollow profile, wherein the composite material (1 ') at least two plastic layers (2 , 2 ') and at least three metal layers (3, 4, 5) covering the two plastic layers.

Structure element after Claim 1 , characterized in that the metal layers (3, 4, 5) consist of steel and have a thickness of 0.1 mm to 1.5 mm, preferably 0.1 mm to 1.0 mm.

Structure element after Claim 1 or 2 , characterized in that the plastic layers (2, 2 ') of the composite material (1') comprise a thermoplastic, preferably Polyamide, polyethylene or a blend of polyamide and polyethylene.

Structural element according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that the plastic layers (2, 2 ') are fiber-reinforced.

Structural element according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that the structural element forms at least part of a longitudinal or transverse support (20, 21, 22, 23) of a vehicle

Structural element according to one of Claims 1 to 5 , characterized in that the structural element is designed as a crash box (26).

Structural element according to one of Claims 1 to 6 , characterized in that the half shells of the structural element by at least one hat profile (9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17) and / or a flangeless open box section (6, 7) are provided.

Structural element according to one of Claims 1 to 7 , characterized in that between the half-shells (6, 7, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17) at least one web plate (11) or at least one further half-shell (8) is provided

Structural element according to one of Claims 1 to 8th , characterized in that at least one of the plastic layers (2, 2 ') of the composite material has a greater thickness than at least one of its metal layers (3, 4, 5).

Process for producing a structural element according to one of Claims 1 to 9 , characterized in that half shells are formed from a planar composite material having at least two plastic layers and at least three metal layers and are connected in a material-locking and / or form-fitting manner to form a closed hollow profile.

Process for producing a structural element according to one of Claims 1 to 9 , characterized in that alternatively the metal layers are brought into an upper, optionally middle or lower half-shell mold and the space between the half-shells is foamed and the half-shells are at least partially connected to one another cohesively.

Use of a structural element according to one of Claims 1 to 9 in a motor vehicle or in a rail vehicle.

Use after Claim 12 , characterized in that the structural element is used as a crash box, longitudinal or transverse beam of a motor vehicle.