DE102013102852A1

DE102013102852A1 - Verfahren zur Werkstoffauswahl bei Axialcrash beanspruchten Hohlprofilen

Info

Publication number: DE102013102852A1
Application number: DE201310102852
Authority: DE
Inventors: Martin Hinz
Original assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Priority date: 2013-03-20
Filing date: 2013-03-20
Publication date: 2014-09-25
Anticipated expiration: 2033-03-21
Also published as: DE102013102852B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswahl eines Metallwerkstoffs mit einer Werkstoffdicke t aus einer Werkstoffgruppe für axial beanspruchte Hohlprofile mit vorgegebenem Deformationsverhalten. Die Aufgabe, ein Verfahren zur Auswahl eines Metallwerkstoffs mit einer Werkstoffdicke t aus einer Werkstoffgruppe für axial beanspruchte Hohlprofile mit vorgegebenen Deformationsverhalten vorzuschlagen, welches mit relativ wenig Aufwand eine Bestimmung des Werkstoffs und der notwendigen Werkstoffdicke t für einen vorgegebenen Anwendungsfall auf einfache Weise ermöglicht, wird durch ein Verfahren mit den folgenden Schritten gelöst: – Bestimmung der mittleren Kraft Fm für verschiedene Werkstoffdicken t eines Werkstoffs einer Werkstoffgruppe sowie für verschiedene Werkstoffe einer Werkstoffgruppe bei vorgegebener Hohlprofilgeometrie durch Messung des Deformationswegs eines Hohlprofils in Axialcrashversuche unter identischen Axialcrashversuchsbedingungen, – Bestimmung der mittleren Kraft Fm (Re, Rm, t) für eine Werkstoffgruppe im Axialcrashversuch in Abhängigkeit von der Zugfestigkeit Rm, der Streckgrenze Re und der Werkstoffdicke t für unterschiedliche Werkstoffe einer Werkstoffgruppe aus den genannten Axialcrashversuchen, – Vorgabe einer zu erreichenden mittleren Referenzkraft FmR und Auswahl eines Werkstoffes einer Werkstoffgruppe mit einer Werkstoffdicke t, welcher die vorgegebene mittlere Referenzkraft FmR im Axialcrashversuch aufnehmen kann, anhand der ermittelten empirischen Funktion Fm (Re, Rm, t).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswahl eines Metallwerkstoffs mit einer Werkstoffdicke t aus einer Werkstoffgruppe für axial beanspruchte Hohlprofile mit vorgegebenem Deformationsverhalten.
Axial beanspruchte Hohlprofile mit einem vorgegebenen Deformationsverhalten werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen verwendet, um als Längsträger im Falle eines Unfalls ein genau definiertes Deformationsverhalten aufzuweisen, so dass die Aufprallenergie absorbiert wird und in eine Deformation des Hohlprofils umgewandelt wird. Beim sogenannten „Low-Speed-Test” sollen beispielsweise die Stoßstange bzw. der zugehörige Querträger und die üblicherweise vorgesehene Crash-Box die gesamte Aufprallenergie aufnehmen, so dass der Rest des Kraftfahrzeugs nicht deformiert wird. Hierdurch findet die Deformation nur in diesen spezifischen Bereich statt, so dass das Kraftfahrzeug beispielsweise in eine geringere Schadensklasse einer Versicherung eingeordnet werden kann. Daneben ergeben sich im Kraftfahrzeug weitere Randbedingungen, welche erfüllt werden müssen. Einerseits steht für die Crash-Box nur ein vom Fahrzeugtyp abhängiger Deformationsweg zur Verfügung. Andererseits wird gleichzeitig mit einem kontrollierten Deformationsverhalten aber auch ein möglichst geringes Gewicht der Crash-box bzw. des verwendeten Hohlprofils gefordert. Ein kontrolliertes Deformationsverhalten bedeutet, dass ein reproduzierbarer Deformationsprozess stattfindet, so dass ein spezifischer Deformationsweg bei konstanter Aufprallenergie wiederholbar gemessen werden kann. Bei einem unkontrollierten Deformationsverhalten würde der Deformationsweg bei konstanter zu absorbierender Aufprallenergie sehr starken Schwankungen unterliegen. Schließlich sind neben einem möglichst leichten Gewicht des axial beanspruchten Hohlprofils auch Kostenaspekte zu berücksichtigen, welche im Automobilbau insofern eine Rolle spielen, als dass die höherfesten Werkstoffe einer Werkstoffgruppe üblicherweise technologisch aufwendiger herzustellen sind und folglich bezogen auf den Materialeinsatz höhere Kosten verursachen. Axial beanspruchte Hohlprofile sollen daher mit möglichst geringen Kosten verbunden sein, ein minimales Gewicht aufweisen und die erforderliche Absorption von Aufprallenergie gewährleisten. Als Werkstoffgruppen werden vorliegend verschiedene Metallwerkstoffsysteme, wie beispielsweise Stahl, Aluminiumlegierungen oder Magnesiumlegierungen oder weitere Metalllegierungen angesehen. Aufgrund der Vielzahl von möglichen Werkstoffen und Werkstoffgruppen für derartige Hohlprofile, beispielsweise bei Stahl als Werkstoffgruppe sind Werkstoffe mit Zugfestigkeiten von 200 MPa bis 1500 MPa bekannt, waren bisher umfangreichste Versuche notwendig, um die richtigen Werkstoffe und Blechdicken für jeden einzelnen Anwendungsfall zu finden. Ob ein anderer Werkstoff in der Anwendung verwendbar ist und welche Werkstoffdicke bei diesem Werkstoff heranzuziehen ist, war bisher mit extrem hohem Versuchsaufwand und „Trial-and-Error” Versuchen verbunden.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Auswahl eines Metallwerkstoffs mit einer Werkstoffdicke t aus einer Werkstoffgruppe für axial beanspruchte Hohlprofile mit vorgegebenen Deformationsverhalten vorzuschlagen, welches mit relativ wenig Aufwand eine Bestimmung des Werkstoffs und der notwendigen Werkstoffdicke t für einen vorgegebenen Anwendungsfall auf einfache Weise zu ermöglichen.
Die aufgezeigte Aufgabe wird nach der Lehre der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren mit den folgenden Schritten gelöst:

– Bestimmung der mittleren Kraft F_m für verschiedene Werkstoffdicken t eines Werkstoffs einer Werkstoffgruppe sowie für verschiedene Werkstoffe einer Werkstoffgruppe bei vorgegebener Hohlprofilgeometrie durch Messung des Deformationswegs eines Hohlprofils in Axialcrashversuche unter identischen Axialcrashversuchsbedingungen,
– Bestimmung der mittleren Kraft F_m (R_e, R_m, t) für eine Werkstoffgruppe im Axialcrashversuch in Abhängigkeit von der Zugfestigkeit R_m, der Streckgrenze R_e und der Werkstoffdicke t für unterschiedliche Werkstoffe einer Werkstoffgruppe aus den genannten Axialcrashversuchen,
– Vorgabe einer zu erreichenden mittleren Referenzkraft F_mR und
– Auswahl eines Werkstoffes einer Werkstoffgruppe mit einer Werkstoffdicke t, welcher die vorgegebene mittlere Referenzkraft F_mR im Axialcrashversuch aufnehmen kann, anhand der ermittelten empirischen Funktion F_m (R_e, R_m, t).

Bei einem axial beanspruchten Hohlprofil wird im Falle einer Deformation aufgrund einer axial auftretenden Kraft, beispielsweise durch den Aufprall eines Gewichts auf das Hohlprofil, die auftretende Energie in Deformationsenergie umgewandelt. Im Axialcrashversuchen, beispielsweise unter Verwendung eines Fallturms, wird die kinetische Energie eines Fallgewichts beim Aufprall auf das Hohlprofil in Deformationsenergie umgewandelt. Die kinetische Energie E_kin beim Aufprall des Fallgewichts mit der Masse m und der Geschwindigkeit v beträgt: E_kin = 1 / 2m·ν². (1)
Da die gesamte kinetische Energie des Fallgewichts umgewandelt wird, entspricht die kinetische Energie der Deformationsenergie. Für Deformationsenergie gilt: E = ∫F(s)ds, (2) wobei F(s) die auf das Hohlprofil wirkende Kraft abhängig vom Deformationsweg ist. Bei identischer Hohlprofilgeometrie ergeben Werkstoffe einer Werkstoffgruppe mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften, wie beispielsweise der Zugfestigkeit, ein kontrolliertes Deformationsverhalten vorausgesetzt reproduzierbar unterschiedlich lange Deformationswege, so dass eine mittlere Kraft F_m durch folgende Formel definiert werden kann:
wobei R_m die Zugfestigkeit, R_e die Streckgrenze und t die Dicke des jeweiligen getesteten Werkstoffes darstellt und s der gemessene Deformationsweg ist.
Es wird die mittlere Kraft F_m für verschiedene Werkstoffdicken t eines Werkstoffs einer Werkstoffsgruppe und für verschiedene Werkstoffe innerhalb der Werkstoffgruppe über Axialcrashversuche ermittelt. Dabei wird unter einem Werkstoff einer Werkstoffgruppe beispielsweise eine Stahlgüte verstanden, welche eine spezifische Zugfestigkeit aufweist. Vorzugsweise wird für jede Werkstoffdicke eines Werkstoffs eine Mehrzahl an Versuchen durchgeführt, um die mittlere Kraft F_m, welche das Hohlprofil im Axialcrashversuch aufnimmt, zu bestimmen. Anhand der ermittelten mittleren Kräfte F_m für verschiedene Werkstoffdicken eines Werkstoffs und für verschiedene Werkstoffe, welche sich beispielsweise durch unterschiedliche Streckgrenzen und Zugfestigkeiten unterscheiden, kann die mittlere Kraft F_m in Abhängigkeit von der Zugfestigkeit R_m, der Streckgrenze Re und der Werkstoffdicke t bei vorgegebenem Deformationsverhalten ermittelt werden. Unter vorgegebenem Deformationsverhalten wird davon ausgegangen, dass sich die Ausprägung der Deformation nicht ändert, sondern lediglich der Deformationsweg. Beispielsweise ist dies gewährleistet, sofern sich bei der Deformation gegenüberliegende Punkte des Hohlprofils nicht berühren. Hierdurch schlägt sich im Wesentlich lediglich der Einfluss der veränderten Werkstoffeigenschaften der Werkstoffe, also beispielweise Werkstoffdicke t sowie die Streckgrenze R_e und die Zugfestigkeit R_m in den Axialcrashversuchen nieder. Durch die Vorgabe einer zu erreichenden mittleren Kraft F_mR als mittlere Referenzkraft kann nun anhand der empirisch ermittelten Abhängigkeit der mittleren Kraft F_m einer Werkstoffgruppe von der Streckgrenze R_e, der Zugfestigkeit R_m und der Werkstoffdicke t des jeweiligen Werkstoffs eine Werkstoffdicke t ausgewählt werden, welche bei gegebenem Werkstoff, d. h. bei gegebener Streckgrenze und Zugfestigkeit, die vorgegebene mittlere Kraft F_mR im Axialcrashversuch erreicht. Hierdurch steht eine einfache Möglichkeit zur Verfügung, ohne zusätzliche Versuche aufgrund des empirisch ermittelten, funktionalen Zusammenhangs zwischen der mittleren Kraft F_m und den Streckgrenzen bzw. Zugfestigkeiten und Werkstoffdicken einer Werkstoffgruppe, beispielsweise der Werkstoffgruppe Stahl, einen gewünschten Werkstoff und die notwendige Werkstoffdicke auszuwählen.
Vorzugsweise sollten bei den Axialcrashversuchen Hohlprofile mit einem möglichst isotropen Deformationsverhalten verwendet werden, so dass die Reproduzierbarkeit der ermittelten mittleren Kraft im Axialcrashversuch möglichst groß ist. Vorzugsweise werden dabei Hohlprofile verwendet, welche keine Überlappungsbereiche aufweisen und optional unter Verwendung eines Laserschweißens hergestellt sind. Hierdurch wird der Einfluss der Schweißnaht auf das Deformationsverhalten besonders klein, so dass sich die Schweißnaht nicht negativ auf das Deformationsverhalten auswirkt. Allerdings stehen auch andere Möglichkeiten zur Verfügung ein isotropes Deformationsverhalten des Hohlprofils im Axialcrashversuche bereitzustellen.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden in den Axialcrashversuchen Hohlprofile mit quadratischem Querschnitt senkrecht zur Axialachse verwendet. Es hat sich gezeigt, dass Hohlprofile mit quadratischem Querschnitt senkrecht zur Axialachse besonders reproduzierbare Ergebnisse in den Axialcrashversuchen bereitstellen können, so dass die Axialcrashversuche besonders aussagekräftig sind.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für die mittlere Kraft F_m (R_e, R_m, t) einer Werkstoffgruppe folgende Funktion empirisch ermittelt: F_m(R_e, R_m, t) = c·tⁿ·[p₁·R_e + p₂·(R_m – R_e)], (4) wobei R_e die Streckgrenze, R_m die Zugfestigkeit, c die Kantenlänge des quadratischen Profils in Millimeter und n, p1 und p2 empirisch für die Werkstoffgruppe zu ermittelnde Werte darstellen. Es wurde erkannt, dass der in der genannten Funktion gegebene einfache Zusammenhang zwischen Kantenlänge, Werkstoffdicke sowie Streckgrenze sowie Zugfestigkeit des Werkstoffs bei Hohlprofilen mit quadratischem Querschnitt senkrecht zur Axialachse eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den gemessenen Ergebnissen im Axialcrashversuch und den vorhergesagten mittleren Kräften anhand des funktionalen Zusammenhangs erreicht werden kann. Durch den genannten funktionalen Zusammenhang in Abhängigkeit von der Streckgrenze kann auch die im Herstellverfahren eingetretene Verfestigung, also die Differenz zwischen Zugfestigkeit und Streckgrenze bei der Auswahl des Werkstoffs und der Werkstoffdicke t berücksichtigt werden.
Grundsätzlich gilt der oben genannte Zusammenhang nicht nur für Hohlprofile mit quadratischem Querschnitt senkrecht zur Axialachse, sondern auch für andere Hohlprofilgeometrien, wobei der Faktor c dann zusätzlich empirisch ermittelt werden muss.
Die Reproduzierbarkeit der Axialcrashversuche zur Ermittlung des funktionalen Zusammenhangs der mittleren Kraft F_m mit den Werten der Streckgrenze und Zugfestigkeit eines Werkstoffs bei gegebener Dicke kann dadurch erhöht werden, dass das Verhältnis der Werkstoffdicke t zur Kantenlänge c des quadratischen Hohlprofils ein kritisches Verhältnis (t/c)_kri übersteigt, wobei für (t/c)_kri gilt: ( t / c)_kri = a·R_e, (5) wobei R_e die Streckgrenze des jeweiligen Werkstoffes ist und a ein für jede Werkstoffgruppe zu bestimmender, empirischer Faktor. Es hat sich herausgestellt, dass für jede Werkstoffgruppe bei quadratischem Hohlprofilquerschnitt eine Beziehung aus der Werkstoffdicke und der Kantenlänge des Hohlprofils, d. h. der Kantenlänge des quadratischem Querschnitts, ermittelt werden kann, so dass bei Überschreiten dieses kritischen Verhältnisses ein Deformationsverhalten mit guter Reproduzierbarkeit, beispielsweise durch reproduzierbare Faltenbildung, ohne dass sich die gegenüberliegenden Kanten berühren, gewährleistet werden kann. Denkbar ist, dass für andere Geometrien eines Hohlprofils andere funktionale Zusammenhänge ein reproduzierbares Deformationsverhalten bestimmen.
Oft werden unterschiedliche Werkstoffe innerhalb einer Werkstoffgruppe durch die Angabe der Zugfestigkeiten R_m definiert. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird daher die mittlere Kraft F_m aus den Axialcrashversuchen näherungsweise alleine in Abhängigkeit von der Zugfestigkeit R_m des Werkstoffs und der Werkstoffdicke t bestimmt, so dass gilt: F_m(R_m, t) ≈ c·tⁿ·R x / m, (6) wobei R_m die Zugfestigkeit des Werkstoffes ist, c die Kantenlänge des Hohlprofils in Millimeter und n und x empirisch für jede Werkstoffgruppe zu ermittelnde Werte darstellen. Innerhalb einer Werkstoffgruppe kann dann alleine durch Wahl einer spezifischen Zugfestigkeit R_m die entsprechende Werkstoffdicke t bei vorgegebenen geometrischen Abmessungen des Hohlprofils bestimmt werden, um die geforderten bzw. die vorgegebene mittlere Referenzkraft F_mR im Axialcrashversuch zu erreichen. Die Auswahl des Werkstoffes und seiner Werkstoffdicke wird hierdurch weiter vereinfacht.
Bevorzugt werden die funktionalen Zusammenhänge für die Werkstoffgruppen Stahl, Aluminiumlegierungen, Magnesiumlegierungen verwendet, wobei beispielsweise für jede Werkstoffgruppe die Axialcrashversuche unter Verwendung eines Fallturms durchgeführt werden. Es hat sich gezeigt, dass für die genannten, verschiedenen Werkstoffgruppen aufgrund der ähnlichen physikalischen Randbedingungen innerhalb einer Werkstoffgruppe der funktionale Zusammenhang zwischen F_m im Axialcrashversuch und dem sich daraus ergebenden empirischen Funktionen für Fm (R_e, R_m, t) innerhalb der Werkstoffgruppen angewendet werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für die Werkstoffgruppe Stahl vorzugsweise der folgende funktionale Zusammenhang zwischen der mittleren Kraft F_m bei Hohlprofilen mit quadratischem Querschnitt senkrecht zur Axialachse für die Werkstoffauswahl verwendet: F_m(R_m, t) ≈ c·t^1,89·R 0,893 / m, (7) mit ( t / c) > ( t / c)_kri (8) und ( t / c)_kri = 104·10^–6·R_e. (9)
Es hat sich gezeigt, dass der oben genannte funktionale Zusammenhang zwischen der Zugfestigkeit des ausgewählten Werkstoffs und der Werkstoffdicke t bei vorgegebener Kantenlänge c des quadratischen Hohlprofils für Stahl ausreicht, um anhand der Zugfestigkeit des Werkstoffs die entsprechende Werkstoffdicke auszuwählen, welche die vorgegebene mittlere Kraft F_mR im Axialcrashversuch erreicht.
Die Genauigkeit des numerischen Zusammenhangs zwischen der mittleren Kraft F_m im Crashversuch sowie die daraus resultierende Auswahl des Werkstoffes samt seiner Werkstoffdicke t kann dadurch in der Genauigkeit gesteigert werden, in dem die verwendeten Werkstoffdicken t im Axialcrashversuch eine im Wesentlichen identische Zugfestigkeit und/oder Streckgrenze aufweisen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass beispielsweise die verwendeten Hohlprofile aus identischen Blechen hergestellt werden, wobei die unterschiedlichen Werkstoffdicken t eines Werkstoffes beispielsweise durch ein Abschleifen bereitgestellt werden, so dass keine Verfestigungen im Werkstoff aufgrund eines weiteren Walzprozesses die Streckgrenze oder auch die Zugfestigkeit ändern.
Schließlich kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ein Gewichtseinsparpotential dadurch ermittelt werden, dass ein Referenzwerkstoff mit gegebener Werkstoffdicke t bestimmt wird, beispielsweise der bisher benutzte Werkstoff, die mittlere Referenzkraft F_mR des Referenzwerkstoffes im Axialcrashversuch bestimmt wird und ein anderer Werkstoff mit einer anderen Werkstoffdicke t, welcher die gleiche mittlere Referenzkraft F_mR im Axialcrashversuch aufnehmen kann, ermittelt wird und anhand der Dickendifferenz der verschiedenen Werkstoffe zueinander ein prozentualer Gewichtsunterschied bestimmt wird. Der Gewichtsunterschied ergibt sich allein daraus, dass bei dem gesuchten Werkstoff die Werkstoffdicke nach Möglichkeit herabgesetzt werden kann und dennoch sowohl ein kontrolliertes Deformationsverhalten sowie die gleiche mittlere Referenzkraft F_mR im Axialcrashversuch aufgenommen werden kann. Der Gewichtsvorteil kann dann durch den Einsatz des neuen Werkstoffs mit geringerer Werkstoffdicke im Kraftfahrzeug erzielt werden.
Im Weiteren soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in der einzigen 1 eine schematische Schnittansicht der Axialcrashversuche, welche Grundlage des erfindungsgemäßen Verfahrens sind.
In der einzigen 1 ist ein Hohlprofil 1 zu erkennen, welches einen quadratischen Querschnitt senkrecht zur Axialachse aufweist. Das ebenfalls ins 1 dargestellte Fallgewicht 2 mit einer genau vorgegebenen Masse m wird beispielsweise über einen Fallturm, welcher nicht dargestellt ist, präzise auf die Geschwindigkeit v beschleunigt und trifft mit dieser Geschwindigkeit auf das Hohlprofil 1 auf.
Wie in der 1 zu erkennen ist, wird das Hohlprofil 1 beim Aufprall des Fallgewichtes 2 verformt und zwar unter Ausbildung von symmetrisch verlaufenden Falten. Dieses gewünschte Deformationsverhalten ist sehr gut reproduzierbar und liefert in den Fallversuchen reproduzierbare Ergebnisse im Hinblick auf den gemessenen Verformungsweg.
Für die kinetische Energie des Fallgewichts 2 beim Auftreffen auf das Hohlprofil 1 gilt, wie bereits ausgeführt, E_kin = 1 / 2m·ν² (1).
Diese kinetische Energie wird bei Beendigung des Deformationsvorgangs vollständig in Deformationsenergie über den Deformationsweg s, den das Fallgewicht zurücklegt in Deformationsenergie umgesetzt. Für die Deformationsenergie gilt daher: E = ∫F(s)ds (2).
In einer ersten Nährung kann die Absorption der kinetischen Energie des Fallgewichts 2 durch ein einfaches Produkt einer Kraft bzw. mittleren Kraft F_m multipliziert mit dem Deformationsweg s dargestellt werden. Insofern erhält man aus den im Fallturm genau berechenbaren kinetischen Energien des Fallgewichts beim Aufprall auf das Hohlprofil dividiert durch den jeweilig gemessenen Deformationsweg s eine Kraft bzw. mittlere Kraft F_m, für die also gilt:
Für verschiedene Werkstoffe einer Werkstoffgruppe, beispielsweise Stahl, welche sich durch ihre Streckgrenze und Zugfestigkeit unterscheiden, werden für verschiedene Werkstoffdicken t eines Werkstoffes Fallversuche durchgeführt und die mittlere Kraft F_m in Abhängigkeit der Zugfestigkeit R_m, der Streckgrenze R_e und der Werkstoffdicke t des jeweiligen Werkstoffs einer Werkstoffgruppe aus den Axialcrashversuchen ermittelt. Durch die verschiedenen, getesteten Werkstoffe ergibt sich der empirisch ermittelte funktionale Zusammenhang zwischen der mittleren Kraft F_m und den Werkstoffdaten Zugfestigkeit, Streckgrenze und Werkstoffdicke. Dies ermöglicht es jetzt, bei einer von der Anwendung vorgegebenen mittleren, zu erreichenden Referenzkraft F_mR, welche durch die Vorgabe einer Aufprallgeschwindigkeit der Aufprallmasse im Crashversuch sowie aufgrund der Vorgabe eines möglichen Deformationsweges sich ergibt, die Werkstoffdicke t eines spezifisch ausgewählten Werkstoffes zu ermitteln, welcher die mittlere, zu erreichende Kraft F_mR im Axialcrashversuch erreicht.
Durch das Verfahren ist es daher möglich, ohne umfangreiche Versuche alleine aufgrund des funktionalen Zusammenhangs zwischen Zugfestigkeit, Streckgrenze und Werkstoffdicke, den entsprechenden Werkstoff und die entsprechende Werkstoffdicke auszuwählen, um die anwendungsspezifischen Anforderungen an die Axialbelastung von beispielsweise Längsträgern im Kraftfahrzeug zu berücksichtigen.
Wie bereits zuvor ausgeführt, kann durch das erfindungsgemäße Verfahren ein Werkstoff samt der zugehörigen Werkstoffdicke ermittelt werden, welcher bei dem gegebenen Bauraum zur Deformation des Längsträgers im Kraftfahrzeug und vorgeschriebenen Aufprallenergien die Möglichkeit zur Reduzierung der Materialdicke bzw. der Werkstoffdicke t ermöglicht und gleichzeitig die gewünschte, vorgegebene mittlere Kraft F_mR erreicht.
Die in 1 dargestellten Hohlprofile weisen einen quadratischen Querschnitt senkrecht zur Axialachse auf. Diese quadratischen Hohlprofile können ein festes, vorgegebenes Deformationsverhalten aufweisen. Die Reproduzierbarkeit des Deformationsverhaltens und damit die Messung von reproduzierbaren Deformationswegen s im Axialcrashversuch kann beispielsweise dadurch sichergestellt werden, dass beispielsweise bei Stahl das Verhältnis der Werkstoffdicke t zur Kantenlänge c des quadratischen Hohlprofils größer ist als ein kritisches Verhältnis (t/c)_kri, wobei für das kritische Verhältnis der Werkstoffdicke t und der Kantenlänge c empirisch ermittelt gilt: ( t / c)_kri = 104·10^–6·R_e.
Das bedeutet, dass mit steigender Streckgrenze, d. h. mit höherer Festigkeit des Werkstoffs, die Werkstoffdicke zunehmen muss oder die Kantenlänge abnehmen muss, um ein reproduzierbares Deformationsverhalten, ohne dass sich die gegenüberliegenden Kanten berühren, bereitzustellen.
Die oben genannte Gleichung für das kritische Dicken/Kantenverhältnis wurde empirisch ermittelt und gilt werkstoffübergreifend für die Werkstoffgruppe der Stähle.
In den durchgeführten Versuchen wurden zu jeder Werkstoffdicke t eines jeden Werkstoffs zehn Axialcrashversuche durchgeführt und die Deformation des Hohlprofils vermessen. Aus den ermittelten mittleren Kräften F_m bzw. des Kraftmittelwertes der zehn gemessenen Kräften wurde dann der funktionale Zusammenhang mit der Werkstoffdicke, der Streckgrenze und der Zugfestigkeit gemäß folgender Formel ermittelt: F_m(R_e, R_m, t) = c·tⁿ·[p₁·R_e + p₂·(R_m – R_e)]. (4)
Für die Faktoren n, p1 und p2 ergaben sich für Stahl die folgenden Werte:
n = 1,89
p1 = 0,854
p2 = 0,411.
Anhand der Faktoren p1 und p2 ist zu erkennen, dass der Einfluss der Streckgrenze R_e nahezu doppelt so groß ist wie der Einfluss des Verfestigungspotentials, welches sich aus dem Unterschied zwischen der Zugfestigkeit R_m und der Streckgrenze R_e ergibt.
Mit der so festgestellten Funktion lassen sich jetzt bei vorgeschriebener quadratischer Geometrie also bei gegebener Kantenlänge des quadratischen Profils ein spezifischer Werkstoff und seine Werkstoffdicke t auswählen, um das gewünschte Energieabsorptionsvermögen im Crashtest bereitzustellen.
Darüber hinaus kann beispielsweise für die Werkstoffgruppe Stahl folgender numerischer Zusammenhang nährungsweise für den Kraftmittelwert bzw. die mittleren Kräfte F_m in Abhängigkeit von der Werkstoffdicke t und der Zugfestigkeit R_m berücksichtig werden: F_m(R_m, t) ≈ c·t^1,89·R 0,893 / m. (7)
Anhand eines Referenzwerkstoffes lässt sich jetzt durch Einsetzen der Werte für die Werkstoffdicke t, die Kantenlänge c und der Zugfestigkeit R_m die mittlere Referenzkraft F_mR. Aus diesem numerischen Zusammenhang lässt sich auf besonders einfache Weise die Werkstoffdicke t bei vorgegebener Zugfestigkeit R_m des neuen Werkstoffs durch Vergleich mit einem Referenzwerkstoff durch folgende Formel bestimmen:
Wie man erkennen kann, kann durch eine festgelegte Referenzgüte eine mittlere Referenzkraft F_mR vorgegeben werden und anhand der vorgegebenen Geometrie, d. h. Kantenlänge c des quadratischen Hohlprofils, kann die Werkstoffdicke t in Abhängigkeit von der Zugfestigkeit des jeweiligen Werkstoffs R_m ermittelt werden. Hierdurch lässt sich auch ohne zusätzliche Crashversuche ein Werkstoff mit einer beliebigen Zugfestigkeit auswählen und die zugehörige Werkstoffdicke t ermitteln, um dass vorgeschriebene Crashverhalten einzuhalten.
Für die ermittelte Werkstoffdicke t kann dann ausgehend von beispielsweise einer Reduzierung der Werkstoffdicke eine prozentuale Gewichtsabnahme ermittelt werden, welche erreicht werden kann, ohne dass das Crashverhalten negativ beeinflusst wird. Auch zur Ermittlung des Gewichtseinsparpotentials an dem Bauteil müssen keine neuen Versuche durchgeführt werden.
Grundsätzlich können auch Materialkosten berücksichtigt werden, so dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Berücksichtigung des Gewichtseinsparungspotentials auch eine wirtschaftliche Betrachtungsweise ohne aufwendige Versuche ermöglicht wird.

Claims

Verfahren zur Auswahl eines Metallwerkstoffs mit einer Werkstoffdicke t aus einer Werkstoffgruppe für axial beanspruchte Hohlprofile mit vorgegebenem Deformationsverhalten mit folgenden Schritten: – Bestimmung der mittleren Kraft F_m für verschiedene Werkstoffdicken t eines Werkstoffs einer Werkstoffgruppe bei vorgegebener Hohlprofilgeometrie durch Axialcrashversuche unter identischen Axialcrashversuchsbedingungen, – Bestimmung der mittleren Kraft F_m (R_e, R_m, t) für eine Werkstoffgruppe im Axialcrashversuch in Abhängigkeit von der Zugfestigkeit R_m, der Streckgrenze Re und der Werkstoffdicke t für unterschiedliche Werkstoffe einer Werkstoffgruppe aus den genannten Axialcrashversuchen, – Vorgabe einer zu erreichenden mittleren Kraft F_mR und – Auswahl eines Werkstoffes einer Werkstoffgruppe mit einer Werkstoffdicke t, welcher die vorgegebene mittlere Kraft F_mR im Axialcrashversuch aufnehmen kann, anhand der ermittelten empirischen Funktion F_m (R_e, R_m, t).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Axialcrashversuchen Hohlprofile mit quadratischem Querschnitt senkrecht zur Axialachse verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die mittlere Kraft F_m (R_e, R_m, t) einer Werkstoffgruppe folgende Funktion ermittelt wird: F_m(R_e, R_m, t) = c·tⁿ·[p₁·R_e + p₂·(R_m – R_e)], wobei R_e die Streckgrenze, R_m die Zugfestigkeit, c die Kantenlänge des quadratischen Profils in Millimeter und n, p1 und p2 empirisch für die Werkstoffgruppe zu ermittelnde Werte darstellen.
Verfahren nach einem der Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Werkstoffdicke t zur Kantenlänge c des Hohlprofils ein kritisches Verhältnis (t/c)_kri übersteigt, wobei für (t/c)_kri gilt: ( t / c)_kri = a·R_e, wobei R_e die Streckgrenze des jeweiligen Werkstoffes ist und a ein für jede Werkstoffgruppe zu bestimmender empirischer Faktor.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Kraft F_m näherungsweise alleine in Abhängigkeit von der Zugfestigkeit R_m des Werkstoffs und der Werkstoffdicke t bestimmt wird, so dass gilt: F_m(R_m, t) ≈ c·tⁿ·R x / m, wobei R_m die Zugfestigkeit des Werkstoffes ist, c die Kantenlänge des quadratische Querschnitt senkrecht zur Axialachse des Hohlprofils in Millimeter und n und x empirisch für jede Werkstoffgruppe zu ermittelnde Werte darstellen und der Werkstoff einer Werkstoffgruppe und die Werkstoffdicke t alleine anhand der ermittelten Funktion F(R_m, t) durch Vorgabe einer zu erreichenden mittleren Kraft F_mR ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoffgruppen Stahl, Aluminiumlegierungen, Magnesiumlegierungen verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Werkstoffgruppe Stahl der folgende funktionale Zusammenhang zwischen der mittleren Kraft F_m bei Hohlprofilen mit quadratischem Querschnitt senkrecht zur Axialachse für die Werkstoffauswahl verwendet wird: F_m(R_m, t) ≈ c·t^1,89·R 0,893 / m, mit ( t / c) > ( t / c)_kri und ( t / c)_kri = 104·10^–6·R_e.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Werkstoffe bei unterschiedlichen Werkstoffdicken eine im Wesentlichen identische Zugfestigkeit und/oder Streckgrenze aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Referenzwerkstoff mit gegebener Werkstoffdicke bestimmt wird, die mittlere Kraft F_mR des Referenzwerkstoffes im Axialcrashversuch bestimmt wird und ein anderer Werkstoff mit einer anderen Werkstoffdicke t, welcher die gleiche mittlere Kraft F_mR im Axialcrashversuch aufnehmen kann, ermittelt wird und anhand der Dickendifferenz der verschiedenen Werkstoffe ein prozentualer Gewichtsunterschied bestimmt wird.