DE102013200678A1

DE102013200678A1 - Energieaufnahmestruktur für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102013200678A1
Application number: DE102013200678.0A
Authority: DE
Inventors: Timm Freudenberg; Wolfgang Hahn
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-01-17
Filing date: 2013-01-17
Publication date: 2014-07-17
Also published as: US9452723B2; US20150321631A1; WO2014111388A1; CN105026217A

Abstract

Eine Energieaufnahmestruktur (3) für ein Fahrzeug (2) weist ein Energieaufnahmeelement (6), insbesondere Motorlängsträger, und mindestens ein Aufprallübertragungselement (10) auf, welches Aufprallübertragungselement (10) an eine Seitenwand (9, 9o, 9u, 9r, 9l) des Energieaufnahmeelements (6) angedrückt ist und in einem Aufprallfall an der Seitenwand (9, 9o, 9u, 9r, 9l) entlang führbar ist, wobei das Energieaufnahmeelement (6) ein Faserverbundbauteil ist und das Aufprallübertragungselement (10) eine in das Energieaufnahmeelement (6) einsenkbare Mikrostruktur (11) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energieaufnahmestruktur für ein Fahrzeug, aufweisend ein Energieaufnahmeelement und mindestens ein Aufprallübertragungselement, welches Aufprallübertragungselement an eine Seitenwand des Energieaufnahmeelements angedrückt ist und in einem Aufprallfall an der Seitenwand entlang führbar ist.
Aufprall- oder Crashstrukturen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff („CFK”) werden heute in Fahrzeugen überwiegend als Träger mit einem rechteckigen oder runden Profilquerschnitt ausgelegt. Im Aufprallfall wird zur Energieaufnahme der Versagensmechanismus des sog. „Crushings” angewendet. Beim Crushing erfolgt eine vollständige Desintegration (Pulverisierung) des Trägers vorrangig im Sprödbruch, und zwar sukzessive an einer endseitigen „Crashfront”, die sich mit fortschreitendem Aufprall immer weiter in den Träger hineinarbeitet. Eine weitere Form der Zerstörung der Aufprallstruktur ist die definierte Umlenkung des CFK-Materials um 180° direkt an der Crashfront („Fronding”). Hierbei kommt zum Abbau der kinetischen Energie der Faserbruchmechanismus in Verbindung mit Reibung zur Wirkung.
Die beiden Versagensmechanismen funktionieren bei einem Frontalaufprall in Längsrichtung des Trägers, bei welchem die Kraft senkrecht auf dem Trägerquerschnitt steht. Unter Einfluss von Querkräften versagen jedoch Strukturen, die auf diese Versagensmechanismen ausgelegt sind, weitgehend unkontrolliert und katastrophal, soweit keine aufwändigen konstruktiven Zusatzmaßnahmen zur Aufnahme der Querkräfte vorgesehen sind. Eine analytische Behandlung der Versagensmodi ist derzeit nicht möglich. Daneben zeigt sich eine ungünstige Temperaturabhängigkeit des CFK-Materials, da die absorbierte Energie in der Regel bei höheren Temperaturen abnimmt.
DE 10 2010 020 080 A1 offenbart eine Stoßfängeranordnung für ein Kraftfahrzeug, welche einen Querträger und eine Crashbox aufweist, wobei der Querträger über ein Führungsprofil mit der Crashbox gekoppelt und das Führungsprofil relativ beweglich an der Crashbox angebunden ist, wobei an dem Führungsprofil eine Lasche zur Koppelung mit der Crashbox vorgesehen ist. Jedoch wird hierdurch keine erhöhte Energieabsorption bewirkt.
DE 10 2004 059 545 A1 offenbart eine Einrichtung zur Aufnahme von Energie insbesondere beim Zusammenprall eines Fahrzeugs mit einem Massekörper. Die Energieaufnahmeeinrichtung umfasst ein bewegliches Stoßübertragungselement und eine Sperreinrichtung zur Beeinflussung der Bewegbarkeit des Stoßübertragungselements. Das Stoßübertragungselement ist mittels der Sperreinrichtung in einem ersten, minimalen Aufprallgeschwindigkeitsbereich starr verriegelbar, wohingegen das Stoßübertragungselement in einem zweiten, hohen Aufprallgeschwindigkeitsbereich im Wesentlichen kräftefrei beweglich ist. Die Energieaufnahmeeinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Sperreinrichtung auch in einem dritten, mittleren Aufprallgeschwindigkeitsbereich die Relativbewegung des Stoßübertragungselements innerhalb des gesamten Bewegungshubs erlaubt. Dabei umfasst die Energieaufnahmeeinrichtung eine crashabhängig durch die Sperreinrichtung steuerbare Umformanordnung zur definierten plastischen Umformung von Material, wobei die Umformanordnung durch die Relativbewegung des Stoßübertragungselements antreibbar ist. Jedoch ist diese Umformanordnung nur zur Umformung von metallischem Material geeignet, jedoch nicht für nicht-duktile Faserverbundwerkstoffe.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere eine verbesserte Energieaufnahme an Faserverbundelementen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Energieaufnahmestruktur für ein Fahrzeug, aufweisend ein erstes Element, im Folgenden als „Energieaufnahmeelement” bezeichnet, und mindestens ein zweites Element, im Folgenden als „Aufprallübertragungselement” bezeichnet. Das Aufprallübertragungselement ist an eine Seitenwand des Energieaufnahmeelements angedrückt und ist in einem Aufprallfall an der Seitenwand entlang führbar oder verschiebbar. In anderen Worten wird das Aufprallübertragungselement in einem Aufprallfall oder „Crash”, unter Beibehaltung der Andrückung, zumindest für eine bestimmte Weglänge an der Seitenwand entlang geführt bzw. über die Seitenwand gezogen oder verschoben.
Das Energieaufnahmeelement ist ein Faserverbundbauteil, so dass eine Energieaufnahme nicht durch seine plastische Umformung bewirkt wird. Vielmehr weist das Aufprallübertragungselement eine in das Energieaufnahmeelement bzw. in das Faserverbundbauteil einsenkbare oder eingesenkte Mikrostruktur auf. Dadurch wird ein Formschluss mit dem Energieaufnahmeelement erreicht, so dass im Aufprallfall die Mikrostruktur oberflächlich entsprechend ihrer Eindringtiefe durch das Energieaufnahmeelement „pflügt”, kratzt oder ritzt. Dadurch wird die Seitenwand im Pfad des Energieaufnahmeelements bzw. der Mikrostruktur oberflächlich zerstört. Durch diese oberflächliche Zerstörung wird eine hohe Energieabsorption an dem Energieaufnahmeelement erreicht, ohne das Energieaufnahmeelement durch die Bewegung des Aufprallübertragungselements über die gesamte Tiefe zu zerstören. Durch den Erhalt des Energieaufnahmeelements als solchem weist es dort eine Resttragfähigkeit auf, was ein Aufrechterhalten einer Strukturintegrität nach einem Aufprall ermöglicht. Zudem ist der Versagensmode unabhängig von einem Krafteinleitungswinkel, so dass der Träger selbst auf beliebige Querkräfte dimensioniert werden kann.
Das Maß der Zerstörung der Oberfläche, welche mit der Energieaufnahme korreliert, kann insbesondere durch die Eindring- oder Einpresstiefe der Mikrostruktur, die Anpresskraft während des Aufpralls bzw. der Verschiebung sowie durch die Form und Anordnung der Mikrostruktur beeinflusst werden. Insbesondere wird so eine Kommunalität für verschiedene Fahrzeugvarianten ermöglicht. Die Skalierung der Energieaufnahme und des zugehörigen Kraftniveaus kann folglich bei konstanter Bauteilgeometrie (z. B. in Bezug auf eine Profilquerschnitt und eine Wandstärke) durchgeführt werden.
Dass die Mikrostruktur einsenkbar ist, umfasst den Fall, dass die Mikrostruktur in dem Energieaufnahmeelement eingesenkt ist, also insbesondere auch schon im nicht verschobenen (Ruhe-)Zustand eingesenkt ist. Dass die Mikrostruktur einsenkbar ist, umfasst auch den anderen Fall, dass die Mikrostruktur im Ruhezustand noch nicht oder nur in einem geringen Maß in dem Energieaufnahmeelement eingesenkt ist, sich aber mit Verschiebung relativ zu dem Energieaufnahmeelement darin einsenkt oder eindrückt.
Die Energieaufnahmestruktur mag beispielsweise eine Aufprall- oder Crash-Struktur des Fahrzeugs sein, z. B. eine vorderseitige oder rückseitige Crash-Struktur.
Das Fahrzeug mag insbesondere ein Kraftfahrzeug, insbesondere Personenkraftfahrzeug, sein.
Das Energieaufnahmeelement mag insbesondere ein Motorlängsträger („MLT”) sein.
Das Energieaufnahmeelement als Faserverbundbauteil mag insbesondere glasfaserverstärkten Kunststoff, kurz GFK genannt, kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff, auch CFK genannt, oder Aramid als Faserverbundmaterial aufweisen.
Die Mikrostruktur mag sich insbesondere dadurch auszeichnen, dass die einzelnen Strukturelemente (z. B. einzelne Zähne) Größenwerte im Mikrometerbereich aufweisen, also einen Millimeter nicht überschreiten. So mag insbesondere eine Eindringtiefe auf einen Wert von einem Millimeter oder weniger beschränkt sein. Dies ist wesentlich geringer als eine Wandstärke einer zugehörigen Seitenwand von typischerweise mindestens drei Millimetern oder mehr. Die vergleichsweise geringe Höhe der Mikrostruktur verhindert eine vollständige Zerstörung der Seitenwand über ihre gesamte Tiefe im Pfad der Mikrostruktur. Jedoch ist die Mikrostruktur nicht darauf beschränkt. Beispielsweise mag eine Eindringtiefe auch mehr als einen Millimeter messen, beispielsweise wenn eine Dicke des Energieaufnahmeelements mehr als drei Millimeter misst. Es ist eine Weiterbildung, dass eine Höhe oder eine Eindringtiefe. der Mikrostruktur nicht mehr als ein Drittel einer Dicke des Energieaufnahmeelements unterhalb der Mikrostruktur beträgt, bevorzugt nicht mehr als ein Viertel der Dicke. So kann ebenfalls erreicht werden, dass das Energieaufnahmeelement nur oberflächlich zerstört wird.
Dass das Aufprallübertragungselement in einem Aufprallfall an der Seitenwand entlang führbar ist, bedeutet im Umkehrschluss, dass in einem Ruhe- oder Normalzustand ohne Aufprall oder in einem Aufprallfall mit einer so geringen Energie, dass das Aufprallübertragungselement nicht (relativ) verschoben wird, das Aufprallübertragungselement an einer Normal- oder Ruheposition an dem Energieaufnahmeelement verbleibt.
Damit die Mikrostruktur sich während ihrer Verschiebung nicht abnutzt oder selbst zerstört wird, ist es vorteilhaft, dass sie eine höhere Härte und/oder Festigkeit aufweist als das Faserverbundmaterial.
Es ist eine Weiterbildung, dass das Aufprallübertragungselement eine Mikrostruktur aus Metall und/oder Keramik aufweist. Insbesondere mag das Aufprallübertragungselement aus Metall bestehen, z. B. aus Stahl.
Eine Biegung des Energieaufnahmeelements während der Führung bzw. Verschiebung des Aufprallübertragungselements könnte zu einer ungleichmäßigen Zerstörung seiner Oberfläche führen. Daher wird es bevorzugt, dass das Energieaufnahmeelement ein praktisch biegesteifes und biegefestes Element ist.
Es ist eine Weiterbildung, dass das Aufprallübertragungselement in einem Aufprallfall von einer Crashbox, einer Deformationsbox („Defobox”) oder einem Stoßfänger an der Seitenwand entlang führbar ist. Das Aufprallübertragungselement mag alternativ einen, Teil dieser Funktionselemente darstellen.
Es ist eine Ausgestaltung, dass das Aufprallübertragungselement in einem Normal- oder Ruhezustand (ohne. Aufprall oder mit einem nur geringen Aufprall) mit dem Energieaufnahmeelement formschlüssig mikroverzahnt ist. Dadurch wird eine Energieaufnahme oder ein Energieabbau schon unmittelbar zu Beginn einer Relativverschiebung dieser beiden Elemente erreicht. Unter einer Mikroverzahnung kann insbesondere eine spielfrei ineinandergreifende Formgebung der eingesenkten Mikrostruktur und des entsprechenden Bereichs des Energieaufnahmeelements verstanden werden. Insbesondere mögen die beiden Elemente dort eine komplementäre Form aufweisen.
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass mindestens ein Aufprallübertragungselement an einer Außenseite der Seitenwand des Energieaufnahmeelements bzw. Faserverbundbauteils angeordnet ist. Dies ermöglicht eine besonders einfache Anbringung und ist auch bei einem nicht-hohlen bzw. vollen Energieaufnahmeelement anwendbar.
Es ist eine weitere Ausgestaltung, dass mindestens ein Energieaufnahmeelement ein hohles Element, insbesondere Hohlprofil, ist und das Aufprallübertragungselement an einer Innenseite der Seitenwand angeordnet ist. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Bauweise.
Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass mindestens ein Verformungselement eine Mikrostruktur mit einem Feld kegelartiger (d. h. kegelförmiger und/oder kegelstupfförmiger) und/oder pyramidenartiger (d. h. pyramidenförmiger und/oder pyramidenstumpfförmiger) (Mikro)-Vorsprünge aufweist. Diese ermöglichen einen Energieabbau, welcher zumindest weitgehend unabhängig von einer Verschiebungsrichtung des Aufprallübertragungselements ist.
Es ist auch eine Ausgestaltung, dass mindestens ein Aufprallübertragungselement eine Mikrostruktur mit einem Feld parallel zueinander angeordneter, länglicher Vorsprünge aufweist. Die länglichen Vorsprünge mögen beispielsweise eine dreieckförmige Querschnittsform aufweisen und z. B. eine walmdachartige Grundform aufweisen. Die länglichen Vorsprünge können auch als Rippen angesehen werden. Eine solche Mikrostruktur weist den Vorteil auf, dass bei einer Ausrichtung der länglichen Vorsprünge in einer vorgesehenen Verschiebungsrichtung ein gleichmäßiger Energieabbau über den Weg unterstützt wird, beispielsweise durch eine Reduktion einer Last- oder Kraftspitze zu Beginn des Verfahrvorgangs. Auch wird bei dieser Ausgestaltung ein Materialabtransport von zerstörtem Faserverbundmaterial aus dem Pfad des Aufprallübertragungselements heraus unterstützt. Dadurch kann einer Materialansammlung unter dem Aufprallübertragungselement entgegengewirkt werden.
Es ist außerdem eine Ausgestaltung, dass mindestens ein Aufprallübertragungselement eine Mikrostruktur mit einem Feld V-förmiger Vorsprünge aufweist. Auch dies bewirkt, insbesondere falls die V-förmigen Vorsprünge mit ihrer Spitze in eine vorgesehene Verschiebungsrichtung ausgerichtet sind, einen gleichmäßigeren Energieabbau. Auch hier wird ein Materialabtransport von zerstörtem Faserverbundmaterial unterstützt.
Jedoch ist die Form der Mikrostruktur nicht darauf beschränkt und mag beispielsweise auch ein Feld unregelmäßig angeordneter und/oder unregelmäßig geformter Vorsprünge aufweisen. Die unregelmäßigen Mikrostrukturen mögen insbesondere eine rauhe Oberfläche mit einer definierten Rauhigkeit bilden.
Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass das Energieaufnahmeelement ein Profilelement ist, also ein längliches Element ist, welches zumindest über einen Abschnitt, über den das Aufprallübertragungselement geführt wird („Pfad”), eine zumindest im Wesentlichen gleiche Querschnittsform aufweist. Dabei kann es lokal zu geringfügigen Abweichungen von der Grundform kommen, z. B. durch Vorsehen von Löchern o. ä. Die Ausgestaltung als Profilelement weist den Vorteil auf, dass eine Verschiebung oder ein Pfad des Aufprallübertragungselements in einer zur Längserstreckung des Energieaufnahmeelements parallelen Ebene erfolgen kann, insbesondere geradlinig. So wiederum wird eine gleichförmige Verschiebung des Aufprallübertragungselements gegen das Energieaufnahmeelement erreicht, und auch ein gleichmäßiger Energieabbau.
Das Energieaufnahmeelement mag beispielsweise ein O-förmiges, U-förmiges oder C-förmiges Profilelement sein, insbesondere mit einem rechteckigen Querschnitt.
Jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, und das Energieaufnahmeelement mag beispielsweise eine sich über die Länge des Pfads des Aufprallübertragungselements ändernde Querschnittsform und/oder Größe aufweisen. Beispielsweise mag das Energieaufnahmeelement sich in Richtung des Pfads des Aufprallübertragungselements aufweien und sich so ggf. ein Anpressdruck, damit ein Zerstörungsgrad und folglich eine Energieaufnahme des Energieaufnahmeelements mit steigender Verschiebungslänge erhöhen.
Es ist außerdem eine Ausgestaltung, dass mindestens ein Aufprallübertragungselement plattenförmig ist. Dies weist den Vorteil einer einfachen Herstellung auf. Insbesondere mag eine Seite der Platte zumindest teilweise in Kontakt mit dem Energieaufnahmeelement stehen und eine zugehörige Kontaktfläche die Mikrostruktur aufweisen. Die Mikrostruktur mag zusammenhängend oder in mehreren voneinander beabstandeten Teilflächen auf dem Aufprallübertragungselement angeordnet sein.
Es ist zudem eine Ausgestaltung, dass mindestens ein Aufprallübertragungselement mittels mindestens einer Schraube oder eines Niets an zumindest einer Seitenwand des (dann hohlen) Energieaufnahmeelements befestigt ist. Dadurch kann erstens das Aufprallübertragungselement im Normalzustand sicher und präzise an dem Energieaufnahmeelement befestigt werden. Zweitens kann so im Aufprallfall eine noch größere Menge an Energie auf das Energieaufnahmeelement übertragen werden, da mit der Verschiebung des Aufprallübertragungselements auch die mindestens eine Schraube oder der eine Niet durch das Energieaufnahmeelements gezogen wird. Dadurch wird in dem Pfad der Schraube oder des Niets eine durchgehende Rissspur durch das Energieaufnahmeelements gezogen bzw. hinter der Schraube oder dem Niet ein Schlitz erzeugt, für deren Erzeugung zusätzlich Energie benötigt wird. Der verwendete Versagensmechanismus beruht auf der Lochleibung. Hierbei bleiben zwischen der mindestens einen Rissspur Streifen von nur oberflächlich zerstörtem Faserverbundmaterial bestehen, so dass trotz der hohen Energieaufnahme das Energieaufnahmeelement eine Restfestigkeit bzw. Resttragfähigkeit aufweist. Die Verwendung der mindestens einen Schraube oder des einen Niets weist den weiteren Vorteil auf, dass so eine Andrückkraft des Aufprallübertragungselements auf das Energieaufnahmeelement einstellbar ist. Eine besonders präzise Einstellung ist bei Verwendung einer Schraube gegeben.
Die Schraube oder der Niet mag in einer Weiterbildung nur durch diejenige Wand des Energieaufnahmeelements geführt sein, an welcher das zugehörige Aufprallübertragungselement befestigt ist. In einer anderen Weiterbildung mag die Schraube oder der Niet durch zwei, insbesondere gegenüberliegende, Wände geführt sein. Insbesondere mag an gegenüberliegenden Wänden des (dann hohlen) Energieaufnahmeelements jeweils ein Aufprallübertragungselement befestigt sein, insbesondere mittels mindestens einer gemeinsamen Schraube. Dies ermöglicht eine besonders gleichmäßige Energieaufnahme auf beiden Seiten als auch eine besonders einfache Montage.
Anstelle oder zusätzlich zu der mindestens einen Schraube und/oder des mindestens einen Niets mag auch jedes andere Befestigungselement verwendet werden, welches das Aufprallübertragungselement mit dem Energieaufnahmeelement formschlüssig, und bevorzugt auch kraftschlüssig, verbindet und welches Rissspuren in dem Energieaufnahmeelement erzeugen kann.
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass das plattenförmige Aufprallübertragungselement vor der Montage vorgekrümmt ist und im montierten Zustand gegen seine Krümmung an dem Energieaufnahmeelements befestigt ist. So wird eine besonders hohe Anpress- oder Andrückkraft erzeugt, was eine ausreichende Einsatztiefe oder Eindringtiefe der Mikrostruktur in dem Energieaufnahmeelement auch bei hohen Verschiebegeschwindigkeiten des Aufprallübertragungselements besonders zuverlässig sicherstellt. Insbesondere mag das Aufprallübertragungselement von dem Energieaufnahmeelement abstehend vorgekrümmt sein.
Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass zumindest ein Aufprallübertragungselement ein Bimetallelement ist, welches mit zunehmender Temperatur eine höhere Andrückkraft oder Anpresskraft bewirkt. Dadurch kann eine bei höherer Temperatur geringfügigere Energieaufnahme von Faserverbundmaterial zumindest teilweise kompensiert werden.
Es ist ferner eine weitere Ausgestaltung, dass zumindest ein Aufprallübertragungselement ein Bimetallelement ist, welches mit zunehmender Temperatur eine größere Fläche der eingesenkten Mikrostruktur bereitstellt. Auch so wird erreicht, dass eine bei höherer Temperatur geringfügigere Energieaufnahme von Faserverbundmaterial zumindest teilweise kompensiert werden kann. Die Bereitstellung der größeren Fläche der Mikrostruktur kann beispielsweise realisiert werden, indem das Aufprallübertragungselement ein Bimetallelement ist, das teilweise von dem Energieaufnahmeelement weggekrümmt ist und dessen Krümmung sich mit steigender Temperatur verkleinert. Dadurch liegt mit steigender Temperatur eine größere Fläche der Mikrostruktur auf dem Energieaufnahmeelement auf.
Grundsätzlich mag die Energieaufnahmestruktur ein oder mehrere Energieaufnahmeelemente aufweisen, welchen wiederum jeweils ein oder mehrere Aufprallübertragungselemente zugeordnet sein können.
Zur Montage des Aufprallübertragungselements an dem Energieaufnahmeelement wird es bevorzugt, die Mikrostruktur in das Energieaufnahmeelement einzusenken, insbesondere einzupressen. Anschließend kann, insbesondere nach Ausprägen eines Formschlusses, der Anpressdruck gegebenenfalls reduziert werden. Der verbleibende (reduzierte) Anpressdruck ist bevorzugt so dimensioniert, dass die Verzahnung während der (Relativ-)Verschiebung im Energieaufnahmeelement verbleibt und sich nicht aus der Oberfläche des Energieaufnahmeelements löst.
In den folgenden Figuren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen schematisch genauer beschrieben. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
1 zeigt in Draufsicht eine Skizze eines Vorderwagenaufbaus mit einer zugehörigen Aufprallstruktur;
2 zeigt in Schrägansicht den Motorlängsträger im Ruhezustand mit mehreren daran befestigten Aufprallübertragungselementen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
3 zeigt in Schrägansicht den Motorlängsträger gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel im Aufprallzustand;
4 zeigt in Schrägansicht den Motorlängsträger im Ruhezustand mit mehreren daran befestigten Aufprallübertragungselementen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
5 zeigt in Schrägansicht den Motorlängsträger gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel im Aufprallzustand;
6 zeigt in Schrägansicht eine mögliche Mikrostruktur eines Aufprallübertragungselements;
7 zeigt in Schrägansicht eine weitere mögliche Mikrostruktur eines Aufprallübertragungselements;
8 zeigt in Schrägansicht noch eine weitere mögliche Mikrostruktur eines Aufprallübertragungselements;
9 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht den Motorlängsträger im Ruhezustand mit einem daran befestigten Aufprallübertragungselement gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel; und
10 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht den Motorlängsträger im Ruhezustand mit einem daran befestigten Aufprallübertragungselement gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
1 zeigt in Draufsicht eine Skizze eines Vorderwagenaufbaus 1 eines Personenkraftwagens 2 mit einer zugehörigen Energieaufnahmestruktur in Form einer Crash- oder Aufprallstruktur 3. Die Aufprallstruktur 3 weist einen vorderen Stoßfänger 4 auf, welcher an zwei Crashboxen 5 befestigt ist. Die Crashboxen 5 sind in dem gezeigten normalen Zustand oder Ruhezustand teilweise in Energieaufnahmeelemente in Form von jeweiligen Motorlängsträgern 6 eingeführt. Die Motorlängsträger 6 sind als röhrenförmige Hohlprofile aus CFK mit einer rechteckigen Querschnittsform ausgebildet. Auch die Crashboxen 5 weisen eine rechteckige Grundform auf und sind in dem Motorlängsträger 6 längsverschieblich angeordnet.
Bei einem Frontalaufprall mit höherer Geschwindigkeit, welcher durch den Pfeil C angedeutet ist, wird der Stoßfänger 4 mit den Crashboxen 5 bisher so verschoben, dass sie auf die Motorlängsträger 6 prallen und diese unter Energieabgabe zerstören. Da die Motorlängsträger 6 aus CFK bestehen, wird Energie nicht durch plastische Verformung aufgenommen, sondern die Motorlängsträger 6 werden bisher durch vollständige Desintegration (Pulverisierung) und/oder Umlenkung des CFK-Materials (Fronding) zerstört. Unter Einfluss von Querkräften, wie sie beispielsweise bei einem seitlichen Aufprall auftreten, versagen bisherige Motorlängsträger 6 jedoch bisher weitgehend unkontrolliert und katastrophal, z. B. durch Einknicken, unter einer merklich geringeren Energieaufnahme.
2 zeigt in Schrägansicht den Motorlängsträger 6 in einem Ruhezustand oder normalen Zustand mit mehreren daran befestigten Aufprallübertragungselementen 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. In jeder Seitenwand 9 des Motorlängsträgers 6 ist dazu außenseitig ein jeweiliges plattenförmiges Aufprallübertragungselement 10 eingesenkt, nämlich an einer rechtsseitigen Seitenwand 9r, an einer oberseitigen Wand 9o, an einer linksseitigen Seitenwand 9l und an einer unterseitigen Seitenwand 9u. Die Aufprallübertragungselemente 10 bestehen aus Metall, z. B. Stahl, und weisen an ihrer in die Seitenwände 9 eingesenkten Seite eine Mikrostruktur 11 aus vorstehenden Mikrovorsprüngen auf, wie in dem Ausschnitt A in Schnittansicht gezeigt.
Wie weiter in Ausschnitt A gezeigt, ist die Mikrostruktur 11 formschlüssig in die Außenseite der hier beispielhaft herausgegriffenen Seitenwand 9o eingesenkt, so dass die Seitenwand 9o dort eine komplementäre Form annimmt. Eine Eindringtiefe der Mikrostruktur 11 beträgt nicht mehr als einen Millimeter, was erheblich geringer als eine Wandstärke der Seitenwand 9o von mehr als drei Millimetern ist.
Die Aufprallübertragungselemente 10 können insbesondere an den Motorlängsträger 6 angedrückt oder angepresst sein, z. B. mittels einer entsprechenden Anpresseinrichtung oder mittels entsprechender Befestigungselemente wie Schrauben oder Nieten (0. Abb., siehe auch 4 und 5).
In einer alternativen Ausgestaltung liegen die Aufprallübertragungselemente 10 im Ruhezustand nur unter Druck auf der Seitenwand 9 auf, wobei die Mikrostruktur 11 nur teilweise oder noch gar nicht in die Seitenwand 9 eingesenkt ist. Erst mit Verschiebung im Aufprallfall erhöht sich die Eindringtiefe, so dass sich die Aufprallübertragungselemente 10 bzw. deren Mikrostruktur 11 dann bis zur Höhe der Mikrostruktur 11 in die Seitenwand 9 „eingraben” können.
3 zeigt in Schrägansicht den Motorlängsträger 6 im Aufprallfall. Im Aufprallfall werden die Aufprallübertragungselemente 10 entlang einer Verschiebungsrichtung V entlang der zugehörigen Seitenwände 9 bzw. 9o, 9u, 9r, 9l verschoben und bleiben dabei angedrückt. Die außenseitigen Aufprallübertragungselemente 10 können beispielsweise von einer zugehörigen Crashbox 5 oder einem damit verbundenen Bauteil verschoben werden. Bei dem Verschieben ritzt oder pflügt die Mikrostruktur 11 oberflächlich durch die Seitenwände 9 und zerstört in seinem Pfad P das Faserverbundmaterial, hier: ein CFK-Material. Jedoch werden die Seitenwände 9 nicht über ihre gesamte Tiefe oder Dicke zerstört, so dass sie eine signifikante Strukturfestigkeit behalten.
Alternativ oder zusätzlich mag mindestens ein Aufprallübertragungselement 10 an einer Innenseite der Seitenwände 9 der Motorlängsträger 6 eingesenkt sein (o. Abb.) Beispielsweise mag ein solches Aufprallübertragungselement 10 in eine der Crashboxen 5 integriert sein, oder eine Crashbox 5 als Träger für mindestens ein Aufprallübertragungselement 10 dienen.
4 zeigt in Schrägansicht den Motorlängsträger 6 im Ruhezustand mit mehreren daran befestigten Aufprallübertragungselementen 10, welche nun mittels Schrauben 12 an die Seitenwände 9 angeschraubt sind. Die Schrauben 12 sind dazu ganz durch die jeweiligen Seitenwände 9 geführt. Mittels gezielten Anziehens der Schrauben 12 lässt sich der Anpressdruck der Aufprallübertragungselemente 10 auf die Seitenwände 9 genau einstellen.
Die Schrauben 12 können beispielsweise in Längsrichtung (d. h., seriell zu der Längsachse L oder in einer vorgesehenen Verschiebungsrichtung V) in Reihe hintereinander angeordnet sein. Dies ermöglicht eine besonders sichere Befestigung der Aufprallübertragungselemente 10. Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, wie hier gezeigt, Schrauben 12 parallel versetzt zur der Längsachse L des Motorlängsträgers 6 oder der Verschiebungsrichtung V anzuordnen. Dies mag ebenfalls eine besonders sichere Befestigung der Aufprallübertragungselemente 10 bewirken, und ferner eine hohe Zahl an Schrauben 12, womit eine Erhöhung der Energieaufnahme erreicht werden kann. Jedoch sind grundsätzlich auch andere Anordnungen möglich. Die nicht dargestellte Crashbox 5 ist in die gezeigte vordere Öffnung des Motorlängsträgers 6 eingeführt, und zwar maximal auf Anschlag mit den Schrauben 12.
Zusätzlich oder alternativ zu den Schrauben 12, welche nur durch eine der Seitenwände 9 bzw. 9o, 9u, 9r, 9l geführt sind, ist es beispielsweise auch möglich, entsprechend längere Schrauben durch gegenüberliegende Seitenwände 9 (z. B. 9o und 9u bzw. 9r und 9l) zu führen und so mit einer Schraube zwei Aufprallübertragungselemente 10 zu befestigen. Eine solche durchgehende Schraube ist gepunktet angedeutet und würde hier die Aufprallübertragungselemente 10 der rechtsseitigen Seitenwand 9r und der linksseitigen Seitenwand 9l zusammenziehen und diese so an die zugehörigen Seitenwände 9r bzw. 9l andrücken oder anpressen. Dies ermöglicht eine besonders gleichmäßige Energieaufnahme auf beiden sich gegenüberliegenden Seitenwänden 9 sowie eine erleichterte Montage.
5 zeigt in Schrägansicht den Motorlängsträger 6 im Aufprallfall. Die Crashbox 5 hat nun die Aufprallübertragungselemente 10 in der Verschiebungsrichtung V nach hinten verschoben, wobei nun neben der Zerstörung der Außenseite der Seitenwände 9 des Motorlängsträgers 6 in ihrer Spur die Schrauben 12 durch die Seitenwände 9 ziehen und so durchgehenden Schlitze oder Rissspuren 14 zur erhöhten Energieaufnahme bilden. Jedoch werden die Seitenwände 9 nicht wie bei einer Crashfront vollständig zerstört, sondern weisen eine nicht vernachlässigbare Strukturfestigkeit auf. Die Crashbox 5 o. ä. kann zum Verschieben der Aufprallübertragungselemente 10 auf die Aufprallübertragungselemente 10 als solches und/oder auf die Schrauben 12 drücken. Zur Erzeugung langer Rissspuren 14 wird eine parallel versetzte Anordnung der Schrauben 12 bevorzugt.
6 zeigt in Schrägansicht eine mögliche Mikrostruktur 11 des Aufprallübertragungselements 10. Die Mikrostruktur 11 weist hier ein Feld dicht gepackter Mikrovorsprünge in Form von pyramidenartigen Zähnen 15 auf. Diese Zähne 15 weisen eine Höhe von nicht mehr als einem Millimeter auf.
7 zeigt in Schrägansicht eine weitere mögliche Mikrostruktur 11 des Aufprallübertragungselements 10. Die Mikrostruktur 11 weist hier ein Feld dicht gepackter Mikrovorsprünge in Form von walmdachartigen Rippen 16 mit einer Höhe von nicht mehr als einem Millimeter auf. Die Rippen 16 sind vorzugsweise parallel zu der vorgesehenen Verschiebungsrichtung V des Aufprallübertragungselements 10 ausgerichtet. Die Verwendung der Rippen 16 erlaubt eine effektivere Verräumung oder Verdrängung zerstörten Faserverbundmaterials als die Zähne 15 sowie eine gleichmäßigere Belastung.
8 zeigt in Schrägansicht noch eine weitere mögliche Mikrostruktur 11 des Aufprallübertragungselements 10. Die Mikrostruktur 11 weist ein Feld dicht gepackter Mikrovorsprünge in Form V-förmiger Rippen 17 auf, die in der vorgesehenen Verschiebungsrichtung V des Aufprallübertragungselements 10 ausgerichtet sind. Die Rippen 17 erlauben eine noch effektivere Verräumung oder Verdrängung zerstörten Faserverbundmaterials sowie ebenfalls eine gleichmäßigere Belastung.
9 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht den Motorlängsträger 6 im Ruhezustand mit einem daran befestigten Aufprallübertragungselement 10, wobei das plattenförmige Aufprallübertragungselement 10 vorgekrümmt ist, insbesondere von dem Motorlängsträger 6 weggekrümmt. Die Aufprallübertragungselement 10 ist im vormontierten, gekrümmten Zustand gestrichelt dargestellt und im montierten, geradegedrückten Zustand mit durchgezogenen Linien dargestellt. Die Krümmung bzw. der Krümmungsradius und damit der Anpressdruck lassen sich durch die beiden Schrauben 12 einfach und präzise einstellen. Es lässt sich ein erheblich höherer und zudem einfacher reproduzierbarer Anpressdruck erreichen als bei einem nicht-vorgekrümmten Aufprallübertragungselement 10. Die Mikrostruktur mag sich zumindest zwischen den beiden Schrauben 12 bzw. den zugehörigen Durchgangsbohrungen 19 befinden und sich ggf. auch seitlich darüber hinaus erstrecken.
10 zeigt einen Ausschnitt aus dem Motorlängsträger 6 im Ruhezustand mit einem daran befestigten plattenförmigen Aufprallübertragungselement 10, welches hier als ein Bimetallelement in einer Form ähnlich der Form aus 9 ausgebildet. Das Aufprallübertragungselement 10 steht durch den Bimetalleffekt bei geringen Temperaturen T an einem seitlich der Schrauben 12 vorhandenen freien Endbereich 20 hoch, so dass eine Mikrostruktur 11 des Aufprallübertragungselement 10 nur zwischen den Schrauben 12 in die Seitenwand 9 des Motorlängsträgers 6 eingesenkt ist. Mit steigender Temperatur verringert sich die Krümmung des freien Endbereichs 20 und dieser senkt sich fortschreitend auf die Seitenwand 9. Da auch der freie Endbereich 20 an seiner der Seitenwand 9 zugewandten Seite mit einer Mikrostruktur ausgerüstet ist, erhöht sich also mit steigender Temperatur T die in Kontakt mit der Seitenwand 9 stehende Fläche der Mikrostruktur und damit eine Energieaufnahme. Diese erhöhte Energieaufnahme durch eine großflächigere Kontaktierung kompensiert eine niedrigere Energieaufnahme von Faserverbundwerkstoffen bei höheren Temperaturen T.
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt.
So können anstelle von Schrauben auch Nieten oder Bolzen verwendet werden.
Allgemein können die Merkmale der obigen Ausführungsbeispiele beliebig gegeneinander ausgetauscht und/oder kombiniert werden.
Allgemein kann unter ”ein”, ”eine” usw. eine Einzahl oder eine Mehrzahl verstanden werden, insbesondere im Sinne von ”mindestens ein” oder ”ein oder mehrere” usw., solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist, z. B. durch den Ausdruck ”genau ein” usw.
Auch kann eine Zahlenangabe genau die angegebene Zahl als auch einen üblichen Toleranzbereich umfassen, solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist.
Bezugszeichenliste

1: Vorderwagenaufbau
2: Personenkraftwagen
3: Crash- oder Aufprallstruktur
4: vorderer Stoßfänger
5: Crashbox
6: Motorlängsträger
9: Seitenwand
9l: linksseitige Seitenwand
9o: oberseitige Wand
9r: rechtsseitige Seitenwand
9u: unterseitige Seitenwand
10: Aufprallübertragungselement
11: Mikrostruktur
12: Schraube
14: Rissspur
15: pyramidenartiger Zahn
16: walmdachartige Rippe
17: V-förmige Rippe
19: Durchgangsbohrung
20: Endbereich
A: Ausschnitt
C: Frontalaufprall
L: Längsachse
P: Pfad
T: Temperatur
V: Verschiebungsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010020080 A1 [0004]
DE 102004059545 A1 [0005]

Claims

Energieaufnahmestruktur (3) für ein Fahrzeug (2), aufweisend – ein Energieaufnahmeelement (6), insbesondere Motorlängsträger, und mindestens ein Aufprallübertragungselement (10), – welches Aufprallübertragungselement (10) an eine Seitenwand (9, 9o, 9u, 9r, 9l) des Energieaufnahmeelements (6) angedrückt ist und in einem Aufprallfall an der Seitenwand (9, 9o, 9u, 9r, 9l) entlang führbar ist, wobei – das Energieaufnahmeelement (6) ein Faserverbundbauteil ist und – das Aufprallübertragungselement (10) eine in das Energieaufnahmeelement (6) einsenkbare Mikrostruktur (11) aufweist.
Energieaufnahmestruktur (3) nach Anspruch 1, wobei das Aufprallübertragungselement (10) in einem Normalzustand mit dem Energieaufnahmeelement (6) formschlüssig mikroverzahnt ist.
Energieaufnahmestruktur (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Aufprallübertragungselement (10) an, einer Außenseite der Seitenwand (9) des Energieaufnahmeelements (6) angeordnet ist.
Energieaufnahmestruktur (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Energieaufnahmeelement (6) ein Hohlprofil ist und das Aufprallübertragungselement (10) an einer Innenseite der Seitenwand (9) des Energieaufnahmeelements (6) angeordnet ist.
Energieaufnahmestruktur (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Verformungselement eine Mikrostruktur (11) mit einem Feld kegelartiger oder pyramidenartiger Vorsprünge (15) aufweist.
Energieaufnahmestruktur (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Aufprallübertragungselement (10) eine Mikrostruktur (11) mit einem Feld parallel zueinander angeordneter, länglicher Vorsprünge (16) aufweist.
Energieaufnahmestruktur (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Aufprallübertragungselement (10) eine Mikrostruktur (11) mit einem Feld V-förmiger Vorsprünge (17) aufweist.
Energieaufnahmestruktur (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Energieaufnahmeelement (6) ein Profilelement ist.
Energieaufnahmestruktur (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Aufprallübertragungselement (10) plattenförmig ist und mittels mindestens einer Schraube (12) oder eines Niets an zumindest einer Seitenwand (9) des Energieaufnahmeelements (6) befestigt ist.
Energieaufnahmestruktur (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das plattenförmige Aufprallübertragungselement (10) vorgekrümmt ist.
Energieaufnahmestruktur (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Aufprallübertragungselement (10) ein Bimetallelement ist, welches mit zunehmender Temperatur (T) eine höhere Andrückkraft bewirkt.
Energieaufnahmestruktur (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Aufprallübertragungselement (10) ein Bimetallelement ist, welches mit zunehmender Temperatur (T) eine größere Fläche der eingesenkten Mikrostruktur (11) bereitstellt.