DE102014009337B4 - Stoßfängersystem für ein Fahrzeug - Google Patents

Abstract

Stoßfängersystem (1) für ein Fahrzeug umfassend mindestens einen Biegeträger (2) aus einem metallischen Werkstück mit einem wellenförmigen Querschnitt, wobei die Wellenform (3) derart ausgebildet ist, dass der Biegeträger (2) mindestens ein Wellental (4) und mindestens zwei Wellenberge (5) aufweist, und mindestens ein Deformationselement (6), das mit dem Biegeträger (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in dem Wellental (4) zumindest bereichsweise Versteifungsfelder (13) eingebracht sind.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Stoßfängersystem für ein Fahrzeug umfassend mindestens einen Biegeträger aus einem metallischen Werkstück mit einem wellenförmigen Querschnitt, wobei die Wellenform derart ausgebildet ist, dass der Biegeträger mindestens ein Wellental und mindestens zwei Wellenberge aufweist, und mindestens ein Deformationselement, das mit dem Biegeträger verbunden ist.
• Stoßfängersysteme insbesondere in der Vorderwagenstruktur im Fahrzeug, insbesondere im Kraftfahrzeug müssen hohen Anforderungen hinsichtlich der Sicherheit der Fahrzeuginsassen aber auch hinsichtlich des Gewichtes und leichtem Austausch bei einer Beschädigung gerecht werden. Im Falle einer Frontalkollision kann die Aufprallenergie durch eine gezielte Deformation des Biegeträgers und der Deformationselemente, die vorzugsweise als sogenannte Crashboxen ausgebildet und vorzugsweise zwischen Biegeträger und Längsträger eines Fahrzeuges angeordnet sind, durch plastische Verformung absorbiert und das Fahrzeug entscheidend verzögert werden, bevor weitere, insbesondere tragende Strukturen, wie beispielsweise Längsträger zur weiteren Energieabsorption beitragen. Ferner haben die Biegeträger die Aufgabe, bei geringen Aufprallgeschwindigkeiten tragende Fahrzeugstrukturen und Fahrzeugaggregate, wie beispielsweise Kühler und Motor vor einer Beschädigung zu schützen. Zudem ist es die Bestrebung im Automobilbau, das Fahrzeuggewicht zu reduzieren, um den CO₂-Ausstoß zu senken. Gattungsgemäße Stoßfängersysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt.
• In der US-amerikanischen Offenlegungsschrift 2004 0256867 ist ein Stoßfängersystem für ein Kraftfahrzeug offenbart, das einen Biegeträger aus einem metallischen Werkstück mit einem wellenförmigen Querschnitt umfasst, wobei die Wellenform derart ausgebildet ist, dass der Biegeträger zwei Wellentäler und drei Wellenberge aufweist. Um im Falle einer Frontalkollision ein Auseinanderklaffen bzw. eine Aufweitung des Biegeträgers in Querrichtung zu vermeiden, schlägt die Lehre vor, zusätzliche Verstärkungsbänder vorzusehen, die im Wesentlichen diagonal verlaufend im Bereich der Wellenberge, die in Fahrzeugrichtung (x-Richtung) ausgerichtet sind, stoffschlüssig mit dem Biegeträger verbunden sind. Ferner umfasst das Stoßfängersystem mehrere Deformationselemente (crush boxes), die mit dem Biegeträger verbunden sind. Der Aufbau dieses Stoßfängersystems ist sehr komplex und durch die Verwendung von Zusatzelementen ist eine Gewichtseinsparung nicht möglich. Es besteht daher weiteres Verbesserungspotenzial.
• Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Stoßfängersystem, welches ein im Vergleich zum Stand der Technik einfachen Aufbau bei gleichzeitiger Reduzierung der Masse aufweist und den an die Kollisionslastfälle gestellten Anforderungen gerecht wird, bereit zu stellen.
• Die aufgezeigte Aufgabe für ein gattungsgemäßes Stoßfängersystem wird dadurch gelöst, dass zumindest in dem Wellental zumindest bereichsweise Versteifungsfelder eingebracht sind.
• Die Erfinder haben festgestellt, dass durch eine ausgewogene konstruktive Ausgestaltung des Biegeträgers mit einer wellenförmigen Grundstruktur das Gesamtsystem dahingehend verbessert werden kann, indem durch ein Einbringen bzw. Vorsehen von Versteifungsfeldern, die zumindest bereichsweise, beispielsweise in Form von Aus-/Verprägungen bzw. Sicken, in einem Wellental angeordnet und entgegen der Fahrzeugrichtung (x-Richtung) ausgerichtet sind, die Biegesteifigkeit des Biegeträgers um die Fahrzeugquerachse erhöht werden kann und ein Auseinanderklaffen bzw. eine Aufweitung des Biegetragers in Querrichtung durch eine Krafteinleitung bei einer Frontalkollision insbesondere unter Verzicht auf zusätzliche Verstärkungselemente, Schließbleche oder dergleichen im Wesentlichen verhindert werden kann. Die Verstärkungsfelder können in der Größe, Aus-/Verprägung, Abstand, Anzahl und/oder Verteilung auch zur Einstellung des optimalen Verhaltens, insbesondere zur Verringerung der Intrusion im Falle einer Kollision, variiert werden. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung können die Versteifungsfelder vom Endbereich des Biegeträgers bzw. (oder) vom Anbindungsbereich mit dem Deformationselement zur Fahrzeugmitte hin in ihrer Ausformungstiefe und/oder Ausformungslänge zu- oder abnehmen, wodurch das Intrusionsverhalten gezielt eingestellt werden kann. Auch die Form der Versteifungsfelder kann sich entlang des Biegeträgers zur Fahrzeugmitte hin ändern bzw. variieren. Die Ausformungstiefe der Verstärkungsfelder entspricht insbesondere dem 0,5- bis 4-fachen der Materialstärke des Biegeträgers, vorzugsweise dem 1- bis 3-fachen der Materialstärke des Biegeträgers. Die Verstärkungsfelder können auch in mindestens einem Wellenberg eingebracht sein. Die Verstärkungsfelder können auch vorzugsweise bereichsweise im angrenzenden Bereich (Flanke) des Wellentales und/oder Wellenberges eingebracht sein, um die Biegesteifigkeit des Biegeträgers um die Fahrzeugquerachse weiter zu erhöhen. Die notwendigen Parameter lassen sich heutzutage einfach durch Crash-Simulationspragramme ermitteln. Je nach Fahrzeug können gemäß einer vorzugsgemäßen Ausgestaltung der Erfindung die Versteifungsfelder entlang des Biegeträgers äquidistant angeordnet sein. Das erfindungsgemäße Stoßfängersystem erfüllt somit die Kollisionsanforderung im Hinblick auf den „EURO NCAP ODB”-Lastfall mit 64 km/h und den Versicherungseinstufungstest „AZT” bis 15 km/h.
• Zur weiteren Optimierung des Intrusionsverhaltens kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung der Abstand zwischen dem Wellenberg und dem Wellental in der wellenförmigen Grundstruktur des Biegeträgers zur Fahrzeugmitte hin zunehmen, insbesondere kontinuierlich zunehmen. Dadurch kann in vorteilhafter Weise im Aufprallpunkt in der Fahrzeugmitte ein hoher Widerstand gegen Durchbiegung und Knickung erzielt werden, insbesondere in der Kombination mit einem vorzugsweise in Fahrzeugrichtung (x-Richtung) gebogenen und symmetrisch ausgebildeten Biegeträger.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Höhe (y-Richtung) des Biegeträgers zur Fahrzeugmitte hin zunehmen, insbesondere kontinuierlich zunehmen und symmetrisch ausgebildet sein. Bei einer Frontalkollision insbesondere mit einem höherliegenden Fahrzeug, beispielsweise mit einem SUV, erfolgt der Aufprall oberhalb der Deformationselement- bzw. Crashbox-Mittelebene bei einem konventionellen Kraftfahrzeug, wodurch ein zusätzliches Belastungsmoment in y-Richtung erzeugt wird. Durch die erhöhte Form des Biegeträgers in der Fahrzeugmitte gegenüber seinen Endbereichen bzw. seinen Anbindungsbereichen mit den Deformationselementen kann in vorteilhafter Weise das zusätzliche Belastungsmoment kompensiert werden. Dadurch können auch die Anforderungen gemäß dem „RCAR Bumper Test”-Lastfall mit 10 km/h erfüllt werden.
• Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Biegeträger aus einem höchstfesten Stahlwerkstoff besteht, vorzugsweise mit einer Zugfestigkeit oberhalb von 980 MPa. Neben kaltformbaren Stahlwerkstoffen, wie beispielsweise Eisen-Mangan-Stähle oder Dualphasenstähle können auch Warmumformstähle, wie beispielsweise Mangan-Bor-Stähle, die monolithisch ausgebildet sind oder als mindestens eine metallische Lage innerhalb eines mehrlagigen Verbundwerkstoffes angeordnet sind, verwendet werden. Bei einem vorgegebenen Intrusionsverhalten hat der Warmumformstahl bei einer vergleichbaren Widerstandsfähigkeit den Vorteil, dass aufgrund der höheren Zugfestigkeit von mindestens 1500 MPa im (press-)gehärteten Zustand die Materialstärke und damit verbunden die Masse gegenüber dem Kaltumformstahl reduziert werden kann.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann in vorteilhafter Weise die Masse des Stoßfängersystems weiter reduziert, indem ein flexibel gewalzter Stahlwerkstoff, auch „tailored rolled blank” genannt, als Werkstoff für den Biegeträger und/oder das Deformationselement verwendet wird. Vorzugsweise besteht der Biegeträger aus einem flexibel gewalzten Warmumformstahl, wobei in den Bereichen, die eine geringere Materialstärke aufweisen, gezielt ein größerer Abstand zwischen dem Wellenberg und dem Wellental und/oder eine größere Ausformungstiefe des Versteifungsfeldes, als in den Bereichen, die eine größere Materialstärke aufweisen, vorgesehen sind, um auf der gesamten Länge des Biegeträgers zumindest eine konstante Widerstandsfähigkeit bereit zu stellen.
• Kumulativ oder alternativ ist das erfindungsgemäße Stoßfängersystem gemäß einer weiteren Ausgestaltung auch in der Hinterwagenstruktur angeordnet bzw. vorgesehen, um ein Optimum des Intrusionsverhaltens in Richtung der Fahrgastzelle bei einem Heckaufprall gezielt einstellen zu können.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Es zeigt
• 1: ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stoßfängersystems für ein Fahrzeug in perspektivischer Ansicht,
• 2: den Biegeträger aus 1 in Draufsicht und
• 3: einen vergrößerten Ausschnitt aus 2 in perspektivischer Ansicht.
• In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stoßfängersystems (1) in perspektivischer Ansicht dargestellt. Dieses umfasst mindestens einen Biegeträger (2) aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus einem hochfesten Stahlwerkstoff, vorzugsweise aus einem Warmumformstahl bzw. (press-)gehärteten Stahlwerkstoff mit einem wellenförmigen Querschnitt bzw. Grundstruktur, wobei die Wellenform (3) derart ausgebildet ist, dass der Biegeträger (2) mindestens ein, hier beispielsweise zwei Wellentäler (4) und mindestens zwei, hier beispielsweise drei Wellenberge (5) aufweist. Ferner sind auf der linken und rechten Seite des Biegeträgers (2) Deformationselemente (6) vorgesehen, die über eine vorzugsweise lösbare Schraubverbindung (14) an nicht dargestellte Längsträger einer Fahrzeugkarossiere anbindbar sind. Das Deformationselement (6) ist beispielsweise aus mindestens zwei Halbschalen (7, 8), die vorzugsweise aus einem Stahlwerkstoff gebildet sind und zu einem geschlossenen Profil beispielsweise mittels Laser im Stumpfstoß miteinander verschweißt sind, zusammengesetzt. Zur Anbindung an den Biegeträger sind Mittel vorgesehen, die beispielsweise eine Anschlussplatte (9) zur vorzugsweise lösbaren kraftschlüssigen Anbindung des Deformationselementes (6) an den Biegeträger (2) mittels Schrauben (10) umfassen und Distanzhülsen (11), die durch entsprechende Löcher (12) im Biegeträger hindurchgeführt sind und zur Aufnahme der Schrauben (10) dienen. Durch die lösbare Verbindung lässt sich der Biegeträger (2) in vorteilhafter Weise bei einer Beschädigung einfach austauschen. Alternativ und hier nicht dargestellt kann das Deformationselement auch stoffschlüssig, vorzugsweise mittels Schweißen unlösbar mit dem Biegeträger verbunden sein, wobei die Deformationselemente dann über Prallplatten, die sowohl längsträgerseitig wie auch deformationselementseitig vorgesehen sind, mit dem Längsträger verbunden, vorzugsweise lösbar verschraubt sind.
• Das erfindungsgemäße Stoßfängersystem (1) wird dahingehend verbessert, indem durch ein Einbringen bzw. Vorsehen von Versteifungsfeldern (13), die zumindest bereichsweise, beispielsweise in Form von Aus-/Verprägungen bzw. Sicken, in den Wellentälern (4) angeordnet und entgegen der Fahrzeugrichtung (x-Richtung) ausgerichtet sind, die Biegesteifigkeit des Biegeträgers (2) um die Fahrzeugquerachse erhöht werden kann und ein Auseinanderklaffen bzw. eine Aufweitung des Biegeträgers (2) in Querrichtung durch eine Krafteinleitung (F) bei einer Frontalkollision insbesondere unter Verzicht auf zusätzliche Verstärkungselemente, Schließbleche oder dergleichen im Wesentlichen verhindert werden kann, wobei die Verstärkungsfelder (13) besonders bevorzugt äquidistant angeordnet sind (2). Vorzugsweise entspricht die Ausformungstiefe (15) der Verstärkungsfelder (13) dem 1- bis 3-fachen der Materialstärke des Biegeträgers (2). Die Verstärkungsfelder (13) sind nicht nur bereichsweise im Wellental (4) eingebracht, sondern können auch vorzugsweise bereichsweise im angrenzenden Bereich (16) bzw. in den Flanken eingebracht sein, wobei die Ausformung des Verstärkungsfeldes (13) beispielsweise aus dem erhabenen kreisförmigen Abschnitt (17) in den angrenzenden Bereich (16) überführt ist und mit zunehmenden Abstand vom Wellental (4) zur Mitte hin, zwischen Wellental (4) und Wellenberg (5), ausläuft (3). Dadurch kann erreicht werden, dass auch in den Flanken (16) die Biegesteifigkeit des Biegeträgers (2) um die Fahrzeugquerachse (y-Richtung) erhöht werden kann, um ein Auseinanderklaffen bzw. eine Aufweitung des Biegeträgers (2) in den Flanken (16) im Wesentlichen zu verhindern. Um im Aufprallpunkt in der Fahrzeugmitte (M) einen hohen Widerstand gegen Durchbiegung und Knickung zu erzielen, nimmt in bevorzugter Weise der Abstand (T) zwischen dem Wellenberg (5) und dem Wellental (4) in der wellenförmigen Grundstruktur (3) des Biegeträgers (2) zur Fahrzeugmitte (M) hin zu (T₂ > T₁), insbesondere kontinuierlich zu, wobei der Biegeträger (2) vorzugsweise in Fahrzeugrichtung (x-Richtung), insbesondere zur weiteren Erhöhung der Biegesteifigkeit, gebogenen und symmetrisch ausgebildet ist.
• Vorzugsweise ist der Biegeträger (2) derart ausgebildet, dass seine Höhe (H) zur Fahrzeugmitte (M) hin zunimmt (H₂ > H₁), insbesondere kontinuierlich zunimmt und symmetrisch ausgebildet ist, um bei einer Frontalkollision (F) mit einem höherliegenden Fahrzeug zu gewährleisten, dass durch die erhöhte Form des Biegeträgers (H₂) in der Fahrzeugmitte (M) gegenüber seinen Endbereichen (H₁) bzw. Anbindungsbereichen mit den Deformationselementen in vorteilhafter Weise ein mögliches, zusätzlich auftretendes Belastungsmoment in y-Richtung, welches eine hohe Intrusion in Fahrzeugrichtung zur Folge hätte, in Kombination mit den Verstärkungsfeldern (13) im Wesentlichen kompensiert werden kann.
• Eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung der Masse kann an einem erfindungsgemäßen nicht dargestellten Stoßfängersystem dadurch bereitgestellt werden, dass der Biegeträger, vorzugsweise aus einem (press-)härtbaren Stahlwerkstoff und/oder die Halbschalen, die zu einem Deformationselement zusammengesetzt sind, aus einem flexibel gewalzten Material bestehen.
• Bezugszeichenliste

1

Stoßfängersystem

2

Biegeträger

3

Wellenform

4

Wellental

5

Wellenberg

6

Deformationselement

7, 8

Halbschale

9

Anschlussplatte

10

Schraube

11

Distanzhülse

12

Loch

13

Versteifungsfeld

14

Schraubenverbindung

15

Ausformungstiefe

16

Flanke

17

kreisförmiger Abschnitt

F

Krafteinleitung

T, T₁, T₂

Abstand zwischen Wellental und Wellenberg

H, H₁, H₂

Höhe des Biegeträgers

Claims (10)

1. Stoßfängersystem (1) für ein Fahrzeug umfassend mindestens einen Biegeträger (2) aus einem metallischen Werkstück mit einem wellenförmigen Querschnitt, wobei die Wellenform (3) derart ausgebildet ist, dass der Biegeträger (2) mindestens ein Wellental (4) und mindestens zwei Wellenberge (5) aufweist, und mindestens ein Deformationselement (6), das mit dem Biegeträger (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in dem Wellental (4) zumindest bereichsweise Versteifungsfelder (13) eingebracht sind.
2. Stoßfängersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfelder (13) vom Endbereich des Biegeträgers (2) oder vom Anbindungsbereich mit dem Deformationselement (6) zur Fahrzeugmitte (M) hin in ihrer Ausformungstiefe (15) und/oder Ausformungslänge zu- oder abnehmen.
3. Stoßfängersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausformungstiefe (15) der 0,5- bis 4-fachen Materialstärke des Biegeträgers (2) entspricht.
4. Stoßfängersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsfelder (13) entlang des Biegeträgers (2) äquidistant angeordnet sind.
5. Stoßfängersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Deformationselement (6) kraftschlüssig mittels Mitteln (9, 10, 11) lösbar oder stoffschlüssig mittels Schweißen unlösbar mit dem Biegeträger (2) verbunden ist.
6. Stoßfängersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das der Abstand (T) zwischen einem Wellenberg (5) und einem Wellental (4) in der wellenförmigen Grundstruktur (3) des Biegeträgers (2) zur Fahrzeugmitte (M) hin zunimmt, wobei der Biegeträger (2) vorzugsweise in Fahrzeugrichtung (x-Richtung) gebogenen und symmetrisch ausgebildet ist.
7. Stoßfängersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (H) des Biegeträgers (2) zur Fahrzeugmitte (M) hin zunimmt und symmetrisch ausgebildet ist.
8. Stoßfängersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegeträger (2) aus einem hochfesten, (press-)härtbaren Stahlwerkstoff besteht.
9. Stoßfängersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegeträger (2) und/oder das Deformationselement (6) aus einem flexibel gewalzten Stahlwerkstoff bestehen.
10. Stoßfängersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Stoßfängersystem (1) in einer Hinterwagenstruktur angeordnet ist.

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