DE102014016661A1

DE102014016661A1 - Strukturbauteil eines Fahrzeugs mit einem zwischen einer ersten und zweiten Position verlagerbaren Steifigkeitselement

Info

Publication number: DE102014016661A1
Application number: DE102014016661.9A
Authority: DE
Inventors: Frank Venier; Peter Haffner; Carlo Heller; Matthias Gotthelf
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-11-11
Filing date: 2014-11-11
Publication date: 2016-05-12
Anticipated expiration: 2034-11-12
Also published as: DE102014016661B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil (1) eines Fahrzeugs mit einer einen Hohlraum umgrenzenden Außenwand (2) und wenigstens einem zwischen einer ersten und zweiten Position (I, II) verlagerbaren Steifigkeitselement (3.1, 3.2), welches in der ersten und zweiten Position (I, II) unterschiedliche Steifigkeitseigenschaften des Strukturbauteils (1) bewirkt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Steifigkeitselement (3.1, 3.2) in der ersten Position (I) als zumindest teilweise mit der Außenwand (2) parallel verlaufende Innenwand des Strukturbauteils (1) ausgebildet ist, die Innenwand (3.1, 3.2) kraftschlüssig mit der Außenwand (2) verbunden ist und die Innenwand (3.1, 3.2) mittels eines Aktivierungsmittels (4.1, 4.2) aus der ersten Position (I) in die zweite Position (II) überführbar ist, wobei die Innenwand (3.1, 3.2) in der zweiten Position (II) in eine Belastungsebene (E) des Strukturbauteils (1) zur Erhöhung der Verformungssteifigkeit des Strukturbauteils (1) verlagert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil eines Fahrzeugs mit einem zwischen einer ersten und zweiten Position verlagerbaren Steifigkeitselement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Strukturbauteil.
Ein gattungsbildendes Strukturbauteil eines Fahrzeugs ist aus der DE 10 2011 056 236 A1 bekannt. Ein solches Strukturbauteil ist als Längs- oder Querträger mit einer strukturellen Schwächung, die bspw. als Querschnittsverringerung ausgebildet ist, versehen, so dass bei Überschreiten einer vorgegebenen Belastungsgrenze im Bereich dieser Schwächung das Strukturbauteil im Falle einer Kollision mit einem Kollisionsobjekt gezielt deformierbar ist. Um diese Schwächung des Strukturbauteils gegebenenfalls zu kompensieren, ist eine Kompensationsvorrichtung mit einem Kompensationselement vorgesehen. Das Kompositionselement ist verschiebbar auf dem Strukturbauteil als Hülse ausgebildet und kann zwischen einer Kompensationsstellung, in der die Schwächung des Strukturbauteils überbrückt wird, und einer Freigabestellung, in welcher die Schwächung freigegeben ist, mittels einer pneumatischen Antriebsvorrichtung verschoben werden.
Mit einer solchen Kompensationsvorrichtung gemäß der DE 10 2011 056 236 A1 kann wahlweise eine Kompensation der strukturellen Schwächung des Strukturbauteils zur Bereitstellung einer stabilen Struktur oder eine Freigabe der strukturellen Schwächung zur gezielten Deformation des Strukturbauteils im Falle einer Kollision des Fahrzeugs mit einem Kollisionsobjekt erfolgen.
Ferner wird in dieser DE 10 2011 056 236 A1 vorgeschlagen, das Kompensationselement schichtartig mit einer Sprengstoffschicht auszubilden, so dass das Kompensationselement aus seiner Kompensationsstellung durch Wegsprengen in seine Freigabestellung gebracht wird, in der es allerdings bleibend deformiert ist.
Aufgabe der Erfindung ist es ein verbessertes Strukturbauteil der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem im Falle einer Kollision mit einem Kollisionsobjekt eine hohe Deformationsenergie aufgenommen werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Strukturbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Eine solches Strukturbauteil eines Fahrzeugs mit einer einen Hohlraum umgrenzenden Außenwand und wenigstens einem zwischen einer ersten und zweiten Position verlagerbaren Steifigkeitselement, welches in der ersten und zweiten Position unterschiedliche Steifigkeitseigenschaften des Strukturbauteils bewirkt, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass

– das Steifigkeitselement in der ersten Position als zumindest teilweise mit der Außenwand parallel verlaufende Innenwand des Strukturbauteils ausgebildet ist,
– die Innenwand kraftschlüssig mit der Außenwand verbunden ist, und
– die Innenwand mittels eines Aktivierungsmittels aus der ersten Position in die zweite Position überführbar ist, wobei die Innenwand in der zweiten Position in eine Belastungsebene des Strukturbauteils zur Erhöhung der Verformungssteifigkeit des Strukturbauteils verlagert ist.

Der wesentlichste Vorteil dieses erfindungsgemäßen Strukturbauteils liegt darin, dass das Steifigkeitselement im normalen Betrieb des Fahrzeugs, also in dessen ersten Position zur Steifigkeit des Strukturbauteils beiträgt, und erst bei einer bevorstehenden Kollision mit einem Kollisionsobjekt, bspw. mit einem anderen Fahrzeug das Steifigkeitselement mittels des Aktivierungsmittels in seiner Lage und Geometrie so in die zweite Position verlagert wird, dass dadurch von der Innenwand als Steifigkeitselement eine Belastungsebene gebildet wird, mit der mehr Deformationsenergie aufgenommen wird als dies mit dem Steifigkeitselement in dessen ersten Position möglich wäre. Mit einem solchen Steifigkeitselement in einer vorgegebenen Belastungsebene des Strukturbauteils wird ein definierter zusätzlicher Energieabbau gegenüber dem sich in der ersten Position befindenden Steifigkeitselement ermöglicht.
Dieses Steifigkeitselement führt zu keinem Zusatzgewicht im normalen Betriebsfall, da es einen Beitrag zur Biege- und Torsionssteifigkeit des Strukturbauteils liefert. Es müssen daher keine unwirksamen Massen im Normalbetrieb für den Kollisionsfall vorgehalten werden.
Als Aktivierungsmittel ist weiterbildungsgemäß eine Explosivstoffschicht vorgesehen, die sich zumindest teilweise zwischen dem Steifigkeitselement und der Innenfläche der Außenwand befindet, so dass sich im Querschnitt ein Schichtaufbau aus der Außenwand, der Explosivstoffschicht und der Innenwand als Steifigkeitselement ergibt.
Zum Zünden der Explosivstoffschicht ist vorzugsweise eine Zündeinrichtung vorgesehen, die an dem Strukturbauteil derart angeordnet ist, dass bei einer bevorstehenden Kollision des Fahrzeugs mit einem Kollisionsobjekt die durch Expansion des Explosivstoffes ausgelöste Druckwelle sich ausgehend von dem kollisionsseitigen Ende der Innenwand in Kollisionsrichtung ausbreitet und die Innenwand dadurch von der Druckwelle sukzessiv in Kollisionsrichtung in die zweite Position verlagert wird.
Die kraftschlüssige Verbindung des Steifigkeitselementes mit der Außenwand des Strukturelementes erfolgt durch eine schubsteife Anbindung, wie bspw. durch Nieten oder Schrauben oder durch eine Klebeverbindung in denjenigen Bereichen des Steifigkeitselementes, in welchen keine Exklusivstoffschicht vorgesehen ist.
Das Strukturbauteil ist vorzugsweise als Längs- oder Querträger eines Fahrzeugs ausgebildet.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Innenwand in der zweiten Position in eine Symmetrieebene des Strukturbauteils als Belastungsebene verlagert. Damit wird in der Mitte des Strukturbauteils eine zur Außenwand zusätzliche Belastungsebene geschaffen, über die zusätzliche Deformationsenergie in das Strukturbauteil eingebracht wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Strukturbauteil im Querschnitt ein Vieleck mit mehreren Seitenwänden als Außenwand ist und die Innenwand als ebene Fläche kongruent mit einer Seitenwand des Strukturbauteils ausbildet ist. So wird bspw. als Strukturbauteil ein Längs- oder Querträger mit einem rechteckförmigen oder quadratischen Querschnitt eingesetzt, wobei die Innenwand als Steifigkeitselement kongruent über eine Explosivstoffschicht an einer Seitenwand innenseitig positioniert ist.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind eine erste und zweite Innenwand als Steifigkeitselemente vorgesehen, wobei die erste und zweite Innenwand an gegenüberliegenden Außenwänden positioniert sind. In der zweiten Position bilden die beiden Steifigkeitselemente eine gemeinsame Belastungsebene, in welcher sie flächig aneinander liegen, so dass dadurch das als Längs- oder Querträger ausgebildete Strukturbauteil in zwei Kammern geteilt wird.
Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das Strukturbauteil im Querschnitt ein Vieleck mit mehreren Seitenwänden, in dessen Hohlraum eine Stützstruktur ragt, die Innenwand in der ersten Position wenigstens an einer ersten Seitenwand parallel verlaufend ausgebildet ist und die Innenwand in der zweiten Position mit einem Endbereich an der ersten Seitenwand anliegend und mit einem gegenüberliegenden Endbereich an der Stützstruktur anliegend eine Belastungsebene bildet. Vorzugsweise verbindet die Innenwand in der zweiten Position mit dem an der Stützstruktur anliegenden Endbereich die erste Seitenwand mit der der Stützstruktur gegenüberliegenden Seitenwand als Belastungsebene.
Mit einer solchen Stützstruktur des als Längs- oder Querträger ausgebildeten Strukturbauteils lässt sich die Lage des Steifigkeitselementes bzw. der Steifigkeitselemente exakter definieren, da an deren kollisionsseitigen Ende das kollisionsseitige Ende des Steifigkeitselementes bzw. der Steifigkeitselemente anliegen. Damit ergibt sich in der zweiten Position eine eindeutige und definierte Lage der von dem Steifigkeitselement oder den Steifigkeitselementen gebildeten Belastungsebene bzw. Belastungsebenen.
Das Steifigkeitselement kann in unterschiedlicher Weise an den Querschnitt, bspw. an den rechteckförmigen Querschnitt des als Längs- oder Querträger ausgebildeten und eine Stützstruktur aufweisenden Strukturbauteils angepasst werden. Solche Längs- oder Querträger weisen als Außenwand vier Seitenwände auf. Der von dem Steifigkeitselement in seiner zweiten Position gebildeten Belastungsebene kann eine Symmetrieebene eines solchen Längs- oder Querträgers darstellen, insbesondere wenn zwei an gegenüberliegenden Seitenwänden angeordnete Innenwände als Steifigkeitselemente zur Bildung der ersten Position vorgesehen sind. Wenn nur eine einzige Innenwand als Steifigkeitselement in einem Längs- oder Querträger verwendet wird, kann auch eine zur Symmetrieebene parallele Ebene als Belastungsebene für die zweite Position des Steifigkeitselementes dienen.
So ist es nach einer Ausgestaltung der Erfindung mit einem solchen Längs- oder Querträger mit rechteckförmigen Querschnitt vorgesehen, dass die Innenwand in der ersten Position in Anpassung an die Kontur im Querschnitt des Strukturbauteils L-förmig ausgebildet ist, wobei das Längsteil der L-Form an einer ersten Seitenwand parallel verlaufend und das Querteil der L-Form abschnittsweise parallel zur an die erste Seitenwand sich anschließenden Seitenwand verlaufend ausgebildet sind und in der zweiten Position das Querteil der L-Form zusammen mit dem Endbereich des Längsteils der L-Form den Endbereich der Stützstruktur umschließt. Mit einer solchen L-Form wird erreicht, dass in der zweiten Position die freie Spitze der Stützstruktur von dem Eckbereich der L-Form umgriffen wird. Damit wird eine kraftschlüssige Verbindung zwischen der Innenwand als Steifigkeitselement und der Stützstruktur erreicht, so dass auch in diese Stützstruktur Deformationsenergie bei einer Kollision eingeleitet wird.
Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Innenwand in der ersten Position in Anpassung an die Kontur im Querschnitt des Strukturbauteils U-förmig ausgebildet, wobei der Mittelschenkel der U-Form an einer ersten Seitenwand parallel verlaufend und die beiden Schenkel der U-Form abschnittsweise parallel zu den an die erste Seitenwand sich anschließenden Seitenwände verlaufend ausgebildet sind und in der zweiten Position ein Schenkel der U-Form an der an die erste Außenwand sich anschließenden Außenwand anliegt und der zweite Schenkel der U-Form zusammen mit dem Endbereich des Mittelschenkels der U-Form den Endbereich der Stützstruktur umschließt.
Der Vorteil einer solchen U-förmigen Innenwand als Steifigkeitselement liegt darin, dass der kollisionsabgewandte Schenkel der U-Form direkt mit der kollisionsabgewandten Seitenwand des Strukturbauteils verbunden werden kann und damit eine kraftschlüssige Verbindung realisierbar ist.
Auch solche L-förmig oder U-förmig ausgebildeten Steifigkeitselemente können zweifach als erste und zweite Innenwand in einem entsprechenden Strukturbauteil eingesetzt werden. Hierzu sind die erste und zweite Innenwand an gegenüberliegenden Seitenwänden des Strukturbauteils positioniert, wobei sich die Stützstruktur mittig zwischen der ersten und zweiten Innenwand in den Hohlraum des Strukturbauteils erstreckt.
Die Zündung der Explosivstoffschichten der beiden Steifigkeitselemente wird so gesteuert, dass sich die kollisionsseitigen Endbereiche der beiden Steifigkeitselemente sukzessive um den Endbereich der Stützstruktur legen, so dass in der zweiten Position der beiden Steifigkeitselemente deren kollisionsseitigen Enden sich überlappen und gegenseitig über die Querteile bzw. Schenkel verhaken.
Bei diesen L-förmigen oder U-förmigen Steifigkeitselementen ist es ausreichend, wenn eine Explosivstoffschicht als Aktivierungsmittel lediglich zwischen dem Längsteil der L-Form bzw. dem Mittelschenkel der U-Form und der entsprechenden Seitenwand des Strukturbauteils vorgesehen ist.
Es ist nicht erforderlich, dass sich die Explosivstoffschicht ausgehend vom kollisionsseitigen Ende des Strukturbauteils bis an dessen kollisionsabgewandten Ende des Strukturbauteils erstreckt. So kann ein Endbereich des kollisionsabgewandten Endes des Strukturbauteils ohne eine solche Explosivstoffschicht ausgeführt sein, sodass in diesem Bereich die Innenwand als Steifigkeitselemente direkt mit dem Strukturbauteil verbunden ist, bzw. flächig an diesem anliegt.
Wie oben bereits ausgeführt, ist das Strukturbauteil als Längsträger, vorzugsweise als Schweller, oder als Querträger, vorzugsweise als Sitzquerträger ausgebildet.
Solche Strukturbauteile können mit Vorteil für eine Fahrzeugkarosserie verwendet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Längsträgers als Strukturbauteil mit einem rechteckförmigen Querschnitt und Steifigkeitselementen in einer ersten Position,
2 eine Schnittdarstellung des Längsträgers nach 1 in Profilrichtung mit Steifigkeitselementen im Übergang zu einer zweiten Position,
3 eine perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Längsträgers als Strukturteil mit einem rechteckförmigen Querschnitt und einer Stützstruktur im Inneren des Längsträgers und U-förmigen Steifigkeitselementen in einer ersten Position,
4 eine Schnittdarstellung des Längsträgers nach 3 in Profilquerrichtung mit Steifigkeitselementen im Übergang zu einer zweiten Position,
5 eine perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Längsträgers als Strukturteil mit einem rechteckförmigen Querschnitt und eine Stützstruktur im Inneren des Längsträgers und L-förmigen Steifigkeitselementen in einer ersten Position,
6 eine Schnittdarstellung des Längsträgers nach 5 in Profilquerrichtung mit Steifigkeitselementen im Übergang zu einer zweiten Position, und
7 eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Längsträgers als Strukturteil in einer Seitenansicht mit abschnittsweise versetzten Steifigkeitselementen in einer ersten Position,
1 zeigt einen Längsträger 1 als Strukturbauteil einer Fahrzeugkarosserie eines Fahrzeugs (in den Figuren nicht dargestellt) mit einem rechteckförmigen Querschnitt, welcher bspw. aus einem Aluminium-Strangpressprofil oder einem Stahlblech-Profil hergestellt ist. Der Hohlraum dieses Längsträgers 1 wird von vier Seitenwänden 2.1, 2.2, 2.3 und 2.4 als Außenwand 2 umschlossen.
An gegenüberliegenden Seitenwänden 2.1 und 2.2 ist auf deren Innenseite jeweils ein Steifigkeitselement 3.1 und 3.2 als Innenwand angeordnet, wobei jeweils zwischen dem Steifigkeitselement 3.1 bzw. 3.2 und der Seitenwand 2.1 bzw. 2.2 eine Explosivstoffschicht als Aktivierungsschicht 4.1 bzw. 4.2 angeordnet ist. Dabei entspricht die Breite der beiden Steifigkeitselement 3.1 und 3.2 quer zur Profilrichtung des Längsträgers der lichten Weite der Seitenwand 2.1 bzw. 2.2, die dem inneren Abstand der beiden Seitenwände 2.3 und 2.4 entspricht. Die Breite der beiden Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 kann auch kleiner als der innere Abstand der beiden Seitenwände 2.3 und 2.4 gewählt werden. Die beiden Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 sind bspw. aus einem Stahlwerkstoff hergestellt. Aus 1 ist ersichtlich, dass hierdurch ein Schichtaufbau bestehend aus der Seitenwand 2.1, der Explosivstoffschicht 4.1 und dem Steifigkeitselement 3.1 bzw. aus der Seitenwand 2.1, der Explosivstoffschicht 4.2 und dem Steifigkeitselement 3.2 realisiert ist. Die Explosivstoffschichten 4.1 und 4.2 können als Sprengstofffolien realisiert werden.
Zur Verbindung der beiden Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 mit der jeweiligen Seitenwand 2.1 und 2.2 wird eine schubsteife Verbindungstechnik verwendet, die bspw. durch Nieten oder Schrauben realisiert wird.
Die in 1 dargestellte Lage der Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 stellt eine erste Position I dar, aus welcher sie bei einer bevorstehenden Kollision des Fahrzeugs mit einem Kollisionspartner in eine zweite Position II (vgl. 2) mittels den Explosivstoffschichten 4.1 und 4.2 verlagert werden, so dass dadurch der Längsträger 1 als Strukturbauteil eine erhöhte Steifigkeit erhält und infolgedessen zusätzlich Deformationsenergie aufgrund einer Kollision des Fahrzeugs mit einem Kollisionspartner von dem Längsträger 1 aufgenommen werden kann.
Zur Zündung der Explosivstoffschichten 4.1 und 4.2 sind Zündeinrichtungen 6.1 und 6.2 vorgesehen, die bspw. elektrisch ausgelöst werden können.
Vor einer Kollision, also im unverformten Zustand des Längsträgers 1, d. h. im normalen Betrieb des Fahrzeugs tragen die Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 zur Grundsteifigkeit des Längsträgers 1 bei.
Wird nun mittels eines Kollisionssensors des Fahrzeugs eine nicht mehr vermeidbare, bevorstehende Kollision des Fahrzeugs mit einem Kollisionspartner, bspw. mit einem anderen Fahrzeug detektiert, werden die Zündeinrichtungen 6.1 und 6.2 aktiviert und dadurch die Explosivstoffschichten 4.1 und 4.2 gezündet, so dass die dadurch erzeugten Druckwellen D die beiden Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 in eine zweite Position II verlagert werden, in der sie zusammen eine Belastungsebene E bilden, wie nachfolgend anhand von 2 erläutert werden soll.
Nach 2 trifft ein Kollisionspartner so auf das Fahrzeug, dass entsprechend der Kollisionsrichtung K von links kommend eine entsprechende Kollisionskraft auf den Längsträger 1 in Profilrichtung trifft. Dieser Längsträger 1 ist in der Fahrzeugkarosserie derart verbaut, dass sich die Zündeinrichtungen 6.1 und 6.2 im Bereich der kollisionsseitigen Stirnseite des Längsträgers 1 angeordnet sind. Durch die gleichzeitige Zündung dieser beiden Zündeinrichtungen 6.1 und 6.2 entsteht eine Druckwelle D, die sich ausgehend von der kollisionsseitigen Stirnseite des Längsträgers 1 in Profilrichtung sukzessive fortsetzt. Ein Zwischenzustand zeigt 2, bei dem sich kollisionsseitige Bereiche der beiden Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 bereits von den Seitenwänden 2.1 und 2.2 abgelöst haben. Die beiden Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 werden durch die Druckwelle D aufeinander zubewegt, bis sie mittig, im Wesentlichen in einer Symmetrieebene des Längsträgers 1 als Belastungsebene E aneinander liegen. Bei diesem Vorgang werden die Niet- oder Schraubenverbindungen mit den Seitenwänden 2.1 und 2.2 gelöst. Wenn die Druckwelle D den gesamten Längsträger 1 in Profilrichtung durchlaufen hat, liegen die beiden Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 in der Belastungsebene E flächig aneinander, wie dies in 2 gestrichelt dargestellt ist. Mit einer derartig durch die beiden Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 geschaffenen Belastungsebene E kann zusätzlich Deformationsenergie von dem Längsträger 1 aufgenommen werden.
Durch die beiden aus der ersten Position I in die zweite Position II verlagerten Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 wird die Geometrie des Längsträgers 1 maßgeblich geändert, so dass dadurch kollisionsbedingte Crash-Lasten besser abgeleitet und Deformationen minimiert werden können. In dieser Position II der beiden Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 wird eine gezielte und definierte Steifigkeit erzeugt, die einen definierten Energieabbau bei einer Kollision des Fahrzeugs mit einem Kollisionspartner ermöglicht.
Die beiden Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 des Längsträgers 1 können mit unterschiedlicher Dicke verwendet werden, um bestimmte Steifigkeitseigenschaften des Längsträgers 1 sowohl in der ersten Position I als auch in der zweiten Position II der Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 zu erreichen. Die Sprengstofffolien 4.1 und 4.2 können mit unterschiedlichen Stärken als auch mit unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeiten realisiert werden.
Während der Verlagerung der Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 in die zweite Position II kann bereits Deformationsenergie aufgrund der Kollision aufgenommen werden, die zu einer zusätzlichen Verformung der beiden Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 führt.
Der in den 1 und 2 dargestellte Längsträger 1 kann auch mit nur einer einzigen Innenwand als Steifigkeitselement 3.1 ausgebildet werden. So kann während der Verlagerung eines solchen Steifigkeitselementes 3.1 in die zweite Position II oder nach einer solchen Verlagerung aufgrund der einwirkenden Kraft aufgrund einer Kollision das Steifigkeitselement zur Aufnahme zusätzlicher Deformationsenergie verformt werden.
Eine weitere alternative Ausgestaltung des Längsträgers 1 besteht darin, dass die Explosivstoffschichten 4.1 und 4.2 nicht über die gesamte Länge in Profilrichtung des Längsträgers 1 verlaufen, sondern bspw. ein kollisionsabgewandter Endbereich des Längsträgers 1 ohne eine solche Explosivstoffschicht 4.1 bzw. 4.2 ausgebildet ist, so das diesem Endbereich des Längsträgers 1 die beiden Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 in der zweiten Position II direkt an den Innenflächen der Seitenwand 2.1 und 2.2 Anliegen. In diesem Fall entsteht eine Belastungsebene E für die beiden Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2, die unterschiedlich sind und zuerst im Wesentlichen parallel zur Seitenwand 2.1 bzw. 2.2 verlaufen, sich anschließend aufspreizen und im kollisionsseitigen Endbereich des Längsträgers 1 bis an die Seitenwand 2.1 bzw. 2.2 verlaufen.
Der in den 1 und 2 dargestellte Längsträger 1 kann neben der Verwendung als Längsträger der Fahrzeugkarosserie bspw. auch als Schweller oder als Sitzquerträger eingesetzt werden.
Die beiden Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 können durch Variation der Parameter in der zweiten Position II gezielt in Bereiche der durch eine Kollision erzeugten Krafteinleitung gebracht werden, um dort Deformationsenergie abzubauen. So können bspw. bei einer Kollision mit einem Small-Overlap die Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 eines Schwellers in die Radebene als Belastungsebene E oder eines Sitzquerträgers auf der Höhe der Lasteinleitung im B-Säulenfuß als Belastungsebene E des Längsträgers 1 verlagert werden.
Die 3 zeigt in einem weiteren Ausführungsbeispiel einen als Schweller einer Fahrzeugkarosserie eines Fahrzeugs eingesetzten Längsträger 1, welcher einen rechteckförmigen Querschnitt mit vier Seitenwänden 2.1, 2.2, 2.3 und 2.4 als Außenwand 2 aufweist. Im Gegensatz zu dem Längsträger gemäß 2 ist der Längsträger 1 nach 3 für eine Kollisionsrichtung K nicht in Profilrichtung, sondern quer zur Profilrichtung geeignet. Daher liegt die Seitenwand 2.3 des Längsträgers 1 auf der kollisionszugewandten Seite des Längsträgers 1, während die gegenüberliegende Seitenwand 2.4 auf dessen kollisionsabgewandten Seite liegt. Ein weiterer Unterschied zu demjenigen Längsträger 1 nach 1 besteht darin, dass ausgehend von der Seitenwand 2.4 des Längsträgers 1 entgegen der Kollisionsrichtung K eine profilierte Stützstruktur 5 in den Hohlraum des Längsträgers 1 ragt. Der freie Endbereich dieser Stützstruktur 5 endet konisch mit zwei Konusflächen 5.1 und 5.2 zulaufend in einer stumpfen Spitze 5.3.
Dieser Längsträger 1 gemäß 3 weist ebenso entsprechend demjenigen nach 1 zwei Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 auf, die an gegenüberliegenden ersten Seitenwänden 2.1 und 2.2 des Längsträgers 1 als Innenwand angeordnet sind. Diese beiden Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 sind nicht entsprechen denjenigen nach 1 als ebene Flächen ausgebildet, sondern weisen einen an die innere Kontur des Längsträgers 1 in Profilquerrichtung angepassten U-förmigen Querschnitt mit jeweils einem Mittelschenkel 3.11 bzw. 3.21 sowie zwei Schenkel 3.12 und 3.13 bzw. 3.22 und 3.23 auf.
Diese beiden U-förmigen Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 sind mit ihrem Mittelschenkel 3.11 und 3.21 über jeweils eine als Sprengstofffolie ausgebildete Explosivstoffschicht 4.1 und 4.2 mit der Seitenwand 2.1 und 2.2, jeweils als erste Seitenwand bezeichnet, verbunden, wobei jeweils die beiden Schenkel 3.12 und 3.13 sowie 3.22 und 3.23 flächig an den benachbarten Seitenwänden 2.3 und 2.4 anliegen, wobei zwischen diesen Schenkeln 3.12, 3.13, 3.22 und 3.23 und den entsprechenden Seitenwänden 2.3 und 2.4 keine Explosivstoffschicht vorgesehen ist.
Diese beiden U-förmigen Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 sind ebenso durch eine schubsteife Anbindung, wie bspw. durch eine Niet-, Schraub- oder Klebeverbindung an die entsprechenden Seitenwände des Längsträgers 1 angebunden. Eine Klebeverbindung kann bspw. mit den Schenkeln 3.12, 3.13, 3.22 und 3.23 realisiert werden. Die beiden U-förmigen Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 können bspw. als Stahlprofile hergestellt sein.
Die in 3 dargestellte Lage der Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 stellt eine erste Position I dar, aus welcher sie bei einer bevorstehenden Kollision des Fahrzeugs mit einem Kollisionspartner in eine zweite Position II (vgl. 4) mittels den Explosivstoffschichten 4.1 und 4.2 verlagert werden, so dass dadurch der Längsträger 1 als Strukturbauteil eine erhöhte Steifigkeit erhält und infolgedessen zusätzlich Deformationsenergie von dem Längsträger 1 aufgenommen werden kann.
Zur Zündung der Explosivstoffschichten 4.1 und 4.2 sind Zündeinrichtungen 6.1 und 6.2 vorgesehen, die bspw. elektrisch ausgelöst werden können.
Vor einer Kollision, also im unverformten Zustand des Längsträgers 1, d. h. im normalen Betrieb des Fahrzeugs tragen die Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2, insbesondere durch deren U-Form zur Grundsteifigkeit, wie bspw. zur Biege- und Torsionssteifigkeit des Längsträgers 1 bei.
Wird nun mittels eines Kollisionssensors des Fahrzeugs eine nicht mehr vermeidbare, bevorstehende Kollision des Fahrzeugs mit einem Kollisionspartner, bspw. mit einem anderen Fahrzeug detektiert, werden die Zündeinrichtungen 6.1 und 6.2 aktiviert und dadurch die Explosivstoffschichten 4.1 und 4.2 gezündet, so dass aufgrund der erzeugten Druckwellen D die beiden Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 in eine zweite Position II verlagert werden, in der sie zusammen eine Belastungsebene E bilden, wie nachfolgend anhand von 4 erläutert werden soll. Aus dieser 4 ist ersichtlich, dass kollisionsseitig der Längsträger 1 über dessen Seitenwand 2.3 mit einem B-Säulenfuß 7 verbunden ist, so dass der Kollisionspartner direkt hierauf auftrifft. Die gegenüberliegende Seitenwand 2.4 zeigt in Richtung des Innenraums des Fahrzeugs.
Nach 4 trifft ein Kollisionspartner so auf den B-Säulenfuß 6 des Fahrzeugs, dass entsprechend der Kollisionsrichtung K von rechts kommend eine entsprechende Kollisionskraft auf den Längsträger 1 in Profilquerrichtung trifft. Dieser Längsträger 1 ist in der Fahrzeugkarosserie derart verbaut, dass sich die Zündeinrichtungen 6.1 und 6.2 im Bereich der kollisionsseitigen Stirnseite des Längsträgers 1 angeordnet sind. Durch die Zündung dieser beiden Zündeinrichtungen 6.1 und 6.2 entsteht eine Druckwelle D, die sich ausgehend von der kollisionsseitigen Seitenwand 2.3 des Längsträgers 1 in Profilrichtung K, also quer zur Profilrichtung des Längsträgers 1 sukzessive fortsetzt. Durch diese Druckwelle D lösen sich die beiden kollisionsseitigen Endbereiche der beiden Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 von der Seitenwand 2.3 vollständig und von der Seitenwand 2.1 bzw. 2.2 teilweise ab, so dass sich die beiden Schenkel 3.12 und 3.22 der beiden Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 um die Spitze 5.3 der Stützstruktur 5, nämlich an die Konusflächen 5.1 und 5.2 legen. Hierzu werden die beiden Zündeinrichtungen 6.1 und 6.2 nicht gleichzeitig aktiviert, sondern aufeinanderfolgend, so dass sich zuerst der Schenkel 3.22 des Steifigkeitselementes 3.1 um die Spitze 5.3 und an die Konusflächen 5.1 und 5.2 legt und anschließend hierauf der Schenkel 3.12 des Steifigkeitselementes 3.1. Hierdurch verhaken sich die Schenkel 3.12 und 3.22 umfassenden Endbereiche der beiden Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 im Bereich der die beiden Konusflächen 5.1 und 5.2 aufweisenden Spitze 5.3 der Stützstruktur 5. In diesem verformten Zustand der beiden Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 bleiben die anderen Schenkel 3.13 und 3.23 mit der Seitenwand 2.4 des Längsträgers 1 verbunden. In dieser zweiten Position II der beiden Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 bilden diese eine Belastungsebene E mit einem kegelförmigen Querschnitt. Mit der derartig geschaffenen Belastungsebene E kann zusätzlich Deformationsenergie von dem Längsträger 1 aufgenommen werden.
Durch die Zündung der beiden Zündeinrichtung in 6.1 6.2 werden sowohl die Niet- oder Schraubenverbindungen mit den Seitenwänden 2.1 und 2.2 als auch die Klebeverbindungen mit der Seitenwand 2.3 gelöst.
Durch die beiden aus der ersten Position I in die zweite Position II verlagerten Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 wird die Geometrie des Längsträgers 1 maßgeblich geändert, so dass dadurch kollisionsbedingte Crash-Lasten besser abgeleitet und Deformationen minimiert werden können. In dieser zweiten Position II der beiden Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 wird eine gezielte und definierte Steifigkeit erzeugt, die einen definierten Energieabbau bei einer Kollision des Fahrzeugs mit einem Kollisionspartner ermöglicht.
Die beiden Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 des Längsträgers 1 können mit unterschiedlicher Dicke verwendet werden, um ein sicheres Verhaken im Bereich der Schenkel 3.12 und 3.22 sicherzustellen und gleichzeitig bestimmte Steifigkeitseigenschaften des Längsträgers 1 sowohl in der ersten Position I als auch in der zweiten Position II der Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 zu erreichen. Die Sprengstofffolien 4.1 und 4.2 können auch bei diesem Ausführungsbeispiel gemäß den 3 und 4 mit unterschiedlichen Stärken als auch mit unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeiten realisiert werden, um den Verformungsprozess der Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 in die zweite Position II zu steuern.
Die 5 und 6 zeigen hinsichtlich des Längsträgers 1 gemäß den 3 und 4 eine alternative Ausführung eines Längsträgers 1 mit rechteckförmigem Querschnitt, einer Stützstruktur 5 und zwei auf gegenüberliegenden Seitenwänden 2.1 und 2.2 angeordneten Steifigkeitselementen 3.1 und 3.2.
Der einzige Unterschied dieser beiden Längsträger 1 gemäß den 3 und 4 einerseits und den 5 und 6 andererseits besteht in der Querschnittsform der beiden Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2. Gemäß den 5 und 6 weisen diese beiden Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 keine U-Form, sondern eine L-Form auf.
Damit besteht das Steifigkeitselement 3.1 aus einem Längsteil 3.11 und einem Querteil 3.12 und das Steifigkeitselement 3.2 aus einem Längsteil 3.21 und einem Querteil 3.22. Dabei ist diese L-Form der beiden Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 an die innere Kontur in Querrichtung des Längsträgers 1 angepasst, so dass das Längsteil 3.11 bzw. 3.21 über eine Explosivstoffschicht 4.1 bzw. 4.2 an der ersten Seitenwand 2.1 bzw. 2.2 und das Querteil 3.12 bzw. 3.22 flächig an der benachbarten Seitenwand 2.3 anliegen. Damit zeigt 5 die erste Position I der beiden Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2.
Nach einer sukzessiven Zündung der beiden Zündeinrichtungen 6.1 und 6.2 werden aufgrund der dadurch erzeugten Druckwelle D, die sich von der kollisionsseitigen Seitenwand 2.3 in Profilquerrichtung ausbreitet, die beiden Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 aus der ersten Position I in die in 6 dargestellte zweite Position II verlagert. Hierbei legen sich die kollisionsseitigen Endbereiche der beiden Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 um die Spitze 5.3 mit den Konusflächen 5.1 und 5.2 der Stützstruktur 5, in dem sich deren Schenkel 3.12 und 3.22 miteinander verhaken, wie dies im Zusammenhang mit 4 erläutert wurde.
Die 7 zeigt eine Seitenansicht eines gemäß den 3 oder 5 ausgebildeten Längsträgers 1, bei dem die beiden Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 als Innenwand in deren ersten Position I nicht über die gesamte Länge des Längsträgers 1 angeordnet sind, sondern nur abschnittsweise in dem Längsträger 1 realisiert und zusätzlich gegeneinander in Profilrichtung versetzt sind. Durch die abschnittsweise Anordnung solcher Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 im Inneren des Längsträgers 1 wird eine abschnittsweise Verstärkung des Längsträgers 1 erreicht.
Kommt es in diesen Bereichen, in welchen diese beiden Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 als Innenwand angeordnet sind, zu einem Krafteintrag aufgrund einer Kollision, werden auch diese Steifigkeitselemente 3.1 und 3.2 aus ihrer ersten Position I in ihre zweite Position II gemäß 4 oder 6 verlagert.
Anstelle eines pyrotechnischen Aktivierungsmittels 4.1 und 4.2 können auch elektrische oder hydraulische Aktivierungsmittel eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Strukturbauteil, Längsträger
2: Außenwand des Strukturbauteils 1
2.1: Seitenwand des Strukturbauteils 1
2.2: Seitenwand des Strukturbauteils 1
2.3: Seitenwand des Strukturbauteils 1
2.4: Seitenwand des Strukturbauteils 1
3.1: Steifigkeitselement, Innenwand des Strukturbauteils 1
3.11: Mittelschenkel, Längsteil des Steifigkeitselementes 3.1
3.12: Schenkel, Querteil des Steifigkeitselementes 3.1
3.13: Schenkel des Steifigkeitselementes 3.1
3.2: Steifigkeitselement, Innenwand des Strukturbauteils 1
3.21: Mittelschenkel, Längsteil des Steifigkeitselemente 3.1
3.22: Schenkel, Querteil des Steifigkeitselemente 3.1
3.23: Schenkel des Steifigkeitselemente 3.1
4.1: Aktivierungsmittel, Explosivstoffschicht
4.2: Aktivierungsmittel, Explosivstoffschicht
5: Stützstruktur des Strukturbauteils 1
5.1: Konusfläche der Stützstruktur 5
5.2: Konusfläche der Stützstruktur 5
5.3: Spitze der Stützstruktur 5
6.1: Zündeinrichtung
6.2: Zündeinrichtung
7: B-Säulenfuß
D: Deformationswelle
E: Belastungsebene
I: erste Position des Steifigkeitselementes 3.1, 3.2
II: zweite Position des Steifigkeitselementes 3.1, 3.2

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011056236 A1 [0002, 0003, 0004]

Claims

Strukturbauteil (1) eines Fahrzeugs mit einer einen Hohlraum umgrenzenden Außenwand (2) und wenigstens einem zwischen einer ersten und zweiten Position (I, II) verlagerbaren Steifigkeitselement (3.1, 3.2), welches in der ersten und zweiten Position (I, II) unterschiedliche Steifigkeitseigenschaften des Strukturbauteils (1) bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass – das Steifigkeitselement (3.1, 3.2) in der ersten Position (I) als zumindest teilweise mit der Außenwand (2) parallel verlaufende Innenwand des Strukturbauteils (1) ausgebildet ist, – die Innenwand (3.1, 3.2) kraftschlüssig mit der Außenwand (2) verbunden ist, und – die Innenwand (3.1, 3.2) mittels eines Aktivierungsmittels (4.1, 4.2) aus der ersten Position (I) in die zweite Position (II) überführbar ist, wobei die Innenwand (3.1, 3.2) in der zweiten Position (II) in eine Belastungsebene (E) des Strukturbauteils (1) zur Erhöhung der Verformungssteifigkeit des Strukturbauteils (1) verlagert ist.
Strukturbauteil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand (3.1, 3.2) in der zweiten Position (II) in eine Symmetrieebene des Strukturbauteils (1) als Belastungsebene (E) verlagert ist.
Strukturbauteil (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – das Strukturbauteil (1) im Querschnitt ein Vieleck mit mehreren Seitenwänden (2.1, 2.2, 2.3, 2.4) als Außenwand (2) ist, und – die Innenwand (3.1, 3.2) als ebene Fläche kongruent mit einer Seitenwand (2.1, 2.2) des Strukturbauteils (1) ausbildet ist.
Strukturbauteil (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – eine erste und zweite Innenwand (3.1, 3.2) als Steifigkeitselemente vorgesehen sind, und – die erste und zweite Innenwand (3.1, 3.2) an gegenüberliegenden Seitenwänden (2.1, 2.2) positioniert sind.
Strukturbauteil (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Position (II) die erste und zweite Innenwand (3.1, 3.2) eine gemeinsame Belastungsebene (E) bilden.
Strukturbauteil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das Strukturbauteil (1) im Querschnitt ein Vieleck mit mehreren Seitenwänden (2.1, 2.2, 2.3, 2.4) als Außenwand (2) ausgebildet ist, – das Strukturbauteil (1) eine in dessen Hohlraum ragende Stützstruktur (5) aufweist, – die Innenwand (3.1, 3.2) in der ersten Position (I) wenigstens an einer ersten Seitenwand (2.1, 2.2) parallel verlaufend ausgebildet ist, und – die Innenwand (3.1, 3.2) in der zweiten Position (II) mit einem Endbereich an der ersten Seitenwand (2.1, 2.2) anliegend und mit einem gegenüberliegenden Endbereich an der Stützstruktur (5) anliegend eine Belastungsebene (E) bildet.
Strukturbauteil (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand (3.1, 3.2) in der zweiten Position (II) mit dem an der Stützstruktur (5) anliegenden Endbereich die erste Seitenwand (2.1, 2.2) mit der der Stützstruktur (5) gegenüberliegenden Seitenwand (2.3) als Belastungsebene (E) verbindet.
Strukturbauteil (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass – die Innenwand (3.1, 3.2) in der ersten Position (I) in Anpassung an die Kontur im Querschnitt des Strukturbauteils (1) L-förmig ausgebildet ist, wobei das Längsteil (3.11, 3.21) der L-Form an der ersten Seitenwand (2.1, 2.2) parallel verlaufend und das Querteil (3.12, 3.22) der L-Form abschnittsweise parallel zur an die erste Seitenwand (2.1, 2.2) sich anschließenden Seitenwand (2.3) verlaufend ausgebildet sind, und – in der zweiten Position (II) das Querteil (3.12, 3.22) der L-Form zusammen mit dem Endbereich des Längsteils (3.11, 3.21) der L-Form den Endbereich der Stützstruktur (5) umschließt.
Strukturbauteil (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass – die Innenwand (3.1, 3.2) in der ersten Position (I) in Anpassung an die Kontur im Querschnitt des Strukturbauteils (1) U-förmig ausgebildet ist, wobei der Mittelschenkel (3.11, 3.21) der U-Form an der ersten Seitenwand (2.1, 2.2) parallel verlaufend und die beiden Schenkel (3.12, 3.13, 3.22, 3.23) der U-Form abschnittsweise parallel zu den an die erste Seitenwand (2.1, 2.2) sich anschließenden Seitenwände (2.3, 2.4) verlaufend ausgebildet sind, und – in der zweiten Position (II) ein Schenkel (3.13, 3.23) der U-Form an der an die erste Seitenwand (2.1, 2.2) sich anschließenden Seitenwand (2.4) anliegt und der zweite Schenkel (3.12, 3.22 der U-Form zusammen mit dem Endbereich des Mittelschenkels 3.11, 3.21) der U-Form den Endbereich der Stützstruktur (5) umschließt.
Strukturbauteil (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass – eine erste und zweite Innenwand als Steifigkeitselemente (3.1, 3.2) vorgesehen sind, und – die erste und zweite Innenwand (3.1, 3.2) an gegenüberliegenden Seitenwänden (2.1, 2.2) positioniert sind, wobei sich die Stützstruktur (5) mittig zwischen der ersten und zweiten Innenwand (3.1, 3.2) in den Hohlraum des Strukturbauteils (1) erstreckt.
Strukturbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivierungsmittel (4.1, 4.2) als Explosivstoffschicht ausgebildet ist, welche zumindest teilweise zwischen der Innenwand (3.1, 3.2) und der Außenwand (2) oder jeweiligen Seitenwand (2.1, 2.2) angeordnet ist.
Strukturbauteil (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zündeinrichtung (6.1, 6.2) für die Explosivstoffschicht (4.1, 4.2) vorgesehen ist, wobei die Zündeinrichtung (6.1, 6.2) derart angeordnet ist, dass bei einer bevorstehenden Kollision mit einem Kollisionsobjekt die durch Expansion des Explosivstoffes ausgelöste Druckwelle sich ausgehend von dem kollisionsseitigen Ende der Innenwand (3.1, 3.2) in Kollisionsrichtung ausbreitet und die Innenwand (3.1, 3.2) von der Druckwelle sukzessiv in die zweite Position (II) verlagert wird.
Strukturbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturbauteil (1) als Längsträger, vorzugsweise als Schweller, oder als Querträger, vorzugsweise als Sitzquerträger ausgebildet ist.
Fahrzeugkarosserie mit einem Strukturbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.