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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energieabsorptionsstruktur für ein Fahrzeugende zur Energieabsorption bei einem Crash, die in wenigstens einem crashlast-tragenden Abschnitt aus Faserverbundwerkstoff hergestellt ist. Weiter betrifft die Erfindung eine Fahrzeugstruktur für ein Fahrzeugende in einer Längsrichtung eines Fahrzeugs.
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Aus dem Stand der Technik sind Strukturen aus Faserverbundwerkstoff für Fahrzeuge beispielsweise aus der
WO 00/40450 , der
JP 4005178 A oder der
DE 3238587 A1 bekannt. Die dort beschriebenen Strukturen sind jedoch zur Aufnahme von Energie bei einem Crash nicht sonderlich gut geeignet, da die Gefahr besteht, dass diese Strukturen einknicken und/oder aufreißen, sodass der Faserverbundwerkstoff nicht substanziell zerstört wird und somit durch ihn kaum Energieaufnahme stattfindet. Das Material kann im Extremfall vollständig abgetrennt werden, was nach dem Bruch praktisch keine Last bis zu einem weiteren Zusammenprallen von Teilen erzeugt. Die Last durch den Crash ist dementsprechend während eines Einknickens oder Auf- oder Abreißens einer solchen Struktur sehr gering, was in einem Crashverlauf üblicherweise unerwünscht ist. Im Sinne einer erwünschten Crashkraftverlaufsteuerung bzw. Pulsgestaltung bei einem Crash ist es wünschenswert, dass die Crashlast zu Crashbeginn nicht übermäßig hoch ansteigt und danach höchstens bis zu einem bestimmten Niveau abnimmt, jedoch nicht darunter fällt. Außerdem ist es bei einem Crash wichtig, dass die Gesamtheit einer Struktur möglichst erhalten bleibt. Bei metallischen Motorträgern wird dies beispielsweise erreicht, indem der Motorträger bei einem Crash zu einem Z-Schlag verformt wird. Diese Form tritt typischerweise nach einem gewollten Deformationsweg ein und bewirkt einen mäßigen Lastabfall gegenüber einer anfänglich höheren Crashlast. Ein vergleichbares Verhalten für Strukturen aus Faserverbundwerkstoff ist der Anmelderin nicht bekannt. In dem
Artikel von Derek Hall: „A Unified Approach to Progressive Crushing of Fibre-Reinforced Composite Tubes" (Composites Science and Technology, Volume 40, Issue 4, 1991, Pages 377–421 D. Hull) ist das Crashverhalten von Faserverbundwerkstoffrohren untersucht worden.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Faserverbundwerkstoffstruktur anzugeben, bei der bei einem Crash das Material unter hoher Energieaufnahme zerstört wird, wobei zusätzlich ein vorgegebener Verlauf der Crashlast erreicht wird.
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Die Aufgabe wird mit einer Energieabsorptionsstruktur nach dem Hauptanspruch gelöst. Eine solche Struktur weist einen Lagenaufbau des Faserverbundwerkstoffs auf, der in Längsrichtung der Energieabsorptionsstruktur unterschiedlich ist. Die Energieabsorptionsstruktur weist einen Aufprall-Endbereich an einem Ende auf, an dem ein Aufprall erwartet wird, der zur Einleitung von Crashlasten führt. Es wird vorgeschlagen, in diesem Bereich eine Stützlage in einem Lagenaufbau der Energieabsorptionsstruktur vorzusehen, deren Fasern in Richtung von 75 bis 90° zur Längsrichtung der Energieabsorptionsstruktur ausgerichtet sind. Die Stützlage mit einer Faserrichtung wenigstens angenähert quer zur Längsrichtung der Energieabsorptionsstruktur bewirkt eine Versteifung derselben dahingehend, dass sie weniger leicht knicken, ausbeulen, aufreißen oder sich aufschälen kann, da die Außenlage die Form der Energieabsorptionsstruktur stützt. Da die Fasern in der Außenlage selbst von dem Crash nicht gestaucht, sondern seitlich mit Kraft beaufschlagt werden, werden diese hauptsächlich verschoben statt aufgefasert und brechen allenfalls an einzelnen Stellen. Da somit die Struktur der in Form gehalten wird, wird deren substanzielle Zerstörung, die typischerweise mit Auffasern verbunden ist, gefördert. Ein Aufreißen der Struktur wird vermindert oder verhindert. Dadurch ergibt insgesamt sich eine hohe Energieabsorption. Dies wiederum führt zu einer hohen Crashlast zu Beginn des Crashs ohne schnellen Kollaps des Bereichs, in dem die Stützlage angeordnet ist. Vorzugsweise ist der Rest der Energieabsorptionsstruktur, insbesondere ein Abstützbereich an einem dem Aufprallbereich entgegengesetzten Ende der Energieabsorptionsstruktur, so ausgelegt, dass er die Crashlasten beim Crash des Aufprallbereichs ohne Zerstörung tragen kann, wodurch die Materialerstörung beim Aufprall im Aufprallbereich beginnt. Die substanzielle Materialzerstörung kann danach mit dem Verlauf des Aufschlags fortschreiten. Durch einen Lagenaufbau, der entlang der Längsrichtung der Energieabsorptionsstruktur variiert, kann die Crashlast entlang des Crashwegs eingestellt werden. Besonders bevorzugt nimmt das Crashlastniveau im Verlauf des Crashs nach einem anfänglichen Anstieg kontrolliert ab. Gegenüber dem bekannten konstanten Lagenaufbau entlang der Längsrichtung ergibt sich somit eine Energieabsorptionsstruktur, die gegenüber Kollaps robuster ist und deren Crashlastverlauf einstellbar ist. Vorzugsweise weist der Faserverbundwerkstoff Glasfasern, Kohlenstofffasern und/oder Aramidfasern auf.
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Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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In einer Ausführungsform der Energieabsorptionsstruktur ist die Stützlage als eine Außenlage ausgebildet. Als Außenlage werden die Fasern bei der Aufnahme von Stützlasten eher auf Zug beansprucht als an einer weiter innenliegenden Position. Außerdem verringert eine solche Außenlage durch die Materialanhäufung im besonders stark biegemomentaufnehmenden Außenbereich auch die Gefahr des Einknickens.
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In weiteren einer Ausführungsform weist die Energieabsorptionsstruktur einen energieabsorbierenden Folgebereich auf, der in Bezug auf die Längsrichtung der Energieabsorptionsstruktur hinter dem Aufprallendbereich angeordnet ist, somit von dem Aufprallendbereich aus in Richtung des anderen Endes der Energieabsorptionsstruktur. Dieser energieabsorbierenden Folgebereich weist eine Stützlage mit einer Faserrichtung von mehr als 0° bis etwa 45°, beispielsweise 30°, zu der Längsrichtung auf. Alternativ kann der energieabsorbierende Folgebereich auch keine Stützlage aufweisen, was bei einer Faserrichtung von Fasern an der Außenoberfläche von 0° wie eine Stützlage mit 0° wirkt. Die Stützlage ist bevorzugt eine Außenlage der Energieabsorptionsstruktur. Bei einer erwünschten, fortschreitenden Materialzerstörung schreitet die Zerstörung und/oder die Verformung der Struktur von dem Ende aus fort, an dem die Crashlasten eingeleitet werden, wobei sich die Zerstörung entlang der Energieabsorptionsstruktur fortsetzt. Der energieabsorbierenden Folgebereich wird dabei nach dem Aufprallendbereich von der Crashfornt erreicht. Die Stützlage mit einer Faserrichtung von mehr als 0° bis etwa 45° bewirkt bevorzugt, dass die Crashlast der Zerstörung des Aufprallendbereichs ohne Zerstörung des energieabsorbierenden Folgebereichs durch diesen hindurch in daran angeschlossene weitere Strukturen geleitet werden kann, bis die Crashfront den energieabsorbierenden Folgebereich selbst erreicht. Die Stützlage mit mehr als 0° bis 45° Faserrichtung zu der Längsrichtung bietet diesbezüglich eine gute Festigkeit, da sie mehr in Längsrichtung der Energieabsorptionsstruktur angeordnet sind, als die quer zur Längsrichtung angeordneten Fasern im Aufprallendbereich. Dagegen sinkt die die Fähigkeit einer solchen 45°-Außenlage im Vergleich zu einer Stützlage mit querliegenden Fasern, gegen Knicken, Ausbeulen, Aufreißen oder Aufschälen zu wirken, sodass diese Vorgänge stattfinden können, wenn die Zerstörungsfront den Abstützbereich erreicht. Auch ein Auffasern von Faserbündeln, insbesondere in Crashrichtung, erfolgt ohne oder mit einer schwächeren Stützschicht, wie etwa einer Außenlage mehr als 0° und bis etwa 45° Faserrichtung zur Längsrichtung, unter geringerer Crashlastenwicklung. Dadurch sinkt das Lastniveau im Vergleich zum Lastniveau bei der Zerstörung des Aufprallendbereichs, obwohl der energieabsorbierende Folgebereich vor Eintreffen der Crashfront eine höhere Crashlasttragfähigkeit aufweist als der Aufprallendbereich, was sich durch unterschiedliche Mechanismen bzgl. der Tragfähigkeit und der Energieabsorption und der damit gekoppelten Erzeugung der Crashlast bei der Materialzerstörung ergibt.
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In einer Ausführungsform der Energieabsorptionsstruktur weist diese außerhalb der Stützlage eine hohen Faseranteil mit Fasern in Längsrichtung der Energieabsorptionsstruktur auf. Diese Fasern weisen eine Faserrichtung von etwa 0° zur Längsrichtung auf. Insbesondere können sich diese Fasern von dem Aufprallbereich bis zu dem Abstützbereich erstrecken. Der Anteil dieser Fasern in dem Teil der Energieabsorptionsstruktur außerhalb der Stützlage der beträgt vorzugsweise wenigstens 40%, besonders bevorzugt wenigstens 50%. Die in Längsrichtung angeordneten Fasern bieten eine hohe Steifigkeit in Crashrichtung. Ihre Zerstörung und/oder die Auffaserung von Faserbündeln erzeugt eine hohe Energieaufnahme im Vergleich zu einem Einknicken oder dergleichen. In einem Ausführungsbeispiel sind eine oder mehrere, vorzugsweise verschiedene Stützlagen als Außenlagen an verschiedenen Längspositionen der Energieabsorptionsstruktur ausgeführt, wobei die Fasern in Längsrichtung Teil einer Innenlage sind, um die herum die Außenlagen angeordnet sind. Beispielsweise bildet diese Innenlage mit Fasern in Längsrichtung die einzige Innenlage.
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In einer weiteren Ausführungsform weist ein Abstützendbereich, der an einem dem Aufprallendbereich (2) entgegengesetzen Ende der Energieabsorptionsstruktur (1) angeordnet ist, einen höheren Faseranteil mit einer Faserrichtung von 0° zur Längsrichtung auf, als der Aufprallendbereich. Auf diese Weise sinkt die Tragfähigkeit von Traglast in Richtung des Aufprallendbereichs, da in dem Aufprallendbereich der geringe Anteil der 0°-Fasern zu einer geringeren Festigkeit führt, so dass der Aufprallendbereich bei einem Crash zuerst zerstört wird. Es ergibt sich außerdem ein progressiver Fortschritt der Crashfront. Durch den Wegfall der Querlagen an der aktuellen Zerstörungszone nach der Zerstörung des Aufprallendbereichs kann das Lastniveau trotz des höheren Anteils von 0°-Fasern abnehmen, da für die Energieabsorption und damit die Crashlasterzeugung auch das Vorhandensein und die Ausführung einer Stützlage relevant sind.
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In einer weiteren Ausführungsform der Energieabsorptionsstruktur ist diese als Hohlprofil ausgebildet. Hohlprofile können bei geringem Gewicht hohe Biegelasten aufnehmen, was für die Knicksteifigkeit einer Energieabsorptionsstruktur vorteilhaft ist. Diese Eigenschaften können auch dafür von Vorteil sein, in die Energieabsorptionsstruktur Stützkräfte von weiteren Komponenten des Fahrzeugs einzuleiten, so dass die Energieabsorptionsstruktur als deren Träger dient.
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In einer weiteren Ausführungsform der Energieabsorptionsstruktur weisen der Abstützendbereich, der Aufprallendbereich und, wenn vorhanden, der energieabsorbierende Folgebereich die gleiche Wandstärke auf, wobei der Wandaufbau des Abstützendbereichs und des Aufprallendbereichs jeweils unterschiedliche Lagen aus Fasermaterial aufweisen. Eine gleichmäßige Wandstärke kann einen gleichmäßigen Fortschritt der Crashfront ohne abrupte Crashlastschwankungen durch Übergänge zwischen unterschiedlichen Wandstärken bewirken. In dieser Ausführungsform weisen der Abstützendbereich und der Aufprallendbereich vorzugsweise außerdem gleiche Querschnittsformen auf. Denkbar ist außerdem, dass nur eine der Lagen der Energieabsorptionsstruktur, beispielsweise eine Innenlage, oder die Lagen, die wenigstens teilweise von einer Außenstruktur überdeckt sind, die gleiche Wandstärke aufweisen. Denkbar ist weiter, dass die Energieabsorptionsstruktur über ihre gesamte Länge einen konstanten Außendurchmesser aufweist.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Fahrzeugstruktur vorgeschlagen, die zur Anordnung an einem Fahrzeugende in einem Frontbereich oder einem Heckbereich vorgesehen ist. Diese Fahrzeugstruktur weist erfindungsgemäß eine Energieabsorptionsstruktur auf, deren Aufprallendbereich von dem Fahrzeug weggerichtet ist. Die Energieabsorptionsstruktur kann somit optimal genutzt werden. Eine Fahrzeugstruktur kann etwa ein Teil einer Fahrzeugkarosserie wie etwa ein Motorträger, ein Motorraumholm oder Teile einer Stoßfängerstruktur, aber auch ein unabhängiger Teil eines Fahrzeugs, wie etwa ein Fahrschemel, sein.
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In einer Ausführungsform der Fahrzeugstruktur ist die Energieabsorptionsstruktur an einem Ende der Fahrzeugstruktur angeordnet, welches von dem Fahrzeug weggerichtet ist. Beispielsweise kann die Energieabsorptionsstruktur an einem Ende eines Motorträger, das von dem Fahrzeug weggerichtet ist, angeordnet sein. Bei einem Crash wird so die Energieabsorptionsstruktur beansprucht, bevor die Crashfront den Rest der Fahrzeugstruktur erreicht.
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In einer weiteren Ausführungsform der Fahrzeugstruktur ist die Energieabsorptionsstruktur an einem Trägerabschnitt befestigt. Dieser Trägerabschnitt bildet einen Teil der Fahrzeugstruktur. Beispielsweise kann der Trägerabschnitt ein Motorträger sein, an dem vom Fahrzeug weggerichtet, die Energieabsorptionsstruktur angebracht ist. Die Trägerstruktur kann zusätzlich zu ihrer Funktion, die Energieabsorptionsstruktur zu tragen, dazu eingerichtet sein, die Kräfte von anderen Komponenten des Fahrzeugs aufzunehmen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Fahrzeugstruktur fällt die Längsrichtung der Energieabsorptionsstruktur, die Teil der Fahrzeugstruktur ist, wenigstens näherungsweise mit der Längsrichtung des Fahrzeugs zusammen. Da die Längsrichtung des Fahrzeugs im Allgemeinen auch die übliche Fahrtrichtung ist, wird ein Crash typischerweise auch in Längsrichtung der Energieabsorptionsstruktur stattfinden, wofür diese besonders bevorzugt ausgelegt ist.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Energieabsorptionsstruktur,
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1a einen schematischen Querschnitt durch die Energieabsorptionsstruktur in 1,
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2 eine schematische Darstellung der Energieabsorptionsstruktur sowie eines Trägerabschnitts einer Fahrzeugstruktur, an der die Energieabsorptionsstruktur befestigt ist, und
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3 eine perspektivische Darstellung einer Fahrzeugstruktur mit einem Trägerabschnitt und einer Energieabsorptionsstruktur.
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1 zeigt schematisch eine Energieabsorptionsstruktur 1. Diese umfasst einen Aufprallendbereich 2 und einen Abstützendbereich 3. Der Aufprallendbereich 2 weist einen hohen Anteil von Fasern auf, die in einem Winkel von näherungsweise 0° zu einer Längsrichtung L der Energieabsorptionsstruktur 1 ausgerichtet sind. Diese Fasern befinden sich in Innenlagen des Aufprallendbereichs 2. Der Aufprallendbereich 2 weist eine Außenlage auf, in der die Faserrichtung unter 70 bis 90° zu der Längsrichtung L angeordnet ist. Bei einem Crash verhindert diese Außenlage insbesondere, dass die Innenlagen aufreißen, abknicken oder sich aufschälen oder beulen und somit ihre Form und damit auch ihre Lasttragfähigkeit verlieren. Der Abstützendbereich 3 weist ebenfalls eine Innenlage auf, in der die Faserrichtung im Wesentlichen in der Längsrichtung L ausgerichtet ist. Eine Außenlage des Abstützendbereichs weist keine Fasern mit einer Faserrichtung von 75 bis 90° zu der Längsrichtung L auf. In einem Ausführungsbeispiel ist der Abstützendbereich 3 ohne eine besondere Außenlage, deren Typ oder deren Faserrichtung von der Innenlage oder von mehreren Innenlagen abweicht, ausgeführt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Abstützendbereich 3 mit einer Außenlage umgeben sein, in der die Faserrichtung einen Winkel von etwa 45° zu der Längsrichtung L aufweist. Die genannten Varianten des Abstützendbereichs 3 führen dazu, dass dieser eine höhere Crashlasttragfähigkeit in Längsrichtung L aufweist, als der Aufprallendbereich 2. Somit wird der Abstützendbereich 3 bei einem Aufprall auf den Aufprallendbereich zunächst nicht zerstört. Der vorstehend beschriebene Aufbau des Aufprallendbereichs 2 und des Abstützendbereichs 3 führt dazu, dass bei einem Crash, der bei dem Aufprallendbereich 2 beginnt, zunächst die Crashlast ansteigt, und ein hohes Niveau hat, während der Aufprallendbereich 2 verformt wird, während die Crashlast während der Zerstörung des Abstützendbereichs 3 wieder abnimmt.
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Die 1a zeigt schematisch einen Querschnitt C-C durch den Aufprallendbereich 2 der Energieabsorptionsstruktur 1. Die Energieabsorptionsstruktur 1 hat einen wenigstens näherungsweise rechteckigen Querschnitt. Abweichend von der gezeigten Ausführung können die Enden abgerundet sein. Alternative Querschnittsgrundformen wie etwa kreisrund oder elliptisch, sind ebenfalls denkbar. In dem Querschnitt C-C ist eine Außenlage A und eine Innenlage I der Energieabsorptionsstruktur 1 dargestellt. Die Außenlage A umgibt die Innenlage vollständig. Abweichend von der schematischen Darstellung kann die Innenlage I eine größere Querschnittsfläche als die Außenlage A aufweisen.
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2 zeigt schematisch eine Energieabsorptionsstruktur 1, die an einem Trägerabschnitt 4 befestigt ist. Der Trägerabschnitt 4 bildet einen Teil einer Fahrzeugstruktur. Die Energieabsorptionsstruktur 1 entspricht der Ausführungsform in 1. Die Längsrichtung L der Energieabsorptionsstruktur 1 fällt mit einer Längsrichtung des Trägerabschnitts 4 zusammen. Der Trägerabschnitt 4 ist typischerweise erheblich fester ausgebildet als die Energieabsorptionsstruktur und dient zusätzlich als ein Bereich, der Lasten von anderen Komponenten eines Fahrzeugs aufnimmt, etwa von einem Motor.
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3 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine Fahrzeugstruktur 5. Diese umfasst einen Trägerabschnitt 4, der zugleich die Funktion eines Motorträgers hat. Der Trägerabschnitt 4 ist als Hohlprofil mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt ausgeführt. In das Innere dieses Hohlprofils ist eine Energieabsorptionsstruktur 1 eingesetzt, derart, dass diese von der Trägerstruktur 4 gehalten wird. Die Längsrichtung L der Energieabsorptionsstruktur 1 stimmt mit einer Längsrichtung FL des Fahrzeugs überein. Auch die Längsrichtung des Trägerabschnitts 4 fällt im Wesentlichen mit der Fahrzeuglängsrichtung FL zusammen. In der dargestellten Fahrzeugstruktur 5 sind zwei Energieabsorptionsstrukturen 1 und zwei Trägerabschnitte 4 angeordnet. Sie befinden sich in dem Fahrzeug auf gleicher Höhe über dem Boden und sind in Seitenrichtung des Fahrzeugs zueinander beabstandet. Typischerweise sind sie symmetrisch zu einer Fahrzeugmitte angeordnet. Die Energieabsorptionsstrukturen 1 sind vorzugsweise mittels eines Stoßfängers 6 miteinander verbunden. Es werden dadurch bei einem Crash beide Energieabsorptionsstrukturen 1 mit Crashlast beaufschlagt. Die Fahrzeugstruktur lässt sich in einen energieaufnehmenden Teil und einen stützenden Teil untergliedern. Der energieaufnehmende Bereich umfasst den Stoßfänger 6 und die Energieabsorptionsstrukturen 1, während der stützende Teil die Trägerabschnitte 4 umfasst. An den Trägerabschnitten 4 sind weitere Komponenten des Fahrzeugs befestigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Energieabsorptionsstruktur
- 2
- Aufprallendbereich
- 3
- Abstützendbereich
- 4
- Trägerabschnitte
- 5
- Fahrzeugstruktur
- 6
- Stoßfänger
- L
- Längsrichtung der Energieabsorptionsstruktur
- FL
- Fahrzeuglängsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 00/40450 [0002]
- JP 4005178 A [0002]
- DE 3238587 A1 [0002]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Artikel von Derek Hall: „A Unified Approach to Progressive Crushing of Fibre-Reinforced Composite Tubes” (Composites Science and Technology, Volume 40, Issue 4, 1991, Pages 377–421 D. Hull) [0002]
