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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Crashelement, das insbesondere als Stoßfängerquerträger für ein Kraftfahrzeug ausgebildet ist sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Crashelement.
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Crashelemente und darunter Stoßfängeranordnungen und Stoßfängerquerträger haben primär die Aufgabe, im Fall eines Aufpralls auf ein Hindernis Stoßkräfte aufzufangen und beispielsweise eine Kraftfahrzeugkarosserie bei einem Aufprall mit geringer Geschwindigkeit vor strukturellen Beschädigungen zu schützen. Herkömmliche Stoßfängeranordnungen sind üblicherweise aus metallischen Werkstoffen wie Stahl oder Aluminium gebildet, die sich im Crashfall plastisch verformen und so die Aufprallenergie absorbieren. Nachteilige hieran ist das hohe Gewicht der metallischen Werkstoffe.
DE 102010020080 A1 schlägt darüber hinaus vor, Bauteile einer Stoßfängeranordnung aus Faserverbundkunststoffen herzustellen. Eine effiziente Energieaufnahme kann jedoch durch übliche Faserverbundbauteile nicht erfolgen, da diese im Crashfall auf Druck beansprucht werden und damit bereits bei geringen Belastungen brechen.
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Die
DE 10 2011 008 867 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Umwandlung von Aufprallenergie mit einem einen längserstreckten Hohlprofilkörper aufweisenden Crashelement und einem zur Längsachse des Hohlprofilkörpers koaxial angeordneten Treibkörper, welcher unter Einwirkung einer Prallkraft axial in den Hohlprofilkörper eintreibbar ist, wobei der Hohlprofilkörper zumindest deformiert wird. Es wird vorgeschlagen, dass das Crashelement wenigstens einen Ringkörper aufweist, der den Hohlprofilkörper koaxial umschließt, wobei der Ringkörper einen geringeren Grenzwert der Dehnung (Bruchdehnung) D2 aufweist, als der Hohlprofilkörper und der Treibkörper einen Aufweitungsabschnitt aufweist, dessen Aufweitungsquerschnitt derart in seiner Größe bestimmt ist, dass beim Eintreiben des Treibkörpers die Bruchdehnung D2 des Ringkörpers überschritten wird. Aus der
DE 10 2011 008 867 A1 ist ein Crashelement aus Faserverbundkunststoff bekannt, wobei das Crashelement von einem faserhaltigen Material umgeben ist und wobei ein keilförmiges Element so eingebracht ist, dass es vor dem Crashelement hervorsteht.
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Die
GB 2 319 581 A beschreibt eine Vorrichtung zum Absorbieren von Frontalaufprallschocks mit einem Kunststoff-basierten Hohlelement und einem Kolben, der so gestaltet ist, dass dieser in der Lage ist, in das Hohlelement einzudringen und sich zumindest radial zu verformen. Vorzugsweise ist das Hohlelement in Umfangsrichtung durch ein oder mehrere Bündel von endlos um seine Oberfläche gewickelten Verstärkungsfasern verstärkt und der Kolben ist so ausgelegt, dass sein Eindringen in das Innere des Hohlelements einen Bruch des Hohlelements bewirken kann. Die
GB 2 319 581 A zeigt ein Crashelement aus Faserverbundkunststoff wobei das Crashelement von einem faserhaltigen Material umgeben ist und wobei ein keilförmiges Element so eingebracht ist, dass es vor dem Crashelement hervorsteht.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein gewichtsreduziertes Crashelement bereitzustellen, das sich durch sehr gute Energieabsorptionseigenschaften auszeichnet und einen effektiven Deformationsschutz umliegender Strukturen ermöglicht. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung ein crash-sicheres Kraftfahrzeug anzugeben, das die Insassen des Kraftfahrzeugs schützt.
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Die Aufgabe wird bei einem Crashelement erfindungsgemäß durch eine spezifische Anordnung und Stabilisierung von Faserverbundeinzelbauteilen erzielt. Das erfindungsgemäße Crashelement, das insbesondere als Stoßfängerquerträger für ein Kraftfahrzeug ausgebildet ist, umfasst hierzu zwei in T-Form angeordnete L-förmige Trägerelemente aus Faserverbundkunststoff. Jedes Trägerelement weist einen Längsschenkel und einen Querschenkel auf. Die Längsschenkel sind parallel zueinander angeordnet und bilden den Fuß der T-förmigen Anordnung. Die Querschenkel der L-förmigen Trägerelemente bilden die Stirnseite der T-förmigen Anordnung. Die Längsschenkel der Trägerelemente sind mindestens an einem Abschnitt von einem faserhaltigen Material umgeben, was eine räumliche Fixierung und Stabilisierung gegen Torsionskräfte ermöglicht. Das faserhaltige Material ist dabei insbesondere so ausgerichtet, dass die Fasern in Umfangsrichtung der Längsschenkel verlaufen. An der Stirnseite der T-förmigen Anordnung ist zwischen die Längsschenkel der Trägerelemente ein keilförmiges Element eingebracht, das mit seinem mehr oder weniger spitz zulaufenden Ende zwischen die Längsschenkel zeigt. Eine dem spitz zulaufenden Ende gegenüber liegende Seitenfläche steht dabei vor der Stirnseite der T-förmigen Anordnung, und damit vor den Querschenkeln, hervor. Im Crashfall wirkt eine Aufprallkraft zunächst auf das keilförmige Element. Dieses überträgt die Kraft zunächst auf die Längsschenkel der Trägerelemente, die einen Teil der einwirkenden Kraft durch Zugdeformation absorbieren. Da die Längsschenkel von einem faserhaltigen Material umgeben sind, wird eine Deformation und Spreizung der Längsschenkel unter Bruch jedoch verhindert. Vielmehr werden von den Längsschenkeln Kräfte auf das faserhaltige Material übertragen, das aufgrund seiner Anordnung ebenfalls auf Zug beansprucht wird, so dass selbst große Mengen an kinetischer Aufprallenergie absorbiert werden können. Aufgrund der Verwendung von Faserverbundmaterialien für die Trägerelemente kann bei reduziertem Gewicht somit ein Crashelement mit sehr guten Abbaueigenschaften für im Crashfall einwirkende Energien bereitstellt werden. Durch die kaskadenartige Übertragung von Aufprallkräften bzw. Aufprallenergien kann ein hoher Anteil derselben effizient absorbiert werden. Insbesondere eine, aufgrund der erfindungsgemäß spezifischen strukturellen Anordnung der Einzelkomponenten des Crashelements, erzielte Verlagerung der Energien von der Druckseite auf die Zugseite der Trägerelemente und des faserhaltigen Materials, trägt deutlich zur Reduzierung von Deformationskräften unter Bruch der Strukturen bei. Im Vergleich zu bisherigen Faserverbundkunststoff-Stoßfängersystemen kann aufgrund des modularen Aufbaus des erfindungsgemäßen Crashelements das Ausmaß der im Crashfall eintretenden Beschädigungen ferner sehr gut analysiert werden.
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Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.
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Die Ausprägung der L-Form der Trägerelemente ist insbesondere so gewählt, dass das keilförmige Element gut zwischen den Längsschenkeln der Trägerelemente angeordnet werden kann. Um einem Bruch der Trägerelemente an einem Übergangsbereich zwischen den Längsschenkeln und den Querschenkeln der Trägerelemente vorzubeugen, beschreibt der Übergangsbereich vorzugsweise einen Bogen. Eine Lasteinleitung über das keilförmige Element unter Spreizung der Längsschenkel, und damit unter Zugbelastung der Längsschenkel, kann besonders gut erfolgen, wenn ein Bogen im Übergangsbereich so ausgebildet ist, dass dessen Endpunkte einen Kreisausschnitt ergeben, der insbesondere 1/5 bis 1/3 einer Fläche eines entsprechenden Kreises darstellt.
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Damit eine Krafteinleitung vom keilförmigen Element direkt auf die mit einem Fasermaterial umgebenen Trägerelemente ausgeführt werden kann, ist es vorteilhaft, wenn das keilförmige Element aus einem schlagzähen Kunststoff gebildet ist. Geeignete schlagzähe Kunststoffe umfassen Thermoplaste, aber auch Duroplaste wie Polyurethan, schlagzähmodifizierte Polycarbonate, PVC, POM und dergleichen. Aufgrund der hohen thermischen Stabilität bei sehr guter Bearbeitungsmöglichkeit ist Polyurethan besonders gut geeignet.
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Als faserhaltiges Material zur Anordnung um die Längsschenkel der Trägerelemente kann jegliches, zugstabiles Fasermaterial verwendet werden. Insbesondere kommen wegen ihrer gleichbleibend gut qualitativ einstellbaren Eigenschaften textile Fasermaterialien zur Anwendung. Diese umfassen sowohl Reinfasermaterialien wie z.B. Faserfilamente oder Faserrovings, die beispielhaft um die Längsschenkel gewickelt werden können, als auch Faserhalbzeuge, wie Wirrfasermatten, Gelege, Gewirke, Gestricke, Gewebe und dergleichen.
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Aufgrund der sehr gut einstellbaren Zugkraftresistenz sind Faserhalbzeuge besonders gut geeignet. Zur weiteren Stabilisierung der Crashelementanordnung kann das faserhaltige Material insbesondere ein Harz enthalten. Gängige Harzmaterialien sind dabei Epoxidharze. Je nach gewünschter Dehnungseigenschaft können aber auch andere Kunststoffharze zur Anwendung kommen.
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Im Hinblick auf ihre mechanische Stabilität besonders bevorzugte Fasermaterialien, sowohl für das faserhaltige Material als auch für die Fasern in den Faserverbundkunststoff-Trägerelementen, sind Kohlenstofffasern, Glasfasern, Kevlarfasern, Aramidfasern und Mischungen daraus.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die Querschenkel und das keilförmige Element stirnseitig von einem bogenförmigen Vorderträger umgeben. Dieser dient als Prallelement und kann sodann durch den bereits bestehenden oder während des Aufpralls eintretenden Kontakt sowohl mit dem keilförmigen Element als auch mit den L-förmigen Trägerelementen Aufprallenergien dezentralisieren und effektiv so ableiten, dass eine besonders hohe Energieabsorption innerhalb des Crashelements erfolgt. Insbesondere ist der bogenförmige Vorderträger mit den Querschenkeln und vorzugsweise mit den Enden der Querschenkel, verbunden. Durch die L-Form der Trägerelemente werden diese sogar im Querschenkelbereich und auch im Übergangsbereich bis hinein in die Längsschenkel durch auf den Vorderträger einwirkende und durch diesen weitergeleitete Kräfte, ebenfalls stark auf Zug beansprucht. Dies trägt zu einer besonders effizienten Energieabsorption bei, wodurch umliegende Strukturen vor Deformation und Zerstörung bewahrt werden.
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Eine Verbindung zwischen dem bogenförmigen Vorderträger und den Querschenkeln sorgt dabei für eine verbesserte Stabilität des Crashelements, so dass Lastpfade gezielt beschritten werden. Durch Verbindung der Enden der Querschenkel mit dem Vorderträger können die Trägerelemente auf einer maximalen Länge auf Zug beansprucht werden, wodurch eine besonders hohe Energieaufnahme möglich ist.
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Durch die vorteilhafte Weiterbildung, dass die Verbindung zwischen dem bogenförmigen Vorderträger und den Querschenkeln lösbar ausgeführt ist, kann im Reparaturfall ein Montageaufwand bzw. ein Demontageaufwand minimiert werden. Auch ist somit ein Austausch einzelner beschädigter Module des erfindungsgemäßen Crashelements möglich. Geeignete lösbare Verbindungen richten sich nach den Materialien der verwendeten Einzelkomponenten des Crashelements. Geeignet ist unter anderem die Verwendung von Schrauben, oder Spangen. Auch Faserwickelungen sind geeignet. Diese können sogar ebenfalls zur Aufnahme von Aufprallenergien eingesetzt werden und unterstützen damit die modulare Energieabsorption.
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Aus Gründen der Gewichtsreduktion ist der Vorderträger vorzugsweise aus einem Faserverbundkunststoff gebildet.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht ein Abstandselement vor, das zwischen den Längsschenkeln der Trägerelemente, insbesondere an einem der Stirnseite der Trägerelemente abgewandten Endbereich, angeordnet ist. Dadurch, dass die Längsschenkel der Trägerelemente durch das Abstandselement auf Abstand gehalten werden, wird die Belastung der Längsträger in Zugrichtung derselben unterstützt. Besonders bevorzugt ist das Abstandselement in einem Bereich der Längsschenkel angeordnet, der unterhalb des faserhaltigen Materials liegt, weil dadurch die kaskadenartige Lastweiterleitung und Energieabsorption gefördert wird.
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Zur Verhinderung der Einwirkung von Torsionskräften ist das Abstandselement mit den Längsschenkeln, insbesondere durch eine stoffschlüssige Verbindung, verbunden. Der Vorteil der stoffschlüssigen Verbindung, wie beispielsweise einer Klebeverbindung, gegenüber anderen Verbindungsarten ist darin begründet, dass dadurch das Faserverbundmaterial der Trägerelemente nicht destabilisiert wird.
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Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch ein Kraftfahrzeug beschrieben, das ein wie vorstehend offenbartes Crashelement umfasst. Das Crashelement ist dabei mit den Längsschenkeln der Trägerelemente in Fahrzeuglängsrichtung angeordnet und die Querschenkel und das keilförmige Element weisen in Richtung einer Fahrzeugfront des Kraftfahrzeugs. Das Crashelement kann, wie üblich, mit einer Tragstruktur des Kraftfahrzeugs verbunden sein, wobei insbesondere zwischen dem Crashelement und der Tragstruktur eine oder mehrere Deformationsboxen angeordnet sind. Durch die gewichtsparende Bauweise des erfindungsgemäßen Crashelements kann auch ein Gesamtgewicht des Kraftfahrzeugs geringer ausfallen. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist crash-sicher und schützt die Insassen des Kraftfahrzeugs dadurch, dass aufgrund der gezielten Lasteinleitung, Lastweiterleitung und Energieabsorption des erfindungsgemäßen Crashelements Kraftfahrzeugstrukturen nicht durch Bruch unter Splitterung zerstört werden.
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Die für das erfindungsgemäße Crashelement angegebenen Vorteile, vorteilhaften Effekte und Weiterbildungen finden auch Anwendung auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Lösungen sowie deren Weiterbildungen ergeben sich folgende Vorteile:
- - Das Crashelement ist modular aufgebaut und absorbiert Aufprallenergien kaskadenartig.
- - Das Crashelement ist von geringem Eigengewicht.
- - Das Crashelement bietet eine hohe Crashsicherheit unter Vermeidung von Bruch oder Splitterung.
- - Das Kraftfahrzeug zeichnet sich im Crashfall durch eine hohe Zuverlässigkeit und guten Schutz der Fahrzeuginsassen aus.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
- 1 einen Schnitt durch ein Crashelement gemäß einer ersten Weiterbildung der Erfindung und
- 2 einen Schnitt durch ein Crashelement gemäß einer zweiten Weiterbildung der Erfindung.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. In den Figuren sind nur die hier interessierenden Teile des erfindungsgemäßen Crashelements dargestellt, alle übrigen Elemente sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
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1 zeigt einen Schnitt durch ein Crashelement 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Es umfasst zwei Trägerelemente 1 und 2, die aus einem Faserverbundkunststoff gebildet sind. Jedes Trägerelement 1, 2, hat einen Längsschenkel 5 und einen Querschenkel 4. Zwischen den Längsschenkeln 5 und den Querschenkeln ist ein Übergangsbereich 3, der eine Krümmung aufweist und damit eine Bogenform zeigt. Die Längsschenkel 5 und Querschenkel 4 sind gerade, also nicht gebogen. In Summe ergibt sich bei jedem Trägerelement 1, 2 eine L-Form, wobei sich durch die Parallelanordnung der Längsschenkel 5 und die radiale Ausrichtung der Querschenkel 4 die beiden L-Formen zu einer T-Form addieren.
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In einem Bereich der Längsschenkel 4 sind diese von einem faserhaltigen Material 6 umgeben, wobei das faserhaltige Material insbesondere ein mit einem Harz getränktes und ausgehärtetes Faserhalbzeug ist.
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An einer Stirnseite der Trägerelemente 1, 2, also in einem Verbindungsbereich zwischen den Querschenkeln 4 und somit auch zwischen den Längsschenkeln 5, ist ein keilförmiges Element 7 eingebracht, das sich in einem Bereich der Längsschenkel 5 erstreckt, der nicht vom faserhaltigen Material 6 umgeben ist. Das keilförmige Element 7 weist mit seinem spitz zu laufenden Ende 7a zwischen die Längsschenkel 5, wobei eine diesem Ende 7a gegenüber liegende Fläche 7b eben ausgeführt ist und vor den Querschenkeln 4 etwas hervorsteht, so dass eine frontal von der Fläche 7b des keilförmigen Elements 7 her einwirkende Kraft zunächst auf das keilförmige Element 7 einwirkt.
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Durch die vorzugsweise schlagzäh modifizierte Ausführung des keilförmigen Elements 7 wird eine einwirkende Kraft auf die Trägerelemente 1, 2 übertragen, die gespreizt werden, wobei durch Zugdehnung der Trägerelemente 1, 2 ein Teil der Energie, nämlich einer Aufprallenergie, durch die Trägerelemente 1, 2 absorbiert wird. Ein Auseinanderbrechen des Crashelements 10 wird dadurch verhindert, dass die Längsschenkel 5 mit dem faserhaltigen Material 6 umgeben sind, das in einem weiteren Energieübertragungsschritt Energie absorbiert, wodurch auch hier die Fasern des faserhaltigen Materials auf Zug beansprucht werden und somit hohe Kräfte aufnehmen können. Durch die modulare Bauweise des Crashelements 10 aus 1 wird eine kaskadenartige Energieweiterleitung und Umverteilung ermöglicht, so dass jede Komponente des Crashelements 10 einen Beitrag zur Energieabsorption leisten kann.
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2 zeigt eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Crashelements 20. Im Vergleich zu dem Crashelement aus 1 weist das Crashelement 20 aus 2 zusätzliche Komponenten auf, die die Energieabsorption im Crashfall verbessern. Zum einen werden die Querschenkel 4 und das keilförmige Element 7, das eine gewölbte Fläche 7b aufweist, stirnseitig von einem bogenförmigen Vorderträger 8 umgeben. Der bogenförmige Vorderträger 8 ist dabei mit den Enden der Querschenkel 4 durch eine lösbare Verbindung 9 verbunden.
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Im Crashfall wirkt somit zunächst eine Aufprallkraft auf den Vorderträger 8, der Energie sowohl auf das keilförmige Element 7 als auch auf die Enden der Querschenkel 4 der Trägerelemente 1, 2 überträgt. Die Aufprallenergie wird somit sehr schnell dezentralisiert und in kleinere Energieportionen aufgeteilt. Ein Teil dieser Energie wird sodann durch Zugbeanspruchung der L-förmigen Trägerelemente 1, 2 durch Zug auf die Enden der Querschenkel 4 beansprucht. Dies führt zu einer Spreizung der Trägerelemente 1, 2 unter Dehnung derselben und damit unter Aufnahme von Energie. Ein weiterer Teil der Aufprallenergie wird, wie der Beschreibung zu 1 zu entnehmen ist, über das keilförmige Element 7 auf das faserhaltige Material 6 übertragen.
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Zwischen den Enden der Längsschenkel 5 der Trägerelemente 1, 2 ist unterhalb des Bereichs, in dem das faserhaltige Material 6 angeordnet ist, ein Abstandselement 11 angeordnet, das mit den Längsschenkeln 5 stoffschlüssig verbunden sein kann. Dieses sorgt zusätzlich für eine Stabilität des Crashelements 20 unter Vermeidung von Torsionskräften und Förderung der Energieabsorption durch Zugbeanspruchung der Komponenten.
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Die erfindungsgemäßen Crashelemente 10, 20 eignen sich besonders gut zum Verbau in einem Stoßfängerquerträger eines Kraftfahrzeugs.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Trägerelement
- 2
- Trägerelement
- 3
- Übergangsbereich zwischen den Querschenkeln und den Längsschenkeln
- 4
- Querschenkel
- 5
- Längsschenkel
- 6
- faserhaltiges Material
- 7
- keilförmiges Element
- 7a
- spitz zulaufendes Ende des keilförmigen Elements
- 7b
- Fläche des keilförmigen Elements
- 8
- Vorderträger
- 9
- Verbindung
- 10
- Crashelement
- 11
- Abstandselement
- 20
- Crashelement
