-
Die Erfindung betrifft ein Bauteil, vorzugsweise ein lastaufnehmendes Sicherheitsbauteil in einem Fahrzeugkarosserieverbund.
-
Derartige Bauteile sind zum Beispiel in Karosseriestrukturen von Fahrzeugen integriert, um dort für eine hohe Crash-Sicherheit zu sorgen. Dabei ist der Vorteil dieser Sicherheitsbauteile, dass sich über deren Material und Struktur gezielt Steifigkeiten und Kraftaufnahmeverhalten einstellen lassen, um so in einem Crashfall gezielt Kräfte aufzunehmen und weiterzuleiten. Ein Anwendungsfall für diese Sicherheitsbauteile sind Türstrukturen von Kraftfahrzeugen, die zum einen möglichst leicht bauen sollen, um das Fahrzeuggewicht und somit Kraftstoffverbrauch und CO2-Emission zu reduzieren, zum anderen jedoch durch eine hohe Steifigkeit eine hohe Sicherheit für Fahrzeuginsassen im Falle eines Unfalles gewährleisten sollen.
-
Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2005 014 570 A1 ist bereits eine Fahrzeugtürkonstruktion bekannt, die zur Erhöhung der Insassen im Falle eines Unfalles ein Sicherheitselement aufweist, das zur Aufnahme von Kräften ausgebildet und im Wesentlichen quer verlaufend endseitig zwischen den seitlichen Türrahmenholmen befestigt ist. Dieses Sicherheitselement kann dabei direkt Seitenaufprallkräfte aufnehmen und im Falle eines versetzten Frontalcrashs Kräfte von der A-Säule eines Kraftfahrzeuges in dessen B-Säule weiterleiten. Dabei kann dieses Sicherheitselement aus einer Stahllegierung oder einem Kunststoff, z.B. Kohlenstofffaser, ausgebildet sein.
-
Eine weitere Fahrzeugtürstruktur ist aus der Offenlegungsschrift
DE 44 07 731 A1 bekannt, bei der ein Türkörper und ein Fensterrahmen in Schalenbauweise aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt sind. Der Türkörper weist dabei eine Tragstruktur mit in etwa waagerecht verlaufenden Querträgern auf, die ebenfalls zur Aufnahme von Kräften im Falle eines Unfalles ausgebildet sind. Dabei weisen Sicherheitsbauteile aus Kunststoff jedoch grundsätzlich den Nachteil auf, dass sie nach Überschreiten einer maximal aufzunehmenden Kraft brechen und danach keinerlei Kräfte mehr aufnehmen oder weiterleiten.
-
Aus der Gebrauchsmusterschrift
DE 20 2009 0006 966 U1 ist weiterhin ein Kunststoffverbundbauteil bekannt, das als Aufprall-Schutzteil zum Beispiel in Karosserieteilen von Fahrzeugen verwendet werden soll. Diese Bauteile aus einem Faserverstärkten Kunststoff weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie relativ spröde sind und nach Überschreiten einer bestimmten Belastungsgrenze brechen. Um Verletzungen von Fahrzeuginsassen an den entstehenden scharfen und gezackten Bruchkanten an diesen Bauteilen zu vermeiden, wird dort vorgeschlagen, das Kunststoffbauteil mehrschichtig auszubilden, wobei die unterschiedlichen Lagen unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweisen und die Ausbildung von scharfen Kanten im Falle eines Bruches verhindern sollen.
-
Dabei weisen sämtliche bekannte Lösungen zum Aufbau eines Sicherheitsbauteiles jedoch den Nachteil auf, dass sie bei Verwendung eines metallischen Werkstoffes ein hohes Gewicht aufweisen und bei Verwendung eines Kunststoff-Materials keine plastische Verformung ermöglichen, sondern bei Überschreiten einer maximalen Grenzlast schlagartig brechen.
-
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Sicherheitsbauteil bereitzustellen, das wenig Eigengewicht aufweist und zudem eine plastische Verformung mit Übertragen einer Restkraft nach Überschreiten einer maximalen Grenzlast ermöglicht.
-
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Sicherheitsbauteil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
-
Dazu weist das Sicherheitsbauteil in seinem Inneren Deformationselemente auf, die eine mehrstufige Begrenzung der maximalen Kraftübertragung ermöglichen. Diese als Mittel zur Begrenzung der maximalen Kraftübertragung dienenden Deformationselemente stellen dabei sicher, dass das Bauteil zunächst Kräfte bis zu einer bestimmten Grenzlast aufnimmt und weiterleitet. Nach Überschreiten dieser Grenzlast erfolgt eine plastische Verformung des Bauteiles in einem vorbestimmbaren Umfang unter Beibehaltung der Übertragung einer Restkraft. Das vorzugsweise aus Aluminium ausgebildete Sicherheitsbauteil ist dabei im Lastpfad einer Verstärkungsstrebe aus Kunststoff, vorzugsweise einem Faserverstärkten Kunststoff angeordnet und wirkt in Kraftrichtung gesehen mit dieser zusammen. Auf diese Weise kann in erfinderischer Art ein Verformungs- und Kraftübertragungsverhalten an Kunststoffbauteilen erreicht werden, das dem eines Bauteiles aus einem Stahlwerkstoff sehr ähnlich ist, so dass sich die Vorteile aus den Materialien Metall (günstiges Kraftaufnahme- und Verformungsverhalten) und Kunststoff (geringes Eigengewicht) miteinander kombinieren lassen. Das erfindungsgemäße Bauteil kann dabei aus einem Leichtmetall, vorzugsweise Aluminium und die Verstärkungsstrebe aus Kunststoff, vorzugsweise einem Faserverstärkten Kunststoff bestehen, alternativ sind hier aber auch Materialien wie CFK, GFK oder ähnlichem denkbar. Besonders vorteilhaft am erfindungsgemäßen Bauteil ist die Möglichkeit, den Zeitpunkt der plastischen Verformung während einer Krafteinleitung und das Ausmaß der Verformung über die Ausbildung der innenliegenden Deformationselemente einstellen zu können.
-
Die erfindungsgemäßen innenliegenden Deformationselemente sind als Hohlräume im Inneren des Bauteiles ausgebildet, die sich senkrecht zum Hauptlastpfad bzw. der zu übertragenden Kraft und vorzugsweise über die Tiefe des Bauteiles erstrecken. Dabei können sich diese zum Beispiel als kreisrunde Öffnungen ausgebildeten Hohlräume über die gesamte Tiefe des Bauteiles oder nur über Teilabschnitte erstrecken. Des Weiteren sind mehrere Hohlräume im Bauteil vorgesehen, die miteinander in Wirkverbindung stehen. Dabei lässt sich über die Größe und Form dieser Hohlräume und Ihren Abstand zueinander sowie deren Abstand zu den Außenwänden des Elementes das Verformungsverhalten und die entsprechenden maximalen Grenzen der zu übertragenden Kräfte einstellen.
-
Das erfindungsgemäße Bauteil kann dabei als Sicherheitsbauteil besonders vorteilhaft in Fahrzeugkarosserien integriert werden, wo optimales Crashverhalten bei möglichst geringem Eigengewicht gefordert sind. Hier ist dann der Bereich von Fahrzeugtüren besonders geeignet, da dort die großflächigen Außen- und Innenwandbereiche aufgrund ihrer geringen Wandstärke nur begrenzt Kräfte aufnehmen bzw. übertragen können. Dabei stützen sich die erfindungsgemäßen Bauteile an ihren der Verstärkungsstrebe abgewandten Enden vorteilhafterweise an den Türholmen ab, die ihrerseits mit der A-Säule und der B-Säule des Fahrzeuges bei geschlossener Fahrzeugtür wirkverbunden sind, so dass Kräfte von der A-Säule über die als Sicherheitsbauteile wirkenden erfindungsgemäßen Bauteile und die Verstärkungsstrebe in der Fahrzeugtür auf die B-Säule weitergeleitet werden können. Auf diese Weise können im Falle eines versetzten Frontalcrashs mit einem Überlappungsbereich im Frontbereich des Fahrzeuges zwischen diesem und dem Unfallgegner, in die A-Säule eingeleitete Kräfte zum Teil in die B-Säule des Fahrzeuges weitergeleitet werden, was sich vorteilhaft auf die gesamte Kraftaufnahme am Fahrzeug auswirkt.
-
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, den dargestellten Figuren und den Patentansprüchen entnehmbar.
-
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der dargestellten Figuren näher erläutert.
-
Es zeigen die 1 einen Ausschnitt aus einem Seitenteil einer Fahrzeugkarosserie mit Teilen einer Fahrzeugtür in einer vereinfachten Darstellung,
-
die 2 eine vereinfachte Schnittdarstellung durch das erfindungsgemäße Bauteil mit der erfindungsgemäßen Deformationsstruktur und
-
die 3 die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Bauteiles, wobei die 3A die Verformung am Bauteil in unterschiedlichen Phasen darstellt und die 3B den entsprechenden Kraft-Wegverlauf in einem Kraft-Weg-Diagramm.
-
Die 1 zeigt einen vereinfachten Ausschnitt aus einem Seitenteil einer Kraftfahrzeugkarosserie. Dabei ist eine Fahrzeugtür 1 zwischen einer A-Säule 3 und einer B-Säule 5 der Fahrzeugkarosserie angeordnet, wobei sich die Fahrzeugtür 1 in geschlossenem Zustand direkt an der A-Säule 3 und der B-Säule 5 abstützt. Die Fahrzeugtür 1 weist einen umlaufenden Türrahmen 7 auf, an dem nicht näher dargestellte Türbleche, Funktionsteile und Verkleidungsteile angeordnet sind. Zur Versteifung der Baugruppe Fahrzeugtür ist eine Verstärkungsstrebe 10, vorzugsweise aus einem Faserverstärkten Kunststoff, vorgesehen, die sich über als Sicherheitsbauteile wirkende Bauteile 9 am Türrahmen 7 bzw. der A-Säule 3 und der B-Säule 5 abstützt. Dabei weisen die Bauteile 9 im Ausführungsbeispiel einen im Wesentlichen trapezförmigen Querschnitt auf, sind an ihrem einen Ende fest mit der Verstärkungsstrebe 10 verbunden und stützen sich mit ihren der Verstärkungsstrebe 10 abgewandten Enden über den Türrahmen 7 an der Fahrzeugkarosserie ab.
-
Dabei stützt sich ein erstes Bauteil 9 mit seinem vorderen Endbereich 11 zumindest mittelbar an der A-Säule 3 und ein zweites Bauteil 9 mit seinem hinteren Endbereich 13 zumindest mittelbar an der B-Säule 5 ab, so dass über den Bauteilverbund Türrahmen 7, Bauteile 9 und Verstärkungsstrebe 10 eine Kraftübertragung von der A-Säule 3 auf die B-Säule 5 erfolgen kann. Die Bauteile 9 sind im Ausführungsbeispiel an den Enden der Verstärkungsstrebe 10 angeordnet, können aber alternativ auch an anderen Stellen im Krafteinleitungs-Lastpfad an dieser angeordnet sein. Dabei sind Bauteil 9 und Verstärkungsstrebe 10 vorzugsweise miteinander verklebt.
-
Das vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere Aluminium ausgebildete Bauteil 9 weist in seinem Inneren in der 2 näher dargestellte Deformationsmittel 15 auf. Diese Deformationsmittel 15 sind im Ausführungsbeispiel Deformationsstrukturen, die durch senkrecht zum Hauptlastpfad verlaufende Hohlräume 17 im Inneren des Bauteiles 9 gebildet sind.
-
Dabei ist es möglich, diese Hohlräume über die gesamte Tiefe des Bauteiles 9 zu führen oder nur in Teilabschnitten vorzusehen. Weiterhin ist es möglich, die gesamte Verstärkungsstrebe in der Fahrzeugtür 1 als Sicherheitsbauteil 9 mit innenliegenden Deformationsmitteln 15 auszubilden oder, wie im Ausführungsbeispiel gezeigt, an einer bekannte Verstärkungsstrebe 10 ein oder mehrere Sicherheitsbauteile 9 vorzusehen. Diese können dann im Bereich der Endbereiche 11, 13 oder auch über die Länge der Verstärkungsstrebe 10 verteilt angeordnet sein. Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass die Verformungsbereiche gezielt über die Länge der Verstärkungsstrebe 10 eingesetzt werden können.
-
Das in der 2 dargestellte Bauteil 9 weist eine trapezförmige Kontur auf, wobei der untere Teil hier auf einem rechteckigen Sockel aufbaut. Es sind aber auch andere Außenkonturen denkbar, zum Beispiel rechteckige, runde oder andere Formen. Das Bauteil 9 weist im Ausführungsbeispiel der 2 drei kreisförmige Hohlräume 17 auf, wobei ein oberer Hohlraum 19 einen größeren Durchmesser aufweist als zwei darunter angeordnete untere Hohlräume 21, die im Ausführungsbeispiel auf einer gemeinsamen Achse liegen.
-
Der Durchmesser des oberen Hohlraumes 19 bildet dabei eine Plateaulänge a, der Abstand zwischen den Außenwänden des oberen Hohlraumes 19 zu den Außenwänden der unteren Hohlräume 21 eine Stegbreite b, der Abstand zwischen den Außenwänden der unteren Hohlräume 21 zur Außenwand 23 des Bauteiles 9 eine Flankenbreite c und die Tiefe des Bauteiles 9 in z-Richtung bildet eine Blocktiefe d. Die Krafteinleitung in das Bauteil 9 erfolgt in Pfeilrichtung F.
-
In der 3 ist die Funktion des Bauteiles 9 während einer Krafteinleitung F dargestellt, wobei in 3A die Verformungswege am Bauteil 9 dargestellt sind, während das darüber angeordnete Kraft-Weg-Diagramm die entsprechenden Kraft- und Wegeverläufe der Verformung zeigen.
-
Dabei erfolgt im Bereich I zunächst nur ein Anstieg der aufgenommenen und weitergeleiteten Kraft, wobei es zunächst noch zu keiner inneren Verformung des Bauteiles 9 kommt.
-
Wird eine maximale Schwellenlast 27 erreicht und überschritten, brechen im Bereich II die Stege b zwischen den Hohlräumen 19 und 21 und die durch das Bauteil 9 übertragbare Kraft bricht ein und reduziert sich schlagartig auf einen kleineren Wert.
-
Im weiteren Krafteinleitungsverlauf im Bereich III fließen die Flanken der Hohlräume 19 und 21 ineinander, was zu einem flachen Anstieg (Last-Plateau) der übertragbaren Kräfte am Bauteil 9 führt.
-
Erst wenn die Flanken der Hohlräume 19 und 21 auf Block gegangen sind, erfolgt wie im Bereich IV gezeigt wieder ein Anstieg der Kraftübertragung bis auf einen nicht näher dargestellten Maximalwert. Dabei kommt es zu einer Ausformung 24 im Bereich der Flankenbreite c.
-
Über die Anordnung und Ausbildung der Hohlräume 19 und 21 lassen sich dabei unterschiedliche Kraft-Wegverläufe am Bauteil 9 einstellen.
-
Über die Flankenbreite c oder die Blocktiefe d kann das Lastniveau der Schwellenlast 27 (Last, ab der eine Deformationswirkung eintritt) eingestellt werden, wobei mit zunehmender Flankenbreite c oder zunehmender Blocktiefe d ein höheres Lastniveau (zunehmende Kraft und größerer Verformungsweg) erreicht wird.
-
Über die Stegbreite b zwischen den Hohlräumen 19 und 21 kann die maximale Schwellenkraft im Bereich der maximalen Schwellenlast 27 eingestellt werden, wobei mit zunehmender Stegbreite b eine höhere Schwellenkraft erreichbar ist.
-
Die Ausdehnung des Last-Plateau-Bereiches III lässt sich über die Form des oberen Hohlraumes 19 einstellen. Wenn der Hohlraum 19 als Langloch in Richtung des Kraftflusses ausgebildet ist, erhöht sich mit zunehmender Langlochlänge die Länge bzw. Ausdehnung des Last-Plateau-Bereiches III.
-
Weitere Optimierungen durch Veränderungen der Materialzusammensetzung, der Form des Bauteiles 9 und der Anordnung und Ausbildung der Hohlräume 17 sind in Abhängigkeit vom gewünschten Kraft-Wegverlauf der Verformung am Bauteil 9 erreichbar.
-
Wesentlich ist das Vorsehen von Sollbruchstellen innerhalb des Bauteiles 9, die nach Überschreiten einer maximalen Krafteinleitung versagen und so eine durch das Bauteil 9 übertragbare Kraft begrenzen, ohne dass es zu einem plötzlichen Brechen des gesamten Bauteilverbundes 9, 10 kommt. Dabei ist das erfindungsgemäße Kraftbegrenzungssystem am Bauteil 9 unempfindlich gegenüber Querkräften, da der ausgeprägte Stempel aus dem breiten Steg b zwischen den Hohlräumen 19 und 21 beim Eindringen in den oberen Hohlraum 19 eine seitliche Führung erhält und somit eine unkontrollierte Verformung, bzw. ein seitliches Abgleiten verhindert wird.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Fahrzeugtür
- 3
- A-Säule
- 5
- B-Säule
- 7
- Türrahmen
- 9
- Bauteil
- 10
- Verstärkungsstrebe aus Kunststoff
- 11
- vorderer Endbereich des Bauteiles 9
- 13
- hinterer Endbereich des Bauteiles 9
- 15
- Deformationsmittel
- 17
- Hohlräume
- 19
- oberer Hohlraum
- 21
- untere Hohlräume
- 23
- Außenwand des Bauteiles 9
- a
- Plateaulänge
- b
- Stegbreite
- c
- Flankenbreite
- d
- Blocktiefe
- F
- Krafteinleitung
- 25
- Ausformung
- 27
- maximale Schwellenlast
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102005014570 A1 [0003]
- DE 4407731 A1 [0004]
- DE 2020090006966 U1 [0005]
