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Die Erfindung betrifft ein Trägerelement für eine Karosserie eines Personenkraftwagens gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Ein solches Trägerelement für eine Karosserie eines Personenkraftwagens ist beispielsweise bereits der
DE 20 2014 103 164 U1 als bekannt zu entnehmen. Das Trägerelement weist dabei wenigstens einen Hauptlängsträger auf, welcher bei einer unfallbedingten Kraftbeaufschlagung zumindest in einem Teilbereich deformierbar ist.
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Außerdem offenbart die
DE 10 2010 041 184 A1 eine Karosseriestruktur für einen Frontbereich eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer Mehrzahl von Längsträgern, die sich parallel oder im Wesentlichen parallel zu einer Fahrzeuglängsachse erstrecken. Ferner ist ein Frontmodul vorgesehen, welches mit dem frontseitigen Ende eines oder mehrerer Längsträger verbunden ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Trägerelement der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass sich ein besonders vorteilhaftes Unfallverhalten realisieren lässt.
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Diese Aufgabe wird durch ein Trägerelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um ein Trägerelement der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass sich ein besonders vorteilhaftes Unfallverhalten realisieren lässt, ist erfindungsgemäß wenigstens ein im Inneren des Hauptlängsträgers angeordnetes und den Hauptlängsträger stabilisierendes Energieabsorptionselement vorgesehen, mittels welchem bei einer unfallbedingten, ein vorgebbares Kraftniveau überschreitenden Kraftbeaufschlagung des Trägerelements unter Deformation Unfallenergie absorbierbar ist. Durch die Deformation des auch als Unfallelement oder Crashelement bezeichneten Energieabsorptionselements wird Unfallenergie, die bei der unfallbedingten Kraftbeaufschlagung auf das Trägerelement wirkt, in Verformungsenergie umgewandelt und dadurch absorbiert, so dass beispielsweise auf Insassen des Personenkraftwagens wirkende Beschleunigungen in einem besonders geringen Rahmen gehalten werden können. Das Energieabsorptionselement ist somit ein innenliegendes, energieabsorbierendes und deformationsstabilisierendes Crashelement, welches aktiviert wird, wenn die unfallbedingte Kraftbeaufschlagung das vorgebbare Kraftniveau übersteigt. Somit wird das innenliegende und deformationsstabilisierende Energieabsorptionselement bei einer bestimmten Kraft, die beispielsweise im Rahmen eines Unfalls auf das Trägerelement wirkt, aktiviert. Unter der Aktivierung des Energieabsorptionselements ist zu verstehen, dass das Energieabsorptionselement deformiert wird, wodurch Unfallenergie in Verformungsenergie umgewandelt und somit abgebaut beziehungsweise absorbiert wird. Da das Energieabsorptionselement im Inneren des Hauptlängsträgers, welcher auch als Längsträger bezeichnet wird, angeordnet ist, beinhaltet der Hauptlängsträger das in sich deformierbare Energieabsorptionselement, so dass sich eine besonders vorteilhafte Energieaufnahme im Falle eines Unfalls darstellen lässt.
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Der Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass bei herkömmlichen Karosserien und somit bei herkömmlichen Trägerelementen deren Knickanfälligkeit mit einem daraus resultierenden Effizienzverlust des Hauptlängsträgers problematisch sein kann. Dieses Problem kann nun bei dem erfindungsgemäßen Trägerelement vermieden werden, so dass durch den Einsatz des innenliegenden und stabilisierenden Energieabsorptionselements der Hauptlängsträger, insbesondere dessen Deformation, beispielsweise bei einem Frontalaufprall, insbesondere bei einem Hochgeschwindigkeits-Frontalaufprall, optimiert werden kann. Durch den Einsatz des Energieabsorptionselements kann das Trägerelement hinsichtlich seines Deformationswegs und des darstellbaren Energieabbaus bedarfsgerecht eingestellt werden. Das genannte Kraftniveau, bei dessen Überschreiten das Energieabsorptionselement aktiviert wird, kann beispielsweise durch entsprechende Ausgestaltung des Energieabsorptionselements und/oder durch eine entsprechende Anbindung des Energieabsorptionselements an den Hauptlängsträger eingestellt und somit vorgegeben werden. Somit können zumindest im Wesentlichen optimale Kraftniveaus und Deformationswege realisiert werden. Bei einer gezielten Einstellung des Hauptlängsträgers kann ein für frontangetriebene Kraftfahrzeuge typischer, kurzer Fahrzeugvorbau kompensiert werden, so dass sich trotz des Einsatzes eines solchen, kurzen Fahrzeugvorbaus ein besonders vorteilhaftes Unfallverhalten darstellen lässt.
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Eine weitere, der Erfindung zugrundeliegende Erkenntnis ist, dass bei herkömmlichen Trägerelementen definierte Sollknickstellen am Hauptlängsträger zum Einsatz kommen, um ein Knick- und Deformationsverhalten gezielt einzustellen. Nachteilig hierbei ist jedoch der Energieverlust, der aufgrund von Knicken des Hauptlängsträgers bei einer bestimmten Kraftspitze ausgeht, ohne das erreichte Kraftniveau zu halten und somit mehr Energie abzubauen.
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Diese Nachteile können bei dem erfindungsgemäßen Trägerelement vermieden werden, da sich durch den Einsatz des Energieabsorptionselements eine Führung des Längsträgers realisieren und ein Losbrechmoment gezielt einstellen lässt. Ferner ist es möglich, ein besonders hohes Lastniveau über eine vorteilhaft lange Zeit während der Kraftbeaufschlagung zu halten und dabei einen vorgegebenen Deformationsweg zu realisieren, ohne einen unerwünschten Effizienzverlust hinnehmen zu müssen. Durch den Einsatz des innenliegenden und stabilisierenden Energieabsorptionselements kann dadurch zur Verfügung stehender Bauraum zumindest im Wesentlichen optimal genutzt werden, so dass sich auch auf platzsparende Weise ein besonders vorteilhaftes Unfallverhalten realisieren lässt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische und perspektivische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Trägerelements für eine Karosserie eines Personenkraftwagens, mit wenigstens einem Hauptlängsträger, welcher bei einer unfallbedingten Kraftbeaufschlagung zumindest in einem Teilbereich deformierbar ist, wobei wenigstens ein im Inneren des Hauptlängsträgers angeordnetes und den Hauptlängsträger stabilisierendes Energieabsorptionselement vorgesehen ist, mittels welchem bei einer unfallbedingten, ein vorgebbares Kraftniveau überschreitenden Kraftbeaufschlagung des Trägerelements unter Deformation Unfallenergie absorbierbar ist;
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2 jeweils eine schematische Seitenansicht des Trägerelements in deformiertem Zustand und in undeformiertem Zustand;
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3 ein Diagramm zum Veranschaulichen des Deformationsverhaltens des Trägerelements; und
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4 ein weiteres Diagramm zum Veranschaulichen des Deformationsverhaltens des Trägerelements.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen und perspektivischen Seitenansicht ein im Ganzen mit 10 bezeichnetes Trägerelement für eine Karosserie eines Personenkraftwagens. Im fertig hergestellten Zustand der Karosserie beziehungsweise des Personenkraftwagens ist das Trägerelement 10 in einem Vorderwagenbereich der Karosserie angeordnet und kommt somit in einem Fahrzeugvorbau der Karosserie beziehungsweise des Personenkraftwagens zum Einsatz. Dabei erstreckt sich das Trägerelement 10 in seiner Einbaulage zumindest im Wesentlichen in Fahrzeuglängsrichtung, wobei das Trägerelement 10 seine Einbaulage in vollständig hergestelltem Zustand des Personenkraftwagens einnimmt. Mit anderen Worten weist das Trägerelement 10 eine Längserstreckungsrichtung auf, welche zumindest im Wesentlichen in Fahrzeuglängsrichtung (x-Richtung) verläuft.
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Das Trägerelement 10 umfasst einen beispielsweise aus einem Stahl, insbesondere aus einem hochfesten Stahl, gebildeten Hauptlängsträger 12, welcher beispielsweise in Schalenbauweise ausgebildet ist und dabei wenigstens zwei Schalenelemente 14 und 16 aufweist, welche beispielsweise über jeweilige Fügeflansche 18 miteinander verbunden, insbesondere miteinander verschweißt, sind. Um das Trägerelement 10 anhand von 1 besonders gut beschreiben zu können, ist in 1 das Schalenelement 16 transparent dargestellt. Die Schalenelemente 14 und 16 begrenzen beispielsweise wenigstens einen Hohlquerschnitt 20 des Hauptlängsträgers 12, so dass der Hauptlängsträger 12 zumindest in einem Längenbereich den Hohlquerschnitt 20 aufweist und somit hohl ausgebildet ist. Beispielsweise ist der Hohlquerschnitt 20 als in Umfangsrichtung vollständig geschlossener Querschnitt ausgebildet. Wie im Folgenden noch erläutert wird, ist der Hauptlängsträger 12 bei einer beispielsweise in Fahrzeuglängsrichtung von vorne nach hinten wirkenden und aus einem Frontalaufprall des Personenkraftwagens resultierenden unfallbedingten Kraftbeaufschlagung zumindest in einem Teilbereich deformierbar.
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Um nun ein besonders vorteilhaftes Unfallverhalten des Trägerelements 10 realisieren und vorzugsweise bedarfsgerecht einstellen zu können, umfasst das Trägerelement 10 wenigstens ein seinem Inneren 22, insbesondere in dem Hohlquerschnitt 20, angeordnetes und den Hauptlängsträger 12 stabilisierendes Energieabsorptionselement 24, mittels welchem bei einer unfallbedingten, ein vorgebbares Kraftniveau überschreitenden Kraftbeaufschlagung des Trägerelements 10 unter Deformation Unfallenergie absorbierbar ist. Somit ist das Energieabsorptionselement 24 ein innenliegendes, energieabsorbierendes und deformationsstabilisierendes Crashelement, welches bei einer bestimmten Kraft, das heißt wenn eine unfallbedingte und beispielsweise aus einem Frontalaufprall resultierende Kraftbeaufschlagung des Trägerelements 10 das zuvor genannte vorgebbare Kraftniveau überschreitet, aktiviert und somit deformiert wird.
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Dem Trägerelement 10, insbesondere dessen Ausgestaltung, liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem Unfall die Längsträger der Karosserie entscheidende Bauteile für die passive Sicherheit des Personenkraftwagens sind. Durch gezielt ausgelöste, das heißt gezielt getriggerte und definierte Verformungen auf einem vorgegebenen Lastniveau sollte das Trägerelement 10 eine bestimmte Unfallenergie aufnehmen. Bei herkömmlichen Trägerelementen gibt es aufgrund von einfallenden Strukturen unter einem bestimmten Lastniveau übermäßige Effizienzverluste. Derartige Effizienzverluste können durch den Einsatz des innenliegenden, energieabsorbierenden und deformationsstabilisierenden Energieabsorptionselements 24 vermieden beziehungsweise kompensiert werden, wobei gleichzeitig die in Fahrzeuglängsrichtung verlaufende Länge des Fahrzeugvorbaus besonders gering gehalten werden kann. Mit anderen Worten werden bei herkömmlichen Trägerelementen die genannten Effizienzverluste durch eine besonders große, in Fahrzeuglängsrichtung verlaufende Länge des Fahrzeugvorbaus kompensiert. Dies führt zu einer sehr großen Länge des Personenkraftwagens insgesamt. Eine solche, übermäßige Länge des Fahrzeugvorbaus und somit des Personenkraftwagens kann durch den Einsatz des Trägerelements 10 vermieden werden, da dieses auch bei einer besonders geringen Länge des Fahrzeugvorbaus und somit auf besonders geringem Weg einen hohen Betrag an Energie absorbieren kann. Somit können die zuvor beschriebenen Effizienzverluste mittels des als Crashelement fungierenden Energieabsorptionselements 24 kompensiert werden. Vorzugsweise ist das Energieabsorptionselement 24 bezogen auf die in Fahrzeuglängsrichtung verlaufende Länge des Hauptlängsträgers 12 in dessen Mitte angeordnet. Das Energieabsorptionselement 24 hat beispielsweise die Funktion, den Hauptlängsträger 12, welcher auch einfach als Längsträger bezeichnet wird, zu stabilisieren. Ferner wird das Energieabsorptionselement 24 bei einer bestimmten Kraft aktiviert. Des Weiteren hält das Energieabsorptionselement 24 ein definiertes Kraftniveau bei vorgegebenem Weg und ermöglicht somit die Realisierung einer besonders kurzen Länge des Fahrzeugvorbaus, welche auch als Vorbau bezeichnet wird.
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Bei der Analyse von herkömmlichen Trägerelementen hat sich gezeigt, dass der jeweilige Hauptlängsträger 12 bei einer unfallbedingten Kraftbeaufschlagung knickt. Aufgrund dieses Knickens kann ein bestimmtes Lastniveau nur für sehr kurze Zeit gehalten werden. Um demgegenüber eine bessere Energieaufnahme erzielen zu können, sollte ein möglichst konstantes Kraftniveau über einen bestimmten Weg gehalten werden. Dies kann mittels des Trägerelements 10 realisiert werden. Aus 1 ist die Anordnung beziehungsweise die Lage des innenliegenden Energieabsorptionselements 24 in dem Hauptlängsträger 12 erkennbar. Das innenliegende Energieabsorptionselement 24 (Crashelement) kann über einen definierten Weg ein vorgegebenes Kraftniveau halten und die Deformation, insbesondere des Hauptlängsträgers 12, stabilisieren.
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Außerdem umfasst das Trägerelement 10 ein weiteres Energieabsorptionselement 26, welches auch als Crashbox bezeichnet wird. Während das Energieabsorptionselement 24 vollständig im Inneren 22 des Hauptlängsträgers 12 angeordnet ist, ragt zumindest ein Längenbereich 28 des Energieabsorptionselements 26 aus dem Hauptlängsträger 12 heraus. Dabei ist beispielsweise das Energieabsorptionselement 26 mittels mehrerer Schrauben 30 mit dem Hauptlängsträger 12 verbunden und somit an diesem abgestützt. 2 zeigt das Trägerelement 10 in einem mit A bezeichneten undeformierten Zustand und in einem mit D bezeichneten deformierten Zustand.
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3 zeigt ein Diagramm zum Veranschaulichen des Deformationsverhaltens des Trägerelements 10. Auf der Abszisse 32 des in 3 gezeigten Diagramms ist beispielsweise die Zeit aufgetragen, wobei auf der Ordinate 34 des in 3 gezeigten Diagramms eine Kraft aufgetragen ist, die beispielsweise das Trägerelement 10 der unfallbedingten Kraftbeaufschlagung entgegensetzt. Diese, der unfallbedingten Kraftbeaufschlagung entgegenwirkende Kraft des Trägerelements 10 ist in 3 durch einen Verlauf 36 veranschaulicht, wobei ein Verlauf 38 eine Kraft veranschaulicht, die beispielsweise ein herkömmliches Trägerelement der unfallbedingten Kraftbeaufschlagung, die beispielsweise ausgehend von dem undeformierten Zustand A zu dem deformierten Zustand D führt, entgegensetzen kann. Somit ist in 3 der Hauptlängsträger mit dem innenliegenden Energieabsorptionselement 24 einem herkömmlichen Trägerelement gegenübergestellt. Aus 3 lässt sich ein deutlicher Vorteil des Trägerelements 10 gegenüber einem herkömmlichen Trägerelement erkennen. Zu erkennen ist insbesondere eine deutliche Effizienzsteigerung in einem Bereich B ab zumindest im Wesentlichen 50 Millisekunden.
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Das Wirkprinzip des Trägerelements 10 ist besonders gut aus 4 erkennbar, welches ein Diagramm zeigt, auf dessen Abszisse 40 die Zeit aufgetragen ist. Das in 4 gezeigte Diagramm weist mehrere Ordinaten 42, 44 und 46 auf. Auf der Ordinate 42 ist eine beispielsweise in Fahrzeuglängsrichtung auf den Innenraum beziehungsweise auf sich im Innenraum aufhaltende Insassen des Personenkraftwagens wirkende Beschleunigungen aufgetragen, wobei auf der Ordinate 44 die in Fahrzeuglängsrichtung verlaufende Geschwindigkeit aufgetragen ist. Auf der Ordinate 46 ist die Verformung beziehungsweise der Deformationsweg des Trägerelements 10 aufgetragen. Dabei veranschaulicht ein Verlauf 48 die Beschleunigungen, zu denen es bei Verwendung des Trägerelements 10 kommt. Demgegenüber veranschaulicht ein Verlauf 50 die Beschleunigungen, zu denen es bei Einsatz eines herkömmlichen Trägerelements kommt. Ferner veranschaulicht ein Verlauf 52 die in Fahrzeuglängsrichtung verlaufende Geschwindigkeit, zu der es bei Einsatz des Trägerelements 10 kommt. Außerdem veranschaulicht ein Verlauf 54 die Geschwindigkeit, zu der es bei Einsatz eines herkömmlichen Trägerelements kommt. Schließlich veranschaulicht ein Verlauf 56 den Deformationsweg des Trägerelements 10, wobei ein Verlauf 58 den Deformationsweg des herkömmlichen Trägerelements veranschaulicht. Insgesamt sind folgende Beobachtungen gemacht worden: Zwischen 40 und 60 Millisekunden kommt es nicht zu einem Einbruch des auch als Kennlinie oder Verzögerungskurve bezeichneten Verlaufs 48. Ferner können die Beschleunigungsspitzen nach 70 Millisekunden deutlich reduziert werden, was ebenfalls anhand des Verlaufs 48 (Verzögerungskurve) erkennbar ist. Im Bereich zwischen 40 bis 60 Millisekunden kann eine zumindest im Wesentlichen konstante Geschwindigkeitsreduktion realisiert werden, was anhand des auch als Geschwindigkeitsverlauf bezeichnenden Verlaufs 52 erkennbar ist. Außerdem kommt es zu einem geringeren Deformationsweg bei geringer maximaler Verzögerung, was anhand des auch als Deformationsweg bezeichneten Verlaufs 56 erkennbar ist. Insgesamt ist erkennbar, dass das Trägerelement 10 neben einem stabilen Längsträgerverhalten im Falle eines Unfalls sowohl den Deformationsweg als auch die Verzögerungskurve verbessert und optimiert. Hervorzuheben ist die Möglichkeit einer Kompensation eines relativ kurzen Vorbaus. Des Weiteren ist festzuhalten, dass sich das auch als Deformationselement bezeichnete Energieabsorptionselement 24 in eine bestehende Längsgeometrie herkömmlicher Art integrieren lässt, um Anbindungskonzepte wie zum Beispiel eine Motorbefestigung nicht zu gefährden. Im Folgenden werden Ausführungsarten des Trägerelements 10 näher erläutert:
Für die Umsetzung des Trägerelements 10 sind unterschiedliche technische Ausführungen denkbar. Grundprinzip bleibt die Umsetzung eines Energieabsorptionselements (Deformationselement), das über einen möglichst großen Deformationsweg ein gleichbleibend hohes Kraftniveau, typischerweise im Bereich von einschließlich 100 Kilonewton bis einschließlich 200 Kilonewton liefert. Dadurch kann ein möglichst hohes Maß an Energie in der Struktur absorbiert werden. Beispielsweise ist dabei eine Energieabsorption durch Materialzerrüttung denkbar. Hier wird im für die Struktur verwendeten Material wie beispielsweise hochfeste Stähle durch geeignete Vorkehrungen ein lokales Versagen erzeugt. Dazu können je nach Grundmaterial geeignete Schneiden zum Beispiel aus Hartmetall verwendet werden. Die resultierende Energieabsorption resultiert aus der Schaffung neuer Oberflächen im hochfesten Werkstoff, um eine maximale Energieaufnahme zu erreichen.
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Alternativ oder zusätzlich ist eine Energieabsorption durch geometrische Stützung denkbar. Hier wird durch ein im Hauptlängsträger 12 eingebrachtes Zusatzteil ein kontrolliertes Deformieren unter größtmöglicher Plastifizierung der Struktur erzeugt. Eine zusätzliche Trennung von Material beziehungsweise Versagen ist hier nicht notwendigerweise vorgesehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202014103164 U1 [0002]
- DE 102010041184 A1 [0003]
