DE102016222013B4 - Stoßfängereinheit für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Abstract

Stoßfängereinheit für ein Kraftfahrzeug, mit einem Knautschelement (3) zur Anbindung an einen Stoßfänger (2) sowie einer mit dem Knautschelement (3) durch wenigstens eine primäre Schweißnaht (5.1, 5.2, 5.3) verbundenen Verbindungsplatte (4) zur Verbindung mit einer Fahrzeugstruktur, gekennzeichnet durch wenigstens ein Verstärkungselement (7, 8), welches mit dem Knautschelement (3) in einem Verbindungsbereich (3.5) verbunden ist, welcher an die primäre Schweißnaht (5.1, 5.2, 5.3) angrenzt und sich von dieser fort erstreckt.

Description

• Die Erfindung betrifft Stoßfängereinheit für ein Kraftfahrzeug, mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
• Die gattungsbildende DE 10 2007 033 764 A1 befasst sich mit einer Stoßstange mit von ihr abragenden Halterungen zum Befestigen an Längsträgern eines Fahrzeuges. In Abstand zueinander als Druckgurt bzw. Zuggurt angeordnete Profilwände und ein Paar diese verbindender Flankenwände bilden ein Hohlprofil. Die Einheit aus Stoßstange und Halterung ist mit Kompensationselementen ausgestattet, welche durch die Stoßstange beeinflussende Druckkräfte auslösbare Verformungen an der Halterung begrenzen. Die Halterung ist zumindest einenends angeschweißt sowie nahe der Schweißnaht mit wenigstens einem lochartigen Wanddurchbruch in ihrer Wandung ausgestattet. Zudem ist den der Halterung benachbarten beiden Randbereichen der Stoßstange jeweils ein seitlicher Wanddurchbruch zugeordnet, der einen etwa kreisförmigen Rand aufweist. Dem der Stoßstange ferne Randbereich der Halterung ist zumindest ein zu einer ihre Mittellinie kreuzenden Diametralebene geneigter Sackschlitz zugeordnet, der von dem Rand der Halterung ausgeht.
• Bei modernen Kraftfahrzeugen ist ein wesentlicher Aspekt bei der Planung die Gestaltung der Knautschzonen, also der Bereiche bzw. Bauteile des Fahrzeugs, die bei einem Unfall durch Verformung Energie aufnehmen und somit andere Fahrzeugbereiche sowie insbesondere die Insassen vor Schaden schützen. Wesentlich sind hierbei u.a. die Stoßfänger, die in Fahrtrichtung vorne und hinten angeordnet sind und sich im Wesentlichen quer zur Fahrtrichtung erstrecken. Bei einem typischen Konstruktionskonzept ist hierbei der eigentliche Stoßfänger über Energieabsorptionselemente (bspw. Crashboxen, Crashtubes oder Knautschdosen) mit dem Fahrzeugrahmen verbunden. Hierbei ist der Stoßfänger selber aufgrund seiner Formgebung und/oder des verwendeten Materials stabiler ausgelegt, während die Energieabsorptionselemente, die sich in etwa in Fahrtrichtung erstrecken, weniger stabil sind. Diese können bspw. aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung bestehen und verformen sich vergleichsweise leicht, wenn über den Stoßfänger eine Kraft auf sie ausgeübt wird. Insbesondere bei Auffahrunfällen mit geringer Geschwindigkeit kann so idealerweise die Verformung im Wesentlichen auf die Energieabsorptionselemente beschränkt bleiben, während der Fahrzeugrahmen unbeschädigt bleibt. Dies reduziert selbstverständlich die Reparaturkosten erheblich. Der Stoßfänger kann ggf. auch einteilig mit denen Energieabsorptionselementen ausgebildet sein. Die eigentliche Anbindung an den Fahrzeugrahmen erfolgt üblicherweise über Verbindungsplatten, die an die Energieabsorptionselemente angeschweißt sind und mit dem Fahrzeugrahmen, bspw. einem Längsträger, verbunden werden können, bspw. durch Anschrauben.
• Problematisch in diesem Zusammenhang ist, dass beim Verschweißen des Energieabsorptionselements mit der Verbindungsplatte beiderseits der Schweißnaht eine Wärmeeinflusszone (WEZ) entsteht, in der durch Erhitzen und Abkühlen Spannungen im Material entstehen können und sich ggf. auch eine Gefügestruktur in unerwünschter Weise verändern kann. Die mechanischen Kennwerte des Materials in der WEZ können sich negativ gegenüber dem Grundmaterial verändern. Hierdurch können bei einer Belastung bevorzugt in der Wärmeinflusszone Risse entstehen und sich auch innerhalb derselben ausbreiten. Dies kann bspw. dazu führen, dass das Energieabsorptionselement ganz oder zumindest teilweise von der Verbindungsplatte abreißt, obgleich die eigentliche Schweißnaht intakt bleibt. In diesem Fall ist die Strukturintegrität, also die mechanische Verbindung der beiden Längsträger durch den Stoßfängerquerträger nicht mehr gegeben. Zu einem derartigen Versagen des Elements kann es bspw. beim Auftreffen auf einen zur Fahrzeugmitte versetztes, feststehendes Hindernis (z.B. bei einem SORB-Test (small offset rigid barrier)) kommen, dieses Versagen kann auf der Aufprallabgewandten Seite beobachtet werden.
• Die US 1 885 398 A zeigt ein Verfahren, mit dem Risse repariert werden können, die bspw. an einem Winkel eines Flansches auftreten. Hierbei wird in einem ersten Schritt die von dem Riss betroffene Region elektrisch oder thermisch ausgebrannt und in einem zweiten Schritt durch Schweißen aufgefüllt. In einem dritten Schritt wird ein Metallstück, das den Querschnitt eines rechtwinkligen Dreiecks hat, in den Winkel eingeschweißt.
• Die US 5 530 219 A beschreibt eine geschweißte Klammer, die verwendet werden kann, um einen Reaktorbehälter zu reparieren, bei dem Brüche aufgrund von Belastungskorrosion aufgetreten sind. Die Klammer wird mit dem Reaktorbehälter verschraubt und besteht aus einer Mehrzahl von ringförmigen Teilen, die in einem speziellen Verfahren miteinander verschweißt werden. Zwei zusammenzufügende Abschnitte der Klammer werden stumpf aneinander gesetzt, wobei die aneinanderstoßenden Stirnseiten mittig eine Art Vorsprung aufweisen, beiderseits dessen Lücken verbleiben, die während des Schweißprozesses mit einer speziellen, schwertartigen Elektrode verschweißt werden.
• Die EP 1 674 187 A1 zeigt ein Schweißverfahren zum Herstellen einer Scheißverbindung, die eine Ausbreitung von Versprödungsrissen verhindert. Hierzu wird an einer Stumpfschweißnaht eine Reparaturschweißung angebracht, die eine größere Härte als die Stumpfschweißnaht aufweist. Die Form der Reparaturschweißung ist in etwa dreieckig, wobei eine Spitze des Dreiecks auf der Stumpfschweißnaht liegt. Die Seiten des Dreiecks schließen mit der Verlaufsrichtung der Naht einen Winkel zwischen 10° und 60° ein. Optional kann die Reparaturschweißung mit einem Verstärkungsblech kombiniert werden, das mit einer Kante an dem stumpfverschweißten Werkstück anliegt und an diesem angeschweißt ist.
• Die CN 103192223 A zeigt ein Verfahren zur Behandlung von Rissen in einer Hitzeeinflusszone einer Schweißnaht. Hierbei wird zunächst eine Ultraschalluntersuchung des Risses vorgenommen, wonach entweder ein Ausmeißeln oder Ausfräsen erfolgt. In einem nächsten Schritt werden endseitig des Risses Löcher gebohrt. Danach erfolgt eine Reparaturschweißung, der jeweils eine Wärmebehandlung des Werkstücks vor- sowie nachgeschaltet ist, bei welcher eine Wärmeisolierung mittels Steinwolle erfolgt.
• Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet die Bereitstellung einer Stoßfängereinheit mit optimiertem Crashverhalten, insbesondere zur Verhinderung eines ungewollten Abreißens der Verbindungen mit der Fahrzeugstruktur, noch Raum für Verbesserungen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stoßfängereinheit mit verbessertem Crashverhalten zur Verfügung zu stellen.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Stoßfängereinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen.
• Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
• Durch die Erfindung wird eine Stoßfängereinheit für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt. Als Kraftfahrzeuge kommen hierbei insbesondere PKW oder LKW infrage. Die Stoßfängereinheit weist ein Knautschelement zur Anbindung an einen Stoßfänger auf sowie eine mit dem Knautschelement durch wenigstens eine primäre Schweißnaht verbundene Verbindungsplatte zur Verbindung mit einer Fahrzeugstruktur, also z.B. mit einem Längsträger. Das Knautschelement, das auch als Energieabsorptionselement bezeichnet werden kann, kann bspw. als Crashbox, Crashtube oder Knautschdose ausgebildet sein. Seine Funktion besteht darin, bei einem Unfall, insbesondere einem Auffahrunfall, sich im Vergleich zu angrenzenden Bauteilen relativ leicht zu verformen und hierdurch idealerweise angrenzende Bauteile vor Verformung zu schützen. Das Knautschelement ist zur Anbindung an den Stoßfänger, der auch als Stoßfängerquerträger bezeichnet werden kann, vorgesehen, was ausdrücklich die Möglichkeit einschließt, dass das Knautschelement einstückig mit dem Stoßfänger ausgebildet und somit von vornherein an diesen angebunden ist. Normalerweise ist vorgesehen, dass der Stoßfänger mit zwei bezüglich der Fahrzeugmitte symmetrisch angeordneten Knautschelementen verbunden ist. Bekannter Weise erstreckt sich der Stoßfänger in eingebautem Zustand quer zur Fahrtrichtung, also entlang der Y-Achse (Querachse) des Fahrzeugs, wenngleich er oftmals nicht vollständig parallel zur Y-Achse verläuft, sondern bspw. gekrümmt sein kann. Der Begriff „Stoßfängereinheit“ soll bedeuten, dass die entsprechende Einheit dem Stoßfänger zugehörig ist, wobei der Stoßfänger jedoch nicht zwangsläufig Teil der Stoßfängereinheit sein muss. Die Stoßfängereinheit kann sowohl an der Front als auch am Heck des Fahrzeugs montiert werden.
• Das bzw. die Knautschelemente erstrecken sich typischerweise entlang der X-Achse (Längsachse). Sie können insbesondere als Hohlprofil ausgebildet sein, wenngleich auch Ausgestaltungen denkbar sind, bei denen wenigstens ein Knautschelement z.B. aus Metallschaum besteht und insofern gewissermaßen „massiv“ ausgebildet ist, d.h. keinen zusammenhängenden größeren Hohlraum aufweist. Die Verbindungsplatte dient zur Anbindung an die Fahrzeugstruktur des Kraftfahrzeugs, üblicherweise an einen Längsträger. Zum Zweck der Anbindung kann die Verbindungsplatte bspw. Bohrungen aufweisen, durch die Schrauben oder Nieten geführt werden können. Die Verbindungsplatte kann in eingebautem Zustand insbesondere in der Y-Z-Ebene verlaufen. Das Knautschelement ist mit der Verbindungsplatte durch wenigstens eine primäre Schweißnaht verbunden, wobei hinsichtlich der Art des Schweißverfahrens, durch das diese Schweißnaht erzeugt wurde, im Rahmen der Erfindung keine Beschränkungen bestehen. Der Begriff „primär“ dient nur zur Unterscheidung von anderen Schweißnähten und bezeichnet in diesem Zusammenhang eine Schweißnaht, die das Knautschelement und die Verbindungsplatte verbindet. Es kann sich um genau eine primäre Schweißnaht handeln, die an einem Endbereich des Knautschelements umlaufend ausgebildet ist, wobei der Endbereich an der Befestigungsplatte angeordnet ist, oder es können mehrere Schweißnähte sein (bzw. eine Schweißnaht kann eine Unterbrechung aufweisen). In jedem Fall führt der Schweißprozess normalerweise zu einer Erhitzung (und anschließender Abkühlung) der angrenzende Bereiche des Knautschelements sowie der Verbindungsplatte, wodurch die mechanischen Kennwerte gegenüber den Nennwerten des Grundmaterials reduziert werden können und damit anfällig für Rissbildung sein können.
• Um dies zu verhindern, ist erfindungsgemäß wenigstens ein Verstärkungselement mit dem Knautschelement in einem Verbindungsbereich verbunden, welcher an eine primäre Schweißnaht angrenzt und sich von dieser fort erstreckt. Der Verbindungsbereich ist derjenige Bereich, in dem das Verstärkungselement mit dem Knautschelement verbunden ist, also direkt oder indirekt (bspw. durch eine stoffschlüssige Verbindung) mit diesem in Kontakt steht. Das Verstärkungselement wird als solches bezeichnet, da es insgesamt einer Verstärkung der Struktur des Knautschelements sowie der Verbindung desselben mit der Verbindungsplatte dient.
• Selbst verständlich können auch mehrere Verstärkungselemente vorhanden sein. Der Verbindungsbereich grenzt an die primäre Schweißnaht an, was die Möglichkeit einschließt, dass der Verbindungsbereich die primäre Schweißnaht berührt bzw. in diese übergeht. Diese Möglichkeit, bei der der Verbindungsbereich also von der primären Schweißnaht ausgeht und sich von dieser fort erstreckt, ist bevorzugt. Die Grundidee der Erfindung ist hierbei, die Ausbreitung eines Risses entlang der WEZ der primären Schweißnaht zu behindern, also quasi umzuleiten und idealerweise zu unterbinden. Dadurch, dass der Verbindungsbereich an die primäre Schweißnaht angrenzt oder sogar von dieser ausgeht, trifft ein sich entlang der WEZ der primären Schweißnaht ausbreitende Riss auf den Verbindungsbereich. Das dort mit dem Knautschelement verbundene Verstärkungselement bewirkt eine strukturelle Verstärkung, so dass eine weitere Ausbreitung des Risses erschwert ist. Insbesondere ist es möglich, dass der Riss umgelenkt wird und zwar derart, dass er sich aus der WEZ der primären Schweißnaht heraus bewegt und schließlich in unbeeinträchtigten, also unbeeinflussten Grundmaterial endet, welches außerhalb der WEZ liegt. Dieser Aspekt wird im Weiteren mit Bezug auf bevorzugte Ausgestaltung noch erläutert. Obwohl das Verstärkungselement grundsätzlich verschweißt werden sollte, könnte dieses auch verklebt sein, wobei auch Schraub- oder Nietverbindungen denkbar sind.
• Normalerweise ist das wenigstens eine Verstärkungselement auf einen Teil des o.g. Endbereichs beschränkt, d.h. es kann sich in Umlaufrichtung auf z.B. höchstens 50%, oder höchstens 30% des Endbereichs beschränken (wobei sich dies im Falle mehrerer Verstärkungselemente auf diese insgesamt bezieht). Ebenfalls kann eine Ausdehnung eines Verstärkungselements entlang der Y-Achse auf höchstens 50% oder höchstens 30% der Ausdehnung des Knautschelements beschränkt sein. Gleiches kann für die Ausdehnung entlang der Z-Achse gelten, wobei sich diese Aussagen selbstverständlich auf den eingebauten Zustand beziehen, wo die Y-Achse der Querachse des Fahrzeugs und die Z-Achse der Hochachse des Fahrzeugs entspricht.
• Besonders bevorzugt ist wenigstens ein Verstärkungselement stoffschlüssig mit dem Knautschelement verbunden. Durch eine solche stoffschlüssige Verbindung, die bspw. durch Löten, Schweißen oder Kleben erzeugt werden kann, lässt sich eine besonders gute Anbindung des Verstärkungselements erreichen, die eine unmittelbare Kraftübertragung zwischen diesem und dem Knautschelement ermöglicht. Eine stoffschlüssige Verbindung schließt in diesem Fall auch die Möglichkeit ein, dass das Verstärkungselement einstückig mit dem Knautschelement gefertigt ist. In der Regel handelt es sich aber um ein separat gefertigtes Bauteil, das anschließend stoffschlüssig mit dem Knautschelement verbunden wird. Formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindungen zwischen dem Verstärkungselement und dem Knautschelement sind grundsätzlich auch denkbar.
• Selbstverständlich besteht auch innerhalb der Verbindungsplatte eine WEZ, die deren Struktur schwächt. In vielen Fällen ist aufgrund der Struktur oder der Anordnung der Verbindungsplatte an der Fahrzeugstruktur (bspw. am Längsträger) sowie der Richtung der zu erwartenden einwirkenden Kräfte eine Rissbildung innerhalb der Verbindungsplatte weniger wahrscheinlich bzw. weniger problematisch. Dennoch ist es günstig, auch eine solche Rissbildung zu unterbinden bzw. zu beschränken, weshalb gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wenigstens ein Verstärkungselement sowohl mit dem Knautschelement als auch mit der Verbindungsplatte verbunden ist. Hierdurch kann nicht nur einer Rissbildung innerhalb der Verbindungsplatte entgegengewirkt werden, sondern auch die Verbindung zwischen der Verbindungsplatte und dem Knautschelement verbessert werden, wobei die Verbindungsplatte eine im Vergleich große Materialstärke aufweist, und der Riss im Knautschelement auftreten kann. Auch hierbei ist es bevorzugt, dass wenigstens ein Verstärkungselement stoffschlüssig mit der Verbindungsplatte verbunden ist. Die Gründe hierfür wurden mit Bezug auf die Verbindung zwischen Verstärkungselement und Knautschelement bereits erläutert. Auch hier kann insbesondere eine Verbindung durch Verschweißen gegeben sein.
• Bevorzugt ist wenigstens ein Verstärkungselement als Blechteil ausgebildet. Das Verstärkungselement kann hierbei aus dem gleichen Metall bestehen wie das Knautschelement oder die Verbindungsplatte. Es hat sich gezeigt, dass ein Blechteil, dass ggf. relativ dünn ausgebildet sein kann, oftmals ausreichend ist, um die Rissbildung in gewünschter Weise zu beschränken bzw. umzuleiten. Ein Blechteil kann leicht in jede gewünschte Form gebracht und somit an die jeweiligen Erfordernisse der Stoßfängereinheit angepasst werden. Selbstverständlich ist ein Blechteil gut geeignet, um mit dem Knautschelement und/oder der Verbindungsplatte verschweißt oder verlötet zu werden.
• Insbesondere, aber nicht ausschließlich, wenn ein Verstärkungselement als Blechteil ausgebildet ist, ist es vorteilhaft, wenn wenigstens ein Verstärkungselement mit einer Fläche an dem Knautschelement und/oder an der Verbindungsplatte anliegt. Es besteht hier also eine flächige Anlage, was insgesamt zur Stabilisierung der Verbindung beitragen kann. Dies steht also im Gegensatz zu einer Ausgestaltung, bei der das Verstärkungselement mit einer Kante am Knautschelement bzw. der Verbindungsplatte anliegt und hiervon abragt. Insbesondere kann ein Blechteil hierzu eine L-förmiges, abgewinkeltes Profil aufweisen, das einerseits flächig am Knautschelement und andererseits flächig an der Verbindungsplatte anliegt. Das Verstärkungselement kann hierbei aus einem einzigen rechteckigen Blechstreifen gebildet sein, der an einer Stelle gebogen bzw. geknickt ist.
• Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist wenigstens ein Verstärkungselement durch wenigstens eine sekundäre Schweißnaht mit dem Knautschelement und/oder der Verbindungsplatte verbunden. Der Begriff „sekundär“ dient hier lediglich der Unterscheidung von der o.g. primären Schweißnaht und bezeichnet eine Schweißnaht, die zur Anbindung des Verstärkungselements dient. Die sekundäre Schweißnaht grenzt hierbei bevorzugt an die primäre Schweißnaht an und erstreckt sich von dieser fort. Weiter bevorzugt berührt die sekundäre Schweißnaht die primäre Schweißnaht bzw. geht in diese über. Es ist hierbei ausdrücklich denkbar, dass eine sekundäre Schweißnaht innerhalb des Schweißprozesses gewissermaßen in einem Arbeitsgang mit der primären Schweißnaht erstellt wird. Da die sekundäre Schweißnaht bzw. die sekundären Schweißnähte allerdings den oben beschriebenen Verbindungsbereich bilden, der sich von der primären Schweißnaht fort erstreckt, ist hier zumindest ein Richtungswechsel der Schweißnaht erkennbar. In manchen Ausgestaltungen kann die wenigstens eine sekundäre Schweißnaht eine geringere Dicke aufweisen als die primäre Schweißnaht. Wenigstens eine sekundäre Schweißnaht kann ggf. die primäre Schweißnaht kreuzen, somit von Knautschelement bis zur Verbindungsplatte durchgehend ausgebildet sein. Obgleich jede sekundäre Schweißnaht eine eigene WEZ erzeugt, die grundsätzlich eine weitere lokale Schwächung des Materials bedeuten kann, kann die Stabilität des Bauteils (Knautschelement bzw. Verbindungsplatte) durch die sekundäre Schweißnaht tatsächlich verbessert werden. Im Falle eines Risses, der sich in der WEZ der primären Schweißnaht bildet, wirkt die sekundäre Schweißnaht als eine Art Sperre, die der Ausbreitung des Risses entgegensteht bzw. diesen umlenkt. Es resultiert also eine Art Umlenkung des Risses in die WEZ der sekundären Schweißnaht, womit ein vollständiger Abriss des Bauteils normalerweise verhindert werden kann. Insbesondere ist es möglich, dass sich der Riss je nach Anordnung und Ausgestaltung der sekundären Schweißnaht nicht beliebig weit ausbreiten kann, insbesondere nicht zurück in die WEZ der primären Schweißnaht, sondern im Material außerhalb einer WEZ endet. Eine vollständig umlaufende Schweißnaht sowie die entsprechende WEZ ist nicht mehr gegeben, worauf unten noch einmal eingegangen wird.
• Im Sinne einer Umlenkung eines eventuell auftretenden Risses ist es vorteilhaft, wenn zwischen der sekundären Schweißnaht und der primären Schweißnaht ein relativ großer Winkel besteht. Bevorzugterweise schließt wenigstens eine sekundäre Schweißnaht mit der primären Schweißnaht einen Winkel zwischen 45° und 135° ein. Weiter bevorzugt kann der Winkel zwischen 65° und 115° oder zwischen 80° und 100° liegen. Es hat sich gezeigt, dass auch bei einem Winkel von 90° im Allgemeinen eine zuverlässige Umlenkung eines Risses fort von der primären Schweißnaht erreicht werden kann. Die beispielhaft genannten Winkel unterstützen zudem die auftretende Zugbelastung in X-Richtung.
• Vorteilhaft ist wenigstens ein Verstärkungselement durch zwei voneinander beabstandete sekundäre Schweißnähte mit dem Knautschelement und/oder der Verbindungsplatte verbunden. Diese Ausgestaltung bietet sich besonders dann an, wenn das Verstärkungselement als Blechteil ausgebildet ist und hierbei insbesondere dann, wenn es flächig anliegt, wie oben beschrieben. Insbesondere können die zwei sekundären Schweißnähte an gegenüberliegenden Seiten des Verstärkungselements angeordnet sein, bspw. an gegenüberliegenden Kanten eines Blechteils. Vorteilhaft bei dieser Ausgestaltung ist insbesondere, dass die sekundären Schweißnähte voneinander beabstandet sind und bspw. parallel zueinander verlaufen können, sich aber nicht berühren. Dementsprechend berühren sich auch normalerweise die den sekundären Schweißnähten zugeordneten WEZ nicht. So ist es denkbar, dass ein Riss von der WEZ der primären Schweißnaht ausgeht und sich in der WEZ einer sekundären Schweißnaht fortsetzt, schließlich aber auf das Ende dieser WEZ trifft, ohne dass eine Verbindung zur WEZ der anderen sekundären Schweißnaht gegeben wäre. Der Riss läuft somit gewissermaßen „ins Leere“ bzw. trifft auf Grundmaterial welches nicht durch einen Schweißvorgang geschwächt wurde und wird gestoppt.
• Bevorzugt ist wenigstens ein Verstärkungselement zwischen zwei voneinander beabstandeten primären Schweißnähten angeordnet. In diesem Fall ist also keine durchgehende primäre Schweißnaht gegeben, sondern zumindest zwischen den zwei genannten Schweißnähten besteht ein Abstand, also gewissermaßen eine Lücke. In dieser Lücke ist das Verstärkungselement angeordnet. Dies ist insofern vorteilhaft, als dadurch auch die WEZ der beiden Schweißnähte normalerweise nicht ineinander übergehen, wodurch eine Ausbreitung eines Risses behindert wird. Bevorzugt ist hierbei das Verstärkungselement sowohl mit dem Knautschelement als auch mit der Verbindungsplatte verbunden, insbesondere mit beiden verschweißt. Somit kann das Verstärkungselement zur Verbindung zwischen Knautschelement und Verbindungsplatte beitragen, obgleich in diesem Bereich keine primäre Schweißnaht vorhanden ist. Insbesondere dann, wenn wie oben geschildert sekundäre Schweißnähte von jeder der primären Schweißnähte ausgehen, erfolgt eine sehr effektive Umlenkung eines Risses, die mit einer Eindämmung desselben einhergeht.
• Es gibt zahlreiche unterschiedliche Möglichkeiten der Anordnung des Verstärkungselements bzw. der Verstärkungselemente. Die Wahl der jeweiligen Position kann u.a. davon abhängen, an welcher Stelle Risse erwartet werden bzw. als kritisch angesehen werden. Gemäß einer Ausgestaltung ist wenigstens ein Verstärkungselement bezüglich des Knautschelements in Richtung der Y-Achse angeordnet und kann sich insbesondere in Richtung der Z-Achse erstrecken. Diese Aussagen beziehen sich selbstverständlich auf den eingebauten Zustand der Stoßfängereinheit. Man könnte also sagen, dass das genannte Verstärkungselement seitlich des Knautschelements angeordnet ist und sich aufwärts bzw. abwärts erstreckt. Dies kann bspw. der Fall sein, wenn das entsprechende Element als Blechteil ausgebildet ist, das flächig an der Seite des Knautschelements anliegt. Bevorzugt sind zwei solcher Verstärkungselemente in Richtung der Y-Achse beiderseits bezüglich des Knautschelements angeordnet. Es sei darauf hingewiesen, dass sich ein solches Verstärkungselement auch in Richtung der X-Achse (Längsachse) des Fahrzeugs erstreckt. Alternativ oder ergänzend hierzu kann wenigstens ein Verstärkungselement bezüglich des Knautschelements in Richtung der Z-Achse angeordnet sein und kann sich insbesondere in Richtung der Y-Achse erstrecken. Ein derartiges Verstärkungselement befindet sich also oberhalb bzw. unterhalb des Knautschelements und erstreckt sich seitwärts. Auch hierbei kann es sich um ein Blechteil handeln, das flächig an der Oberseite bzw. Unterseite des Knautschelements anliegt. Vorteilhaft ist sowohl ein derartiges Verstärkungselement an der Oberseite als auch an der Unterseite vorgesehen.
• Das Knautschelement kann wenigstens überwiegend aus Aluminium bestehen. Dies schließt die Möglichkeiten ein, dass das Knautschelement (bis auf Verunreinigungen) aus reinem Aluminium besteht oder aber aus einer Aluminiumlegierung. Diese Ausgestaltung ist vorteilhaft im Hinblick auf ein niedriges Gewicht sowie einen gewünschtes Verformungsverhalten. Das Knautschelement kann hierbei als Hohlprofil, bspw. kreisförmig, oval oder polygonal (insbesondere rechteckig), ausgebildet sein. Selbstverständlich kann es lokale Schwächungsstrukturen wie Ausnehmungen oder Sicken aufweisen, durch die im Falle einer einwirkenden Kraft eine Verformung des Knautschelements gezielt eingeleitet wird. Selbstverständlich kann eine Sicke je nach Anordnung auch eine strukturelle Verstärkung des Knautschelements bedeuten. Das Knautschelement kann allerdings auch teilweise aus Aluminiumschaum bestehen, wobei bevorzugt ein Hohlprofil mit Aluminiumschaum gebildet wird. Auch die Verbindungsplatte kann überwiegend aus Aluminium bestehen und ggf. aus dem gleichen Material gefertigt sein wie das Knautschelement. Insofern ist es zielführend, wenn auch das Verstärkungselement aus einem artgleichen Werkstoff, also z.B. aus Aluminium besteht. So sind artgleiche Schweißverbindungen erreichbar, was auch die Wahl des Schweißzusatzwerkstoffs erleichtert, auch wenn die Schweißnähte z.B. in der Ausgestaltung als Kehlnähte erstellt werden. Der genannte Werkstoff Aluminium ist nur beispielhaft zu verstehen, wobei auch andere Leichtmetalle oder Metalle Verwendung finden können, sofern diese schweißbar sind.
• Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
• 1 eine schematische Darstellung einer Draufsicht einer Stoßfängereinheit sowie eines feststehenden Hindernisses,
• 2A eine perspektivische Darstellung einer Stoßfängereinheit gemäß dem Stand der Technik in einem Grundzustand,
• 2B eine perspektivische Darstellung der Stoßfängereinheit aus 2A mit zu erwartendem Rissverlauf,
• 3A eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Stoßfängereinheit in einem Grundzustand, und
• 3B eine perspektivische Darstellung der Stoßfängereinheit aus 3A mit zu erwartendem Rissverlauf
• In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
• 1 zeigt eine Draufsicht einer Stoßfängereinheit 1 eines Fahrzeugs beim Auftreffen auf ein feststehendes Hindernis 20. Gezeigt ist hier eine typische SORB-Crashsituation, wobei das feststehende Hindernis 20 nur von einem relativ kleinen Seitenbereich des Fahrzeugs getroffen wird. Die Stoßfängereinheit 1 umfasst einen sich im Wesentlichen entlang der Y-Achse des Fahrzeugs erstreckenden Stoßfänger 2, der mit zwei Knautschelementen verschweißt ist, die im vorliegenden Fall als Knautschdosen 3 ausgebildet sind. Diese erstrecken sich im Wesentlichen entlang der X-Achse. Jede Knautschdose 3 ist wiederum mit einer Verbindungsplatte 4 verschweißt, die zur Anbindung der gesamten Stoßfängereinheit 1 an einen (hier nicht dargestellten) Längsträger des Fahrzeugs dient. Die dargestellte Crashsituation ist rein beispielhaft zu verstehen als eine Situation, in der die Vorteile der Erfindung zum Tragen kommen. Eine Belastung besonderer Art erfährt in der dargestellten Situation diejenige Knautschdose 3, die auf der dem Hindernis 20 abgewandten Seite der Stoßfängereinheit 1 angeordnet ist. Dort kann es insbesondere zu einem Abreißen der Knautschdose 3 von der Verbindungsplatte 4 kommen, womit die Strukturintegrität der Stoßfängereinheit 1 insgesamt beeinträchtigt oder zunichte gemacht wird. Der Begriff der Strukturintegrität bedeutet im Sinne der Erfindung, dass beide Längsträger verbunden bleiben.
• 2A zeigt einen Teil einer Stoßfängereinheit 11 gemäß dem Stand der Technik, die den gleichen Aufbau wie die in 1 gezeigte Stoßfängereinheit 1 hat, wobei nur eine Knautschdose 3 mit der zugehörigen Verbindungsplatte 4 dargestellt sind. Die genannten Teile 3 und 4 bestehen im vorliegenden Fall sämtlich aus Aluminiumlegierungen, wodurch sich ein sehr günstiges Gewicht ergibt. Die Verbindungsplatte 4 ist mit Bohrungen 4.1 versehen, durch die Schrauben oder Nieten zur Verbindung mit dem Längsträger geführt werden können. Die Knautschdose 3 weist ein im wesentlichen rechteckiges Hohlprofil auf. In einem an der Verbindungsplatte 4 anliegenden Endbereich 3.3 der Knautschdose 3 ist diese mit einer einzigen umlaufenden Schweißnaht 5 mit der Verbindungsplatte 4 verschweißt. Im Bereich des nicht dargestellten Stoßfängers ist über eine nicht dargestellte Schweißnaht (sowie hier verdeckte weitere Schweißnähte) eine Verbindung zwischen Knautschdose 3 und nicht dargestelltem Stoßfänger gegeben, die durch einen teilweisen Formschluss unterstützt sein kann. Die Herstellung der Schweißnähte 5 ist mit einer Erhitzung und anschließenden Abkühlung des benachbarten Materials verbunden, was einerseits zu Spannungen im Material sowie ggf. zu einer Veränderung der Gefügestruktur führen kann. In den hiermit verbundenen Wärmeeinflusszonen (WEZ) ist das Material daher besonders anfällig für Risse. Die genaue Ausdehnung der WEZ ist vom Material, von der Art des Schweißverfahrens sowie von anderen Faktoren abhängig, sie kann aber in der Größenordnung der Breite der jeweiligen Schweißnaht 5 liegen.
• Eine Rissbildung innerhalb der WEZ illustriert die Darstellung in 2B, die eine typische Beschädigung zeigt, die bei einer SORB-Crashsituation auf der non-impact Seite wie in 1 entstehen kann. Hierbei hat sich im Endbereich 3.3, angrenzend an die Schweißnaht 5, ein Riss 3.4 gebildet. Aufgrund der Materialschwächung in der WEZ hat sich der Riss 3.4 praktisch ungehindert umlaufend entlang des Endbereichs 3.3 um die gesamte Knautschdose 3 ausgebreitet, was zu einem Abreißen der Knautschdose 3 von der Verbindungsplatte 4 führen kann.
• Diese Gefahr wird weitgehend beseitigt bei der in 3A, 3B dargestellten erfindungsgemäßen Stoßfängereinheit 1. Diese entspricht weitgehend der in den 2A, 2B dargestellten Stoßfängereinheit 11 und wird insoweit nicht nochmals im Detail besprochen. Insbesondere ist die Ausgestaltung des Stoßfängers 2, der Knautschdose 3 sowie der Verbindungsplatte 4 identisch.
• Die Anbindung der Knautschdose 3 an die Verbindungsplatte 4 erfolgt hier jedoch in anderer Weise.
• So ist hier statt einer einzigen umlaufenden Schweißnaht 5 eine Mehrzahl von beabstandete bzw. getrennten primären Schweißnähten 5.1, 5.2, 5.3 vorgesehen, zwischen denen jeweils Verstärkungselemente 7, 8 angeordnet sind. Jedes der Verstärkungselemente 7, 8 ist als L-förmig abgewinkeltes Blechteil aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet. Zwei Verstärkungselemente 7 sind hierbei entlang der Y-Achse seitlich der Knautschdose 3 angeordnet (wobei eines in der Zeichnung verdeckt ist), während zwei weitere Verstärkungselemente 8 entlang der Z-Achse oberseitig bzw. unterseitig der Knautschdose 3 angeordnet sind.
• Nachfolgend wird beispielhaft eines der seitlichen Verstärkungselemente 7 beschrieben. Dieses liegt mit einem ersten Abschnitt 7.1 flächig an der Knautschdose 3 sowie mit einem zweiten Abschnitt 7.2 flächig an der Verbindungsplatte 4 an. Das Verstärkungselement 7 ist aus einem rechteckigen Blechstück gebogen. Es ist in einem Verbindungsbereich 3.5, der sich von den primären Schweißnähten 5.1, 5.2 fort erstreckt, mit der Knautschdose 3 verbunden. Dabei gehen sekundäre Schweißnähte 9.1, 9.2 von den an das Verstärkungselement 7 angrenzenden primären Schweißnähten 5.1, 5.2 aus und erstrecken sich in einem Winkel von 90° von diesen fort, wobei sie die Seiten des ersten Abschnitts 7.1 mit der Knautschdose 3 verbinden. Entsprechend gehen von den primären Schweißnähten 5.1, 5.2 weitere sekundäre Schweißnähte 9.3, 9.4 aus, die den zweiten Abschnitt 7.2 mit der Verbindungsplatte 4 verbinden. Die sekundären Schweißnähte 9.1, 9.2 sind hierbei durch den ersten Abschnitt 7.1 beabstandet, ebenso die sekundären Schweißnähte 9.3, 9.4 durch den zweiten Abschnitt 7.2, d.h. sie berühren sich nicht und das der Verbindungsplatte 4 abgewandte Ende des ersten Bereich 7.1 sowie das der Knautschdose 3 abgewandte Ende des zweiten Bereichs 7.2 sind jeweils nicht angeschweißt, d.h. es befindet sich dort keine Schweißnaht. Entsprechend sind auch die WEZ der sekundären Schweißnähte 9.1, 9.2, ebenso wie diejenigen der sekundären Schweißnähte 9.3, 9.4, nicht miteinander verbunden.
• Die in 3A gezeigte Ausgestaltung hat im Kollisionsfall entscheidende Auswirkungen, wie in 3B illustriert ist, die eine Beschädigung darstellt, die bspw. in einer Crashsituation gemäß 1 eintreten kann. Hierbei hat sich ein Riss 3.6 innerhalb der WEZ einer primären Schweißnaht 5.1 auf der Aufprallabgewandten Seite gebildet und sich ein Stück weit entlang der Schweißnaht 5.1 in Richtung auf das Verstärkungselement 7 ausgebreitet. Eine weitere Ausbreitung des Risses 3.6 in dieser Richtung ist jedoch nicht bzw. kaum möglich, da durch die quer verlaufende sekundäre Schweißnaht 9.2 der Ausbreitungsweg gewissermaßen versperrt ist. Andererseits kann sich der Riss 3.5 wie dargestellt entlang der sekundären Schweißnaht 9.2 innerhalb der WEZ derselben ausbreiten. Er wird somit von der primären Schweißnaht 5.1 fort- also umgelenkt. Da sich an die sekundäre Schweißnaht 9.2 keine weitere Schweißnaht anschließt, sondern einen deutlicher Abstand zur sekundären Schweißnaht 9.1 besteht, endet die WEZ der sekundären Schweißnaht 9.2 und geht in Grundmaterial, d.h. nicht durch Wärmeeinwirkung beeinträchtigtes, Material über. Hierdurch wird der Riss 3.6 endgültig gestoppt und ein Abreißen der Knautschdose 3 von der Verbindungsplatte 4 verhindert.
• Das Verstärkungselement 7 verstärkt die Struktur der Stoßfängereinheit 1 sowie die Verbindung zwischen der Knautschdose 3 und der Verbindungsplatte 4 in mehrerlei Hinsicht. Zum einen bewirkt es gewissermaßen eine lokale Vergrößerung der Wandstärke der Knautschdose 3, d.h. für ein Abreißen der Knautschdose 3 von der Verbindungsplatte 4 müssten sowohl die Knautschdose 3 selber als auch das Verstärkungselement 7 reißen. Des Weiteren bedeuten die im 90°-Winkel zu den angrenzenden primären Schweißnähten 5.1, 5.2 verlaufenden sekundären Schweißnähte 9.1, 9.2 Hindernisse für sich ausbreitende Risse, da eine Schweißnaht an sich normalerweise sehr stabil ist und nicht zum Reißen neigt. Darüber hinaus sorgt die Tatsache, dass die sekundäre Schweißnaht 9.2 mit der primären Schweißnaht 5.1 verbunden ist (und die sekundäre Schweißnaht 9.1 in entsprechender Weise mit der primären Schweißnaht 5.2) dafür, dass die WEZ der beiden ineinander übergehen und somit für einen Riss 3.6 ein gewissermaßen natürlicher Ausbreitungsweg vorgegeben ist, der ihn in einen Bereich führt, in dem er gestoppt wird, da dort das Material nicht durch Hitze beeinflusst ist.
• Falls sich ein Riss in der WEZ einer primären Schweißnaht 5.1, 5.2 auf Seiten der Verbindungsplatte 4 bilden sollte, würde dieser entlang einer der sekundären Schweißnähte 9.3, 9.4 abgelenkt und schließlich gestoppt. Aufbau und Wirkung der oberen und unteren Verstärkungselemente 8 entsprechen denen der seitlichen Verstärkungselemente 7 und werden daher nicht im Detail erläutert.
• Bezugszeichenliste

1,11

Stoßfängereinheit

2

Stoßfänger

3

Knautschdose

3.3

Endbereich

3.4, 3.6

Riss

3.5

Verbindungsbereich

4

Verbindungsplatte

4.1

Bohrung

5

Schweißnaht

5.1, 5.2, 5.3

primäre Schweißnaht

7, 8

Verstärkungselement

7.1

erster Abschnitt

7.2

zweiter Abschnitt

9.1, 9.2, 9.3, 9.4

sekundäre Schweißnaht

20

Hindernis

X

X-Achse

Y

Y-Achse

Z

Z-Achse

Claims (10)

1. Stoßfängereinheit für ein Kraftfahrzeug, mit einem Knautschelement (3) zur Anbindung an einen Stoßfänger (2) sowie einer mit dem Knautschelement (3) durch wenigstens eine primäre Schweißnaht (5.1, 5.2, 5.3) verbundenen Verbindungsplatte (4) zur Verbindung mit einer Fahrzeugstruktur, gekennzeichnet durch wenigstens ein Verstärkungselement (7, 8), welches mit dem Knautschelement (3) in einem Verbindungsbereich (3.5) verbunden ist, welcher an die primäre Schweißnaht (5.1, 5.2, 5.3) angrenzt und sich von dieser fort erstreckt.
2. Stoßfängereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Verstärkungselement (7, 8) sowohl mit dem Knautschelement (3) als auch mit der Verbindungsplatte (4) verbunden ist.
3. Stoßfängereinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Verstärkungselement (7, 8) als Blechteil ausgebildet ist.
4. Stoßfängereinheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Verstärkungselement (7, 8) mit einer Fläche an dem Knautschelement (3) und/oder an der Verbindungsplatte (4) anliegt.
5. Stoßfängereinheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Verstärkungselement (7, 8) durch wenigstens eine sekundäre Schweißnaht (9.1, 9.2, 9.3, 9.4) mit dem Knautschelement (3) und/oder der Verbindungsplatte (4) verbunden ist.
6. Stoßfängereinheit nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eine sekundäre Schweißnaht (9.1, 9.2, 9.3, 9.4), welche mit der primären Schweißnaht (5.1, 5.2, 5.3) einen Winkel zwischen 45° und 135° einschließt.
7. Stoßfängereinheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Verstärkungselement (7, 8) durch zwei voneinander beabstandete sekundäre Schweißnähte (9.1, 9.2, 9.3, 9.4) mit dem Knautschelement (3) und/oder der Verbindungsplatte (4) verbunden ist.
8. Stoßfängereinheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Verstärkungselement (7, 8) zwischen zwei voneinander beabstandeten primären Schweißnähten (5.1, 5.2, 5.3) angeordnet ist.
9. Stoßfängereinheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Knautschelement (3) überwiegend aus einem Leichtmetall besteht.
10. Stoßfängereinheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Knautschelement (3) überwiegend aus Aluminium besteht.

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