DE10246865A1

DE10246865A1 - Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug sowie Verfahren zur Beeinflussung der Festigkeit des Strukturbauteils

Info

Publication number: DE10246865A1
Application number: DE2002146865
Authority: DE
Inventors: Jochen Dipl.-Ing. Fischer
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2002-10-08
Filing date: 2002-10-08
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2022-10-09
Also published as: DE10246865B4

Abstract

Es soll ein Strukturbauteil (1) für ein Kraftfahrzeug, wie beispielsweise eine A-, B- und C-Säule, einen Stoßfänger oder Seitenaufprallträger, bereitgestellt werden, dessen Festigkeitseigenschaften im eingebauten Zustand im Kraftfahrzeug aktiv veränderbar bzw. erhöhbar sind. Hierzu weist das Bauteil (1) mindestens einen aktivierbaren Aktuator (5, 6) aus einer Formgedächtnislegierung auf, der unmittelbar an oder in dem Bauteil (1) angeordnet ist, sowie ein Element (7) zur Aktivierung des Aktuators, wobei der Aktuator (5, 6) bei seiner Aktivierung seine Form ändert und hierbei in dem Strukturbauteilkörper eine derartige Vorspannung erzeugt, die einer Krafteinwirkung durch einen bei einem Crash aufstoßenden oder eindringenden Körper entgegenwirkt. Zudem wird ein Verfahren zur Beeinflussung der Festigkeit eines Strukturbauteils vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug, wie beispielsweise eine A-, B- und C-Säule, einen Stoßfänger oder einen Seitenaufprallträger. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Beeinflussung der Festigkeit eines Strukturbauteils für ein Kraftfahrzeug.
In der Kraftfahrzeugtechnik werden an derartige Strukturbauteile hohe Festigkeitsanforderungen gestellt, damit die Bauteile bei einem Crash stabil bleiben und einen Schutz für die Insassen des Kraftfahrzeugs bieten. Diese geforderten Festigkeitseigenschaften werden zum einen materialabhängig eingestellt. Hierunter fallen u.a. die Wahl der Materialart, das Durchführen geeigneter Wärmebehandlungen bzw. Umformprozesse mit Auswirkungen auf die Festigkeitseigenschaften des Endbauteils sowie ggfs. die Kombination unterschiedlicher Materialien. Zum anderen sind die Festigkeiten des Endbauteils von dessen Geometrie abhängig, d.h. u.a. von seiner Dicke und seiner Ausführung.
Derartige Festigkeiten eines Strukturbauteils werden damit abschließend vor dem eigentlichen Einsatz des Endbauteils oder ggfs. durch die Einbauart und Verbindungsart im Kraftfahrzeug eingestellt. Sie sind deshalb im eingebauten Zustand des Strukturbauteils selbst nicht mehr veränderbar.
Formgedächtnislegierungen und ihre Eigenschaften sind im Stand der Technik bekannt. Es wird hierbei zwischen dem thermischen Formgedächtniseffekt (Shape-Memory) und dem mechanischen Formgedächtniseffekt (Superelastizität) unterschie den. Der Shape-Memory-Effekt wird durch rasches Abkühlen einer Formgedächtnislegierung eingestellt. Hierbei erfolgt die Gefügeumwandlung des Austenits in Martensit. Eine nachfolgende Verformung kann durch eine Erwärmung wieder rückgängig gemacht werden. Das ursprünglich austenitische Gefüge stellt sich wieder ein, und ein entsprechend behandeltes Bauteil nimmt dabei seine ursprüngliche Gestalt wieder an. Die Superelastizität wird durch Verformung des Austenits in einem bestimmten Temperaturbereich eingestellt. Dabei wird eine spannungsinduzierte Umwandlung in die Martensitphase erreicht. Derartige Bauteile zeigen reversible elastische Dehnungen bis zu 10%.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Strukturbauteil bereitzustellen, dessen Festigkeitseigenschaften im eingebauten Zustand im Kraftfahrzeug aktiv veränderbar bzw. erhöhbar sind. Zudem soll ein entsprechendes Verfahren bereitgestellt werden.
Diese Aufgabe wird mittels eines Strukturbauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mittels eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.
Kerngedanke der Erfindung ist, dass eine Beeinflussung bzw. gezielte Erhöhung der Festigkeitseigenschaften eines Strukturbauteils im eingebauten Zustand aktiv mittels Aktuatoren erfolgt, die in dem Bauteil eine Vorspannung erzeugen. Hierzu wird in das Strukturbauteil ein Element aus einer Formgedächtnislegierung als ein aktivierbarer Aktuator eingebunden, das so im Verhältnis zum Bauteil angeordnet ist und hierauf so einwirken kann, dass das Bauteil bei einer induzierten Formänderung des Aktuators vorgespannt wird oder dass eine bereits im Einbauzustand aufgrund der Geometrie bestehende Vorspannung erhöht wird.
Bei einer solchen Formänderung des Formgedächtnislegierungselementes ändert dieses beispielsweise seine Länge. Aufgrund der hieraus resultierenden Druck- oder Zugkräfte wird das Strukturbauteil, das wenigstens mit den Endpunkten des Formgedächtnislegierungselementes fest verbunden ist, vorgespannt.
Durch diese eingebrachte Vorspannung wird die Festigkeit des Strukturbauteils aktiv erhöht, weil diese Vorspannung zusätzlich durch die bei einem Crash einwirkenden Kräfte überwunden werden muss.
Da folglich neben den passiv eingestellten, material- und geometrieabhängigen, Festigkeiten diese aktiv induzierte Vorspannung des Bauteils zusätzlich überwunden werden muss, ist es möglich, wesentlich höhere Kräfte beim Crash abzufangen. Damit lassen sich die Festigkeitseigenschaften der Strukturbauteile insgesamt steigern.
Ausgehend von den bisherigen Anforderungen ist es auch möglich, die passiv eingestellten Festigkeitswerte zu reduzieren und die notwendigen Festigkeitsanforderungen zusätzlich aktiv einzustellen. Dies ist mit dem Vorteil verbunden, dass die Strukturbauteile beispielsweise in ihrer Materialstärke dünner konzipiert werden können.
Die aktive Festigkeitserhöhung ist in Abhängigkeit der Anordnung des Elementes aus der Formgedächtnislegierung einstellbar und durch die Art, Geometrie sowie Länge etc. der Formgedächtnislegierung individuell an das jeweilige Strukturbauteil anpassbar.
Für die Formgedächtnislegierung kommen grundsätzlich alle bekannten Legierungen in Frage. Es empfiehlt sich die Verwendung einer NiTi-Legierung. Ebenfalls können Cu-Zn-Al-, Cu-Al-Ni- oder Cu-Zn-Mn-Legierungen Verwendung finden.
Formgedächtnislegierungen ändern ihre Form bei einer Temperaturänderung. Vorzugsweise ist das Element zur Aktivierung der jeweiligen Aktuatoren als Spannungsaufgeber ausgebildet, wobei eine Temperaturerhöhung durch eine Widerstandserwärmung erfolgt. Der hierfür notwendige Strom kann ggfs. der Batterie des Kraftfahrzeugs entnommen werden. Insbesondere eignet sich aber ein separater Kondensator zur spannungsinduzierten Beaufschlagung für einen Crashfall.
Beispielsweise ist das Formgedächtnislegierungselement in Form eines Stabes oder einer Stange ausgebildet. Das Element ist nicht auf diese Geometrie beschränkt; die se Geometrie kommt aber dem üblichen Herstellen von Formgedächtnislegierungen durch Ziehen oder Strangpressen entgegen.
Der Aktuator wird beispielsweise bei einer B-Säule im Wesentlichen parallel zu dessen Längsachse angeordnet. Bei einer Formänderung durch Längenreduktion werden die Bauteilenden gegeneinander gezogen und somit eine Vorspannung aufgebracht.
Verfahrensgemäß wird die Erfindung dadurch gelöst, dass mittels einer Sensorik im Crashfall crashbezogene Daten ermittelt und über eine Rechnereinheit und Steuereinheit Steuersignale für ein Element zur Aktivierung des Aktuators generiert werden und der Aktuator sensorisch aktiviert wird.
In Abhängigkeit des zu erwartenden oder erfolgten Impacts sowie der dann an den Aktuator angelegten Spannung kann das Maß der Vorspannung und somit das Maß der Beeinflussung der Festigkeit eingestellt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht einer B-Säule für ein Kraftfahrzeug mit stabförmigen Aktuatoren aus einer Formgedächtnislegierung;
2 den Schnitt A-A der 1.
1 zeigt als Beispiel eines Strukturbauteils 1 eine B-Säule, die zwischen dem Dachrahmen und dem Türschweller eines Kraftfahrzeugs, die nicht gezeigt sind, befestigt wird. An der gezeigten Ausführungsform der B-Säule ist bereits das Anschlussstück für die Hintertür angeordnet. Die B-Säule ist dachrahmenseitig als Profil 2 ausgebildet, wie verdeutlicht mit 2. Das Bauteil weist bestimmte durch u.a. die Werkstoffwahl, durch die Wärmebehandlung und die Geometrie vorgegebene „passive" Festigkeitseigenschaften auf.
Um diese passiven Festigkeitseigenschaften zu erhöhen, sind entlang der durch die Profilform vorgegebenen Ecken 3, 4 der B-Säule 1 Aktuatoren 5, 6 aus einer Formgedächtnislegierung eingelegt. Diese Aktuatoren 5, 6 sind stab- oder stangenförmig ausgebildet und verlaufen im Wesentlichen parallel zur Längsachse der B-Säule und erstrecken sich von den Randbereichen über die Säule bzw. bis zur Säulenmitte. Sie sind wenigstens mit ihren Endpunkten fest mit der B-Säule 1 verbunden, zum Beispiel verschweißt oder verlötet.
Die beiden Aktuatoren 5, 6 sind jeweils mit einem oder einem gemeinsamen Element zu ihrer Aktivierung 7, wie einem Spannungsaufgeber, verbunden. Hierfür ist insbesondere ein separater Kondensator vorgesehen. Der Kondensator ist über Steuerleitungen 8 mit einer Steuereinheit 9 verbunden, der wiederum eine Rechnereinheit 10 vorgeschaltet ist, die Daten von einer Sensorik 11, insbesondere von Precrashsensoren und/oder Kontaktsensoren, empfängt und auswertet.
In Abhängigkeit der aufgenommenen Daten, zum Beispiel, mit welcher Geschwindigkeit und auf welcher Seite des Fahrzeugs ein Impact zu erwarten ist oder bereits stattgefunden hat, werden Steuersignale an den Kondensator abgegeben, der entsprechende Spannungsimpulse an die Aktuatoren 5, 6 abgibt. In Abhängigkeit der erfolgenden Widerstandserwärmung von elektrischen Strömen, die etwa bei 30-35A liegen, verkürzen sich die Aktuatoren 5, 6. Da die Enden mit der B-Säule fest verbunden sind, wird die B-Säule stärker gebogen und somit vorgespannt. Diese Vorspannung ist der durch den Crash eingehenden Kraft entgegengerichtet und folglich das Strukturbauteil 1 gegenüber dem eindringenden Körper (nicht gezeigt) versteift.
Durch ein mit Aktuatoren aus einer Formgedächtnislegierung ausgerüstetes Bauteil können folglich passiv eingestellte Festigkeitseigenschaften aktiv im Einbauzustand beeinflusst werden. Die Erfindung richtet sich hierbei insbesondere auf Strukturbauteile für ein Kraftfahrzeug, die üblicherweise aus einem Metall bestehen. Erfindungsgemäß sind aber auch Bauteile aus Kunststoff oder Verbundmaterialien eingeschlossen.

1: Strukturbauteil (B-Säule)
2: Profil
3: Profilecke
4: Profilecke
5: Aktuator
6: Aktuator
7: Aktivierungselement für den Aktuator
8: Steuerleitung
9: Steuereinheit
10: Rechnereinheit
11: Sensorik

Claims

Strukturbauteil (1) für ein Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturbauteil (1) mindestens einen aktivierbaren Aktuator (5, 6) aus einer Formgedächtnislegierung, der unmittelbar an oder in dem Strukturbauteil (1) angeordnet ist, sowie ein Element (7) zur Aktivierung des Aktuators aufweist, wobei der Aktuator (5, 6) bei seiner Aktivierung seine Form ändert und hierbei in dem Strukturbauteilkörper eine derartige Vorspannung erzeugt, die einer Krafteinwirkung durch einen bei einem Crash aufstoßenden oder eindringenden Körper entgegenwirkt.
Strukturbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (7) zur Aktivierung des Aktuators einen Spannungsaufgeber zur spannungsinduzierten Aktivierung umfasst, der mit einer Sensorik (11) zur Aufnahme eines Crashs zusammenwirkt.
Strukturbauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsaufgeber ein Kondensator zur zeitlich begrenzten spannungsinduzierten Beaufschlagung ist.
Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (5, 6) als stab- oder stangenförmiges Formgedächtnislegierungselement ausgebildet ist, das sich längs des Strukturbauteils (1) erstreckt.
Verfahren zur Beeinflussung der Festigkeit eines Strukturbauteils (1) für ein Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Sensorik (11) crashbezogene Daten ermittelt werden; dass in Abhängigkeit dieser Daten mindestens ein Aktuator (5, 6) aus einer Formgedächtnislegierung, der unmittelbar an oder in dem Strukturbauteil (1) angeordnet ist, aktiviert wird und hierbei seine Form ändert, wobei er durch die Formänderung in dem Strukturbauteilkörper eine Vorspannung erzeugt, die der Krafteinwirkung durch einen bei einem Crash aufstoßenden oder eindringenden Körper entgegenwirkt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (5, 6) spannungsinduziert aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Maß der Vorspannung und damit das Maß der Festigkeitsbeeinflussung in Abhängigkeit der an den Aktuator (5, 6) angelegten elektrischen Spannung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Maß der Vorspannung und damit das Maß der Festigkeitsbeeinflussung in Abhängigkeit der Intensität des Impacts erfolgt.