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Die
Erfindung betrifft Deformationsbauteile zur Dämpfung eines Stoßes in Kraftfahrzeugen,
die Hohlkugelstrukturen umfassen, deren Herstellung und deren bevorzugte
Anordnung in Automobilen.
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Im
Bereich der Automobile finden Deformationsbauteile oder – elemente
als Energieabsorber für Crashsituationen
bereits verbreitet Verwendung. Der Gedanke ist hierbei, die durch
einen Aufprall hervorgerufene Stoßenergie durch leicht deformierbare Konstruktionselemente
in Deformationsenergie umzuwandeln. Typischerweise umfassen diese
Konstruktionselemente spezielle Deformationsbauteile und bilden
Teile der Rahmenkonzeption von Fahrzeugen.
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Des
weiteren werden hohlkugelgefüllte
Konstruktionen im Bereich des Bauwesens für einen Leichtbau angebracht.
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Gattungsgemäße Konstruktionsbauteile
sind beispielsweise aus der
DE 19937375 A1 bekannt. Hier wird ein Konstruktionsbauteil
mit einer äußeren Hülle und
in deren Innenraum angeordneten Versteifungselementen, insbesondere
bei Kraftfahrzeugen und ein Verfahren zur Herstellung des Konstruktionsbauteils
vorgestellt. Um eine erhebliche Gewichtsreduzierung am Bauteils
erreichen und gleichzeitig den Steifigkeitsansprüchen gerecht zu werden, wird
vorgeschlagen dass die Versteifungselemente eine Vielzahl von Hohlkörpern sind,
die den Querschnitt der Hülle
zumindest auf einem Teilabschnitt ausfüllen und über ihre Wandungen miteinander
und mit der Innenwand der die Hohlkörper aufnehmenden Hülle unlösbar verbunden
sind. Werden die Hohlkörpern schichtartig übereinander
gelegt, so werden beispielsweise in Stoßrichtung am naheliegendsten Hohlkörper große Durchmesser
realisiert, wenn im Crashablauf zuerst eine weiche Verformungsstruktur des
Bauteils erforderlich ist. Bedarf es im späteren Crashablauf einer harten,
besonders steifen Verformungsstruktur, werden unterhalb der Hohlkörper großen Durchmessers
Hohlkörper
kleineren Durchmessers positioniert.
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Aus
der
DE 4340349 A1 wird
die Verwendung von keramischen Hohlkörpern unterschiedlichen Durchmessers
und unterschiedlicher Wandstärke
zur Energieumwandlung in einem Kraftfahrzeug vorgeschlagen. Die
Anordnung der verschiedenen keramischen Hohlkörper ist so getroffen, dass
im Frontbereich Hohlkörper
mit relativ großer
Wandstärke
-gleichbedeutend mit einer großen
Kraftaufnahme- eingesetzt werden. In Kraftrichtung nachfolgend finden
keramische Hohlkörper
mit großem
Durchmesser beziehungsweise einer geringen Wandstärke zur
Erzielung eines größeren Weges
bei niedrigerem Kraftniveau Verwendung. Es wird vorgeschlagen, dass
die Hohlkörper
in den Deformationselementen im Front- oder Heckbereich kleiner
sind oder eine größere Wandstärke aufweisen
als die Hohlkörper
in den Deformationselementen im Fahrgastraum. Die Packung ist mit
der Hülle
durch Klebung verbunden.
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Die
bekannten Deformationsbauteile sind für einen weichen Stoßpartner,
wie er beispielsweise im Kraftfahrzeug und im Straßenverkehr
durch Personen gebildet wird, noch nicht optimal geeignet. Im Falle
von metallischen Hohlkugeln tritt mit den bekannten Technologien
teilweise ein nicht zufriedenstellender Korrosionsschutz auf.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Deformationsbauteil bereitzustellen,
das für
den Crash mit weichen Stoßpartnern
geeigneter ist und eine verbesserte Korrosionsfestigkeit aufweist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Deformationsbauteil mit Hohlkugelstrukturen zur Dämpfung eines
Stoßes
in Kraftfahrzeugen mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils von Anspruch
1, sowie Verfahren zur Herstellung eines Deformationsbauteils zur
Dämpfung
eines Stoßes, mit
den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 11, 12 und 13.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass das Deformationsbauteil, welches auch als Crashstruktur bezeichnet
werden kann, als Hohlkugelstruktur mehrere Lagen metallischer Hohlkörper und
mindestens eine Lage aus Polymer aufweist. Dabei ist mindestens
eine Lage aus Polymer auf der der Stoßrichtung zugewandten Seite
angeordnet. Die metallischen Hohlkörper bilden Lagen unterschiedlicher
Festigkeit aus. Die Hohlkörperlagen
und die mindestens eine Polymerlage weisen erfindungsgemäß einen
in Richtung auf die Stoßrichtung
abnehmenden Gradienten der Festigkeit auf. Wesentlich ist hierbei,
dass die auf der Stoßseite
(Oberseite) angeordnete Polymerschicht, oder Polymerlage eine wesentlich
geringere Festigkeit aufweist als die unter ihr angeordneten Hohlkörperlagen.
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Die
Polymerlage der Oberseite ist dabei fest mit der darunterliegenden
Crashstruktur verbunden, sodass die Stoßenergie optimale in den Bereich
der deformierbaren Hohlkugeln weitergeleitet werden kann.
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Der
Festigkeitsgradient der durch die Hohlkugellagen gebildeten Hohlkugelstruktur
wird dadurch erreicht, dass die Hohlkugeln entlang des Gradienten
unterschiedliche Durchmesser, unterschiedliche Wandstärken und/oder
unterschiedlich feste Materialien aufweisen.
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In
einer ersten Ausgestaltung der Erfindung, ist vorgesehen, dass sich
der Durchmesser und/oder die Wandstärke der Hohlkugeln entlang
des Gradienten um mindestens 50% ändert. Die Durchmesser der
metallischen Hohlkugeln liegen im Bereich von 1 mm bis 5 cm und
bevorzugt bei 1 mm bis 10 mm. Die bevorzugten Wandstärken der
metallischen Hohlkugeln liegen je nach Durchmesser im Bereich von
10 μm bis
500 μm.
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Zu
den bevorzugten geometrischen Formen der metallischen Hohlkörper zählen runde
oder kugelförmige
Geometrien, mit denen sich insbesondere hohe Packungsdichten und
gleichmäßige Kugelverteilungen
einstellen lassen. Bei Kugelgeometrie wird beispielsweise ein relativ
genau definiertes Zwickelvolumen erreicht. Das Vorhandensein der
freien Zwickel trägt
u. a. zur gewünschten
Reduzierung des spezifischen Gewichtes der Crash-Struktur bei.
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Werden
unterschiedliche Materialien verwendet, um den Gradienten der Festigkeit
alleine, oder in Kombination mit einer Veränderung von Durchmesser oder
Wandstärke
einzustellen, so sind diese bevorzugt aus mindestens zwei Materialien
der Gruppe der Metalle oder Legierungen der Elemente Fe, Al, Cu
und/oder Zn ausgewählt.
Typische Kombinationen sind legierte Stähle unterschiedlichen Gehaltes
an Kohlenstoff, P, Ni, Cr, oder weiteren Legierungsbestandteilen,
sowie Kombinationen aus Stählen
mit Al- oder Cu-Legierungen.
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Die
Polymere auf der Oberseite, das heißt der dem Stoß mit dem
weichen Stoßpartnern
zugewandten Seite, können
die bekannten Gebrauchskunststoffe umfassen. In einer bevorzugten
Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei den Polymeren um
geschäumte
Kunststoffe oder einen Polymerschaum. Der Polymerschaum kann dabei
selbst einen Gradienten des Aufbaus beziehungsweise der Festigkeit
aufweisen. Diese Gradient wird beispielsweise durch eine Variationen
der spezifischen Dichte des Schaums erreicht.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Polymere
auf der Oberseite des Deformationselements elastisch oder gummiartig.
Dies hat den Vorteil, dass die durch einen Stoß mit geringer Energie hervorgerufene
Deformierung des Deformationsbauteils reversibel ist.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen dass die Zwischenräume der
Hohlkugelstruktur aus metallischen Hohlkörpern zumindest teilweise durch
Polymer ausgefüllt
ist. Das Polymer weist hierbei unter anderem die Wirkung eines Klebers
auf. Besonders bevorzugt handelt es sich hierbei um einen Polymerschaum. Üblicherweise
wird dabei der gleiche Polymerschaum verwendet, der sich auch in
der Lage auf der Oberseite der Crashstruktur wiederfindet. Besonders
bevorzugt ist der gesamte Zwischenraum durch Polymer bzw. Polymerschaum
erfüllt.
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In
erfindungsgemäßer Weiterbildung
dieser Variante sind alle metallischen Hohlkugeln vollständig von
Polymer bzw. Polymerschaum umgeben. Somit stehen die metallischen
Oberflächen
der Kugeln nicht mehr in stofflichem Kontakt zueinander. Diese Vorgehensweise
hat insbesondere hinsichtlich des Korrosionsschutzes besondere Vorteile,
da die metallischen Körper
vollständig
durch eine Schutzschicht aus Korrosion inhibierendem Polymermaterial
umgeben sind. Dies gilt ebenso auch für den Fall dass nur ein Teil
der Zwischenräume
der metallischen Hohlkugelstruktur durch Polymer erfüllt ist, wenngleich
auch in geringerem Maße.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das Deformationselement
oder die Crashstruktur auf der Unterseite, d. h. der dem Stoß abgewandten
Seite, sowie gegebenenfalls auch im Seitenbereich, durch eine kompakte
Metalllage oder ein Metallblech abgeschlossen. Hierdurch wird die Strukturfestigkeit
des Deformationsbauteils günstig beeinflusst.
Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die mechanische Verbindung
unter den einzelnen Hohlkugeln nur geringe Festigkeit aufweist.
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Die
Erfindung wird durch die folgenden schematischen Zeichnungen, die
das Bauprinzip sowie bevorzugte Ausführungen darstellen näher erläutert. Die
Zeichnungen sind dabei in keiner Weise als Beschränkung der
Erfindung auszulegen.
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Dabei
zeigen:
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1 Eine Hohlkugelstruktur
mit nach unten zunehmender Festigkeit, mit Hohlkugeln gleichen Durchmessers
(1, 1', 1'', 1''') die parallel
zum Festigkeitsverlauf zunehmende Wandstärken aufweisen.
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2 Eine Hohlkugelstruktur
mit nach unten zunehmender Festigkeit, mit Hohlkugeln (2, 2', 2'', 2''') gleichen Durchmessers,
die aus unterschiedlichen Metallegierungen aufgebaut sind deren
Festigkeit parallel zum Festigkeitsverlauf zunimmt.
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3 Eine Hohlkugelstruktur
mit nach unten zunehmender Festigkeit, mit Hohlkugeln gleicher Wandstärke (3, 3', 3'', 3'''), die parallel
zum Festigkeitsverlauf abnehmende Durchmesser aufweisen, sowie Polymerschaum
(8) zwischen den Hohlkugeln.
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4 Den idealisierten Geschwindigkeitsverlauf
(v) gegen die Zeit (t) beim Aufprall eines weichen Stoßpartners
auf die erfindungsgemäßen Deformationsbauteile
in Gradientenform (4) im Vergleich zum Aufprall mit einem
vergleichbaren konventionellen Bauteil (5).
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5 Den idealisierten Beschleunigungsverlauf
(Verzögerungsverlauf)
gegen die Zeit (t) beim Aufprall eines weichen Stoßpartners
auf die erfindungsgemäßen Deformationsbauteile
in Gradientenform (6) im Vergleich zum Aufprall mit einem
vergleichbaren konventionellen Bauteil (7).
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6 Den Schnitt durch ein
Deformationsbauteil in Form einer Motorhaube mit abschließender Polymerlage
(9) und darunterliegender Hohlkugelstruktur (10).
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7 Mögliche Einsatzgebiete der Deformationsbauteile
in der Fahrgastzelle, im Bereich des Dachrahmens oder der A-, B-,
und C-Säule
(11), im Bereich der Innenverkleidung (12), oder
im Bereich des Knieaufprallträgers
(13).
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8 Mögliche Einsatzgebiete der Deformationsbauteile
in der Fahrgastzelle, im Bereich der Knieaufprallträger (13),
der Instrumententafel (14) und der A-Säule (11).
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Im
Geschwindigkeits/Zeitdiagramm eines Aufpralls eines weichen Körpers mit
der Crashstruktur (4)
ist der Unterschied zwischen den Oberflächen mit und ohne erfindungsgemäßes Deformationsbauteil
deutlich zu erkennen. Beim Aufprall auf der mit Gradientenstruktur
gefütterten
Oberfläche wird
der weiche Stoßpartner
einer langsameren Abnahme der Geschwindigkeit (4) ausgesetzt
als es beim Aufprall mit der nicht gefütterten Oberfläche (5) der
Fall wäre.
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Die 5 zeigt den entsprechenden
Bremsverlauf (negative Beschleunigung, bzw. Verzögerung) des weichen Stoßpartners
beim Aufprall. Auch hier ist der Unterschied zwischen den Oberflächen mit
und ohne erfindungsgemäßes Deformationsbauteil
deutlich zu erkennen. Beim Aufprall auf der mit Gradientenstruktur
gefütterten
Oberfläche
(6) wird der weiche Stoßpartner einer langsameren
Abnahme der Geschwindigkeit ausgesetzt als es beim Aufprall mit
der nicht gefütterten
Oberfläche
(7) der Fall wäre.
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Zu
den bevorzugten Verwendungen der erfindungsgemäßen Deformationsbauteile zählen Crashstrukturen
im Karosseriebereich von Automobilen im Bereich des Fußgängerschutzes.
Dabei zeigt die Oberseite, d. h. die weichere Seite der Crashstruktur
auf die Außenseite
des entsprechenden Karosseriebereiches. Insbesondere sind die Crashstrukturen
im Bereich der Motorhaube, der Kotflügel der Dach- oder Seitenrahmen
und/oder der Türen von
Automobilen angeordnet. Diese Anordnung bietet dem Fußgänger in
der Crashsituation die weiche und stoßdämpfende Seite der Crashstruktur,
sodass bei einem Aufprall das entsprechende Körperteil zunächst sanft
aufgenommen und schonend gebremst wird. Die erfindungsgemäßen Deformationsbauteile zeigen
insbesondere in Crashsituationen bei geringer Geschwindigkeit mit
geringer Aufprallenergie große
Vorteile gegenüber
der üblichen
Bauweise.
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Gegebenenfalls
kann das die Crashstruktur umfassende Karosseriebauteil auch nach
außen
mit einem Metall-, insbesondere Stahl-, Blech versehen werden.
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Eine
weitere Verwendung der erfindungsgemäßen Deformationsbauteile liegt
im Insassenschutz von Automobilen. Dabei sind die Deformationsbauteile
im Bereich der Fahrgastzelle von Automobilen angeordnet, wie exemplarisch
in 5 und 6 ausgeführt. Die Oberseite des Deformationsbauteils
weist in die Fahrgastzelle, sodass die weiche und stoßdämpfende
Seite den Insassen zugewandt ist. Typische Anordnungen findet sich
im Bereich des Armaturenbretts, dem Dachbereich, dem Kniefängerbereich
aber auch den Seitenrahmen und Türen.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verfahren zur Herstellung
der aufgeführten
Deformationsbauteile oder Crashstrukturen.
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In
einer ersten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren die
folgenden wesentlichen Schritte:
- – Anordnung
mehrerer Lagen an mit thermisch härtbaren Klebern (Polymeren)
beschichteten metallischen Hohlkörpern,
wobei die Festigkeit der Hohlkörper
einen Gradienten aufweist, der parallel zur Flächennormale der Lagen verläuft
- – Überschichten
der Hohlkörperlage
der geringsten Hohlkörperfestigkeit
mit einer Lage aus thermisch formbarem oder härtbarem Polymer
- – Formgebung
der Polymerlage unter Temperatur- und Druckeinwirkung, sowie Härtung des
Klebers und des Polymers.
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In
einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren
die folgenden wesentlichen Schritte:
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- – Anordnung
mehrerer Lagen an metallischen Hohlkörpern, wobei die Festigkeit
der Hohlkörper einen
Gradienten aufweist der parallel zur Flächennormale der Lagen verläuft
- – Infiltration
und Überschichtung
der Hohlkörperlage
mit einem flüssigen
thermisch härtbaren
Polymer
- – Aushärtung des
infiltrierten und überschichteten Polymers
unter Temperatureinwirkung.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren
die folgenden wesentlichen Schritte:
- – Anordnung
mehrerer Lagen einer Mischung aus metallischen Hohlkörpern und
einem thermisch formbaren oder härtbaren
Polymer, wobei die Festigkeit der Hohlkörper einen Gradienten aufweist
der parallel zur Flächennormale
der Lagen verläuft
- – Überschichtung
dieser Lagen mit einem thermisch formbaren oder härtbaren
Polymer
- – Formgebung
und Aushärtung
der formbaren Polymere innerhalb der Hohlkörper-Lagen und in der Überschichtung
unter Temperatur- und Druckeinwirkung.
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Zu
den geeigneten Polymeren zählen
insbesondere thermoplastische Polymere, thermisch härtende Harze
oder Kleber, sowie Elastomere. Die entsprechenden Polymere können dabei
auch in aufgeschäumter
oder aufschäumbarer
Form Verwendung finden.
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Die
Polymerschäume
werden dabei in der Regel erst kurz vor oder während des Aushärtens aus
entsprechenden ungeschäumten
flüssigen
oder zähflüssigen Polymeren
gebildet. Ein Vorteil der schäumenden
Polymere liegt darin, dass der gesamte Zwischenraum zwischen den
Hohlkugeln bzw. das Zwickelvolumen zuverlässig mit Polymermaterial ausgefüllt wird.
Dabei wird die Dichte der gebildeten Crash Struktur oder des gebildeten
Deformationsbauteils gegenüber
einer nicht mit Polymer gefüllten Variante
im Sinne des erstrebenswerten Leichtbaus nicht wesentlich erhöht.
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Zusätzlich zur
Verbindung der metallischen Hohlkörper über einen Kleber oder ein Polymer
bzw. einen Polymerschaum, können
die Kugeln auch durch Löten
oder Schweißen
miteinander verbunden werden. Beispielsweise ist es von Vorteil
die Hohlkugeln jeweils einer Lage untereinander zu verbinden. Hierdurch
wird auch die Handhabung und Schichtung der Kugeln unterschiedlicher
Eigenschaften wesentlich vereinfacht.
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Die Überschichtung
der durch metallische Hohlkugeln gebildeten Lagen mit einem thermisch formbaren
oder härtbaren
Polymer kann sowohl mit zähflüssigem Polymer
oder Harz als auch mit festem thermoplastisch formbarem Polymer
erfolgen. Das thermoplastisch formbare Polymer kann dabei beispielsweise
als Platte oder Folie, aber auch als Schüttung aus Polymergranulat eingebracht
werden.
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Gegebenenfalls
kann das Gradientenbauteil mit einer untersten Lage aus einem Metallblech
oder eine Metallfolie versehen werden. Bevorzugt findet dies bei
der Umformung statt.
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Ebenso
ist es auch möglich,
das Deformationsbauteil auf vorgefertigte Konstruktionselemente des
Automobils aufzukleben, zu schweißen oder anderweitig zu befestigen.