DE10343431A1

DE10343431A1 - Deformationselement

Info

Publication number: DE10343431A1
Application number: DE2003143431
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr.-Ing. Weikl; Hans-Günther Prof. Dr.-Ing. Haldenwanger
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2003-09-19
Filing date: 2003-09-19
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2023-09-20
Also published as: DE10343431B4

Abstract

Ein Deformationselement (1) umfasst einen Rohrkörper (2) aus Faserverbundwerkstoff, der aus Kohlenstoff- oder Glasfasern sowie Aramidfasern besteht. Durch Umstülpen des Rohrkörpers (2) über ein Hohlkehlenteil (7) mit einer konkaven, den äußeren Stülpradius bestimmenden Hohlkehle (8) wird die Energieumwandlung bewirkt. In dem Rohrabschnitt (5) des Deformationselementes (1) ist ein Einsatz angeordnet, der aus in einer Matrix eingebetteten Kohlenstoff- oder Glasfasern besteht. Bevorzugt ist der Einsatz (12) mit Abstandshaltern (16) versehen, welche bis an die Innenwandung des Rohrkörpers (2) reichen und dem Deformationselement eine hohe Knickfestigkeit verleihen sowie die Längs- und Querführung verbessern. Durch den Einsatz (12) wird das Energieabsorptionsvermögen des Deformationselementes (1) wesentlich erhöht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Deformationselement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein gattungsgemäßes Deformationselement ist beispielsweise aus der DE 38 33 048 C2 bekannt. Das Deformationselement ist dort durch einen Rohrabschnitt aus Faserverbundwerkstoff gebildet, der neben Kohlenstoff- oder Glasfasern auch Aramidfasern aufweist. Die Energieumwandlung erfolgt durch Umstülpen des Rohrabschnitts, wobei zum Einleiten des Umstülpvorganges sich an das freie Rohrende ein Bauteil mit einer konkaven, den äußeren Stülpradius bestimmenden Hohlkehle anschließt. Das bekannte Deformationselement ist geprägt durch ein geringes Gewicht und eine kurze Baulänge sowie durch einen günstigen Kraft-Weg-Verlauf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Deformationselement so weiter zu bilden, dass es für ein höheres Kraftniveau Verwendung finden kann, ohne dass sich dadurch die Größe verändert. Außerdem soll das neue Deformationselement eine höhere Beul- und Knickfestigkeit aufweisen, wodurch das Deformationselement bei schräger Krafteinleitung ein höheres Maß an Energieumwandlung gewährleistet.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Der in dem Rohrkörper (Stülprohr) angeordnete Einsatz besteht aus in einer Matrix eingebetteten Kohlenstoff- oder Glasfasern. Als Matrix kann beispielsweise ein Epoxidharz dienen. Ein derartiger Verbundkörper kann bei einer Belastung eine sehr große Energie absorbieren; er weist jedoch dabei ein relativ unkontrolliertes Verhalten auf, da die Materialien derart spröde sind, dass sie bei einem Aufprall zersplittern und zerbröseln, also die mechanische Verbindung aufgelöst wird. Deshalb werden diese Verbundkörper auch als Crushing-Element bezeichnet.

In der vorgeschlagenen Verwendung, nämlich als Einsatz in einem Stülprohr aus Faserverbundwerkstoff, ist das beschriebene Verhalten bei einem Aufprall in keiner Weise schädlich; im Gegenteil, es wird das sehr hohe Energieumwandlungsvermögen bei kompakten Abmessungen und geringem Gewicht ausgenutzt.

Durch die vorgeschlagene Lösung werden die Vorteile beider Elemente zur Energieumwandlung, nämlich dem Stülprohr und dem Einsatz, genutzt und Synergien erreicht. So bleibt auch nach Beginn der Verformung des Stülprohres die Längs- und Querführung erhalten. Im Gegensatz zu Einzelrohren wird durch das Kombisystem eine erhöhte Knickfestigkeit erzielt, so dass ein größerer Stülpwinkel möglich ist. Wird das System als Deformationselement im Bug- oder Heckbereich eines Fahrzeuges eingesetzt, dann hat der mögliche Stülpwinkel eine große Bedeutung bei einem Schrägaufprall.

Der Einsatz, also das Crushing-Element, kann sehr kostengünstig, beispielsweise als Meterware, hergestellt werden. Die sehr hohe spezifische Energieabsorption erfordert nur einen geringen Bauraum, der ausreichend in dem Stülprohr vorhanden ist.

Besonders vorteilhaft ist, wenn der Einsatz teilweise an der Innenwandung des Rohrkörpers anliegt oder zumindest abschnittsweise fast bis an die Innenwandung des Rohrkörpers heranreicht. Je näher Abschnitte des Einsatzes an die Innenwandung des Rohrkörpers herangeführt sind, um so höher ist die Knicksteifigkeit und die Führung des Stülprohres nach begonnener Deformation.

Zweckmäßig ist, wenn als Einsatz zumindest ein länglicher Hohlkörper mit radial abstehenden, einstückig angeformten Abstandshaltern Verwendung findet. Ein solcher Profilkörper kann beispielsweise ein Rohr mit 70mm Durchmesser und 2,5mm Wandstärke sein, das mindestens drei radial vorstehende Rippen als Abstandshalter aufweist, welche den Einsatz zentrieren und das gewünschte Knick- und Führungsverhalten gewährleisten.

Es ist natürlich möglich, nicht nur einen länglichen Rohrkörper zu verwenden, sondern in paralleler Anordnung mehrere Rohrkörper, die zweckmäßig einstückig hergestellt werden und mit Abstandshaltern versehen sind.

Natürlich ist es auch möglich, anstelle eines oder mehrerer länglicher Rohrkörper einen Profilkörper mit radial abstehenden, einstückig angeformten Abstandshaltern als Einsatz zu verwenden. Solche Profilkörper können in einfacher Weise als Meterware erzeugt und dann konfektioniert werden. Hinsichtlich ihrem Querschnitt ist ein großes Spektrum möglich, das von einer einfachen Kreuzform bis zu komplexen Querschnitten reicht, welche beispielsweise in einer Richtung eine höhere Biegefestigkeit aufweisen.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung können in serieller Anordnung mindestens zwei Einsätze in dem Rohrkörper angeordnet sein. Jeder dieser Einsätze ist dann auf ein bestimmtes Kraftniveau ausgelegt, wobei derjenige Einsatz, der zunächst verformt wird, ein geringeres Energieabsorptionsvermögen aufweist.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn an demjenigen Ende des Einsatzes eine Materialschwächung vorgesehen ist, an dem die Verformung beginnen soll. Die Materialschwächung, beispielsweise eine Abschrägung eines rohrförmigen Einsatzes, stellt einen „Trigger" dar und stellt sicher, dass der Einsatz in der gewünschten Abfolge zerstört wird.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann der Einsatz im Belastungsfall gegen eine Begrenzungsfläche des Deformationselementes oder ein angrenzendes Karosseriebauteil gepresst werden. Die Verwendung einer Fläche in dem Deformationselement für diesen Zweck stellt sicher, dass das Deformationselement weitgehend variabel eingesetzt werden kann und eine vollständig funktionsfähige, vormontierte Baugruppe bildet.

Um zu verhindern, dass in dem Hohlraum zwischen dem Einsatz und dem Rohrkörper bzw. innerhalb eines hohl ausgeführten Einsatzes bei der Deformation des Einsatzes ein Druck aufgebaut wird, ist es vorteilhaft, wenn die Fläche, gegen die der Einsatz gepresst wird, mit mindestens einer Entlüftungsöffnung versehen ist.

Die vorstehende Beschreibung ist vorrangig auf die Ausgestaltung des Einsatzes gerichtet. Es ist bewusst offen gelassen, in welcher Weise das den Einsatz aufnehmende Stülprohr ausgeführt ist, da für dieses die verschiedensten Ausgestaltungen möglich sind.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen
1 einen teilweise dargestellten Längsschnitt durch ein symmetrisch aufgebautes Deformationselement,
2 einen teilweise dargestellten Längsschnitt durch ein anderes, ebenfalls symmetrisch aufgebautes Deformationselement,
3 den Schnitt III-III aus 2,
4 einen Schnitt ähnlich der Schnittdarstellung in 3, jedoch mit einem anderen Einsatz,
5 einen Schnitt ähnlich der Schnittdarstellung in 3, jedoch mit einer weiteren Variante des Einsatzes und
6 einen Schnitt ähnlich der Schnittdarstellung in 3, wobei der Einsatz durch einen Profilkörper gebildet ist.
In der 1 ist ein Deformationselement 1 schematisch im Halbschnitt dargestellt. Das Deformationselement 1 umfasst einen Rohrkörper 2 (Stülprohr), der aus einem Faserverbund aus Kohlenstoff- oder Glasfasern und Aramidfasern aufgebaut ist.
Weiter weist das Deformationselement 1 ein Stützteil 3 zur Einleitung von Längsdeformationskräften in den Rohrkörper 2 auf. Dieses Stützteil 3 umfasst ein Halterohrteil 4, auf welches der Rohrkörper 2 mit einem endseitigen Rohrabschnitt 5 formschlüssig aufgesteckt und durch eine Nietverbindung 6 am Halterohrteil 4 befestigt ist.
Ferner ist das Stützteil 3 mit einem an das Halterohrteil 4 anschließenden Hohlkehlenteil 7 versehen. Dieses Hohlkehlenteil 7 ist mit einer konkaven, einen äußeren Stülpbogen bestimmenden Hohlkehle 8 ausgebildet, die sich in dem in 1 dargestellten Zustand an das Rohrende 9 des Rohrabschnitts 5 anschließt.
In dem Beispiel weist der Rohrkörper 2 einen Durchmesser von etwa 9 cm auf, wobei z. B. 12 am Umfang regelmäßig versetzte und abscherbare Nieten 10 der Nietverbindung 6 angebracht sind.
Wie aus 1 weiter ersichtlich, ist die Rohrendkante 11 des Rohrendes 9 abgeschrägt ausgebildet. Ferner kann am Stützteil 3 ein Befestigungsflansch angeformt sein, der hier allerdings nicht dargestellt ist.
Von dem Rohrkörper 2 wird ein Einsatz 12 umschlossen, welcher ebenfalls rohrförmig ausgeführt ist. Der Einsatz 12 ist als Verbundkörper ausgeführt, bei dem Glas- oder Kohlestofffasern in einer Matrix aus Epoxidharz eingebettet sind. Das freie Ende des Einsatzes 12 ist mit Abschrägungen 13 versehen. Der Einsatz 12 reicht bis zum Boden 14 des Hohlkehlenteiles 7.
Das Deformationselement 1 ist beispielsweise Bestandteil einer Längsträgerstruktur eines Kraftfahrzeuges. Der Rohrkörper 2 ist mit dieser Längsträgerstruktur verbunden (nicht dargestellt). Der Einsatz 12 kann ebenfalls an der Längsträgerstruktur befestigt sein; es ist jedoch auch möglich und ausreichend, den Einsatz 12 nur in dem Rohrkörper 2 zu fixieren.
Bei einer Krafteinleitung in das Deformationselement 1, wie es beispielsweise bei einem Aufprall des mit bevorzugt zwei solchen Deformationselementen 1 ausgerüsteten Fahrzeuges erfolgen kann, werden die Nieten 10 der Nietverbindung 6 abgeschert, so dass sich eine Relativbewegung zwischen dem Stützteil 3 und dem Rohrkörper 2 ergibt.
Im weiteren Verlauf der Deformation des Deformationselements 1 gleitet der Rohrabschnitt 5 auf dem Halterohrteil 4 und anschließend in dem Hohlkehlenteil 7, wo das Rohrende 9 zur Energieumwandlung umgestülpt wird.
Gleichzeitig wird der Einsatz 12, ausgehend von seiner Abschrägung 13, durch die Krafteinleitung auf dem Boden 14 des Stützteiles 3 zerstört. Aufgrund der Materialeigenschaften des Einsatzes 12 erfolgt die Zerstörung derart, das kleinste Teilchen unter hoher Energieabsorption erzeugt werden. Ein sich in dem Rohrkörper 2 durch die Verkürzung ergebender Druckanstieg kann durch die im Boden 14 des Stützteiles 3 ausgebildeten Entlüftungsöffnungen 15 abgebaut werden.
2 zeigt in gleicher Darstellung ein abgewandeltes Deformationselement, wobei für gleiche Teil gleiche Bezugszeichen verwendet werden.
Im Gegensatz zu dem Deformationselement 1 in 1 ist bei der Ausführungsform gemäß 2 der Rohrkörper 2 nicht durch eine Nietverbindung 6 mit dem Stützteil 3 verbunden, sondern nur eine Verklebung zwischen beiden Bauteilen vorgesehen. Die Verklebung ist dabei so bemessen, dass die Verbindung bei definierten Scherkräften gelöst wird.
Als Einsatz 12 wird in 2 ebenfalls ein Rohrkörper mit einer vorderen Abschrägung 13 verwendet. Dieser ist jedoch mit radial vorstehenden Abstandshaltern 16 ausgeführt, wie dies deutlich aus der Schnittdarstellung in 3 zu erkennen ist. Die bis nahe an die Innenwandung des Rohrkörpers 2 reichenden Abstandshalter 16 erhöhen die Knick- und Beulfestigkeit des Deformationselementes 1, so dass auch eine schräg auftreffende Kraft das Verformungsverhalten des Deformationselementes 1 nur wenig beeinträchtigt. Außerdem stellen die Abstandshalter 16 eine zuverlässige Führung in Längs- und Querrichtung sicher. Der Einsatz 12 kann aus dem vorgeschriebenen Material bestehen. Er lässt sich kostengünstig als Stangenmaterial herstellen.
4 zeigt einen Einsatz 12, der aus drei Einzelrohren 17 mit je einem Abstandshalter 16 besteht.
In 5 ist der Einsatz 12 ebenfalls durch einen Hohlkörper mit Abstandshaltern 16 gebildet. Der Hohlkörper weist hier eine sechseckförmige Gestalt auf.
Schließlich zeigt 6 einen Einsatz in Form eines sternförmigen Vollprofils.
Neben den in den 3 bis 6 wiedergegebenen Querschnitten für einen Einsatz sind je nach den baulichen Gegebenheiten und dem gewünschten Verformungsverhalten bzw. Kraftniveau die verschiedensten Querschnitte denkbar. In den Figuren ist außerdem nicht dargestellt, dass selbstverständlich auch mehrere Einsätze 12 in serieller Anordnung vorgesehen sein können, um einen gestuften Kräfteverlauf über den Verformungsweg zu erreichen.

Claims

Deformationselement, umfassend einen Rohrabschnitt aus Faserverbundwerkstoff, der neben Kohlenstoff- oder Glasfasern auch Aramidfasern aufweist, wobei durch Umstülpen des Rohrabschnitts eine Energieumwandlung erfolgt und zum Einleiten des Umstülpvorganges sich an das freie Rohrende ein Bauteil mit einer konkaven, den äußeren Stülpradius bestimmenden Hohlkehle anschließt, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Rohrkörper (2) ein Einsatz (12) aus in einer Matrix eingebetteten Kohlenstoff- oder Glasfasern angeordnet ist.
Deformationselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (12) teilweise an der Innenwandung des Rohrkörpers (2) anliegt oder zumindest abschnittsweise fast bis an die Innenwandung des Rohrkörpers (2) heranreicht.
Deformationselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (12) durch zumindest einen länglichen Hohlkörper mit radial abstehenden, einstückig angeformten Abstandshaltern (16) gebildet ist.
Deformationselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (12) durch zumindest einen Profilkörper mit radial abstehenden, einstückig angeformten Abstandshaltern (16) gebildet ist.
Deformationselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in serieller Anordnung mindestens zwei Einsätze in dem Rohrkörper (2) angeordnet sind.
Deformationselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an demjenigen Ende des Einsatzes (12) eine Materialschwächung (13) vorgesehen ist, an dem die Verformung beginnen soll.
Deformationselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (12) im Belastungsfall gegen eine Begrenzungsfläche des Deformationselementes (1) oder ein angrenzendes Karosseriebauteil gepresst wird.
Deformationselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungsfläche des Deformationselementes (1) oder das angrenzende Bauteil mit mindestens einer Entlüftungsöffnung (15) versehen ist.