DE19546332A1 - Geschlossene Hohlformbauteile für den Fahrzeugbau, insbesondere für Crash-Strukturen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren/Konzept zur Herstellung von Strukturen für den Fahr­ zeuginsassenschutz (Crash-Strukturen) sowie aller anderen möglichen nicht explizit ge­ nannten Komponenten im Fahrzeugbau, insbe­ sondere im Automobilbau, welche in Hohl­ körperbauweise hergestellt werden können. Es umfaßt als Konzept jegliche Werkstoffe und alle möglichen Fertigungsverfahren, die für die Herstellung solcher Crash-Strukturen oder Komponenten eingesetzt werden.

a) Crash-Strukturen

Bei Unfällen (z. B. Auffahrunfällen) aus seitli­ cher, diagonaler oder frontaler Richtung ist es notwendig, die Fahrzeuginsassen vor Verletzungen zu schützen.

Für ein sicheres Fahrzeug ist es deshalb not­ wendig, in die Karosserie sogenannte Crash- Strukturen einzuarbeiten. Diese Crash- Strukturen haben vornehmlich das Ziel, Energie bei einem Zusammenstoß zu absor­ bieren, und so die Insassen eines Fahrzeugs vor Verletzungen zu schützen. Crash-Struk­ turen werden entweder konstruktiv in die Grundkarosserie eingeplant (Längsträger, Querträger) oder als seperate Bauteile an­ gebaut oder eingebaut (z. B. Seitenaufprall­ schutz in Türen). Um eine möglichst hohe Energieaufnahme im Schadensfall zu ge­ währleisten, müssen von den Bauteilen mög­ lichst große Umformungen ertragen werden. Die kinetische Energie wird in Umformarbeit und Wärme umgewandelt. Dies kann vor allem durch "duktile" Werkstoffe erreicht werden.

Als Crash -Strukturen sind Seitenaufprallein­ richtungen bekannt (z. B. DE 39 28 869 T1 DE 32 49 345 A1, DE 05 36 07 171, EP 0 364 062 A3, DE 28 56 737 C2, DE 40 16 611 C2, EP 0 411 979 A2), die als zusätz­ liche Bauteile in die Türen eingebaut werden. Desweiteren sind solche Systeme bekannt, bei denen die Energie hauptsächlich in den Türschweller eingeleitet wird (z. B. EP-A 102 35 685, DE 03 31 51 861). Daneben sind auch Sicherheitssysteme mit Wirkmedium bekannt (z. B. DE 30 49 429 C2, EP 0 372 172).

Die meisten Sicherheitseinrichtungen im Fahrzeug führen aufgrund der geforderten hohen Steifigkeit zu einer Gewichtszunahme der Gesamtkarosserie der Fahrzeuge.

In den letzten Jahren ist das Gesamtgewicht, vor allem von PKW-Karosserien trotzdem nicht wesentlich gestiegen, und das obwohl die Crash-Sicherheit der PKW′s deutlich verbessert wurde. Diese "versteckte" Ge­ wichtseinsparung konnte durch konstruktive Maßnahmen, aber auch durch Material- Substitution erreicht werden. In der Zukunft wird aber noch weitere Gewichtseinparung gefordert werden, dies vor allem im Hinblick auf die Resourcenschonung.

Seit kurzer Zeit wird im Fahrzeugbau das Verfahren der Innenhochdruck-Umformung verstärkt eingesetzt. Hierbei werden hohlkör­ perförmige Bauteile mit Hilfe eines hydrauli­ schen (oder pneumatischen) Innenhochdruc­ kes ausgeformt.

Bei der Innenhochdruck-Umformung werden Rohre, Strangpreßprofile sowie verschweißte und unverschweißte Platinen mit oder ohne vorherige Vorverformung mit Hilfe eines Innenhochdruckes zur gewünschten Kontur geformt. Grundsätzlich sind alle denkbaren verschließbaren Bauteile durch Innenhoch druck-Umformung herstellbar. Eingesetzt wird das Verfahren für Bauteile wie Abgas­ krümmer, Quer- und Längsträger sowie Schalenbauteile. Zu den Verfahren gibt es eine Vielzahl an Patenten.

Der Einsatz der Innenhochdruck-Umformung macht es möglich für die Crash-Strukturen ein neues Konzept zu Einsatz zu bringen.

Bisher werden die mit dem Innenhochdruck- Verfahren hergestellten Bauteile nach der Umformung entdichtet, das Umformmedium für den Druckaufbau (Fluid) wird aus dem Bauteil abgelassen. Es ist möglich die prin­ zipielle Abdichtbarkeit der Innenhochdruck geformten Bauteile, aber auch aller anderen mehrseitig geschlossenen Hohlkörper für den Einsatz als Crash-Struktur auszunutzen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, vorgeformte Hohlprofile und Hohlkörper jeglicher Bauart mit einem Innendruck zu beaufschlagen, der zur Aussteifung der Struktur beiträgt. Das Druckmedium kann ein Fluid oder ein Gas sein. Aus Gewichts­ gründen ist ein Gas vorzuziehen. Der allsei­ tige Innendruck bewirkt eine von innen wir­ kende Abstützung gegen von außen wir­ kende Kräfte. Der Effekt ist, daß ein Teil der kinematischen Energie bei einem Aufprall zuerst in Kompressionsenergie und Wärme umgewandelt und bei überschreiten der Formänderungsfestigkeit des Werkstoffes in Umformarbeit und Wärme ungewandelt wird. Der Innendruck innerhalb des Bauteils muß damit zusätzlich überwunden werden. Es ist so möglich, eine Crash-Struktur herzu­ stellen, die bei gleicher Energieaufnahme und gleichem Verformungswiderstand ("Steifigkeit") eine kleinere Wandstärke auf­ weist. Die mögliche Verringerung der Wandstärke (bis zu 30%) ist abhängig vom Innendruck des Bauteils. Der Innendruck muß stets so klein gehalten werden, daß die Fließspannung des Werkstoffes an keiner Stelle des Bauteils erreicht werden kann. Hier müssen vor allem enge Radien und Spalte berücksichtigt werden, die zu lokal stark erhöhten Spannungen führen können.

Die Erfindung umfaßt damit alle Strukturen die für eine Energieaufnahme vorgesehen sind und gleichzeitig als Hohlkörper oder Hohlprofil ausgeführt werden können. In den Bildern 1-3 sind verschiedene mögliche Bei­ spiele solcher Crash-Strukturen anhand einer PKW-Tür skizziert. Es ist möglich, diese "Ultra-Leicht-Crash-Strukturen" als Substitu­ tion bestehender Crash-Strukturen (zum Beispiel konventionellen Seitenaufprall­ schutzeinrichtungen bei Türen) einzusetzen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, durch innenhochdruckverstärkte Bauteile völlig neue Konzepte für den Aufbau von Bau­ gruppen oder -teilen einzusetzen. In Bild 4 ist Beispielhaft der Einsatz eines innendruckver­ stärkten Bauelements für Türen im PKW- Bereich dargestellt. Das innendruckverstärkte Bauteil übernimmt sowohl Außenhautfunkti­ on als auch die Funktion des Seitenaufprall­ schutzes. Bei einem Einsatz eines solchen Bauelements müßte der Aufbau einer Fahr­ zeugtür vollständig umgestellt werden. In Bild 5 ist ein denkbarer Aufbau skizziert. Ein Bei­ spiel, wie es in Bild 4+5 skizziert ist, hätte neben den Gewichtsersparnissen somit zu­ sätzlich den Vorteil, daß die Außenhaut vor kleinen Dellen vollständig geschützt wäre, da sich die Außenhaut über den Innendruck abstützt, und die notwendige Kraft für eine Verformung in Abhängigkeit vom Innendruck höher wird. Bei Einwirkung einer äußeren Kraft gibt das Druckmedium (z. B. Luft) ela­ stisch durch Kompression nach und bringt nach Entlastung die Außenhaut wieder in die ursprüngliche Form. Dieser Vorteil kann ebenfalls bei anderen Außenhautteilen aus­ genützt werden.

In Rahmenstrukturen wie Längs- und Quer­ träger, welche ebenfalls Energieabsorber im Crash-Fall sind, kann ein Innendruck wieder zur Gewichtsreduktion eingesetzt werden. Auch hier kommt die Gewichtseinsparung durch Reduktion der Wandstärke bei gleicher Steifigkeit der Bauteile.

Für die Herstellung innendruckverstärkter Bauteile für Crash-Stukturen oder für Außen­ hautbauteile ist es sinnvoll, die Fertigungs­ methode des Innenhochdruck-Umformens einzusetzen. Es ist aber ohne weiteres auch möglich, vorgeformte Halbschalen, Bau­ teilfragmente für Hohlkörper u.ä. zusam­ menzuschweißen und anschließend mit In­ nendruck zu beaufschlagen.

Die Abdichtung der Innendruck-Teile kann auf vielfältige Art und Weise erfolgen. Ange­ dacht werden kann eine Verschweißung der Öffnungen (Bild 6) oder eine Verquetschung von Einlaßquerschnitten (Bild 7+8). Für komplizierte, sicherheitstechnisch relevante Bauteile kann auch eine Ventiltechnik nach (Skizze Bild 9) eingesetzt werden. Hier wird ein Gewinde beim Umformprozeß in der Presse eingepreßt und anschließend ein Ventil dicht eingeschraubt. Der Innendruck wird nach vollständigem Verschließen und Abdichten der Bauteile eingebracht. Die Ventiltechnik hat den Vorteil, daß der Innen­ druck jederzeit nachkontrolliert und eventuell korrigiert werden kann.

Bei den unter Innendruck stehenden Bautei­ len ist es notwendig, Anbauteile schweiß­ technisch anzufügen. Verschraubungen sind nur mit Hilfe der notwendigen Dichtungs­ techniken durchführbar.

b) Allgemeine Komponenten für den Fahrzeugbau

Die Erfindung läßt sich neben den Crash- Strukturen auch in alle anderen denkbaren Komponenten im Fahrzeugbau einsetzen. Der Innendruck soll hier zum einen eine Gewichtsreduzierung ermöglichen, zum an­ deren soll der Innendruck zu konstruktiv neuen Lösungswegen führen und mithin andere Bauteil-Geometrien ermöglichen.

Ansonsten gilt für den Teil 1.b) inhaltlich das in Teil 1.a) ausgeführte.

Die technische Neuerung durch die Erfin­ dung zeichnet sich damit in jedem Fall da­ durch aus, daß bei einem innendruckver­ stärkten Bauteil die Steifigkeit nicht mehr allein durch die werkstoffseitige Festigkeit des Bauteils herrührt, sondern auch durch das Innendruckmedium.

Claims (12)

1. Metallische, in Hohlform ausgebildete Bauteile der Fahrzeugzelle im Fahr­ zeugbau, die zum Zwecke des Fahr­ zeuginsassenschutzes eingesetzt wer­ den (Crash-Strukturen), dadurch ge­ kennzeichnet, daß diese Bauteile durch einen hydraulischen oder pneumatischen Innendruck verstärkt sind.

2. Metallische, in Hohlform ausgebildete Bauteile der Fahrzeugzelle im Fahr­ zeugbau, welche nicht zum Schutz der Fahrzeuginsassen beitragen und da­ durch gekennzeichnet sind daß sie durch hydraulischen oder pneumati­ schen Innendruck verstärkt sind.

3. Die Einrichtungen nach Anspruch 1+ 2, welche insbesondere dadurch ge­ kennzeichnet sind, daß sie durch hy­ draulische oder pneumatische Innen­ druckverstärkung eine Wanddicken­ verringerung bei gleicher funktionaler Tauglichkeit aufweisen.

4. Die Einrichtungen nach Anspruch 1+ 2 welche insbesondere dadurch ge­ kennzeichnet sind, daß deren Form und Wanddicke sowie konstruktive Auslegung nur durch hydraulische oder pneumatische Innendruckver­ stärkung möglich werden.

5. Die Einrichtungen nach Anspruch 1+ 2 dadurch gekennzeichnet, daß diese zum Zweck der Gewichtsreduzierung pneumatisch oder hydraulisch innen­ druckverstärkt werden.

6. Die Einrichtungen nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die­ se Bauteile mit einer verformungsstei­ fen Struktur des Fahrzeugs verbunden sind.

7. Einrichtungen nach Anspruch 1 bis 6 welche als tragende Bauteile in die Bodenstruktur von Fahrzeugen inte­ griert sind.

8. Einrichtungen nach Anspruch 1 bis 6, welche als tragende Bauteile in die Fahrzeugfrontstruktur integriert sind.

9. Einrichtungen nach Anspruch 1 bis 6, welche als tragende Bauteile in die Fahrzeugheckstruktur integriert sind.

10. Einrichtungen nach Anspruch 1 bis 6, welche als tragende Bauteile in den Fahrzeugaufbau integriert sind.

11. Einrichtungen nach Anspruch 1 bis 6, welche als tragende Bauteile in die Dachpartie von Fahrzeugen integriert sind.

12. Einrichtungen nach Anspruch 1 bis 6, welche als Anhängteile (insbesondere Motorhaube, Türen, Heckdeckel und Kotflügel) von Fahrzeugen eingesetzt werden.