DE19627061A1 - Deformationselement - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Deformationselement
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Deformationselemente werden im Fahrzeugbau in den viel
fältigsten Bauformen und an verschiedenen Stellen einge
setzt. Meist bestehen diese energieabsorbierenden Bau
teile aus Stahl oder Aluminiumblech bzw. Alu-Strangpreß
profilen. Im Front- oder Heckbereich eines Fahrzeuges
eingesetzt, hat sich für die Deformationselemente ein
rohrförmiger Aufbau bewährt, welcher eine Verformung nach
dem Stülpprinzip oder dem sog. Faltbeulen zuläßt.
Bei Fahrzeugen werden für andere Zwecke auch Rohrab
schnitte aus Faserverbundwerkstoff eingesetzt. Sie dienen
beispielsweise bei allradgetriebenen Fahrzeugen zur
Kraftübertragung von einem frontseitigen Antriebsaggregat
auf das hintere Differential. Diese sehr steifen Rohre
können zur Folge haben, daß bei einem Frontaufprall für
den Insassen höhere Belastungen auftreten, als dies bei
einem vergleichbaren, jedoch frontgetriebenen Fahrzeug
der Fall ist. Der Grund für diese Beobachtung ist wohl
darin zu sehen, daß nach einem bestimmten Verformungsweg
das Antriebsaggregat am Hindernis ansteht und über das
Antriebsrohr und die daran festgelegten heckseitigen Bau
teile das Karosserieheck sozusagen festgehalten wird. Um
diesen Effekt zu beseitigen, gibt es verschiedene Maßnah
men, die eine Zerstörung des Rohres bei einem Frontauf
prall zur Folge haben. Besteht das Rohr aus Kohlefasern,
dann kann ein sog. "Faßbeulen" und darüber die Zerstörung
des Rohres bewirkt werden. Die Kohlefasern vermögen die
auftretende Verformung nicht auf zunehmen, so daß sie an
der entsprechenden Stelle brechen (zerbröseln). Ein aus
Glasfasern hergestelltes Rohr mit einer Matrix aus
Epoxidharz erfordert zur Einleitung der Zerstörung einen
Trigger. Dieser kann durch kleine, bei höheren Axialkräf
ten wirksamen Keilen erzeugt werden. Die Keile durchtren
nen einen Teil der Fasern, wodurch die Zerstörung des ge
samten Rohres eingeleitet wird. Dabei spleißen ein Teil
der Fasern auf, der andere Teil wird ohne nennenswerte
Energieumwandlung umgestülpt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein rohrförmi
ges Deformationselement zu schaffen, welches bei geringe
rem Gewicht ein höheres Maß an Energieumwandlung bei ei
nem günstigen Kraft-Weg-Verlauf ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des
Anspruchs 1 gelöst.
Das neue Deformationselement besteht aus einem Faserver
bund aus Kohlenstoffasern und Aramidfasern. Alternativ
können anstelle der Kohlenstoffasern auch Glasfasern,
ggf. im Verbund mit Aramidfasern, Verwendung finden. Ver
suche haben ergeben, daß letztere keinen Gewichtsvorteil
ergeben, jedoch eine höhere Energieaufnahme möglich ist.
Als Matrix, sowohl in Verbindung mit Kohlenstoffasern,
als auch in Verbindung mit Glasfasern, wird bevorzugt
Epoxidharz (Vinylesterharz, Polyesterharz) eingesetzt.
Alternativ ist eine Thermoplastmatrix (z. B. Polypropy
len, Polyamid und weitere) möglich.
Der Kohlenstoff-Aramid-Hybridverbund weist ideale Voraus
setzungen für ein Deformationselement auf. Während Kohle
faser relativ hohe Kräfte aufnehmen kann, ermöglicht Ara
midfaser eine große Biegespannung (ε Kohlefaser etwa 0,3%;
ε Aramidfaser etwa 30%). Dieser Faser-Mischverbund
ermöglicht es die Energieumwandlung durch Umstülpen eines
daraus hergestellten Rohrabschnitts zu bewirken. Die neue
Art der Energieumwandlung ist besonders vorteilhaft. So
läßt sich das vorgeschlagene Hybridrohr wesentlich besser
als Blechrohre abstimmen. Neben den auch bei Blechrohren
natürlich möglichen Bemessungen, kann das Verhalten zu
sätzlich über den Faservolumenanteil der Kohlenstoffasern
bzw. Aramidfasern (mittels Rovinganzahl einstellbar),
durch die Dichte der Rovings und das Matrixsystem abge
stimmt werden.
Außerdem ist - selbst gegenüber Aluminiumrohren - eine
erhebliche Gewichtsreduzierung durch den Einsatz des
neuen Deformationselementes gegeben. Praktische Versuche
haben Gewichtseinsparungen von 35 bis 40% bei höherer
Energieaufnahme nachgewiesen.
Durch das vorgeschlagene Deformationselement in Mischver
bundbauweise wird jedoch auch ein fast idealer Kräftever
lauf und ein höheres Energieabsorptionsvermögen erzielt.
Die durchgeführten Versuche haben gezeigt, daß in den
Kraft-Weg-Diagrammen der bei Metallrohren zu beobachtende
Anfangspeak nicht auftritt. Vielmehr ergibt sich ein an
genähert rechteckiger Verlauf, der durch den Verbund der
beiden unterschiedlichen Fasern begründet ist. So brechen
beim Umstülpen des Rohres ein Teil der Kohlenstoffasern,
während die Aramidfasern nur umgebogen werden. Der Ablauf
ist jedoch insgesamt wesentlich komplexer. Die ablaufen
den Vorgänge sind nicht nur der Grund für den angestreb
ten günstigen Kraft-Weg-Verlauf, sondern auch für das hö
here Energieaufnahmevermögen. Beim Umstülpen des Rohrab
schnitts werden nicht nur Biege- und Reibarbeit gelei
stet, sondern u. a. auch Arbeit, die zur Delamination der
Schichten und zur Zerstörung der Kohlenfasern und der Ma
trix notwendig sind.
Bei Verwendung des vorgeschlagenen Deformationselements
im Fahrzeugbau sollte dieses so ausgelegt werden, daß es
erst ab einem bestimmten Kraftniveau reagiert. Der darun
terliegende Bereich wird gewöhnlich durch Pralldämpfer
oder sog. Typschadenelemente abgedeckt. Damit wird die
gesetzlich vorgegebene Bestimmung erfüllt, daß etwa ein
Stoßfängeraufprall mit 5 km/h zu keinen bleibenden Ver
formungen der Karosserie führt. Erst bei darüber hinaus
gehenden Belastungen sollte das erfindungsgemäße Deforma
tionselement ansprechen. Außerdem wäre zu beachten, daß
das Kraftniveau bei der Verformung des Crashelements ei
nen Wert nicht übersteigt, bei dem sich die an das
Crashelement anschließende Struktur der Karosserie ver
formt. Durch die vorgeschlagene neue Lösung, welche einen
angenähert rechteckigen Kraft-Weg-Verlauf ermöglicht, ist
es nicht schwierig, bei einem größtmöglichen Energieab
sorptionsvermögen die vorgegebene Bandbreite optimal aus
zunutzen.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung soll sich zum
Einleiten des Umstülpvorganges an das freie Rohrende des
Deformationselements ein Bauteil mit einer konkaven, den
äußeren Stülpradius bestimmenden Hohlkehle anschließen.
Dadurch wird ein Krafteinleitungselement geschaffen, wel
ches zuverlässig die Kräfte in den Rohrabschnitt einlei
tet und dafür Sorge trägt, daß der Umstülpvorgang in ge
nau vorgegebener Weise abläuft. Insbesondere wird der
Stülpradius definiert und dadurch das vorgegebene
Kraftniveau reproduzierbar.
Vorteilhaft ist, wenn an das die Hohlkehle aufweisende
Bauteil (Krafteinleitungselement) ein Befestigungsflansch
angeformt ist. Dieser Befestigungsflansch kann beispiels
weise zur Aufnahme eines Stoßfängers dienen.
Zur Reduzierung der Baulänge des Deformationselements
kann dieses so ausgestaltet sein, daß das freie Ende des
umgestülpten Rohrabschnitts nochmals umgestülpt wird,
derart, daß die umgestülpten Rohrabschnitte einander
überlappen. Dazu ist es notwendig, daß ein zweites Kraft
einleitungselement, zweckmäßig ebenfalls mit einer Hohl
kehle, vorgesehen wird. Das zweite Krafteinleitungsele
ment kann Bestandteil der Halterung für den Rohrab
schnitt, beispielsweise am Aufbau des Fahrzeuges, sein.
Wenn das freie Rohrende umgestülpt ist, dann gleitet es
im weiteren Bewegungsablauf zunächst auf der Außenseite
des noch nicht umgestülpten Rohrabschnitts bis es in die
Einrichtung zum Umstülpen in entgegengesetzter Richtung
eintritt. Wurde der Rohrabschnitt darin ein zweites Mal
umgestülpt, dann liegt er schalenförmig auf demjenigen
Rohrabschnitt, der nur einmal umgestülpt wurde. Der Über
lappungsbereich entspricht in etwa dem Baulängengewinn
beim zweimaligen Umstülpen gegenüber einer Baulänge, wenn
nur einmal umgestülpt wird.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die Wandstärke des Rohr
abschnitts zu seinem freien Ende hin abnimmt. Dies kann
bevorzugt dadurch geschehen, daß die Wandung des Rohrab
schnitts in Richtung zur Hohlkehle hin abgeschrägt ist.
Diese Materialschwächung zum Rohrende hin bildet einen
Trigger für den Umstülpvorgang. Je geringer die Wand
stärke ist, desto kleiner ist auch die notwendige Um
fangskraft zum Aufweiten des Rohrabschnitts. Das Umstül
pen wird demnach günstig durch eine geringere Kraft ein
geleitet.
Bevorzugt ist der aus Faserverbundwerkstoff hergestellte
Rohrabschnitt mit dem die Hohlkehle aufweisenden Bauteil
zu einer Baugruppe verbunden. Dadurch ergibt sich nicht
nur eine einfache Montage, vielmehr wird die genaue Zu
ordnung des Rohrabschnitts zu der Hohlkehle sicherge
stellt. Zur Verbindung des Rohrabschnitts mit dem Bauteil
können an sich bekannte Techniken (Nietung, Klebung) Ver
wendung finden. Die Scherkraft läßt sich einfach durch
die Bemessung und Zahl der Nieten bzw. durch die Einstel
lung der Klebverbindung festlegen. Erst wenn die Scher
kraft überwunden ist, kann der Umstülpvorgang beginnen.
Das die Hohlkehle aufweisende Bauteil (Kraftein
leitungselement) kann einen an die Innenkontur des
Rohrabschnitts angepaßten Fortsatz aufweisen, auf den der
Rohrabschnitt aufgeschoben und befestigt ist. Der Fort
satz dient der Führung des Rohrabschnitts beim Umstülpen
und bildet die Basis zur Verbindung der beiden Bauteile.
Soll die Verbindung mittels Klebung erfolgen, dann kann
der Fortsatz mit Taschen zur Aufnahme des Klebers verse
hen sein.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Er
findung kann der Fortsatz zumindest abschnittsweise über
den Befestigungsbereich für den Rohrabschnitt hinaus nach
innen weitergeführt sein. Durch diesen eine Führung für
den Rohrabschnitt darstellenden Fortsatz wird gewährlei
stet, daß auch bei einem Schrägaufprall der Rohrabschnitt
umgestülpt wird. Es hat sich gezeigt, daß selbst dann,
wenn bei einem ungünstigen Schrägaufprall das bekannte
Knickbeulen auftreten sollte, trotzdem ein Umstülpen
stattfindet.
Zusammenfassend ist festzustellen, daß durch das vorge
schlagene Deformationselement die Forderungen an ein der
artiges Bauteil besonders gut erfüllt werden. Die neue
Materialkombination erlaubt erstmalig die Anwendung des
Stülpverfahrens bei einem Rohr in Faserverbundbauweise.
Das neue Deformationselement ist wesentlich leichter als
vergleichbare Bauteile aus Aluminiumblech.
Der neue Aufbau gewährleistet außerdem ein höheres Ener
gieabsorptionsvermögen. Die in dem Krafteinleitungsele
ment ausgebildete Hohlkehle stellt eine stetige Aufwei
tung des Rohrabschnitts zu Beginn des Umstülpvorganges
sicher, wodurch keine ausgeprägte Peaklast auftritt.
Das Vorsehen eines Triggers, beispielsweise eines 30
Grad-Bevel-Triggers, gewährt ein progressives Versagen
während des Verformungsvorganges.
Die oben angesprochenen Kriterien lassen sich durch die
Wahl entsprechender Parameter beim Aufbau des Rohrab
schnitts, seiner Verbindung mit dem Krafteinleitungsele
ment, bei der Ausgestaltung des Triggers und der Hohl
kehle sehr gezielt beeinflussen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben. Es
zeigen
Fig. 1 einen Schnitt durch ein nur teilweise dargestell
tes, symmetrisch aufgebautes Deformationselement
im Ausgangszustand,
Fig. 2 das Deformationselement aus Fig. 1 nach einer
crashbedingten Einwirkung,
Fig. 3 ein weiteres Beispiel, wobei der Rohrabschnitt
des Deformationselements zweimal umgestülpt wird
und
Fig. 4 ein Beispiel ähnlich demjenigen aus Fig. 1, je
doch in besonderer Weise an einen Schrägaufprall
angepaßt.
Ein in den Fig. 1 und 2 im Prinzip dargestelltes Deforma
tionselement weist einen Rohrabschnitt 5 auf, welcher ein
Bauteil 7 teilweise umschließt.
Der Rohrabschnitt 5 ist durch einen Faserverbund aus Koh
lenstoffasern und Aramidfasern gebildet. Die Herstellung
kann beispielsweise im Naßwickelverfahren durch gleich
zeitige Ablage von Faserrovings erfolgen. Die Wandung des
Rohrabschnitts 5 ist an seinem freien Ende so abge
schrägt, daß zu dem umschlossenen Bauteil ein Winkel von
etwa 30% gegeben ist.
Das Bauteil 7 hält und führt den Rohrabschnitt 5. Darüber
hinaus ist das Bauteil 7 mit einer umlaufenden Hohlkehle
9 versehen. Die Hohlkehle 9 dient dazu, daß bei Beauf
schlagung des Deformationselementes mit einer entspre
chend großen Kraft der Endbereich des Rohrabschnitts 5
nach außen hin umgestülpt wird. Dieser Zustand ist in
Fig. 2 dargestellt. Dabei kommt der Abschrägung am Rohr
abschnitt 5 die Aufgabe eines Triggers zu, während die
Hohlkehle 9 ein Krafteinleitungselement bildet. Der Trig
ger verringert die Umfangskraft zum Aufweiten des Rohrab
schnitts 5 beim beginnenden Umstülpen.
Fig. 3 zeigt eine abgewandelte Bauform mit einer zweiten
Hohlkehle 11. Diese bewirkt, daß der bereits an der Hohl
kehle 9 umgestülpte Rohrabschnitt 5 ein zweites Mal umge
stülpt wird, wodurch sich die verformten Rohrabschnitte
teilweise überlappen. Durch die beschriebene Maßnahme
läßt sich in axialer Richtung des Deformationselementes
Bauraum einsparen. Die Einsparung entspricht dabei in
etwa dem Überlappungsbereich der verformten Rohrab
schnitte.
Schließlich zeigt Fig. 4 eine Bauform, welche in besonde
rer Weise zur Aufnahme eines Schrägaufpralls ausgebildet
ist. Dazu ist das Bauteil 7 über den Befestigungsbereich
des Rohrabschnitts 5 mit einem Fortsatz 13 versehen, wel
cher nach innen gewölbt verläuft. Der Fortsatz 13 stellt
sicher, daß auch bei einem Schrägaufprall das vordere
Ende des Rohrabschnittes 5 in die Hohlkehle 9 gelangt und
dort umgestülpt wird.
Fig. 4 zeigt außerdem eine mögliche Verbindung zwischen
dem Rohrabschnitt 5 und dem Bauteil 7. Zu diesem Zweck
sind an dem Bauteil 7 über den Umfang verteilt mehrere
Taschen 15 zur Aufnahme eines Klebers 17 vorgesehen. Die
Scherkräfte des Klebers sind so bemessen, daß die
Klebverbindung bei einer vorgegebenen Kraft zerstört
wird, wodurch eine Einleitung des Umstülpvorganges für
den Rohrabschnitt 5 verbunden ist.
Außerdem weist das Bauteil 7 einen Befestigungsflansch 19
mit Bohrungen 21 auf. An den Befestigungsflansch 19 läßt
sich das krafteinleitende Bauteil, beispielsweise ein
Stoßfänger, befestigen.
Claims (9)
1. Deformationselement, umfassend einen aus Faserverbund
werkstoff hergestellten Rohrabschnitt, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Faserverbund aus Kohlenstoff- oder
Glasfasern und Aramidfasern besteht, daß die Ener
gieumwandlung durch Umstülpen des Rohrabschnitts (5)
erfolgt, und daß zum Einleiten des Umstülpvorganges
sich an das freie Rohrende ein Bauteil (7) mit einer
konkaven, den äußern Stülpradius bestimmenden Hohl
kehle (11) anschließt.
2. Deformationselement nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß das freie Ende des umgestülpten Rohrab
schnitts (5) nochmals umgestülpt wird, derart, daß die
umgestülpten Rohrabschnitte einander überlappen.
3. Deformationselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Rohrabschnitts
(5) zu seinem freien Ende hin abnimmt.
4. Deformationselement nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Wandung des Rohrabschnitts (5) in
Richtung zur Hohlkehle (11) hin abgeschrägt ist.
5. Deformationselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrabschnitt (5) mit
dem die Hohlkehle (11) aufweisenden Bauteil (7) zu ei
ner Baugruppe verbunden ist.
6. Deformationselement nach Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Bauteil (7) einen an die Innenkontur
des Rohrabschnitts (5) angepaßten Fortsatz (13) auf
weist, auf den der Rohrabschnitt (5) aufgeschoben und
befestigt ist.
7. Deformationselement nach Anspruch 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Fortsatz (13) Taschen (15) zur Auf
nahme eines Klebers (17) aufweist.
8. Deformationselement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Fortsatz (13) zumindest ab
schnittsweise über den Befestigungsbereich für den
Rohrabschnitt (5) hinaus nach innen gewölbt weiterge
führt ist.
9. Deformationselement nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß an das die Hohlkehle (11)
aufweisende Bauteil (7) ein Befestigungsflansch (19)
angeformt ist.
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