DE19627061C2 - Deformationselement - Google Patents

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.

Aus der DE 38 33 048 A1 ist ein aus einem Faserverbund­ werkstoff bestehendes Deformationselement bekannt. Als Fasern werden bevorzugt Glasfasern, Kohlefasern oder Ara­ midfasern verwendet. Die Energieumwandlung erfolgt durch Umstülpen des rohrförmigen Deformationselements. Zum Ein­ leiten des Umstülpvorganges schließt sich an das freie Rohrende ein Bauteil mit einer konkaven, den äußeren Stülpradius bestimmenden Hohlkehle an.

Aus der US 5 035 307 und der US 4 368 234 läßt sich der Hinweis entnehmen, daß bei Anwendungen, bei denen Schlag- oder Stoßbelastungen auftreten, möglichst hochfeste, aber spröde Fasern, wie beispielsweise Kohlefasern, mit Fasern kombiniert werden sollen, die eine hohe Biegefestigkeit aufweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein rohrförmi­ ges Deformationselement zu schaffen, welches bei geringe­ rem Gewicht und geringer Baulänge ein hohes Maß an Ener­ gieumwandlung bei einem günstigen Kraft-Weg-Verlauf er­ möglicht.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Das neue Deformationselement besteht aus einem Faserver­ bund aus Kohlenstoffasern und Aramidfasern. Alternativ können anstelle der Kohlenstoffasern auch Glasfasern 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 der auch bei Blechrohren natürlich möglichen Bemessung, 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 ergeben.

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.

Zum Einleiten des Umstülpvorganges schließt sich an das freie Rohrende des Deformationselements ein Bauteil mit einer konkaven, den äußeren Stülpradius bestimmenden Hohlkehle an. 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 ist dieses so ausgestaltet, 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 Umfangs kraft zum Aufweiten des Rohrab­ schnitts 5 beim beginnenden Umstülpen.

Fig. 3 zeigt eine 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 (8)

1. Deformationselement, umfassend einen aus Faserverbund­ werkstoff hergestellten Rohrabschnitt, wobei die Ener­ gieumwandlung durch Umstülpen des Rohrabschnitts 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 der Faserverbundwerkstoff neben Koh­ lenstoff- oder Glasfasern beim Umstülpen Trennbrüche ver­ meidende Aramidfasern aufweist, und daß das freie Ende des umgestülpten Rohrabschnitts (5) nochmals umgestülpt wird, derart, daß die umgestülpten Rohrabschnitte einan­ der überlappen.

2. Deformationselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Rohrabschnitts (5) zu seinem freien Ende hin abnimmt.

3. Deformationselement nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wandung des Rohrabschnitts (5) in Richtung zur Hohlkehle (11) hin abgeschrägt ist.

4. Deformationselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrabschnitt (5) mit dem die Hohlkehle (11) aufweisenden Bauteil (7) zu ei­ ner Baugruppe verbunden ist.

5. Deformationselement nach Anspruch 4, 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.

6. Deformationselement nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Fortsatz (13) Taschen (15) zur Auf­ nahme eines Klebers (17) aufweist.

7. Deformationselement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Fortsatz (13) zumindest ab­ schnittsweise über den Befestigungsbereich für den Rohrabschnitt (5) hinaus nach innen gewölbt weiterge­ führt ist.

8. Deformationselement nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an das die Hohlkehle (11) aufweisende Bauteil (7) ein Befestigungsflansch (19) angeformt ist.