DE19718050A1

DE19718050A1 - Energieabsorbierendes Kraftbegrenzungsteil

Info

Publication number: DE19718050A1
Application number: DE1997118050
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr Mehn; Florian Seidl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1997-04-29
Filing date: 1997-04-29
Publication date: 1998-11-05

Description

Die Erfindung betrifft ein energieabsorbierendes Kraftbegrenzungsteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es sind bereits energieabsorbierende Kraftbegrenzungsteile bekannt, die aus me tallischen Werkstoffen hergestellt sind. Ein solches Kraftbegrenzungsteil kann bei spielsweise als Crash-Box zwischen dem Stoßfängerträger und dem Motorlängs träger eines Kraftfahrzeuges eingesetzt werden. Ferner ist es für den Seitenauf prallschutz bekannt, Crash-Träger und Crash-Rippen aus Kunststoff in der Seiten tür eines Kraftfahrzeuges zu verbauen. Nachteilig bei diesen Crash-Elementen ist, daß die Crash-Elemente einen relativ großen Bauraum erfordern und in einigen Fällen in bezug auf ihre Funktion nur als Energieabsorber einsetzbar sind, wodurch die Crash-Elemente als Zusatzbauteil das Fahrzeuggewicht erhöhen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein energieabsorbierendes Kraftbegrenzungsteil zu schaffen, das leicht und klein baut.

Mit dem erfindungsgemäßen energieabsorbierenden Kraftbegrenzungsteil kann die Kraft- oder Momentenbegrenzung durch einen entsprechenden Aufbau des Kraft begrenzungsteils einschließlich der verwendeten Werkstoffe in einfacher Weise eingestellt werden. Ferner ermöglicht das energieabsorbierende Kraftbegrenzungs teil eine hohe spezifische Energieaufnahme bei einer kompakten Bauweise und einem geringen Gewicht. Von Vorteil ist auch die große Integrationsfähigkeit des energieabsorbierenden Kraftbegrenzungsteils in bestehenden sicherheitsrelevan ten Bauteilen, die aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen können. Das erfin dungsgemäße Kraftbegrenzungsteil ist besonders für eine konzentrierte Lasteinlei tung über Kraftübertragungselemente in Faserverbundwerkstoffe geeignet. Ferner kann das erfindungsgemäße Kraftbegrenzungsteil auch in Bauteilen aus Metall oder bei Mischbauweisen aus Faserverbundwerkstoffen und Metall eingesetzt wer den. In einem Schadensfall erfolgt nur eine begrenzte lokale Schädigung des Kraftbegrenzungsteils, das aufgrund der erfindungsgemäßen Bauweise leicht und kostengünstig austauschbar ist.

Aufgrund der kleinen Bauweise und des einstellbaren Leistungsvermögens ist das erfindungsgemäße energieabsorbierende Kraftbegrenzungsteil auch bei den be schränkten Bauraumverhältnissen in einem Kraftfahrzeug einsetzbar. In einer vor teilhaften Ausführungsform dient das erfindungsgemäße energieabsorbierende Kraftbegrenzungsteil zur Anbindung zwischen einer Rückenlehne und einem Leh nenneigungs-Verstellbeschlag eines Sitzes. Die Rückenlehne kann aus einem Fa serverbundwerkstoff, insbesondere in einer Glasfaser-Thermoplast-Bauweise, her gestellt sein. Der Verstellbeschlag besteht in einer vorteilhaften Ausführungsform aus Metall, insbesondere aus Stahl. In einer anderen vorteilhaften Ausführungs form dient das erfindungsgemäße energieabsorbierende Kraftbegrenzungsteil zur Anbindung eines Crash-Trägers aus einem Faserverbundwerkstoff zwischen einem Schloß und einem Scharnier einer Fahrzeugtür.

Die verwendeten Materialien sind einfach zu verarbeiten, so daß eine Einstellung des gewünschten Lastverlaufes und Niveaus der Energieabsorption und der Ver formungswege möglich ist. Von Vorteil ist auch, daß das erfindungsgemäße ener gieabsorbierende Kraftbegrenzungsteil als Zusatzfunktion die üblichen Betriebsla sten aufnimmt.

Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen beispielshalber beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Prinzipdarstellung eines mit einem energieabsorbie renden Kraftbegrenzungsteil versehenen Bauteils,

Fig. 2a eine Prinzipdarstellung einer Anordnung eines rechteckförmigen Kraftbe grenzungsteils in einem Bauteil,

Fig. 2b ein Kraft-Weg-Diagramm für die Betriebs- und Crash-Belastung der An ordnung der Fig. 2a,

Fig. 3a eine Prinzipdarstellung einer Anordnung eines in Richtung des Verfor mungsweges keilförmig zusammenlaufenden Kraftbegrenzungsteils in einem Bauteil,

Fig. 3b ein Kraft-Weg-Diagramm für die Betriebs- und Crash-Belastung der An ordnung der Fig. 3a,

Fig. 4a eine Prinzipdarstellung einer Anordnung eines entgegengesetzt zur Rich tung des Verformungsweges keilförmig zusammenlaufenden Kraftbegren zungsteils in einem Bauteil,

Fig. 4b ein Kraft-Weg-Diagramm für die Betriebs- und Crash-Belastung der An ordnung der Fig. 4a,

Fig. 5a einen Längsschnitt einer Teilansicht eines in einem Beschlag gelagerten Trägers einer Sitz-Rückenlehne,

Fig. 5b eine Querschnittsansicht des Lehnenverstellbeschlags der Fig. 5a längs der Linie A-A in der Fig. 5a,

Fig. 6 eine Draufsicht auf einen, mit einem Kraftbegrenzungsteil versehenen Lehnenverstellbeschlag vor und nach einer Crash-Belastung und

Fig. 7 eine Querschnittsansicht des in der Fig. 6 in dem Lehnenverstellbeschlag befestigten Kraftbegrenzungsteils längs der Linie B-B in der Fig. 6.

Die Fig. 1 zeigt ein Bauteil 1, das eine in etwa rechteckförmige Ausnehmung 2 aufweist. In dieser Ausnehmung 2 ist ein energieabsorbierendes Insert oder ein Kraftbegrenzungsteil 3 befestigt. Das Kraftbegrenzungsteil 3 weist eine Durch gangsöffnung 4 in ihrem oberen Abschnitt 5 auf. Ein unterer Abschnitt 6 dient als Verformungsmasse und ist in der gezeigten Ausführungsform ohne Durchgangs öffnungen ausgebildet. In der Durchgangsöffnung 4 ist ein als Bolzen dargestelltes Kraftübertragungselement 7 angeordnet. Bei einem Crash wirkt auf das Bauteil 1 beispielsweise eine Kraft F, die als ein großer Pfeil am oberen Ende 8 des Bauteils 1 eingezeichnet ist. Über das Kraftübertragungselement 7 wird diese Crash-Kraft F auf ein weiteres, nicht dargestelltes Bauteil übertragen, das das dargestellte Bauteil 1 mit zwei Armen umgreift. Entsprechend wird über das linke und rechte Ende 9, 10 des Kraftübertragungselementes 7 jeweils die halbe Crash-Kraft F auf genommen und übertragen, wie dies durch die beiden nach unten zeigenden Pfeile dargestellt ist.

Aus den Fig. 2a bis 4b geht die Wirkungsweise des Kraftbegrenzungsteils und der Einfluß der Geometrie des Kraftbegrenzungsteils auf den Verformungs- und Kraft verlauf hervor. Die in den Fig. 2a, 3a und 4a gezeigten Kraftbegrenzungsteile 11, 12, 13 sind jeweils mit einer Durchgangsöffnung 4 und einem als zylindrischen Bolzen ausgebildeten Kraftübertragungselement 7 versehen. Das Kraftübertra gungselement 7 ist jeweils im oberen Abschnitt 5 des jeweiligen Kraftbegrenzungs teils 11, 12, 13 angeordnet.

In der Fig. 2a ist zusätzlich die ursprüngliche Lage des Kraftübertragungselemen tes 7 vor einem Crash im oberen Abschnitt 5 und die Lage des Kraftübertragungs elementes 7 im unteren Abschnitt 6 nach einem Crash eingezeichnet. Für den vor liegenden Fall wird eine lineare Bewegung des Kraftübertragungselementes 7 an genommen. In der Fig. 2a ist der sich aus der Verformung ergebende maximale Verformungsweg s₃ eingezeichnet.

In dem Kraft-Wege-Diagramm der Fig. 2b ist gezeigt, daß bei einem Crash-Bela stungsfall die Kraft F relativ steil bis zu einer Kraft F_L bei einer Wegstrecke s₁ an steigt und danach relativ konstant bis zu einer Wegstrecke s₂ auf diesem Kraftni veau bleibt. Danach steigt die Kraft bis zu einer Wegstrecke s₃ nahezu senkrecht aufgrund der Blockbildung bzw. der Anlage am Bauteil 1 an. Die Kraft F_L bei der Wegstrecke s₁ entspricht der durch das Kraftbegrenzungsteil 11 maximal übertrag baren Lochlaibungsspannung. Danach drückt sich das Kraftübertragungselement 7 auf dem annähernd gleich bleibenden Lastniveau durch das Kraftbegrenzungsteil 11, das dabei im jeweiligen Lochlaibungsbereich örtlich zerstört wird, aber keinen totalen Ausfall erfährt. Bei Durchlaufen der Wegstrecke von s₁ bis s₂ erfolgt eine hohe Energieabsorption, wie dies auch aus der rechteckigen Fläche in der Fig. 2b ersichtlich ist. In der Wegstrecke von s₂ bis s₃ geht das Kraftübertragungselement 7 auf Block, so daß keine Energieabsorption mehr durch das Kraftbegrenzungsteil 11 möglich ist.

Durch die Keilform des Kraftübertragungsteils 12 der Fig. 3a steigt die Kraft in dem Kraft-Weg-Diagramm der Fig. 3b nach dem Überschreiten der der maximal mögli chen Lochlaibungsspannung entsprechenden Kraft F_L bei einem Verformungsweg s₁ linear bis auf eine Kraft F_A bei einem Verformungsweg s_A an. Durch die Keilform nimmt das zur Verfügung stehende Verformungsmaterial des Kraftbegrenzungs teils 12 linear ab, so daß sich daraus eine zunehmende Versteifung und damit der lineare Kraftanstieg bis zur Kraft F_A ergibt. Hat das Kraftbegrenzungsteil 12 den Verformungsweg s_A zurückgelegt, weist das Kraftbegrenzungsteil 12 kein verform bares Material auf, so daß sich die einwirkende Kraft F direkt am Bauteil 1 abstützt. Daraus ergibt sich der nahezu senkrechte Anstieg der Kraft F bis zum Verfor mungsweg s₃.

In der Fig. 4a ist das ebenfalls keilförmige Kraftbegrenzungsteil 13 in bezug auf die angreifende Kraft umgekehrt wie das Kraftbegrenzungsteil 12 der Fig. 3a angeord net. Dadurch ergibt sich das in der Fig. 4b gezeigte Kraft-Weg-Diagramm, bei dem nach Erreichen der maximalen Lochlaibungskraft F_L bei dem Verformungsweg s₁ die Verformungskraft auf einen Wert F_E nach einem Verformungsweg s_E absinkt. Die kleiner werdende Verformungskraft ergibt sich dadurch, daß die mit dem Ver formungsweg zunehmende Querschnittsvergrößerung des Kraftbegrenzungsteils 13 eine größere Verformung aufgrund der dadurch zunehmenden Nachgiebigkeit zuläßt. Nach dem Erreichen des maximalen Verformungsweges s_E ist das Material des Kraftbegrenzungsteils 13 soweit verdichtet, daß nahezu kein Verformungsweg mehr zurückgelegt werden kann. Die übertragbare Kraft steigt dann annähernd senkrecht bis zum Verformungsweg s₃ an.

In den Kraft-Weg-Diagrammen der Fig. 2b, 3b und 4b ist der Kraft-Weg-Verlauf für den mittleren Bereich nach dem Einreißen des Materials der Kraftbegrenzungsteile 11, 12, 13 ab dem Weg s₁ bis zu der Blockbildung bei einem Verformungsweg s₂, s_A oder s_E als Mittelwert dargestellt. Im Anwendungsfall ergibt sich insbesondere für diesen Bereich eine unregelmäßig schwankend verlaufende Kraft-Weg-Charakte ristik. Die Schwankungsbreite 14 dieser Kraft-Weg-Charakteristik wird durch eine Anpassung des Kraftbegrenzungsteils 3, 11, 12, 13 an die zu erwartende Bela stung auf einen Toleranzbereich eingegrenzt, der zwischen ± 10% und ± 30% liegt. Der Kraft-Weg-Verlauf sowie die Einstellung der Schwankungsbreite 14 erfolgt durch eine Auswahl des eingesetzten thermoplastischen oder duroplastischen Ma trixwerkstoffes oder Trägerwerkstoffes, der verwendeten Verstärkungsfasern und bei einer Mischung der Verstärkungsfasern durch den jeweiligen Anteil der Ver stärkungsfasern. Durch den Herstellungsvorgang des Kraftbegrenzungsteils 3 ist der Kraft-Weg-Verlauf auch beeinflußbar. So spielt beispielsweise auch die Aus richtung der verwendeten Verstärkungsfasern und deren Verteilung eine wesentli che Rolle. Neben der Größe, insbesondere der Materialstärke des Kraftbegren zungsteils 3 ist auch die Form oder Geometrie des Kraftbegrenzungsteils für die Verformungsarbeit und die durch das Kraftbegrenzungsteil aufnehmbare Absorpti onsenergie wichtig. Als Verstärkungsfasern werden Kurzfasern bis zu 5 mm Länge aus Glasfasern, Kohlefasern, Aramid oder dergleichen eingesetzt. Darüber hinaus können auch Recyclate der Verstärkungsfasern oder von gebrauchten thermopla stischen Kraftbegrenzern mit Kurzfaseranteil verwendet werden. Der Anteil der Verstärkungsfasern ist in der Regel größer als 30 Gewichtsprozent. Die Befesti gung des Kraftbegrenzungsteils 3, 11, 12, 13 erfolgt durch an sich bekannte Ver bindungsprozesse wie Einpressen, Ein- oder Umspritzen, Einschweißen, Einkleben oder dergleichen.

Die Fig. 5a, 5b und 6, 7 zeigen jeweils einen Anwendungsfall eines energieab sorbierenden Kraftbegrenzungsteils in einem Kraftfahrzeugsitz. In der Fig. 5a ist ein Träger 15 einer nicht dargestellten Sitz-Rückenlehne gezeigt. Der Träger 15 ist über ein als Bolzen ausgebildetes Kraftübertragungselement 16 mit einem Leh nenbeschlag 17 und einem Sitzgestellbeschlag 32 verbunden, wobei die Be schläge 17 und 32 jeweils aus Metall hergestellt sind. Zwischen dem Lehnenbe schlag 17 und dem Träger 15 gibt es einen festen Drehpunkt 18, der oberhalb des Kraftübertragungselementes 16 vorgesehen ist. Dieser Drehpunkt 18 ergibt sich in der in der Fig. 5a gezeigten Ausführungsform durch die Ausbildung eines Zahnrad- Abschnittes 33 am oberen Ende 34 des Lehnenbeschlags 17, der in Eingriff mit einem Ritzel 35 steht. Das Ritzel 35 ist beispielsweise zur Verstellung der Rücken lehne drehbar in dem Träger 15 befestigt. In dem Lehnenbeschlag 17 ist ein in der Fig. 5b im Schnitt dargestelltes Kraftbegrenzungsteil 19 eingebaut.

Durch das an einem unteren Ende 20 des Trägers 15 angeordnete Kraftübertra gungselement 16 und den festen Drehpunkt 18 ist eine strichlierte Linie einge zeichnet. Diese Linie I stellt die ursprüngliche oder normale Lage des Trägers 15 bei Betriebslast dar. Bei einer Krafteinwirkung oberhalb der Betriebslast, beispiels weise bei einem Crash, verschwenkt die Rückenlehne und damit der Träger 15 des Sitzes in Richtung der einwirkenden Kraft. Der Träger 15 nimmt dann entsprechend die durch strichpunktierte Linien II und III dargestellten Lagen ein. Der Träger 15 hat sich bei dieser Überlastung um den festen Drehpunkt 18 gedreht und das un tere Ende 20 bewegt sich über das Kraftübertragungselement 16 in dem Kraftbe grenzungselement 19. Durch das in den Fig. 5a und 5b zweiteilig aufgebaute Kraftbegrenzungselement 19 wird neben der Kraftbegrenzung auch eine Energie absorption erreicht. In den Fig. 5a und 5b ist der in dem Kraftbegrenzungselement 19 zurücklegbare Verschiebungs- oder Verformungsweg sc eingezeichnet.

Die Fig. 6 zeigt den Lehnenbeschlag 17 mit dem am unteren Ende 24 des Leh nenbeschlags eingebauten Kraftbegrenzungselement 19. In strichlierten Linien ist die Normallage I des Lehnenbeschlags 17 vor einer Verformung des Kraftbegren zungselementes 19 eingezeichnet. In durchgezogenen Linien ist die Lage II des Lehnenbeschlags 17 nach der Verformung des Kraftbegrenzungselementes 19 dargestellt. Das Kraftbegrenzungselement 19 hat sich dabei um den Verfor mungsweg s_C aus der ursprünglichen Position 25 in die neue Position 26 bewegt. Das Kraftübertragungselement 16 bleibt dabei in seiner ursprünglichen Position.

In der Fig. 7 ist ein Schnitt längs der Linie B-B durch das untere Ende 24 des Leh nenbeschlags 17 gezeigt, der durch die Symmetrielinie 27 des Kraftübertragungs elementes 16 geht. Das Kraftbegrenzungselement 19 besteht in der in der Fig. 7 gezeigten Ausführungsform aus zwei Spritzpreßteilen 28 und 29. Durch die Wahl einer entsprechenden Geometrie des Kraftübertragungselementes 19 ist die Aus löselast variabel einstellbar. Der maximale Verformungsweg s_C ergibt sich aus dem Abstand zwischen dem Kraftübertragungselement 16 und einem Rand 30 einer in dem Lehnenbeschlag 17 ausgebildeten Aufnahmeöffnung 31, wobei der Rand 30 als Anschlag dient.

Claims

1. Energieabsorbierendes Kraftbegrenzungsteil, das aus Kunststoff hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftbegrenzungsteil (3, 11, 12, 13, 19) formschlüssig in einer Ausnehmung (2, 31) eines sicherheitsrelevanten Bauteils (1; 15, 17) angeordnet ist, daß in dem Kraftbegrenzungsteil (3, 11, 12, 13, 19) eine Durchgangsöffnung (4) vorgesehen ist, in der ein Kraftübertragungselement (7,16) aufgenommen ist, daß über das Kraftbe grenzungsteil (3, 11, 12, 13, 19) die Betriebslasten ohne bleibende Verfor mung übertragbar sind und daß bei einer Überlastung ein Durchdrücken des Kraftbegrenzungsteils (3, 11, 12, 13, 19) durch das Kraftübertragungs element (7, 16) so erfolgt, daß der Verlauf der auf das Kraftbegrenzungsteil (3, 11, 12, 13, 19) wirkenden Kraft (F) über einen vorbestimmten Verfor mungsweg einstellbar ist.

2. Kraftbegrenzungsteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftbegrenzungsteil (3, 11, 12, 13, 19) in einem Kraftfahrzeug eingesetzt ist.

3. Kraftbegrenzungsteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftbegrenzungsteil (3, 11, 12, 13, 19) in einem Fahrzeugsitz und/oder bei einem in einer Seitentür angeordneten Seitenaufprallträger zur Energieabsorption eingesetzt ist.

4. Kraftbegrenzungsteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftbegrenzungsteil (3, 11, 12, 13, 19) aus einem Thermoplasten oder einem Duroplasten besteht, der mit Kurz fasern verstärkt ist, wobei der Faseranteil größer als 30 Gewichtsprozent ist.

5. Kraftbegrenzungsteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftbegrenzungsteil (3, 11, 12, 13, 19) ein Schichtlaminat, ein Spritzgußteil, ein Spritzpreßteil oder ein Plastifizier- Preßteil ist.

6. Kraftbegrenzungsteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die im Kraftbegrenzungsteil (3, 11, 12, 13, 19) enthaltenen Fasern Glasfasern, Kohlefasern, Aramidfasern und/oder Recyclate der genannten Fasern sind.

7. Kraftbegrenzungsteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung einer Auslöselast und eines quasi-plastischen Kraft-Weg-Verhaltens des Kraftbegrenzungsteils (3, 11, 12, 13, 19) durch eine geeignete Wahl des Aufbaus und der Geometrie, der Art, der Anteile und/oder der Orientierung der verwendeten Verstärkungs fasern, des eingesetzten thermoplastischen oder duroplastischen Matrix- oder Trägerwerkstoffes und des Herstellprozesses erfolgt.

8. Kraftbegrenzungsteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftbegrenzungsteil (3, 11, 12, 13, 19) die Querkräfte eines Kraftübertragungselementes (7, 16) im Verbindungs bereich zwischen Strukturbauteilen aus Metall und/oder von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen aufnimmt.