DE19736803C2 - Deformationselement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Deformationselement, insbesondere zum Einsatz in Verbindung mit einem Stoßfängersystem für Fahrzeuge, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Moderne Personenkraftwagen weisen ein abgestuftes Deformationsverhal­ ten des Vorderwagens in Abhängigkeit von der Aufprallgeschwindigkeit auf. Entsprechend der Aufprallgeschwindigkeit werden nacheinander ein oder mehrere, gezielt für diesen Zweck ausgebildete Bauteile beansprucht. So werden kleinere Stöße von reversiblen Pralldämpfern aufgenommen. An die Pralldämpfer schließen sich Deformationselemente an, welche durch plastische Verformung die Energie bei einer Aufprallgeschwindigkeit bis 20 km/h umwandeln. Bei höheren Aufprallgeschwindigkeiten werden die die Deformationselemente aufnehmenden Längsträger mit verformt. Erst bei noch höheren Aufprallgeschwindigkeiten und dementsprechend hohen Kräfte erfolgt eine Verformung der eigentlichen Fahrzeugstruktur.

Um das abgestufte Deformationsverhalten, also das Wirksamwerden der einzelnen Bauteile nacheinander, sicherzustellen, ist darauf zu achten, daß jedes Bauteil genau für ein bestimmtes Kraftniveau ausgelegt ist. Dabei muß der Dimensionierungsgrenzwert für den Pralldämpfer kleiner sein als derjenige für das Deformationselement, der Dimensionierungsgrenzwert für das Deformationselement kleiner als derjenige für den anschließenden Längsträger und schließlich dessen Dimensionierungsgrenzwert kleiner als derjenige der Zelle sein. Nur dadurch ergibt sich die gewünschte Vorderwagendeformationskette, welche eine optimalen Schutz und eine kostengünstige Reparatur sicherstellt.

Wie vorstehend ausgeführt, ist das gestufte Kraftniveau der einzelnen Bau­ teile Voraussetzung für die gewünschte Deformationskette. Um jedoch bei jedem Glied dieser Kette eine maximale Energieumwandlung sicherzustel­ len, sollte jedes Glied möglichst einen annähernd rechteckförmigen Kraft- Weg-Verlauf aufweisen. Dies ist bei vielen bekannten Pralldämpfern der Fall. Die sich daran anschließenden Deformationselemente erfüllen diese Bedingung meist nicht optimal. Nach einem anfänglichen Kraftanstieg, der den Dimensionsierungsgrenzwert darstellt, fällt das Kraftniveau ab. Ein sol­ ches Verhalten ist beispielsweise bei rohrförmigen Deformationselementen zu beobachten, welche unter Faltenbildung Energie umwandeln.

Aus der JP 07-277 113 A ist ein Deformationselement für ein Stoßfängersy­ stem bekannt, mit einem zur gezielten Verformung ausgelegten Rohrkörper und einem von diesem umschlossenen, energieabsorbierenden Schaumkör­ per, wobei der Schaumkörper auf der Seite der Krafteinleitung gegenüber dem Rand des Rohrkörpers zurückversetzt ist.

Weiterhin sind zweistufig wirkende Deformationselemente bei Stoßfänger­ systemen im Einsatz. Die zweite Stufe bei einem derartigen, beispielsweise aus der EP 0 361 343 A1 bekannten System wird erst nach Überschreiten eines Schwellenwertes wirksam.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Deformationselement vorzu­ schlagen, welches ohne Vergrößerung der Dimensionierung einen günsti­ gen Kraft-Weg-Verlauf aufweist.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Würde man den Rohrkörper gänzlich mit Schaum ausfüllen, dann hätte dies eine noch höhere Kraftspitze zu Beginn der Verformung des Rohrkörpers zur Folge. Nach einer bestimmten Verformungsstrecke würde die Kraft wie­ derum sehr stark ansteigen, nämlich dann, wenn alle Poren des Schaum­ körpers zusammengedrückt sind und der Körper dadurch "auf Block" geht.

Dadurch, daß erfindungsgemäß der Schaumkörper einen oder mehrere Hohlräume aufweist, wird der vorbeschriebene Effekt vermieden.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung soll der Schaumkörper auf der Seite der Krafteinleitung gegenüber dem Rand des Rohrkörpers zurück­ gesetzt sein. Somit wird die Kraftspitze zu Beginn der Verformung des Rohr­ körpers nicht erhöht. Die Zurückversetzung des Schaumkörpers ist so be­ messen, daß der Schaumkörper erst nach einem Weg entsprechend dieser Kraftspitze wirksam wird und dadurch das Kraftniveau in etwa erhalten bleibt.

Es ist natürlich auch möglich, nur einen kurzen Abstand des Schaumkörpers gegenüber dem Rand des Rohrkörpers zu wählen, so daß der Schaumkör­ per die Kraftspitze des Rohrkörpers bei dessen Deformation erhöht. Durch entsprechende Dimensionierung des Schaumkörpers läßt sich auch hierbei ein Absinken des Kraftniveaus vermeiden und ein etwa rechteckförmiger Kraft-Weg-Verlauf erreichen. Dies zeigt, daß bei gleichem Rohrkörper, je­ doch unterschiedlichem Schaumkörper Deformationselemente für verschie­ dene Kraftniveaus hergestellt werden können. Dadurch läßt sich in einfacher Weise eine Anpassung für verschiedene Fahrzeuge erzielen.

Zur Abstimmung des Deformationselementes, insbesondere zur Erzielung eines möglichst gleichbleibenden Kraftniveaus, ist es besonders vorteilhaft, wenn von der Seite der Krafteinleitung ausgehend der wirksame Querschnitt des Schaumkörpers zunimmt. Dies kann dadurch geschehen, daß der Hohl­ raum eine entsprechende konische oder stufenförmige Ausgestaltung auf­ weist. Die Materialreduzierung läßt sich auch dadurch erreichen, daß der Schaumkörper auf der Seite der Krafteinleitung nicht gleich an dem Rohr­ körper anliegt bzw. mit diesem verbunden ist, sondern sich allmählich die­ sem nähert.

Wenn der Schaumkörper auf der Seite der Krafteinleitung in einem entspre­ chenden Abschnitt von dem Rohrkörper beabstandet ist, dann kann dieser Raum zur Aufnahme des sich verformenden Rohrkörpers dienen.

Bildet der Schaumkörper mit dem Rohrkörper einen keilförmigen Ringspalt, dann lassen sich sowohl die Aufnahme des Rohrkörpers, als auch die Zu­ nahme des wirksamen Querschnittes des Schaumkörpers in einer einzigen und leicht umzusetzenden Ausgestaltung des Schaumkörpers realisieren.

Vorteilhaft kann der Schaumkörper durch einen Leichtmetallschaum gebildet sein. Ein solcher Schaum eignet sich aufgrund seines relativ hohen Ener­ gieaufnahmevermögens gut für den vorliegenden Zweck. Außerdem läßt er sich nicht nur durch Klebung oder formschlüssig mit dem Rohrkörper verbin­ den, sondern bevorzugt auch durch Laserschweißung.

Die Erfindung wird anhand von zwei Ausführungsbeispielen und Diagram­ men nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1a in schematischer Darstellung den Kraft-Weg-Verlauf bei der Verfor­ mung eines Rohrkörpers,

Fig. 1b den Kraft-Weg-Verlauf bei der Verformung eines Schaumkörpers, Fig. 1c den Kraft-Weg-Verlauf bei der Verformung des neuen Deformation­ selementes,

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem Rohrkörper, welcher sich unter Faltenbildung verformt, und

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem ein aus Faserverbund her­ gestellter Rohrkörper durch Umstülpen verformt wird.

Das Diagramm gemäß Fig. 1a zeigt schematisch den Kraft-Weg-Verlauf bei der Verformung eines Rohrkörpers durch sogenanntes Faltbeulen. Beim Einleiten des Faltvorganges bildet sich zunächst eine Kraftspitze; an­ schließend ergibt sich ein etwa wellenförmiger Verlauf entsprechend der Faltenbildung bei einem insgesamt niedrigeren Kraftniveau. Die Kraftspitze zu Beginn der Verformung stellt den Dimensionierungsgrenzwert für das Deformationselement dar. Das Energieabsorbtionsvermögen dieses De­ foramtionselementes ist nicht optimal, da bei einem gegebenen Weg und der maximalen Kraft aufgrund des absinkenden Kraftniveaus auch ein ent­ sprechend geringeres Arbeitsvermögen (Fläche 5 in Fig. 1a) gegeben ist.

Das in Fig. 1b wiedergegebene Diagramm stellt den prinzipiellen Kraft- Weg-Verlauf bei der Verformung eines Schaumkörpers dar. Während des Verformungsvorganges steigt die Kraft bis zu einem Punkt 7 an. Der ent­ sprechende Weg wird durch die Porosität des Schaumkörpers bestimmt. Sind keine Porenmehr vorhanden, dann ergibt sich ein überproportionaler Kraftanstieg.

Fig. 1c zeigt den Kraftverlauf des in Fig. 2 wiedergegebenen, aus einem Rohrkörper 11 und einem Schaumkörper 9 zusammengesetzten Deformati­ onselementes.

Der Rohrkörper 11 besteht aus einem kreisrundem Rohr, welches sich bei Kraftbeaufschlagung unter Bildung von Falten 13 (strichpunktiert dargestellt) verformen kann. Dabei erfolgt gemäß der zeichnerischen Darstellung die Krafteinleitung auf der linken Seite, während sich der Rohrkörper auf der rechten Seite abstützt (nicht dargestellt).

Wie die Zeichnung zeigt, ist der Schaumkörper 9 von dem vorderen Rand 15 des Rohrkörpers 11 beabstandet. Der wirksame Querschnitt des Schaumkörpers 9 nimmt von der Seite der Krafteinleitung ausgehend zu, was durch einen kegelstumpfförmigen Hohlraum 17 realisiert ist. Der aus Leichtmetallschaum bestehende Schaumkörper 9 ist durch Laserschwei­ ßung 18 an dem Rohrkörper 11 fixiert. Der axialen Abstützung dient zusätz­ lich ein am Rohrkörper 11 festgelegter Anschlag 19. Ein besonderes Merk­ mal des Schaumkörpers 9 besteht darin, daß der vordere Abschnitt des Schaumkörpers 9 von der Wand des Rohrkörpers 11 beabstandet ist, wo­ durch Raum für die Falten 13 des Rohrkörpers 11 geschaffen wird.

Da der Schaumkörper 9 gegenüber dem vorderen Rand 15 des Rohrkörpers 11 zurückversetzt ist, kann die Verformung des Rohrkörpers 11 unbeeinflußt von dem Schaumkörper 9 eingeleitet werden. Dabei tritt die in Fig. 1c er­ kennbare Kraftspitze 21 auf. Ohne Schaumkörper 9 würde sich der Rohrkör­ per 11 entsprechend der gestrichelt dargestellten Kurve 23 verformen. Dies ist bei dem vorliegenden Deformationselement jedoch nicht der Fall, da nach einem Weg entsprechend der Kraftspitze 21 der Schaumkörper 9 wirksam wird. Der Schaumkörper 9 ist dabei so bemessen, daß das Kraftniveau an­ nähernd beibehalten wird (Kurvenverlauf 25). Die in dem Diagramm gemäß Fig. 1c erkennbare Fläche 27 stellt das Arbeitsvermögen des Schaum­ körpers 9 dar. Im übrigen ist deutlich zu erkennen, daß durch das neue De­ formationselement ein annähernd rechteckförmiger und deshalb fast idealer Kraft-Weg-Verlauf erreicht wird.

Es ist theoretisch möglich, den Schaumkörper 9 genau so zu bemessen, daß auch die kleinen Kraftschwankungen bei Bildung der Falten 13 des Rohr­ körpers 11 durch Wanddickenänderungen des Schaumkörpers 9 kompen­ siert werden. Dazu wäre etwa die den Hohlraum 17 umschließende Wand des Schaumkörpers 9 stufen- oder wellenförmig auszuführen. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß dies meist nicht nötig ist, da sich der Kraftver­ lauf bei der Faltenbildung, alleinig schon aufgrund Materialschwankungen, nicht gleichbleibend reproduzieren läßt. Außerdem ist in den seltensten Fällen eine genau zentrische Krafteinleitung gegeben.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 3. Das Deformationselement ist dort durch einen aus Kohlestoffasern und Aramidfasern bestehenden Rohr­ körper 29 und einem etwas anders aufgebauten Schaumkörper 31 gebildet. Beide Bauteile sind durch einen Kleber 32 miteinander verbunden. Der Rohrkörper 29 ist nach dem Stülpprinzip verformbar. Zur Einleitung des Umstülpvorganges schließt sich an das freie Rohrende ein Bauteil 33 mit einer konkaven, den äußeren Stülpradius bestimmenden Hohlkehle 35 an. Ein solcher Rohrkörper ist beispielsweise in der DE 196 27 061 gezeigt und näher beschrieben.

Auch bei einem derartigen Rohrkörper 29 ist bei Einleitung des Umstülpvor­ ganges zunächst eine Kraft notwendig, die größer ist als diejenige, die sich beim anschließenden, kontinuierlich Umstülpvorgang ergibt. Um auch bei diesem Ausführungsbeispiel einen Kraft-Weg-Verlauf entsprechend der Kur­ ve 25 in Fig. 1c zu erreichen, ist der Schaumkörper 31 gegenüber dem vor­ deren Rand 37 des Rohrkörpers 29 zurückversetzt. In gleicher Weise um­ schließt der Schaumkörper 31 einen Hohlraum 39, der nach vorne hin, also auf der Seite der Krafteinleitung, durch eine Wand 41 begrenzt ist. Die Wand 41 wirkt sich auf den Kraftverlauf nur unwesentlich aus, da sie man­ gels einer Gegenfläche kaum verformt wird. Aus herstellungstechnischen Gründen kann jedoch die Ausbildung der Wand 41 sinnvoll sein.

Wie die Zeichnung zeigt, bildet der Schaumkörper 31 mit dem Rohrkörper 29 einen keilförmigen Ringspalt 43, wodurch auch hier der wirksame Quer­ schnitt des Schaumkörpers 31 von der Seite der Krafteinleitung ausgehend zunimmt. Die Steigung und weitere Ausgestaltung des keilförmigen Ring­ spaltes 43 ist abhängig vom Kraftverlauf bei der Verformung des Rohrkör­ pers 29.

Claims (6)

1. Deformationselement, insbesondere zum Einsatz in Verbindung mit einem Stoßfängersystem für Fahrzeuge, mit einem zur gezielten Verformung ausgelegten Rohrkörper und einem von diesem umschlossenen, energie­ absorbierenden Schaumkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der zumin­ dest abschnittsweise an der Innenwandung des Rohrkörpers (11, 29) an­ liegende Schaumkörper (9, 31) einen Hohlraum (17, 39) aufweist und daß auf der Seite der Krafteinleitung der Schaumkörper (9, 31) gegenüber dem Rand (15, 37) des Rohrkörpers (11, 29) zurückversetzt ist.

2. Deformationselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von der Seite der Krafteinleitung ausgehend der wirksame Querschnitt des Schaumkörpers (9, 31) zunimmt.

3. Deformationselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme des sich verformenden Rohrkörpers (11, 29) der Schaumkörper (9, 31) in dem entsprechenden Abstand von dem Rohrkör­ per (11, 29) beabstandet ist.

4. Deformationselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumkörper (31) mit dem Rohrkörper (29) einen keilförmigen Ringspalt (43) bildet.

5. Deformationselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schaumkörper (9, 31) durch einen Leichtmetall­ schaum gebildet ist.

6. Deformationselement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumkörper (9, 31) durch Laserschweißung mit dem Rohrkörper (11, 29) verbunden ist.