DE19802702B4

DE19802702B4 - Bauteil für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE19802702B4
Application number: DE1998102702
Authority: DE
Inventors: Stephan Werberger; Detlef Helm
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1998-01-24
Filing date: 1998-01-24
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2018-01-25
Also published as: DE19802702A1

Abstract

Bauteil für ein Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (1) von einem einstückigen Hohlprofil (2, 12, 22, 32) gebildet wird, das in einem Bereich (4) in Bezug auf quer zur Längserstreckung des Bauteils (1) auftretende Belastungen (8) eine so niedrige örtliche Steifigkeit aufweist, daß sich bei einem Aufprall das Hohlprofil (2, 12, 22, 32) lokal verformt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil für ein Kraftfahrzeug.

Aus der DE 40 15 375 A1 ist beispielsweise eine Säule für den Aufbau eines Kraftfahrzeugs bekannt, die mit einer Aufprallschutzeinrichtung in Form eines Verkleidungsteils aus Kunststoff versehen ist. Das Verkleidungsteil weist auf seiner der Säule zugewandten Innenseite Hohlkammern auf, die sich im Fall des Aufpralls eines Fahrzeuginsassens plastisch verformen und damit kinetische Energie aufnehmen.

Aufgabe der Erfindung ist es, das bekannte Bauteil weiterzuentwickeln.

Diese Aufgabe wird durch ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Bei bekannten Kraftfahrzeugen sind die Säulen des Fahrzeugaufbaus so dimensioniert, daß sie eine hohe „globale" Steifigkeit aufweisen, um im Crashfall und insbesondere im Fall eines Fahrzeugüberschlags für die Fahrzeuginsassen einen ausreichenden Überlebensraum sicherzustellen. Diese hohe globale Steifigkeit bedingt bei den bekannten Säulen jedoch auch eine hohe „lokale" Steifigkeit, so daß sich im Fall des unfallbedingten Aufpralls eines Fahrzeuginsassen auf eine derartige Säule hohe Verzögerungswerte ergeben. Aus diesem Grund sind im Fahrzeuginneren entsprechend groß dimensionierte Verkleidungselemente zur Energieabsorption vorgesehen, um insbesondere für den Kopfaufprall die Verzögerungswerte und damit das Verletzungsrisiko, das durch die sog. HIC-Werte normiert beschrieben wird, zu reduzieren. Diese Verkleidungselemente verursachen einen hohen Kostenaufwand für Herstellung und Montage, erhöhen das Gewicht des Fahrzeuges, beanspruchen einen großen Bauraum und engen damit das Sichtfeld der Fahrzeuginsassen ein.

Kerngedanke der Erfindung ist es, die beiden Funktionen „Struktursteifigkeit der Säule" und „Energieabsorption im Fall des Aufpralls eines Fahrzeuginsassens" in einem einzigen Bauteil, einem Hohlprofil, zusammenzuführen. Durch den Wegfall eines Verkleidungselementes, dem bei bekannten Säulen die Aufgabe der Energieabsorption zukommt, steht zusätzlicher Bauraum für das Hohlprofil zur Verfügung. Damit kann der Querschnitt des Hohlprofils vergrößert werden, so daß sich bei gleicher oder höherer globaler Steifigkeit geringere Wandstärken ergeben, woraus insgesamt ein geringeres Gewicht resultiert (siehe auch Anspruch 2). Auch bei nur teilweiser Nutzung des Bauraumes und damit nur teilweise ausgeschöpfter Reduzierung der Wandstärke ist eine Gewichtsreduktion möglich. Besonders vorteilhaft ist weiterhin, daß kein separates Verkleidungselement zur Energieabsorption erforderlich ist. Hierdurch können die Herstell- und Montagekosten für die erfindungsgemäße Säule entscheidend gesenkt werden. Durch geeignete Wahl des Werkstoffes und/oder einer geeigneten Wärmebehandlung kann das Gewicht der Säule weiter reduziert werden. Für das Hohlprofil kommt grundsätzlich eine Vielzahl von Werkstoffen in Frage, beispielsweise Stahl, Leichtmetall, Kunststoff, Verbundwerkstoff, etc. Insbesondere eignen sich Werkstoffe mit guten Dämpfungseigenschaften und/oder hohem spezifischem Energieabsorptionsvermögen.

Durch den großen Profilquerschnitt ergeben sich Gestaltungsspielräume für die Form des Profilquerschnittes, so daß größere Radien, weichere Übergänge, zusätzliche Versteifungen bzw. Schwächungen der Profilwände etc. möglich sind. Aufgrund der Einstückigkeit des Hohlprofils weist dieses im Vergleich zu bekannten, aus mehreren Blechteilen zusammengesetzten Säulen keine Flansche auf, wodurch der Profilquerschnitt bei vorgegebener Außenkontur im Sinn möglichst weit außenliegender Profilwände besser genutzt werden kann.

Unter Säulen sind im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung alle Strukturbauteile zu verstehen, auf die ein Fahrzeuginsasse im Fall einer Fahrzeugkollision aufprallen kann. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die vertikal oder geneigt verlaufenden Säulen des Fahrzeugaufbaus (A-, B- oder C-Säule) in ihrem Bereich oberhalb der Seitenteile des Fahrzeugaufbaus sowie auf weitere Bauteile wie Heckfensterrahmen, Dachrahmen, Dachspriegel, etc.

Aus der WO 90/14981 A1 ist zwar eine Säule bekannt, die ein einstückiges Hohlprofil in Form eines Strangprofils aufweist. Das Strangprofil hat jedoch eine hohe lokale und globale Steifigkeit und ist damit ausschließlich zur Sicherstellung der Struktursteifigkeit der Säule ausgebildet. Es muß fahrzeuginnenseitig durch ein energieabsorbierendes Verkleidungsteil abgedeckt werden. Fahrzeugaußenseitig ist das Strangprofil zudem von einem Blechteil überdeckt, das in diesem Bereich die Außenhaut des Kraftfahrzeuges bildet.

Des weiteren ist aus der DE 195 34 957 C2 eine Säule für ein Kraftfahrzeug bekannt, die fahrzeuginnenseitig einen Energieabsorptionsabschnitt aufweist, der insbesondere bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 8 bis 14 wesentlicher Bestandteil der Säule ist. Im Unterschied zur erfindungsgemäßen Lösung besteht die bekannte Säule jedoch aus mehreren, über Flansche miteinander verbundenen Blechteilen. Hierdurch ergibt sich ein komplizierter Aufbau bei gleichzeitig hohen Montagekosten. Bei allen Ausführungsformen ist zudem ein separates Verkleidungsteil vorgesehen.

Besondere Vorteile ergeben sich gemäß Anspruch 2, wenn der Bauraum, den eine Säule konventioneller Bauart beansprucht, für die erfindungsgemäße Säule beibehalten wird, da hiermit eine deutliche Reduktion der Wandstärke des Hohlprofils möglich ist. Durch den großen Profilquerschnitt ergibt sich trotz der geringen Wandstärke eine ausreichend hohe globale Steifigkeit, um ein Einknicken der Säule auch bei einem Fahrzeugüberschlag sicher zu verhindern. Andererseits wird durch die geringe Wandstärke die örtliche Steifigkeit so weit herabgesetzt, daß beim Aufprall beispielsweise des Kopfes eines Fahrzeuginsassens die Wand des Hohlprofils lokal nachgibt und durch diese Verformung Energie in einem Ausmaß abbaut, daß HIC-Werte erzielt werden, die bei einem Kopfaufprall keine bleibenden Schäden erwarten lassen.

Selbstverständlich kann die geringe Wandstärke auch nur in demjenigen Bereich des Hohlprofils realisiert werden, das dem Fahrzeuginsassen zugewandt ist, während der übrige Profilquerschnitt als „tragender" Profilquerschnitt ausgebildet ist und eine entsprechend höhere Wandstärke aufweist (Anspruch 3).

Anspruch 4 beschreibt ein Hohlprofil für eine Säule, das wenigstens zwei Kammern aufweist. Derartige Mehrkammerprofile zeichnen sich durch eine hohe Struktursteifigkeit aus. Außerdem können die Wandstärken der einzelnen Kammern unterschiedlich dimensioniert werden, um beispielsweise einerseits mit einer fahrzeugaußenseitigen Kammer eine hohe Struktursteifigkeit und andererseits mit einer fahrzeuginnenseitigen Kammer eine niedrige lokale Steifigkeit zu realisieren, wie unter Anspruch 3 bereits angeführt. Bei diesem Aufbau eines Zweikammerprofils ist die innere Kammer gezielt zur Aufnahme von Energie bei einem unfallbedingten Aufprall eines Fahrzeuginsassen ausgebildet, trägt jedoch vor dem Aufprall ebenfalls zur Gesamtsteifigkeit der Säule bei.

Bei einem Hohlprofil gemäß Anspruch 5 ist der Profilquerschnitt so gestaltet, daß durch Sicken, Rillen oder dergleichen eine gezielte Verformung des Profilquerschnittes bei einer Krafteinwirkung in Querrichtung des Hohlprofils erreicht wird. Durch die Querschnittsgestaltung kann beispielsweise bei einem Kopfaufprall ein Faltvorgang definiert eingeleitet werden, wodurch sich ein zusätzlicher Deformationsweg zur Energieaufnahme ergibt, was zu einer Reduktion der Kopfbelastung führt.

Gemäß Anspruch 6 kann das Innere des Hohlprofils zumindest teilweise mit einem energieabsorbierenden Material, beispielsweise einem Schaummaterial gefüllt sein. Hiermit ergibt sich bei einer Deformation des Hohlprofils ein zusätzlicher Energieabbau durch die Verformung des Schaummaterials. Außerdem behindert das Schaummaterial das Beulen der dünnen Wand des Hohlprofils und führt so zu einer höheren globalen Steifigkeit der Säule.

Hohlprofile gemäß Anspruch 7 werden beispielsweise von Faserverbundwerkstoffen gebildet und zeichnen sich durch stark unterschiedliche Steifigkeiten je nach Belastungsrichtung aus. Durch eine Vielzahl von Fasern in Längsrichtung des Säulenverlaufes (oder durch Fasern mit hoher Steifigkeit) wird beispielsweise eine hohe globale Axial- und Biegesteifigkeit erreicht, so daß im Fall eines Fahrzeugüberschlages ein Einknicken der Säule zuverlässig vermieden wird. Andererseits kann durch eine geringe Anzahl von quer zur Säulenlängsrichtung verlaufenden Fasern (oder durch quer zur Säulenlängsrichtung verlaufende Fasern mit geringer Steifigkeit) eine örtliche Nachgiebigkeit des Hohlprofils senkrecht zu seiner Längserstreckung erreicht werden: Im Fall einer lokalen Beanspruchung, wie sie beispielsweise beim Aufprall des Kopfes eines Fahrzeuginsassens auf das Hohlprofil auftritt, versagen die wenigen (bzw. weniger steifen) Querverbindungen zwischen den Längsfasern des Faserverbundes, so daß sich Risse in Längsrichtung des Hohlprofils ausbilden und die Profilwand in Aufprallrichtung nachgibt. Hierdurch wird ein Deformationsweg zur Verfügung gestellt, der für den Abbau der kinetischen Energie genutzt wird.

Hohlprofile werden in kostengünstiger Weise von Strangprofilen aus einem Leichtmetall gebildet (Anspruch 8) und können mit einer oder mehreren Kammern, mit gleichmäßiger oder unterschiedlicher Wandstärke, etc. hergestellt werden.

Da die Funktion „Energieabsorption" bei erfindungsgemäßen Säulen bereits in die Struktur des Hohlprofils integriert ist, kommt einer Verkleidung der Säule ausschließlich eine optische und/oder haptische Funktion zu. Damit ist es möglich, eine lediglich als Dekorschicht ausgebildete Verkleidung unmittelbar auf das Hohlprofil aufzubringen (Anspruch 9), z. B. durch Verklebung. Beispielsweise kann als Dekorschicht eine Folie verwendet werden, die zur Gewährleistung einer besseren Haptik rückseitig mit einer dünnen Schaumschicht versehen ist. Auch kann auf das Hohlprofil direkt eine Beflockung aufgebracht werden.

Anspruch 10 betrifft die Anwendung der Erfindung auf eine Säule für den Aufbau des Kraftfahrzeugs.

Anspruch 11 beschreibt eine weitere Anwendung der Erfindung. Neben der Auslegung der Säulen gegenüber einem Aufprall eines Fahrzeuginsassens können diese Säulen oder andere Außenhautbauteile so gestaltet werden, daß sie bei einer frontalen oder seitlichen Kollision mit einem Fußgänger, Radfahrer, Motorradfahrer, etc. zur erfindungsgemäßen Energieabsorption durch lokale Verformung infolge geringer örtlicher Steifigkeit herangezogen werden. So ist es beispielsweise möglich, den Stoßfänger eines Kraftfahrzeuges gemäß der Erfindung als einstückiges Hohlprofil ohne separate energieabsorbierende Verkleidungselemente auszubilden. Weitere bevorzugte Außenhautbauteile für eine derartige Auslegung sind z. B. der Windschutzscheibenrahmen, Dachrahmen, Stützträger am Radhaus, Windlauf, etc.

Mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert. Es zeigt:
1 eine bekannte sowie eine erfindungsgemäße Säule, jeweils im Querschnitt, im Vergleich,
2 eine erfindungsgemäße Säule mit definiertem Faltverhalten bei Kraftbeaufschlagung in Querrichtung,
3 eine erfindungsgemäße Säule, deren Profilquerschnitt mit einem energieabsorbierenden Medium gefüllt ist,
4 eine erfindungsgemäße Säule mit einem Mehrkammerprofil und
5 den Vergleich zweier erfindungsgemäßer Säulen gleicher Struktursteifigkeit im Querschnitt.
Im linken Teil der 1 ist eine bekannte Säule A im Querschnitt dargestellt. Die tragende Struktur der Säule A setzt sich im wesentlichen aus zwei Blechbauteilen B und C zusammen. Die Außenschale B und die Innenschale C sind entlang von Flanschen D und E durch Punktschweißung miteinander verbunden. Der Flansch E dient der Anlage einer nicht dargestellten Windschutzscheibe (Anlagerichtung F). Fahrzeuginnenseitig ist die tragende Struktur der Säule A mit einer Verkleidung G abgedeckt. Die Verkleidung G setzt sich aus einem Energieabsorptionselement H sowie einer Abdeckung 1 zusammen.
Im rechten Teil der 1 ist zum Vergleich eine erfindungsgemäße Säule 1 dargestellt. Die beiden Säulen A und 1 weisen identische Querschnittsflächen und Konturen auf. Die tragende Struktur der erfindungsgemäßen Säule 1 wird von einem Hohlprofil 2 gebildet, das an seinem dem Fahrzeuginnenraum zugewandten Abschnitt 4 mit einer Dekorschicht 3 versehen ist. Die Anlagefläche für eine Windschutzscheibe ist mit 6 bezeichnet. Der fahrzeugaußenseitige Abschnitt 7 der Säule 1, beispielsweise einer A-Säule, ist lackiert und bildet unmittelbar die Außenhaut des Fahrzeuges.
Das Hohlprofil 2 der erfindungsgemäßen Säule 1 hat im Vergleich zu der tragenden Struktur der Schalen B und C einen deutlich größeren Querschnitt. Dadurch kann, um eine der Säule A entsprechenden Struktursteifigkeit zu erreichen, die Wandstärke d im Vergleich zu den Wandstärken W_B und W_C der Außen- bzw. Innenschale B bzw. C signifikant reduziert werden. Durch die geringe Wandstärke d wird die örtliche Steifigkeit der Säule 1 reduziert, so daß bei einem Kopfaufprall der dem Fahrzeuginnenraum zugewandte Abschnitt 4 des Hohlprofils 2 lokal eingedrückt werden kann.
In 2 ist ein Hohlprofil 12 für eine Säule 1 dargestellt, dessen umlaufende Wand 15 zwei Einbuchtungen 17 aufweist. Die Einbuchtungen 17 bewirken im Fall einer in Querrichtung der Säule 1 einwirkenden Kraft (Pfeil 8) eine gezielte Deformation des Hohlprofils 12 im Bereich der Einbuchtungen 17.
Gemäß 3 ist das Hohlprofil 2 einer erfindungsgemäßen Säule 1 mit einem energieabsorbierenden Material 9 ausgefüllt. Das Material 9 kann entlang der gesamten Längserstreckung des Hohlprofils 2 oder nur abschnittsweise (z. B. lediglich im Kopfaufschlagbereich) vorgesehen sein. Abweichend von der Darstellung in 3 kann das Material 9 auch nur einen Teil des Profilquerschnittes ausfüllen.
Durch das Material 9 ist es möglich, die Steifigkeit der Säule 1 sowohl global als auch lokal über dem Profilquerschnitt und/oder der Profillängserstreckung zu variieren. Als energieabsorbierende Materialien 9 kommen beispielsweise EA-Schäume, Wabenstrukturen etc. in Frage.
4 zeigt eine Säule 1, deren Hohlprofil 22 von zwei Kammern 23 und 24 mit dazwischenliegender Trennwand 25 gebildet wird. Die Lage und die Wandstärke d₁ der Trennwand 25 ist hinsichtlich einer möglichst hohen globalen Steifigkeit der Säule 1 optimiert. Die Wände 5 der Kammern 23 und 24 weisen eine relativ geringe Wandstärke d auf und können somit zur lokalen Energieabsorption bei einem Aufprall von außerhalb bzw. von innerhalb des Fahrzeuges herangezogen werden.
Selbstverständlich ist es gemäß 5 auch möglich, die Querschnittsfläche eines Hohlprofils 2 (linker Teil der 5) für eine erfindungsgemäße Säule 1, die der Querschnittsfläche einer konventionellen Säule A entspricht, zu reduzieren, wie dies im rechten Teil der 5 dargestellt ist. Das im Querschnitt reduzierte Hohlprofil 32 weist zur Erreichung einer gleich hohen Struktursteifigkeit eine etwas höhere Wandstärke d₂ auf.
Bei dünnwandigen Hohlprofilen ist aufgrund der Beulgefährdung eine bestimmte Mindestwandstärke einzuhalten, die beispielsweise bei Aluminium deutlich größer als bei Stahl ist. Damit kann, wie in 5 dargestellt, der maximal mögliche Bauraum für ein Hohlprofil im Sinn einer größtmöglichen Reduzierung der Wandstärke des Hohlprofils unter Umständen gar nicht vollständig ausgenutzt werden. Alternativ lassen sich bei Ausschöpfung des maximal möglichen Bauraums im Vergleich zu konventionellen Säulen deutlich höhere Struktursteifigkeiten erreichen.

Claims

Bauteil für ein Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (1) von einem einstückigen Hohlprofil (2, 12, 22, 32) gebildet wird, das in einem Bereich (4) in Bezug auf quer zur Längserstreckung des Bauteils (1) auftretende Belastungen (8) eine so niedrige örtliche Steifigkeit aufweist, daß sich bei einem Aufprall das Hohlprofil (2, 12, 22, 32) lokal verformt.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hohlprofil (2) bei Ausnutzung einer möglichst großen Querschnittsfläche eine möglichst geringe Wandstärke (d) aufweist.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hohlprofil (22) zumindest in seinem dem Fahrzeuginsassen zugewandten Bereich (4) eine möglichst geringe Wandstärke (d) aufweist.
Bauteil nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hohlprofil (22) wenigstens zwei Kammern (23, 24) aufweist.
Bauteil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Hohlprofils (12) so gestaltet ist, daß sich bei einem Kopfaufprall eines Fahrzeuginsassen ein Teilbereich des Querschnitts gezielt deformiert.
Bauteil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Innere des Hohlprofils (2) zumindest teilweise mit einem energieabsorbierenden Material (9) gefüllt ist.
Bauteil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hohlprofil (2) aus einem anisotropen Werkstoff besteht, der so beschaffen und gerichtet ist, daß das Hohlprofil (2) in Längsrichtung der Säule (1) eine hohe Steifigkeit und in Querrichtung der Säule (1) eine geringe Steifigkeit aufweist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Hohlprofil (2) von einem Strangprofil aus einem Leichtmetall gebildet wird.
Bauteil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hohlprofil (2) an seinem dem Fahrzeuginsassen zugewandten Bereich (4) mit einer unmittelbar auf das Hohlprofil (2) aufgebrachten Dekorschicht (3) versehen ist.
Bauteil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil eine Säule (1) für den Aufbau des Kraftfahrzeuges ist und zumindest in dem Bereich (4), der einem Fahrzeuginsassen zugewandt ist, in Bezug auf quer zur Längserstreckung der Säule (1) auftretende Belastungen (8) eine so niedrige örtliche Steifigkeit aufweist, daß sich bei einem Aufprall insbesondere des Kopfes des Fahrzeuginsassens das Hohlprofil (2, 12, 22, 32) lokal verformt und somit eine Reduzierung des Verletzungsrisikos des Fahrzeuginsassens erreicht wird.
Bauteil, insbesondere nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil ein Außenhautbauteil ist, bei dem zumindest der fahrzeugaußenseitige Abschnitt zur örtlichen Energieabsorption ausgebeldet ist.