DE19914344A1

DE19914344A1 - Tragstruktur, insbesondere Seitenaufprallträger für Fahrzeuge

Info

Publication number: DE19914344A1
Application number: DE19914344A
Authority: DE
Inventors: Rainer Vor Dem Esche; Patric Enewoldsen; Lothar Patberg; Stefan Woeste; Kai Thorsten Wundram
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1998-04-01
Filing date: 1999-03-30
Publication date: 1999-11-25

Abstract

Bei einer Tragstruktur, insbesondere einen Seitenaufprallträger, für Fahrzeuge, bei der mindestens zwei Tragelemente (4) durch einen FVW-Zugverbund miteinander verbunden sind, wird vorgeschlagen, daß der Zugverbund endlose, hochdehnbare, in eine Matrix eingebettete Fasern beinhaltet, wobei es sich vorzugsweise um Polyethylenfasern, insbesondere hochverstreckte PE-Fasern, oder Aramidfasern handelt, die in eine Matrix aus duroplastischem oder thermoplastischen Material eingebettet sind. DOLLAR A Durch die Verwendung von endlosen Hochleistungsfasern in einem Zugverbund aus Faserverbundwerkstoff (FVW), der auch mit einem Körper als steifigkeitserhöhendem Element (Verbindungselement) kombiniert werden kann, in Verbindung mit einfachen Fertigungsverfahren kann eine Reihe von technischen und wirtschaftlichen Vorteilen, wie z. B. hohe Steifigkeit bei gleichzeitig hoher Dehnbarkeit und Kostensenkungen durch Funktionsintegrationen erreicht werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Tragstruktur, insbesondere einen Seitenaufprallträger, für Fahrzeuge, bei der mindestens zwei Tragelemente durch einen Faserverbundwerkstoff = FVW-Zugverbund miteinander verbunden sind.

Bei in Pkw-Seitentüren eingebauten Seitenaufprallträgern kommen bislang zumeist Stahl- oder Aluminiumprofile zum Einsatz. Daneben gibt es aber auch Ausführungen von Seitenaufprallträgern aus Faserverbundkunststoffen (DE 44 23 687, DE 24 10 228, DE 41 25 299, DE 30 39 895, DE 31 02 329, DE 31 26 065, DE 36 21 697). Alle diese be kannten Ausführungen haben erhebliche Nachteile, da sie zum einen die zum Bestehen der amerikanischen Vorschrift FMVSS 214 erforderlichen Dehnbarkeitsvorschriften nicht erfüllen und daneben vielen anderen Anforderungen, wie z. B. dem Offset-Fron talcrash, der notwendigen Wirtschaftlichkeit der Fertigungsverfahren und der Forderung nach Integration der Krafteinleitungen, nicht genügen.

In Fig. 1 ist ein typischer Kraft-Weg-Verlauf eines herkömmlichen Seitenaufprallträgers bei Test nach FMVSS 214 dargestellt. Deutlich erkennbar ist der zu niedrige Eindrück widerstand und das zu frühe Versagen aufgrund der zu geringen Dehnbarkeit. Aus die sem Grund ist es bislang zu keiner Realisierung dieser Bauteile in Serienfahrzeugen gekommen.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, insbesondere die vorste hend aufgezeigten Mängel der bekannten gattungsgemäßen Tragstrukturen zu beseiti gen und dabei eine einfache kostengünstige Herstellung und Montage zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Tragstruktur der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß der Zugverbund endlose, vorzugsweise hochdehnbare, in eine Matrix eingebettete Hochleistungsfasern beinhaltet. Vorteilhafte Weiterbildungen sind insbesondere Gegenstand der Unteransprüche.

Durch die Verwendung von endlosen Hochleistungsfasern in einem Zugverbund aus FVW, der auch mit einem Körper als steifigkeitserhöhendem Element (Verbindungs element) kombiniert werden kann, in Verbindung mit einfachen Fertigungsverfahren kann eine Reihe von technischen und wirtschaftlichen Vorteilen, wie z. B. hohe Steifig keit bei gleichzeitig hoher Dehnbarkeit und Kostensenkungen durch Funktionsintegra tionen erreicht werden. Eine Grundidee der Erfindung ist daher, die beanspruchungs- bzw. funktionsorientierte Gestaltung des Seitenaufprallträgers durch einen FVW-Zug verbund (endlose, vorzugsweise hochdehnbare Fasern wie z. B. hochverstreckte Poly ethylenfasern oder Aramidfasern in thermo- oder duroplastischer oder metallischer Ma trix), der auch mit einem Verbindungselement kombiniert werden kann, zu erreichen (z. B. mit einem FVW-Körper aus Glas-, Kohle- oder Aramidfaser in thermo- oder du roplastischer oder metallischer Matrix). Durch

1.) Ausnutzung der hohen Festigkeit und Dehnbarkeit von endlosen Hochleistungsfa sern sowie
2.) einer faserverbundgerechten Auslegung des Steifigkeit erzeugenden FVW-Körpers und
3.) einer hochintegrativen Gestaltung der Krafteinleitungszonen

können Herstellungskosten gesenkt, Gewichte reduziert, die Energieabsorption und damit die Sicherheit beim Seitenaufprall erhöht werden.

Die Erfindung umfaßt die beanspruchungs- bzw. funktionsgerechte Gestaltung des Seitenaufprallträgers durch einen FVW-Zugverbund, welcher die Tragelemente inte griert, und der auch mit einem Körper als steifigkeitserhöhendem Element kombiniert werden kann. Der FVW-Zugverbund besteht dabei aus Fasern welche z. B. in thermo- oder duroplastischer oder metallischer Matrix eingebunden sind.

Im folgenden Teil der Beschreibung werden einige Ausführungsformen der erfindungs gemäßen Tragstruktur anhand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein Diagramm betreffend den Kraft-Weg-Verlauf eines herkömmli chen Seitenaufprallträgers;

Fig. 2 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Seitenaufprallträ gers als Zugverbund mit integrierten Scharnierbindungen;

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Seitenauf prallträgers als Zugverbund mit integrierten Scharnieren und Schloßteilen;

Fig. 4 erfindungsgemäße Ausführungsformen des Zugverbundes;

Fig. 5 erfindungsgemäße Ausführungsformen mit verschiedenen Ausfor mungen des Zugverbundes;

Fig. 6 erfindungsgemäße Ausführungsformen mit Abstützung des Zugver bundes;

Fig. 7 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Seitenauf prallträgers als Zugverbund mit integrierten Anbindungsstellen;

Fig. 8 weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Seitenauf prallträgers als Zugverbund mit Verbindungselementen und

Fig. 9 ein Diagramm betreffend den Kraft-Weg-Verlauf eines erfindungs gemäßen Seitenaufprallträgers.

In Fig. 2 ist ein Beispiel für einen Seitenaufprallträger als Zugverbund mit integrierten Scharnieranbindungen an den Tragelementen 2 dargestellt. Darin ist die beanspru chungs- bzw. funktionsgerechte Gestaltung einer Ausführungsform des Seitenaufprall trägers mit einem FVW-Zugverbund 1 gezeigt, welcher zwei Tragelemente 2 integriert und der mit einem Körper 3 als steifigkeitserhöhendem Element kombiniert ist. Der FVW-Zugverbund besteht dabei aus Fasern, welche in thermo- oder duroplastischer oder metallischer Matrix eingebunden sind.

Durch Verwendung des Prinzips Zugverbund können Tragelemente 4, insbesondere Profile, welche ggf. gleichzeitig die Anbindungsfunktion von Scharnieren 5 bzw. von Schloßteilen 6 von Pkw-Seitentüren erfüllen, mit endlosen hochverstreckten Polyethy lenfasern oder anderen Fasern vorzugsweise in annähernd unidirektionaler Ausrichtung 7 umwickelt werden, wie in Fig. 3 dargestellt. Hierbei kann die Umwicklung der vor zugsweise abgerundeten Tragelemente 4 (z. B. Türsäulen) auf unterschiedliche Weise realisiert werden, um den geforderten Beanspruchungen und Aufgaben gerecht zu wer den. Es sind vertikale oder diagonale und/oder horizontale oder ähnliche Anordnungen denkbar, die eine beanspruchungsgerechte und funktionsorientierte Konstruktion er möglichen. Ein horizontal 8, diagonal 9 und schräg 10 gewickelter Zugverbund ist in Fig. 4 dargestellt, aber auch Kombinationen aus den dargestellten Anordnungen sind mög lich. Eine horizontale Umwicklung 8 hat dabei den Vorteil der besonders wirtschaftli chen, kontinuierlichen Herstellbarkeit durch die Möglichkeit des Umwickelns langer oder endloser Kerne. Durch eine anschließende Umformung des Zugverbundes zwischen den Tragelementen 4 (Türsäulen) können steifigkeitserhöhende Profilierungen 18 zur Verbesserung des Seiten- und Frontalcrashverhaltens, aber auch weitere Funktionali täten 11 eingebracht werden, wie in Fig. 5 beispielhaft gezeigt. Auch durch die Abstüt zung des Zugverbundes mit Bandagen oder Druckschalen 17 kann das Verhalten des Seitenaufprallträgers beim Frontalcrash verbessert werden, wie in Fig. 6 beispielhaft gezeigt.

Die Verbindung der endlosen Fasern mit den Profilen kann durch Stoffschluß und/oder Formschluß und/oder Kraftschluß erfolgen, um die Eigenschaften der Konstruktion je nach Anforderung zu erfüllen.

Ein weiteres Kriterium der Erfindung ist die Möglichkeit, Anbauteile wie z. B. Fensterhe ber und Schließmechanismen etc. oder deren Anbindungsstellen 11 im Zugverbund zu integrieren. Neben einer stoffschlüssigen und/oder formschlüssigen Integration ist auch eine kraftschlüssige Integration denkbar.

In Fig. 5 und 7 ist eine formschlüssige Integration einer Anbindungsstelle 11 dargestellt. Durch ein Verbindungselement 12, wie in Fig. 8 gezeigt, oder entsprechend geformte Zugverbunde kann die wichtige Strukturfunktion Steifigkeit in Querrichtung und Knick stabilität in Längsrichtung beanspruchungsgerecht erreicht werden. Diese Bauweise ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen mindestens zwei Hauptgurten des Zugverbun des 13, 14 eine Verbindung geschaffen wird. Dies kann z. B. durch einen Schaumstoff kern oder einen Strukturkörper, wie z. B. ein pultrudiertes Rohr, welcher optional mit Gewebeband 15 oder anderen Materialien, insbesondere FVW, umwickelt wird, erreicht werden.

In Fig. 9 ist der Kraft-Weg-Verlauf eines neuen Seitenaufprallträgers beim Test nach FMVSS 214 dargestellt. Deutlich erkennbar ist der sehr hohe Eindrückwiderstand und die hohe Maximalkraft bei Erreichen des maximalen Eindrückweges. Der Zugverbund versagt im Versuch erst bei über 450 mm Eindrückweg. Durch eine geeignete Dimen sionierung des Zugverbundes lassen sich die Vorschriften FMVSS 214 erfüllen. Dar über hinaus verbessert sich das Verhalten beim Frontalcrash.

Die nachstehende Tabelle zeigt zu einigen Ausführungsformen der Erfindung unter An gabe der zugehörigen Figur deren besondere Eigenschaften.

Bezugszeichenliste

1

Zugverbund

2

Tragelement

3

Körper

4

Tragelement

5

Scharniere

6

Schloßteile

7

Ausrichtung

8

horizontal gewickelter Zugverbund

9

diagonal gewickelter Zugverbund

10

schräg gewickelter Zugverbund

11

Funktionalität (Anbindungsstelle)

12

Verbindungselement

13

Zugverbund

14

Zugverbund

15

Gewebeband

17

Druckschalen

18

Profilierung

Claims

1. Tragstruktur, insbesondere Seitenaufprallträger, für Fahrzeuge, bei der minde stens zwei Tragelemente (2; 4) durch einen FVW-Zugverbund miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Zugverbund (1; 13, 14) endlose, in eine Matrix eingebettete Hochleistungsfasern beinhaltet.

2. Tragstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern hochverstreckte PE-Fasern oder Aramidfasern sind.

3. Tragstruktur nach Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix aus duroplastischem oder thermoplastischen Material gebildet ist.

4. Tragstruktur nach Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix aus metallischem Material gebildet ist.

5. Tragstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß der Zugverbund um die Tragelemente (4) herumgeführt ist.

6. Tragstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß der Zugverbund stoff-, form- oder kraftschlüssig mit den Tragelementen (4) verbunden ist.

7. Tragstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß der Zugverbund in mindestens zwei, zumindest teilweise voneinander beab standete Hauptgurte (13, 14, 18) geteilt ist.

8. Tragstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß die Hauptgurte durch mindestens ein Verbindungselement (12, 18) miteinander verbunden sind.

9. Tragstruktur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungs element (12) und/oder die Hauptgurte (13, 14) bandartig umwickelt sind.

10. Tragstruktur nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbin dungselement (12) und/oder die Hauptgurte (13, 14) mit FVW umwickelt sind.

11. Tragstruktur nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement ein Strukturkörper ist.

12. Tragstruktur nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungs element ein pultrudiertes Rohr ist.

13. Tragstruktur nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement aus Schaumstoff besteht.

14. Tragstruktur nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement aus einem vorgefertigten FVW-Halbzeug besteht.

15. Tragstruktur nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement Glas-, Kohle-, Aramid- oder Polypropylenfasern enthält.

16. Tragstruktur nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement eine duroplastische oder thermoplastische Matrix hat.

17. Tragstruktur nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement eine metallische Matrix hat.

18. Tragstruktur nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement ein aus pflanzlichem Werkstoff bestehendes Halbzeug um faßt.

19. Tragstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß der Zugverbund mit Anbindungselementen zum Tragen von und/oder zum An schließen an andere Bauteilen gekoppelt ist.

20. Tragstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß die Tragelemente (4) Scharnier- oder Schloßanbindungen bilden.