DE202014009810U1

DE202014009810U1 - Lenkeinschlagunterstützungselement

Info

Publication number: DE202014009810U1
Application number: DE202014009810.7U
Authority: DE
Original assignee: Semcon Holding GmbH and Co KG
Current assignee: Rudzewski Stephen Dr De; Stolfig Felicia De
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2014-12-11
Publication date: 2015-08-04
Anticipated expiration: 2024-12-12
Also published as: DE102014018401A1

Abstract

Lenkeinschlagunterstützungselement für eine Befestigungsvorrichtung einer Fahrzeugstoßstange, wobei die Befestigungsvorrichtung die Fahrzeugstoßstange mit der KFZ-Karosserie mit Hilfe eines Schwenkelements bodeparallel schwenkbar verbindet und/oder wobei an der Stoßstange mindestens ein Stoßstangenverlängerungselement angeordnet ist, welches im Falle eines durch einen Crash erfolgten Kraftangriffs diese Stoßstange axial verlängert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lenkeinschlagunterstützungselement insbesondere für eine Befestigungsvorrichtung für eine Stoßstange eines Fahrzeugs, z. B. eines Kraftfahrzeugs.
Stand der Technik: Mehr als 100 Jahre wurden Fahrzeuge auf die Anforderungen des Verbrennungsmotors und die Möglichkeiten von Stahlblech perfektioniert. Die überwiegende Anordnung vorn, mechanischer Antriebsstrang, hoher Kühlungsbedarf etc. haben zu Frontstrukturen geführt, die grundsätzlich vorne offen sind, links und rechts einen Längsträger besitzen und mit Anbauteilen verkleidet werden. Durch die hohe Schwingungsanregung der Verbrennungsmotoren entstehen aus Komfortgründen zusätzliche Kompromisse und Aufwand (u. a. Motor/Getriebelagerung auf einem Hilfsrahmen). Zu Beginn der „Neuen Mobilität” mit verschiedenen alternativen Antrieben, wurden bestehende Verbrennungsfahrzeuge entkernt und die Elektromotoren, Batterien, Elektronik, Range-Extender in das Jahrzehnte bewährte Package zur sogenannten ersten E-Fahrzeuggeneration verbaut. Nun sind die ersten konsequent auf alternativen Antrieb konstruierten Fahrzeuge auf der Straße, jedoch überwiegend mit dem o. g. klassischen Vorderwagen.
Klassisch ist der Vorderwagen mit sehr stabilem Längsträger links und rechts und dem, daran befestigten Stoßstangenquerträger weist über die Fahrzeugbreite einen sehr ungleichmäßigen Crashwiderstand auf. Sind Kotflügel, Haube, Frontend etc. hierbei eher vernachlässigbar, nehmen neben den Längsträgern erst die Kühler/Motoreinheit sowie die Räder/Achsen im weiteren Crashverlauf größere Kräfte auf, jedoch zu Lasten einer gleichmäßigen Verzögerung. Bisher hat man sich bei der Auslegung darauf verlassen, dass die Stoßstange nur eine gewisse Lastverteilung von einem Längsträger zum anderen erfüllt, der hauptsächliche Energieabbau an großflächigen Hindernissen aber von mindestens einem der beiden Längsträger übernommen wird. Seit der Einführung der Crash-Kompatibilität und spätestens seit der Definition des Small-Overlap-Crashes, bei dem das Fahrzeug auf ein schmales Hindernis bei nur noch 25% Überdeckung trifft, erfüllen derartige klassische Längsträger-Konzepte nicht mehr die gestellten Anforderungen. Grund dafür ist u. a., dass das Fahrzeug nun z. B. auf einem Testparkour auf Hindernisse trifft, die außen am Längsträger vorbei gehen. Der Längsträger benötigt einen, für die exzentrische Punktbelastung der Stoßstange, viel zu hohen Kraftpuls zum Anfalten und schert die Stoßstange als Abstützpunkt am Hindernis bereits sehr früh ab. In der Folge gleitet das Fahrzeug gerade, nahezu ohne Energieabbau, an dem Hindernis vorbei bis die Achse erreicht ist. Nun wird an dem Hindernis Rad samt Achse heraus gerissen und dann mit immer noch sehr viel Energie der Stirnwand/A-Säulen-Knoten getroffen. Lebensbedrohliche Pulse und Deformationen sind die Folge.
Aufgabenstellung: Ziel ist es, ein für Leichtbaumaterialien geeignetes, kostengünstiges Konzept mit bestmöglicher Crash-Sicherheit eines insbesondere für Elektrofahrzeuge geeigneten Vorderwagens eines KFZ zu entwickeln.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Lenkeinschlagunterstützungselement für eine Befestigungsvorrichtung einer Fahrzeugstoßstange, wobei die Befestigungsvorrichtung die Fahrzeugstoßstange mit der KFZ-Karosserie mit Hilfe einer Schwenkvorrichtung bodeparallel schwenkbar verbindet und/oder wobei an der Stoßstange mindestens ein Stoßstangenverlängerungselement angeordnet ist, welches im Falle eines durch einen Crash, insbesondere an der Stoßstange erfolgten – also meist zusätzlichen – Kraftangriffs zumindest einen Teil dieser Kraft zumindest teilweise in die Fahrzeuglenkung einleitet.
Grundlage dieser Ausgestaltungsform ist daher eine Befestigungsvorrichtung für eine Fahrzeugstoßstange deren Aufgabe es ist, die Stoßstange zumindest mittelbar mit der KFZ-Karosserie insbesondere tragend zu verbinden. Die Befestigungsvorrichtung umfasst zumindest die Verbindung zwischen Karosserie und Stoßstangenträger. In weiteren Ausgestaltungsformen kann die Befestigungsvorrichtung auch das Zentralstück des Stoßstangenträgers umfassen, an welchem die axialen Enden der Stoßstange ausfahrbar anordenbar sind. Entsprechend einer ersten Ausgestaltungsform der Erfindung kann das erfindungsgemäße Lenkeinschlagunterstützungselement schon Teil der Befestigungsvorrichtung sein, also in dieses integriert sein, oder das erfindungsgemäße Lenkeinschlagunterstützungselement kann zumindest annähernd parallel zum Befestigungselement zwischen Stoßstange und KFZ-Karosserie angeordnet sein, ohne Teil der Befestigungsvorrichtung zu sein. Entsprechend dieser ersten Ausgestaltungsform und seinen zwei Unterformen verbindet die Befestigungsvorrichtung die Fahrzeugstoßstange mit der KFZ-Karosserie mit Hilfe eines Schwenkelements bodeparallel schwenkbar, wobei die Befestigungsvorrichtung auf ihrer einen Seite die Fahrzeugstoßstange trägt und an ihrem anderen Ende an der KFZ-Karosserie befestigt ist. Eine Möglichkeit dies umzusetzen ist, z. B. in der Mitte von der KFZ-Karosserie und der Stoßstange das Befestigungselement anzubringen. Die Stoßstange kann dann, z. B. mit Hilfe von Zapfen bodenparallel schwenkbar mindestens an der Stoßstange oder an der KFZ-Karoserie, idealerweise an beiden schwenkbar verbunden werden. Hierfür kann im einfachsten Falle an Stelle eines Zapfens auch ein Gelenk oder ein Scharnier Verwendung finden. Im Falle eines dezentralen Kraftangriffs auf die Stoßstange so die gesamte Stoßstange um den z. B. Zapfen des Befestigungselements herum bodenparallel geschwenkt. Erfindungsgemäß wird diese Schwenkung mit Hilfe eines zwischen der Stoßstange und der KFZ-Karosserie angeordneten mindestens einen Lenkeinschlagunterstützungselements unterstützt. Das Schwenkelement kann hierfür entweder im Befestigungselement angeordnet sein, und/oder benachbart zu diesem zwischen Stoßstange und KFZ-Karosserie, wobei eine im wesentlichen parallelle Anordnung vorzugswürdig ist. Am einen Ende des derart ausgestalteten Schwenkelements ist daher zumindest mittelbar mindestens ein Teil der insbesondere vorderen KFZ-Stoßstange befestigt. An seinem anderen Ende kann dieses Lenkeinschlagunterstützungselement in seiner Ausgestaltungsform als Stoßstangenschwenkelement auch an der KFZ-Karosserie befestigt sein, oder alternativ denkbar ggf. auch mittelbar über ein Befestigungselement an der KFZ-Karosserie. Im letzteren Fall kann dem Befestigungselement die Aufgabe zukommen, die Stoßstange zumindest mittelbar an der Karosserie zu befestigen, während dem Stoßstangenschwenkelement die Aufgabe zukommt, die Schwenkung sicherzustellen. Das derart ausgestaltete Lenkeinschlagunterstützungselement kann damit insbesondere zwei voneinander unabhängige aber auch zusammen einsetzbare Unter-Ausgestaltungsformen aufweisen. Vorzugsweise werden alle diese Elemente zumindest im Crashfall schwenkbar an der Stoßstange und/oder KFZ-Karosserie befestigt. Im Crashfall kann die Schwenkung in ihrem extremsten Schwenkwinkel das äußre Ende der Stoßstange in Richtung des insbesondere Reifens des Vorderrads führen und diesen im Extremfall berühren und über diese Berührung des Reifens mit Hilfe der geschwenkten Stoßstange eine Lenkbewegung in das Rad einleiten und so zumindest einen Teil der Crashkraft zumindest teilweise in die Fahrzeuglenkung einleitet. Entsprechend einer zweiten Ausgestaltungsform ist als Lenkeinschlagunterstützungselement an der Stoßstange mindestens ein Stoßstangenverlängerungselement angeordnet, welches im Falle eines durch einen Crash erfolgten Kraftangriffs diese Stoßstange axial verlängert und so zumindest einen Teil dieser Kraft zumindest teilweise in die Fahrzeuglenkung einleitet. Vorliegend umfasst damit das Lenkeinschlagunterstützungselement entweder ein Stoßstangenschwenkelement, an deren einem Ende zumindest mittelbar zumindest ein Teil der Stoßstange befestigt ist, und/oder ein Stoßstangenverlängerungselement. So ist das Lenkeinschlagunterstützungselement in Gestalt des Stoßstangenschwenkelements in der Lage im Crashfall die Stoßstange bodenparallel zu schwenken. Außerdem ist das Lenkeinschlagunterstützungselement in Gestalt des Stoßstangenverlängerungselements in der Lage im Crashfall das axiale Ende der Stoßstange zu verlängern. Das erfindungsgemäße Lenkeinschlagunterstützungselement kann in dieser ersten Ausgestaltungsform den Lenkeinschlag, z. B. mit Hilfe von mit Flüssigkeit gefüllten ausziehbaren und einfahrbahren Kolben-Zylindersystemen unterstützen, welche z. B. zumindest annähernd parallel zum Befestigungselement angeordnet sind und im Falle eines Crashs an der Seite auf welcher die Crashkraft angreift eingefahren werden können und an der anderen Seite auseinandergezogen werden können, und/oder es kann ein Lenkeinschlagunterstützungselement in einer zweiten Ausgestaltungsform den Lenkeinschlag unterstützen, indem die Stoßstangenenden sich im Crashfall verlängern, um mit Hilfe dieser Verlängerung im Crashfall in die Räder eine zusätzliche Lenkbewegung einzuleiten.
Im Fall, daß durch einen Crash an der Stoßstange ein zusätzlicher Kraftangriffs erfolgt, wird diese Kraft zumindest teilweise durch das Lenkeinschlagunterstützungselement in die Fahrzeuglenkung eingeleitet. Bisherige Konzepte bauten auf eine translatorische Kraft/Energiekompensation auf. Hiervon abweichend wird z. B. durch das Lenkeinschlagunterstützungselement die Energie des Crashs nicht wie traditionell nur translatorisch (durch Abbau der Crashenergie mit Hilfe des Aufbaus von Verformungsenergie) sondern es wird (auch) rotatorisch Kraft/Energie kompensiert.
Um modernen Crash-Prüfmethoden gerecht zu werden setzt die Lösung an, einen möglichst gleichmäßigen Crashwiderstand über die Fahrzeugbreite sicherzustellen:
In einer ersten Ausgestaltungsform ist das Schwenkelement schwenkbar zwischen Stoßstange und KFZ-Karosserie angeordnet und umfasst ein ausziehbares und einfahrbahres Kolben-Zylindersystem. Vorzugsweise ist das Schwenkelement, umfassend ein Kolben-Zylinder-System, auf der einen Seite mit der Stoßstange verbunden und auf der anderen Seite über das Kolben-Zylinder System mit der KFZ-Karosserie. Durch das Ausziehen und/oder Einfahren des Kolben-Zylinder Systems können zusätzliche Energien und Kräfte kompensiert werden. Das Schwenkelement ist vorzugsweise ebenfalls schwenkbar z. B. mit Hilfe von Scharnieren an der Stoßstange befestigt. An seiner anderen Seite ist es ebenfalls vorzugsweise schwenkbar z. B. mit Scharnieren an der KFZ-Karosserie befestigt. Während auf der Stoßstangenseite die Befestigung vorzugswiese von der Befestigungsvorrichtung beabstandet ausgestaltet ist, kann sie an der KFZ-Karosserie entweder nahe an der Befestigungsvorrichtung oder auch von dieser beabstandet erfolgen. Alternativ ist auch eine Ausgestaltung denkbar, bei welcher das Schwenkelement und das Befestigungselement in Reihe hintereinander geschalten sind und die Zapfen/Scharniere/ Gelenke zwischen diesen angeordnet sind. Über diese ist dann die Stoßstange bzw. Stoßstangenhalterung mit der Karosserie verbunden. Realisierbar ist das beschriebene Konzept auch mit einer noch anderen, gleich wirkenden Kopplung zwischen Karosserie und Stoßstange.
Fakultativ kann das Kolben-Zylindersystem als Zylinder ein Schalelement aufweisen, in welchem der Kolben beweglich geführt wird und wobei das Schalelement z. B. in Richtung der befestigten Stoßstange ausgerichtet ist und der Kolben an zumindest in Richtung der hieran befestigten KFZ-Karosserie ausgerichtet ist. Crash-Energiemanagement durch Schälen statt Beulen: Fast alle heutigen Fahrzeugstrukturen bauen Crashenergie hauptsächlich durch Beulen und Falten mit großen Verformungen ab. Genau bei dieser Beanspruchung neigen viele Leichtbaumaterialien wie z. B. CFK, GFK, hochfestes Aluminium(Al) und Magnesium(Mg) zu Rissbildung. Leichte, dünnwandige Stahlbauteile wiederum zu anfänglich großen Kraftspitzen und im weiteren Verlauf zum Einbruch des Kraftniveaus. Beide Eigenschaften sind nachteilig. Daher die Energieaufnahme speziell für die geplanten Leichtbaukonzepte optimiert werden. In bisherigen Konzepten bei welchen eine Lenkkraftunterstützung genutzt wurde, konnten zwischen Crash und Beginn der Lenkkraftunterstützung minimale Zeiten von 50 ms realisiert werden. Durch das erfindungsgemäß verwendete Kolben-Zylinder-System wird im Falle einer dezentral von der Befestigungsvorrichtung angreifenden Kraft der Kolben an der Seite, so die Kraft angreift, in den Zylinder gedrückt werden und an der anderen Seite der Befestigungsvorrichtung kann der Kolben aus dem Zylinder gezogen werden. Bei beiden Bewegungen wird Kraft kompensiert, also Crashenergie aus dem Aufprall genommen. Hierzu kann dieses Kolben-Zylinder-System entweder in Reihe oder mehr oder weniger parallel zwischen Stoßstange und Karosserie befestigt sein.
Fakultativ kann der Raum zwischen Kolben und Schalelement leer sein, ein Fluid umfassen, und/oder einen Schaum umfassen, wobei bei dem Lenkeinschlagunterstützungselement die beweglichen Elemente mit Hydraulikschläuchen untereinander verbunden sind und hydraulisch bewegbar sind. Bei einem derartigen Aufbau kann die Fluidfüllung des Schälträgers nicht nur geeignet sein, um die angreifende Crashkraft zu dämpfen, sondern darüber hinaus auch dazu genutzt werden, um z. B. bei einem Crash den hierdurch in dem Schalträger geführten Kolben oder den durch den Kolben im Schalelement aufgebauten z. B. zusätzlichen Druck zu nutzen, um beim Vorderrad/bei der Vorderachse eine Ausweichbewegung einzuleiten. Vorzugsweise sind alle fluidführenden beweglichen Teile des Lenkeinschlagunterstützungselements über ein Schlauchsystem hydraulisch miteinander verbunden, sodaß darin aufgebaute Drücke an die beweglichen Teile des Systems unmittelbar weitergeleitet werden. So kann beispielsweise der im Zylinder auf der kraftangreifenden Seite aufgebaute Druck unmittelbar mechanisch durch ein Verbindungselement zwischen Kolben/Zylinder und Lenkung und/oder mittelbar, beispielsweise zusätzlich durch einen Hydraulikschlauch zwischen Kolben/Zylinder und Hydraulik der Lenkung übertragen werden und auf diese Weise auch ohne Schwenkung unmittelbar eine Lenkbewegung einleiten. Durch dieses Konzept kann die die Schwenkbewegung der Vorderräder um einen Faktor 10 schneller eingeleitet werden, als bis heute möglich (50 ms). Dies eröffnet ein erhebliches Potential an Steigerung der Sicherheit. Ein derartiges Lenkeinschlagunterstützungselement für eine Befestigungsvorrichtung, wobei mindestens ein solches Druckschälelement elektrorheologische Fluide beinhaltet, bewirkt die Bereitstellung eines noch weiteren zusätzlichen Kraft/Energieaufnahmereservoirs, welches insbesondere durch die ERF auch während der Fahrt oder eines Unfalls einstellbar bzw. veränderbar ist. Das Wirkprinzip der axialen Verschiebung von Zylindern eröffnet ein weites Feld von passiver und aktiver Kraft-Steuerung im Crash z. B. über elektrorheologische Fluide, Fluide mit Ventilen oder mittels Mechanik. Damit wird der Weg zu dem volladaptiven, echtzeitgeregelten Front-Crashmanagement geöffnet.
Dieses Konzept ist auch zur Nachrüstung geeignet. Wenn man die sowieso in jedem Fahrzeug vorhanden Typschadenelemente (wieder) als Fluiddämpfer ausführt, dann kann man mit einfachen Hydraulikleitungen diesen Betätigungseffekt ohne großen Aufwand auch in bestehenden Fahrzeugen nachrüsten und damit die passive Sicherheit deutlich verbessern. Eine derartige Befestigungsvorrichtung, wobei die Fahrzeugstoßstange an mindestens einem Befestigungselement und an mehr als einem als Schwenkelement Lenkeinschlagunterstützungselement befestigt ist, bewirkt eine präzisiere Schwenkbewegung und eine höhere Zug-/Druck-Kraftkompensation. So kann letzten Endes auf diese Weise sichergestellt werden, dass Bei Überschreiten der Zug-(Druck-Kraftkompensation im Schwenkelement die Stoßstange am Ende ihrer Schwenkbewegung z. B. einen Reifen berührt und ihn wegzudrücken in der Lage ist. Durch dieses Wegdrücken kann durch die Stoßstange noch sicherer eine Lenkbewegung eingeleitet werden, die das Fahrzeug aus der Hauptstoßrichtung der angreifenden Kraft weglenkt.
Ein derartiges Lenkeinschlagunterstützungselement als Schwenkelement für eine Befestigungsvorrichtung, wobei die Fahrzeugstoßstange an mindestens einem Befestigungselement und an mehr als einem Lenkeinschlagunterstützungselement als Schwenkelement befestigt ist, bewirkt eine präzisere Führung des Schwenkvorgangs. Ein derartiges Lenkeinschlagunterstützungselement für eine Befestigungsvorrichtung, wobei bei mindestens zwei der Schwenkelemente deren erstes Ende nahe der Fahrzeugstoßstange weiter voneinander beabstandet ist, als deren zweites Ende, bewirkt eine z. B. angenäherte „Y”-Gestalt (bildlich an eine Balkenwage erinnernd) der Befestigungselemente. Diese angenäherte „Y”-Gestalt der Befestigungselemente unterstützt die Schwenkbewegung zusätzlich.
Ein derartiges Lenkeinschlagunterstützungselement für eine Befestigungsvorrichtung, wobei mindestens eines der Lenkeinschlagunterstützungselemente wirkendes Schwenkelement mindestens ein Hydraulikelement umfasst, bewirkt, dass im Fall von zwei Hydraulikelementen, also mindestens eines im rechten als Lenkeinschlagunterstützungselement wirkenden Schwenkelement und mindestens eines im linken als Lenkeinschlagunterstützungselement wirkenden Schwenkelement, wobei diese beiden Hydraulikelemente untereinander verbunden sein können, um im Schwenkfall, also im Crashfall, Hydraulikflüssigkeit von dem mit Druck beaufschlagten Hydraulikelement in das andere, also in das auf Zug beaufschlagte Hydraulikelement überzuleiten, was wiederum die Schwenkbewegung unterstützt. Zum weiteren Unterstützen der Schwenkbewegung kann z. B. mit Hilfe einer Pumpe, die wiederum über ein Steuerungsgerät aktiviert wird, wobei das Steuerungsgerät im Crashfall Crashdaten erhält, auf deren Basis die Hydraulikpumpengesteuert werden, zusätzliche Flüssigkeit vom auf Druck beaufschlagten Hydraulikzylinder auf den mit Zug beaufschlagten Hydraulikzylinder gepumpt werden. Auch denkbar ist, mit Hilfe eines Verbindungsschlauchs zwischen jedem der Zug-/Druckelemente und einer Hydraulik der Lenkung vom auf Druck beaufschlagten Zylinder Hydraulikflüssigkeit z. B. über ein Ventil in die Lenkhydraulik überzuleiten, um dort beschleunigt eine Lenkbewegung einzuleiten
Ein derartiges Lenkeinschlagunterstützungselement für eine Befestigungsvorrichtung, wobei mindestens eines der als Schwenkelemente wirkenden Lenkeinschlagunterstützungselemente mindestens ein Druckschälelement umfasst bewirkt, dass ein zusätzliches Reservoir bereitgestellt werden kann, welches in der Lage ist, weitere Kräfte aufzunehmen. Derartige Druckschälelemente sind ausgelegt, Energie zu absorbieren, indem die beaufschlagende Energie nicht durch ein Knitter des Materials absorbiert wird, sondern z. B. durch sondern durch ein schälen, indem das Druckschälelement Elemente umfasst, welche in einem solchen Fall z. B. gezielt zerspant werden. Auch kann eine mehrschnittige Lagerung vorgesehen werden. Ein derartiges Druckschälelement kann in jedem der Elemente befestigt sein, also im Mittleren, und/oder Rechten/Linken. Einen weitere Wirkung eines derart eingesetzten Druckschälelements ist, dass eine Überlastung der Stoßstange vermieden werden kann, indem der Energieabbau im Druckschälelement dann beginnt, wenn die Kraftbeaufschlagung damit beginnen würde, die geschwenkte Stoßstange zu verformen. Wenn dann auch die Kraft/Energiekompensation des Druckschälelements erschöpft ist, kann weiterhin angreifendes Kraftpotential durch eine Verformung des Befestigungselements bzw. des Druckschälelements erfolgen. Zur Verbesserung des Crashverhaltens wurde diese Ausgestaltungsform vom Bild einer Balkenwaagen abgeleitet. Das Balkenwaagen-Verhalten wird gemäß dem vorliegenden Konzept durch einen knickstabilen Stoßstangenquerträger der mit Befestigungsvorrichtung und Schwenkelementen, wie z. B. drei Schälträgern (also z. B. incl. Druckschälelement) anstatt zwei Längsträgern (SdT) gelagert wird, ergänzt und damit deutlich verbessert. Zwei Seitlichen mit z. B. geringerer und einem Zentralen mit einer z. B. höheren Schälkraft. Trifft das Fahrzeug vollüberdeckend auf ein Hindernis, deformieren sich alle drei Schälträger gleichzeitig mit einem sehr gleichmäßigen Kraftniveau. Je einseitiger ein Hindernis getroffen wird, desto mehr dreht sich der Stoßstangenquerträger in der ersten Phase des Crashes um seine Hochachse um den mittleren Schälträger der zunächst fest stehen bleibt. Dabei wird der stoßzugewandte Schälträger mit moderatem Kraftniveau zusammengedrückt und der gegenüberliegende Schälträger auseinandergezogen und beide wandeln z. B. durch Zerspanen Energie um. Dafür wurde ein Druckschälträger mit einem „gebauten” Schneidring zur einem doppelwirkenden Zug/Druckschälträger erweitert. Vorteil in dieser ersten, frühen Phase (insbes. < 20 ms) des Crashes ist nun, dass der Stoßstangenquerträger mit moderatem Kraftniveau (insbes. < 50 kN) sehr früh wie eine „Balkenwaage” an das exzentrische Hindernis koppelt ohne strukturell zerstört zu werden. Um die hohe Knickstabilität der Balkenwaage mit möglichst geringem Gewicht zu erreichen, wird z. B. ein geschlossenes Metallprofil mit Strukturschaumfüllung eingesetzt. Diese Funktionsweise wirkt in ihrer Gesamtheit mit dem Fahrzeug dann als „Balkenwagen-Vorderwagen” aus z. B. Mn-E-Mischbauweise, der mit einem solchen Aikido-Prinzip (bildlich angelehnt an die asiatische Sportart deren Ziel es ist, die Kraft des gegnerischen Angriffs abzuleiten (Abwehr) und den Gegner mit derselben Kraft vorübergehend angriffsunfähig zu machen (Absicherung)) eine Antwort auf den Small-Overlap-Lastfall gibt, besonders für Modellvielfalt geeignet ist und den Einsatz eines Voll-Magnesium (MnE) Vorderwagens erst möglich macht. Vorzugsweise werden die Kräftekompensation durch die Schwenkbewegung und die Kräftekompensation durch die Verformung des Befestigungselements selbst derart ausgelegt und aufeinander abgestimmt, dass sie im Wesentlichen nacheinander beaufschlagt werden und nicht gleichzeitig.
Ein derartiges Lenkeinschlagunterstützungselement für eine Befestigungsvorrichtung, wobei dieses Druckschälelement Bauteile umfasst, welche sich bei Druckbeaufschlagung relativ zueinander bewegen und bei dieser Relativbewegung Energie abbauen, bewirkt die Bereitstellung eines zusätzlichen Kraft/Energieaufnahmereservoirs. Der Energieabbau kann verstärkt werden, durch das Zerspanen von Material in den sog. Druckschälelementen. Hierbei schieben sich Bauteile übereinander, wobei an dem einen Teil angebrachte Schneiden Material aus dem anderen Teil herausschneiden. Das Ergebnis ist eine sehr definierte Losbrechkraft fast ohne Überhöhung und ein sehr gleichmäßiger, konstanter Kraftverlauf über den gesamten Stauchweg. Ideal also, um eine für die Crashsicherheit optimale, gleichmäßige Verzögerung zu erzielen. Diese Art des Energieabbaus ist speziell für Magnesium, CFK und GFK ideal und wird im Weiteren als Schälträger bezeichnet.
Darüber hinaus kann das Lenkeinschlagunterstützungselement für eine Befestigungsvorrichtung eine Fachwerk-Struktur aus ME100Strangpressprofilen umfassen oder Teil einer solchen sein. Das Fachwerk dient hierbei als kinematische Führung: Das geschilderte Konzept funktioniert im Crash unter vielen verschiedenen Aufprallwinkeln. Hierfür wird das Konzept über den gesamten Deformationsweg so geführt, dass eine optimale Verzögerung möglich ist. Um darüber hinaus auch noch so kostengünstig und leicht wie möglich zu sein, wurde in einer Ausführungsform ein Fachwerk gewählt, umfassend eine Befestigungsvorrichtung mit ME100Strangpressprofilen, die zur besseren Steifigkeit und aus Funktionsgründen z. B. mit Schubfeldern beplankt ist. Dieses bildet zusammen mit den 3 Schälträgern sowie der Balkenwaage die Vorderwagenstruktur und trägt auch z. B. Lenkgetriebe und Federbein. Die beiden äußeren Schälträger sind sehr steif und so positioniert, dass die unteren Querlenkerlager einer handelsüblichen McPherson Vorderachse ohne Hilfsrahmen direkt daran befestigt werden können. Da ME100, wie viele andere Leichtbaumaterialien auch, keine zu großen Verformungen erträgt wird das Fachwerk entgegen bestehenden Gitter und Spaceframe-Konstruktionen im Crashfall nicht als wesentliches Energiemanagementsystem eingesetzt, sondern hauptsächlich zur kinematischen Führung der Schälträger. Erreicht wird das zum einen durch die Wahl der Lage der Knotenstellen und zum anderen durch den Einsatz von hochduktilen Knoten (plastische Gelenke; zwischen den Profilen. Im statischen Fall verhält sich das Fachwerk sehr steif, bei großer plastischer Verformung aber ähnlich einem gelenkigen Stabwerk und beeinflusst den Crashpuls durch seine eigenen Verformungswiderstände wenig. Damit sind nun auch Vorderwagenstrukturen aus spröde versagenden Werkstoffen wie z. B. CFK sehr robust realisierbar.
Die erfindungsgemäß angestrebte Schwenkbewegung kann jedoch auf zwei Weisen unterstützt werden. Entweder, wie bis hier beschrieben durch das als Schwenkelement wirkende Lenkeinschlagunterstützungselement z. B. in Gestalt eines Zylinder-Kolben-Systems, welches z. B. ein Schalelement umfasst, oder ergänzend bzw. alternativ hierzu, durch eine als Schwenkelement wirkende Lenkeinschlagunterstützungselement in Gestalt einer Stoßstangenverlängerung, die geeignet ist, im Crashfall eine Schwenkbewegung in mindestens eines der Vorderräder einzuleiten, um so ein zusätzliches Lenkbewegung von außen einzuführen. Natürlich können auch beide Ausgestaltungsformen des Lenkeinschlagunterstützungselements zugleich angewendet werden:
Eine alternative Ausgestsaltungsform umfasst ein Lenkeinschlagunterstützungselement für eine Befestigungsvorrichtung für eine Fahrzeugstoßstange, wobei die Stoßstange an ihren Enden jeweils ein Element umfasst, welches geeignet ist, im Falle eines Crashs die Stoßstange zu verlängern. Eine solche Stoßstange besteht aus einem Element, welches die Länge der Stoßstange vergrößert und ebenfalls als Lenkeinschlagunterstützungselement charakterisierbar ist, weil es die selbe Wirkung bereitstellt, wie das zuvor beschriebene Kolben-Zylinder-System. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um ein Element, welches im Normalbetrieb, z. B. kaum sichtbar, in dem Sinne ein Teil der Stoßstange ist, daß es die Stoßstange in ihrer Funktion, einen Crash aufzunehmen unterstützt. Hierzu kann es jedoch unabhängig von dem zentralen Teil der Stoßstange und realtiv zu diesem bewegt werden. Um dies umzusetzen kann dieses Lenkeinschlagunterstützungselement entweder über eine weitere, von der Befestigungsvorrichtung der Stoßstange unabhängige Befestigungsvorrichtung an der Stoßstange befestigt sein, oder es kann an einer Befestigungsvorrichtung befestigt sein, an welcher auch die Stoßstange befestigt ist. Diese Ausgestaltungsform umfasst somit ein Befestigungselement einer Stoßstange zum Fahrzeug, umfassend ein als Stoßstangenträger wirkendes Befestigungselement, sowie an jeder Seite benachbart zu diesem mindestens einen weiteren Stoßstangenträger, wobei auf dem zentralen Stoßstangenträger, sowie auf den weiteren Stoßstangenträgern wie schon zuvor beschrieben die Stoßstange schwenkbar angeordnet ist, und wobei mindestens einer der Stoßstangenträger auf jeder Seite eine Befestigungsvorrichtung gemäß dem zuvor beschriebenen Befestigungselement umfasst. Dieser Aufbau erinnert an eine Balkenwaage.
Ein derartiges Lenkeinschlagunterstützungselement für eine Befestigungsvorrichtung für eine Fahrzeugstoßstange, wobei die Fahrzeugstoßstange an deren beiden axialen Enden axial ausfahrbar gestaltet ist unterstützt damit die Schwenkbewegung, indem das Soßstangenteil, welches ausgefahren ist im Falle eines dezentralen Kraftangriffs und der damit verbundenen Schrägstellung der Stoßstange geeignet ist, mit dem ausgefahrenen Stoßstangenteil das Vorderrad von außen zu berühren und im Zuge der Schrägstellung der Stoßstange z. B. einen Teil des Reifens von außen nach innen zu drücken um so eine Lenkbewegung von außen in die Räder einzuleiten:
Eine Ausgestaltungsform des Lenkeinschlagunterstützungselements umfasst eine derartige Befestigungsvorrichtung, wobei das ausfahrbare Stoßstangenende mit Hilfe einer gleitenden Verbindung mit dem Zentralstück der Stoßstange axial führbar verbunden ist und mit Hilfe einer Stoßstangen-Ausfahr-Vorrichtung ausgefahren werden kann. Hierfür ist die Stoßstange z. B. in ein Zentralstück mit mindestens einem Endstück am jeweiligen axialen Ende der Stoßstange ausgestaltet. Das jeweilige Endstück ist vom Zentralstück ausfahrbar gestaltet, beispielsweise mit Hilfe einer z. B. kammartigen Verzahnung. Bei der Verzahnung greifen die Zähne des Zentralstücks und des Endstücks derart ineinander, daß das Endstück der Stoßstange die Stoßstange im Wesentlichen in axialer Richtung zu verlängern in der Lage ist. In eingefahrenem Zustand sind die Zinken des Zentralstücks und die Zinken des jeweiligen Außenstücks hierfür vorzugsweise komplett ineinander verschrankt, sodaß in diesem Fall das Außenstück der Stoßstange komplett in das Zentralstück der Stoßstange aufgenommen ist. Das Aus- und ggf. Einfahren der Stoßstangenenden in die z. B. kammartige Verzahnung kann mit Hilfe einer Ausfahrvorrichtung erfolgen, die beispielsweise hydraulisch, mechanisch, elektrisch o. ä. sein kann. Die Ausfahrbewegung kann entsprechend der Ausfahrvorrichtung dann ebenfalls hydraulisch, mechanisch, elektrisch eingeleitet werden, wobei der Beginn der Ausfahrbewegung mit der Schwenkung der Stoßstange korreliert. Das Korrelieren kann beispielsweise durch eine Steuerungsvorrichtung erfolgen, welche basierend auf Crashdaten und/oder den Daten der Schwenkbewegung dann das Signal bereitstellt, damit das Stoßstangenende hydraulisch, mechanisch, elektrisch ausgefahren werden kann. Alternativ oder ergänzend kann auch die Crashkraft genutzt werden, indem bei einem Crash durch die hierbei eingeleitete Verformungsenergie ein Hydraulikflüssigkeit beinhaltender Behälter, wie z. B. das in einer vorhergehenden Ausgestaltung beschriebene Kolben-Pumpe-System, welches hierfür mit Hilfe eines Hydraulikschlauchs mit dem die Hydraulikflüssigkeit beinhaltender Behälter einer Stoßstangen-Ausfahr-Vorrichtung verbunden ist und in welchem im Crashfall im Kolben-Pumpe-System aufgebauter hydraulischer Druck z. B über ein Überdruckventil in die Stoßstangen-Ausfahr-Vorrichtung an den ausfahrbaren Stoßstangenenden weitergeleitet wird, die hierdurch ausgefahren werden, weil z. B. in der Stoßstangen-Ausfahr-Vorrichtung das Ende des Hydraulkikschlauchs als fluiddichter Kolben wirkt, der in einem Zylinder des beweglichen Stoßstangenendes geführt wird. Im Falle eines Aufbaus von Druck wird so Druck in diesem Zylinder aufgebaut und der der Hydraulikschlauch axial in dem Zylinder bewegt, wodurch das Stoßstangenende durch die z. B. Zinken geführt in Bewegung gerät. Optional kann durch eine Umkehrung dieses Vorgangs das Stoßstangenende dann wieder eingefahren werden. Statt der beschriebenen Verzahnung sind auch andere Ausgestaltungen denkbar, solange sie eine Verlängerung der Stoßstangenenden sicherstellen können, wie z. B. Bolzen in Zylindern, oder ein Ausklappen. Auch die Stoßstangen-Ausfahr-Vorrichtung kann beliebig ausgeführt sein, so langte sie sicherstellt, daß das Stoßstangenende im Crashfall schnell ausgefahren werden kann, also in axialer Richtung eine Distanz zum Zentralstück der Stoßstange aufbauen kann. Für den Fall, daß die Ausfahrbewegung mit Hilfe von Hydraulik, beispielsweise mit Hilfe von Hydraulikzylindern erfolgt, geschieht dies beispielsweise, indem sich bei einem Unfall durch diesen Unfall im Hydraulikzylinder der Stoßstangen-Ausfahr-Vorrichtung Druck aufbaut, der wiederum mindestens eine der beiden Stoßstangenende ausfährt. Hierdurch wird Stoßstange beispielsweise um ca. 10 cm verlängert, über die Verkämmung, bestehend aus z. B. 10 Zinken in 10 Taschen ausgefahren, wobei Versuche gezeigt haben, daß in diesem Fall die Stabilität der Gesamtstoßstange gewährleistet bleibt.
Eine derart als Lenkeinschlagunterstützungselement mit herausziehbaren Enden ausgestalte Stoßstange ist mit der Stoßstange herausziehbar verbunden und daher mit der Stoßstange ebenso wie das zuvor beschriebene Schwenkelement und das Befestigungselement mit der KFZ-Karosserie verbunden. Die als Lenkeinschlagunterstützungselement wirkenden Stoßstangenenden sind an der Stoßstange zusammenfahrbar und herausziehbar ausgestaltet. Als diese Bewegung diese Bewegung einleitende Vorrichtungen sind z. B. ausziehbare und einfahrbare Kolben-Zylindersysteme geeignet. Diese können z. B. als hydraulisches System mit Flüssigkeit gefüllt sein.
Die Aufgabe wird daher weiterhin gelöst durch einen Vorderwagen, oder Fahrzeugkarosserie, oder Kraftfahrzeug umfassend mindestens eines der beschriebenes Lenkeinschlagunterstützungselemente für eine Befestigungsvorrichtung für eine Fahrzeugstoßstange nach einem der zuvor genannten Ansprüche. Ein derartiger Vorderwagen kann sehr flexibel und günstig auf verschiedene Fahrzeuge angepasst werden. Er nutzt ein Balkenwaagenprinzip, um adaptiv auf unterschiedlichste Crash-Fälle zu reagieren und verspricht eine sehr einfache Crashpuls-Abstimmung. Durch das physikalisch intelligentere und robustere Wirkprinzip hat er ein deutlich besseres Leichtbaupotential als klassische Lösungen und macht den Einsatz einer breiten Palette von Leichtbauwerkstoffen erst möglich. Mithin kann das vorgestellte Konzept eine Lösung für den Vorderwagen der Zukunft sein.
Eine derartiger Vorderwagen, oder Fahrzeugkarosserie, oder Kraftfahrzeug umfassend eine Lenkeinschlagunterstützungselement für eine Befestigungsvorrichtung für eine Fahrzeugstoßstange, wobei im Falle des Schwenken der Stoßstange um das zentrale Befestigungselement der Schwenkvorgang mindestens bis zur Berührung eines Endes des Vorderrads zu erfolgen in der Lage ist und danach im Falle einer weitergehenden Schwenkbewegung durch die Berührung mit dem Vorderrad eine Lenkbewegung einzuleiten in der Lage ist, bewirkt, dass das Fahrzeug hierdurch durch die Kraftbeaufschlagung (z. B. durch Unfall) von der Kraftbeaufschlagung (z. B. Unfall) weg gelenkt wird.
Im Zusammenspiel mit dem Vorderwagen kommen die Vorteile des nach dem Aikido Prinzip aufgebaute Balkenwaagen-Konzepts noch besser zum Tragen. Im weiteren Crash-Verlauf dreht sich die Balkenwaage bis sich ihr äußeres Ende auf der Kante des Vorderrades abstützt, um das Vorderrad von außen tendenziell auf die stoßabgewandte Seite einzudrehen. D. h. die Balkenwaage stützt sich selbst bei sehr kleiner Überdeckung nicht mehr „fliegend” am äußeren Schälträger ab, sondern zunehmend auch am Rad. Damit ist der Haupt-Eindrehvorgang der Balkenwaage bei relativ großer Schrägstellung weitgehend beendet und ihre Biegesteifigkeit ist voll erhalten.
Nun beginnt sich durch einen solchen Offset-Crash der Vorderwagen im Hindernisbereich nach hinten zu schieben und die Schälträger bauen gemeinsam sehr konstant Energie ab. Die Räder und die Balkenwaage werden, bei kleinen Überdeckungen, immer weiter eingedreht und bilden zusammen eine schiefe Ebene, die eine Querkraft zwischen Hindernis und Vorderwagen ausübt. Dadurch muss z. B. bei sehr kleinen Crash-Überdeckungen nicht die gesamte Bewegungsenergie bis zum Stillstand umgewandelt werden, sondern das Fahrzeug wird tendenziell seitlich an dem Hindernis vorbei geleitet. Um den maximalen Deformationsweg nutzen zu können, ist der mittlere Schälträger mit seinem Schneidelement direkt an dem steifen Stirnwand/Tunnel-Knoten befestigt und taucht bei Bedarf leicht schräg unter dem Wagenboden durch. Die äußeren Zug/Druckschälträger sind so ausgelegt, dass vorzugsweise etwa 50% der Vorderwagenlänge im Schälvorgang genutzt werden können, wobei das innenliegende Tauchrohr ebenfalls unter dem Wagenboden durchtaucht. Bei weiterer Verformung können sich die eingefahrenen äußeren Schälträger als Ganzes unter den Wagenboden schieben, ggf. mit je einem weiteren Schälelement am Fuß des Trägers.
Somit ist ein großer Teil der Vorbaulänge als Deformationsweg nutzbar. Um die Abstütz- und Eindrehwirkung der Balkenwaage (Stoßstange) auf das Vorderrad gewichtsoptimal zu nutzen, werden bei dieser Lösung die zweigeteilten (kleinen) Kühler. fest mit der Struktur der Stoßstange verbunden und dienen als biegesteife „Radleitschaufeln”
Eine derartiger Vorderwagen, oder Fahrzeugkarosserie, oder Kraftfahrzeug umfassend eine Lenkeinschlagunterstützungselement für eine Befestigungsvorrichtung für eine Fahrzeugstoßstange, wobei im Falle einer dezentral auf die Stoßstange auftreffenden, im wesentlichen bodenparallelen, Kraft der Schwenkvorgang und die Befestigungselemente bei Erschöpfen ihrer Fähigkeit Kräfte aufzunehmen, geeignet sind, eine weitere Kraftaufnahme durch die Verformung des Vorderwagens einzuleiten, bewirkt, dass erst wenn die gesamte Physik aus Befestigungselement und Druckschälelement was die Kraft/Energieaufnahme betrifft, ausgeschöpft ist, als letzte Kraftkompensation die Verformung des Vorderwagens eingeleitet wird. Auf diese Weise wird der Fahrgast optimal vor derartigen von außen angreifenden Kräften geschützt.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein beschriebenes Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug ein Fahrzeug mit Elektroantrieb ist. Derartige Fahrzeuge werden insbesondere mit Antrieben ausgestattet, bei welchen der Elektromotor direkt an ein anzutreibendes Rad angekoppelt ist.
Bessere Steifigkeit. Durch immer effizientere, leichtere z. B. E(Radnaben)Motoren entfällt der wesentliche Bauraum und Kühlungsbedarf im Vorderwagen. Dies ermöglicht dann eine „geschlossene” Kasten-Frontstruktur aus z. B. Profilen und Schubfeldern, mit optimaler Gestaltbarkeit hinsichtlich Steifigkeit, Leichtbau, Crashpuls etc. Da die oben beschriebenen Schälträger mit den formschlüssig verpressten Schneidringen selbst sehr biege und torsionssteife Elemente darstellen und aufgrund der notwendigen Knickstabilität sowieso einen relativ großen Durchmesser erfordern, bietet sich z. B. ME100 als Leichtbauwerkstoff an. Damit können bei geringem Gewicht zusätzlich verhältnismäßig große Wandstärken gewählt werden. Um die Masse der notwendigen starken Balkenwaage auch für die Steifigkeit bestmöglich zu nutzen, werden die Schälträger mit speziellen Biegeplatten fest mit dieser verschraubt. Diese Lösung erzielt eine hohe Eigenfrequenz des Vorderwagens und erlaubt im Crashfall eine Verdrehung der Balkenwaage mit moderaten Zwangskräften in den Trägem ohne die Schälkinematik zu blockieren.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Betätigen einer Lenkeinschlagunterstützungselement für eine Befestigungsvorrichtung für eine Fahrzeugstoßstange umfassend eine zuvor beschriebene Befestigungsvorrichtung für eine Fahrzeugstoßstange, wobei im Falle dass die Stoßstange rechts oder links von dem zentralen Befestigungselement mit einer Kraft beaufschlagt wird, in einem ersten Schritt durch diese Kraftbeaufschlagung diese Stoßstange eine im wesentlichen bodenparallele Schwenkbewegung um das zentrale Befestigungselement durchzuführen in der Lage ist wodurch durch die Bauteilauswahl ein zweischrittiges Ablaufverfahren eingeleitet wird.
Ein derartiges Verfahren zum Betätigen einer Lenkeinschlagunterstützungselement für eine Befestigungsvorrichtung für eine Fahrzeugstoßstange, wobei nach Beginn der Durchführung der im Wesentlichen bodenparallelen Schwenkbewegung die translatorische Verformung der Befestigungselemente beginnt, bewirkt durch diese sequentielle Kräftekompensation einen optimalen Bauelementeschutz, da z. B. die Stoßstange noch keine Verformungsenergie aufnehmen mußte.
Ein derartiges Verfahren zum Betätigen einer Lenkeinschlagunterstützungselement für eine Befestigungsvorrichtung für eine Fahrzeugstoßstange, wobei nach Beginn der translatorischen Verformung der Befestigungselemente die Verformung des Vorderwagens beginnt, bewirkt durch diese sequentielle Kräftekompensation neben einem optimalen Bauelementeschutz zusätzlich noch einen gesteigerten Insassenschutz.
Ein derartiges Verfahren zum Betätigen einer Lenkeinschlagunterstützungselement für eine Befestigungsvorrichtung für eine Fahrzeugstoßstange, wobei die translatorische Verformung der Befestigungselemente im Wesentlichen nicht vor dem Zeitpunkt beginnt, zu welchem die im wesentlichen bodenparallel geschwenkte Stoßstange eines der Vorderräder des Fahrzeugs berührt hat, bewirkt dass das Fahrzeug von der angreifenden Kraft aus durch diese angreifende Kraft weggelenkt werden kann.
Ein derartiges Verfahren zum Betätigen einer Lenkeinschlagunterstützungselement für eine Befestigungsvorrichtung für eine Fahrzeugstoßstange nach einem der zuvor genannten Ansprüche, wobei der Beginn der Verformung des Vorderwagens entweder nach Beginn der im Wesentlichen bodenparallelen Schwenkbewegung der Stoßstange, oder nach Beginn der Berührung der Stoßstange mit einem der Vorderreifen, oder nach Beginn der translatorischen Verformung der Befestigungselemente erfolgt, bewirkt durch diese sequentielle Kräftekompensation neben einem optimalen Bauelementeschutz zusätzlich noch einen optimalen Insassenschutz.
Ein derartiges Verfahren zum Betätigen einer Lenkeinschlagunterstützungselement für eine Befestigungsvorrichtung für eine Fahrzeugstoßstange, wobei der Beginn der Verformung des Vorderwagens entweder im Wesentlichen zeitgleich mit dem Ende der der im wesentlichen bodenparallelen Schwenkbewegung der Stoßstange, oder im Wesentlichen zeitgleich mit der Berührung der Stoßstange mit einem der Vorderreifen, oder im Wesentlichen zeitgleich mit dem Ende der translatorischen Verformung der Befestigungselemente erfolgt, bewirkt durch eine derartig aufeinander abgestimmte sequentielle Kräftekompensation eine letztmögliche Inanspruchnahme des Kompensationspotentials des Vorderwagens und insbesondere der mit dem Vorderwagen verbundenen Fahrgastzelle.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform wird das erfindungsgemäße Leichtbauprofil wie folgt erzeugt und ausgestaltet. Hierbei zeigt:
100: einen innovativen Vorderwagen insbesondere für Fahrzeuge mit alternativen Antrieben
101 die gleichzeitig Deformation dreier Schälträger mit einem gleichmäßigen Kraftniveau
102: einen Schälträger welche durch Zerspanen Energie umwandeln
103: ein Fahrzeug welches tendenziell seitlich an einem Hindernis vorbei geleitet wird
104: einen Aufbau innovativer Vorderwagen aus ME100
105: eine Draufsicht Aufbau innovativer Vorderwagen aus ME100
106: eine Seitenansicht Aufbau innovativer Vorderwagen aus ME100 2) Seitlicher Schälträger
107: eine Positionen duktiler Knotenverbindungen
108: ein mehrteiliges Schälelement am linken und rechten Schälträger
109: einen möglichen Prinzipaufbau Typschadenelement
110: ein Wirkprinzip der Typschadenelemente
111: einen Front-Crash 100%
112: einen Front-Crash 20% bzw. 40%
118: Unterstützung der Schwenkbewegung der Vorderräder durch Nutzung der Crashenergie Die vorliegende Beschreibung führt eine Ausgestsaltungsform am Beispiel eines innovativen Fahrzeugs mit Magnesium-Rahmen/Karosserie aus, ohne hierauf beschränkt zu sein.
Grund hierfür sind die Vorteile von Magnesiumblechen gegenüber Mg-Druckgussbauteilen. Diese liegen in gleichmäßigeren mechanischen Eigenschaften und damit höheren Festigkeiten. Beim Mg-Druckguss ergeben sich über die verschiedenen Bauteilbereiche verschiedene Materialkennwerte, z. B. durch ungleichmäßiges Abkühlen in der Form, unterschiedliche Wandstärken oder Fließlinienbildung an den Fließfronten. Auch realitätsnahe zuverlässige Bauteilsimulation und -auslegung wird mit gleichmäßigen Werkstoffeigenschaften einfacher. Dazu kommt, dass Mg-Blech ein höheres plastisches Verformungsvermögen besitzt und somit höhere Energien im Crash aufnehmen kann. Damit erhöht sich gleichzeitig die Ermüdungsfestigkeit und Schadenstoleranz. Der Leichtbau ist meist auch durch dünnwandige Flächenkonstruktionen geprägt, was sich mit Gussbauteilen nur schwer realisieren lässt.
Weitere Vorteile von Mg gegenüber anderen Materialien liegen in der sehr guten spanenden Bearbeitbarkeit, in der sehr guten Recyclebarkeit, einem hohen Schwingungsdämpfungsvermögen, guter Abschirmung gegenüber elektromagnetischer Strahlung und einer guten Wärmeleitfähigkeit.
Längsträger mit Schälprinzip: Bei einem Crash sollte der Energieabbau möglichst über einen konstanten Kraftverlauf ohne Kraftspritzen erfolgen, um die Insassen bestmöglich vor Beschleunigungsspitzen zu schützen. Bei den herkömmlichen, in den meisten Fahrzeugen als Längsträger eingesetzten Faltprofilen zur Energieabsorption, ist das nicht möglich. Hier liegt das Prinzip des Beulens zu Grunde. Die Kraft baut sich auf bis die Beulsteifigkeit des ersten Triggerpunkts erreicht wird, dann fängt der Träger an auszubeulen und eine Falte zu bilden. Das Kraftniveau fällt dabei solange stark ab, bis der Faltvorgang beendet ist und sich das Niveau am nächsten Triggerpunkt erneut aufbaut bis Beulen eintritt.
Beim Schälprinzip wird das Prinzip des Energieabbaus durch Schälen bzw. Schneiden genutzt. Beim Schälen durch Schneiden (z. B. von eigens eingebauten Zerspanelementen) baut sich die Kraft zu Beginn auf, bis die Widerstandskraft des Materials gegenüber dem Schälwerkzeuge erreicht wird. Startet der Schälvorgang, bleibt das Kraftniveau konstant und damit auch der Energieabbau. Es ergeben sich somit keine überhöhten Kraft bzw. Beschleunigungsspitzen und der Puls auf die Fahrzeuginsassen wird wesentlich kontrollierbarer.
Vorteile, die sich aus diesem Prinzip ergeben, liegen in der einfachen Adaptierbarkeit als Längsträgerstruktur. Die Struktur und Steifigkeit des teleskopisch einfahrenden Rohres bleiben während eines Crashs erhalten und das erforderliche Kraftniveau kann mittels kleinen Bauteiländerungen einfach angepasst werden.
Hybride Träger bestehen z. B. aus einer mit Schaum gefüllten Trägerstruktur. Die Idee dabei ist, den Querschnitt eines Hohlprofils bei punktueller Biegebelastung, wie z. B. beim Seitencrash gegen frühzeitiges Beulen zu stabilisieren. Hohlträger besitzen zwar eine hohe Steifigkeit pro kg Gewicht, reagieren bei konzentrierter Biegebelastung aber mit Beulen, was den Querschnitt stark schwächt und die Biegesteifigkeit des Trägers stark herabsetzt. Schafft man eine Stabilisierung des Querschnitts eines Trägers während des Biegevorgangs, lassen sich Eindringwiderstand und Energieabsorption erheblich verbessern. In einem 3-Punkt-Biegeversuch wurde das Potential von schaumgefüllten Biegeträgern nachgewiesen. In dem Versuch wurden ein Hohlträger aus z. B. DC04 ohne Schaumfüllung und ein Hohlträger mit Schaumfüllung geprüft. Es wurde ein Schaum mit einer Dichte von 400 kg/m3 gewählt. Das Gewicht stieg damit auf das 1,72fache des hohlen Trägers.
Die gewichtsspezifische Energieabsorption stieg mehr als das Dreifache des einfachen Hohlträgers bei nicht mal doppeltem Gewicht.
Die Idee des hybriden Trägers trägt somit ein hohes Leichtbaupotential. Durch Anpassung der verschiedenen Parameter, wie Material und Dichte der Kernfüllung oder dem Material des Biegeträgers, können die Eigenschaften auf den vorhandenen Bauraum optimal abgestimmt werden. Des Weiteren können Anpassungen der Energieabsorptionseigenschaften einfach durch Variationen der Füllung erfolgen, was eine einfache Adaption von Crash-Eigenschafen ohne Änderungen des Bauraums bedeutet.
Die heute gängigsten Crashabsorber in den Längsträgern sind Faltrohre. Sie bauen die kinetische Energie durch Beulen und Knicken ab. Die Deformationselemente werden in drei Kategorien aufgeteilt: Typschadenelement, Fußgängerschutz und Crashelement.
Die Typschadenelemente haben ein relativ niedriges Kraftniveau und sollen Energien bei Kollisionen mit niedrigen Geschwindigkeiten abbauen und die Schäden am Fahrzeug möglichst gering halten. Der Fußgängerschutz ist zum Schutz der Fußgänger und soll bei Kollisionen die Unfallschwere der beteiligten Passanten möglichst gering halten. Dazu gehören z. B. nachgiebige elastische Stoßflächen oder Leitelemente, die den Passanten in eine unkritische Fallposition bringen sollen.
Die Crashelemente sind dazu da, einen Großteil der kinetischen Energie bei einem Front-Crash in Deformationsenergie umzuwandeln. Je mehr Weg sie dabei zur Verfügung haben, desto höher ist ihre dämpfende Wirkung und desto geringer wird der Beschleunigungspuls, der auf den Insassen wirkt. Um die Deformationen in der Fahrgastzelle so gering wie möglich zu halten, werden die Kräfte im Vorderwagen während eines Crashs meist über drei Lastpfade verteilt: Unterer, mittlerer und oberer Lastpfad. In Festigkeit und Steifigkeit sind sie so stabil ausgelegt, dass sie während einer Kollision nicht versagen und den Überlebensraum des Insassen schützen. Der untere Lastpfad führt über den Fahrzeugboden. Die Kräfte werden dabei von den Längsträgern über einen Querträger in die Schweller und das Bodenblech geleitet. Der mittlere und obere Lastpfad führt von den Längsträgern in die A-Säule, welche die Lasten in die Türbrüstung (mittlerer Lastpfad) und den Seitenrahmen (oberer Lastpfad) einleitet.
Der Vorderwagen besteht größtenteils aus ME100 (Mg), einem innovativen Leichtbaumaterial, wie in Kapitel 3.1 beschrieben. Es wird mit dem dafür entwickelten Warm-in-Warm-Verfahren (Hersteller www.Stolfig.de) verarbeitet, um die Herstellung möglichst energiesparend und wirtschaftlich zu gestalten. Diese Idee findet sich in einem zentralliegenden Längsträger wieder und soll für einen möglichst gleichmäßigen Energieabbau im Crash sorgen. Zwei seitlich liegende Längsträger mit Zug und Druckschälelementen können Kräfte in Zug und Druckrichtung aufnehmen. Die drei Längsträger sind an der Front mit einem hybriden Stoßstangenquerträger verbunden. Der Querträger bedient sich dem Prinzip einer Balkenwaage und ermöglicht, zusammen mit den Zug/Druck Schälelementen, im Offset-Crash einen höheren Energieabbau, womit der crashabgewandte Längsträger sehr effektiv mit in den Energieabbau eingebunden werden kann. Die Typschadenelemente arbeiten auch mit Schälprinzip, sind direkt in die Längsträger integriert und werden mit elastisch/plastischen Gelenken an den hybriden Stoßstangenquerträger befestigt. Die Kühler dienen als Verlängerung des Stoßfänger-Querträgers, wo sie das Vorderrad im Front-Crash fangen und in eine günstige Stellung leiten
Der dezentrale elektrische Radnabenantrieb ermöglicht ein völlig neues Package im Vorderwagen. Bisherige Karosserien sind nach vorne und unten offen, um den nötigen Platz für einen Hubkolbenmotor und seinen Einbau zu schaffen. Durch den Wegfall eines Hubkolbenmotors bei Elektrofahrzeugen, ist es möglich den Vorderwagen komplett mit Blechen auszukleiden, was ein geschlossenes Kastenprofil darstellt. Damit wird die Gesamtsteifigkeit der Karosserie erhöht und es können zusätzlich Kräfte in die Schubebene übertragen werden.
Um extremes Knicken der ME100Profile und damit ein fühzeitiges Versagen im Crash zu verhindern, werden alle Verbindungspunkte mit hochduktilen Knoten ausgeführt. Sie dienen als kinematische, plastische Elemente und sorgen durch optimierte Crashdeformation für einen optimalen Kraftfluss in die Schälträger.
Einen weiteren Vorteil verspricht die direkte Anbindung der unteren Fahrwerkslenker an die beiden seitlich liegenden Längsträger. Ein Hilfsrahmen, wie er heute oft verbaut wird, kann dadurch entfallen und einiges an Gewicht und Bauteilen sparen. Im Folgenden werden der Aufbau und anschließend die Funktion des Konzepts genauer beschrieben.
Die Einzelteile des Vorderwagens sind 105, 106 und 107 zu sehen. Er besteht aus drei Längsträgern (1 und 2) mit Schälprinzip, welche im Folgenden nur Schälträger genannt werden. Sie bestehen z. B. alle aus dickwandigen ME100 Rohren.
Der zentral liegende Schälträger ist unten mittig im Vorderwagen positioniert und lagert in einem nur in Druckrichtung wirkendem Schälelement (1b). Er kann die größten Kräfte im Crash aufnehmen und ist deshalb größer dimensioniert als die beiden seitlich liegenden Schälträger (2). Diese sind rechts und links vom Hauptschälträger angeordnet und bestehen aus einem Tauchrohr (2a) und einem Tragrohr (2b).
105 zeigt den Aufbau eines innovativen Vorderwagens aus ME100 (geschlossene Blechverkleidung nicht dargestellt), umfassend die Elemente Zentraler Schälträger (1); Seitlicher Schälträger (2); Stoßstangen-Querträger (3); Kühler (4); Diagonalstrebe (5); Schweller (6); Tunnellängsträger (7) oberer A-Säulenträger (8); Abstützung Federbeindom (kurz FD) (9); Verlängerung Abstützung FD (10); A-Säule (11); Unterer Stirnwand-Querträger (12); Lagerung Lenker (13); Frontend-Rahmen (14); unterer Vorderwagenquerträger.
Auf dem Tauchrohr sitzt im mittleren Bereich ein mehrteiliges Schälelement (2c), welches Zug und Druckkräfte aufnehmen kann und fest in das Ende des Tragrohrs verbaut ist. Das Tragrohr ist im unteren Stirnwandquerträger integriert. Alle drei Längsträger stützen sich am unteren Stirnwandquerträger (12) ab und sind an der Fahrzeugfront über elastisch/plastische Gelenke (ohne Fig.) und Typschadenelemente (20) mit einem hybriden Querträger (3), dem Stoßfänger-Querträger verbunden.
Die A-Säule (11) sitzt auf dem unteren Stirnwandquerträger und verläuft in der z-Achse nach oben. Sie trifft auf halber Höhe auf den oberen A-Säulenquerträger (8) und läuft dann in den Seitenrahmen. Ein zweiter Lastpfad in der A-Säule verläuft entlang des Radkastens und stützt die in der xy-Ebene liegende Federdomabstützung (9) in z-Richtung ab. Die beiden Federdomabstützungen werden mit Profilen (10) nach vorne Richtung Front verlängert und mit einer oben liegenden Querstrebe verbunden. Diese, zwei Streben in z-Richtung und eine unten liegende Querstrebe, bilden den Frontendrahmen (14).
106 zeigt in Draufsicht den Aufbau eines innovativen Vorderwagen aus ME100 mit den Elementen Tragrohr zentraler Schälträger (1a); Druck-Schälelement zentraler Schälträger (1b); Tauchrohr seitlicher Schälträger (2a); Tragrohr seitlicher Schälträger (2b); Zug/Druckschälelement (2c); Abstützung Federbeindom (9); A-Säule (11); Abschlepphaken (19); Typschadenelemente (20); Konsolen für Schälträger im Front-Endrahmen (21); Durchtauchraum für Tauchrohre (22); Längsstrebe unterer Vorderwagen (23).
Um den unteren Stirnwandquerträger zu entlasten, befindet sich mittig im Vorderwagen ein zusätzlicher Querträger (15), der untere Vorderwagenquerträger. Er dient als Abstützung in z-Richtung für die beiden seitlich liegenden Schälträger und ist mit Diagonalstreben (5) mit dem oberen A-Säulenquerträger verbunden. Zwei Streben in Längsrichtung verbinden den Vorderwagenquerträger mit dem Frontendrahmen.
Der Vorderwagen ist mit Blechen ausgekleidet, welche ein geschlossenes Gehäuse bilden. Sie geben der Karosserie Torsionssteifigkeit und ermöglichen eine Kraftübertragung in der Schubebene. Die Durchbrüche an denen die Längsträger aus dem Blechgehäuse austreten, können mittels Faltenbälgen abgedichtet werden.
107 zeigt eine Seitenansicht eines innovativen Vorderwagens aus ME100 bestehend aus: Seitlicher Schälträger (2); unterer Stirnwand-Querträger (12); Lagerung Lenker (13); unterer Vorderwagen-Querträger (15); Stirnwand (16); Lenkgetriebe (17); Bodenblech Vorderwagen (18);.
Ein möglicher Bauraum für ein Lenkgetriebe (17) befindet sich unter den Diagonalstreben, vor der Stirnwand (16) und innerhalb des Blechgehäuses. Die Querlenker werden direkt am unteren Stirnwandquerträger bzw. am Tragrohr der seitlich liegenden Längsträger gelagert, womit kein zusätzlicher Hilfsrahmen mehr benötigt wird.
Alle Profile und Bleche im Vorderwagen bestehen vorliegend aus ME100. Da Magnesium bei extremen Knicken versagt, werden an den wichtigen Verbindungsstücken duktile Knoten eingesetzt. Diese werden im Crash zu kinematischen Gelenken, lassen den Vorderwagen definiert versagen, sorgen für eine optimale Kraftverteilung im Vorderwagen und führen die Crashelemente. 107 zeigt hierzu Positionen duktiler Knotenverbindungen
Der zentral liegende Längsträger besteht aus einem dickwandigen Mg-Rohr. Er sitzt in einem einteiligen Schälelement (siehe 108), welches über eine Jochplatte fest mit dem unteren Stirnwandquerträger verbunden ist und sich zusätzlich an den Tunnellängsträgern abstützt. Das Schälelement wird z. B. durch Schrauben mit der Jochplatte verbunden. Die Schneidelemente sind in eine Richtung ausgerichtet und können nur Druckkräfte aufnehmen. Um eine verdrehgesicherte Verbindung zu schaffen, hat das Schneidelement ein Profil, ähnlich der Schälelemente in 109. Beim Einbau wird das Schälrohr bis zu einer definierten Länge in das Schälelement gesteckt. Dabei wird das Profil der Schneidelemente auf das Rohr geschnitten. So entsteht ein Formschluss, und gleichzeitig werden Tauchrohr und Schälelement kalibriert.
108 zeigt eine Jochplatte mit Schälelement am zentralen Schälträger. Die seitlich liegenden Längsträger (siehe 109) bestehen aus einem Mg-Tragrohr, einem Mg-Tauchrohr und einem mehrteiligen Schälelement. Sie sind in ihren Wandstärken und Rohrdurchmessern kleiner als der zentral liegende Hauptlängsträger. Die Enden der Tragrohre sind im unteren Stirnwandquerträger eingebettet. Das andere Ende weitet sich auf, um das mehrteilige Schälelement aufzunehmen und dient als lineare Führung und Zentrierung für das Tauchrohr. Die Schälelemente für die seitlich liegenden Längsträger schneiden in Zug und Druckrichtung.
109 zeigt ein mehrteiliges Schälelement am linken und rechten Schälträger. Sie müssen im mittleren Bereich des Tauchrohrs sitzen, damit genug Zerspanungsweg für Zug und Druckrichtung bei einem Crash vorhanden ist. Um das Schälelement zu montieren, ohne das Tauchrohr zu zerspanen, ist es mehrteilig ausgeführt.
Es besteht aus zwei Halbschalen und einem Spannring. Die Halbschalen nehmen die Schneidelemente auf und werden mit dem Spannring zusammengehalten. Der Spannring hat z. B. einen Flansch um das Schälelement am Stülprohr zu fixieren, z. B. durch Schrauben oder Schweißen.
An den Enden aller drei Tauchrohre, in Richtung Front, sind Typschadenelemente integriert. Diese werden in Kapitel 4.4.3 genauer beschrieben. Die Typschadenelemente verbinden die Schälträger mittels steifen, aber im Überlastfall elastisch, plastischen Verbindungsstücken mit dem Stoßfänger-Querträger.
Die Typschadenelemente werden an den Enden der drei Längsträger verbaut. Sie kommen bei Kollisionen mit niedrigen Geschwindigkeiten zum Einsatz. Aus diesem Grund liegt ihr Kraftniveau wesentlich niedriger als das der Hauptschälelemente an den drei Längsträgern.
Es besteht aus einem Stahl-Schneidbolzen mit einseitig aufgebrachter Kerbverzahnung. Bei der Montage schneidet sich der Bolzen in das Tauchrohr und ist damit verdrehsicher verbaut. In Längsrichtung wird das Rohr mit einer Scheibe und einer Überwurfmutter positioniert und fixiert. Die Mutter kann gegebenenfalls verschweißt oder verklebt werden. Um Umwelteinflüsse vom Schneidelement fern zu halten und die Funktion über Lebensdauer zu garantieren, befindet sich in der Überwurfmutter eine Dichtung.
Am anderen Ende ist der Schneidbolzen verdrehsicher mit dem Stoßfänger-Querträger verbunden. Dafür sind auf dem Querträger Metall-Platten verschraubt, die im Crash als elastisch/plastische Gelenke dienen. Um die Montage zu gewährleisten, befinden sich im ausgeschäumten Querträger Durchbrüche, die aus Festigkeitsgründen und für die Kraftübertragung mit Stützhülsen versehen sind.
Bei einem Kraftangriff (z. B. Unfall) verlaufen die horizontalen Lastebenen ähnlich wie bei bestehenden Vorderwagenkonzepten. 110 zeigt die Hauptlastpfade in der Seitenansicht. Es gibt eine untere (siehe 110: rot eingezeichnet) und obere Trägerebene (siehe 110: grün eingezeichnet). Dabei ist die rechte und linke Fahrzeugseite mit Querträgeren (siehe 110: gelb eingezeichnet) verbunden.
Zur Einstufung der Versicherungsklasse wird ein Front-Crash mit 15 km/h genutzt. Zusätzlich existiert seit 2010 der Bumper-Test, der bei 5 bzw. 10 km/h durchgeführt wird. Um den Schaden am Fahrzeug möglichst gering zu halten kommen bei diesen Lastfällen Typschadenelemente zum Einsatz. Sie wandeln einen Großteil der kinetischen Energie in Deformationsenergie um, dämpfen damit die Kräfte auf die Karosserie und beschränken den Fahrzeugschaden auf den Kollisionsbereich.
Die Typschadenelemente in dem vorliegenden Konzept basieren auf dem beschriebenen Schälprinzip. Sie liegen in den Hohlräumen der Tauchrohre und absorbieren die Energie, indem sie sich in die Tauchrohre schneiden (110). Damit benötigen sie sehr wenig Bauraum und verschwinden bei einer Kollision in den Längsträgern.
Das Kraftniveau der Typschadenelemente liegt unter dem der Längsträger. Somit wird gewährleistet, dass sich der Schaden von vorne nach hinten fortpflanzt. Bei leichten Schäden müssen bei den Längsträgern dann lediglich die betroffenen Tauchrohre und beschädigten Bauteile in der Front ausgetauscht werden, was zu einer guten Versicherungseinstufung führt. 110; 111; 112 zeigen zeigt dieses Wirkprinzip der Typschadenelemente.
Das Wirkprinzip beim Front-Crash 100% Überdeckung: 111 zeigt einen Front-Crash 100%. Beim Front-Crash mit 100% Überdeckung, z. B. nach FMVSS 208, fährt das Fahrzeug mit 56 km/h auf eine starre Barriere. Die Barriere trifft dabei die gesamte Fahrzeugfront (siehe 112). Ein Großteil der dabei auf das Fahrzeug wirkenden kinetischen Energie muss dabei in Verformungsenergie umgewandelt werden, damit die auftretenden Beschleunigungen auf insassenverträgliche Werte reduziert und gedämpft werden. Ansonsten wird der auf den Insassen wirkende Beschleunigungspuls zu groß, und das Verletzungsrisiko steigt beträchtlich.
In beschriebenem Konzept erfolgt ein erster Energieabbau über den Schaum im Stoßfänger-Querträger und über Zerspanen in den 3 Typschadenelementen. Im Vergleich zu herkömmlichen Stoßstangen können hybride Stoßstangen fast doppelt so viel Energie abbauen. Die Stoßstange hat einen großen Querschnitt und der Schaum sorgt für höhere Formstabilität. Damit bleibt ihre Struktur länger als bei einfachen Stoßstangen intakt, und die Lastverteilungsfunktion bleibt länger erhalten. Der weitere Verformungsverlauf erfolgt über alle drei Schälträger in Parallelschaltung. Durch das Schälprinzip ergibt sich ein gleichmäßiges Kraftniveau ohne Kraftspitzen. Damit gestaltet sich auch der Energieabbau sehr gleichmäßig und der Insassenpuls weist keine extremen Beschleunigungsspitzen auf.
Die Schälträger tauchen im Crash unter dem unteren Stirnwandquerträger weg. Dabei wird ein langer Schälweg für den Energieabbau geschaffen, und der Deformationsweg im Verhältnis zur Länge des Vorderwagens wird sehr groß. Damit kann bei niedrigerem Insassenpuls mehr Energie durch Deformation abgebaut werden. Ein zusätzlicher Vorteil liegt in den teleskopartig wirkenden Schälträgern. Das Rohrprofil wird im Crash erhalten, damit verlieren die Rohrprofile kaum an Quersteifigkeit, was in einem Folgecrash Leben retten kann.
Die Gitterstruktur des Vorderwagens dient der kinematischen Führung der Schälträger. Sie muss so ausgelegt werden, dass über 80% der Energien in die Schälträger geleitet werden, um undefinierte zusätzliche Kraftniveaus über das Stabwerk zu vermeiden. Damit wird der Insassenpuls reproduzierbar und exakt abstimmbar. Dazu werden an definierten Knickstellen des Stabwerks duktile Verbindungsknoten eingesetzt, z. B. aus Aluminium. Sie dienen zum einen als kinematische, plastische Gelenke und verhindern ein frühzeitiges Versagen der Mg-Profile durch Knicken.
Wirkprinzip beim Offset-Crash 25% bzw. 40% Überdeckung: Es gibt verschiedene Offset-Crashtests, z. B. einen 40% Offset-Crash nach ECE R94 mit 40 km/h auf eine deformierbare Barriere, oder der seit 2012 von der IIHS (Insurance Institute for Highway Safety) durchgeführte Small-Overlap mit 25% Überdeckung bei 64 km/h gegen eine starre Barriere. Die Anforderungen bei Offset-Crashtests an die Struktur eines Fahrzeugs sind wesentlich höher als bei einer 100% Überdeckung. Die Kraft greift hier über eine kleinere Fläche am Fahrzeug an, was das Kraftniveau an den Längsträgern stellenweise wesentlich höher als bei einem 100%-Offset-Crash ansteigen lässt. Der Insassenpuls liegt dabei meist niedriger als bei einer 100% Überdeckung, was in den meisten Fällen an der größeren Deformation liegt.
112 zeigt einen Front-Crash 20% bzw. 40% Überdeckung. In einem Front-Crash mit 40% Überdeckung wird bei fast allen Karosserieformen ein Längsträger getroffen. Diese sind in ihrer Festigkeit so ausgelegt, dass sie möglichst viel Energie durch Deformation abbauen können und den Insassenpuls möglichst gering halten. Der Längsträger stützt sich dabei auf der Stirnwand und dem Seitenschweller ab. Beim Small-Overlap mit 25% Überdeckung versagen die meisten gängigen Karosseriekonzepte. Der Längsträger wird beim Aufprall nicht getroffen und kann somit keine Kräfte aufnehmen. Die Kräfte auf den Stoßstangen-Querträger treffen nicht mehr in einer Linie auf die Gegenkräfte der Längsträger. Es entstehen hohe Scherkräfte, die den Querträger einfach abknicken lassen, bzw. einfach abscheren. Seine Kraftverteilungsfunktion ist damit nicht mehr gegeben, und die kinetische Energie kann nicht über die Crash-Boxen aufgenommen und abgebaut werden. Der Überlebensraum der Insassen wird meist nicht mehr ausreichend geschützt, und schwere Verletzungen sind die Folge.
Das in diesem Konzept beschriebene Waagen-Prinzip (siehe 32), in Kombination mit einem formstabilen Stoßstangen-Querträger, bewirkt einen wesentlich höheren Energieabbau bei einem Offset-Crash, als bei allen gängigen Karosseriekonzepten und schützt die Fahrgastzelle auch bei kleinen Überdeckungen vor großen Deformationen und hohen Beschleunigungspulsen.
Ein mit Schaum gefüllter Stoßstangen-Querträger mit großem Querschnitt kann hierbei für die benötigte Formstabilität sorgen. Das wesentlich niedrigere Kraftniveau der seitlich liegenden Längsträger, im Vergleich zu herkömmlichen Vorderwagenkonzepten, verringert zusätzlich die Scherkräfte am Querträger und verhindert ein frühzeitiges Versagen. Die Verteilungsfunktion bleibt damit im Crashverlauf erhalten, und die Kräfte können in die Schälträger geleitet werden. Der Querträger wird dabei wie bei einer Waage um das elastische Gelenk am mittig liegenden Schälträger gedreht. Dadurch wird Druck auf den stoßzugewandten Schälträger und Zug auf den stoßabgewandten Schälträger ausgeübt. Das doppelt wirkende Schälelement in den beiden seitlich liegenden Längsträgern kann auf diese Weise die Stoßenergie in Zug und Druckrichtung aufnehmen. Somit kann auch über den stoßabgewandten Längsträger ein großer Anteil der Energie durch Deformation abgebaut werden. Zusätzlich ergeben die Zug und Druckkräfte ein Moment um das Gelenk am mittleren Längsträger und drehen das Fahrzeug aus der Kollisionslinie. Eine Verlängerung am Stoßfänger-Querträger, z. B. durch das Kühlermodul, fängt die Vorderkante des Vorderrades der stoßzugewandten Seite und dreht dieses vorne nach innen. Das Rad wird dabei quergestellt und bildet zusammen mit dem Querträger eine Leitfläche für beide Kollisionspartner. Die Fahrzeuge können so dem „Aikido-Prinzip” folgend aneinander abgleiten. Die Kraft wird dabei umgeleitet, nicht aufgefangen. Somit können sich die Kollisionspartner früher voneinander trennen, und es muss im Gesamten weniger Energie durch Deformation abgebaut werden. Zusätzlich unterstützt das eingedrehte Rad die Lenkbewegung weg vom Unfallgegner, unterbindet eine größere Blockbildung durch das Vorderrad und damit ein Eindringen in den Fußraum.
Der formstabile Stoßstangen-Querträger lässt den Insassenpuls wahrscheinlich früher ansteigen als bei gängigen Karosseriekonzepten. Durch den gleichmäßigen Energieabbau in allen drei Längsträgern und die frühere Trennung des Fahrzeugs vom Kollisionspartner sollte der Maximalpuls aber wesentlich niedriger ausfallen. Der Insassenpuls im Gesamten könnte somit gleichmäßiger und wesentlich niedriger gestaltet werden.
118 zeigt eine Weiterentwicklung des obigen Konzepts, umfassend ein Lenkeinschlagunterstützungselement. Das Lenkeinschlagunterstützungselement ist Teil einer Befestigungsvorrichtung für eine Fahrzeugstoßstange. Die Befestigungsvorrichtung umfasst ein Befestigungselement und ein Schwenkelement, wobei das Schwenkelement dazu geeignet ist, eine befestigte Fahrzeugstoßstange bodenparallel zu schwenken. Das Schwenkelement umfasst ein vorzugsweise mit einem Fluid gefülltes Lenkeinschlagunterstützungselement. Das Lenkeinschlagunterstützungselement umfasst ein Schalelement, in welchem das erste Ende eines Kolbens beweglich geführt wird und wobei am zweiten Ende des Kolbens zumindest mittelbar eine Stoßstange befestigbar ist.
Ein Crash bewirkt eine Erhöhung des Drucks im Fluid. Dieser erhöhte Druck wird erfindungsgemäß dazu genutzt, die Räder des Wagens einschwenken zu lassen, um bei einem Crash das Fahrzeug vom Crash weg zu lenken. Ohne diese Unterstützung gelingt dies zum gegenwärtigen Zeitpunkt nicht schneller als 50 ms. Mit dieser Unterstützung gelingt dies erfindungsgemäßen Ansatzes gelingt dies bereits bei um die 5 ms.
Dieses Konzept ist auch zur Nachrüstung geeignet. Wenn man die sowieso in jedem Fahrzeug vorhanden Typschadenelemente (wieder) als Fluiddämpfer ausführt, dann kann man mit einfachen Hydraulikleitungen diesen Betätigungseffekt ohne großen Aufwand auch in bestehenden Fahrzeugen nachrüsten und damit die passive Sicherheit deutlich verbessern
Folgende Technologien wurden zur Umsetzung des geschilderten Konzepts wie folgt weiterentwickelt:

1) Umstellung der YAG-Laser auf modernste Lasertechnologie; erfolgreiche Schweißversuche und Parametrierung an Blechen (z. B. 1 mm) mit Stumpf und Überlappstoß; Schweißgeschwindigkeit >= 15 m/min bei nur 500 W Laserleistung; hervorragende Nahtqualität
2) Durchbruch in der Oberflächenbeschichtung von Mg und im Speziellen MnE21/MnE100; > 1000 h im Salzsprühtest bestanden
3) GM hat das bisherige als MnE21 bekannte Mischmetall unter der Bezeichnung MnE100 weltweit für seine Fahrzeuge frei gegeben; kann jetzt von jedem ohne Lizenzgebühren verwendet werden.
4) Aktuelle Konzepthauben mit MnE-Innenstruktur weisen eine 50% Gewichtsersparnis der Innenstruktur im Vergleich zu der Serienhaube, bessere Steifigkeitswerte, günstigeres Verhalten im Kopfaufprall und sehr gutes Abschneiden auf den Vergleichsfahrten auf.
5) Ein weiteres Einsatzfeld der kommenden Jahrzehnte ist die Mehrwasserentsalzung.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

ECE R94 [0091]

Claims

Lenkeinschlagunterstützungselement für eine Befestigungsvorrichtung einer Fahrzeugstoßstange, wobei die Befestigungsvorrichtung die Fahrzeugstoßstange mit der KFZ-Karosserie mit Hilfe eines Schwenkelements bodeparallel schwenkbar verbindet und/oder wobei an der Stoßstange mindestens ein Stoßstangenverlängerungselement angeordnet ist, welches im Falle eines durch einen Crash erfolgten Kraftangriffs diese Stoßstange axial verlängert.
Lenkeinschlagunterstützungselement für eine Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 1 wobei das das Schwenkelement schwenkbar zwischen Stoßstange und KFZ-Karosserie angeordnet ist und ein ausziehbares und einfahrbares Kolben-Zylindersystem umfasst.
Lenkeinschlagunterstützungselement für eine Befestigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schwenkelement ein Schalelement umfasst, in welchem das erste Ende eines Kolben beweglich geführt wird und wobei am zweiten Ende des Kolbens zumindest mittelbar eine Stoßstange befestigbar ist und/oder wobei der Raum zwischen Kolben und Schalelement leer ist, und/oder ein Fluid umfasst, und/oder einen Schaum umfasst.
Lenkeinschlagunterstützungselement für eine Befestigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fahrzeugstoßstange an mindestens einem Befestigungselement und an mehr als einem Schwenkelement befestigt ist.
Lenkeinschlagunterstützungselement für eine Befestigungsvorrichtung nach einem der zuvor genannten Ansprüche, wobei mindestens eines der Befestigungselemente mindestens ein Druckschälelement umfasst.
Lenkeinschlagunterstützungselement für eine Befestigungsvorrichtung nach einem der zuvor genannten Ansprüche, wobei dieses Druckschälelement Bauteile umfasst, welche sich bei Druckbeaufschlagung relativ zueinander bewegen und bei dieser Relativbewegung Energie abbauen.
Lenkeinschlagunterstützungselement für eine Befestigungsvorrichtung nach einem der zuvor genannten Ansprüche, wobei mindestens ein Druckschälelement elektrorheologische Fluide beinhaltet.
Lenkeinschlagunterstützungselement für eine Befestigungsvorrichtung nach einem der zuvor genannten Ansprüche, wobei die Fahrzeugstoßstange an mindestens drei Befestigungselementen befestigt ist und wobei das mindestens eine Schwenkelement zwischen dem zentralen Befestigungselement und der Stoßstange befestigt ist.
Lenkeinschlagunterstützungselement für eine Befestigungsvorrichtung nach einem der zuvor genannten Ansprüche, wobei die beweglichen Elemente mit Hydraulikschläuchen untereinander verbunden sind und hydraulisch bewegbar sind.
Lenkeinschlagunterstützungselement für eine Befestigungsvorrichtung für eine Fahrzeugstoßstange nach einem der zuvor genannten Ansprüche, wobei das Lenkeinschlagunterstützungselement für eine Befestigungsvorrichtung eine Fachwerk-Struktur aus ME100Strangpressprofilen umfasst.
Lenkeinschlagunterstützungselement für eine Befestigungsvorrichtung nach einem der zuvor genannten Ansprüche, wobei das axial verlängerbare Stoßstangenende mit Hilfe einer gleitenden Verbindung mit dem Zentralstück der Stoßstange axial führbar verbunden ist und mit Hilfe einer Stoßstangen-Ausfahr-Vorrichtung ausgefahren werden kann.
Vorderwagen, oder Fahrzeugkarosserie, oder Kraftfahrzeug umfassend mindestens eine Lenkeinschlagunterstützungselement für eine Befestigungsvorrichtung für eine Fahrzeugstoßstange nach einem der zuvor genannten Ansprüche.
Vorderwagen, oder Fahrzeugkarosserie, oder Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 12, wobei im Falle des Schwenkens der Stoßstange um das zentrale Befestigungselement der Schwenkvorgang mindestens bis zur Berührung eines Endes des Vorderrads zu erfolgen in der Lage ist und danach im Falle einer weitergehenden Schwenkbewegung durch die Berührung mit dem Vorderrad eine Lenkbewegung einzuleiten in der Lage ist.
Vorderwagen, oder Fahrzeugkarosserie, oder Kraftfahrzeug gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 12 oder 13, wobei im Falle einer dezentral auf die Stoßstange auftreffenden, im wesentlichen bodenparallelen, Kraft der Schwenkvorgang und die Befestigungselemente bei Erschöpfen ihrer Fähigkeit Kräfte aufzunehmen, geeignet sind, eine weitere Kraftaufnahme durch die Verformung des Vorderwagens einzuleiten.
Kraftfahrzeug gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 14, wobei das Kraftfahrzeug ein Fahrzeug mit Elektroantrieb ist.