DE202015001330U1

DE202015001330U1 - Befestigungsvorrichtung für eine Stoßstange

Info

Publication number: DE202015001330U1
Application number: DE202015001330.9U
Authority: DE
Original assignee: Semcon Holding GmbH and Co KG
Current assignee: Rudzewski Stephen Dr De; Stolfig Felicia De
Priority date: 2015-02-19
Filing date: 2015-02-19
Publication date: 2016-05-20
Anticipated expiration: 2025-02-20

Abstract

Befestigungsvorrichtung für eine Fahrzeugstoßstange, umfassend ein Befestigungselement und ein Schwenkelement, wobei das Schwenkelement dazu geeignet ist, eine befestigte Fahrzeugstoßstange bodenparallel zu schwenken.

Description

Die Erfindung betrifft ein Befestigungselement und 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.
Aufgabenstellung: Wie sähen Autos aus, wenn 1900 nicht Stahlblech und Verbrennungsmotor, sondern Leichtbau und alternative Antriebe der Standard gewesen wären? Ziel war, ein für Leichtbaumaterialien geeignetes, kostengünstiges Konzept mit bestmöglicher Crash-Sicherheit zu entwickeln. Im Lastenheft wurden alle Zwangsbedingungen, resultierend aus Verbrennungsmotor, mechanischem Antrieb, „Stahlblech” und „Fertigung auf bestehenden Linien”, freigegeben. Auf Basis dieser Möglichkeiten wurde der innovative Vorderwagen speziell für Fahrzeuge mit alternativen Antrieben entwickelt, der diametral anders ist als die bestehenden Lösungen.
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 musste eine Lösung für eine optimierte Energieaufnahme und eine verbesserte Crashsicherheit speziell für die geplanten Leichtbaukonzepte gefunden werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Befestigungsvorrichtung für eine Fahrzeugstoßstange, umfassend ein Befestigungselement und ein Schwenkelement, wobei das Schwenkelement dazu geeignet ist, eine befestigte Fahrzeugstoßstange bodenparallel zu schwenken.
Klassisch ist der Vorderwagen eines Kraftfahrzeugs über einem linken und rechten sehr stabilen Längsträger mit einem Stoßstangenquerträger verbunden, auf welchem dann die meist aus Kunststoff gefertigte Stoßstangenhaut aufgebracht ist. Durch diese Befestigung weist die Stoßstange über die gesamte Fahrzeugbreite einen sehr ungleichmäßigen Crashwiderstand auf. Da Kotflügel, Haube, Frontend etc. bei einem Crash eher vernachlässigbar sind, nehmen nach der Stoßstange und den Längsträgern im weiteren Crashverlauf erst die Kühler/Motoreinheit sowie die Räder/Achsen größere Kräfte auf und dies zu Lasten einer gleichmäßigen Verzögerung. Standardmäßig wird bei derartigen Simulationen zugrundegelegt, dass die Stoßstange bei einem Crash vom nächsten Längsträger zum weiter entfernten Längsträger nur einen Teil der Crashenergie weiterleitet. Dier größte Betrag abgebauter Crashenergie wird von großflächigen Hindernissen, wie der Stoßstange und dem, dem Crash nächsten Längsträger übernommen. 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. In Folge 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 können die Folge sein.
Die Aufgabe besteht daher darin, eine Überlastung eines der Längsträger zu verhindern.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Befestigungsvorrichtung für eine Fahrzeugstoßstange, umfassend ein Befestigungselement und ein Schwenkelement, wobei das Schwenkelement dazu geeignet ist, eine befestigte Fahrzeugstoßstange bodenparallel zu schwenken.
Vorzugsweise wird daher die Stoßstange (also Außenhaut und Querträger) eines Fahrzeugs einer Befestigungsvorrichtung verbunden, die wiederum mindestens ein Schwenkelement und mindestens ein Befestigungselement aufweist. Das Schwenkelement wird mit dem Befestigungselement vorzugsweise in Reihe befestigt. Die Befestigungsvorrichtung verbindet wiederum die Stoßstange mit der Karosserie, beispielswiese indem die beiden Befestigungselemente in der Gestalt eines „Y”, an dessen obere Enden die Stoßstange befestigt ist und an dessen unterem Ende die Befestigung an der Karosserie erfolgt; nur daß dieses „Y” eben im wesentlichen bodenparallel am Fahrzeug befestigt ist. Das Schwenkelement ist derart ausgeprägt, daß es ein bodenparalleles Schwenken der daran befestigten Stoßstange ermöglicht. Auf diese Weise kann die Stoßstange im Falle eines z. B. durch einen Crash verursachten dezentralen Kraftangriffs mit Hilfe des Schwenkelements im Wesentlichen bodenparallel um das Schwenkelement herum schwenken und letztendlich zusätzliche Kräfte kompensieren. Der Betrag der kompensierbaren Kraft hängt in erster Linie vom verwendeten Schwenkelement ab. Als einfachste Ausprägung eines derartigen Schwenkelements kann ein Scharnier Verwendung finden, welches derart mit der Karosserie verbunden ist, daß es, indem der Scharnierzapfen beispielswiese bezogen auf den Fahrzeugboden vertikal verläuft. Die Kraft-/Energiekompensation kann hierbei translatorisch und/oder rotatorisch erfolgen.
Eine derartige Befestigungsvorrichtung, wobei die Fahrzeugstoßstange an mehr als einem Befestigungselement und Schwenkelement befestigt ist, bewirkt eine präzisiere Schwenkbewegung und eine höhere Kompensation der Energie eines eingeleiteten Crashs. Durch die Schwenkbewegung wird bewirkt, dass die Stoßstange eben durch diese Schwenkbewegung den Reifen, zu welchem sie hinschwenkt, berührt, und ihn wegzudrücken in der Lage ist. Durch dieses Wegdrücken des Reifens kann – durch den Crash bewirkt – die Stoßstange über den weggedrückten Reifen in diesen Reifen eine unmittelbare Lenkbewegung einleiten. Durch diese Lenkbewegung wird wiederum das Fahrzeug aus der Fahrtrichtung, in der der Crash erfolgte, unmittelbar weglenkt.
Eine derartige Befestigungsvorrichtung, wobei die Fahrzeugstoßstange an mindestens drei Befestigungselementen befestigt ist und wobei das mindestens eine Schwenkelement zwischen dem zentralen Befestigungselement und der Stoßstange befestigt ist, bewirkt eine präzisere Führung des Schwenkvorgangs.
Eine derartige Befestigungsvorrichtung, wobei bei mindestens zwei der Befestigungselemente 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.
Diese Ausgestaltungsform umfasst somit ein Befestigungselement einer Stoßstange zum Fahrzeug, umfassend einen zentralen Stoßstangenträger, sowie an jeder Seite benachbart zu diesem mindestens einen weiteren Stoßstangenträger, wobei auf dem zentralen Stoßstangenträger, sowie auf den weiteren Stoßstangenträgern eine Stoßstange schwenkbar angeordnet ist, und wobei mindestens einer der Stoßstangenträger auf jeder Seite eine Befestigungsvorrichtung gemäß der zuvor beschriebenen Befestigungselement umfasst. Dieser Aufbau erinnert an eine Balkenwaage.
Eine derartige Befestigungsvorrichtung, wobei mindestens eines der Befestigungselemente mindestens ein Druckschälelement umfasst bewirkt, dass ein zusätzliches Reservoir bereitgestellt werden kann, welches in der Lage ist, weitere Kräfte aufzunehmen.
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 Befestigungsvorrichtungen, wie z. B. drei Schälträgern (also Befestigungselement plus 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 (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.
Eine derartige 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.
Eine derartige Befestigungsvorrichtung, wobei mindestens ein 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.
Eine derartige Befestigungsvorrichtung, wobei mindestens eines der weiteren Befestigungselemente mindestens ein Druckschälelement umfasst, bewirkt die Bereitstellung eines noch weiteren zusätzlichen Kraft/Energieaufnahmereservoirs. Derartige Druckschälelemente sind ausgelegt, Energie zu absorbieren, indem die beaufschlagende Energie nicht durch ein Knittern 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 Befestigungselemente 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.
Fachwerk 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 Aufgabe wird daher weiterhin gelöst durch einen Vorderwagen, oder Fahrzeugkarosserie, oder Kraftfahrzeug umfassend 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 Befestigungsvorrichtung für eine Fahrzeugstoßstange, 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, 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 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 Trägern ohne die Schälkinematik zu blockieren.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Betätigen einer 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 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 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 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 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 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
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 frühzeitiges 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 (siehe 107) eingesetzt. Diese werden im Crash zu kinematischen Gelenken, lassen den Vorderwagen definiert versagen, sorgen für eine optimale Kraftverteilung im Vorderwagen und führen die Crashelemente.
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. Es gibt eine untere und obere Trägerebene. Dabei ist die rechte und linke Fahrzeugseite mit Querträgeren 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. 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.
Das Wirkprinzip beim Front-Crash 100% Überdeckung: 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. 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.
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, 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.
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 [0094]

Claims

Befestigungsvorrichtung für eine Fahrzeugstoßstange, umfassend ein Befestigungselement und ein Schwenkelement, wobei das Schwenkelement dazu geeignet ist, eine befestigte Fahrzeugstoßstange bodenparallel zu schwenken.
Befestigungsvorrichtung für eine Fahrzeugstoßstange nach Anspruch eins, wobei die Fahrzeugstoßstange an mehr als einem Befestigungselement und Schwenkelement befestigt ist.
Befestigungsvorrichtung für eine Fahrzeugstoßstange nach einem der zuvor genannten Ansprüche, wobei bei mindestens zwei der Befestigungselemente deren erstes Ende nahe der Fahrzeugstoßstange weiter voneinander beabstandet ist, als deren zweites Ende.
Befestigungsvorrichtung für eine Fahrzeugstoßstange nach einem der zuvor genannten Ansprüche, wobei mindestens eines der Befestigungselemente mindestens ein Druckschälelement umfasst.
Befestigungsvorrichtung für eine Fahrzeugstoßstange nach einem der zuvor genannten Ansprüche, wobei dieses Druckschälelement Bauteile umfasst, welche sich bei Druckbeaufschlagung relativ zueinander bewegen und bei dieser Relativbewegung Energie abbauen.
Befestigungsvorrichtung für eine Fahrzeugstoßstange nach einem der zuvor genannten Ansprüche, wobei mindestens ein Druckschälelement elektrorheologische Fluide beinhaltet.
Befestigungsvorrichtung für eine Fahrzeugstoßstange 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.
Befestigungsvorrichtung für eine Fahrzeugstoßstange nach einem der zuvor genannten Ansprüche, wobei mindestens eines der weiteren Befestigungselemente mindestens ein Druckschälelement umfasst.
Befestigungsvorrichtung für eine Fahrzeugstoßstange nach einem der zuvor genannten Ansprüche, wobei die Befestigungsvorrichtung eine Fachwerk-Struktur aus ME100Strangpressprofilen umfasst.
Vorderwagen, oder Fahrzeugkarosserie, oder Kraftfahrzeug umfassend eine Befestigungsvorrichtung für eine Fahrzeugstoßstange nach einem der zuvor genannten Ansprüche.
Vorderwagen, oder Fahrzeugkarosserie, oder Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 10, 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 10 oder 11, 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 10 bis 12, wobei das Kraftfahrzeug ein Fahrzeug mit Elektroantrieb ist.