DE202016103279U1

DE202016103279U1 - Sechzehneckiges Verstärkungselement für Fahrzeuge

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Publication number: DE202016103279U1
Application number: DE202016103279.2U
Authority: DE
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-06-24
Filing date: 2016-06-21
Publication date: 2016-09-23
Anticipated expiration: 2026-06-22
Also published as: US20160375935A1; MX2016008336A; US20190248415A1; US10315698B2; CN205819337U

Abstract

Verstärkungselement für ein Kraftfahrzeug, wobei das Verstärkungselement einen sechzehneckigen Querschnitt umfasst, der sechzehn Ecken aufweist und Seiten und Ecken aufweist, die acht Innenwinkel und acht Außenwinkel erzeugen; wobei jeder Innenwinkel im Bereich von etwa 90° bis etwa 145° liegt; und wobei jeder Außenwinkel im Bereich von etwa 95° bis etwa 175° liegt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Verstärkungselement für eine Fahrzeugkarosserie oder andere Strukturen. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich insbesondere auf ein Verstärkungselement mit einem sechzehneckigen Querschnitt und auf Kraftfahrzeuge, die ein Verstärkungselement mit einem sechzehneckigen Querschnitt umfassen.°
Hintergrund
Es ist für Fahrzeugverstärkungselemente wünschenswert, die Aufprallenergieabsorption und die Biegefestigkeit zu maximieren und gleichzeitig die Masse pro Längeneinheit des Verstärkungselements zu minimieren. Die Aufprallenergieabsorption kann beispielsweise maximiert werden, indem sichergestellt wird, dass sich das Verstärkungselement im Wesentlichen entlang einer Längsachse des Verstärkungselements verdichtet, wenn es einen Aufprall entlang dieser Achse erfährt. Eine solche Längsverdichtung kann als ein stabiles axiales Stauchen des Verstärkungselements bezeichnet werden.
Wenn eine Druckkraft auf ein Verstärkungselement ausgeübt wird, beispielsweise durch eine Kraft aufgrund einer vorderen Aufprallbelastung auf einen vorderen Träger des Fahrzeugs oder ein anderes Verstärkungselement in dem Kraftmaschinenraum, kann das Verstärkungselement in einer Längsrichtung knautschen, um die Energie der Kollision zu absorbieren. Zusätzlich kann ein Verstärkungselement sich dann, wenn eine Biegekraft auf das Verstärkungselement ausgeübt wird, beispielsweise durch eine Kraft aufgrund einer Seitenaufprallbelastung auf einen Vorderseitenschweller, eine B-Säule oder ein anderes Verstärkungselement des Fahrzeugs, verbiegen, um die Energie der Kollision zu absorbieren.
Herkömmliche Verstärkungselemente bauen auf ein Erhöhen der Dicke und Härte der Seiten- und/oder Eckenabschnitte, um die Stauchfestigkeit zu verbessern. Allerdings erhöht eine solche erhöhte Dicke und Härte das Gewicht des Verstärkungselements und reduziert die Herstellbarkeit. Es kann wünschenswert sein, eine Verstärkungsanordnung zu schaffen, die dazu ausgelegt ist, die gleiche oder eine ähnliche Festigkeitssteigerung zu erzielen, wie sie durch die verdickten Seiten und/oder Ecken bereitgestellt wird, und gleichzeitig die Masse pro Einheitslänge des Elements zu minimieren und eine hohe Herstellbarkeit zu erhalten.
Es kann weiterhin wünschenswert sein, ein Verstärkungselement zu schaffen, das eine erhöhte Energieabsorption und ein stabileres axiales Knautschen erzielen kann, wenn Kräfte wie etwa Front- und Seitenaufprallkräfte auf das Verstärkungselement ausgeübt werden, und gleichzeitig auch an Masse zu sparen, um das Fahrzeuggewicht zu reduzieren und Emissionsanforderungen zu erfüllen. Zudem kann es wünschenswert sein, ein Verstärkungselement zu schaffen, das eine verbesserte Energieabsorption erzielen kann und sich verbiegen kann, wenn eine Biegekraft auf das Verstärkungselement ausgeübt wird. Zusätzlich kann es wünschenswert sein, ein Verstärkungselement zu schaffen, das ein verbessertes Leistungsvermögen in Bezug auf Geräusch, Vibration und Rauheit aufgrund einer Kaltverfestigung an seinen Ecken besitzt. Darüber hinaus kann es wünschenswert sein, einen einstellbaren Verstärkungselementquerschnitt zu schaffen, der dazu ausgelegt ist, Festigkeitssteigerungen (d. h. Belastbarkeit und Energieabsorption) über grundlegende polygonale Gestaltungen zu erzielen, aber auch eine Flexibilität bei der Gestaltung ermöglicht, um eine Palette von Fahrzeuganwendungen zu erfüllen.
Zusammenfassung
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung ist ein Verstärkungselement für ein Kraftfahrzeug vorgesehen. Das Verstärkungselement hat einen sechzehneckigen Querschnitt, der sechzehn Ecken umfasst und Seiten und Ecken aufweist, die acht Innenwinkel und acht Außenwinkel erzeugen. Jeder Innenwinkel liegt im Bereich von etwa 90° bis etwa 145°. Jeder Außenwinkel liegt im Bereich von etwa 95° bis etwa 175°.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Verstärkungselement für ein Kraftfahrzeug einen Querschnitt, der sechzehn Ecken umfasst und Seiten und Ecken aufweist, die acht Innenwinkel und acht Außenwinkel erzeugen. Das Verstärkungselement hat eine Längsachse und das Verstärkungselement verjüngt sich entlang der Längsachse.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Fahrzeug ein Verstärkungselement. Das Verstärkungselement umfasst einen sechzehneckigen Querschnitt, der sechzehn Ecken umfasst und Seiten und Ecken aufweist, die acht Innenwinkel und acht Außenwinkel erzeugen.
Zusätzliche Aufgaben und Vorteile werden teils in der folgenden Beschreibung dargelegt und teils durch die Beschreibung offensichtlich oder können durch die Praxis der vorliegenden Lehren erlernt werden. Die Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden mit Hilfe der Elemente und Kombinationen, die speziell in den angehängten Ansprüchen dargestellt sind, realisiert und erreicht werden.
Es gilt zu verstehen, dass sowohl die vorangegangene allgemeine Beschreibung als auch die folgende genaue Beschreibung beispielhaft sind und nur erklärend und nicht beschränkend für den beanspruchten Gegenstand sind. Die begleitenden Zeichnungen, die in der Beschreibung enthalten und Teil von ihr sind, zeigen beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der vorliegenden Lehren zu erklären.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Zumindest einige Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren werden durch die folgende genaue Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen, die damit konsistent sind, deutlich, wobei die Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen betrachtet werden sollte, wobei:
1 eine beispielhafte Ausführungsform eines sechzehneckigen Querschnitts eines Verstärkungselements zeigt, wobei das Verstärkungselement acht Innenwinkel und acht Außenwinkel gemäß den vorliegenden Lehren aufweist;
2A–2B eine Draufsicht und eine perspektivische Ansicht einer ersten beispielhaften Ausführungsform eines Verstärkungselements zeigen, das einen sechzehneckigen Querschnitt mit acht Innenwinkeln und acht Außenwinkeln aufweist, wie es in 1 gezeigt ist;
3A–3B eine Draufsicht und eine perspektivische Ansicht einer zweiten beispielhaften Ausführungsform eines Verstärkungselements zeigen, das gemäß den vorliegenden Lehren einen sechzehneckigen Querschnitt mit acht Innenwinkeln und acht Außenwinkeln aufweist;
4A–4B eine Draufsicht und eine perspektivische Ansicht einer dritten beispielhaften Ausführungsform eines Verstärkungselements zeigen, das gemäß den vorliegenden Lehren einen sechzehneckigen Querschnitt mit acht Innenwinkeln und acht Außenwinkeln aufweist;
5A–5B eine Draufsicht und eine perspektivische Ansicht einer vierten beispielhaften Ausführungsform eines Verstärkungselements zeigen, das gemäß den vorliegenden Lehren einen sechzehneckigen Querschnitt mit acht Innenwinkeln und acht Außenwinkeln aufweist;
6A–6B eine Draufsicht und eine perspektivische Ansicht einer fünften beispielhaften Ausführungsform eines Verstärkungselements zeigen, das gemäß den vorliegenden Lehren einen sechzehneckigen Querschnitt mit acht Innenwinkeln und acht Außenwinkeln aufweist;
7 Verstärkungselemente mit verschiedenen Querschnitten zeigt, die im Wesentlichen die gleiche Dicke, gleiche Länge in Längsrichtung und gleichen Querschnitts-Dimensionen entlang senkrecht orientierten Querachsen mit im Wesentlichen der gleichen Länge aufweisen;
8 einen beispielhaften quasi-statischen axialen Kollaps der in 7 gezeigten Verstärkungselemente zeigt;
9 eine beispielhafte dynamische Stauchung der in 7 gezeigten Verstärkungselemente zeigt;
10 eine Funktion der dynamischen Stauchkraft und der damit zusammenhängenden Stauchdistanz für die in 7 gezeigten Verstärkungselemente zeigt;
11 eine Funktion der dynamischen axialen Stauchenergie und der damit zusammenhängenden Stauchdistanz für die in 7 gezeigten Verstärkungselemente zeigt;
12 sechzehneckige Verstärkungselemente von unterschiedlicher Querschnittsform zeigt, wobei jeder Querschnitt Seiten mit im Wesentlichen gleicher Dicke, gleicher Länge in Längsrichtung und gleichen Querschnitts-Dimensionen entlang senkrecht orientierten Querachsen mit im Wesentlichen der gleichen Länge aufweist;
13 einen beispielhaften quasi-statischen axialen Kollaps der in 12 gezeigten Verstärkungselemente zeigt;
14 eine beispielhafte dynamische Stauchung der in 12 gezeigten Verstärkungselemente zeigt;
15 eine Funktion der dynamischen Stauchkraft und der damit zusammenhängenden Stauchdistanz für beispielhafte Verstärkungselemente zeigt, die die in 12 gezeigten Querschnitte aufweisen;
16 eine Funktion der dynamischen axialen Stauchenergie und der damit zusammenhängenden Stauchdistanz für beispielhafte Verstärkungselemente zeigt, die die in 12 gezeigten Querschnitte aufweisen;
17 eine beispielhafte Ausführungsform eines Fahrzeugrahmens mit einigen Komponenten zeigt, für das ein Verstärkungselement, das sechzehneckige Querschnitte mit acht Innenwinkeln und acht Außenwinkeln aufweist, verwendet werden kann; und
18 eine beispielhafte Ausführungsform einer oberen Fahrzeugkarosserie mit verschiedenen Komponenten zeigt, für die ein Verstärkungselement, das sechzehneckige Querschnitte mit acht Innenwinkeln und acht Außenwinkeln aufweist, verwendet werden kann.
Obwohl die folgende genaue Beschreibung Bezug auf die beispielhaften erläuternden Ausführungsformen nimmt, können viele Alternativen, Abwandlungen und Variationen davon für Fachleute offensichtlich sein. Dementsprechend soll der beanspruchte Gegenstand als weitgefasst betrachtet werden.
Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
Im Folgenden wird auf verschiedene beispielhafte Ausführungsformen genau Bezug genommen, von denen Beispiele in den begleitenden Zeichnungen gezeigt sind. Die verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen sollen die Offenbarung nicht beschränken. Die Offenbarung soll im Gegenteil Alternativen, Abwandlungen und Entsprechungen der beispielhaften Ausführungsformen abdecken. In den Zeichnungen und der Beschreibung sind ähnliche Elemente mit ähnlichen Bezugszeichen versehen. Es sollte beachtet werden, dass Merkmale, die einzeln in der Beschreibung erklärt werden, miteinander in beliebiger technisch zweckmäßiger Weise kombiniert werden können und zusätzliche Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung offenlegen können.
Die vorliegenden Lehren betrachten Verstärkungselemente mit sechzehneckigen Querschnitten, die im Wesentlichen erhöhte Steifigkeit in den Seiten und Ecken aufweisen, ohne wie bei herkömmlichen Verstärkungselemente die Dicke innerhalb der Ecken erhöht zu haben. Die Verstärkungselemente der vorliegenden Offenbarung basieren teilweise beispielsweise auf einer Vielzahl von einstellbaren Parametern, die dazu ausgelegt sind, Festigkeitssteigerungen (d. h. Belastbarkeit und Energieabsorption) gegenüber einfachen polygonalen Gestaltungen (z. B. polygonalen Verstärkungselementquerschnitten mit einer geringeren oder der gleichen Anzahl von Seiten) zu erzielen, während sie auch eine Flexibilität bei der Gestaltung ermöglichen, um eine Reihe von Fahrzeuganwendungen zu erfüllen.
Gemäß den vorliegenden Lehren versieht die Form der Verstärkungselemente, die hier offengelegt ist, das Verstärkungselement mit stabilisiertem Zusammenfalten, reduzierter Stauchdistanz und einer erhöhten Energieaufnahme als Antwort auf eine axial aufgebrachte Aufprallkraft. Die Form verbessert zudem die Feuchtigkeitsabweisungsfähigkeiten des Verstärkungselements und ermöglicht eine individuelle Passung mit anderen Fahrzeugkomponenten.
Die Verstärkungselemente gemäß den vorliegenden Lehren können eine erhöhte Energieabsorption und einen stabileren axialen Kollaps erzielen, wenn Kräfte wie etwa Front- und Seitenaufprallkräfte auf das Verstärkungselement ausgeübt werden. Darüber hinaus können die Seitenlängen und Anordnungen und/oder die Größen der inneren und äußeren Winkel der Verstärkungselemente gemäß den vorliegenden Lehren eine ähnliche, wenn nicht sogar größere, Festigkeitssteigerung als verdickten Ecken erreichen und gleichzeitig die Masse pro Längeneinheit des Elements minimieren und eine hohe Herstellbarkeit erhalten, da das Element durch Stanzen, Biegen, Pressformen, Hydroformen, Formen, Gießen, Extrusion, gleichförmiges oder nicht gleichförmiges Walzprofilieren, Bearbeiten, Schmieden und/oder andere bekannte Herstellungsprozesse ausgebildet werden kann. So ausgebildete Abschnitte können durch Schweißen, Hartlöten, Löten, Kleben, Befestigen, Presspassung oder andere bekannte Verbindungstechniken verbunden werden.
Verstärkungselemente gemäß den vorliegenden Lehren können beispielsweise herkömmliche Stähle, moderne hochfeste Stähle (AHSS), ultrahochfeste Stähle (UHSS), hochfeste Stähle der nächsten Generation (NGHSS), Titanlegierungen, Aluminiumlegierungen, Magnesiumlegierungen, Nylon, Kunststoffe, Komposite, Hybridmaterialien oder anderen geeigneten Materialien umfassen. Die Fachleute auf dem Gebiet würden beispielsweise verstehen, dass das Material, das für ein Verstärkungselement verwendet wird, zumindest teilweise basierend auf der vorgesehenen Anwendung, Festigkeits-/Gewichtsüberlegungen, Kosten, Montageraum und/oder anderen Konstruktionsfaktoren ausgewählt werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel eines sechzehneckigen Querschnitts eines Verstärkungselements 100 gemäß den vorliegenden Lehren ist in 1 dargestellt. Das Verstärkungselement 100 hat sechzehn Seiten. Der dargestellte Querschnitt des Verstärkungselements 100 umfasst sechzehn Seiten mit Längen S₁–S₁₆ und Dicken T₁-T₁₆, acht Innenecken mit Winkeln ϑ_i1–ϑ_i8 und acht Außenecken mit Winkeln ϑ_e1–ϑ_e8.
Der Umfang des sechzehnseitigen Querschnitts bildet im Allgemeinen ein Polygon mit einer Vielzahl von Innen und Außenecken. Wie hierin ausgeführt und in 1 gezeigt kann das Polygon durch Abwechseln von Innen- und Außenwinkeln gebildet werden und insbesondere durch Abwechseln von zwei aufeinanderfolgenden Innenecken/-winkeln mit zwei aufeinanderfolgenden Außenecken/-winkeln gebildet werden. Dieses sich wiederholende Muster, das zwischen zwei aufeinanderfolgenden Innenecken/-winkeln und zwei aufeinanderfolgenden Außenecken/-winkeln abwechselt (d. h. eine abwechselnde Zwei-innen-zwei-außen-Konfiguration), ergibt einen Querschnitt mit bis zu vier halbierenden Symmetrieebenen. Unter einem axialen und symmetrischen Belastungszustand können die Verstärkungselemente mit symmetrischen, polygonalen Querschnitten einschließlich der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Lehren bessere Lasttragefähigkeiten und Energieabsorptionsfähigkeiten als solche mit asymmetrischen, polygonalen Querschnitten mit einer entsprechenden Anzahl von Ecken und Seiten aufweisen. Weiterhin können Verstärkungselemente mit symmetrischen, polygonalen Querschnitten mit mehr als zwei halbierenden Symmetrieebenen (beispielsweise drei halbierenden Symmetrieebenen oder vier oder mehr halbierenden Symmetrieebenen) einschließlich der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Lehren bessere Lasttragefähigkeiten und Energieabsorptionsfähigkeiten als solche mit symmetrischen, polygonalen Querschnitten mit zwei oder weniger halbierenden Symmetrieebenen und einer entsprechenden Anzahl von Ecken und Seiten aufweisen. Wie jedoch Fachleute auf dem Gebiet verstehen werden, kann die Verwendung von asymmetrischen Querschnitten auch andere Vorzüge haben, die Vorteile bieten, die nicht mit einem symmetrischen Querschnitt realisiert werden können. Die vorliegende Offenbarung sieht vor, dass ein sechzehnseitiger, sechzehneckiger Querschnitt gemäß den vorliegenden Lehren entweder symmetrisch oder asymmetrisch sein kann.
Abhängig von der speziellen Anwendung und/oder den gewünschten Merkmalen des Verstärkungselements können die Längen der Seiten und die Dicken der Seiten des sechzehnseitigen, sechzehneckigen Verstärkungselements sowie die Innen- und Außeneckwinkel des Verstärkungselements variiert werden (d. h. eingestellt werden), um eine verbesserte Festigkeit und andere Leistungsmerkmale (z. B. Stabilität der Faltungsmuster) im Vergleich mit konventionellen Verstärkungselementquerschnitten zu erzielen. Das Variieren dieser Merkmale des sechzehnseitigen, sechzehneckigen Verstärkungselements kann die Notwendigkeit einer verstärkten Seiten- und/oder Eckendicke vermeiden. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Lehren können die Längen der Seiten S₁–S₁₆, die Dicken T₁–T₁₆ der Seiten sowie die Innenwinkel ϑ_i1–ϑ_i8 und Außenwinkel ϑ_e1–ϑ_e8 der Eckwinkel beispielsweise gemäß einem verfügbaren Montageraum innerhalb eines Fahrzeugs zu einem bestimmten Grad variiert werden, wie von Fachleuten verstanden würde.
Darüber hinaus kann bei einem Verstärkungselement gemäß den vorliegenden Lehren jeder innere Eckwinkel ϑ_i1–ϑ_i8 des Verstärkungselements Im Bereich von etwa 90° bis etwa 145° liegen und jeder äußere Eckwinkel ϑ_e1–ϑ_e8 des Verstärkungselements im Bereich von etwa 95° bis etwa 175° liegen. Gemäß den vorliegenden Lehren können die Innenwinkel ϑ_i1–ϑ_i8 des Verstärkungselements im Wesentlichen alle gleich sein und in ähnlicher Weise können die Außenwinkel ϑ_e1–ϑ_e8 des Verstärkungselements im Wesentlichen alle gleich sein. Außerdem ziehen die vorliegenden Lehren Ausführungsformen in Betracht, bei denen ein, einige oder alle der Innenwinkel ϑ_i1–ϑ_i8 rechtwinklig sind. Zusätzlich oder alternativ dazu zieht die vorliegende Erfindung Ausführungsformen in Betracht, bei denen sich zumindest einige der Innenwinkel ϑ_i1–ϑ_i8 des Verstärkungselements voneinander unterscheiden und in ähnlicher Weise zumindest einige der Außenwinkel ϑ_e1–ϑ_e8 des Verstärkungselements voneinander unterscheiden. 1 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel, bei dem alle Innenwinkel ϑ_i1–ϑ_i8 etwa 90° betragen, alle äußeren Eckwinkel ϑ_e1–ϑ_e8 etwa 135° betragen und das Seitenverhältnis 1:1 beträgt.
In bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung wie beispielsweise in einer Kraftfahrzeuganwendung kann eine Länge jeweiliger Seiten S₁–S₁₆ des Verstärkungselements im Bereich von etwa 10 mm bis etwa 250 mm liegen. In anderen Ausführungsbeispielen wie beispielsweise in einem Flugzeug, Raumfahrzeug, Wasserfahrzeug oder einer Gebäudeanwendung kann eine Länge jeweiliger Seiten S₁–S₁₆ des Verstärkungselements größer sein.
In bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung wie beispielsweise in einer Kraftfahrzeuganwendung kann eine Dicke T₁–T₁₆ der Seiten des Verstärkungselements im Bereich von etwa 0,6 mm bis etwa 6,0 mm liegen. In anderen Ausführungsbeispielen des Verstärkungselements wie beispielsweise in einem Flugzeug, Raumfahrzeug, Wasserfahrzeug oder einer Gebäudeanwendung kann eine Dicke T₁–T₁₆ der Seiten des Verstärkungselements größer sein. In einem Ausführungsbeispiel kann eine Dicke T₁–T₁₆ jeder der Seiten des Verstärkungselements kann etwa 3,3 mm betragen. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann eine Dicke T₁–T₁₆ jeder der Seiten kann etwa 2,3 mm betragen. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann eine Dicke T₁–T₁₆ jeder der Seiten etwa 2,2 mm betragen. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Dicke T₁–T₁₆ der Seiten im Wesentlichen gleich der Dicke der Ecken für jede Seite. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Dicke T₁–T₁₆ jeweiliger Seitenwände (z. B. Seitenwände 202A–202P (siehe 2A)) in Bezug auf jede andere Seitenwand variieren. Alternativ oder gleichzeitig kann die Dicke T₁–T₁₆ innerhalb jeder Länge der Seiten S1–S16 variieren.
Eine Draufsicht und eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Verstärkungselements 200 mit einem sechzehneckigen Querschnitt mit acht Innenwinkeln und acht Außenwinkeln sind in 2A–2B dargestellt. Das Verstärkungselement 200 hat sechzehn Ecken 204A–H und 206A–H und sechzehn Seitenwände 202A–202P. Acht der Ecken sind Innenwinkelecken 204A–204H und acht der Ecken sind Außenwinkelecken 206A–206H. Das Verstärkungselement 200 hat auch eine erste Querachse 208, eine zweite Querachse 210 und eine Längsachse 212. Obwohl seine Längsachse 212 im Wesentlichen vertikal positioniert gezeigt ist, kann dann, wenn das Verstärkungselement 200 (sowie alle anderen verschiedenen Ausführungsformen gemäß den vorliegenden Lehren) in einem Fahrzeug installiert ist, die Längsachse 212 des Verstärkungselements im Wesentlichen horizontal ausgerichtet sein. Wenn es in einer derartigen Position installiert ist, erleichtert die Form des Verstärkungselements 200 ein Verringern oder Vermeiden einer Feuchtigkeitsansammlung oder Pfützenbildung entlang von Abschnitten der Wände des Verstärkungselements. Zum Beispiel können bestimmte herkömmliche Verstärkungselemente, deren Wände angrenzende Außenwinkel von 90 Grad bilden oder rechteckige, quadratische oder u-förmige Aussparungen oder Vertiefungen bilden, Feuchtigkeit sammeln oder ermöglichen, dass sich Feuchtigkeit in den Vertiefungen konzentriert, was die Möglichkeit einer Schwächung des Verstärkungselements durch Rosten, Abtragung, Rissbildung usw. (d. h. jede Form von Oxidation oder anderer chemischer oder physikalischer Störung, für die das Material zur Herstellung des Verstärkungselements aufgrund des Vorhandenseins von Feuchtigkeit anfälliger sein kann) erhöht.
Im Gegensatz dazu umfasst ein Verstärkungselement, das gemäß den vorliegenden Lehren ausgebildet ist, keinen vertieften Abschnitt, in dem Flüssigkeiten oder Feuchtigkeit für eine lange Zeitdauer verbleiben. Insbesondere sind die Wände des Verstärkungselements relativ zueinander angewinkelt, um eine Abweisen jeglicher Feuchtigkeit oder Flüssigkeit zu fördern, die in einen vertieften Abschnitt des Verstärkungselements fällt. Zum Beispiel umfasst das Verstärkungselement 200 wie in 2A und 2B gezeigt einen ersten vertieften Abschnitt 214 zwischen den Seitenwänden 202A und 202C. Jedoch sind die Seitenwände 202A und 202C durch eine geneigte/abgewinkelte Seitenwand 202B in einer solchen Weise verbunden, dass ein Fluid, dass an der Seitenwand 202B auftrifft oder sich sammelt, die Seitenwand 202B herab und zu den Enden der Seitenwand 202A oder 202C läuft. In ähnlicher Weise umfasst das Verstärkungselement 200 beispielsweise wie in 2A und 2B gezeigt einen zweiten vertieften Abschnitt 215 zwischen den Seitenwänden 202E und 202G, einen dritten vertieften Abschnitt 216 zwischen den Seitenwänden 202I und 202K und einen vierten vertieften Abschnitt 217 zwischen den Seitenwänden 202M und 202O.
Das Verstärkungselement 200 von 2A–2B hat auch einen gleichförmigen Querschnitt entlang einer Länge des Verstärkungselements 200 von einem ersten Ende 218 zu einem zweiten Ende 220 des Verstärkungselements 200. Zusätzlich sind die Längen aller Seiten S₁–S₁₆ in etwa gleich, wie es in 2A–2B dargestellt ist. Wie ebenfalls dargestellt ist, sind alle der Innenwinkel im Wesentlichen gleich und alle der Außenwinkel im Wesentlichen gleich. Insbesondere beträgt jeder Innenwinkel etwa 90° und jeder Außenwinkel beträgt etwa 135°. Die Dicken aller Seitenwände 202A bis 202P sind ebenfalls im Wesentlichen gleich.
Eine Draufsicht und eine perspektivische Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels eines Verstärkungselements 300 mit einem sechzehneckigen Querschnitt mit acht Innenwinkeln und acht Außenwinkeln sind in 3A–3B dargestellt. Das Verstärkungselement 300 unterscheidet sich von dem Verstärkungselement 200 in mehreren Aspekten. Zum Beispiel können wie in 3A und 3B gezeigt eine oder mehrere der Seitenwände des Verstärkungselements in Bezug auf die Längsachse 312 des Verstärkungselements angewinkelt sein, um eine Verjüngung von zumindest einem Teil der Form des Verstärkungselements 300 zu schaffen. Wie in 3A–3B gezeigt ist das Verstärkungselement 300 entlang seiner Länge von einem ersten Ende 318 des Verstärkungselements 300 zu einem zweiten Ende 320 des Verstärkungselements verjüngt. Das Verstärkungselement 300 verjüngt sich entlang seiner Länge mit einem Winkel α, der im Bereich von etwa 1° bis etwa 65° liegen kann. Der Grad der Verjüngung aller Seitenwände kann im Wesentlichen gleich sein oder verschiedene Seitenwände können eine unterschiedlich starke Verjüngung aufweisen. Eine Verjüngung kann aufgrund von Komponentenplatzbeschränkungen und/oder zum effektiven Koppeln, Befestigen oder anderweitigen Anbinden anderer Komponenten mit/an einem Verstärkungselement erforderlich sein.
In dem Ausführungsbeispiel von 3A–3B betragen alle Innenwinkel ϑ_i etwa 90° und alle Außenwinkel ϑ_e etwa 135°. Zudem umfasst das Verstärkungselement 300 wie in 3A–3B gezeigt vertiefte Bereiche 314, 315, 316 und 317. Jeder vertiefte Bereich 314, 315, 316 und 317 erstreckt sich entlang der Länge des Verstärkungselements 300 von dem ersten Ende 318 zu dem zweiten Ende 320. In dem offengelegten Ausführungsbeispiel von 3A–3B sind die Längen der Seiten S₁–S₁₆ jeweils ungefähr gleich denen der anderen Seiten, wenn sie an einem beliebigen Querschnitt entlang der Länge in Längsrichtung des Verstärkungselements 300 abgenommen werden. Die Länge jeder Seite steigt jedoch allmählich/schrittweise entlang der Längsachse 312 des Verstärkungselements 300 von dem ersten Ende 318 zu dem zweiten Ende 320, um eine sich verjüngende Form zu liefern. Wie oben erwähnt ist die Ausführungsform von 3A–3B beispielhaft und daher sind nicht alle in Betracht gezogenen Ausführungsformen mit Variationen der Längen und Dicken der Seiten und der Winkel der inneren und äußeren Eckwinkel der sechzehneckigen Querschnitte mit acht Innenwinkeln und acht Außenwinkeln der Verstärkungselemente gemäß den vorliegenden Lehren in den Figuren gezeigt, sind aber basierend auf den Lehren hierin für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich.
Eine Draufsicht und eine perspektivische Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels eines Verstärkungselements 400 mit einem sechzehneckigen Querschnitt mit acht Innenwinkeln und acht Außenwinkeln sind in 4A–4B dargestellt. Ähnlich wie das Verstärkungselement 300 verjüngt sich das Verstärkungselement 400 entlang seiner Längsachse 412 von einem ersten Ende 418 des Verstärkungselements zu einem zweiten Ende 420 des Verstärkungselements. Wie jedoch in 4A–4B gezeigt unterscheidet sich das Verstärkungselement 400 von den Verstärkungselementen 200 und 300 darin, dass das Abmessungsverhältnis des Querschnitts des Verstärkungselements entlang der Querachsen 408, 410 genommen nicht 1:1 ist; vielmehr ist das Seitenverhältnis etwa 6,5:10,0. 4A–4B veranschaulichen ein Verstärkungselement, das eine erste Länge 422 entlang einer ersten (kleinen) Querachse 408 und eine zweite Länge 424 entlang einer zweiten (großen) Querachse 410 aufweist, wobei die zweite Querachse senkrecht zu der ersten Querachse ist. Das Seitenverhältnis eines Verstärkungselements kann als [erste Länge 422]:[zweite Länge 424] definiert werden. In dem Ausführungsbeispiel von 4A–4B sind alle inneren Eckwinkel etwa gleich, beispielsweise etwa 90°. Im Gegensatz dazu sind die Außenwinkel nicht alle gleich. Insbesondere hat wie in 4A gezeigt jeder der Außenwinkel ϑ_e1, ϑ_e4, ϑ_e5 und ϑ_e8 eine erste Abmessung, beispielsweise etwa 123.5°, während jeder der Außenwinkel ϑ_e2, ϑ_e3, ϑ_e6 und ϑ_e7 eine zweite Abmessung, beispielsweise etwa 145.5°, aufweist. Wie ebenfalls gezeigt ist, weisen die Seiten des Verstärkungselements 400 unterschiedliche Längen auf. Zudem umfasst das Verstärkungselement 400 des Ausführungsbeispiels, das in 4A–4B gezeigt ist, vertiefte Bereiche 414, 415, 416 und 417, die um den Umfang des Verstärkungselements in Abständen angeordnet sind und die sich entlang der Länge des Verstärkungselements 400 erstrecken, wobei sich jeder vertiefte Bereich 414 bis 417 von dem ersten Ende 418 bis zu dem zweiten Ende 420 des Verstärkungselements 400 erstreckt. Wie oben erwähnt ist die Ausführungsform von 4A–4B beispielhaft, und daher sind nicht alle in Betracht gezogenen Ausführungsformen mit Variationen der Längen und Dicken der Seiten, der Winkel der inneren und äußeren Eckwinkel und des Aspektverhältnisses der sechzehneckigen Querschnitte mit acht Innenwinkeln und acht Außenwinkeln der Verstärkungselemente gemäß den vorliegenden Lehren in den Figuren gezeigt.
Eine Draufsicht und eine perspektivische Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels eines Verstärkungselements 500 mit einem sechzehneckigen Querschnitt mit acht Innenwinkeln und acht Außenwinkeln sind in 5A–5B dargestellt. In dem Ausführungsbeispiel von 5A–5B betragen alle der Innenwinkel etwa 90° und alle der Außenwinkel etwa 135°. Wie in 5A gezeigt sind die Längen der Seitenwände 502B, 502F, 502J und 502N im Vergleich zu den Längen der Seitenwände 502A, 502C–E, 502G–I, 502K–M, 502O und 502P größer. Diese Differenz in den Längen der Seiten liefert vertiefte Bereiche 514, 515, 516 und 517, von denen sich jeder entlang der Länge des Verstärkungselements 500 von dem ersten Ende 518 bis zu dem zweiten Ende 520 des Verstärkungselements erstreckt. Diese vertieften Bereiche 514–517 haben jeweils eine Tiefe δ₅₁₄–δ₅₁₇, die im Vergleich mit den vertieften Bereichen in den Verstärkungselementen, die in 2A–4B gezeigt sind, reduziert sind (und als relativ flach angesehen werden können). Diese Art von Parametereinstellung, d. h. das Ändern der Längen der Seiten, um die Tiefe der vertieften Bereiche 514–517 zu reduzieren, kann die Feuchtigkeitsabweisungsfähigkeit des Verstärkungselements 500 verbessern. Insbesondere wirken die Kombination aus der verringerten Tiefe des vertieften Bereichs und der erhöhten Länge der geneigten Wand (des geneigten Bodens) des vertieften Bereichs zusammen, um Feuchtigkeit aus den vertieften Bereichen 514–517 zu leiten.
Eine Draufsicht und eine perspektivische Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels eines Verstärkungselements 600 mit einem sechzehneckigen Querschnitt mit acht Innenwinkeln und acht Außenwinkeln sind in 6A–6B dargestellt. Das Verstärkungselement 600 von 2A–2B besitzt einen einheitlichen Querschnitt entlang einer Längsachse 612 des Verstärkungselements 600 von einem ersten Ende 618 zu einem zweiten Ende 620 des Verstärkungselements 200. Die Dicke jeder Seitenwand 602A–602P ist zudem im Wesentlichen gleich der jeder anderen Seitenwand 602A–602P und in der gesamten Länge in Längsrichtung jeder Seitenwand 602A–602P gleich. Jedoch sind die Längen der jeweiligen Seiten S₁–S₁₆ der jeweiligen Seitenwände 602A–602P nicht alle gleich. Zum Beispiel sind wie in 6A gezeigt die Querschnittslängen S_j der Seitenwände 602A, 602C, 602E, 602G, 602I, 602K, 602M und 602O alle im Wesentlichen gleich, sie sind jedoch anders als die Querschnittslängen S_j der Seitenwände 602B, 602F, 602J und 602N. Ferner weisen 602B, 602F, 602J und 602N alle im Wesentlichen die gleiche Querschnittslänge S_j auf, jedoch sind die Querschnittlängen S_j anders als diejenigen von 602D, 602H, 602L und 602P. Das Verstärkungselement 600 umfasst acht Innenwinkel ϑ_i1–ϑ_i8 und acht Außenwinkel ϑ_e1–ϑ_e8. Wie in 6A–6B gezeigt beträgt jeder der Innenwinkel etwa 105° und jeder der Außenwinkel etwa 150°. Zusätzlich und im Gegensatz zu dem Verstärkungselement 500, das in 5A bis 5B gezeigt ist, sind die Längen der Seitenwände 602B, 602F, 602J und 602N kürzer im Vergleich zu den Längen der Seitenwände 602A, 602C–E, 602G–I, 602K–M, 602O und 602P. Diese Differenz in den Längen der Seiten liefert vertiefte Bereiche 614–617, von denen sich jeder entlang der Länge des Verstärkungselements 600 von dem ersten Ende 618 bis zu dem zweiten Ende 620 des Verstärkungselements 600 erstreckt. Diese vertieften Bereiche 614–617 weisen jeweils eine Tiefe von δ₆₁₄–δ₆₁₇ aus, die im Vergleich zu den vertieften Bereichen in den Verstärkungselementen, die in 5A–5B gezeigt sind, erhöht ist (und als relativ tief betrachtet werden kann). Die erhöhte Tiefe der vertieften Bereiche 614–617 kann durch Variieren der inneren und äußeren Winkel des Verstärkungselementquerschnitts jedoch kompensiert werden. Zum Beispiel führt wie in 6A–6B gezeigt die Erhöhung der Innenwinkel auf mehr als 90° zu einem vertieften Bereich 614, in dem alle Wände des vertieften Abschnitts geneigt sind. Diese Anordnung erhöht die Fähigkeit der vertieften Bereiche 614–617 des Verstärkungselements, Feuchtigkeit abzuweisen.
Im Allgemeinen ziehen die verschiedenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Lehren beispielsweise Verstärkungselemente mit Ecken mit unterschiedlichen Krümmungsradien, mit ungleichmäßigen Querschnitten, mit unsymmetrischen Formen, mit Seiten mit variablen Dicken und/oder mit variablen sich verjüngenden Seiten in Betracht. Verschiedene zusätzliche Ausführungsbeispiele erwägen Verstärkungselemente, die gebogen und/oder gekrümmt sind. Darüber hinaus erwägen zum weiteren Anpassen eines Faltungsmusters und/oder einer Spitzenlastkapazität verschiedene zusätzliche Ausführungsbeispiele auch Verstärkungselemente mit Auslöserlöchern, Flanschen und/oder Faltungen, wie von Fachleuten auf dem Gebiet verstanden wird. Kombinationen von einer oder mehreren der oben beschriebenen Variationen werden auch in Betracht gezogen.
Wie hierin besprochen und verkörpert sind die Längen S₁–S₁₆ und Dicken T₁–T₁₆ der Seiten des Verstärkungselements einstellbare Parameter des Verstärkungselements. Die Längen S₁–S₁₆ und Dicken T₁–T₁₆ der Seiten können eingestellt werden, um gewünschte Eigenschaften in dem Verstärkungselement zu ermöglichen. Beispielsweise sind diese Parameter in der Ausführungsform von 3A–3B so eingestellt, dass ein Verstärkungselement 300 mit Seitenwänden und Ecken, die entlang der Länge in Längsrichtung des Verstärkungselements 300 verjüngt sind, bereitgestellt wird.
Wie hierin besprochen und verkörpert ist das Aspektverhältnis des Querschnitts des Verstärkungselements ein einstellbarer Parameter gemäß den vorliegenden Lehren. Das Aspektverhältnis eines Querschnitts eines Verstärkungselements kann eingestellt werden, um gewünschte Eigenschaften in dem Verstärkungselement bereitzustellen. Beispielsweise sind in der Ausführungsform von 4A–4B diese Parameter so eingestellt, dass ein Verstärkungselement 400 mit zwei Querschnittsabmessungen entlang senkrecht orientierter Querachsen, die entlang der Länge in Längsrichtung des Verstärkungselements 400 im Wesentlichen unterschiedlicher Länge sind, bereitgestellt wird.
Wie hierin besprochen und verkörpert ist die Länge der Seiten S₁–S₁₆ des Querschnittes ein einstellbarer Parameter gemäß den vorliegenden Lehren. Die Längen der Seiten S₁–S₁₆ eines Verstärkungselements können eingestellt werden, um gewünschte Eigenschaften in dem Verstärkungselement bereitzustellen. Beispielsweise ist in der Ausführungsform von 5A–5B dieser Parameter so eingestellt, dass ein Verstärkungselement 500 mit Vertiefungsbereichen 514–517 mit bestimmten Tiefen δ₅₁₄–δ₅₁₇ bereitgestellt wird, die sich entlang der Länge in Längsrichtung des Verstärkungselements 500 erstrecken.
Wie hierin besprochen und verkörpert sind die acht Innenwinkel ϑ_i1–ϑ_i8 und acht Außenwinkel ϑ_e1–ϑ_e8 einstellbare Parameter des Verstärkungselements. Die Innenwinkel ϑ_i1–ϑ_i8 und Außenwinkel ϑ_e1–ϑ_e8 können eingestellt werden, um gewünschte Eigenschaften in dem Verstärkungselement bereitzustellen. Beispielsweise sind diese Parameter in der Ausführungsform von 6A–6B so eingestellt, dass ein Verstärkungselement 600 mit geneigten vertieften Bereichen 614–617 mit einer bestimmten Tiefe δ₆₁₄–δ₆₁₇ bereitgestellt wird, die sich entlang der Länge in Längsrichtung des Verstärkungselements 600 erstrecken.
Wie hier beschrieben und verkörpert können mehrere einstellbare Parameter, einschließlich, aber nicht beschränkt auf die Längen S₁–S₁₆ und Dicken T₁–T₁₆ der Seiten des Verstärkungselements, das Aspektverhältnis des Querschnitts des Verstärkungselements ist, die Innenwinkel ϑ_i1–ϑ_i8 und Außenwinkel ϑ_e1–ϑ_e8 der Ecken und die Tiefen δ_j14–j17 der Vertiefungsbereiche, alle innerhalb desselben Verstärkungselements eingestellt werden. Diese Parameter können alle innerhalb desselben Verstärkungselements eingestellt werden, um gewünschte Eigenschaften in dem Verstärkungselement bereitzustellen.
In den dargestellten Ausführungsformen von 2A–6B können die Verstärkungselemente einen einteiligen Aufbau haben. Wie oben angegeben ist der einteilige Aufbau, der in 2A bis 6B gezeigt ist, nur beispielhaft und die vorliegenden ziehen Verstärkungselemente mit anderem Aufbau wie etwa zweiteiligem Aufbau oder sogar drei- oder mehrteiligem Aufbau in Betracht.
Um die verbesserte Festigkeit und die verbesserten Leistungsmerkmale eines sechzehneckigen Querschnitts mit acht Innenwinkeln und acht Außenwinkeln gemäß den vorliegenden Lehren zu zeigen, haben die Erfinder verschiedene existierende und herkömmliche Verstärkungselementquerschnittgestaltungen basierend auf den hier offengelegten Gestaltungen verglichen. Beispielhafte Verstärkungselemente wurden modelliert und Aufprallsimulationsläufe wurden durchgeführt, wie es im Folgenden anhand von 7–11 gezeigt und beschrieben ist.
Verstärkungselemente unterschiedlicher Formen (d. h. Querschnitte) mit der gleichen Masse, Dicke, Länge in Längsrichtung und den gleichen Querschnittslängen entlang senkrechten Querachsen wurden wie in 7 gezeigt modelliert. Aufprallsimulationen wurden dann für jedes Element durchgeführt, um einen Aufprall mit der gleichen starren Masse (z. B. einem Impaktor), Aufprallgeschwindigkeit und anfänglichen kinetischen Energie zu simulieren.
8 zeigt Querelemente, die einer simulierten quasistatischen Stauchung unterzogen wurden. Während jeder quasistatischen Stauchung ist die Aufprallgeschwindigkeit langsam (z. B. 1 Zoll/min). Ein Impaktor komprimiert die Elemente mit einer kontrollierten Verschiebung. Daher erreichen alle Elemente die gleiche Stauchdistanz in der gleichen Stauchzeit. Somit liefert das Unterziehen mehrerer Verstärkungselemente einer quasistatischen Stauchung einen Vergleich der Faltlänge und der Stauchungsstabilität der Verstärkungselemente. Wie in 8 gezeigt wies der sechzehneckige Querschnitt gemäß den vorliegenden Lehren den stabilsten axialen Kollaps und die kleinste Faltlänge auf.
9 zeigt Querträger, die einer simulierten dynamischen Stauchung unterzogen wurden. Während jeder dynamischen Stauchung wird der Impaktor durch eine Gaspistole mit einer bestimmten Masse und Anfangsaufprallgeschwindigkeit angetrieben, was eine bestimmte anfängliche kinetische Energie erzeugt. Die anfängliche kinetische Energie staucht die Elemente. Das Leistungsvermögen jedes Verstärkungselements kann durch Messen der Stauchdistanz und der spezifischen Energieabsorption jedes Verstärkungselements verglichen werden. Wie in 9 gezeigt wies der sechzehneckige Querschnitt gemäß den vorliegenden Lehren auch die kürzeste Stauchdistanz auf.
10 stellt die dynamische Stauchkraft (in kN) und die damit verbundene axiale Stauchdistanz (in mm) für die simulierten dynamische Stauchung dar, die in axialer Richtung auf die beispielhaften Verstärkungselemente mit den Querschnitten, die in 7 gezeigt sind, ausgeübt wird. Wie in 10 gezeigt könnte das Verstärkungselement mit einem sechzehneckigen Querschnitt eine viel höhere Stauchkraft für eine gegebene resultierende Stauchdistanz verglichen mit dem quadratischen, hexagonalen, kreisrunden, acht- und zwölfeckigen Querschnitten ertragen. Insbesondere erzielte der sechzehneckige Querschnitt gemäß den vorliegenden Lehren eine 65-prozentige Erhöhung der durchschnittlichen Stauchkraft und/oder Stauchenergieabsorption verglichen mit dem Achteck.
11 stellt die dynamische axiale Stauchenergie (in kN – mm) und die damit verbundene axiale Stauchdistanz (in mm) für eine simulierte dynamische Stauchung dar, die auf die beispielhaften Verstärkungselemente ausgeübt wird, deren Querschnitte in 7 gezeigt sind. Wie in 11 gezeigt könnte das Verstärkungselement, das einen sechzehneckigen Querschnitt aufweist, die gleiche kinetische Gesamtenergie des Aufpralls über eine viel kürzere Distanz verglichen mit den quadratischen, hexagonalen, kreisförmigen und achteckigen Querschnitten aufnehmen. Insbesondere nahm ein sechzehneckiger Querschnitt gemäß den vorliegenden Lehren die volle axiale Stauchenergie in etwa 60% der axialen Stauchdistanz des einfachen oktogonalen Querschnitts auf.
Um die verbesserte Festigkeit und die verbesserten Leistungsmerkmale eines sechzehneckigen Querschnitts gemäß den vorliegenden Lehren im Vergleich mit einfachen sechzehnseitigen Querschnittsentwürfen weiter zu demonstrieren, wurden beispielhafte Verstärkungselemente modelliert und Aufprallsimulationsläufe durchgeführt, wie nachfolgend unter Bezugnahme auf 12–16 gezeigt und beschrieben ist.
Verstärkungselemente unterschiedlicher Formen (d. h. sechzehnseitigen Querschnitten) mit der gleichen Dicke, Länge in Längsrichtung und den gleichen Querschnittslängen entlang senkrechtet Querachsen wurden wie in 12 gezeigt modelliert. Wie oben wurden dann Tests für jedes Element durchgeführt, um einen quasistatischen Kollaps und eine dynamische Stauchung mit derselben starren Masse (z. B. einem Impaktor), Aufprallgeschwindigkeit und anfänglichen kinetischen Energie zu simulieren. Wie in 13 für den quasistatischen Kollaps gezeigt wies der sechzehneckige Querschnitt gemäß den vorliegenden Lehren den stabilsten axialen Kollaps und die kleinste Faltlänge auf. Ferner wies wie in 14 für die dynamische Stauchung gezeigt der sechzehneckige Querschnitt gemäß den vorliegenden Lehren auch die kürzeste Stauchdistanz auf.
15 stellt die dynamische Stauchkraft (in kN) und die damit verbundene axiale Stauchdistanz (in mm) für die simulierte dynamische Stauchung dar, die in axialer Richtung auf die beispielhaften Verstärkungselemente mit den Querschnitten, die in 12 gezeigt sind, ausgeübt wird. Wie in 15 gezeigt könnte erneut das Verstärkungselement mit einem sechzehneckigen Querschnitt gemäß den vorliegenden Lehren eine viel höhere Stauchkraft für eine gegebene resultierende Stauchdistanz verglichen mit den anderen sechzehnseitigen Querschnitten (d. h. dem einfachen sechzehnseitigen Polygon (Sechzehneck) und dem sechzehnseitigen gerippten Polygon) aushalten. In der Tat erzielte der sechzehneckige Querschnitt gemäß den vorliegenden Lehren einen 75-prozentigen Anstieg der durchschnittlichen Stauchkraft und/oder Stauchenergieabsorption im Vergleich zu dem Sechzehneck.
16 stellt die axiale Stauchenergie (in kN – mm) und die damit verbundene axiale Stauchdistanz (in mm) für eine simulierte dynamische Stauchung dar, die auf die beispielhaften Verstärkungselemente ausgeübt wird, deren Querschnitte in 12 gezeigt sind. Wie in 16 könnte erneut das Verstärkungselement mit einem sechzehneckigen Querschnitt gemäß den vorliegenden Lehren die gleiche gesamte kinetische Energie des Aufpralls über eine viel kürzere Stauchdistanz im Vergleich zu den anderen sechzehnseitigen Querschnitten absorbieren. In der Tat absorbiert der sechzehneckige Querschnitt gemäß den vorliegenden Lehren die volle axiale Stauchenergie in etwa 57 % der axialen Stauchdistanz des Sechzehnecks.
Die sechzehneckigen Querschnitte gemäß den vorliegenden Lehren können daher ein verbessertes Aufprallenergiemanagement gegenüber beispielsweise einfachen polygonalen Verstärkungselementquerschnitten einschließlich eines einfachen sechzehnseitigen polygonalen Querschnitts ermöglichen und gleichzeitig die Masse pro Längeneinheit minimieren, was Masseneinsparlösungen liefert, die das Fahrzeuggewicht reduzieren und neue CAFE- und Emissionsstandards erfüllen.
Über die erhöhten Lasttrage- und Energieabsorptionsfähigkeiten hinaus können Verstärkungselemente gemäß den vorliegenden Lehren zusätzliche Vorteile und Vorzüge wie etwa verbesserte Feuchtigkeitsabweisungsfähigkeiten (wie oben erwähnt), ein erhöhtes Biegeenergieabsorptionsvermögen, eine verbesserter Herstellbarkeit und eine bessere Anpassung der Form zwischen den anderen Komponenten der kompletten Vorrichtung (z. B. des kompletten Fahrzeugs) bieten.
Darüber hinaus kann ein sechzehneckiges Verstärkungselement gemäß den vorliegenden Lehren auch abgestimmt werden, um spezielle Montageanforderungen für den Einsatz in verschiedenen Fahrzeugen zu erfüllen. Aufgrund der besonderen Form des Querschnitts von zumindest einigen der sechzehneckigen Querelemente kann es einfacher sein, anderen Vorrichtungskomponenten mit dem Verstärkungselement zu koppeln, daran zu binden, daran zu befestigen oder auf andere Weise daran zu fixieren. Andere Vorrichtungskomponenten können Kraftmaschinenlager oder Getriebelager umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt.
Sechzehneckige Verstärkungselemente gemäß den vorliegenden Lehren werden für die Verwendung als Strukturelemente in einer Anzahl von Umgebungen in Betracht gezogen. Beispielsweise können Verstärkungselemente, wie sie hierin offenbart sind, in einem Kraftfahrzeug beispielsweise als Knautschdosen, vordere Träger, Mittelträger, hintere Träger, Seitenträger, Shotgun-Träger, Querelemente, Dachstrukturen, Gürtellinienrohre, Türstreben, Säulen, interne Verstärkungen und andere Komponenten verwendet werden, die von der erhöhten Aufprallenergieabsorption oder den anderen hierin beschriebenen Vorteilen profitieren können. Darüber hinaus können die vorliegenden Lehren auf Fahrzeuge mit aufgesetzter Karosserie und selbstragender Karosserie oder andere Arten von Strukturen angewendet werden.
Beispielsweise können wie in 17 und 18 gezeigt sechzehneckige Verstärkungselemente mit acht Innenwinkeln und acht Außenwinkeln gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, um einen Teil des Fahrzeugrahmens und/oder einer oberen Fahrzeugkarosserie oder einen Teil darin zu bilden. 17 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Fahrzeugrahmens 1700 mit mehreren Komponenten, für die das Verstärkungselement verwendet werden kann. Zum Beispiel können die Verstärkungselemente gemäß der vorliegenden Erfindung einen Teil eines Fronthorns 1702, eines vorderen Trägers 1704 eines vorderen Seitenträgers 1706, eines hinteren Seitenträgers 1708, eines hinteren Trägers 1710 und/oder eines oder mehrerer Querelemente 1712 bilden bzw. als solche verwendet werden. Ebenso zeigt 18 ein Ausführungsbeispiel einer oberen Fahrzeugkarosserie 1800 mit mehreren Komponenten, für die das Verstärkungselement verwendet werden kann. Zum Beispiel können die Verstärkungselemente gemäß der vorliegenden Offenbarung als Teil eines Shotgun-Trägers 1802, einer Scharniersäule 1804, einer A-Säule 1806, einer B-Säule 1808, einer C-Säule 1810, einer oder mehrerer Türträger 1812, eines Fahrzeugquerträgers 1814, eines vorderen Kopfteils 1816, eines hinteren Kopfteils 1818, eines Haubenoberteils 1820, eines Dachträgers 1822, eines seitlichen Dachspriegels 1824, eines Längsdachspriegels 1826, eines oder mehrerer Körperquerelemente 1828 und/oder eines Körperquerelements 1830 ausgebildet sein oder dafür verwendet werden.
Darüber hinaus können die Verstärkungselemente gemäß der vorliegenden Offenbarung als Fahrzeugunterbodenkomponenten verwendet werden oder einen Teil davon bilden, beispielsweise als ein Schweller und/oder ein oder mehrere Unterbodenquerelemente. Ebenso können die Verstärkungselemente gemäß der vorliegenden Offenbarung als Fahrzeugkraftmaschinenraumkomponenten verwendet werden oder einen Teil davon bilden, beispielsweise als eine oder mehrere Kraftmaschinenraumquerelemente.
Abhängig von der Anwendung werden die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verschiedene Formen (z. B. verschiedene Querschnitte) aufweisen, um spezifischen Elementplatzbeschränkungen zu erfüllen. Beispielsweise können bei Gebrauch als Fahrzeugfrontträger, um eine optimale axiale Knautschleistung zu erreichen, die Länge und Dicke der Seiten und/oder Winkel der Ecken alle angepasst (eingestellt) werden, um eine optimale Festigkeit, Größe oder Form zu bieten, um die Elementplatzbeschränkungen zu erfüllen.
Obwohl verschiedene beispielhafte Ausführungsformen, die hierin beschrieben sind, für den Einsatz bei Kraftfahrzeugen beschrieben worden sind, ist es angedacht, dass die verschiedenen Verstärkungselemente gemäß der vorliegenden Lehren auch zum Einsatz bei anderen Fahrzeugtypen (z. B. Flugzeugen, Raumfahrzeugen und Wasserfahrzeugen) und/oder Strukturen, für die es erwünscht sein kann, erhöhte Aufprallenergieabsorption bereitzustellen, ausgelegt werden können. Deswegen werden Fachleute den Vorteil dieser Offenbarung schätzen, dass die vorliegenden Lehren Verstärkungselemente für verschiedene Anwendungen bereitstellen. Weitere Abwandlungen und alternative Ausführungsformen verschiedener Aspekte der vorliegenden Lehren werden für Fachleute in dieser Beschreibung ersichtlich werden.
Es gilt zu verstehen, dass bestimmte Beispiele und Ausführungsformen, die hierin erläutert werden, nicht beschränkend sind, und Abwandlungen der Struktur, Abmessungen, Materialien und Vorgehensweisen vorgenommen werden können, ohne vom Geltungsbereich der vorliegenden Lehren abzuweichen.
Für die Zweck dieser Beschreibung und der angehängten Ansprüchen sollen, außer es ist anderweitig angezeigt, alle Zahlen, die Mengen, Prozente oder Anteile ausdrücken, und andere numerische Werte, die in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet werden, so verstanden werden, dass sie in allen Beispielen durch den Begriff „ungefähr“ abgewandelt sind. Dementsprechend sind, außer es ist gegenteilig angezeigt, numerische Parameter, die in der geschriebenen Beschreibung und den Ansprüchen erläutert sind, Annäherungen, die in Abhängigkeit von den erwünschten Eigenschaften, die durch die vorliegende Erfindung erzielt werden sollen, variieren können. Zumindest soll, und nicht als Versuch, die Anwendung der Lehre von Entsprechungen auf den Umfang der Ansprüche zu begrenzen, jeder numerische Parameter zumindest unter Berücksichtigung der Anzahl von dargelegten signifikanten Ziffern und durch Anwenden von allgemeinen Rundungstechniken ausgelegt werden.
Obwohl die numerischen Bereiche und Parameter, die den groben Umfang der vorliegenden Lehren erläutern, Annäherungen sind, sind die numerischen Werte, die in den spezifischen Beispielen erläutert werden, so genau wie mögliche dargelegt. Jeder numerische Wert beinhaltet jedoch von Natur aus gewisse Fehler, die notwendigerweise aus der Standardabweichung, die in seinen jeweiligen Testmessungen gefunden wird, resultieren. Darüber hinaus sollen alle Bereiche, die hierin offengelegt sind, so verstanden werden, dass sie beliebige und alle darin subsummierten Unterbereiche umfassen.
Es ist zu beachten, dass wie in dieser Beschreibung und den angefügten Ansprüchen verwendet die Singularformen "ein", "eine", "einer" und "der", "die", "das" Pluralbezüge umfassen, solange sie nicht ausdrücklich und unzweideutig auf einen Bezug begrenzt sind. Wie hierin verwendet soll der Begriff „umfassen“ und seine grammatikalischen Varianten nicht begrenzend gemeint sein, so dass die Aufzählung von Elementen auf einer Liste nicht als Ausschluss anderer ähnlicher Elemente, die in der Liste aufgenommen oder den aufgezählten Gegenständen hinzugefügt werden können, gemeint ist.
Für Fachleute wird ersichtlich sein, dass verschiedene Abwandlungen und Variationen an den Vorrichtungen und Verfahren der vorliegenden Offenbarung vorgenommen werden können, ohne vom Geltungsbereich ihrer Lehren abzuweichen. Weitere Ausführungsformen der Offenbarung werden Fachleuten durch die Betrachtung der Beschreibung und die Anwendung der hierin offengelegten Lehren deutlich. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die hierin beschriebene Ausführungsform nur als beispielhaft betrachtet werden.
Insbesondere werden Fachleute erkennen, dass ein Verstärkungselement mehr als einen Abschnitt oder ein Stück in Längsrichtung umfassen kann, wobei jeder Abschnitt oder jedes Stück eine oder mehrere der gelehrten Variationen gemäß der vorliegenden Offenbarung aufweist. Diese Variation(en) können kontinuierlich oder mit Unterbrechungen entlang der Länge jedes Abschnitts in Längsrichtung vorgenommen werden. Mit anderen Worten sind ebenfalls Verstärkungselemente angedacht, die Kombinationen von einer oder mehreren Variationen der offengelegten einstellbaren Parameter, die nicht dargestellt oder explizit beschrieben sind, verkörpern.

Claims

Verstärkungselement für ein Kraftfahrzeug, wobei das Verstärkungselement einen sechzehneckigen Querschnitt umfasst, der sechzehn Ecken aufweist und Seiten und Ecken aufweist, die acht Innenwinkel und acht Außenwinkel erzeugen; wobei jeder Innenwinkel im Bereich von etwa 90° bis etwa 145° liegt; und wobei jeder Außenwinkel im Bereich von etwa 95° bis etwa 175° liegt.
Verstärkungselement nach Anspruch 1, wobei jeder der acht Innenwinkel im Wesentlichen gleich ist.
Verstärkungselement nach Anspruch 1, wobei jeder der acht Außenwinkel im Wesentlichen gleich ist.
Verstärkungselement nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Innenwinkel ein rechter Winkel ist.
Verstärkungselement nach Anspruch 4, wobei jeder der Innenwinkel ein rechter Winkel ist.
Verstärkungselement nach Anspruch 1, das ferner mindestens einen vertieften Abschnitt umfasst.
Verstärkungselement nach Anspruch 6, wobei der mindestens eine vertiefte Abschnitt durch zwei Innenwinkel und zwei Außenwinkel des Verstärkungselements definiert ist.
Verstärkungselement nach Anspruch 7, wobei die beiden Außenwinkel, die den vertieften Bereich definieren, benachbart zueinander sind.
Verstärkungselement nach Anspruch 8, wobei die beiden Außenwinkel, die den vertieften Bereich definieren, gleich sind.
Verstärkungselement nach Anspruch 8, wobei die beiden Innenwinkel jeweils größer als 90 Grad sind.
Verstärkungselement nach Anspruch 6, wobei der mindestens eine vertiefte Abschnitt durch drei Seiten des Verstärkungselements definiert ist.
Verstärkungselement nach Anspruch 11, wobei die drei Seiten des Verstärkungselements, die den mindestens einen vertieften Abschnitt definieren, die gleiche Länge haben.
Verstärkungselement nach Anspruch 11, wobei zwei der drei Seiten des Verstärkungselements, die den mindestens einen vertieften Abschnitt definieren, die gleiche Länge haben und die andere der drei Seiten eine andere Länge hat.
Verstärkungselement nach Anspruch 1, wobei die Ecken des Querschnitts im Wesentlichen die gleiche Dicke wie die Seiten des Querschnitts aufweisen.
Verstärkungselement nach Anspruch 6, das ferner vier vertiefte Bereiche umfasst, wobei sich jeder vertiefte Bereich entlang einer Länge des Verstärkungselements von einem ersten Ende des Verstärkungselements zu einem zweiten Ende des Verstärkungselements erstreckt.
Verstärkungselement für ein Kraftfahrzeug, wobei das Verstärkungselement Folgendes umfasst: einen Querschnitt, der sechzehn Ecken umfasst und Seiten und Ecken aufweist, die acht Innenwinkel und acht Außenwinkel erzeugen; und eine Längsachse, wobei das Verstärkungselement sich entlang der Längsachse verjüngt.
Verstärkungselement nach Anspruch 16, wobei jeder Innenwinkel zu einem anderen Innenwinkel und einem Außenwinkel benachbart ist.
Verstärkungselement nach Anspruch 17, wobei der Querschnitt mehr als zwei halbierende Symmetrieebenen hat.
Verstärkungselement nach Anspruch 18, wobei der Querschnitt vier halbierende Symmetrieebenen hat.
Verstärkungselement nach Anspruch 16, wobei mindestens ein Innenwinkel des Querschnitts entlang mindestens eines Teils einer Länge des Verstärkungselements variiert.
Verstärkungselement nach Anspruch 16, wobei eine Dicke von mindestens einer Seite des Verstärkungselements entlang mindestens eines Teils einer Länge des Verstärkungselements variiert.
Fahrzeug, das Folgendes umfasst: ein Verstärkungselement, das einen sechzehneckigen Querschnitt umfasst, der sechzehn Ecken aufweist und Seiten und Ecken aufweist, die acht Innenwinkelecken und acht Außenwinkelecken erzeugen.
Fahrzeug nach Anspruch 22, wobei das Verstärkungselement mindestens ein Fahrzeugstrukturelement ist oder innerhalb dessen ist, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus den folgenden Elementen besteht: einer Knautschdose, einem Fronthorn, einem vorderen Träger, einem vorderen Seitenträger, einem hinteren Seitenträger, einem hinteren Träger, einem Rahmenquerelement, einem Shotgun-Träger, einer Scharniersäule, einer A-Säule, einer B-Säule, einer C-Säule, einem Türträger, einem Fahrzeugquerträger, einem vorderen Kopfteil, einem hinteren Kopfteil, einer Haubenoberseite, einem Dachträger, einem seitlichen Dachspriegel, einem Längsdachspriegel, einem Karosseriequerelement, einem hinteren Plattenquerelement, einem Schweller, einem Unterbodenquerelement und einem Kraftmaschinenraumquerelement.