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Sachgebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Kraftfahrzeugstoßfänger und
insbesondere einen Stoßfänger mit
I-förmigem
Profil, der eine verbesserte Stoßleistung aufweist und aus
thermoplastischen Verbundstoffen mit Glasmatten, welche mit Mineralien
gefüllt
sind, gebildet ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Bestimmungsgemäß müssen Kraftfahrzeugstoßfänger in
der Lage sein, erheblichen Stoßeinwirkungen
zu widerstehen. Stoßfänger aus
Metall oder metallverstärkte
Stoßfänger stellten
bisher aufgrund der Festigkeit und Haltbarkeit der Metallteile die
einzige praktische Alternative für
Fahrzeughersteller dar. Jedoch sind Stoßfängerteile aus Metall teuer
in der Herstellung und verleihen Fahrzeugen zusätzliches Gewicht, wodurch die
Kraftstoffeffizienz verringert wird.
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Fahrzeughersteller
und Fahrzeugteilehersteller haben in großem Umfang mit Kunststoffstoßfängern experimentiert,
um einen kostengünstigeren
und leichteren Ersatz für
die schwereren herkömmlichen
Metallstoßfänger zu
finden. Obwohl erhebliche Fortschritte gemacht wurden, weisen Kunststoffstoßfänger noch
immer ein Verhältnis
von Festigkeit und Gewicht auf, das für die Automobilindustrie nicht
annehmbar ist. Die Nachteile der Kunststoffstoßfänger haben zwei Aspekte. Erstens
ist die Automobilindustrie bisher nicht in der Lage, einen Kunststoff
zu entwickeln, der wirtschaftlich tragbar ist und zur Verwendung
als Stoßfänger annehmbare
Grade an Zug- und Stoßfestigkeit
aufweist. Zweitens ist die Kraftfahrzeugindustrie bisher nicht in der
Lage, eine Kunststoffrahmenanordnung zu entwickeln, die in der Lage
ist, bei Kraftfahrunfällen üblicherweise
auftretenden Stößen zu widerstehen.
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Gegenwärtig sind
die für
Kraftfahrzeugteile und -stoßfänger am
häufigsten
verwendeten Kunststoffe mit Glasmatten verstärkte Thermoplaste. Bei mit
Glasmatten verstärkten
Thermoplast-Verbundstoffen (GMT) handelt es sich um eine Familie
von formpressbaren, fiberglasverstärkten Materialien mit thermoplastischen Matrizen,
deren mechanische Eigenschaften im Allgemeinen besser sind als diejenigen
von standardmäßigen spritzgegossenen
thermoplastischen Verbundstoffen. GMT ist als folgende Glasmattentypen
erhältlich:
Endlosstrang, Wirrfaser-Glasmattenprodukte, welche ein gutes Gleichgewicht
von Steifigkeit und Festigkeit in allen drei Achsen aufweisen, lange
Schnittfaser-Glasmatten, die verbesserte Fließeigenschaften und Verbesserungen
des Energiemanagements bei minimaler Verringerung der Steifigkeit
bewirken.
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Die
verschiedenen Glasmatten werden mit thermoplastischem Harz, üblicherweise
Polypropylen, (obwohl auch andere technische Harze zur Verarbeitung
bei höherer
Temperatur angeboten werden) kombiniert, um ein formbares Produkt
herzustellen. GMT-Materialien werden in Bahn- oder Zuschnittform
Verarbeitungsbetrieben zugeliefert, welche die Materialien durch
Formpressen oder Warmprägen
formen.
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Bis
in die jüngste
Zeit wurden Kunststoffstoßfänger herkömmlicherweise
mit Rahmenanordnungen hergestellt, die einen C- oder W-förmigen Querschnitt
aufweisen; der C- oder W-Querschnitt dient der Beschreibung der
Form der Kunststoff-Querbauglieder, welche vordere und die hintere
Kunststoffstoßfängerwand
miteinander verbinden. Diese Konfigurationen wurden aufgrund vorteilhafter
Energieabsorptionseigenschaften gewählt, insbesondere bei Einwirkung
eines Stoßes
mit vertikaler Kraftkomponente auf den Stoßfänger. Das Kunstsoffstoßfängerdesign
mit I-förmigem
Profil hat sich über
die letzten 10 Jahre entwickelt. Verstärkte Kunststoffstoßfänger haben
eine adäquate
Leistung und eine erhebliche Gewichtsverringerung gezeitigt, jedoch
bei gestiegenen Kosten. 1992 mutmaßte die Publikation Plastic
News, dass "Ein
neues Stoßfängergestaltungskonzept – der I-Träger – bietet
die Möglichkeit,
Kunststoffstoßfänger noch
leichter und im Vergleich mit Stahlstoßfängern bis zu Mengen über 1000000
Stück pro
Jahr zu konkurrenzfähigen
Kosten herstellen zu können".
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US-A-5269574 beschreibt
einen faserverstärkten,
thermoplastischen Kraftfahrzeugstoßfänger, mit einem Vorderabschnitt,
der ein im Wesentlichen flacher vorderer Flansch ist; einem Hinterabschnitt,
der ein im Wesentlichen flacher hinterer Flansch ist; zumindest
einem Querbauglied, wobei das zumindest eine Querbauglied ein im
Wesentlichen flacher Steg ist, der eine erste Kante und eine gegenüberliegende
zweite Kante aufweist, wobei der Steg senkrecht zu dem vorderen
Flansch derart ausgerichtet ist, dass die erste Kante des Stegs
mit dem vorderen Flansch entlang der Mittellinie der flachen Oberfläche des
vorderen Flansches verbunden ist; und wobei der hintere Flansch
parallel zu dem vorderen Flansch derart ausgerichtet ist, dass die zweite
Kante des Stegs entlang der Mittellinie der flachen Oberfläche des
hinteren Flansches verbunden ist; einem Befestigungspunkt als einstückige Befestigungsstrebe
zum Befestigen des Stoßfängers an
einer Aufnahmehardware des Kraftfahrzeugs, wobei die Befestigungshardware
direkt in den Stoßfänger geformt
ist; und wobei der vordere Abschnitt, der hintere Abschnitt und
das zumindest eine Querbauglied aus einem faserverstärkten thermoplastischen
Material mit mineralischen Füllstoffen
geformt sind. Das t 5 269 574 an Bhutani et al. beschreibt einen
Stoßfänger mit
I-Träger-Form,
bestehend aus faserverstärktem
Thermoplast oder in Wärme
ausgehärtetem
verstärktem
Harz. Die den Thermoplast verstärkenden
Fasern sind aus der Gruppe gewählt,
welche besteht aus: rostfreien Stahlfasern, aluminierten Glasfasern,
Zellstofffasern oder Glasfasern. Die Umsetzung des von Bhutani et
al. vorgeschlagenen Designs bringt jedoch Probleme beim Formen mit
sich, die mit den wirtschaftlichen Zwängen der Automobilindustrie
nicht vereinbar sind. Zum Beispiel ist die Stoßfängerstruktur mit I-förmigem Profil
nach Bhutani et al., die gerippte Abschnitte aufweist, während des
Formens nicht adäquat
ausbildbar. Röntgenanalysen
zeigen, dass nur 50–80%
der beim Formen des Stoßfängers nach Bhutani
et al. verwendeten Fasern in die Rippen fließen. Wirtschaftliche Überlegungen
erfordern, dass Befestigungsstege einstückig mit der Struktur ausgebildet
sind.
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EP-A-0 945 253 ,
veröffentlicht
am
29.9.1999 , betrifft
einen faserverstärkten
Kraftfahrzeugstoßfänger aus
einem gefüllten
Verbundmaterial aus Polyolefin, Glasfaser und einem Füllstoff.
Das Füllstoff
ist aus der Gruppe gewählt,
die besteht aus: mineralischen Füllstoffen,
synthetischen Füllstoffen
und pflanzlichen Füllstoffen.
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Die
Erfindung betrifft einen Stoßfänger mit
I-förmigem
Profil, der aus faserverstärktem
Thermoplast gebildet ist, wobei der Faserzusatz aus einer langen,
geschnittenen Glasmatte unter Hinzufügung von mineralischen Füllstoffen,
wie Glimmer, Talk oder Ton besteht. Die Verwendung von mineralischen
Füllstoffen
ermöglicht
das Ersetzen von kostspieligeren Fasern. Das erfindungsgemäße verstärkte thermoplastische
Material hat günstige
Fließeigenschaften,
die es dem Material ermöglichen,
die tiefen Rippen und die Befestigungsstrebenstrukturen, welche
bei Stoßfängern mit
I-förmigem
Profil verwendet werden, beim Formpressen im Wesentlichen zu füllen, wobei
gleichzeitig der Modul oder die Steifigkeit über die Fläche eines fertigen Teils verbessert
wird. Zum ersten Mal ermöglichen
verbesserte Fließeigenschaften
während
des Gießens
das gleichmäßige Fließen des
Materials in kleine Rippen, Vorsprünge und andere Ausformungen.
Dies ermöglicht
eine verstärkte
Teileintegration durch das Gießen
von schmalen Stegen, Verkleidungsträgern, Befestigungslöchern und
Befestigungsstegen. Die erste Fläche
wird mit einem konformen Energieabsorber aus Schaumstoff bedeckt.
Ferner dient der Absorber der Befestigung einer Verkleidung. Das
Ergebnis ist ein kostenreduzierter, gewichtsreduzierter Stoßfänger mit
verbesserter Stoßfestigkeit.
Der erfindungsgemäße Stoßfänger ist
wirtschaftlich, leicht und zeigt im Vergleich mit Stoßfängern auf
Stahlbasis ausgezeichnete Fähigkeiten
in bezug auf die Sicherheit und dem Verformungswiderstand bei Stoßeinwirkung.
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Aufgabe der Erfindung
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Die
Hauptaufgabe der Erfindung ist es, einen Stoßfänger mit I-Querschnitt für Kraftfahrzeuge zu schaffen,
der aus Kunststoff gebildet ist.
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Eine
andere, speziellere Aufgabe der Erfindung ist es, einen GMT-Stoßfänger für Kraftfahrzeuge
zu schaffen, der sämtliche
relevanten Anforderungen an die strukturelle Integrität unter
standardisierten Stoßversuchen
erfüllt,
während
seine Herstellungskosten und sein Teilegewicht verringert sind.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen GMT-Stoßfänger für Kraftfahrzeuge
zu schaffen, der während
des Formpressens des Stoßfängers günstige Fließeigenschaften
zeigt.
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Die
Erfindung ist durch einen Stoßfänger nach
Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 5 definiert.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die
genannten und andere Aufgaben ergeben sich deutlicher unter Bezugnahme
auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung und die zugehörigen Zeichnungen,
welche zeigen:
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1 eine
Draufsicht auf den I-Trägerbereich
des erfindungsgemäßen Stoßfängers.
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2 eine
Querschnittsdarstellung des I-Trägerbereichs
des erfindungsgemäßen Stoßfängers.
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3 eine
Draufsicht auf den verstärkten
I-Trägerbereich
des erfindungsgemäßen Stoßfängers unter Darstellung
von Verstärkungsrippen
für die
Torsionsversteifung.
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4 eine
Querschnittsdarstellung des verstärkten I-Trägerbereich des erfindungsgemäßen Stoßfängers.
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5 eine
perspektivische Ansicht eines I-Träger-Stoßfängers nach einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung zur Darstel lung von Trägern, an welchen die Erfindung
angebracht werden kann.
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6 ein
Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen Stoßfängers.
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7 die
Trägerprofile,
deren Abmessungen unter Verwendung des CAE-Protokolls der Erfindung bestimmt werden.
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8 das
unter Verwendung des CAE-Protokolls der Erfindung erstellte Mittelebenengeometriemodell.
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9 ein
unter Verwendung des CAE-Protokolls der Erfindung erstelltes Dickenprofil
für ein
spezifisches Design.
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Beschreibung des bevorzugten
Ausführungsbeispiels
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Mit
Glasmatten verstärkte
Thermoplast-Verbundstoffe (GMT) stellen eine Familie von formpressbaren, glasfaserverstärkten Materialien
mit thermoplastischen Matrizen dar, deren mechanische Eigenschaften
im Allgemeinen besser als diejenigen von spritzgegossenen Thermoplast-Verbundstoffen
sind.
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Die
vorliegende Erfindung verwendet mineralgefülltes GMT als Grundmaterial
zur Bildung eines I-Profil-Stoßfängers. Mineralgefüllte und
lange Glasschnittfasern aufweisende GMT-Produkte bewirken eine erhebliche
Gewichtsverringerung gegenüber
Endlosstrang-Wirrfaser-Glasmattenprodukten. Während die meisten Träger mit
C- und W-Querschnitt mit einer beliebigen der verfügbaren Glasmatten
hergestellt werden können, hat
das zum Füllen
der Rippen bei verstärkten
I-Querschnittausbildungen erforderliche stärkere Fließen in der Vergangenheit die
Verwendung von kurzen Schnittfasern oder von kurzen Glas- und Mineralprodukten
selbst verlangt. Derartige Schnittfasermattenprodukte sind weniger
kostspielig als ihre Endlosstrang-Gegenstücke. Wie bei allen formgepressten
GMT-Produkten, können
diese Produkte mit anderen GMT- Mattenprodukten
in der Form kombiniert werden, um den Anforderungen eines bestimmten
Designs gerecht zu werden.
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Überraschenderweise
bietet das erfindungsgemäß verwendete
lange Schnittfasermaterial herausragende Fließeigenschaften einschließlich der
Fähigkeit,
in relativ kleine Rippen, Vorsprünge
und andere Ausbildungen zu fließen.
Andere Tests haben die Fähigkeit
dieses Materials erwiesen, eine gleichmäßige Faserverteilung selbst
bei einer Wanddicke von weniger als 2 mm zu erreichen. Diese Eigenschaften
ermöglichen es,
die Teileintegration zu erhöhen,
einschließlich
der Verwendung von Befestigungsstegen, schmalen Stegen, Verkleidungsträgern und
dergleichen. Der hier näher
erörterte
I-Querschnitt kann einstückig
angeformte Befestigungsträger
aufweisen.
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Die
Stoßfängerstruktur
mit I-Profil und mit ihren gerippten Abschnitten zeigt die besten
Leistungen, wenn eine homogene Verteilung der Glas/Harz-Mischung in die tiefen
Rippen fließt.
Die vorliegende Erfindung verwendet langes geschnittenes strukturelles
GMT für
ein verbessertes Fließen
der Glasfasern in sämtliche Bereiche
der Form. Hierdurch kann das Rippendesign des I-Trägers sein
volles Potential bei der Verteilung der Kräfte über die gesamte Trägerstruktur
erreichen. Die Verwendung von langem, geschnittenem strukturellem GMT
bringt Verbesserungen gegenüber
GMT-Formulierungen mit ungeordnetren oder unidirektionalen Glasmatten.
GMT-Formulierungen mit ungeordneten oder unidirektionalen Glasmatten
zeigten marginale Leistungen bei der I-Profil-Trägerherstellung,
wobei die Röntgenanalyse
erwies, dass nur 50–80%
der Glasfasern in die Rippen flossen.
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Im
Gegensatz zur ausschließlichen
Verwendung von Glasfasern verbessert die Formulierung von langem
Glas-GMT, welche eine Substitution durch Mineralfüllstoffe
wie Glimmer, Talk oder Ton umfasst, den Modul und verringert die
Kosten. Die Mineralfüllstoffe
können
auch aus der Gruppe gewählt
sein, welche Kaolin, Calciumcarbonat, TiO2,
Quarzstaub und ausgefällte
Kieselsäure,
Kunststofffasern und -kugeln, ausgefälltes Calciumcarbonat, Holzmehl,
Zellstofffasern, Reisschalen und Nussschalen umfasst. Die Partikelgröße der Füll stoffe
verbessert ferner die Fähigkeit
der Verstärkungen,
die tiefen Rippenbereiche des I-Trägers zu füllen.
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Die
Verwendung von langem, geschnittenem strukturellem GMT ermöglicht es
dem Glasmattenmaterial in dem thermoplastischen Verbundstoff effektiver
in die Rippen einer I-Trägerstruktur
zu fließen,
wodurch die Verteilung von Stoßkräften über den
gesamten Stoßfänger ermöglicht wird.
Die Verwendung von Mineralfüllstoffen
in dem thermoplastischen Verbundstoff bei gleichzeitiger Verringerung
des Glasfasergehalts hält
die Zug- und Biegeeigenschaften des Stoßfängers hoch, während gleichzeitig
erhebliche Kosteneinsparungen erreicht werden. Zwar erhöht sich
die Dichte des erfindungsgemäßen Verbundstoffs
leicht, jedoch gleicht die Senkung der Produktionskosten den Gewichtsanstieg
aus.
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Überraschenderweise
ist die Stoßleistung
der mineralgefüllten
GMT-Produkte erheblich
besser als diejenige von ähnlichen
nicht gefüllten
GMT-Produkten. Die
aus langem, geschnittenem strukturellem GMT bestehenden I-Träger oder
Stoßfänger mit
I-Querschnitt mit Mineralfüllstoffen
weisen gegenüber
herkömmlichen
Stoßfängern eine
verbesserte Festigkeit auf, einschließlich einer verbesserten Kraftwiderstand,
minimiertes Einsdringen, und eine geringere Wahrscheinlichkeit des
Versagens bei großen
Stoßkräften.
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1 ist
eine Draufsicht auf den Bereich des I-Trägers 10 des erfindungsgemäßen Stoßfängers. Der I-Träger 10 hat
einen vorderen Flansch 18 und einen hinteren Flansch 20,
die durch einen Steg 14 miteinander verbunden sind. Der
erfindungsgemäße I-Träger 10 ist
erfolgreich, da Material derart entfernt wurde, dass die Lastaufnahmefähigkeit
bewahrt bleibt, das Gewicht jedoch erheblich verringert ist. Die
Trägheitsmomente
in den beiden Hauptrichtungen können
ein Verhältnis
von bis zu 15:1 aufweisen. 2 ist eine
Querschnittsdarstellung des Bereichs des I-Trägers 10 des erfindungsgemäßen Stoßfängers. Wird
die I-Trägerstruktur 10 als Kraftfahrzeugstoßfänger verwendet,
kann die Last in den vorderen Flansch 18 in einen Mittelbereich 16 oder einen
Endbereich 12 geleitet werden. Ein Barrierenaufprall kann
als zentrierter Stoß angesehen
werden.
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Die
tatsächliche
Breite und die Dicken des vorderen Flanschs 18 und des
hinteren Flanschs 20 sowie des Stegs 14 werden
anhand des Fahrzeugs, an welchem der Stoßfänger angebracht wird, und entsprechend Sicherheitsstandards
festgelegt, welche von amtlichen und privaten Stellen vorgeschrieben
sind. Jedes spezifische Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird mittels rechnergestützter Entwicklungsarbeit entworfen,
wobei der Ablauf derselben im Beispiel B beschrieben ist.
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3 ist
eine Draufsicht auf einen verstärkten
I-Trägerbereich 30 des
erfindungsgemäßen Stoßfängers, welche
Verstärkungsrippen
zur Torsionsversteifung zeigt. 4 ist eine
Querschnittsdarstellung des erfindungsgemäßen I-Trägerbereichs 30 des
erfindungsgemäßen Stoßfängers. Diese
Versteifungen 32 verteilen die Stoßbelastung, wenn ein Stoß außermittig
auf den Stoßfänger einwirkt.
Die Versteifungen sind erforderlich, wenn der Stoßfänger die
behördlichen
und versicherungsmäßigen Vorschriften
erfüllen
soll.
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5 ist
eine perspektivische Darstellung eines I-Träger-Stoßfängers 91 nach einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, welche Halterungen zeigt, an welchen die Erfindung
angebracht werden kann. Eine Stoßfängeranordnung 90 gemäß dieser
Erfindung ist in perspektivischer Ansicht dargestellt. Die Aufnahmehardware
des Fahrzeugs besteht aus Aufnahmen 98 mit kastenartigem
Querschnitt. Einstückige
Befestigungsstreben 94 sind in den I-träger 91 eingeformt,
wodurch das Anbringen von Hardware zu diesem Zweck in einem zweiten
Vorgang entfällt.
Torsionsversteifungsrippen 96 bewirken die erforderliche
Steifigkeit für
außermittige
Stöße. Ein
Energieabsorber 92, beispielsweise ein Energieabsorber
aus 45 g/l expandiertem Polypropylenschaum (EPP), ist aus Gründen der Übersichtlichkeit
von dem I-Träger 91 getrennt
dargestellt.
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6 ist
ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bilden des erfindungsgemäßen Stoßfängers. Die Herstellung
der I-Träger-Stoßfänger unter
Verwendung der zuvor beschriebenen Materialien läuft wie nachfolgend erläutert und
wie in 6 dargestellt ab. Vorgeschnittene GMT-Rohlinge
werden entsprechend einem gewünschten
Volumen des I-Trägers
hergestellt 50. Die Rohlinge werden in einen Förderofen
eingebracht 52, der nahe bei und in einer Linie mit einer
Presse angeordnet ist. Die Rohlinge können mittels manueller oder automatischer
Beschickungsverfahren in den Ofen eingebracht werden. Die Verweilzeit
und die Temperatur des Ofens sind an die Formpresse angepasst, um
geeignete Vorwärmtemperaturen
und einen kontinuierlichen Betrieb der Presse zu gewährleisten.
Vorgewärmte
Rohlinge sind je nach der spezifischen Zusammensetzung der Rohlinge üblicherweise
auf 225°C
vorgewärmt.
Der Formhohlraum wird sodann mit den Rohlingen beschickt 54.
Die Form ist wassergekühlt.
Mit den erfindungsgemäß verwendeten
Materialien können
die Rohlinge zu Blöcken
gewalzt werden, um das kontinuierliche Beschicken der Presse zu
vereinfachen, wodurch Eingriffe seitens des Bedieners minimiert
werden und sich eine ausgezeichnete Uniformität des Endprodukts ergibt. Die
Form wird geschlossen und der Druck bei einer Verweildauer von 30
bis 60 Sekunden erhöht.
Der gepresste Rohling wird sodann abgekühlt und endbearbeitet 58.
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Mit
den erfindungsgemäß verwendeten
Materialien und der erfindungsgemäßen Ausbildung fließt das Verbundmaterial
viel besser in sämtliche
Bereiche der Form. Infolgedessen sind die kostspieligen Endbearbeitungsvorgänge minimiert.
Der Stoßfänger kann
im Wesentlichen ein einstückiges
Teil sein, das kein separates Anbringen von Befestigungsstreben
erfordert. Die Montage- und Endbearbeitungsvorgänge für den Stoßfänger mit I-Querschnitt (beispielsweise
Bohren, Entgraten) können
zu einem sekundären
Vorgang kombiniert werden. Das Ergebnis dieses Herstellungsvorgangs
ist eine vollständige
Unteranordnung mit Energieabsorber und Befestigungsstreben, die
zur Anbringung an einem Fahrzeug bereit ist. Hieraus ergeben sich
wesentliche Kostenersparnisse gegenüber vorherigen Materialien
und Designs. Der hergestellte Stoßfänger wird sodann zur Fahrzeugmontage
transportiert 56.
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Der
erfindungsgemäße Stoßfänger bietet
Maßhaltigkeit.
Die hochstabile Kombination des erfindungsgemäßen Trägerdesigns mit I-Querschnitt
mit geschnittenem Glasfaser-GMT ermöglicht die Einhaltung enger Toleranzen.
Im Folgenden sind einige Beispiele für Toleranzen angeführt, welche
bei der Produktion von Trägern
mit I-Querschnitt gelten:
| – Toleranz
in Querrichtung des Fahrzeugs zwischen – Befestigungslöchern | ± 1,0 mm |
| – Profiltoleranz | ± 1,5 mm |
| – Dickentoleranz | ± 1,5 mm |
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Beispiel A
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Stoßfängerträger wurden
unter Verwendung eines Stoßfänger-Pendeltests
getestet. Es wurden zwei Testkonfigurationen verwendet, nämlich der
FMVSS Barrieretest und der Pfahltest. Es wurden die Daten von 4
Trägern
gesammelt, die jeweils aus 6 verschiedenen Materialien bestanden. Tabelle 1
| Daten des
laboreigenen Pendeltesters |
| Material | Pendelmasse
(kg) | Barrierenspitzenkraft
(N) | Eindringtiefe
(mm) | Bruch
ja/nein |
| 40%
GMT (A) | 1,205 | 76,950 | 60 | Nein |
| 40%
LF GMT | 1,205 | 80,509 | 58 | Nein |
| 40%
GMT (B) | 1,205 | 77,395 | 57 | Nein |
| 40%
LE modifiziertes GMT | 1,205 | 80,509 | 56 | Nein |
| 46%
mineralgefülltes
GMT (Y) | 1,205 | 81,398 | 54 | Nein |
| 45%
mineralgefülltes
GMT (X) | 1,205 | 80,954 | 54 | Nein |
| Material | Pendelmasse
(kg) | Pfahlspitzenkraft (N) | Eindringtiefe
(mm) | Bemerkungen |
| 40%
GMT (A) | 1500 | 65830 | 98 | Träger brachen
bei Pfahlaufprall |
| 40%
LF GMT | 1500 | 67610 | 92 | Träger brachen
bei Pfahlaufprall |
| 40%
GMT (B) | 1500 | 68054 | 95 | Träger brachen
bei Pfahlaufprall |
| 40%
LE modifiziertes GMT | 1500 | 69389 | 88 | Träger brachen
bei Pfahlaufprall |
| 46%
mineralgefülltes
GMT (Y) | 1500 | 69389 | 88 | geringer/mittlerer Schaden |
| 45%
mineralgefülltes
GMT (X) | 1500 | 70278 | 85 | geringer/kein Schaden |
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Sämtliche
getesteten Produkte erbrachten gute Ergebnisse bei der Barrierenbeanspruchung,
wobei kein Träger
brach. Die GMT (A & B)
Materialien waren standardmäßige, im
Handel erhältliche
Produkte von zwei verschiedenen Herstellern. Ihre Leistung war annehmbar
und diente als "Kontrollgruppe" für experimentelle
Analysen. Verbesserte Formulierungen, 40% LF GMT-Produkte, wurden
getestet, zeigten jedoch nur marginale Verbesserungen gegenüber den "Kontrollgruppen". Die Versuche mit
45–45%
mineralgefülltem
GMT erbrachten die höchsten
Barrieren- und Pfahlspitzenlasten und die geringsten Eindringtiefen.
Nur die mineralgefüllten
GMT-Formulierungen erbrachten einen Träger, der wenig bis keinen Bruch
im Pfahltest zeigte. Die Kombination von langem Fiber glas und kleinen
plattenartigen Mineralpartikeln fließt leicht in sämtliche
Bereiche der Stoßfängerträger mit
I-Querschnitt. Diese homogene Zusammensetzung ist in der Lage, die
Festigkeit der stark gerippten Ausbildung zu optimieren, wodurch
die Rippen die Stoßenergie
wirksamer durch die gesamte Trägerstruktur
leiten können.
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Beispiel B
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Der
Design- und Herstellungsprozess durchläuft drei Phasen rechnergestützter Entwicklung
(CAE) und endet mit Prototyp-Werkzeugherstellung und Prototypteilen
zum physikalischen Testen. Der CAE-Prozess umfasst die Computersimulation
der Reaktion auf den Federal Motor Vehicle Safety Standard 581 und
die Stoßanforderungen
gemäß dem Insurance
Institute for Highway Safety 8.0 kph Rear Pole Impact Requirement.
Die Simulationsergebnisse korrelieren gut mit den im Beispiel A
zuvor erörterten
physikalischen Tests.
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7 zeigt
die Trägerprofile,
deren Abmessungen unter Verwendung des erfindungsgemäßen CAE-Protokolls
festgelegt werden. Die erste Phase des CAE-Prozesses besteht im
Eingeben der bekannten Parameter des Designs, wie beispielsweise
Fahrzeugabmessungen, Gewicht und so weiter. Der Ausgangspunkt ist
eine Computerdarstellung von 20 I-Trägersegmenten 40. Die
Segmente werden von der Mittellinie zum Holmträger 44 hin modelliert.
Die Größen der
Segmente variieren einheitlich von der Mittellinie zum Holmträger 44.
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Vier
Variable werden im Hinblick auf das Barrierenaufprall-Kriterium
optimiert: die Dicke des vorderen Flanschs, die Steglänge, die
Stegdicke und die Dicke des hinteren Flanschs. Jede Variable hat
in jedem der Segmente einen anderen Wert. Die
8 und
9 zeigen
das Ergebnis dieser Phase des CAE-Prozesses.
8 zeigt
das Mittelebenengeometriemodell, das unter Verwendung des erfindungsgemäßen CAE-Protokolls
erstellt wurde, und zeigt eine Drahtmodelldarstellung der Mittellinien
jedes Segments. Jedes Segment ist einzigartig, da die Mittellinien
von den vier Variablen abhängen.
9 zeigt
ein Dickenprofil einer spezifischen Ausbildung unter Verwendung
des erfindungsge mäßen CAE-Protokolls.
9 zeigt
eine Lösung
für ein
bestimmtes Kraftfahrzeug. In Tabellenform:
| | Vorderer
Flansch (mm) | Steglänge (mm) | Stegdicke
(mm) | Hinterer
Flansch (mm) |
| Mittellinie | 6,50 | 85,00 | 7,00 | 7,00 |
| Holmträger | 10,50 | 100,00 | 9,70 | 10,50 |
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Die
Ausgangsdaten für
die Struktur beinhalten die behördlichen
und versicherungsspezifischen Teststandards, die Masse des Fahrzeugs,
die Weite zwischen den Stoßfängerbefestigungen
(Holmbefestigungen), den Bauraum, den gewünschten Systemhub, und andere
relevante Informationen. Ein Spiel für die Fahrzeugfederung kann
ebenfalls in den CAE-Prozess einbezogen werden. Die mechanischen
Eigenschaften des energieabsorbierenden Materials sind bekannt;
die Tiefe und Masse des aus 45 g/l expandiertem Polypropylenschaum
bestehenden Energieabsorbers (EA) 92 sind Ergebnisse des CAE-Prozesses.
Die Anfangsphase der Entwicklung bezieht sich auf Situationen eines
Barrierenaufpralls des Stoßfängers. Das
Programm verwendet eine heuristische Regel zum Bestimmen der Form
des Stoßfängers in
einem 3D-Raum. Der erste zu bestimmende Parameter ist die bei einem
Aufprall auf den Stoßfänger involvierte
Energie und die Art der Ableitung der Energie. Die erzeugte Gesamtenergie
wird wiedergegeben durch:
wobei
- E
- die Energie (in Joule)
angibt,
- m
- die Masse (in Kilogramm)
angibt,
- v
- die Geschwindigkeit
(in Meter pro Sekunde) angibt.
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Bei
den angegebenen Einheiten wird die Verwendung von SI-Einheiten vorausgesetzt.
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Bei
einem Barrierenaufprall müssen
der I-Träger
und der Energieabsorber den größten Teil
der Energie absorbieren. Der Träger
und der Energieabsorber absorbieren 85% der Energie, wobei die übrige Energie durch
den Rahmen des Fahrzeugs abgeleitet wird. Da die Energie gleich
der Fläche
unter der Kraft/Auslenkungskurve ist, kann die Energie verwendet
werden, um die Belastung des Stoßfängers und des Energieabsorbers
zu ermitteln. Die Belastung kann sodann zum Bestimmen der entsprechenden
Auslenkung des Stoßfängers und
des Energieabsorbers genutzt werden.
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Für jeden
Träger
mit einer Längssymmetrieebene,
der einem Biegemoment M bei einem bestimmten Querschnitt ausgesetzt
ist, ist die normale Belastung einer längsgerichteten Faser in einer
Entfernung Y von der neutralen Achse des Trägers:
wobei
- σ
- die Belastung (in
Newton pro Quadratmeter) angibt,
- M
- das Biegemoment (in
Newtonmetern) angibt,
- Y
- die Entfernung von
der neutralen Achse (in Metern) angibt und
- I
- die das Trägheitsmoment
des Querschnitts des Elements (in m4) angibt.
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An
den äußeren Fasern
des Trägers
ist der Wert der Koordinate Y mit c bezeichnet und die maximalen normalen
Belastungen sind:
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Die
maximale Biegebeanspruchung wird durch das Definieren der Variablen
Z (m
3) definiert:
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In
zwanzig Segmenten von der Mitte des Stoßfängers zu einer Stoßfängerbefestigung
können
die Abmessungen des vorderen und des hinteren Flanschs, die Abmessung
des Stegs und die Stegdicke gleichmäßig variiert werden. Das heuristische
Verfahren vergleicht den Mindestwert von Z, der zum Erfüllen der
Bedingungen erforderlich ist, mit dem berechneten Wert. Die Designparameter
werden iterativ verarbeitet, bis jedes Segment dem Barrierenaufprallkriterium
entspricht. Das Ergebnis besteht aus Dickenprofildaten für den vorderen
und den hinteren Flansch und den Steg, sowie der Stegtiefe.
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Die
Mittelebenengeometrie und die Dickenprofile werden in ein Finite
Element Analysis Programm (FEA) als Ausgangsbedingungen heruntergeladen.
Da diese Anfangsbedingungen einer Lösung nahe kommen, führt das
rechenintensive FEA-Programm sehr wenige Iterationen durch und läuft schnell
und kostengünstig
ab. Unter Verwendung dieses CAE-Werkzeugs können die Torsionseigenschaften
des Designs mit einbezogen werden, was zu der Position und der Größe der erforderlichen
Torsionsversteifungen 32 führt. Die Leistung des Designs
unter den starken und schwachen Aufprallstärken gemäß den vorgenannten behördlichen
und versicherungsspezifischen Standards kann ausgewertet werden
und die Vorrichtung kann heuristisch feinabgestimmt werden, um diese
Anforderungen zu erfüllen.
Wenn diese Vorgaben erfüllt
werden, wird das FAE-Modell
fertiggestellt und kann als Eingabe für die Prototyp-Werkzeugherstellung
verwendet werden, bei der es sich um den dritten und letzten CAE-Schritt
handelt.
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Ein
FE-Schalenelementmodell des I-Trägers
wird unter Verwendung des Mittelebenen- und des Dickenprofilergebnisses
der ersten Stufe und ergänzenden
CAD-Daten für
den Befestigungsplan und die Endbearbeitung erstellt. Das FE-Modell
für einen
Aufprall bei geringen Geschwindigkeiten schließt den Energieabsorber, die
wesentliche Karosseriestruktur, welche an dem I-Träger angebracht
ist und diesen umgibt, und geeignete Eingangsenergie- und Grenzbedingungen
ein. Sämtliche
Materialien werden unter Verwendung der vollen linearen und nicht-linearen
Materialeigenschaften charakterisiert. Das Modellieren der Fahrzeugaufhängung für einen
Aufprall bei geringen Geschwindigkeiten ist für eine gute Korrelation zwischen
dem physikalischen Testen und der FE-Analyse nicht erforderlich
(Aufhängungsdaten
sind üblicherweise
in der Entwicklungsphase nicht verfügbar). Wenn die Fahrzeugaufhängung nicht
vorgesehen ist, werden die schwachen Pendelstöße am stärksten beeinflusst, die starken
Pendelstöße hingegen
weniger. Dies ist durch vertikale Aufhängungsaspekte verursacht, und
die meisten Datenerfassungssysteme messen die vertikale Kraftkomponente
nicht. Das Ergebnis ist bei geringen Pendelstößen eine Abrundung der Kraft/Eindringkurven,
die sich strecken wenn die Federung zusammengedrückt wird und die Fahrzeughöhe sich ändert. Sämtliche
Aufprallanalysen werden unter Verwendung von LS-Dyna3D®. Die
Messwerte umfassen die Eindringtiefe des Aufprallobjekts, der I-Trägerhub,
die I-Trägerspannung/-dehnung, die Energieabsorberleistung,
der Systemverformungsmodus und die Systemreaktionskraft. Die Ergebnisse
der Modellvorhersage und die tatsächlichen Ergebnisse zeigten
ein hohes Maß an
Korrelation.
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Überblick über die Lösung der Aufgaben der Erfindung
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Aus
dem Vorangehenden ist ersichtlich, dass die Erfindung einen I-Profil-Stoßfänger für Kraftfahrzeuge
schafft, der aus Kunststoffmaterial gebildet ist. Die vorliegende
Erfindung schafft einen verbesserten GMT-Stoßfänger für Kraftfahrzeuge, der sämtliche
relevanten Anforderungen hinsichtlich der strukturellen Unversehrtheit
unter Standardstoßtestbedingungen
erfüllt,
wobei die Herstellungskosten und das Teilegewicht erheblich verringert
sind. Die vorliegende Erfindung schafft einen GMT-Stoßfänger für Kraftfahrzeuge,
der günstige
Fließeigenschaften
beim Formpressen des Stoßfängers aufweist.
