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Die
Erfindung betrifft eine vordere Fahrzeugkarosseriestruktur und insbesondere
eine Energiedämpfungs-Struktur
in erster Linie zum Schutz der Beine von Fußgängern.
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Die
japanische Patentoffenlegungsschrift JP-Hei-6-255533 mit dem Titel „Vordere
Fahrzeugkarosseriestruktur" („Vehicle
front body structure")
offenbart beispielsweise eine Struktur, welche einen Karosserierahmen,
der als ein Hauptrahmenbauteil für
eine vordere Karosserie dient, und einen Knautschbalken, der als
ein Aufprallenergie-Dämpfungsbauteil
bei einer Fahrzeug-Frontalkollision dient, umfasst. Diese Bauteile
sind als separate Bauteile ausgelegt. Das Bereitstellen des am Karosserierahmen
befestigten Knautschbalkens ist auf einen als Knautschzone wirksamen
Bereich begrenzt. Bei einer Fahrzeug-Frontalkollision wird der Knautschbalken,
wie vorgesehen, geknickt und geknautscht.
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Diese
konventionelle vordere Karosseriestruktur ist allerdings als Aufprall-Dämpfungsstruktur ausgelegt,
welche bei einer Kollision zwischen Fahrzeugen oder einer Kollision
zwischen einem Fahrzeug und einer Konstruktion wie einem Strommast oder
einer Leitplanke wirksam ist. Daher ist diese Aufprall-Dämpfungsstruktur
nicht zum Schutz von zu schützenden
Objekten gedacht, wie beispielsweise von Fußgängern (im Folgenden als „Schutzobjekte" bezeichnet).
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Weiterhin
offenbart die
US 6106039
A die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine vordere Fahrzeugkarosseriestruktur
be reit, welche sowohl Schutzobjekte schützen kann, als auch Schutz
bei einer Kollision zwischen Fahrzeugen bietet.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine vordere Fahrzeugkarosseriestruktur
bereitgestellt, welche umfasst: linke und rechte Seitenrahmen, die
sich in Längsrichtung
entlang einer Fahrzeugkarosserie erstrecken; linke und rechte erste
Aufprall-Dämpfungsbauteile,
die jeweils an vorderen Enden des linken und des rechten Seitenrahmens
vorgesehen sind, um einen durch eine Kollision mit einem Fahrzeug
verursachten Aufprall zu dämpfen;
und zweite Aufprall-Dämpfungsbauteile,
die an vorderen Enden des linken und des rechten ersten Aufprall-Dämpfungsbauteils
vorgesehen sind, um einen durch eine Kollision mit einem zu schützenden Objekt
verursachten Aufprall zu dämpfen,
wobei jedes der zweiten Aufprall-Dämpfungsbauteile
einen im Wesentlichen U-förmigen
Querschnitt aufweist und umfasst: ein oberes Ansatzstück und ein
unteres Ansatzstück,
welche beide ein vorderes Ende aufweisen und sich vom jeweiligen
der ersten Aufprall-Dämpfungsbauteile
nach vorne erstrecken, und einen Steg, der die vorderen Enden des
oberen und des unteren Ansatzstücks
verbindet, wobei der Steg eine Dicke aufweist, die größer ist
als die des oberen und des unteren Ansatzstücks.
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Bei
der vorliegenden Erfindung wird daher eine durch eine Kollision
zwischen Fahrzeugen verursachte Aufprallenergie dadurch gedämpft, dass
die ersten Aufprall-Dämpfungsbauteile
geknickt werden. Bei einer Kollision mit einem Schutzobjekt wird
das zweite Aufprall-Dämpfungsbauteil
geknickt, wobei die dünneren
oberen und unteren Ansatzstücke
geknickt werden und das Knicken des dickeren Stegs verhindert wird.
Das heißt,
der Steg ist dicker ausgeführt,
um eine plastische Deformation desselben zu minimieren. Zum Ausgleich
sind das obere und das untere Ansatzstück dünner ausgeführt, um eine plastische Deformation
der Ansatzstücke
zu begünstigen.
Die Erstreckung in Längsrichtung
des oberen und des unteren Ansatzstücks ermöglicht eine längere Strecke
und Zeitspanne von dem Anfangspunkt der plastischen Deformation
zum Endpunkt der plastischen Deformation, was eine gleichmäßige und langdauernde
Aufprallenergie-Dämpfung
zur Folge hat. Dies bewirkt, dass die plastische Deformation mit einer
relativ kleinen Kraft beginnt und ermöglicht eine verringerte Reaktionskraft,
wodurch ein ausreichender Schutz eines Schutzobjekts, welches in
Kollision mit dem Objekt ist, bereitgestellt wird.
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Bei
der vorliegenden Erfindung sind das obere und das untere Ansatzstück, welche
sich von den ersten Aufprall-Dämpfungsbauteilen
nach vorne erstrecken, vorzugsweise nach oben oder nach unten geneigt;
und ein Neigungswinkel des oberen und des unteren Ansatzstücks ist
vorzugsweise bei mindestens (T/L) im Bogenmaß festgesetzt, wobei T die
Dicke der Ansatzstücke
und L die Länge
der Ansatzstücke
ist. Das heißt,
das obere und das untere Ansatzstück sind um einen vorbestimmten
Winkel hinsichtlich einer horizontalen Linie geneigt, um eine Biegedeformation
der Ansatzstücke
zu begünstigen,
was die Ansprechempfindlichkeit erhöht und dadurch einen Kollisionsaufprall
auf ein Schutzobjekt weiter mildert. Die Biegedeformation der Ansatzstücke kann mit
einem verringerten Hub mehr Energie dämpfen, wodurch es ermöglicht wird,
das zweite Aufprall-Dämpfungsbauteil
in einem kleineren Raum aufzunehmen.
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Eine
zwischen dem oberen oder dem unteren Ansatzstück und dem Steg gebildete Ecke
ist vorzugsweise so gekrümmt,
dass sie einen Krümmungsradius
aufweist, der bei dem drei- bis fünffachen der Dicke der Ansatzstücke festgesetzt
ist. Die abgerundeten Ecken zwischen den Ansatzstücken und
dem Steg ermöglichen
es, dass die Ansatzstücke
reibungslos nach oben (oder unten) deformiert werden. Es hat sich
herausgestellt, dass der Krümmungsradius
von weniger als dem dreifachen der Dicke der Ansatzstücke unvorteilhaft
zu klein ist, um eine Ausprägung
der Ecke zu erleichtern. Der Krümmungsradius
von mehr als dem fünffachen
der Dicke der Ansatzstücke
ist zu groß,
um ausreichende lineare Abschnitte der Ansatzstücke übrig zu lassen, was aufgrund
einer Erhöhung
der Peak-Beschleunigung eine mögliche
Verkleinerung der Energiedämpfungs-Effizienz
bewirkt. Demgemäß ist es
wünschenswert,
den Krümmungsradius
in einem Bereich zwischen dem drei- und dem fünffachen der Dicke der Ansatzstücke auszuwählen.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden rein exemplarisch detailliert
beschrieben, mit Bezug zu den beigefügten Zeichnungen, wobei:
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1 eine
Draufsicht ist, welche eine vordere Karosseriestruktur gemäß der vorliegenden
Erfindung illustriert;
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2 eine
vergrößerte Ansicht
von Abschnitt 2 in 1 ist;
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3 eine
Querschnittsansicht entlang einer Linie 3–3 in 2 ist;
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4A und 4B Diagramme
sind, welche die Funktion eines in 3 gezeigten
zweiten Aufprall-Dämpfungsbauteils
illustrieren; und
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5A ein
Graph ist, welcher einen Aufprall-Dämpfungseffekt bei einem Vergleichsbeispiel illustriert,
und 5B ein Graph ist, welcher einen Aufprall-Dämpfungseffekt
bei der vorliegenden Ausführungsform
illustriert.
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Mit
Bezug zu 1, weist eine vordere Fahrzeugkarosseriestruktur
linke und rechte Seitenrahmen 11L, 11R auf (L
bedeutet dabei links und R bedeutet rechts, was auch im Folgenden
zutrifft), einen Stoßstangenbalken 12,
welcher sich zwischen den Rahmen 11L, 11R erstreckt
und mit einer Mehrzahl von Bolzen 13 an ihnen befestigt
ist, linke und rechte erste Aufprall-Dämpfungsbauteile 14L, 14R zum Dämpfen des
Aufpralls einer Kollision zwischen Fahrzeugen, welche jeweils an
linken und rechten Endabschnitten des Stoßstangenbalkens 12 und
an vorderen Endabschnitten der linken und rechten Seitenrahmen 11L und 11R vorgesehen
sind, zweite Aufprall-Dämpfungsbauteile 15L, 15R zum
Dämpfen des
Aufpralls einer Kollision mit Schutzobjekten, welche an Vorderabschnitten
der linken und rechten ersten Aufprall-Dämpfungsbauteile 14L, 14R vorgesehen
sind, und ein Stoßstangen-Sichtelement 16,
welche diese Bauteile bedeckt.
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Wenn
eine externe Kraft auf den Mittelabschnitt des Stoßstangen-Sichtelements 16 wirkt, biegt
sich das Stoßstangen-Sichtelement 16 auf
eine ausreichende Art und Weise. Wenn eine externe Kraft auf eine
der Seiten gegenüber
den linken und rechten Seitenrahmen 11L, 11R wirkt,
widersteht ihr der Seitenrahmen 11L oder 11R,
was eine nicht ausreichende Energiedämpfung zur Folge hat. Um dieses
Problem zu lösen,
sind die ersten Aufprall-Dämpfungsbauteile 14L, 14R und
die zweiten Aufprall-Dämpfungsbauteile 15L, 15R nur
an den vorderen Enden der Seitenrahmen 11L, 11R vorgesehen. Dies
ermöglicht
es, dass die Aufprall-Dämpfungseigenschaften
des Fahrzeugs in der Querrichtung gleichmäßig sind.
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2 zeigt
das erste Aufprall-Dämpfungsbauteil 14L an
den Stoßstangenbalken 12 geschweißt und das
zweite Aufprall-Dämpfungsbauteil 15L zum
Schutz von Objekten an das erste Dämpfungsbauteil 14L geschweißt.
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Mit
Bezug auf 3 weist das erste Dämpfungsbauteil 14L eine
Blasebalgähnliche
Form auf, damit es geknickt und plastisch deformiert wird, wenn es
einen starken Aufprall von der linken Seite wie in der Figur dargestellt
erhält,
wodurch es die Aufprallenergie dämpft.
Eine ausreichend große Öffnung 18 ist
in einer vorderen Wand 17 des ersten Dämpfungsbauteils 14L vorgesehen.
Die Öffnung 18 dient
als ein Loch zum Aufnehmen des zweiten Dämpfungsbauteils 15L,
wenn es zum großen
Teil plastisch deformiert ist, wie weiter unten beschrieben.
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Das
zweite Dämpfungsbauteil 15L ist
ein im Querschnitt U-förmiges
Bauteil, welches umfasst: ein oberes Ansatzstück 21 und ein unteres
Ansatzstück 22,
welche sich um eine Länge
L nach vorne von dem ersten Dämpfungsbauteil 14L erstrecken,
und einen Steg 23, welcher die vorderen Enden der oberen
und unteren Ansatzstücke 21, 22 verbindet.
Der Steg 23 weist eine größere Dicke auf als die der
oberen und unteren Ansatzstücke 21, 22.
Insbesondere ist, wenn die Dicke der Ansatzstücke 21, 22 mit „T" bezeichnet ist und
die des Stegs 23 mit „W", T < W.
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Bei
dieser Ausführungsform
ist eine Verstärkungsplatte 24,
welche eine Dicke t aufweist, am Steg 23 der Dicke T angebracht,
so dass (T+t) = W ist.
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Dies
ermöglicht
es, das zweite Aufprall-Dämpfungsbauteil 15L zu
erhalten, indem lediglich ein Rohteil der Dicke T gebogen wird,
um ein vorgeformtes Bauteil im Wesentlichen in einer U-Form zu erhalten,
gefolgt vom Anbringen der Verstärkungsplatte 24 der
Dicke t daran. Alternativ kann das zweite Dämpfungsbauteil 15L erhalten
werden, indem ein Rohteil der Dicke T gebogen wird, an das die Verstärkungsplatte 24 der
Dicke t geschweißt
ist. Daher wird die Flexibilität
in der Verarbeitung erhöht.
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Bei
einer weiteren Alternative kann das zweite Dämpfungsbauteil 15L dadurch
hergestellt werden, dass in einem Auswalzprozess eine flache Platte
vorbereitet wird, welche eine Dicke W in der Mitte und Dicke T an
den gegenüberliegenden
Enden aufweist, und diese Platte gebogen wird.
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Nun
folgt eine Beschreibung der Wirkung der dickeren Ausführung des
Stegs 23 verglichen mit den Ansatzstücken 21, 22.
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Wenn
der Steg 23 eine Dicke aufweist, welche identisch mit der
der Ansatzstücke 21, 22 ist, empfängt der
Steg 23 zuerst eine externe Kraft und verbiegt sich in
eine S-Form, bevor die Ansatzstücke 21, 22 verbogen
werden. Insbesondere sind die gegenüberliegenden Enden des Stegs 23 an
den Ansatzstücken 21, 22 abgestützt, während der
Mittelabschnitt des Stegs 23 frei ist, so dass eine horizontale externe
Kraft, welche auf den Steg 23 angewandt wird, eine Verbiegung
des Stegs 23 in eine S-Form bewirkt. Eine derartige Verbiegung
tritt bei einer niedrigen Beschleunigung (im Folgenden mit „G" bezeichnet) auf.
Andererseits tritt das folgende Knicken der Ansatzstücke 21, 22 bei
einer erheblich größeren G
auf als die des Stegs 23. Daher ist, wenn der Steg und
die Ansatzstücke
die gleiche Dicke aufweisen, die G niedriger in der ersten Hälfte der
plastischen Deformation des zweiten Dämpfungsbauteils und größer in der
zweiten Hälfte
(dies wird mit Bezug auf 5A beschrieben
werden). Um die Aufprallenergie-Dämpfung zu verbessern, ist es
erforderlich, den G-Peak niedriger zu machen.
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Die
vorliegende Erfindung unterdrückt
Deformation des Stegs 23, indem sie den Steg 23 mit
einer größeren Dicke
bereitstellt. Zum Ausgleich sind die Ansatzstücke 21, 22 dünner ausgeführt, um
die plastische Deformation derselben zu begünstigen. Demzufolge werden
die Ansatzstücke 21, 22 im
gesamten Bereich der plastischen Deformation deformiert, was die
G mittelt und dadurch einen niedrigeren Peak erreicht (siehe 5B).
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Die
oberen und unteren Ansatzstücke 21, 22 sind
vorzugsweise nach unten geneigt mit einem Neigungswinkel von θ im Bogenmaß und eine
zwischen dem Ansatzstück 21 und
dem Steg 23 gebildete Ecke ist mit einem Krümmungsradius
R gekrümmt,
wie in der Figur gezeigt. Die daraus folgenden Wirkungen werden
mit Bezug zu den Figuren beschrieben.
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4A und 4B illustrieren
die Funktion der oberen und unteren Ansatzstücke 21, 22 mit
dem Neigungswinkel θ und
der gekrümmten
Ecke.
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In 4A zeigen
Phantomlinien das zweite Dämpfungsbauteil 15L vor
einer Deformation und durchgezogene Linien zeigen die Mitte der
Deformation. Wenn eine externe Kraft F auf das Bauteil 15L wirkt,
biegen sich die Ansatzstücke 21, 22 nach
unten bevor sie knicken. Dies folgt von der den Ansatzstücken 21, 22 gegebenen
Neigung. Der Steg 23 bewegt sich entsprechend nach unten.
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4B zeigt
die letzte Phase der plastischen Deformation, bei der die Ansatzstücke 21, 22 nach
unten gezogen werden. Die in den Ecken zwischen den Ansatzstücken 21, 22 und
dem Steg 23 vorgesehenen Krümmungen von Krümmungsradius R
(siehe 3) sind wirksam in der plastischen Deformation
der Ansatzstücke 21, 22 auf
eine derartige, nach unten ziehende Art und Weise. Das heißt, eine große Krümmung erleichtert
die Ausprägung
der Biegung wie in der Figur gezeigt.
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Nach
gründlichem
Untersuchen haben die Erfinder herausgefunden, dass der Krümmungsradius
R in einem Bereich zwischen dem drei- bis zum fünffachen der Dicke der Ansatzstücke ausgewählt werden
sollte. Es ist bestätigt worden,
dass der Krümmungsradius
R von weniger als dem dreifachen der Dicke der Ansatzstücke unvorteilhaft
zu klein ist, um einfache Ausprägung
der Ecken zu ermöglichen. Der
Krümmungsradius
R von mehr als dem fünffachen
der Dicke der Ansatzstücke
stellt zu große Krümmungen
bereit, um ausreichende lineare Abschnitte der Ansatzstücke 21, 22 übrig zu
lassen, was eine mögliche
Verringerung der Energiedämpfungs-Effizienz
aufgrund einer erhöhten
Peak-G zur Folge hat.
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Aus
den vorhergehenden Gründen
ist der Krümmungsradius
R in einem Bereich zwischen dem drei- und dem fünffachen der Dicke der Ansatzstücke ausgewählt.
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Es
wurde weiterhin herausgefunden, dass der Neigungswinkel θ mindestens
bei (T/L) im Bogenmaß festgesetzt
werden sollte, wobei T die Dicke der Ansatzstücke und L die Länge der
Ansatzstücke ist.
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Bei
einem Neigungswinkel von weniger als (T/L) im Bogenmaß verbiegen
sich die Ansatzstücke 21, 22 nach
unten während
des Knickens, wodurch es unwahrscheinlich wird, dass sie so funktionieren, wie
nacheinander in 4A bis 4B gezeigt.
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Daher
wird der Neigungswinkel θ auf
nicht weniger als (T/L) im Bogenmaß festgesetzt.
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Weiterhin
ist der Neigungswinkel θ nicht
größer als
5×(T/L)
im Bogenmaß festgesetzt
und ist vorzugsweise bei 3(T/L) im Bogenmaß festgesetzt. Der Neigungswinkel θ größer als
5×(T/L)
im Bogenmaß bewirkt,
dass die Ansatzstücke 21, 22 bei
der Zugabe eines Aufpralls nur an den vorderen Enden (Schnittpunkten
mit dem Steg 23) durch eine Biegung deformiert werden,
was weniger Energiedämpfung
zur Folge hat.
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Für eine zusätzliche
Erklärung
von (T/L) im Bogenmaß,
wobei z.B. L = 100 mm und T = 1,0 mm ist, ist (T/L) im Bogenmaß = (1/100)
im Bogenmaß = 0,01
im Bogenmaß.
Tan(0,01 im Bogenmaß)
= 0,010. Bei Werten von 0,2 oder kleiner im Bogenmaß ist näherungsweise
tan(T/L im Bogenmaß)
= (T/L).
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Demgemäß entspricht
die Neigung von (T/L) im Bogenmaß einer Neigung der Ansatzstücke 21, 22,
wobei die vorderen Enden (Schnittpunkte mit dem Steg 23)
um T von einer horizontalen Linie abgesenkt (oder angehoben) sind.
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5A und 5B sind
Vergleichsgraphen, welche Aufpralldämpfungs-Wirkungen illustrieren. Die horizontale
Achse zeigt Hub an und die vertikale Achse zeigt Beschleunigung
an.
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5A zeigt
ein Vergleichsbeispiel, bei dem die Ansatzstücke und der Steg die gleiche
Dicke aufweisen. Es ist in der Figur zu sehen, dass der höhere Peak
in der letzten Phase eines Stoßes
auftritt.
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5B zeigt
die Ausführungsform
mit den dünneren
Ansatzstücken
und dem dickeren Steg. Es ist zu sehen, dass der Peak niedriger
ist.
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Der
Ausdruck „die
ersten Aufprall-Dämpfungsbauteile
sind an vorderen Endabschnitten der Seitenrahmen vorgesehen" umfasst sowohl den
Fall, dass die ersten Dämpfungsbauteile
direkt an den vorderen Endabschnitten der Seitenrahmen vorgesehen sind,
als auch den Fall, dass die ersten Dämpfungsbauteile indirekt mittels
des Stoßstangenbalkens oder
mittels Halterungen an den Vorderabschnitten der Seitenrahmen vorgesehen
sind.