DE10140503A1

DE10140503A1 - Deformationselementesystem

Info

Publication number: DE10140503A1
Application number: DE2001140503
Authority: DE
Inventors: Hans-Guenther Haldenwanger; Herwig Reim; Dirk Ludwig
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2001-08-17
Filing date: 2001-08-17
Publication date: 2003-03-13

Abstract

Bei einem Deformationselementesystem für Kraftfahrzeuge mit zur Energieumwandlung ausgelegten umstülpbaren Rohrkörpern (1a, 1b) wird vorgeschlagen, dass mindestens zwei der Rohrkörper (1a, 1b) über ein Umstülpelement (2a) miteinander verbunden sind, wobei das Umstülpelement (2a) im Crashfall an dem stülpenden Enden von wenigstens einem der Rohrkörper (1a, 1b) den Umstülpvorgang einleitet und somit vorgibt, ob der Umstülpvorgang der Rohrkörper (1a, 1b) nacheinander und/oder gleichzeitig stattfindet. Vorschlagsgemäß kann das Deformationselementesystem trotz der begrenzten Energieaufnahme der einzelnen Rohrkörper (1a, 1b) nahezu jede beliebige Energieumwandlungscharakteristik aufweisen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Deformationselementesystem für Kraftfahrzeuge mit zur Energieumwandlung ausgelegten umstülpbaren Rohrkörpern. Derartige Deformationselementesysteme werden insbesondere in Verbindung mit Stoßfängern oder als Teil einer Crashbox eingesetzt, wobei eine Crashbox eine Anordnung zur Aufnahme von Aufprallenergie ist.

Zur Energieumwandlung umstülpbare Rohrkörper sind aus der Druckschrift DE 196 27 061 A1 bekannt. Diese Rohrkörper bestehen aus einem Faserverbund aus Kohlenstoff- oder Glas- und Aramitfasern. Bedingt durch das Material sowie den Durchmesser und die Wandstärke ist die Energieaufnahme derartiger Rohrkörper jedoch begrenzt.

Das Problem der begrenzten Energieaufnahme behandelt bereits die Druckschrift DE 197 36 803 A1, indem zur Erhöhung der Energieaufnahme die Rohrkörper mit einem Schaumkörper gefüllt sind. Durch diese Maßnahme wird bislang jedoch noch immer keine ausreichend große und flexible Dimensionierung der Energieaufnahme erreicht.

Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Deformationselementesystem für Kraftfahrzeuge zu schaffen, mit welchem im Crashfall eine besonders große und besonders flexible Energieaufnahme realisierbar ist.

Gelöst wird diese Aufgabe, indem mindestens zwei der Rohrkörper über ein Umstülpelement miteinander verbunden sind, wobei dieses Umstülpelement im Crashfall an dem stülpenden Ende, welches in Fahrzeugbewegungsrichtung meist vorne angeordnet ist, von wenigstens einem der Rohrkörper den Umstülpvorgang einleitet und somit vorgibt, ob der Umstülpvorgang der Rohrkörper nacheinander und/oder gleichzeitig stattfindet. Erfindungsgemäß können die mindestens zwei Rohrkörper je nach den gewünschten Charakteristiken und je nach dem zur Verfügung stehenden Bauraum zwischen der tragenden Karosserie und dem Stoßfänger des Kraftfahrzeugs angeordnet werden, wobei sie aufgrund des gemeinsamen Umstülpelementes eine bauliche Einheit bilden.

Vorteilhaft dient das Umstülpelement zur Positionierung des anderen Endes von wenigstens einem der Rohrkörper. Welche Variante dabei zu bevorzugen ist, hängt ganz von den zu erzielenden Charakteristiken der Energieaufnahme ab.

Sind die Rohrkörper gemäß einer ersten Variante der Erfindung ineinander angeordnet und weisen gleiche Längen auf, so verformen sich die beiden Rohrkörper gleichzeitig, wodurch sich die Energieaufnahme des Deformationselementesystems aus den Energieaufnahmen der einzelnen Rohrkörper addiert.

Sind die Rohrkörper gemäß einer zweiten Variante hintereinander angeordnet, so stülpen sich die Rohrkörper nacheinander um, wodurch die Energieaufnahme des Deformationselementesystems zunächst der Energieaufnahme des ersten Rohrkörpers und dann der Energieaufnahme des zweiten Rohrkörpers bzw. der weiteren Rohrkörper entspricht.

Und sind die Rohrkörper gemäß einer dritten Variante nebeneinander angeordnet und weisen gleich Längen auf, so stülpen sich die Rohrkörper wiederum gleichzeitig um, wodurch die Energieaufnahme des Deformationselementesystems der Summe der Energieaufnahmen der Rohrkörper entspricht.

Die genannten Varianten können bei mehr als zwei Rohrkörpern auch miteinander kombiniert werden, so dass sich mit diesem Deformationselementesystem die verschiedensten Charakteristiken der Energieaufnahme realisieren lassen.

Sind die Rohrkörper dabei koaxial und/oder parallel zueinander angeordnet, so ist die Energieaufnahme einfach vorherzusagen. Auch dann, wenn die Rohrkörper in einem Winkel kleiner 15° zueinander angeordnet sind, erfolgt noch immer ein kontrolliertes Umstülpen der Rohrkörper, wodurch im Crashfall ein größerer Winkelbereich abgedeckt werden kann. Sind die Rohrkörper jedoch in einem Winkel größer 15° zueinander angeordnet, so versagen die Rohrkörper bzw. knicken diese seitlich ein, wodurch kein kontrolliertes Umstülpen und damit keine vorhersagbare Energieaufnahme mehr erfolgen kann.

Bevorzugt weisen die für das Deformationselementesystem verwendeten Rohrkörper außerdem unterschiedliche Querschnitte und/oder unterschiedliche Längen auf. Denn bei der Verwendung verschiedener Rohrkörper kann der für das Deformationselementesystem zwischen der tragenden Karosserie und dem Stoßfänger des Kraftfahrzeugs zur Verfügung stehende Bauraum in optimaler Weise genutzt werden, so dass eine maximale Energieaufnahme gegeben ist.

Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a ein Deformationselementesystem gemäß einer ersten Ausführungsform mit zwei ineinander angeordneten Rohrkörpern in geschnittener Darstellung;
Fig. 1b ein Kraft-Weg-Diagramm des Deformationselementesystems aus Fig. 1a;
Fig. 2a ein Deformationselementesystem gemäß einer zweiten Ausführungsform mit zwei hintereinander angeordneten Rohrelementen im Schnitt;
Fig. 2b ein Kraft-Weg-Diagramm des Deformationselementesystems aus Fig. 2a;
Fig. 3a ein Deformationselementesystem gemäß einer dritten Ausführungsform mit zwei nebeneinander angeordneten Rohrkörpern in geschnittener Darstellung;
Fig. 3b ein Kraft-Weg-Diagramm des Deformationselementesystems aus Fig. 3a;
Fig. 4a ein Deformationselementesystem gemäß einer vierten Ausführungsform mit zwei koaxial ineinander angeordneten Rohrkörpern im Schnitt; und
Fig. 4b ein Kraft-Weg-Diagramm des Deformationselementesystems aus Fig. 4a.
Die in den Fig. 1a, 2a, 3a und 4a dargestellten Deformationselementesysteme für Kraftfahrzeuge umfassen jeweils zwei Rohrkörper 1a, 1b sowie wenigstens ein Umstülpelement 2a.
Die Rohrkörper 1a, 1b bestehen aus einem Faserverbundwerkstoff aus Kohlenstofffasern und Aramitfasern. An ihrem freien Ende 3 ist die Außenwandung der beiden Rohrkörper 1a, 1b jeweils mit einer Anschrägung 4 versehen, die zu der Achse der Rohrkörper 1a, 1b einen Winkel α, von ca. 30° aufweist. Mit dem anderen gegenüberliegenden Ende 3' ist wenigstens einer der beiden Rohrkörper 1a, 1b an der Karosserie 5 des Kraftfahrzeugs gelagert.
Das Umstülpelement 2a bzw. 2b weist eine umlaufende Hohlkehle 6 für das freie Ende 3 von wenigstens einem der Rohrkörper 1a, 1b auf. Die Hohlkehle 6 bewirkt, dass bei einer in etwa axialen Druckbeaufschlagung der Rohrkörpers 1a, 1b die Kraft in das freie Ende 3 der Rohrkörper 1a, 1b eingeleitet wird und dieses nach außen hin umgestülpt wird. Dabei wird durch die Anschrägung 4 am freien Ende 3 der Wandung der Rohrkörper 1a, 1b die zum Aufweiten und Umstülpen der Rohrkörper 1a, 1b benötigte Kraft reduziert. An das Umstülpelement 2a, 2b ist ein Befestigungsflansch 7 angeformt, und an dem Befestigungsflansch 7 wird der zur Krafteinleitung dienende Stoßfänger 8 des Kraftfahrzeugs befestigt. Natürlich wäre auch eine Ausführungsform ohne Stoßfänger denkbar, wobei die Deformationselemente Teil einer sogenannten Crashbox sind.
In Fig. 1a sind zwei Rohrkörper 1a, 1b des Deformationselementesystems koaxial ineinander angeordnet und weisen jeweils einen kreisförmigen Querschnitt sowie gleiche Längen auf. Der erste Rohrkörper 1a ist im Querschnitt größer als der zweite Rohrkörper 1b, so dass zwischen diesen beiden Rohrkörpern 1a, 1b ein ausreichend breiter Spalt S vorhanden ist, damit sich nicht nur der erste Rohrkörper 1a, sondern auch der zweite Rohrkörper 1b ungehindert umstülpen kann. An die freien Enden 3 der beiden Rohrkörper 1a, 1b schließt sich ein gemeinsames Umstülpelement 2a an, das zwei konzentrische Hohlkehlen 6 aufweist und damit zur gleichzeitigen Einleitung des Umstülpvorgangs an den beiden Rohrkörpern 1a, 1b dient. Die anderen gegenüberliegenden Enden 3' der beiden Rohrkörper 1a, 1b sind an der tragenden Karosserie 5, des Kraftfahrzeugs positioniert.
In Fig. 1b ist das dazugehörige Kraft-Weg-Diagramm gezeigt, wobei die über dem Verformungsweg aufgetragene Kraft F_ges im wesentlichen konstant ist. Der Wert dieser Kraft F_ges addiert sich einfach aus den Werten F_A und F_B der beiden Rohrkörper 1a, 1b. Mit dieser ersten Ausführungsform von zwei ineinander angeordneten Rohrkörpern 1a, 1b lässt sich also ein Deformationselementesystem mit einer wesentlich höheren Energieaufnahme realisieren.
In Fig. 2a sind die zwei Rohrkörper 1a, 1b des Deformationselementesystems koaxial hintereinander angeordnet und weisen unterschiedlich große kreisförmige Querschnitte sowie unterschiedliche Längen auf. Zwischen diesen beiden Rohrkörpern 1a, 1b ist ein erstes Umstülpelement 2a angeordnet, welches an dem freien Ende 3 des ersten, größeren und längeren Rohrkörpers 1a zur Einleitung des Umstülpvorganges dient und an dem anderen Ende 3' des zweiten, kleineren und kürzeren Rohrkörpers 1b zur Positionierung dient. An das freie Ende 3 des zweiten Rohrkörpers 1b schließt sich ein zweites Umstülpelement 2b mit einem Befestigungsflansch 7 für den Stoßfänger 8 des Kraftfahrzeugs an. Grundsätzlich wäre hierbei aber auch denkbar, dass die Querschnitte zum Beispiel ellipsenförmig ausgebildet sind.
Das dazugehörige Kraft-Weg-Diagramm aus Fig. 2b zeigt, dass die über dem Verformungsweg aufgetragene Kraft F_ges in einer ersten Stufe einen ersten geringen Wert F_B und in einer zweiten Stufe einen zweiten großen Wert F_A annimmt. Das bedeutet, dass sich bei einer Beaufschlagung des Deformationselementesystems mit einer Druckkraft zunächst der zweite kleinere Rohrkörper 1b umstülpt und erst wenn dieser Umstülpvorgang abgeschlossenen ist, der erste größere Rohrkörper 1a umstülpt, so dass der erste geringere Kraftwert F_B dem zweiten Rohrkörper 1b zugeordnet ist, und der zweite größere Kraftwert F_A dem ersten Rohrkörper 1a zugeordnet ist. Gemäß dieser zweiten Ausführungsform, wobei zwei Rohrkörper 1a, 1b hintereinander angeordnet sind, lässt sich also ein Deformationselementesystem mit einer zweistufigen Energieaufnahme verwirklichen, die sich insbesondere bei sogenannten Parkschäden als vorteilhaft erweisen, da hierbei eben nur die zweiten kleineren Rohrkörper 1b und nicht etwa der gesamte Vorbau des Kraftfahrzeugs ausgetauscht werden muss.
Bei Fig. 3a sind die zwei Rohrkörper 1a, 1b des Deformationselementesystems parallel nebeneinander angeordnet und weisen gleiche Querschnitte sowie gleiche Längen auf. Zwischen diesen beiden Rohrkörpern 1a, 1b ist ein ausreichend breiter Abstand A vorhanden, damit sich beide Rohrkörper 1a, 1b ungehindert voneinander umstülpen können. Die freien Enden 3 der beiden Rohrkörper 1a, 1b schließen an ein gemeinsames Umstülpelement 2a an, das zwei benachbarte Hohlkehlen 6 aufweist und damit zur gleichzeitigen Einleitung des Umstülpvorgangs an den beiden Rohrkörpern 1a, 1b dient. Die anderen Enden 3' der beiden Rohrkörper 1a, 1b sind an der tragenden Karosserie 5 des Kraftfahrzeugs positioniert.
Das zu dieser dritten Ausführungsform gehörende Kraft-Weg-Diagramm ist in Fig. 3b dargestellt, und zeigt eine Addition der beiden gleichen Kraftwerte F_A und F_B, so dass sich für die gesamte Anordnung eine Verdopplung der Energieaufnahme ergibt. Damit ist diese Ausführungsform besonders geeignet, um bestimmte Energieaufnahmen zu realisieren, die oberhalb des maximalen Wertes eines einzelnen Rohrkörpers 1a bzw. 1b liegen.
Darüber hinaus sind in Fig. 4a zwei Rohrkörper 1a, 1b des Deformationselementesystems koaxial zueinander angeordnet und weisen unterschiedlich große kreisförmige Querschnitte sowie unterschiedliche Längen auf. Dadurch bedingt ergibt sich bei einer Beaufschlagung des Deformationselementesystems zunächst eine Umstülpung des zweiten, längeren und kleineren Rohrkörpers 1b und anschließend eine gemeinsame Umstülpung der beiden Rohrkörper 1a, 1b.
Dementsprechend zeigt das dazu gehörende Kraft-Weg-Diagramm aus Fig. 4b eine zweistufige Energieaufnahme, wobei die erste Stufe dem Wert F_B des zweiten Rohrkörpers 1b entspricht und die zweite Stufe der Summe F_ges der Werte F_A und F_B der beiden Rohrkörper 1a, 1b entspricht.

Claims

1. Deformationselementesystem für Kraftfahrzeuge mit zur Energieumwandlung ausgelegten umstülpbaren Rohrkörpern, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Rohrkörper (1a, 1b) über ein Umstülpelement (2a) miteinander verbunden sind, wobei das Umstülpelement (2a) im Crashfall an dem stülpenden Ende (3) von wenigstens einem der Rohrkörper (1a, 1b) den Umstülpvorgang einleitet und somit vorgibt, ob der Umstülpvorgang der Rohrkörper (1a, 1b) nacheinander und/oder gleichzeitig stattfindet.

2. Deformationselementesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umstülpelement (2a) zur Positionierung des anderen Endes (3') von mindestens einem der Rohrkörper (1a, 1b) dient.

3. Deformationselementesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrkörper (1a, 1b) ineinander angeordnet sind.

4. Deformationselementesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrkörper (1a, 1b) hintereinander angeordnet sind.

5. Deformationselementesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrkörper (1a, 1b) nebeneinander angeordnet sind.

6. Deformationselementesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrkörper (1a, 1b) koaxial zueinander angeordnet sind.

7. Deformationselementesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrkörper (1a, 1b) parallel zueinander angeordnet sind.

8. Deformationselementesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrkörper (1a, 1b) in einem Winkel (α) kleiner 15 Grad zueinander angeordnet sind.

9. Deformationselementesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrkörper (1a, 1b) unterschiedliche Querschnitte aufweisen.

10. Deformationselementesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrkörper (1a, 1b) unterschiedliche Längen aufweisen.