DE19918535A1 - Deformationselement - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Deformationselement (11; 14), insbesondere zum Einsatz in Verbindung mit einem Stoßfängersystem für Fahrzeuge. Das Deformationselement (11; 14) weist einen zur gezielten Verformung ausgelegten Rohrkörper (10; 15) auf, in dem ein energieabsorbierendes Schaummaterial (1) umschlossen ist. Erfindungsgemäß ist das Schaummaterial (1) ein in einer Schäumform hergestellter Leichtmetall-Schaumkörper, der durch gezieltes Abkühlen beim Schäumvorgang an Au0enwandseiten eine feste Wandaußenhaut (2) mit einer materialeinheitlichen Verbindung zu einen Innenschaumkern (3) aufweist. Diese Struktur des Schaummaterials (1) ermöglicht eine besonders hohe Absorption von Verformungsenergie, wobei zudem ein günstiger Kraft-Weg-Verlauf erzielbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Deformationselement, insbesondere zum Einsatz in Verbindung mit einem Stoßfängersystem für Fahrzeuge nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.

Moderne Personenkraftwagen weisen ein abgestuftes Deformationsverhal­ ten des Vorderwagens in Abhängigkeit einer Aufprallgeschwindigkeit auf. Entsprechend der Aufprallgeschwindigkeit werden nacheinander ein oder mehrere gezielt für diesen Zweck ausgebildete Bauteile beansprucht. So werden kleinere Stöße von reversiblen Pralldämpfern aufgenommen. An die Pralldämpfer schließen sich Deformationselemente an, welche durch plastische Verformung die Energie bei einer Aufprallgeschwindigkeit bis ca. 20 km/h umwandeln. Bei höheren Aufprallgeschwindigkeiten werden die die Deformationselemente aufnehmenden Längsträger mitverformt. Erst bei noch höheren Aufprallgeschwindigkeiten und dementsprechend hohen Kräften erfolgt eine Verformung der eigentlichen Fahrzeugstruktur. Diese abgestufte Struktur ergibt eine gewünschte Vorderwagendeforma­ tionskette, welche einen optimalen Schutz und eine kostengünstige Repa­ ratur sicherstellt.

Ein dafür geeignetes, bekanntes und gattungsgemäßes Deformationsele­ ment (DE-AS 22 62 293) besteht aus einem für eine gezielte Verformung ausgelegten Rohrkörper und einem von diesem umschlossenen, energieab­ sorbierenden Schaummaterial. Der Rohrkörper umfaßt als Mantel- und Stützrohr ausgeführte Rohrelemente, die über die Länge des Deformations­ bereichs mehrmals fest miteinander verbunden sind. Das Stützrohr ist da­ bei mit einem Kunststoffschaum ausgeschäumt. Ein solches Deformations­ element ist durch die erforderliche Doppelrohrstruktur nur kostenintensiv herstellbar und die Energieabsorption der Kunststoffschaumfüllung ist rela­ tiv gering.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Deformationselement so weiterzubilden, daß bei einfacher Herstellung eine verbesserte Energie­ absorption möglich ist.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Gemäß Anspruch 1 wird als Schaummaterial ein Leichtmetall-Schaumkör­ per verwendet, der in einer Schäumform hergestellt ist. Dieser Leichtme­ tall-Schaumkörper weist eine durch gezielte Abkühlung beim Schäumvor­ gang hergestellte, feste Wandaußenhaut an Außenwandseiten auf. Diese Wandaußenhaut bildet eine materialeinheitliche Verbindung zu einem In­ nenschaumkern. Diese materialeinheitliche Verbindung erfolgt in einer Übergangszone von dem festen, nicht porösen Wandaußenhautbereich zum Innenschaumkern. Die Stärke und damit die Stabilität der Wandaußenhaut ist durch gezielte Abkühlbedingungen beim Schäumvorgang beeinflußbar und einstellbar. Diese Abkühlbedingungen sind empirisch ermittelbar und festlegbar, wodurch der Leichtmetall-Schaumkörper an unterschiedliche Gegebenheiten anpaßbar ist. Bei einem langgestreckten Leichtmetall- Schaumkörper ergibt sich somit eine Rohrstruktur aus der festen Wand­ außenhaut mit einem materialeinheitlichen Innenschaumkern. Diese Struktur ermöglicht eine besonders hohe Absorption von Verformungs­ energie, wobei zudem ein günstiger Kraft-Weg-Verlauf erzielbar ist.

Wenn der Leichtmetall-Schaumkörper den gesamten Innenraum des Rohr­ körpers ausfüllt, kann dies zu einer unerwünscht hohen Kraftspitze zu Be­ ginn der Verformung des Rohrkörpers führen und ebenso zu einem unerwünscht hohen Kraftanstieg nach einer bestimmten Verformungsstrecke, wenn im wesentlichen alle Poren des Schaumkerns zusammengedrückt sind. Es wird daher nach Anspruch 2 vorgeschlagen, daß der Leichtmetall- Schaumkörper wenigstens einen Hohlraum aufweist und lediglich ab­ schnittweise an der Innenseite des Rohrkörpers anliegt.

Zudem soll nach Anspruch 3 auf der Seite der Krafteinleitung der Leicht­ metall-Schaumkörper gegenüber dem Rand des Rohrkörpers zur Vermei­ dung einer anfänglichen Kraftspitze zurückversetzt sein. Zur Einstellung und Dimensionierung soll weiter ausgehend von der Seite der Krafteinleitung der wirksame Querschnitt des Leichtmetall-Schaumkörpers zumindest abschnittweise zunehmen.

Mit Anspruch 4 wird eine bevorzugte rohrförmige, vorzugsweise kreiszy­ lindrische Ausführung eines Leichtmetall-Schaumkörpers vorgeschlagen. Durch dessen Verfestigung an den Außenseiten zu einer stabilen Wand­ außenhaut ergibt sich dabei eine Doppelrohrstruktur aus einer rohmußen­ seitigen, festen Wandaußenhaut und einer rohrinnenseitigen, festen Wand­ außenhaut mit einem dazwischenliegenden Innenschaumkern. Mit einer solchen Doppelrohrstruktur und deren inniger Verbindung zum Innen­ schaumkern wird mit besonders wenig Materialeinsatz und günstigem Ge­ wicht eine vorteilhaft hohe Energieabsorption erreicht.

In einer Weiterbildung nach Anspruch 5 eines solchen Leichtmetall- Schaumkörpers mit Doppelrohrstruktur wird vorgeschlagen, diesen mit über die Längserstreckung unterschiedlichen Querschnitten auszubilden. Dabei soll ein erster, auf der Seite der Krafteinleitung offener Rohrabschnitt gegenüber dem Innendurchmesser des Rohrkörpers einen kleineren Außendurchmesser aufweisen. Ein zweiter, entgegen der Seite der Kraftein­ leitung offener Rohrabschnitt soll einen Außendurchmesser entsprechend dem Innendurchmesser des Rohrkörpers für eine flächige Anlage aufwei­ sen. Durch den Zwischenraum zwischen dem Rohrkörper und dem ersten Rohrabschnitt wird bei entsprechender Dimensionierung beispielsweise ein Verformen des Rohrkörpers durch Faltenbeulen durch den Leichtmetall- Schaumkörper nicht behindert.

In einer bevorzugten Weiterbildung eines solchen rohrförmigen Leichtme­ tall-Schaumkörpers wird mit Anspruch 6 vorgeschlagen, den ersten Rohr­ abschnitt und den zweiten Rohrabschnitt über eine Querwand und mit Längsübergangsschrägen zu verbinden. Damit können der Kraft-Weg-Ver­ lauf günstig beeinflußt und das Energieabsorptionsvermögen zudem ge­ steigert werden.

Für eine Kraftaufnahme des Leichtmetall-Schaumkörpers kann nach An­ spruch 7 der Rohrkörper gegenüberliegend zur Krafteinleitungsseite unmit­ telbar oder mittelbar eine Abstützung für den Leichtmetall-Schaumkörper aufweisen, indem Stützelemente unmittelbar an der Rückseite des Rohr­ körpers angebracht sind oder der Rohrkörper vor abstützenden Elementen angebracht ist. Alternativ oder zusätzlich kann ggf. auch der zweite Rohr­ abschnitt mit dem Rohrkörper an den Anlageflächen zur Halterung und Krafteinleitung verbunden sein. Als geeignete Verbindungstechniken kön­ nen hier insbesondere Laserschweißungen und Verklebungen verwendet werden.

Ein vorstehend genannter Leichtmetall-Schaumkörper kann in Verbindung mit seit langem bekannten, durch Faltenbildung verformbaren Rohrkör­ pern nach Anspruch 9 verwendet werden.

Eine besonders günstige Kombination eines Leichtmetall-Schaumkörpers mit einem Rohrkörper ergibt sich nach Anspruch 8 mit einem Rohrkörper aus einem Faserverbund, vorzugsweise aus Kohlenstoff- oder Glasfasern und Aramidfasern, der durch Umstülpen verformbar ist (DE 196 27 061 C2).

Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen in einer Schäumform hergestellten Leichtmetall-Schaumkörper,

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines vorderen Bereichs eines Deformationselementes, bei dem der Rohrkörper durch Faltenbildung verformbar ist, und

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch eine zweite Ausführungs­ form eines vorderen Bereichs eines Deformationselementes, bei dem der Rohrkörper durch Umstülpen verformbar ist.

In der Fig. 1 ist schematisch ein Leichtmetall-Schaumkörper 1 dargestellt. Dieser Leichtmetall-Schaumkörper 1 wird in einer Schäumform hergestellt, wobei durch eine gezielte Abkühlung beim Schäumvorgang eine feste Wandaußenhaut 2 am Leichtmetall-Schaumkörper 1 ausgebildet wird. Diese Wandaußenhaut 2 bildet eine materialeinheitliche Verbindung zu einem Innenschaumkern 3. Die Stärke und damit die Stabilität der Wand­ außenhaut 2 ist durch gezielte Abkühlbedingungen beim Schäumvorgang einstellbar.

Wie dies aus der Fig. 1 weiter ersichtlich ist, besteht der Leichtmetall- Schaumkörper 1 aus einem ersten Rohrabschnitt 4 und einem zweiten Rohrabschnitt 5. Dabei sind der erste Rohrabschnitt 4 und der zweite Rohrabschnitt 5 über eine Querwand 6 mit Längsübergangsschrägen 7 verbunden. Zudem weist der Leichtmetall-Schaumkörper 1 zur Ausbildung von offenen Rohrabschnitten 4, 5 Hohlräume 8, 9 auf.

In Fig. 2 ist eine erste Ausführungsform eines Deformationselementes 11 dargestellt. Dieses Deformationselement 11 umfaßt einen zylindrischen Rohrkörper 10, in dem der Leichtmetall-Schaumkörper 1 aufgenommen ist. Dabei entspricht der Innendurchmesser des Rohrkörpers 10 dem Außen­ durchmesser des zweiten offenen Rohrabschnitts 5, wobei der Rohrkörper 10 mit dem zweiten Rohrabschnitt 5 an den Anlageflächen z. B. durch La­ serschweißung oder Verklebung verbunden ist, was hier allerdings nicht dargestellt ist.

Wie dies aus Fig. 2 weiter ersichtlich ist, weist der erste offene Rohrab­ schnitt 4 einen Außendurchmesser auf, der kleiner als der Innendurchmes­ ser des Rohrkörpers 10 ist, so daß dieser erste offene Rohrabschnitt 4 mit einem Abstand zum Rohrkörper 10 angeordnet ist. Weiter ist der Leichtme­ tall-Schaumkörper 1 mit seinem ersten offenen Rohrabschnitt 4 auf der Krafteinleitungsseite 12 gegenüber dem Rand 13 des Rohrkörpers 10 zu­ rückversetzt.

Da der Leichtmetall-Schaumkörper 1 gegenüber dem vorderen Rand 13 des Rohrkörpers 10 zurückversetzt ist, kann die Verformung des Rohrkörpers 10 unbeeinflußt von dem Leichtmetall-Schaumkörper 1 eingeleitet werden. Dabei verformt sich zuerst der Rohrkörper 10 durch Faltenbeulen, wie dies in der Fig. 2 strichpunktiert dargestellt ist. Der Rohrkörper 10 ist dabei auf der der Krafteinleitungsseite 12 gegenüberliegenden Seite abgestützt, was hier allerdings nicht dargestellt ist. Erst in einer weiteren Deformationsstu­ fe kommt es dann zu einer Energieabsorption mittels des Leichtmetall- Schaumkörpers 1, der eine besonders hohe Absorption von Verformungs­ energie für einen günstiger Kraft-Weg-Verlauf ermöglicht.

In der Fig. 3 ist eine zweite Ausführungsform eines Deformationselementes 14 dargestellt, das bis auf einen Rohrkörper 15 einen identischen Aufbau mit dem Deformationselement 11 aufweist. Der Rohrkörper 15 ist hier aus einem Faserverbund aus Kohlenstoff- oder Glasfasern und Aramidfasern hergestellt. Der Rohrkörper 15 ist nach dem Stülpprinzip verformbar.

Zur Einleitung des Umstülpvorgangs schließt sich an das freie Rohrende ein Bauteil 16 mit einer konkaven, den äußeren Stülpradius bestimmenden Hohlkehle 17 an. Die Hohlkehle 17 dient dazu, daß bei einer Beaufschla­ gung des Deformationselementes 14 mit einer entsprechend großen Kraft der Endbereich des ersten Rohrabschnitts 4 nach außen hin umgestülpt wird, was in der Darstellung der Fig. 3 strichpunktiert eingezeichnet ist. Auch hier kann die Verformung des Rohrkörpers 10 unbeeinflußt von dem Leichtmetall-Schaumkörper 1 eingeleitet werden und erst in einer weiteren Deformationsstufe kommt es dann zu einer Energieabsorption mittels des Leichtmetall-Schaumkörpers 1, der eine besonders hohe Absorption von Verformungsenergie für einen günstigen Kraft-Weg-Verlauf ermöglicht.

Claims (9)

1. Deformationselement, insbesondere zum Einsatz in Verbindung mit einem Stoßfängersystem für Fahrzeuge, mit einem zur gezielten Ver­ formung ausgelegten Rohrkörper und einem von diesem umschlosse­ nen, energieabsorbierenden Schaummaterial, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaummaterial ein in einer Schäumform hergestellter Leichtmetall-Schaumkörper (1) ist, der durch gezieltes Abkühlen beim Schäumvorgang an Außenwandseiten eine feste Wandaußenhaut (2) mit einer materialeinheitlichen Verbindung zu einem Innenschaum­ kern (3) aufweist.

2. Deformationselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leichtmetall-Schaumkörper (1) abschnittweise an der Innenseite des Rohrkörpers (10) anliegt und wenigstens einen Hohlraum (8, 9) aufweist.

3. Deformationselement nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auf der Seite (12) der Krafteinleitung der Leichtme­ tall-Schaumkörper (1) gegenüber dem Rand (13) des Rohrkörpers (10; 15) zurückversetzt ist und ausgehend von der Seite (12) der Krafteinlei­ tung der wirksame Querschnitt des Leichtmetall-Schaumkörpers (1) zumindest abschnittweise zunimmt.

4. Deformationselement nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Leichtmetall-Schaumkörper (1) rohrförmig, vor­ zugsweise kreiszylindrisch ausgebildet ist mit einer Doppelrohrstruktur aus einer rohraußenseitigen, festen Wandaußenhaut (2) und einer rohr­ innenseitigen, festen Wandaußenhaut (2) mit der materialeinheitlichen Verbindung zum dazwischenliegenden Innenschaumkern (3).

5. Deformationselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Leichtmetall-Schaumkörper (1) einen ersten auf der Seite der Krafteinleitung offenen Rohrabschnitt (4) und einen zweiten entgegen der Seite (12) der Krafteinleitung offenen Rohrabschnitt (5) aufweist, und
daß der zur gezielten Verformung ausgelegte Rohrkörper (10; 15) einen größeren Innendurchmesser gegenüber einem kleineren Außendurch­ messer des ersten Rohrabschnitts (4) und der zweite Rohrabschnitt (5) einen Außendurchmesser entsprechend dem Innendurchmesser des Rohrkörpers (10; 15) aufweist.

6. Deformationselement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Rohrabschnitt (4) und der zweite Rohrabschnitt (5) über eine Querwand (6) und mit Längsübergangsschrägen (7) verbunden sind.

7. Deformationselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Rohrkörper (10; 15) gegenüberliegend zur Kraft­ einleitungsseite (12) unmittelbar oder mittelbar eine Abstützung für den Leichtmetall-Schaumkörper (1) aufweist und/oder daß gegebenen­ falls der zweite Rohrabschnitt (5) mit dem Rohrkörper (10; 15) an den Anlageflächen verbunden ist.

8. Deformationselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Rohrkörper (15) aus einem Faserverbund vor­ zugsweise aus Kohlenstoff- oder Glasfasern und Aramidfasern herge­ stellt ist und-durch Umstülpen verformbar ist.

9. Deformationselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Rohrkörper (10) durch Faltenbildung verformbar ist.