DE69000688T2 - Hochleistungsstossstangenmodul fuer kraftfahrzeuge. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Hochleistungs-Stoßstangenmodul für Kraftfahrzeuge.
• Der Ausdruck ''Hochleistungsstoßstange für Kraftfahrzeuge", wie er hier in der Beschreibung und in den Patentansprüchen benutzt wird, bedeutet eine Kraftfahrzeug-Stoßstange, bei der das Anwachsen der theoretischen Steifigkeit relativ zu einer normalen Stoßstange im Bereich zwischen etwa 2,5 und 6,0 variiert, verbunden mit einer entspechenden Verringerung in der Gesamtbelastung. Dabei wird vorausgesetzt, daß die anderen Bedingungen, beispielsweise der Überstand des Autos, die Befestigungsmittel, der Widerstandsguerschnitt (Trägheitsmoment), der Elastizitätsmodul usf. gleich sind.
• Unter diesen Voraussetzungen kann die Energie über geeignete Stoßabsorber übertragen werden, wobei auf die größte Kraft abgestellt wird, die das Chassis des Fahrzeugs erlaubt.
• Kraftfahrzeug-Stoßstangen sind in Europa nicht weit ausgebildet. Dort richtet man sich nach einer Aufprallgeschwindigkeit von bis zu 4 km/h. Abgesehen von wirtschaftlichen Zwängen wird die Konstruktionsschwelle normalerweise durch kurze Verschiebungen begrenzt, die die Stoßstange erleiden kann, bevor sie den Rahmen des Fahrzeugs oder funktionelle Teile des Fahrzeugs trifft, beispielsweise den Kühler. Innerhalb dieser Grenzen wird also normalerweise eine begrenzte Beschädigung der Stoßstange vorausgesetzt.
• In Nordamerika sind größere Verschiebungswege möglich, beispielsweise wegen der weiter nach außen vorstehenden Stoßstangen. Dort sind Stoßstangen üblich, die eine Aufprallgeschwindigkeit von 8 km/h aushalten, auch bei einem Aufprall auf eine Vorderschranke. Unter diesen Bedingungen werden normalerweise Stoßabsorber benutzt, beispielsweise vom Hydrauliktyp, in Systemen mit starren Trägern, wobei der starre Träger von energieabsorbierenden Materialien geschützt werden kann, beispielsweise von biegsamen, geschäumten Materialien. Metall-Stoßstangen, die immer noch zum Typ der stangengestützten Stoßstangen gehören, verlangen Absorber für die von vorne einkommende Energie, um im Reversibilitätsbereich arbeiten zu können. Das bedeutet, daß keine Zerstörung oder permanente Verformung vorliegen darf. Diese Absorber weisen geschäumte Materialien mit hohen Verschiebungen an der Vorderseite auf oder auch Absorber an den Trägern, über die die Stoßstangenstruktur am Wagen verankert ist, beispielsweise hydraulische Stoßabsorber.
• Innerhalb des Arbeitsbereichs der Stoßstangen wird üblicherweise die maximale Kraft, die auf das Chassis des Wagens übertragen wird, nicht erreicht, insbesondere bei den vorderen Stoßstangen. Daraus ergibt sich, wenn die zugelassene Verschiebung gleich ist, daß die tatsächliche Stoßgeschwindigkeit fühlbar verringert wird, verglichen mit der maximalen Stoßgeschwindigkeit, die theoretisch erreicht werden kann.
• Zielt man auf eine fühlbare Erhöhung der Leistung, ausgedrückt in der Stoßgeschwindigkeit, wobei die anderen Bedingungen unverändert bleiben, so können einige Anmerkungen, ausgedrückt in Energie, formuliert werden, wenn der Wert der Gesamtkraft, die auf die Struktur des Wagens übertragen werden kann, jeweils unverändert ist:
• Die optimale Situation der Energieabsorption zur Verringerung der Verschiebungen steht im Erhalt einer rechteckigen Form des Diagramms, in dem die Kraft über der Verschiebung aufgetragen ist, wobei die Verschiebung die Variable ist. Das bedeutet, daß die Energieabsorption schon vom ersten Augenblick des Stoßes an stattfinden soll, und zwar bei der höchstzulässigen Kraft (die gegenwärtig konstant ist): Es wird angenommen, daß das System eine unendliche Steifigkeit besitzt und unter konstanter, kontrollierter Kraft sich befindet. (Das System arbeitet innerhalb des plastischen Bereichs); wenn die Maximalkraft immer noch gleich ist, so wird die in einem System im elastischen Bereich gespeicherte Energie durch ein dreieckiges Diagramm repräsentiert, wobei immer noch die Kraft über der Verschiebung (die Variable) aufgetragen wird. In diesem Fall, wobei die Oberfläche, d.h. die Energie gleich ist, sind die Verschiebungen höher als im vorhergehenden Fall und die Grenzen des Widerstands sind typisch für die verwendeten Materialien. Elastische Systeme, die von stoßabsorbern geschützt sind, oder die elastisch-plastische Phänomene zeigen, ergeben niedrigere Werte der Maximalkräfte als im rein elastischen Fall. Die relevanten Verschiebungen sind folglich höher.
• US-A-4,408,790 beschreibt eine stoßabsorbierende Stoßstange für Kraftfahrzeuge mit einem vorderen Stoßstangenglied, das aus Kunstharz geformt ist, und mit einer rückwärtigen Platte aus Metall, die in das vordere Glied eingepaßt ist. Die Fig. 5 bis 7 dieser Druckschrift zeigen, daß die Stoßstangenanordnung an einem Fahrzeugkörper dadurch getragen wird, daß hydraulische Dämpf er in verstärkte rohrförmige Glieder eingepaßt sind, die an einem Rahmen des Fahrzeugs befestigt sind.
• Die Erfinder haben ein Stoßstangenmodul für Kraftfahrzeuge entwickelt, das unter Bedingungen hoher Steifigkeit arbeiten kann, mit anschließender, kontrollierter, erzwungener Verschiebung bei der maximal zulässigen Kraft, wobei eine gewünschte Steifigkeit erzielt werden kann und die Struktur des Stoßdämpfers geringeren Belastungen ausgesetzt ist.
• Erfindungsgemäß wird ein Hochleistungs-Stoßstangenmodul für Kraftfahrzeuge vorgeschlagen mit einem ästhetischen oder sichtbaren Vorderstück, mit einem Verstärkungselement, das zwischen dem Vorderstück und dem Rahmen des Fahrzeugs angeordnet ist, und mit Mitteln mit kontrollierter (vorzugsweise reversibler) erzwungener Verschiebung, die am Rahmen und am Verstärkungselement verankert sind.
• 20 Das Verstärkungselement besteht aus einer gebogenen Struktur, deren Bogen so wenig vertieft wie möglich ist und mit der Innenfläche des Vorderstücks gekoppelt ist. Dessen Enden oder Teile davon nahe den Enden sind miteinander verbunden und zwar mit Hilfe einer Gelenkverbindung, wobei ein Band- oder Kabel-Stangensystem vorgesehen ist, das eine hohe axiale Stärke und Steifigkeit hat.
• Das Vorderstück ist vorzugsweise aus thermoplastischem Material hergestellt. Es kann durch Spritzgießen, Co-Spritzgießen, Reaktions-Spritzgießen und dergl. hergestellt werden. Bevorzugte thermoplastische Materialien sind gummimodifizierte Polypropylene, beispielsweise modifiziert mit Äthlylen, Propylen oder Äthylen-Propylen oder Äthylen-Propylen-Dien- Gummi, Polyurethan usf.
• Das Vorderstück kann eine Gestalt und ein Profil analog herkömmlicher Stoßstangen haben, die bekannt sind.
• Die gebogene Verstärkungsstruktur kann einen konstanten Querschnitt oder einen variablen Querschnitt haben, einen einfachen Umriß oder, bevorzugt, einen kastenformlgen Querschnitt, entweder einstückig oder mit anliegender Rückwand. Das Band-Stangensystem kann von einer oder mehreren zylindrischen Stagen gebildet werden, von Kabeln oder von entweder offenen oder geschlossenen strukturellen Formen, die auch einer Biegung einen Widerstand entgegensetzen.
• Bezüglich der Materialien der Bogenstruktur kann diese entweder aus thermoplastischem oder duroplastischem Material bestehen, vorzugsweise verstärkt mit langfaserigen Verstärkern, beispielsweise mit Glasfasser. Beispiele thermoplastischer Materialien sind Polypropylen, Polyurethan, Polyamid, gesättigte Polyesterharze usf. Beispiele duroplastischer Materialien sind nicht gesättigte Polyesterharze, Phenolharze, Epoxyharze, Melaminharze, Harnstoffharze, Rosorzinolharze usf.
• Das Band-Stangensystem verwendet vorzugsweise hochbelastbare und sehr steife Materialien. Dazu zählen thermoplastische Kunstharze, die mit Langfasern verstärkt sind, Stangen mit ausgerichteten Langfasern aus Duroplastharzen, Stangen oder dünne Bleche aus Federstahl, Kabel aus stahl oder aus synthetischen Fasern usf.
• Das mit dem Vorderstück gekoppelte Verstärkungselement soll am Fahrzeugrahmen befestigt werden, und zwar über die Mittel mit einer gesteuerten, erzwungenen Verschiebung. Diese Mittel
• bestehen vorzugsweise aus zwei hydraulischen Stoßabsorbern, die starr an der einen Seite an den Seitenteilen des Fahrzeugs befestigt sind, und die an der anderen Seite am Inneren der gebogenen Verstärkungsstruktur befestigt sind, und zwar über orientierbare Gelenk-Befestigungsmittel, die ein Spiel in Querrichtung erlauben, so daß keine beträchtlichen Kräfte in Querrichtung relativ zur Längsachse des Fahrzeugs übertragen werden. Diese Querkräfte werden vom Band-Stangensystem aufgenommen.
• Das Modul kann auch in ein allgemeines System eingesetzt werden, das mit weiteren aktiven Absorbern ausgerüstet ist oder es können die reversiblen Absorber entweder insgesamt oder teilweise durch andere Elemente ersetzt werden.
• Die gebogene Struktur, insbesondere benachbart den Ecken des Stoßdämpfers, ermöglicht geeignet integrierte Absorber, beispielsweise flexible Schäume oder geschäumte Materialien, die zwischen dem sichtbaren Vorderstück und der gebogenen Struktur angeordnet sind, um auch unter einem Winkel auftreffende Stöße aufzufangen.
• Das geschlossene System, das von der gebogenen Struktur und dem Band-Stangensystem gebildet wird, das mit den gesteuerten, reversiblen, erzwungenen Verschiebungsmitteln verbunden ist, ist geometrisch in Fig. 1 gezeigt. Es ist klar, daß die Dimensionen und die geometrischen Parameter, die das Verstärkungselement charakterisieren, von der Form und den Abmessungen des Wagens abhängen, an dem die Stoßstange befestigt werden soll. Erfindungsgemäß wurde eine Beziehung zwischen der Biegung H der gebogenen Struktur und der Länge L des Band-Stangensystems gefunden, die es ermöglicht, daß der Modul bei größtmöglicher Steifigkeit arbeitet.
• Im einzelnen ist das bevorzugte Verhältnis H/L gleich oder größer 0,08 und bewegt sich allgemein im Bereich zwischen 0,08 und 0,2 einschl. der Grenzwerte. Wenn B der Abstand zwischen dem Verbindungspunkt des Band-Stangensystems mit der gebogenen Struktur und dem Verbindungspunkt der gebogenen Struktur mit den Mitteln ist, dann ist das Verhältnis 2B/L vorzugsweise im Bereich zwischen 0 und 0,3, abermals einschl. der Grenzwerte.
• Der Modul kann schon vormontiert am Wagen befestigt werden. D.h., daß das sichtbare Frontstück und das Verstärkungselement mit den Mitteln zur kontrollierten, erzwungenen Verschiebung schon vormontiert ist. Alternativ kann das Verstärkungselement, das an den Seitenträgern des Fahrzeugs über die erwähnten Mittel befestigt ist, zunächst am Fahrzeug befestigt werden dann wird das sichtbare Fronstück installiert, das am Rahmen des Fahrzeugs mit Hilfe von bekannten Verankerungssystemen befestigt ist, beispielsweise mit Bolzen und Muttern.
• Das erfindungsgemäße Stoßdämpfersystem ermöglicht es, Steifigkeitswerte zu erhalten (wobei die anderen Bedingungen unverändert sind), die um ein Vielfaches höher sind als diejenigen Werte, die mit herkömmlichen Stoßdämpferstrukturen erreicht werden können: Durch ein geeignetes Dimensionieren der Struktur und des Wand-Stangenlements kann jetzt die größtmögliche Kraft erreicht werden, und zwar mit dem notwendigen Sicherheitszuschlag, um Unstabilitätsphänomene zweiter Ordnung zu verhindern. Wenn die maximale Kraft unverändert ist, ermöglicht das System, wegen seiner Geometrie, daß ein geringerer Grad an Belastung auf die bogenförmige Struktur einwirkt als auf die Trägerkonfiguration.
• Wenn die maximale Kraft erreicht ist, wobei die entsprechende Verschiebung ein Minimum erreicht hat, ist das System dazu fähig, die erwartete Energie mit Hilfe der Translationsbewegung des geschlossenen Systems zu zerstreuen, und zwar weil die Absorber unter nahezu konstanten Kraftbedingungen 10 eingeschaltet werden.
• Die strukturellen und funktionellen Eigenschaften des Kraftfahrzeug-Stoßstangenmoduls nach der Erfindung sind besser anhand der folgenden Offenbarung und in größerem Detail zu verstehen, und zwar unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die eine bevorzugte, beispielshafte und nicht beschränkende Form einer praktischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen, und wobei
• Fig. 1 - eine geometrische Konfiguration des Verstärkungselement zeigt, das mit den Mitteln verbunden ist, die eine kontrollierte, reversible, erzwungene Verschiebung haben, und
• Fig. 2 - zeigt eine schematische Draufsicht auf das gesamte, zusammengesetzte Modul.
• Aus den Figuren ergibt sich, daß das gezeigte Stoßstangenmodul ein ästhetisches oder sichtbares Vorderstück 1 hat, ein Verstärkungselement, das durch eine gebogene Struktur 2 gebildet wird, und ein Wand-Stangensystem 3, das mit der Struktur 2 über Gelenke 4 verbunden ist. Außerdem sind Mittel 5 mit kontrollierter, reversibler, erzwungener Verschiebung vorgesehen, die an der Struktur 2 mit Hilfe von ausrichtbaren Gelenken 6 befestigt sind, die ein Spiel in Querrichtung erlauben.
• In der Nachbarschaft der Ecken der Stoßstange sind integrierte Absorber 7 vorgesehen, beispielsweise biegsame, geschäumte Materialien, obgleich diese nicht notwendig sind, damit die Stoßstange unter einem Winkel auftref fende Stöße auffangen kann.
• Die verschiedenen Teile, die das erfindungsgemäße Stoßstangenmodul ausbilden, können in verschiedener Art und Weise abgewandelt werden. In den Zeichnungen sind nur verdeutlichende Beispiele gezeigt.

Claims (8)

1. Hochleistungs-Stoßstangenmodul für Kraftfahrzeuge mit einem sichtbaren Vorderstück (1), mit einem Verstärkungselement (2) hinter dem Vorderstück (1) und mit Mitteln (5) mit kontrollierter, reversibler oder irreversibler, erzwungener Verschiebung, die am Verstärkungselement (2) verankert sind und die mit dem Rahmen des Fahrzeugs verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungselement eine gebogene Struktur hat, deren konvexe Außen-Vorderseite mit der hinteren Innenseite des Vorderstücks (1) gekoppelt ist, wobei die Enden der gebogenen Struktur (2) oder Teile an deren Enden miteinander über jeweilige Gelenkverbindungen mit Hilfe eines Band-Stangensystems (3) mit axialer Stärke und Steifigkeit verbunden sind.

2. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorderstück (1) aus thermoplastischem Material besteht.

3. Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gek e n n z e i c h n e t, daß die gebogene Struktur (2) einen konstanten oder variablen Querschnitt hat, einen einfachen Umriß oder einen kastenförmigen Querschnitt hat, entweder einstückig oder mit anliegender Rückwand, und daß das Band-Stangensystem (3) von einer oder mehreren zylindrischen Stangen gebildet wird, von Kabeln oder von einer offenen oder geschlossenen Strukturform.

4. Modul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gebogene Struktur (2) und das Band-Stangensystem (3) beide aus thermoplastischem Material bestehen oder aus mit Langfasern verstärktem duroplatischem Material.

5. Modul nach Anspruch 3, dadurch gek e n n z e i c h ne t, daß das Band-Stangensystem (3) aus Stahlstangen oder dünnen Blechen besteht, aus Stahlkabeln oder aus Kabeln aus Synthesefasern.

6. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gek e n n z e i c h n e t, daß das Verhältnis (H/L) der Biegung (H) des Bogens der verstärkenden Struktur (2) zu der Länge (L) des Band- Stangensystems (3) wenigstens gleich 0,08 ist und vorzugsweise im Bereich von 0,02 bis 0,2 liegt.

7. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Verhältnis 2B/L im Bereich von Null bis 0,3 liegt, mit B = seitlicher Abstand zwischen dem Verbindungspunkt des Band-Stangensystems (3) mit der gebogenen Struktur (2) und dem Verbindungspunkt der gebogenen Struktur (2) mit den Mitteln (5) für die erzwungene Verschiebung und mit L = Länge des Band-Stangensystems.

8. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Mittel mit kontrollierter und reversibler,

erzwungener Verschiebung zwei hydraulische Stoßabsorber (5) aufweisen, die innerhalb der Höhlung der gebogenen Verstärkungsstruktur (2) mit Hilfe von gelenkig ausrichtbaren Befestigungsmitteln (6) befestigt sind, die ein Spiel in Querrichtung erlauben