Traitement en cours

Veuillez attendre...

PATENTSCOPE sera indisponible durant quelques heures pour des raisons de maintenance le mardi 26.10.2021 à 12:00 PM CEST
Paramétrages

Paramétrages

Aller à Demande

1. DE000069910426 - DEFORMIERBARE TRÄGER FÜR FAHRZEUGE

Note: Texte fondé sur des processus automatiques de reconnaissance optique de caractères. Seule la version PDF a une valeur juridique

[ DE ]
Beschreibung
[0001]  Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kollisionsschiene, welche für eine Verwendung in einem Fahrzeug geeignet ist.
[0002]  Es ist eine anerkannte Anforderung, dass Motorfahrzeuge eine steife Passagierkabine, welche widerstandsfähig gegen Verformung ist, und wenigstens vor und hinter der Passagierkabine Kollisionsstrukturen aufweisen sollten, welche sich bei einem Zusammenstoß des Fahrzeugs mit einem anderen Objekt in einer kontrollierten Art und Weise verformen, um die Energie des Stoßes zu absorbieren und in der Passagierkabine befindliche Passagiere zu schützen. Diese Kollisionsstrukturen können Kollisionsschienen umfassen.
[0003]  Dokument US 5,419,416, gemäß welchem der Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgestellt wurde, offenbart eine zylindrische Kollisionsschiene, bei welcher die Dicke der Wände in der axialen Richtung in wenigstens zwei Stufen graduell ansteigt. Der gelehrte Energieabsorber kann Energien absorbieren, welche wenigstens zwei Kollisionsgeschwindigkeitsniveaus entsprechen.
[0004]  Dokument FR 2,761,434 offenbart einen Energieabsorber, in welchem die Querschnittsfläche des Hohlraums des Energieabsorbers vom Kopfende zum Fußende ansteigt.
[0005]  Die vorliegende Erfindung stellt eine Kollisionsschiene für ein Fahrzeug bereit, umfassend: einen Fußabschnitt, welcher an einem Teil des Fahrzeugs verankert werden kann;
einen Kopfabschnitt, welcher von dem Fußabschnitt beabstandet ist und welcher sich näher an einem potentiellen Stoßpunkt des Fahrzeugs befindet, wenn der Fußabschnitt an dem Teil des Fahrzeugs verankert ist; und
einen Mittelabschnitt, welcher von dem Fußabschnitt zu dem Kopfabschnitt verläuft; wobei:
die  Kollisionsschiene eine Wand umfasst, welche eine Nut oder einen Hohlraum in der Kollisionsschiene definiert;
die  Wand eine Dicke aufweist, welche von dem Kopfabschnitt zu dem Fußabschnitt graduell ansteigt;
die Wand aus einem Kompositmaterial, welches in einem Harzmaterial sitzende Fasern aufweist, gebildet ist;
die  Kollisionsschiene gestaucht werden kann, wenn das Fahrzeug mit einem anderen Objekt zusammenstößt, um dadurch Energie des Stoßes zu absorbieren,
die  Kollisionsschiene während des Stoßes unter Abtrennung des Harzes von den darin platzierten Fasern zerfällt;
und  die Kollisionsschiene während des Stoßes fortschreitend so zerfällt, dass der Kopfabschnitt als erstes zerfällt, dann der Mittelabschnitt und zuletzt der Fußabschnitt;
dadurch gekennzeichnet, dass
die  Nut oder der Hohlraum in der Kollisionsschiene eine Querschnittsfläche aufweist, welche von dem Kopfabschnitt zu dem Fußabschnitt graduell ansteigt; und
die  Wand Längsfasern umfasst, welche entlang der Wand von dem Fußabschnitt in Richtung des Kopfabschnitts verlaufen.
[0006]  Die vorliegende Erfindung stellt außerdem ein Rad-Kraftfahrzeug bereit, welches die oben beschriebene Kollisionsschiene umfasst.
[0007]  Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun, lediglich beispielhaft, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
[0008]   Fig.1 ist eine schematische Ansicht einer Vorderseite eines Fahrzeugs, welche ausgebrochen ist, um zwei Kollisionsschienen gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu zeigen;
[0009]   Fig.2 ist eine perspektivische Ansicht einer der in Fig.1 gezeigten Kollisionsschiene;
[0010]   Fig.3 ist ein Querschnitt durch die Kollisionsschiene von Fig.2;
[0011]   Fig.4 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung, welche die Anordnung von Fasern in einem Kopfabschnitt einer Wand der Kollisionsschiene der Fig.2 und 3 zeigt;
[0012]   Fig.5 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung, welche die Anordnung von Fasern in einem Fußabschnitt einer Wand der Kollisionsschiene von Fig.2 und 3 zeigt;
[0013]   Fig.6 ist eine schematische Ansicht, welche die Anordnung von Längsfasern in dem Kern einer Wand der Kollisionsschiene gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
[0014]   Fig.7 ist eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Kollisionsschiene gemäß der vorliegenden Erfindung;
[0015]   Fig.8 ist eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform einer Kollisionsschiene gemäß der vorliegenden Erfindung;
[0016]   Fig.9 ist eine perspektivische Ansicht einer vierten Ausführungsform einer Kollisionsschiene gemäß der vorliegenden Erfindung; und
[0017]   Fig.10 ist eine perspektivische Ansicht der Kollisionsschiene von Fig.9 in einer alternativen Konfiguration.
[0018]  Unter Bezugnahme auf Fig.1 ist dort eine Passagierkabine 10 eines Kraftfahrzeugs mit einer vorderen Trennwand 11 zu sehen. Zwei Kollisionsschienen 20 sind an der Trennwand 11 angebracht und verlaufen von der Trennwand 11 nach vorne. Die Kollisionsschienen 20 verlaufen beiderseits eines Motors (nicht gezeigt) des Kraftfahrzeugs durch die vorderen Kotflügel (nicht gezeigt) des Fahrzeugs. Die vordersten Enden der Kollisionsschiene 20 sind miteinander durch eine Stoßstange (nicht gezeigt) des Fahrzeugs verbunden, an welcher sie beide angebracht sind.
[0019]  Jede Kollisionsschiene 20 ist aus einem Kompositmaterial gebildet, welches in einer Harzma-trix angeordnete Fasern umfasst. Das Kompositmaterial wird im Folgenden detailliert beschrieben. Wie bei 21 in Fig.2 zu sehen ist, weist jede Kollisionsschiene 20 einen hohlen, quadratischen oder rechtwinkligen Querschnitt auf. Die Querschnittsfläche einer jeden Kollisionsschiene 20 verjüngt sich linear von einem größten Querschnitt an einem der Trennwand 11 benachbarten Fußabschnitt 22 der Kollisionsschiene 20 zu einem kleinsten Querschnitt am vordersten Kopfabschnitt 21 der Kollisionsschiene 20. Ferner verjüngt sich, wie in Fig.3 illustriert, die Wanddicke δ einer Kollisionsschiene 20 linear von einer größten Wanddicke δ am Fußabschnitt 22 zu einer kleinsten Wanddicke δ am Kopfabschnitt 21.
[0020]  In einem Personenkraftwagen wird typischerweise jede der Kollisionsschiene 20600 bis 700 mm lang sein und die Wanddicke δ wird von einem Maximumswert von δ mm am Fußabschnitt 22 zu einem Minimumswert von 2,5 mm im Kopfabschnitt 21 abnehmen.
[0021]  Es wird sich nun auf Fig.4 und 5 bezogen, in welchen jeweils Kopf- und Fußabschnitte einer Wand einer Kollisionsschiene 20 zu sehen sind. Die Wand ist aus einem Kompositmaterial gebildet, welches eine Mehrzahl von Schichten 25, 26, 27, 28 aus Fasern aufweist, die in einer Harzmatrix angeordnet sind. Schichten 26, 27, 28 einer faserartigen Mattierung (Fasermatten) sind nahe der Außenflächen der Kollisionsschiene 20 und Schichten 25 aus Glasfasern sind in der Mitte vorgesehen. Die Längsfasern in Schichten 25 sind alle so orientiert, dass sie längs entlang der sich verjüngenden Wände der Kollisionsschiene 20 verlaufen, wobei sich jede von dem Fußabschnitt 22 zu dem Kopfabschnitt 21 hin erstreckt. Die Längsfasern in Schichten 25 im Kern sind von unterschiedlichen Längen und sind in Bündeln (Anhängungen (englisch: tows)) angeordnet, so dass sie Laminate unterschiedlicher Längen bilden. Alle Längsfasern 25 verlaufen von dem Fußabschnitt 22 der Kollisionsschiene 20 nach vorn, jedoch nur die Längste verläuft entlang des gesamten Wegs bis zu dem Kopfabschnitt 21. Der Rest der Längsfasern 25 endet kurz in definierten Intervallen, so dass eine graduelle Anordnung von Laminaten gebildet wird, welche die erforderliche Verjüngung in der Kollisionsschiene bereitstellt. Diese Anordnung ist am besten in Fig.6 illustriert.
[0022]  Die faserartige Mattierung umfasst Fasern 26, 27, 28, welche von allseitig gerichteter Natur sind und welche entlang der gesamten Länge der Kollisionsschiene 20 verlaufen.
[0023]  In der bevorzugten Ausführungsform umfassen die faserartigen Mattierungsschichten 26, 27, 28 Kohlefasern und die Schichten 25 im Kern umfassen Glasfasern. Die Kollisionsschiene 20 kann gebildet werden, indem die faserartige Mattierung und die längs verlaufenden Fasern 25 von Hand in ein Formwerkzeug gelegt werden und danach ein Polyesterharz (z.B. unter Vakuumunterstützung) in das Formwerkzeug injiziert wird, wenn es geschlossen ist. Es können Epoxid- oder Polyvinylharze verwendet werden.
[0024]  Die Konfiguration der Fasern in der Kollisionsschiene 20 erzeugt die Materialeigenschaften der Kollisionsschiene 20, welche entlang ihrer Länge variieren. Am Kopfabschnitt 21 der Kollisionsschiene 20 dominiert das Vorhandensein der allseitig gerichteten faserartigen Mattierung die Materialcharakteristika, wie am besten in Fig.4 zu sehen ist. Umgekehrt hat die allseitig gerichtete faserartige Mattierung im Fußabschnitt 22 der Kollisionsschiene 20 einen geringeren Einfluss auf die Charakteristika des Materials, wie am besten in Fig.5 zu sehen ist. Diese Verteilung von Fasern ist signifikant hinsichtlich der Art und Weise, in welcher die Kollisionsschiene 20 arbeitet.
[0025]  Die Kollisionsschienen 20 sind so konstruiert, dass sie bei einer Kollision in einer kontrollierten Weise zerdrückt werden. Im Fachgebiet bekannte Metallkollisionsschienen haben eine hohe Tendenz, sich bei einem Stoß zu verziehen, die Kollisionsschienen 20 der vorliegenden Erfindung sind jedoch dazu konstruiert, sich nicht zu verziehen. Stattdessen zerfallen die Kollisionsschienen 20 während eines Stoßes graduell von ihren Kopfabschnitten 21 fortschreitend zu den Fußabschnitten 22 hin, da sich die Harzmatrix jeder Schiene 20 von den von ihr umgebenen Fasern 25, 26, 27, 28 ablöst. Die Kollisionsschienen 20 sind so konstruiert, dass das Material jeder Schiene 20, reichlich bevor die Kollisionsschiene 20 sich unter den einwirkenden Kräften verzieht, beginnt zu verfallen, und zwar selbst dann, wenn die wirkenden Kräfte nicht längs entlang der Kollisionsschienen 20 wirken, sondern Biegemomente auf diese ausüben. Die sich verjüngende Querschnittsfläche der Kollisionsschiene 20 und die sich verjüngende Wanddicke δ unterstützt die Kollisionsschienen 20, einer Biegung zu widerstehen.
[0026]  Die Kollisionsschienen 20 sind so konstruiert, dass die statische Festigkeit der Schienen in Richtung auf den Fu ß 22 zu ansteigt, und zwar typischerweise von 200 MPa nahe dem Kopf 21 der Kollisionsschiene 20 auf 270 MPa nahe dem Fuß 22 (aufgrund der variierenden Materialeigenschaften entlang der Kollisionsschiene 20 wegen der Faserverstärkungskonfiguration). Werden die Schienen 20 bei einem Stoß zerdrückt, so ist die dynamische Festigkeit des Materials (d.h. die Festigkeit des Teils des Materials, welches zerdrückt wird/zerfällt) beträchtlich geringer als die statische Festigkeit. Die dynamische Festigkeit variiert auch entlang der Kollisionsschiene, typischerweise von 80 MPa am Kopf 21 zu 40 MPa am Fu ß 22, aufgrund der variierenden Materialcharakteristika entlang der Kollisionsschiene 20, verursacht durch die Verteilung von Fasern 25, 26, 27, 28. Es ist wichtig, dass eine abnehmende Materialzerdrückfestigkeit in Richtung auf den Fuß 22 zu vorliegt, um eine annähernd konstante Zerdrückungskraft entlang der Länge der Kollisionsschiene 20 zu erreichen. Die Zerdrückungskraft ist das Produkt aus der Zerdrückungswiderstandsfähigkeit und der Querschnittsfläche eines Materials. Da die Querschnittsfläche von zu zerdrückendem Material in Richtung des Fußes 22 ansteigt, muss die Zerdrückungswiderstandsfähigkeit verringert werden, um eine angemessen einheitliche Zerdrückungskraft zu gewährleisten.
[0027]  Die Energiedissipation des Kompositmaterials während eines Zerdrückens ist vorteilhaft mit Stahl vergleichbar. Stahl weist einen typischen Wert von 5 J/g auf (abgeführte Energie pro Masseneinheit), während das Kompositmaterial einen typischem Wert von 35 J/g aufweist. Die Erfindung ertaubt die Verwendung von 6 kg Kompositmaterial anstatt von 25 kg Stahl.
[0028]  Die in Fig.1 illustrierten Kollisionsschienen 20 sind leicht nach außen aufgeweitet (d.h. die Zentren des Fußabschnitts 22 der Kollisionsschienen 20 sind näher aneinander als die Zentren der Kopfabschnitte 21 ). Dies hilft den Kollisionsschienen 20, schrägen/versetzen Stößen Herr zu werden.
[0029]  Eine zweite Ausführungsform der Kollisionsschiene 30 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig.7 gezeigt. Die Kollisionsschiene 30 verjüngt sich auf dieselbe Weise wie die Kollisionsschiene 20 und weist eine Wanddicke auf, welche in Richtung des an der Trennwand 11 angebrachten Fußabschnitt 32 ansteigt. Während jedoch die Kollisionsschiene 20 als ein einzelnes Ganzes gebildet ist, ist die Kollisionsschiene 30 aus zwei Bestandteilen 30A und 30B gebildet, welche Flansche (z.B.33) aufweisen und welche mit eine Kleber entlang der Flansche miteinander verbunden sind. Die Fasern sind in Kollisionsschienen 30 in derselben Weise ausgebreitet wie die bei der Kollisionsschiene 20 beschriebenen. Die Kollisionsschiene 30 funktioniert auf dieselbe Weise wie die Kollisionsschiene 20, die Kollisionsschiene 30 ist jedoch einfacher herzustellen.
[0030]  Eine dritte Ausführungsform einer Kollisionsschiene 40 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig.8 gezeigt. In dieser Ausführungsform umfasst die Kollisionsschiene 40 effektiv zwei Kollisionsschienen 30, welche miteinander verbunden sind. Die Kollisionsschiene 40 ist aus zwei passenden Teilen 40A und 40B gebildet. Die Teile 40A und 40B weisen Flansche (z.B.43, 44, 45) auf, welche aneinander anliegen können und welche durch einen Kleber miteinander verbunden sind. Wenn die zwei Teile 40A und 40B zusammengeklebt sind, definieren sie zwei parallele, identische, hohle, sich im Querschnitt verjüngende Schienenabschnitte 46, 47. In derselben Weise wie die Kollisionsschienen 20 und 30 weist jeder Schienenabschnitt 46, 47 einen Querschnitt und eine Wanddicke auf, welche in Richtung seines Fußabschnitts 42 ansteigt. Die Fasern in jedem Schienenabschnitt 46, 47 sind in derselben Weise ausgebreitet wie die bei den Kollisionsschienen 20 und 30 beschriebenen. Die Kollisionsschiene 40 wird während eines Stoßes in derselben Art und Weise funktionieren wie die Kollisionsschienen 20 und 30 und wird als ein Paar paralleler, zueinander im Abstand gelegener Kollisionsschienen 30 funktionieren.
[0031]  Eine weitere Ausführungsform einer Kollisionsschiene 50 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig.9 gezeigt. Die Kollisionsschiene 50 umfasst eine gewellte Platte entsprechend einer Hälfte (z. B. 40 B) der Kollisionsschiene 40. Eine flache Platte 58 ist an Flanschen 53, 54, 55 der Kollisionsschiene 50 angebracht. Die Platte 58 ist durch einen Kleber angebracht. Die flache Platte 58 und die gewellte Platte definieren zwei hohle, sich vejüngende Hohlraumbereiche 56, 57. Die Querschnittsflächen dieser Bereiche 56, 57 verjüngen sich linear entlang der Länge der Kollisionsschiene 50 von Gebieten größten Querschnitts an den Fußabschnitten 52 zu Gebieten kleinsten Querschnitts an den Kopfabschnitten 51. Die Wanddicke der gewellten Platte steigt linear zum Fußabschnitt 52 der Schiene 50 hin an.
[0032]  Während einer Kollision wird das Material der gewellten Platte wie die Kollisionsschienen 20, 30 und 40 zerfallen. Die flache Platte 58 wird jedoch nicht zerfallen, sondern wird sich von der gewellten Platte abschälen. Das Schälen wird durch eine geeignete Wahl einer Klebeverbindung zwischen der flachen Platte 58 und der gewellten Platte unterstützt.
[0033]  Während die Querschnitte der Hohlräume in den oben beschriebenen Kollisionsschienen 20, 30, 40, 50 entweder quadratisch oder rechteckig sind, könnten die Querschnitte jede geeignete Polygonform aufweisen und könnten von gekrümmter Natur sein. Zum Beispiel könnten die Kollisionsschienen 20, 30, 40 kreisförmige Querschnitte aufweisen und Kollisionsschiene 50 könnte einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweisen.
[0034]  Die flache Platte 58 der Kollisionsschiene 50 wirkt bis zum Abschälen als eine stabilisierende Platte und hilft der gewellten Platte, sich Torsionsbelastungen zu widersetzen. Die flache Platte 58 könnte eine Platte eines Motorraums eines Fahrzeugs bilden. Die flache Platte 58 wird typischerweise eine Glasfaserplatte sein. Die flache Platte 58 könnte selbst gewellt sein, wobei die Wellungen kleiner sind als die der gewellten Platte. Die Wellungen der flachen Platte 58 würden ein Ausbreiten von Rissen durch die Kleberschicht zwischen der Platte 58 und der gewellten Platte bei einem Stoß verhindern.
[0035]  Die Kollisionsschienen 20, 30, 30, 50 könnten an der Trennwand 11 montiert werden, indem die Fußenden 22, 32, 42, 52 in passende Schächte in gegossenen Ständern eingesteckt werden, welche an der Trennwand 11 angebracht oder einstöckig ausgebildet sind. Eine geeignete Anordnung für eine Kollisionsschiene 50 ist in Fig.10 illustriert. Ein gegossener Ständer 60 ist integral mit der Trennwand 11 ausgebildet und nimmt den Fußabschnitt 52 auf. Bei einer solchen Anordnung könnten die Kollisionsschienen 20, 30, 40, 50 dazu verwendet werden, die Hauptstütze für das gesamte vordere Ende eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, d.h. die Hauptverbindung zwischen dem vorderen Ende (vordere Kotflügel, Motorhaube, vordere Aufhängung, vorderer Hilfsrahmen, Motor) und dem Rest des Fahrzeugs zu bilden.
[0036]  Die vorderen Köpfe 21, 31, 41, 51 der Kollisionsschiene 20, 30, 40, 50 könnten geflanscht sein, um die Anbringung der vorderen Köpfe 21, 31, 41, 51 an einer Stoßstange zu unterstützen.
[0037]  Während die obigen Kollisionsschienen 20, 30, 40, 50 so beschrieben wurden, dass sie Hohlräume geschlossenen Querschnitts aufweisen, und dies für eine Torsionssteifigkeit vorteilhaft ist, könnte eine Kollisionsschiene von einer gewellten Platte mit einer zu einer Seite offenen Nut oder mit zu einer Seite offenen Nuten gebildet sein, vorausgesetzt die Querschnittsfläche(n) der Nuten) verjüngt/verjüngen sich gemäß der vorliegenden Erfindung und die Wanddicke(n) der gewellten Platte verjüngt/verjüngen sich ebenfalls.
[0038]  Es wird anerkannt werden, dass, während die Kollisionsschiene gemäß vorliegender Erfindung für eine Verwendung als eine Kollisionsstruktur vor einer Passagierkabine eines Fahrzeugs beschrieben wurde, die oben beschriebenen Kollisionsschienen 20, 30, 40, 50 ebenso für eine Verwendung bei der Bereitstellung einer Kollisionsstruktur an der Rückseite einer Passagierkabine geeignet sind.