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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Energieabsorptionsvorrichtung
mit einem ersten hohlen Längsabschnitt
erster Querschnittsweite und einem zweiten hohlen Längsabschnitt
zweiter Querschnittsweite sowie einem gestülptem Übergangsbereich zwischen den
hohlen Längsabschnitten.
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Derartige
Energieabsorptionsvorrichtungen werden in Fahrzeugen eingesetzt
und beispielsweise zwischen Stoßfänger und
Karosserie angeordnet. Bei einem Unfall verformen sie sich plastisch
und absorbieren hierdurch Energie. Bei leichten Unfällen kann
das Energieabsorptionsvermögen
ausreichen, um ein plastisches Verformen der Karosserie zu verhindern.
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Um
ein einwandfreies Verformen, das heißt Zusammenteleskopieren, zu
gewährleisten,
wird die Energieabsorptionsvorrichtung parallel zur Fahrzeuglängsrichtung
ausgerichtet angeordnet.
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In
der Praxis können
jedoch Unfallkräfte
auftreten, welche schräg
zur Fahrzeuglängsrichtung
wirken. In einem solchen Fall kann es passieren, dass sich der stoßfängerseitige
hohle Längsabschnitt
der Energieabsorptionsvorrichtung bezüglich des karosserieseitigen
hohlen Längsabschnittes
schräg
stellt. Um eine solche Schrägstellung
zu regulieren, das heißt
beide hohlen Längsabschnitte
wieder gerade zueinander auszurichten, ist aus der
DE 103 24 403 A1 eine spezielle
Gestaltung des Übergangsbereiches
bekannt. Im Übergangsbereich
ist außen
eine große
U-förmige
Rundung vorgesehen. Mit dieser kommt der innere hohle Längsabschnitt
in Anlage und wird beim Zusammenteleskopieren wieder gerade ausgerichtet.
Eine innere U-förmige
Rundung des Übergangsbereiches
ist mit einem kleinen Radius ausgebildet, wodurch der innere hohle
Längsabschnitt
stets nahe an der äußeren großen Rundung gelagert
ist.
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Eine ähnliche
Anordnung, bei welcher ein stoßfängerseitiger
hohler Längsabschnitt
wieder geradegestellt wird, ist aus der
US 6,702,345 B1 bekannt.
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Eine
Möglichkeit,
schräg
wirkende Unfallkräfte
zu absorbieren, ist aus der
US
6,802,548 B2 bekannt. Hier wird eine gattungsgemäße Energieabsorptionsvorrichtung
verwendet, welche schräg
zur Fahrzeuglängsrichtung
ausgerichtet ist. Somit wirkt eine schräge Unfallkraft in Längsrichtung
in der Energieabsorptionsvorrichtung, wodurch diese einwandfrei
zusammenteleskopieren kann.
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Die
US 6,802,548 B2 schlägt die Verwendung
eines becherförmigen
Stoßabsorptionselementes
vor, welches der Energieabsorptionsvorrichtung stoßfängerseitig
vorgelagert ist. Im Falle einer schräg zur Längsachse der Energieabsorptionsvorrichtung wirkenden
Unfallkraft wird mit Hilfe des becherförmigen Stoßabsorptionselementes ein Schwenken
des stoßfängerseitigen
hohlen Längsabschnittes
verhindert oder zumindest weitestgehend minimiert.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Energieabsorptionsvorrichtung
dahingehend zu verbessern, dass auf möglichst einfache Weise schräg wirkende
Unfallkräfte
mit guter Effizienz absorbiert werden können, sowie ein Verfahren zum
Herstellen einer solchen Energieabsorptionsvorrichtung zu schaffen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einer
Energieabsorptionsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1.
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Mit
der schrägen
Ausrichtung der hohlen Längsabschnitte
können
schräg
wirkende Unfallkräfte
gut aufgefangen und absorbiert werden. Dabei wird überraschenderweise
ein ähnlich
guter Kraftverlauf wie bei Energieabsorptionsvorrichtungen mit gerade
ausgerichteten Längsabschnitten
erreicht, das heißt
es wird eine gute Effizienz bei der Energieabsorption erreicht.
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Vorteilhafterweise
kann einer der hohlen Längsabschnitte
schräg
zu einer Fahrzeuglängsrichtung
ausgerichtet sein und der andere hohle Längsabschnitt im wesentlichen
parallel zur Fahrzeuglängsrichtung
verlaufen. Dabei sind schräge
Unfallkräfte
gut aufnehmbar und die Kräfte
sind noch verhältnismäßig gerade
in die Karosserie einleitbar, beispielsweise in einen Längsträger der
Karosserie, an welchem die Energieabsorptionsvorrichtung angebracht
sein kann.
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Bevorzugt
kann der stülpfähigere der
hohlen Längsabschnitte
schräg
zur Fahrzeugrichtung ausgerichtet sein. So kann die schräge Unfallkraft
besonders effizient absorbiert werden. Der zum Umformen bestimmte
Längsabschnitt
kann die Unfallkraft in seiner Längsrichtung
aufnehmen.
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Besonders
günstig
kann der hohle Längsabschnitt
geringerer Querschnittsbreite der stülpfähigere hohle Längsabschnitt
der Energieabsorptionsvorrichtung sein. So kann der hohle Längsabschnitt
größerer Querschnittsweite
zum Stabilisieren genutzt werden, er hat quasi den breiteren Stützapparat.
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Besonders
vorteilhaft kann der hohle Längsabschnitt
größerer Querschnittsweite
eine Führung des
hohlen Längsabschnittes
geringerer Querschnittsweite bilden. Beim Zusammenteleskopieren kann
sich der Längsabschnitt
geringerer Querschnittsweite am Längsabschnitt größerer Querschnittsweite
abstützen
und darauf abrollen. Auf diese Weise ergibt sich eine Teleskopierbewegung
mit guter Stabilität.
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Besonders
bevorzugt können
die hohlen Längsabschnitte
um etwa 5° bis
20° schräg zueinander
ausgerichtet sein, vorzugsweise um etwa 8° bis 12°, besonders bevorzugt um etwa
10°. Damit
wird eine gute Stülpfähigkeit
erreicht, wenn Kräfte
in Längsrichtung
der Längsabschnitte
wirken und auch dann noch, wenn die Richtung der Kräfte von
den Längsrichtungen
der Längsabschnitte
abweicht. Das heißt
schräg
wirkende Unfallkräfte
können
gut aufgefangen und durch Verformung absorbiert werden, und trotzdem
können
auch gerade Unfallkräfte
noch gut aufgefangen und absorbiert werden.
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Die
Aufgabe wird ferner gelost mit einem Verfahren mit den Merkmalen
des Anspruches 7.
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Mit
diesem Verfahren ist eine Energieabsorptionsvorrichtung mit schräg ausgerichteten
hohlen Längsabschnitten
einfach und mit guter Präzision herstellbar,
insbesondere bezüglich
der Winkligkeit der hohlen Längsabschnitte
zueinander.
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Besonders
vorteilhaft kann das Rohr erster Querschnittsweite mit Hilfe eines
Innenhochdruckumformens abschnittsweise auf zweite Querschnittsweite
vergrößert werden.
Hierdurch lässt
sich der Längsabschnitt
größerer Querschnittsweite
mit guter Präzision
herstellen und gleichzeitig durch das Verformen verfestigen, das
heißt
er erhält
einen höhere
Verformungswiderstand.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in den Figuren gezeigt und werden
nachfolgend beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Energieabsorptionsvorrichtung,
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2 eine
Draufsicht auf die Energieabsorptionsvorrichtung,
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3 eine
Längsschnittansicht
der Energieabsorptionsvorrichtung gemäß der Darstellung in 2,
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4 eine
schematische Darstellung einer Karosseriestruktur und einer Stoßfängeranordnung eines
Fahrzeugs mit hierzwischen vorgesehener Energieabsorptionsvorrichtung,
wobei Querschnittskonturen dargestellt sind;
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5 bis 7 Simulationsdarstellungen der
Energieabsorptionsvorrichtung gemäß 4 in einem
Ausgangszustand, einem ersten Verformungszustand und einem zweiten
Verformungszustand,
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8 ein
Kraft-Weg-Diagramm des Verformungsablaufes der Energieabsorptionsvorrichtung,
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9 eine
Längsschnittansicht
eines Rohres, das als Ausgangsmaterial zum Herstellen der erfindungsgemäßen Energieabsorptionsvorrichtung dient,
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10 Veranschaulichung
des Rohres aus 9 nach einem Innenhochdruckumformen
gemäß einer
ersten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens,
und
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11 und 12 Veranschaulichung
einer zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.
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In 1 ist
eine erfindungsgemäße Energieabsorptionsvorrichtung 1 in
einer perspektivischen Ansicht dargestellt, in 2 in
einer Draufsicht und in 3 in einer Längsschnittansicht gemäß 2.
Die Energieabsorptionsvorrichtung 1 weist einen ersten hohlen
Längsabschnitt 2 auf,
welcher eine erste Querschnittsweite 3 hat, und einen zweiten
hohlen Längsabschnitt 4,
welcher eine zweite Querschnittsweite 5 hat. In diesem
Ausführungsbeispiel
ist die erste Querschnittsweite 3 kleiner als die zweite
Querschnittsweite 5.
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Der
erste und zweite hohle Längsabschnitt 2, 5 sind
in dieser Ausführungsform
rohrförmig
ausgebildet. Es sind jedoch auch andere offene oder geschlossene
hohlkörperartige
Formen möglich,
beispielsweise mit einer eckigen Querschnittsform.
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Zwischen
den beiden hohlen Längsabschnitten 2, 4 ist
ein gestülpter Übergangsbereich 6 ausgebildet,
welcher ein im Wesentlichen S-förmiges
oder doppelt-U-förmiges
Längsschnittprofil
aufweist, wie aus 3 hervorgeht. Ein erster U-Bogen 7 geht vom
ersten hohlen Längsprofil 2 aus
und ist innerhalb des zweiten hohlen Längsabschnittes 4 angeordnet. Ein
zweiter U-Bogen 8 geht vom zweiten hohlen Längsprofil 4 aus
und ist außerhalb
des ersten hohlen Längsabschnittes 2 angeordnet
und umgibt selbigen.
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Der
erste hohle Längsabschnitt 2 und
der zweite hohle Längsabschnitt 4 sind
schräg
zueinander ausgerichtet, wobei ihre Längsachsen 9, 10 einen Winkel 11 miteinander
einschließen.
Der Winkel 11 ist im Bereich von etwa 5 bis 20° gewählt, vorzugsweise
im Bereich von etwa 8 bis 12°,
und besonders bevorzugt im Bereich von etwa 10°. So können schräg wirkende Unfallkräfte gut
abgebaut werden, insbesondere wie bei Unfällen mit etwa 10° Neigung zur
Fahrzeuglängsrichtung.
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In
dieser Ausführungsform
der Erfindung ist die Energieabsorptionsvorrichtung einstückig ausgebildet.
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In 4 ist
veranschaulicht, wie die Energieabsorptionsvorrichtung 1 in
einem Fahrzeug angeordnet sein kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist sie zwischen einer Karosseriestruktur 12 und einer
Stoßfängeranordnung 13 vorgesehen.
Dabei ist die Darstellung in 4 eine schematische
Ansicht der Längsschnittprofile.
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Die
Stoßfängeranordnung 13 kann
ein Querträger
oder Querprofil eines Stoßfängers sein,
und die Karosseriestruktur 12 kann ein Längsträger einer Fahrzeugkarosserie
sein. In diesem Ausführungsbeispiel
ist der zweite hohle Längsabschnitt
größerer Querschnittsweite
an der Karosseriestruktur 12 befestigt und seine Längsachse 10 verläuft parallel
zur Längsachse 14 der
Karosseriestruktur 12, wobei diese beiden Längsachsen 10, 14 in
dieser Ausführungsform
der Erfindung zusammenfallen.
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Die
Längsachse 14 der
Karosseriestruktur 12 verläuft parallel zur Längsrichtung
des Fahrzeugs. Damit ist der erste hohle Längsabschnitt 2 geringerer Querschnittsweite
schräg
zur Fahrzeuglängsrichtung verlaufend
angeordnet. Die Längsachse 9 des
ersten hohlen Längs abschnittes
schließt
folglich den gleichen Winkel mit der Fahrzeuglängsrichtung ein wie mit der
Längsachse 10 des
zweiten hohlen Längsabschnittes 4.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
der Erfindung hat der stoßfängerseitig
angeordnete erste hohle Längsabschnitt
eine höhere
Stülpfähigkeit
als der karosserieseitig angeordnete zweite hohle Längsabschnitt.
Hierdurch erfolgt das energieabsorbierende Verformen der Energieabsorptionsvorrichtung 1 im
Wesentlichen zu Lasten des ersten hohlen Längsabschnittes 2.
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Mit
dieser Anordnung können
schräg
zur Fahrzeuglängsrichtung
wirkende Unfallkräfte,
insbesondere etwa in Längsrichtung 9 des
ersten hohlen Längsabschnittes 2 wirkende
Unfallkräfte,
besonders gut absorbiert werden, wie aus den schematischen Simulationsdarstellungen
der 5 bis 7 hervorgeht. Die Karosseriestruktur 12 und
die Stoßfängeranordnung 13 sind
durch das Simulationsmodell bedingt unterbrochen dargestellt und
die Karosseriestruktur ist durch eine quer zum zweiten hohlen Längsabschnitt
verlaufende Struktur wiedergegeben.
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In 5 befindet
sich die Energieabsorptionsvorrichtung 1 im Ausgangszustand
vor der Absorption der Unfallenergie, d. h. in dem Zustand, wie sie
in den 1 bis 4 gezeigt ist.
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Wirkt
eine Unfallkraft, beginnt der erste hohle Längsabschnitt 2, sich
vom ersten U-Bogen 7 her stülpend plastisch zu verformen.
Je mehr die Richtung der Unfallkraft mit der Längsachse des ersten hohlen
Längsabschnittes 2 übereinstimmt,
desto größer ist
der Umfangsbereich des ersten hohlen Längsabschnittes 2,
der unmittelbar beginnt, sich stülpend zu
verformen.
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Eine
Abweichung der Richtung der Unfallkraft 15 von der Richtung
der Längsachse 9 des
ersten hohlen Längsabschnittes 2 wird
durch die quasi lose Lagerung des Übergangsbereiches und durch ein
stülpendes
Verformen kompensiert, das zunächst nur
in einem Umfangsabschnitt erfolgt.
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Beim
Zusammenteleskopieren wird der erste U-Bogen 7 des Übergangsbereiches 6 aufgebogen und
immer neues Material des ersten hohlen Längsabschnittes 2 bildet
nun einen vorangehenden Bogen 70. Dieser erreicht die Innenseite
des zweiten hohlen Längsabschnittes 4.
Der zweite hohle Längsabschnitt 4 bildet
dabei eine Führung
des ersten hohlen Längsabschnittes 2.
Dabei stützt
sich der erste hohle Längsabschnitt
auf dem zweiten hohlen Längsabschnitt
ab und rollt auf diesem ab, wie dies in den 6 und 7 gezeigt
ist.
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Die
vom schräg
ausgerichteten ersten hohlen Längsabschnitt 2 aufgenommene
Unfallkraft wird vom zweiten hohlen Längsabschnitt noch verhältnismäßig gerade
in die Karosseriestruktur 12 eingeleitet. Mit seiner größeren Querschnittsweite 5 ist
der zweite hohle Längsabschnitt 4 dabei
gut stabilisiert.
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Trotzdem
eine Energieabsorptionsvorrichtung verwendet wird, bei welcher die
hohlen Längsabschnitte
schräg
zueinander ausgerichtet sind, wird überraschenderweise bei der
Energieabsorption ein guter Ablauf und ein guter Kraftverlauf erreicht.
Der Kraftverlauf und die Effizienz der Energieabsorption liegen
in einem ähnlichen
Bereich wie bei Energieabsorptionsvorrichtungen, bei welchen die
hohlen Längsabschnitte
gerade zueinander ausgerichtet sind.
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In 8 ist
ein Kraftwegdiagramm für
die erfindungsgemäße Energieabsorptionsvorrichtung
gezeigt. Auf der Abszissenachse ist als Weg die Annäherung der äußeren Enden
der Energieabsorptionsvorrichtung aufgetragen und auf der Ordinatenachse die
an diesen Enden aufgebrachte Kraft. Ein erster Wegabschnitt 20 enthält den Hookschen
Bereich. Mit dem Übergang
in einen zweiten Wegabschnitt 21 beginnt die plastische
Verformung der Energieabsorptionsvorrichtung. Im Verlaufe des zweiten
Wegabschnittes 21 steigt der Kraftaufwand abschnittsweise an
und fällt
hiernach wieder etwas ab. Dieser erhöhte Kraftaufwand ist für das Aufbiegen
des ursprünglichen
ersten U-Bogens 7 erforderlich.
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Nach
dem Absinken des Kraftaufwandes im zweiten Wegabschnitt 21 steigt
der Kraftaufwand in einem dritten Wegabschnitt 22 deutlich
um einen mit dem Bezugszeichen 23 gekennzeichneten Betrag. Dieser
Anstieg des Kraftaufwandes ist für
das Verformen des inneren, ersten hohlen Längsabschnittes 2 durch
Umstülpen
unter Durchmesservergrößerung erforderlich.
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Nachfolgend
werden erfindungsgemäße Verfahren
zum Herstellen der einstückigen
Energieabsorptionsvorrichtung 1 beschrieben.
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In 9 ist
ein Rohr 30 erster Querschnittsweite 3 gezeigt,
das bei einer ersten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
verwendet wird. Mit einem Innhochdruckumformungsverfahren wird die
Querschnittsweite des Rohres 30 abschnittsweise vergrößert. Dabei
wird zwischen den so entstehenden hohlen Längsabschnitten 2, 4 ein
im Längsschnitt
etwa kegelförmiger Übergangsbereich 31 ausgebildet,
wie er in 10 gezeigt ist.
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Die
beiden hohlen Längsabschnitte 2, 4 werden
nun in Längsrichtung
zueinander gedrückt,
das heißt
der kegelförmige Übergangsbereich 31 wird
gestaucht, wobei ein S- oder doppelt-U-förmige Übergangsbereich
entsteht. Anschließend
werden die hohlen Längsabschnitte 2, 4 mit
einem Werkzeug in eine zueinander winklige Ausrichtung gebracht,
wobei sich der Übergangsbereich
plastisch verformt und die in den 1 bis 3 dargestellt
Form annimmt.
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In
den 11 und 12 ist
eine zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
veranschaulicht. Hier wird ein Rohr 40 verwendet, das wie
in 9 gezeigt, ausgebildet ist, jedoch eine größere Querschnittsweite
hat. Das Rohr 40 ist zwischen axialen Lagern oder Halterungen 42, 43 eingespannt.
Mit Hilfe eines mit der in 11 gezeigten,
in Richtung des Pfeiles 44 arbeitenden Rollierwerkzeuges 45 wird
die Querschnittsweite des Rohres 40 abschnittsweise verengt.
Dabei wird ein Übergangsbereich 41 ausgebildet,
welcher im Längsschnitt
zunächst
ein etwa keilförmiges
Profil hat.
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Durch
das Verengen der Querschnittsweite würde sich die Länge des
Rohres 40 ohne die axiale Lagerung 42, 43 verlängern. Da
die axialen Lagerungen 42, 43 das Rohr 40 jedoch
zwingen, seine axiale Länge
beizubehalten, wird der Übergangsbereich 41 stülpend verformt.
Somit ist das Ausbilden eines S- oder doppel-U-förmigen Übergangsbereiches bei diesem
Herstellungsverfahren ein integrierter Vorgang.
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Anschließend werden
die entstandenen hohlen Längsabschnitte 2, 4 mit
Hilfe eines Werkzeuges winklig zueinander ausgerichtet, wobei sich
der Übergangsbereich
plastisch verformt und die in den 1 bis 3 gezeigte
Form annimmt.
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Es
ist auch möglich,
die Energieabsorptionsvorrichtung mit Rollierwerkzeugen, jedoch
ohne axiale Lagerungen 42, 43 herzustellen. Dabei
wird der Übergangsbereich 41 nach
dem Rollieren wie bei der ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens gestaucht.
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Die
Energieabsorptionsvorrichtung kann beispielsweise aus Stählen mit
induzierter Plastizität hergestellt
werden. Sie erfahren beim Umformen eine wesentliche Erhöhung der
Dehnfähigkeit
bei größerer Festigkeit.
Auf diese Weise kann die Energieabsorptionsvorrichtung auch durch
Rollieren unter Verengung der Querschnittsweite hergestellt werden, wobei
der Bereich verengter Querschnittsweise, d. h. der erste hohle Längsabschnitt,
trotzdem der stülpfähigere Querschnittsabschnitt
bleibt, obwohl sich seine Festigkeit durch das Verformen etwas erhöht.
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Als
Stähle
mit induzierter Plastizität
können beispielsweise
LIP-Stähle
(light weight steels with induced plasticity), XIP-Stähle (extremely
high strength steels with induced plasticity) oder TWIP-Stähle (twinning
induced plasticity) verwendet werden.
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Der
zweite U-Bogen 8, das heißt der an den nicht zum umstülpenden
Verformen vorgesehenen zweiten hohlen Längsabschnitt 4 angrenzende
U-Bogen, kann durch ein Fügeverfahren
stabilisiert werden. Damit wird einem Verformen zu Lasten des zweiten
hohlen Längsabschnittes
entgegengewirkt. Als Fügematerial
kann Klebstoff, Schweißmaterial oder
Lötmaterial
verwendet werden, das in diesen U-Bogen 8 eingebracht wird.
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Eine
Stabilisierung durch Fügen
hat einen ähnlichen
Effekt wie eine gute Kaltverfestigung oder das Vorsehen einer Profilierung
im zweiten U-Bogen. Diese Maßnahmen
können
zusätzlich
oder alternativ ergriffen werden.
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Die
Verfestigungsmaßnahmen
können
auch am ersten U-Bogen 7 vorgenommen werden, wenn der zweite
hohle Längsabschnitt
zum umstülpenden Verformen
vorgesehen ist.