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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Frontpartie für ein Kraftfahrzeug, die im Hinblick auf den Fußgängerschutz bei Kollisionsunfällen optimiert ist.
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Aus
DE 10 2009 017 350 B4 ist eine Kraftfahrzeug-Frontpartie mit einer Stoßfängerverkleidung und einem Unterboden-Flächenelement bekannt, das sich zwischen der Stoßfängerverkleidung und einem tragenden Karosserieteil erstreckt. Um das tragende Karosserieteil bei einer Kollision mit einem festen Hindernis wie einer Wand vor Verformung zu schützen, muss das Unterboden-Flächenelement, während es verformt wird, möglichst viel Kollisionsenergie aufzehren. Dazu ist das Unterboden-Flächenelement an dem tragenden Karosserieteil über Sollbruchverbindungen befestigt, die beim Wandaufprall abreißen.
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Bei einem Zusammenstoß mit einem Fußgänger sind die Stoßfängerverkleidung und das Unterboden-Flächenelement wesentlich geringeren Belastungen ausgesetzt als bei einem Wandaufprall, und außerdem wirken diese Belastungen nur auf einen geringen Teil der Frontpartie. Daher bleiben die Sollbruchverbindungen bei einem Zusammenstoß mit einem Fußgänger intakt, und die Kollision ist relativ hart mit allenfalls geringen Verformungen der Fahrzeug-Frontpartie.
DE 10 2009 017 350 B4 verweist auf Untersuchungen, denen zufolge das Verletzungsrisiko eines Fußgängers bei einer solchen harten Kollision geringer sein soll als bei einer weichen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Frontpartie für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, bei der das Verletzungsrisiko für einen Fußgänger weiter verringert ist.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einer Frontpartie für ein Kraftfahrzeug mit einer Stoßfängerverkleidung und einer sich in Fahrzeuglängsrichtung zwischen der Stoßfängerverkleidung und einem tragenden Karosserieteil erstreckenden Stütze die Stütze elastisch knickbar ist.
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Wenn ein Körper sich unter einer äußeren Last verformt, wächst im Allgemeinen die Rückstellkraft mit der Verformung an. Bei einem Knickvorgang wächst die Rückstellkraft jedoch nur bis zu einem Maximum, um danach wieder abzunehmen. Wenn die äußere Last unabhängig von der Verformung ist, etwa wenn ein Träger sich unter einem darauf ruhenden Gewicht verbiegt, dann führt die Überwindung des Maximums meist zum Zusammenbruch: Da der Körper jenseits des Maximums erst recht nicht in der Lage ist, der Last standzuhalten, gibt er so weit nach, bis seine Form völlig verändert und dabei meist auch seine Elastizitätsgrenze überschritten ist. Der Körper kann dann auch nach Wegfall der Last nicht in seine ursprüngliche Gestalt zurückkehren. Bei einer Kollision hingegen nimmt die Last mit zunehmender Verformung ab und fällt ganz weg, sobald die Geschwindigkeiten der Kollisionspartner einander angeglichen sind. Daher kann bei einer Kollision die Verformung der Stütze durchaus jenseits des Maximums ihrer Rückstellkraft zum Stillstand kommen und die Stütze von dort elastisch in ihre Ursprungsform zurückkehren. Beiderseits des Maximums jedoch existiert ein Bereich, in dem sich die Rückstellkraft nur wenig mit der Verformung ändert, und dieser Bereich kann genutzt werden, um bei einem Zusammenstoß die Beine eines Fußgängers auf einer langen Strecke kontinuierlich und schonend zu beschleunigen.
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Ein elastisches Einknicken der Stütze schließt die herkömmlicherweise als notwendig angesehene harte Kollision zwischen Kraftfahrzeug-Frontpartie und Fußgänger aus und lässt daher bei vordergründiger Betrachtung ein höheres Verletzungsrisiko erwarten. Dass durch die elastische Knickung eine Verringerung des Risikos erreichbar ist, erschließt sich erst bei genauerer Betrachtung des Ablaufs einer Fußgängerkollision. In einer ersten Phase erfasst die Frontpartie des Fahrzeugs die Beine des Fußgängers und beschleunigt diese in Fahrtrichtung. Der Rumpf des Fußgängers hat in dieser Phase noch keinen Kontakt mit Fahrzeug und wird über die mitgerissenen Beine zunächst lediglich geschwenkt. Die Beine müssen, um nicht zu brechen, der Schwenkbewegung folgen. Wenn ein bewegter schwerer starrer Körper auf einen ruhenden leichten trifft, dann ergibt sich aus den Gesetzen von Impuls- und Energieerhaltung, dass der schwere Körper geringfügig verlangsamt wird, während der angestoßene leichtere sich mit hoher Geschwindigkeit entfernt. Wenn dieses Modell auf den Fall des Fußgängerzusammenstoßes anwendbar wäre, würde es bedeuten, dass die im Vergleich zum Fahrzeug leichten Beine, nachdem sie angestoßen worden sind, den Kontakt mit der Fahrzeugfrontpartie verlieren und daraufhin mit geringem Trägheitsmoment in Drehung versetzbar sind. Wenn hingegen die Fahrzeugfront inelastisch nachgibt, werden die Beine nicht fortgestoßen, sondern bleiben in Kontakt mit der Fahrzeugfront und können nicht frei schwenken. Die dabei zwischen den Beinen und dem Rumpf auftretenden Biegemomente können zu Verletzungen führen.
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Entscheidend für die Frage, ob die Beine beim Zusammenstoß so stark nach vorn geschleudert werden, dass sie mit dem Rumpf schwenken können, ist jedoch nicht die Härte des Zusammenstoßes, sondern der Grad der Elastizität. Ist der Stoß hinreichend elastisch, dann werden die Beine so stark vom Fahrzeug weggeschleudert, dass sie schwenken können; die „Härte” des Zusammenstoßes hat im Wesentlichen nur Einfluss auf die Beschleunigungen, denen die Beine des Fußgängers bis dahin ausgesetzt sind, und um diese Beschleunigungen und das mit ihnen zusammenhängende Verletzungsrisiko gering zu halten, ist es durchaus hilfreich, die Frontpartie nachgiebig zu machen.
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Die Knicklast der Stütze sollte niedriger sein als die Belastbarkeit einer Verbindung mit der Stoßfängerverkleidung und dem tragenden Karosserieteil, damit die Verbindung beim Knicken nicht beschädigt wird und die Stütze auch dann, wenn sie sich nach einer Kollision wieder ausstreckt und dabei das Bein nach vorn stößt, an dem tragenden Karosserieteil abgestützt ist.
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Der Verformungswiderstand der Stütze darf nicht zu gering sein, damit die Beine des Fußgängers nicht schon bei niedrigen Kollisionsgeschwindigkeiten auf starre Teile der Kraftfahrzeugkarosserie durchschlagen. Um einen hohen Verformungswiderstand bei geringem Gewicht der Stütze zu erreichen, sollte die Stütze auf Seiten der Stoßfängerverkleidung oder Seiten des tragenden Karosserieteils, vorzugsweise auf beiden Seiten, entsprechend dem dritten oder vorzugsweise vierten Fall des bekannten Eulerschen Knickstabes, drehfest fixiert sein.
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Die Richtung, in die die Stütze beim Knicken ausweicht, ist vorzugweise die Vertikale.
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Eine vertikal ausweichende Stütze kann plattenförmig ausgebildet sein und so die Stoßfängerverkleidung über die gesamte Breite der Frontpartie hinweg gleichmäßig abstützen.
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Die Biegesteifigkeit einer solchen Platte kann durch sich in Fahrzeuglängsrichtung erstreckende Rippen erhöht sein.
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Um ein reproduzierbares Deformationsverhalten zu gewährleisten, ist eine solche plattenförmige Stütze vorzugsweise bereits im unbelasteten Zustand im Längsschnitt gekrümmt. Eine nach oben gewandte Konkavität der Stütze gewährleistet, dass diese, wenn sie bei einer Kollision belastet wird, nach unten ausknickt. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die Stütze sich unter einem Motorraum bzw. zumindest einem vorderen Teil des Motorraums eines Fahrzeugs erstreckt und zwischen ihr und der Fahrbahn ein freier Raum vorhanden ist, in den sie ungehindert ausweichen kann.
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Die Stütze sollte in Fahrtrichtung wenigstens weit genug unter das Fahrzeug reichen, um einen üblicherweise im Motorraum untergebrachten Kühler zu unterqueren. Insbesondere kann ein solcher Kühler platzsparend in die nach oben gewandte Konkavität der Stütze eingreifen.
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Um den Platzbedarf der Stütze zu begrenzen, ist die Höhe ihrer Rippen unterhalb des Kühlers vorzugweise geringer als in anderen Bereichen.
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Die Stütze kann zweckmäßigerweise aus einem mit Fasern verstärkten Kunststoff gefertigt sein. Für die gewünschte Elastizität der Stütze sind die Fasern besonders wirksam, wenn sie wenigstens überwiegend in Fahrzeuglängsrichtung ausgerichtet sind. Alternativ kommt auch eine Stütze aus Metall in Betracht. Diese kann, insbesondere an einem Geländefahrzeug oder SUV, auch die Funktion eines Unterfahrschutzes wahrnehmen.
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Oberhalb der elastischen Stütze kann die Stoßfängerverkleidung mit einem unter Belastung plastisch verformbaren Puffer hinterlegt sein. Indem die Stütze nach einer Stauchung in Kontakt mit den Beinen des Fußgängers sich bereits wieder elastisch zu strecken beginnt, während der Puffer in Kontakt mit den Beinen noch gestaucht wird, können beide zusammenwirken, um schonend ein die oben angesprochene Schwenkbewegung der Beine förderndes Drehmoment auszuüben.
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Als tragendes Karosserieteil kommt vorzugsweise ein einen Motor tragender Hilfsrahmen in Betracht.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Aus dieser Beschreibung und den Figuren gehen auch Merkmale der Ausführungsbeispiele hervor, die nicht in den Ansprüchen erwähnt sind. Solche Merkmale können auch in anderen als den hier spezifisch offenbarten Kombinationen auftreten. Die Tatsache, dass mehrere solche Merkmale in einem gleichen Satz oder in einer anderen Art von Textzusammenhang miteinander erwähnt sind, rechtfertigt daher nicht den Schluss, dass sie nur in der spezifisch offenbarten Kombination auftreten können; stattdessen ist grundsätzlich davon auszugehen, dass von mehreren solchen Merkmalen auch einzelne weggelassen oder abgewandelt werden können, sofern dies die Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht in Frage stellt. Es zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Frontpartie eines Kraftfahrzeugs gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
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2 einen zu 1 analogen Längsschnitt gemäß einer zweiten Ausgestaltung;
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3 einen zu 1 analogen Längsschnitt gemäß einer dritten Ausgestaltung;
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4 die Frontpartie aus 3 im elastisch verformten Zustand;
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5 die Frontpartie aus 3 nach einer elastischen Verformung;
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6 einen schematischen Querschnitt der Stütze; und
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7 einen alternativen schematischen Querschnitt der Stütze.
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1 zeigt eine Frontpartie eines Kraftfahrzeugs in einem schematischen Längschnitt. Im Motorraum des Fahrzeugs befinden sich in üblicher Weise ein Motor 1 und ein Kühler 2. Der Motorraum ist beiderseits flankiert von Längsträgern 3, die untereinander zu einem starren Rahmen verbunden sind. An diesen Rahmen ist auch ein den Motor 1 tragender Hilfsrahmen 4 gedämpft beweglich befestigt.
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Die Längsträger 3 sind an ihren vorderen Enden mit Flanschen 5 versehen, an denen über Crashboxen 6 ein oberer Stoßfängerquerträger 7 befestigt ist. Ein Zwischenraum zwischen der Vorderseite des Stoßfängerquerträgers 7 und einer Stoßfängerverkleidung 8 ist durch einen Pufferkörper 9 aus Schaumstoff ausgefüllt. Eine plattenförmige Stütze 10 verlängert die Stoßfängerverkleidung 8 einteilig unter einem vorderen Bereich des Motorraums einschließlich des Kühlers 2 her bis zu einem vorderen Querträger 11 des Hilfsrahmens 4, an dem ein hinterer Rand der Stütze 10 durch Verschraubung drehfest eingespannt ist.
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Die Stütze 10 ist aus einem elastischen Kunststoff oder Gummi geformt. Sie kann zur Erhöhung ihrer Knicklast eine Einlage aus Fasermaterial, insbesondere Kohlenstoff- oder Aramidfasern aufweisen. Die Einlage kann eine oder mehrere Schichten Vlies umfassen, wobei in wenigstens einer der Schichten die Fasern in der Schnittebene des Längsschnitts ausgerichtet sein sollten. Die Einlage kann auch ein Gewebe umfassen, wobei dann eine Gruppe von Fäden des Gewebes, Kett- oder Schussfäden, in der Schnittebene ausgerichtet sein sollte. Alternativ können metallische Werkstoffe eingesetzt werden, um die Funktion des Fußgängerschutzes mit der Funktion eines Unterfahrschutzes zu kombinieren.
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Bei der Ausgestaltung der 2 sind Stoßfängerverkleidung 8 und Stütze 10 zweiteilig ausgeführt. An einer Innenseite der Stoßfängerverkleidung 8 unterhalb des Stoßfängerquerträgers 7 begrenzen zwei Rippen 12 eine Nut 13, in der ein vorderer Rand der Stütze 10 durch Klemmung, Klebung oder dergleichen drehfest gehalten ist.
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In der Ausgestaltung der 3 ist an den Flanschen 5 unterhalb des oberen Stoßfängerquerträgers 7 ein unterer Stoßfängerquerträger 14 befestigt. In einem sich vor dem Kühler 2 erstreckenden mittleren Bereich ist der Stoßfängerquerträger 14 gegen eine von vorn einwirkende Kollisionskraft durch die Stütze 10 unterstützt. Der Stoßfängerquerträger 14 ist von oben gesehen in etwa •-förmig mit an den Flanschen befestigten Enden und einem nach vorn gewandten Bogen. Der vordere Rand der Stütze 10 ist hier in eine Nut 13 an der Rückseite des Bogens des Stoßfängerquerträgers 14 eingreifend dargestellt; alternativ kann der vordere Rand der Stütze 10 am Stoßfängerquerträger 14 verschraubt sein, wie für den hinteren Rand am Querträger 11 gezeigt, oder er könnte zwischen dem Stoßfängerquerträger 14 und anderen Teilen der Fahrzeugfront wie etwa einem sich zwischen den Stoßfängerquerträgern 14, 7 erstreckenden Kühlergrill, geklemmt sein.
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Stellvertretend auch für die Ausgestaltungen der 1 und 2 zeigt 4 die Frontpartie aus 3 in einem verformten Zustand während der Kollision mit einem Fußgänger. Der Pufferkörper 9 ist gestaucht, und der Stoßfängerquerträger 14 ist zurückgedrängt, so dass der Abstand zwischen ihm und dem Hilfsrahmen 4 verringert ist und die Stütze 10 gezwungen ist, ihrer bereits in entspanntem Zustand der 3 vorhandenen Krümmung folgend nach unten auszuweichen. Während die Stauchung des Pufferkörpers 9 noch nicht völlig abgeschlossen ist, hat die Stütze 10 hier das Maximum ihrer elastischen Verformung erreicht und beginnt, sich wieder nach vorn auszustrecken. Während sich Oberschenkel und Knie des Fußgängers somit noch weiter in die Stoßfängerverkleidung 8 eindrücken können, wird der Unterschenkel bereits wieder fortgestoßen, und es wird eine Schwenkbewegung der Beine des Fußgängers angetrieben, die die Belastung von Knien und Beinknochen des Fußgängers beim Aufschlagen auf die Motorhaube deutlich verringert.
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5 zeigt die Frontpartie mit bereits wieder in die Ausgangsstellung vorgerücktem Stoßfängerquerträger 14. Der Pufferkörper 9 ist plastisch verformt und noch nicht wieder expandiert. Der Pufferkörper 9 kann aus einem Hartschaum bestehen, der sich zwar bei kleinen Verformungen elastisch verhält, aber durch die bei einem Fußgängerzusammenstoss auftretenden Lasten irreversibel verformt wird. Bevorzugt ist allerdings ein Schaumstoff höherer Elastizität, etwa ein EPP-Schaum, der auch nach starken Verformungen, wie sie bei einem Fußgängerzusammenstoß auftreten können, wieder in seine Ursprungsform zurückkehren kann, der dies aber langsam tut, so dass er zumindest während des Zusammenstoßes, im Gegensatz zur Stütze 10, kein nennenswertes Rückstellverhalten aufweist.
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Die Stoßfängerverkleidung 8 ist als Ganzes geringfügig geschwenkt, was aber auf die Orientierung des drehfest am Querträger 14 gehaltenen vorderen Randes der Stütze 10 keinen Einfluss hat.
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Es ist leicht vorzustellen, dass eine Verformung wie in 5 gezeigt bei den Ausgestaltungen der 1 und 2 auch zu einer geringfügigen Drehung des vorderen Randes der Stütze 10 führen würde. D. h., während die Stütze 10 in der Ausgestaltung der 3 entsprechend dem vierten Fall des Eulerschen Knickstabs an beiden Enden drehfest gelagert ist und somit bei gegebener Materialstärke ein Höchstmaß an Knicklast erreicht wird, stellen die erste und zweite Ausgestaltung jeweils eine Zwischenlösung zwischen dem dritten und dem vierten Fall des Eulerschen Knickstabs dar und erreichen daher keine so hohe Knicklast.
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Die Knicklast der Platte 10 kann durch geeignete Materialauswahl und Querschnittsstruktur optimiert sein. Zu einer hohen Knicklast trägt insbesondere bei, wenn die Stütze 10 mit sich in Wirkrichtung der Knicklast erstreckenden Rippen 15 versehen ist, wie in 6 gezeigt. Die Rippen 15 können auf einer oder, wie gezeigt, auf zwei Seiten einer Grundplatte 16 der Stütze 10 angeordnet sein.
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Während in einem mittleren Bereich 17 der Stütze 10 die Höhe der Rippen 15 durch die Nachbarschaft zum Kühler 2 begrenzt sein kann, steht in einem seitlichen Bereich 18, rechts und links vom Kühler 2, mehr Platz zur Verfügung, so dass die Rippen 15 hier deutlich höher sein können. Eine daraus resultierende höhere Steifigkeit der Stütze 10 im seitlichen Bereich 18 ist durchaus erwünscht, um ein über die Breite der Fahrzeugfront hinweg einheitliches Deformationsverhalten zu erzielen, da die aus einem mittigen Zusammenstoß resultierende Verformung sich in der Stütze 10 zu zwei Seiten hin verteilen kann, bei einem seitlichen Zusammenstoß jedoch nur über eine Seite, und die bei der Verformung der Stütze 10 aufgenommene Energie in beiden Fällen im Wesentlichen dieselbe sein sollte. Wirksam ist auch eine Stütze 10 mit hohlen Rippen 15, wie in 7 gezeigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Motor
- 2
- Kühler
- 3
- Längsträger
- 4
- Hilfsrahmen
- 5
- Flansch
- 6
- Crashbox
- 7
- oberer Stoßfängerquerträger
- 8
- Stoßfängerverkleidung
- 9
- Pufferkörper
- 10
- Stütze
- 11
- Querträger
- 12
- Rippen
- 13
- Nut
- 14
- unterer Stoßfängerquerträger
- 15
- Rippe
- 16
- Grundplatte
- 17
- mittlerer Bereich
- 18
- seitlicher Bereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009017350 B4 [0002, 0003]
