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Technisches Gebiet (Technical Field)
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Die Erfindung betrifft eine Stoßfängervorrichtung für ein Fahrzeug mit mindestens einem Biegeträger mit einem wellenförmigen Querschnitt, mit mindestens einem Deformationselement, wobei das Deformationselement mit einer Stirnseite quer zum Biegeträger angebunden ist.
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Technischer Hintergrund (Background Art)
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Stoßfängervorrichtungen, insbesondere in der Vorderwagenstruktur im Fahrzeug, insbesondere im Kraftfahrzeug, müssen hohen Anforderungen hinsichtlich der Sicherheit der Fahrzeuginsassen gerecht werden. Im Falle einer Frontalkollision kann die Aufprallenergie durch eine gezielte Deformation des Biegeträgers und der Deformationselemente, die vorzugsweise als sogenannte Crashboxen ausgebildet und vorzugsweise zwischen Biegeträger und Längsträger eines Fahrzeuges angeordnet sind, durch plastische Verformung absorbiert und das Fahrzeug entscheidend verzögert werden, bevor weitere, insbesondere tragende Strukturen, wie beispielsweise Längsträger zur weiteren Energieabsorption beitragen. Ferner hat der Biegeträger die Aufgabe, bei geringen Aufprallgeschwindigkeiten tragende Fahrzeugstrukturen und Fahrzeugaggregate, wie beispielsweise Kühler und Motor vor einer Beschädigung zu schützen. Zudem ist es eine Bestrebung im Automobilbau, das Fahrzeuggewicht zu reduzieren, um zum Beispiel den CO2-Ausstoß zu senken. Wirkungsvoll verhindert werden muss, dass der Biegeträger im Lastfall nicht vorzeitig versagt, beispielsweise durch Knicken und/oder Einreißen.
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Biegeträger an Stoßfängervorrichtungen werden häufig aus offenen Profilen mit wellenförmigen Querschnitten hergestellt. Die offenen Profile versagen im Lastfall oftmals, weil durch die Aufprallenergie eine lokale Deformation zu einem Auseinanderklaffen in Querrichtung der Profile führen. Die so deformierten Profile können keine weitere Aufprallenergie abbauen. Um dieses frühzeitige Versagen zu verhindern, werden offene Profile oft durch ein weiteres Bauteil geschlossen, beispielsweise durch Anbinden eines Schließblechs, welches ein Aufweiten im Wesentlichen unterdrücken kann. Zusätzliche Bauteile führen jedoch zu einer Gewichtszunahme und wirken sich negativ auf die Kosten und die Gewichtsbilanz eines Fahrzeuges aus. Aus der deutschen Patentschrift
DE 10 2014 009 337 B4 ist eine Maßnahme zur Verhinderung eines Auseinanderklaffens eines wellenförmigen Profils ohne Verwendung von zusätzlichen Bauteilen bekannt. Insbesondere im Bereich der Anbindung zwischen Biegeträger und Deformationselement besteht jedoch weiteres Verbesserungspotenzial.
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Zusammenfassung der Erfindung (Summary of Invention)
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Stoßfängervorrichtung für ein Fahrzeug bereitzustellen, welche den oben genannten Anforderungen genügt und insbesondere im Bereich der Anbindung zwischen Biegeträger und Deformationselement ein frühzeitiges Versagen insbesondere durch Auseinanderklaffen des Biegeträgers in Querrichtung im Wesentlichen verhindert werden kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Stoßfängervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den nachgeordneten Ansprüchen aufgeführt.
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Die Erfinder haben festgestellt, dass, wenn eine Stoßfängervorrichtung für ein Fahrzeug mit mindestens einem Biegeträger mit einem wellenförmigen Querschnitt, mit mindestens einem Deformationselement, und das Deformationselement (Crashbox) mit einer Stirnseite quer zum Biegeträger angebunden ist, und das Deformationselement zumindest abschnittsweise entlang der Außenkante der Stirnseite mit dem Biegeträger stoffschlüssig verbunden ist, bereitgestellt wird, ein Auseinanderklaffen bzw. eine Aufweitung des Biegeträgers in Querrichtung durch eine Krafteinleitung im Lastfall, insbesondere im Bereich der Anbindung zwischen Biegeträger und Deformationselement verhindert werden kann. Die zumindest abschnittsweise entlang der Außenkante der Stirnseite des Deformationselements stoffschlüssige Verbindung quer zum Biegeträger stellt sicher, dass die Aufprallenergie im Lastfall (Impact) in die Fahrzeugkarosserie eingeleitet werden kann, heißt, dass eine sichere Übertragung der Crashenergie über einen eindeutigen Lastpfad gewährleistet wird und der Biegeträger zumindest im Bereich der Anbindung nicht in Querrichtung auseinanderklafft und dadurch frühzeitig versagt. Als stoffschlüssige Verbindungstechniken kommen Löten, Kleben und/oder Schweißen in Frage, wobei das Schweißen besonders bevorzugt ist. Die abschnittsweise stoffschlüssige Verbindung kann punktuell oder linienförmig ausgeführt sein. Vorzugsweise sind zwei Deformationselemente mit dem Biegeträger verbunden. Insbesondere sind das bzw. die Deformationselemente Bauteile/Profile, die einen beliebigen Querschnitt aufweisen können. Insbesondere können die Deformationselemente aus einem offenen Profil oder vorzugsweise aus einem geschlossenen Profil gebildet sein.
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Zur weiteren Optimierung kann gemäß einer Ausgestaltung der Stoßfängervorrichtung die Stirnseite des Deformationselements, insbesondere die Kontur der (Außen-)Kante der Stirnseite, zumindest teilweise an die Kontur des Biegeträgers angepasst sein. Durch eine teilweise Anpassung der Stirnseite des Deformationselements an die Kontur des Biegeträgers liegt ein teilweiser Kontakt der (Außen-)Kante der Stirnseite des Deformationselements an den Biegeträger vor, insbesondere unter Ausbildung eines zumindest teilweisen T-Stoßes (Kante des Deformationselementes zur Fläche des Biegeträgers), was zu einer verbesserten Performance führen kann und einen Ausgleich der Fertigungstoleranzen ermöglicht. Alternativ kann ein vollständiger Kontakt der (Außen-)Kante der Stirnseite des Deformationselements an den Biegeträger erfolgen, wenn die Stirnseite des Deformationselements vollständig an die Kontur des Biegeträgers angepasst ist. Vorzugsweise ist eine linienförmige Verbindungsnaht, vorzugsweise eine linienförmige Schweißnaht, insbesondere abschnittsweise, beispielsweise punktuell oder als Steppnaht ausgeführt, oder vollständig entlang der Außenkante der Stirnseite des Deformationselements ausgebildet, vorzugsweise im Kontaktbereich zwischen Deformationselement und Biegeträger.
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Eine weitere Ausgestaltung der Stoßfängervorrichtung sieht vor, dass der Biegeträger aus einem metallischen Werkstoff besteht, insbesondere aus einem Stahlwerkstoff mit einer Zugfestigkeit von mindestens 750 MPa. Abhängig von der Geometrie kann der Biegeträger aus einem Blechzuschnitt, welches beispielsweise stranggepresst, rollprofiliert, gekantet oder tiefgezogen worden ist, gefertigt sein. Insbesondere können höchstfeste Stahlwerkstoffe, vorzugsweise mit einer Zugfestigkeit oberhalb von 800 MPa, besonders bevorzugt oberhalb von 900 MPa zur Anwendung kommen. Um eine optimale Crash-Performance mit Blick auf eine geringe Intrusionstiefe und damit hohen Widerstand des Biegeträgers im Lastfall zu erreichen, sind höchstfeste kaltformbare Stahlwerkstoffe, wie beispielsweise Eisen-Mangan-Stähle, Dual- oder Komplexphasenstähle, aber auch Warmumformstähle, wie beispielsweise Mangan-Bor-Stähle, welche monolithisch ausgebildet oder als mindestens eine metallische Lage innerhalb eines mehrlagigen Stahlwerkstoffverbundes angeordnet sein können, besonders gut geeignet. Warmumformstähle bieten bei vergleichbarer Widerstandsfähigkeit den Vorteil, dass aufgrund der höheren Zugfestigkeit von mindestens 1500 MPa im (press-) gehärteten Zustand die Materialstärke und damit verbunden die Masse gegenüber den Kaltumformstählen reduziert werden kann. Die Dicke des Stahlwerkstoffs kann zwischen 0,7 und 4 mm liegen.
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Eine weitere Ausgestaltung der Stoßfängervorrichtung sieht vor, dass das Deformationselement aus einem metallischen Werkstoff besteht, insbesondere aus einem Stahlwerkstoff. Das Deformationselement kann beispielsweise aus einem offenen Profil gebildet sein oder aus mindestens zwei Halbschalen, wobei sie beispielsweise aus ebenen Blechzuschnitten vorzugsweise tiefgezogen, gekantet oder bei einer einfachen Geometrie rollgeformt gefertigt worden sind und zu einem geschlossenen Profil beispielsweise mittels Laser oder mittels Induktor (HF) im Stumpfstoß miteinander verschweißt sind, zusammengesetzt sein. Alternativ kann das Deformationselement auch aus nur einem Blechzuschnitt geformt und im Stumpf- oder Überlappstoß zu einem geschlossenen Profil gefertigt sein. Sind beide Bauteile (Biegeträger, Deformationselement) aus der gleichen Metallgattung, kann relativ einfach eine stoffschlüssige Verbindung aufgrund der Artgleichheit zwischen beiden Bauteilen erfolgen. Ein weiterer Vorteil der Artgleichheit ist, dass eine Kontaktkorrosion ausgeschlossen werden kann, da keine unterschiedlichen Metalle miteinander verbunden werden müssen, wodurch zusätzliche und ggf. aufwendige Maßnahmen zur Vermeidung von Kontaktkorrosion getroffen werden müssten. Die Dicke des Stahlwerkstoffs kann zwischen 0,7 und 3 mm liegen.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Stoßfängervorrichtung sieht vor, dass der metallische Werkstoff des Deformationselements eine geringere Zugfestigkeit im Vergleich zum metallischen Werkstoff des Biegeträgers aufweist. Im Lastfall kann dadurch insbesondere sichergestellt werden, dass das Deformationselement (als erstes Bauteil) deformiert und der Biegeträger seine Form im Wesentlichen beibehält, um seine Funktion zu erfüllen. Beispielsweise ist die Zugfestigkeit des für das Deformationselement im Vergleich zu dem für den Biegeträger verwendeten Stahlwerkstoffs um mindestens 5%, insbesondere um mindestens 10%, vorzugsweise um mindestens 15%, besonders bevorzugt um mindestens 20% geringer.
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Gemäß einer Ausgestaltung kann in vorteilhafter Weise die Masse der Stoßfängervorrichtung weiter reduziert werden, indem der Biegeträger und/oder das Deformationselement aus einem flexibel gewalzten Stahlwerkstoff, auch „tailored rolled blank“ genannt, gefertigt ist. Beispielsweise besteht der Biegeträger aus einem flexibel gewalzten Stahlwerkstoff, wobei in Bereichen, beispielsweise in Bauteillängsrichtung zwischen den Deformationselementen Abschnitte mit höherer Materialstärke vorhanden sind, die gezielt (lokal) positiv Einfluss auf die Widerstandsfähigkeit nehmen können und dadurch zumindest teilweise die Funktion von Schließblechen übernehmen können. Die Verwendung von flexibel gewalztem Stahlwerkstoff für Deformationselemente kann beispielsweise im Bereich des Übergangs von „dick zu dünn“, wenn die Materialdicke in Längserstreckung des Deformationselements variiert, im Lastfall als Anfalthilfe und/oder zur gezielten Initialisierung der Deformation dienen.
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Gemäß einer (alternativen) Ausgestaltung kann in vorteilhafter Weise die Masse der Stoßfängervorrichtung weiter reduziert werden, indem der Biegeträger aus einem maßgeschneiderten Halbzeug, auch „tailored welded blank“ genannt, gefertigt ist, welches aus metallischen Werkstoffen mit unterschiedlichen Festigkeiten und/oder Materialstärken, die miteinander verbunden (verschweißt) sind, besteht, wobei in Bereichen, beispielsweise zwischen den Deformationselementen Abschnitte mit höherer Materialstärke und/oder höherer Festigkeit vorhanden sind, die gezielt (lokal) positiv Einfluss auf die Widerstandsfähigkeit nehmen können und dadurch zumindest teilweise die Funktion von Schließblechen übernehmen können.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Stoßfängervorrichtung ist die Stoßfängervorrichtung in der Vorderwagen- und/oder Hinterwagenstruktur angebunden, um eine optimale Crash-Performance bei einem Frontal- und/oder Heckaufprall gezielt einstellen zu können. Beispielsweise ist die Stoßfängervorrichtung lösbar über geeignete Mittel, beispielsweise mittels Schrauben über das bzw. die Deformationselemente an die Fahrzeugkarosserie, beispielsweise an entsprechende Längsträger eines Fahrzeugs (Karosserie) lösbar angebunden, so dass im Falle eines Crashs ein Austausch der beschädigten Stoßfängervorrichtung am Fahrzeug gegen eine neue Stoßfängervorrichtung relativ einfach erfolgen kann.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Es zeigt
- 1: ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stoßfängervorrichtung für ein Fahrzeug in perspektivischer Teilansicht und
- 2: ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stoßfängervorrichtung für ein Fahrzeug in perspektivischer Teilansicht.
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stoßfängervorrichtung (1) für ein nicht dargestelltes Fahrzeug in perspektivischer Teilansicht dargestellt. Die Stoßfängervorrichtung (1) umfasst mindestens einen Biegeträger (2) mit einem wellenförmigen Querschnitt bzw. Grundstruktur, welcher insbesondere aus einem metallischen Werkstoff, vorzugsweise aus einem Stahlwerkstoff mit einer Zugfestigkeit von mindestens 750 MPa besteht. Die Stoßfängervorrichtung (1) umfasst ferner mindestens ein Deformationselement (3), insbesondere zwei Deformationselemente, vorzugsweise mit einem geschlossenen Querschnitt, wobei die Teilansicht in 1 nur den linken bzw. rechten Teil der Stoßfängervorrichtung (1) darstellt, so dass auch nur eines der vorzugsweise zwei Deformationselemente (3) gezeigt ist. Das Deformationselement (3) besteht insbesondere aus einem metallischen Werkstoff, vorzugsweise aus einem Stahlwerkstoff, wobei besonders bevorzugt der metallische Werkstoff des Deformationselements (3) eine geringere Zugfestigkeit im Vergleich zum metallischen Werkstoff des Biegeträgers (2) aufweist. Auch andere Querschnitte können für das Deformationselement vorgesehen werden.
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Eine Verbindung des Deformationselements (3) quer zum Biegeträger (2) erfolgt über eine Stirnseite (3.1) des Deformationselements (3). In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist die Stirnseite (3.1) des Deformationselements (3) zumindest teilweise an die Kontur (2.1) des Biegeträgers (2) angepasst. Durch die teilweise Anpassung der Stirnseite (3.1) des Deformationselements (3) an die Kontur (2.1) des Biegeträgers (2) liegt ein teilweiser Kontakt vor, wobei im Kontaktbereich besonders bevorzugt eine linienförmige Verbindungsnaht (4), vorzugsweise Schweißnaht, abschnittsweise entlang der Außenkante (3.11) der Stirnseite (3.1) des Deformationselements (3) ausgebildet ist, so dass insbesondere das Deformationselement (3) zumindest abschnittsweise mit dem Biegeträger (2) stoffschlüssig verbunden ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeigt das zweite Ausführungsbeispiel in 2, wobei im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel in 1, die Stirnseite (3.1') des Deformationselements (3') vollständig an die Kontur (2.1) des Biegeträgers (2) angepasst ist. Durch die vollständige Anpassung der Stirnseite (3.1') des Deformationselements (3') an die Kontur (2.1) des Biegeträgers (2) liegt ein vollständiger Kontakt vor, wobei im Kontaktbereich besonders bevorzugt eine linienförmige Verbindungsnaht (4), vorzugsweise Schweißnaht vollständig entlang der Außenkante (3.11') der Stirnseite (3.1') des Deformationselements (3') ausgebildet ist, so dass insbesondere das Deformationselement (3) vollständig mit dem Biegeträger (2) stoffschlüssig verbunden ist.
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Nicht dargestellt sind Mittel, mit denen die Stoßfängervorrichtung (1), vorzugsweise lösbar, an eine nicht dargestellte Vorderwagen- und/oder Hinterwagenstruktur einer Fahrzeugkarossiere anbindbar ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungen beschränkt, sondern die einzelnen Merkmale sind, soweit möglich, beliebig miteinander kombinierbar. Auch anders gestaltete Biegeträger und/oder Deformationselemente, die in ihrer Längserstreckung in ihrer Breite und/oder Höhe variieren können, können verwendet werden, wobei der Biegeträger seine Querschnittsform bzw. Grundstruktur im Wesentlichen beibehält, und das Deformationselement (3, 3') eine geschlossene wie auch offene Querschnittsform bzw. Grundstruktur aufweisen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014009337 B4 [0003]
