-
Die
Erfindung betrifft eine Aufprallschutzeinrichtung für ein Kraftfahrzeug
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren für deren
Herstellung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 20.
-
Eine
derartige Aufprallschutzeinrichtung umfasst mindestens ein Profilteil
zur Absorption von Aufprallenergie in einem Crash-Fall, das Bereiche
unterschiedlicher Steifigkeit aufweist.
-
Es
ist bekannt, Kraftfahrzeuge mit Aufprallschutzeinrichtungen zu versehen,
die in einem Crash-Fall Aufprallenergie aufnehmen und gezielt in Deformationsenergien
umwandeln, um die Fahrzeuginsassen vor negativen Folgen eines Unfalles
zu schützen.
Derartige Seitenaufprallschutzeinrichtungen sind beispielsweise
in Form länglicher,
sich in Fahrzeuglängsrichtung
erstreckender Querträger
in den Türen
eines Kraftfahrzeugs vorgesehen, um bei einem Seiten-Crash gezielt
Aufprallenergien aufzunehmen.
-
Die
Auslegung eines solchen Seitenaufprallträgers muss derart erfolgen,
dass die Energieaufnahme bei vorgegebener Verformung einerseits
nicht zu gering ist, um den Insassen in einem Crash-Fall vor dem
zu starken Eindringen von Teilen der Fahrzeugkarosserie in den Fahrzeuginnenraum
zu schützen,
und andererseits nicht zu groß ist,
um eine zu hohe Beschleunigung der Insassen aufgrund einer zu großen Steifigkeit
der Karosserie zu vermeiden.
-
Bei
einem längserstreckten
Seitenaufprallträger,
der an seinen äußeren Enden
jeweils mit der Fahrzeugkarosserie verbunden ist, muss beispielsweise
sichergestellt werden, dass eine crash-typische Energieaufnahme
zu einer definierten Verformung des Seitenaufprallträgers im
mittleren Bereich erfolgt, die nicht zu groß sein darf (Schutz der Insassen
vor dem Eindringen von Teilen der Fahrzeugkarosserie) und nicht
zu klein sein darf (Schutz der Insassen vor zu hoher Beschleunigung).
Dabei besteht insbesondere das Problem, dass der mittlere Bereich des
Seitenaufprallträgers
bei starker Belastung in einem Crash-Fall zu unerwünschtem
lokalen Ausbeulen neigt. Zur Optimierung der Energieaufnahme in einem
Crash-Fall ist es daher häufig
erforderlich, den Profilquerschnitt eines den Seitenaufprallträger bildenden
Profilteiles entlang dessen Erstreckungsrichtung zu variieren, so
dass der Seitenaufprallträger beispielsweise
in seinem mittleren Bereich eine größere Steifigkeit aufweist als
in seinen Endbereichen. Hierdurch lassen sich gewichtsoptimiert
Profilteile herstellen, die zur Aufnahme von Aufprallenergie besonders
geeignet ausgelegt sind. Die Herstellung solcher Profilteile mit
sich änderndem
Profilquerschnitt führt
jedoch zu erhöhten
Herstellungskosten.
-
Entsprechende
Anforderungen bestehen bei der Herstellung anderer Aufprallschutzeinrichtungen in
Kraftfahrzeugen, wie z. B. Stoßfängern oder
sonstigen Profilteilen zur Verstärkung
bestimmter Karosseriebereiche.
-
Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Aufprallschutzeinrichtung
zu schaffen, die sich bei einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit durch eine
optimierte Energieaufnahme in einem Crash-Fall auszeichnet.
-
Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch
die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
-
Danach
sind die Bereiche unterschiedlicher Steifigkeit des Profilteiles
durch unterschiedliche Wärmebehandlung
der entsprechenden Bereiche des Profilteiles erzeugt.
-
Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich Bereiche unterschiedlicher
Steifigkeit eines als Blechteil aus Metall, insbesondere aus einem
Eisenwerkstoff (z. B. Stahl) oder einem Werkstoff auf Aluminium-Basis,
bestehenden Profilteiles in einfacher und kostengünstiger
Weise durch eine gezielte Wärmebehandlung
der einzelnen Bereiche des Profilteiles erzeugen lassen. Unter der
Steifigkeit wird dabei die Festigkeit der einzelnen Bereiche im
Hinblick auf Verformungen unter der Wirkung von Aufprallenergie
verstanden.
-
Grundlage
für die
erfindungsgemäße Lehre ist
die Tatsache, dass Metalle, z.B. Eisenwerkstoffe, in Abhängigkeit
von der Temperatur unterschiedliche kristalline Zustände einnehmen,
deren Eigenschaften zum Teil wesentlich voneinander abweichen. Beschleunigtes
Abkühlen
von eine Ausgangstemperatur, z.B. der sogenannten Austenitisierungstemperatur
eines Eisenwerkstoffes, führt
zu Unterkühlungserscheinungen,
d.h., die Umwandlung des Austenits erfolgt bei tieferen Temperaturen
unter veränderten Diffusionsbedingungen
für den
Kohlenstoff und die Legierungselemente. Die Eigenschaften der Umwandlungsprodukte
hängen
daher stark von der Umwandlungstemperatur und den dann herrschenden Diffusionsmöglichkeiten
ab. Die Erscheinung der sogenannten allotropen Modifikation und
die leichte Unterkühlbarkeit
sind dabei die Gründe,
dass von den metallischen Werkstoffen insbesondere bei Stahl durch
Wärmebehandlung
tiefgreifende und vielfältige Eigenschaftsänderungen
vorgenommen werden können.
-
Die
Wärmebehandlung
stellt ein Verfahren bzw. die Kombination mehrerer Verfahren dar,
bei denen ein Profilteil im festen Zustand Temperaturänderungen
unterworfen wird, um bestimmte Werkstoffeigenschaften, vorliegend
insbesondere hinsichtlich der Steifigkeit bzw. Festigkeit des Profilteiles,
zu erzielen. Die Verfahren der Wärmebehandlung
können dabei
in zwei Hauptgruppen eingeteilt werden, nämlich das Glühen einerseits
und das Härten
andererseits. Durch Glühbehandlungen
wird das Gefüge
in Richtung eines dem Gleichgewichtszustand näheren Zustandes verändert; das
anschließende
Abkühlen erfolgt
langsam. Beim Härten
wird das Profilteil mit einer von der Materialzusammensetzung abhängigen Mindestgeschwindigkeit
so schnell abgekühlt,
dass ein Ungleichgewichtsgefüge
(z.B. ein Martensit) entsteht.
-
Jede
Wärmebehandlung
besteht im Wesentlichen aus den Schritten Erwärmung des entsprechenden Teiles
auf eine Solltemperatur (Anwärmen und
Durchwärmen);
dem Halten dieser Temperatur sowie einem anschließenden Abkühlen. Das
Erwärmen
auf die Solltemperatur kann dabei einerseits durch Wärmeübertragung
erfolgen, d. h. die Wärme wird
durch Berührung
oder Strahlung auf das zu erwärmende
Teil übertragen,
oder durch Erzeugen der Wärme
im Werkstück
erfolgen, d. h. insbesondere durch Widerstands- oder Induktionserwärmung.
-
In
entsprechender Weise lassen sich neben Eisenwerkstoffen auch Nichteisenmetalle,
z.B. Aluminiumlegierungen, durch Wärmebehandlung hinsichtlich
ihrer Festigkeit gezielt verändern,
insbesondere durch Lösungsglühen und
anschließendes
Abschrecken aushärten
sowie durch Lösungsglühen und
anschließendes
langsames Abkühlen
in ihrer Festigkeit vermindern.
-
Für weitere
Einzelheiten zur definierten Einstellung der Festigkeit von Metallen
also sowohl Eisenwerkstoffen als auch den Nichteisenmetallen, wird
auf die Literatur zur Werkstoffkunde verwiesen, beispielhaft auf
das Fachbuch Bargel/Schulze, Werkstoffkunde, 6. Auflage, Düsseldorf
(1994).
-
Es
ist ferner von Bedeutung, dass die Wärmebehandlung von Profilteilen
auch dazu dienen kann, um bestimmte Bereiche eines Profilteiles,
zum Beispiel dessen äußere Stirnseiten,
umzuformen und hierdurch Befestigungsbereiche für die Anbindung des Profilteiles
an einer Kraftfahrzeugkarosserie bzw. an einem an der Kraftfahrzeugkarosserie
angeordneten Verbindungselement zu schaffen. In einem solchen Fall
kann also die Wärmebehandlung
eines Profilteiles die Doppelfunktion erfüllen, einerseits Bereiche unterschiedlicher
Steifigkeit bzw. Festigkeit an den Profilteilen zu erzeugen und
andererseits bestimmte Bereiche des Profilteiles, zum Beispiel zur Schaffung
von Befestigungsbereichen, definiert umzuformen.
-
Die
Bereiche unterschiedlicher Steifigkeit bzw. Festigkeit des wärmebehandelten
Profilteiles können
insbesondere durch eine unterschiedliche Fließspannung der einzelnen Bereiche
charakterisiert sein.
-
Erfindungsgemäß sind bevorzugt
diejenigen Bereiche des Profilteiles mit einer erhöhten Steifigkeit
bzw. Festigkeit versehen, die bei einem typischen Unfallhergang
bei der Einleitung von Crash-Energie die größte Kraft- oder Drehmomentbelastung
aufweisen und dementsprechend die größte Tendenz zu einer Verformung
haben. Bei einem längserstreckten
Profilteil mit Befestigungsstellen an seinen äußeren Stirnseiten wird die
Wärmebehandlung
derart durchgeführt,
dass die Steifigkeit des Profilteiles in dessen mittlerem Bereich
größer ist als
im Bereich der äußeren Stirnseiten.
Dementsprechend weisen die Stirnseiten/Randbereiche des längserstreckten
Profilteiles eine geringere Fließspannung auf als dessen mittlerer
Bereich, um ein zu starkes Ausbeulen des mittleren Bereiches bei
der Aufnahme von Aufprallenergie zu verhindern.
-
Andererseits
können
bei einem Profilteil auch Bereiche unterschiedlicher Steifigkeit
entlang der Dicke des Profilteiles (also quer zu dessen Erstreckungsrichtung) hintereinander
angeordnet sein. Solche Bereiche unterschiedlicher Festigkeit können beispielsweise
dadurch erzeugt werden, dass zwei parallel zueinander verlaufende,
durch die Dicke des Materials des Profilteiles voneinander getrennte Oberflächen des
Profilteiles eine unterschiedliche Wärmebehandlung erfahren, insbesondere
eine unterschiedliche Erwärmung
oder Abkühlung
(gegebenenfalls durch Abschrecken). Hierdurch kann der Tatsache
Rechnung getragen werden, dass – entlang der
Dicke eines Profilteiles betrachtet – beim Einwirken von Aufprallenergie
unterschiedliche Druck- bzw. Zugbelastungen
auftreten können.
Dabei wird vorzugsweise derart vorgegangen, dass diejenigen Bereiche,
die vor allem Druckbelastungen ausgesetzt sind und daher tendenziell
gestaucht werden, eine geringere Festigkeit aufweisen als diejenigen
Bereiche, die überwiegend
einer Zugbelastung ausgesetzt sind und dementsprechend eher gedehnt
werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die einer Druckbelastung
ausgesetzten Bereiche entfestigt und/oder die einer Zugbelastung
ausgesetzten Bereiche gehärtet
werden.
-
Bei
einem als Stauchungselement ausgebildeten Profilteil, das in einem
Crash-Fall entlang einer vorgegebenen Raumrichtung zur Aufnahme
von Aufprallenergie gezielt gestaucht werden soll, wechseln sich
entlang dieser Raumrichtung Bereiche größerer und geringerer Steifigkeit
ab, so dass bei Einleitung von Aufprallenergie eine gezielte Stauchung
des Profilteiles erfolgt.
-
Entsprechend
den obigen Ausführungen
zur Wärmebehandlung
von Metallen sind die Bereiche geringerer Steifigkeit bzw. Festigkeit
eines Profilteiles durch Erwärmung,
insbesondere Glühen
und anschließendes
langsames Abkühlen,
erzeugt.
-
Zu
der Entfestigung von Nichteisenmetallen, z. B. Aluminiumlegierungen
wie AlMgSiT6 eignet sich beispielsweise
das Lösungsglühen, und
bei Profilteilen aus Eisenwerkstoffen, z. B. hochfestem Stahl, ein Rekristallisations-,
Weich- oder Normalglühen.
Zur Schaffung von Bereichen größerer Steifigkeit
bzw. Festigkeit des Profilteiles erfolgt demgegenüber ein Härten dieser
Bereiche durch Abkühlen,
insbesondere Abschrecken, nach einem vorhergehenden Erwärmen (Glühen). Die
Härteverteilung
wird dabei durch die Abkühl- bzw. Abschreckgeschwindigkeit
definiert eingestellt.
-
So
kann bei einem Profilteil aus Borstahl durch (induktives) Erwärmen des
gesamten Profilteiles und unterschiedliche Abschreckgeschwindigkeiten
aufgrund selektiver Flüssigkeitsduschen
(mittels Öl
oder Wasser) eine definierte Härteverteilung
eingestellt werden, wobei ein schnelleres Abkühlen bzw. Abschrecken grundsätzlich eine
größere Härtung des
entsprechenden Bereiches des Profilteiles zur Folge hat.
-
Bei
den Profilteilen auf Aluminium-Basis handelt es sich vorzugsweise
um stranggepresste oder rollierte Profilteile und bei den Profilteilen
auf Stahl-Basis vorzugsweise um rollierte oder stranggegossene Profilteile.
-
Da
bei der erfindungsgemäßen Aufprallschutzeinrichtung
die Steifigkeits- bzw. Festigkeitsverteilung der Profilteile durch
Wärmebehandlung gewährleistet
wird, können
die Profilteile entlang ihrer jeweiligen Erstreckungsrichtung trotz
variabler Steifigkeit bzw. Festigkeit einen konstanten Querschnitt
aufweisen und sind dadurch einfach und kostengünstig aus einem Halbzeug herstellbar.
Als ein Profilteil mit konstantem Querschnitt soll dabei auch ein
Profilteil verstanden werden, das zwischen seinen beiden äußeren Enden
(Stirnseiten) einen konstanten Querschnitt, jedoch im Bereich seiner äußeren Enden
umgeformt ist, um Befestigungsbereiche für die Verbindung des Profilteiles
mit einer Fahrzeugkarosserie bzw. einem an der Fahrzeugkarosserie
befestigten tragenden Fahrzeugelement zu schaffen.
-
Ein
Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Aufprallschutzeinrichtung
ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 20 charakterisiert und
insbesondere dadurch, dass durch unterschiedliche Wärmebehandlung
verschiedener Bereiche des Profilteiles die angestrebten Bereiche
unterschiedlicher Steifigkeit erzeugt werden.
-
Die
Wärmebehandlung
erfolgt dabei, wie weiter oben bereits beschrieben, durch gezieltes
Erwärmen
(Glühen)
und Abkühlen
(gegebenenfalls Abschrecken) des Profilteiles, wobei die Art der
Wärmebehandlung
ortsabhängig
ist, entsprechend der angestrebten Festigkeitsverteilung.
-
Die
jeweilige Wärmebehandlung
kann dabei sowohl an dem fertigen Profilteil erfolgen als auch vor Fertigstellung
des Profilteiles an dem zugrunde liegenden Halbzeug vorgenommen
werden. Unter einem Halbzeug wird dabei ein Material verstanden, aus
dem das Profilteil erst noch durch formgebende Prozesse, wie z.
B. Tiefziehen oder Prägen,
erzeugt werden muss, das also noch nicht die Kontur des fertigen
Profilteiles aufweist. Als Halbzeuge kommen insbesondere Endlosmaterialien
in Form flacher Bleche oder aufgewickelter Bleche in Frage, die
zur Herstellung des jeweiligen Profilteiles beschnitten und durch
Umformen bearbeitet werden müssen.
-
Eine
Entfestigung bestimmter Bereiche des Profilteiles (entweder nach
Herstellung des Profilteiles oder am entsprechenden Halbzeug vor
der Herstellung des Profilteiles) wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
durch Erwärmen,
insbesondere Glühen,
erreicht, wobei das Erwärmen
wahlweise durch Wärmeübertragung,
z. B. mittels einer Flamme, oder durch Erzeugung der Wärme im jeweiligen Profilteil
bzw. Halbzeug, z. B. durch Widerstands- oder Induktionserwärmung, erfolgt.
Nach der Erwärmung
bestimmter Bereiche des Profilteiles bzw. des zugrunde liegenden
Halbzeugs werden diese dann gleichmäßig langsam abgekühlt.
-
Zur
Erhöhung
der Festigkeit bestimmter Bereiche des Profilteiles, d. h. zum Härten, werden
diese Bereiche zur Erzeugung eines Nichtgleichgewichtszustandes
nach der Erwärmung
beschleunigt abgekühlt,
insbesondere abgeschreckt. Allgemein wird unter Härten das
Abkühlen
eines Werkstückes mit
einer solchen Geschwindigkeit verstanden, dass eine erhebliche Härtesteigerung
eintritt. Die Neigung eines Werkstoffes zur Härtesteigerung beim beschleunigten
Abkühlen
wird dabei als Härtbarkeit
bezeichnet.
-
Insgesamt
hängt die
Wirkung des Abschreckens eines Werkstückes von der Härtbarkeit
des Werkstückes,
von dem Abschreckvermögen
des verwendeten Abschreckmittels, von der Geschwindigkeit und Temperatur
des Abschreckmittels, von der Wärmeleitfähigkeit
des Werkstückes,
von der Abmessung, der Form und dem Oberflächenzustand des Werkstückes sowie
von dessen Verweilzeit im Abschreckmittel ab.
-
Als
Abschreckmittel eignen sich insbesondere Flüssigkeiten, vor allem Wasser
und Öl
(sogenannte Härteöle), wobei
durch den Zusatz von Salzen die Abschreckwirkung von Wasser aufgrund
einer Erhöhung
der Verdampfungstemperatur noch verbessert werden kann.
-
Bei
der konkreten Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird nach einer Variante das zu behandelnde Profilteil bzw. das
zugrunde liegende Halbzeug gleichmäßig erwärmt und dann lokal unterschiedlich
abgekühlt
bzw. abgeschreckt. Nach einer anderen Erfindungsvariante erfolgen
sowohl das Erwärmen
als auch das anschließende
Abkühlen oder
Abschrecken lokal unterschiedlich, wobei in den Bereichen, die entfestigt
werden sollen, langsam abgekühlt
wird, und in den Bereichen, die gehärtet werden sollen, beschleunigt
abgeschreckt wird.
-
Eine
derartige ortsabhängige
Behandlung eines Profilteiles bzw. von dessen Halbzeug kann entlang
beliebiger Raumrichtungen, also bei einem längserstreckten Teil beispielsweise
sowohl in Längsrichtung
als auch in Querrichtung erfolgen.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung erfolgt die Wärmebehandlung
eines Profilteiles in einem Durchlaufverfahren, wobei in aufeinander
folgenden Schritten ein Blechhalbzeug profiliert und anschließend durch
Schweißen
bearbeitet wird, sodann gleichmäßig oder
lokal unterschiedlich erwärmt
und anschließend
lokal unterschiedlich abgekühlt
oder abgeschreckt wird.
-
Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der Figuren deutlich werden.
-
Es
zeigen:
-
1 die Erwärmung eines
längserstreckten Profilteiles
an seinen Rändern
durch Flammen;
-
2 das Abschrecken eines
längserstreckten
Profilteiles in seinem mittleren Bereich durch Wasser;
-
3 die Herstellung und Wärmebehandlung
eines längserstreckten
Profilteiles im Durchlaufverfahren.
-
1 zeigt einen Seitenaufprallschutzträger 1 in
Form eines längserstreckten,
aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehenden hohlzylindrischen
Profilteiles 10 mit einem entlang seiner Erstreckungsrichtung
gleichbleibendem, kreisförmigen
Querschnitt, das an seinen beiden axialen Endbereichen, also vor
den Stirnseiten 11, 12, jeweils mittels einer
durch einen Flammenerzeuger E erzeugten Flamme F auf eine Temperatur
von etwa 600 °C
erwärmt
wird, um die erwärmten, äußeren Bereiche 13, 14 verglichen
mit dem mittleren Bereich 15 des Profilteiles 10 zu
enthärten.
Anschließend
wird das Profilteil 10 langsam abgekühlt.
-
Dieses
Profilteil 10 ist zum Einsatz in einer Fahrzeugtür eines
Kraftfahrzeugs vorgesehen und erstreckt sich dort als Seitenaufprallträger 1 im
Wesentlichen entlang der Fahrzeuglängsachse und wird bei einem
Seitencrash im Wesentlichen senkrecht zu seiner Erstreckungsrichtung
verformt. Im Bereich der äußeren Stirnseiten 11, 12 des
Profilteiles 10 befinden sich Befestigungsstellen, über die
dieses an einer Kraftfahrzeugkarosserie, insbesondere der Türkarosserie,
befestigbar ist, während
der mittlere Bereich 15 in einem Crash-Fall in der Regel
die Tendenz zu einer besonders starken Verformung (Ausbeulung) aufweist,
die durch dessen festere Ausbildung – verglichen mit den durch
Erwärmen
entfestigten äußeren Bereichen 13, 14 – begrenzt
werden soll.
-
2 zeigt einen Seitenaufprallträger 1 in Form
eines zwischen zwei Endbereichen (Stirnseiten 11, 12)
längserstreckten,
aus Stahlblech bestehenden Profilteiles 1, welches, z.
B. induktiv, gleichmäßig auf
eine Temperatur von etwa 900 °C
erwärmt
worden ist und nun zum Härten
in seinem mittleren Bereich 15 durch aus einem Wasserspender
W austretendes Wasser H2O abgeschreckt wird,
während
es im Bereich seiner Stirnseiten 11, 12 mittels
Luft langsam abgekühlt
wird.
-
3 zeigt ein Durchlaufverfahren,
bei dem aus einem Blechhalbzeug H durch Rollprofilieren ein Profilteil
P und durch anschließendes
Schweißen
ein Seitenaufprallträger 1 mit
fertiger Kontur erzeugt wird, wobei der Seitenaufprallträger 1 anschließend mittels
einer ringförmigen
Induktionsvorrichtung I, die der Seitenaufprallträger durchläuft, gleichmäßig auf eine
vorgegebene Temperatur erwärmt
wird. Dann wird der Seitenaufprallträger 1 an einem Wasserspender
W vorbeigeführt,
der nach einer vorgegebenen Funktion in Abhängigkeit von der Zeit t Wasser H2O auf den unter dem Wasserspender W vorbeigeführten Seitenaufprallträger 1 sprüht ("on") oder nicht ("off"). Hierdurch können gezielt
bestimmte Bereiche des Seitenaufprallträgers 1 mittels des
Wassers H2O abgeschreckt und gehärtet werden,
während
andere Bereiche langsam an der Luft abkühlen und dementsprechend eine
geringere Steifigkeit/Festigkeit aufweist.
-
Alternativ
kann die Wärmebehandlung
mit der Induktionsheizung (I) und Wasserspender (W) auch unmittelbar
an dem Halbzeug (H) vorgenommen werden, aus dem dann nach der Wärmebehandlung
ein geeignetes Profilteil geformt wird.