DE202017100049U1

DE202017100049U1 - Zwölfeckiges Verstärkungselement für ein Fahrzeug mit geraden und gebogenen Seiten und optimiertem Verhältnis von Länge der geraden Seite zu Radius der gebogenen Seite

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Publication number: DE202017100049U1
Application number: DE202017100049.4U
Authority: DE
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-01-20
Filing date: 2017-01-06
Publication date: 2017-05-18
Anticipated expiration: 2027-01-07
Also published as: US20170203790A1; CN206501817U; MX2017000868A; US9889887B2

Abstract

Verstärkungselement für ein Fahrzeug, wobei das Verstärkungselement einen zwölfeckigen Querschnitt aufweist, der Seiten und Ecken aufweist, wobei die Seiten acht gerade Seiten und vier gebogene Seiten aufweisen, wobei eine Länge von jeder geraden Seite im Wesentlichen die gleiche ist, ein Radius einer Biegung von jeder gebogenen Seite im Wesentlichen der gleiche ist und ein Verhältnis von der Länge der geraden Seite zu dem Biegungsradius von etwa 0,9 bis etwa 1,6 reicht.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen ein Verstärkungselement für eine Fahrzeugkarosserie oder andere Aufbauten. Die vorliegende Offenbarung betritt im Einzelnen ein Verstärkungselement, das einen zwölfeckigen Querschnitt mit acht geraden Seiten und vier gebogenen Seiten aufweist, und ein Kraftfahrzeug, das ein Verstärkungselement aufweist, das einen zwölfeckigen Querschnitt mit acht geraden Seiten und vier gebogenen Seiten aufweist.
Allgemeiner Stand der Technik
Es ist, für Fahrzeugverstärkungselemente, erstrebenswert, die Aufprallenergieabsorption und den Biegewiderstand zu maximieren und gleichzeitig die Masse pro Längeneinheit des Verstärkungselements zu minimieren. Aufprallenergieabsorption kann beispielsweise maximiert werden, indem sichergestellt ist, dass sich das Verstärkungselement im Wesentlichen entlang einer Längsachse des Verstärkungselements bei Erfahren eines Aufpralls entlang dieser Achse verdichtet. Eine derartige Längsverdichtung kann als ein eine stabile axiale Stauchung des Verstärkungselements bezeichnet werden.
Wenn eine verdichtende Kraft auf ein Verstärkungselement angewendet wird, beispielsweise durch eine Kraft aufgrund einer vorderen Aufpralllast auf einen vorderen Schweller oder ein anderes Verstärkungselement des Fahrzeugs, kann sich das Verstärkungselement in einer Längsrichtung stauchen, um die Energie des Zusammenstoßes zu absorbieren. Des Weiteren kann sich das Verstärkungselement, wenn eine Biegekraft auf ein Verstärkungselement, beispielsweise durch eine Kraft aufgrund einer Seitenaufpralllast, auf einen vorderen Seitenschweller, B-Säule oder anderes Verstärkungselement des Fahrzeugs angewendet wird, biegen, um die Energie des Zusammenstoßes zu absorbieren.
Herkömmliche Verstärkungselemente setzen auf Erhöhen der Dicke und Härte von Seiten- und/oder Eckabschnitten, um die Stauchstärke zu verbessern. Eine derartige erhöhte Dicke und Härte erhöht jedoch das Gewicht des Verstärkungselements und reduziert Herstellungsdurchführbarkeit. Es kann erstrebenswert sein, eine Verstärkungsanordnung bereitzustellen, die dafür ausgelegt ist, die gleiche oder ähnliche Erhöhung der Stärke zu erreichen, wie durch die verdickten Seiten und/oder Ecken bereitgestellt wird, und gleichzeitig die Masse pro Längeneinheit des Elements zu minimieren und eine hohe Herstellungsdurchführbarkeit beizubehalten.
Ferner kann es erstrebenswert sein, ein Verstärkungselement bereitzustellen, dass eine erhöhte Energieabsorption und einen stabileren axialen Kollaps erreichen kann, wenn Kräfte wie vordere und seitliche Aufprallkräfte auf das Verstärkungselement ausgeübt werden, und gleichzeitig Masse einzusparen, um Fahrzeuggewicht zu reduzieren und Emissionsanforderungen nachzukommen. Es kann außerdem erstrebenswert sein, ein Verstärkungselement bereitzustellen, das verbesserte Energieabsorption erreichen kann und sich biegt, wenn eine Biegekraft auf das Verstärkungselement angewendet wird. Daneben kann es erstrebenswert sein, ein Verstärkungselement bereitzustellen, das ein verbessertes Noise-Vibration-Harshness-Verhalten aufgrund Kaltverfestigung an seinen Ecken besitzt. Des Weiteren kann es erstrebenswert sein, einen zwölfeckigen Verstärkungselement-Querschnitt mit acht geraden Seiten und vier gebogenen Seiten bereitzustellen, das dafür ausgelegt ist, Steigerung der Stärke (d. h. Lastübertragung und Energieabsorption) gegenüber zwölfeckigen Verstärkungselement-Querschnitt-Gestaltungen zu erreichen, und dabei auch Gestaltungsflexibilität zu ermöglichen, um einer Reihe von Fahrzeuganwendungen nachzukommen.
Kurzdarstellung
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung ist ein Verstärkungselement für ein Fahrzeug bereitgestellt. Das Verstärkungselement weist einen zwölfeckigen Querschnitt auf, der Seiten und Ecken aufweist. Die Seiten weisen acht gerade Seiten und vier gebogene Seiten auf. Eine Länge von jeder geraden Seite des Querschnitts ist im Wesentlichen die gleiche, ein Radius einer Biegung von jeder gebogenen Seite des Querschnitts ist im Wesentlichen der gleiche und ein Verhältnis der Länge der geraden Seite zu dem Biegungsradius bewegt sich von etwa 0,9 bis etwa 1,6.
Das Verstärkungselement weist einen zwölfeckigen Querschnitt, der acht gerade Seiten und vier gebogene Seiten aufweist, auf und eine Länge von jeder geraden Seite des Querschnitts ist die gleiche, ein Radius einer Biegung von jeder gebogenen Seite des Querschnitts ist der gleiche. Verfahrensschritte umfassen Fertigen von einem oder mehreren Abschnitten des Verstärkungselements und Einstellen des Verhältnisses von der Länge der geraden Seite zu dem Biegungsradius auf etwa 0,9 bis etwa 1,6.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Fahrzeug, das ein Verstärkungselement aufweist, bereitgestellt. Das Verstärkungselement weist einen zwölfeckigen Querschnitt auf, welcher Seiten und Ecken aufweist. Die Seiten weisen acht gerade Seiten und vier gebogene Seiten auf. Eine Länge von jeder geraden Seite des Querschnitts ist im Wesentlichen die gleiche und ein Radius einer Biegung von jeder gebogenen Seite des Querschnitts ist im Wesentlichen der gleiche. Die Länge von jeder geraden Seite reicht von etwa 10 mm bis etwa 200 mm und der Radius der Biegung von jeder gebogenen Seite reicht von etwa 3 mm bis etwa 400 mm.
Zusätzliche Aufgaben und Vorteile werden zum Teil in der folgenden Beschreibung dargelegt und werden zum Teil aus der Beschreibung ersichtlich oder können durch Praxis der vorliegenden Lehren gelernt werden. Die Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden mithilfe der Elemente und Kombinationen realisiert und erzielt, die insbesondere in den angefügten Ansprüchen dargelegt sind.
Es versteht sich, dass sowohl die vorhergehende allgemeine Beschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung rein beispielhaft und erläuternd sind und den beanspruchten Gegenstand nicht einschränken. Die zugehörigen Zeichnungen, die in dieser Spezifikation aufgenommen sind und einen Teil dieser bilden, veranschaulichen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung und dienen, zusammen mit der Beschreibung, zur Erklärung der Grundsätze der vorliegenden Lehren.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Es werden zumindest einige Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren aus der folgenden detaillierten Beschreibung von damit in Einklang stehenden Ausführungsbeispielen ersichtlich, wobei die Beschreibung unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen betrachtet werden sollte, in denen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines zwölfeckigen Querschnitts, mit acht geraden Seiten und vier gebogenen Seiten, für ein Verstärkungselement gemäß den vorliegenden Lehren darstellt;
2A eine Draufsicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Verstärkungselements, das einen zwölfeckigen Querschnitt mit acht geraden Seiten und vier gebogenen Seiten aufweist, gemäß den vorliegenden Lehren darstellt;
2B eine Draufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Verstärkungselements, das einen zwölfeckigen Querschnitt mit acht geraden Seiten und vier gebogenen Seiten aufweist, gemäß den vorliegenden Lehren darstellt;
2C eine Draufsicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines Verstärkungselements, das einen zwölfeckigen Querschnitt mit acht geraden Seiten und vier gebogenen Seiten aufweist, gemäß den vorliegenden Lehren darstellt;
2D eine Draufsicht eines vierten Ausführungsbeispiels eines Verstärkungselements, das einen zwölfeckigen Querschnitt mit acht geraden Seiten und vier gebogenen Seiten aufweist, gemäß den vorliegenden Lehren darstellt;
2E eine Draufsicht eines fünften Ausführungsbeispiels eines Verstärkungselements, das einen zwölfeckigen Querschnitt mit acht geraden Seiten und vier gebogenen Seiten aufweist, gemäß den vorliegenden Lehren darstellt;
2F eine Draufsicht eines sechsten Ausführungsbeispiels eines Verstärkungselements, das einen zwölfeckigen Querschnitt mit acht geraden Seiten und vier gebogenen Seiten aufweist, gemäß den vorliegenden Lehren darstellt;
3A eine Perspektivansicht des Verstärkungselements aus 2A darstellt;
3B eine Perspektivansicht des Verstärkungselements aus 2B darstellt;
3C eine Perspektivansicht des Verstärkungselements aus 2C darstellt;
3D eine Perspektivansicht des Verstärkungselements aus 2D darstellt;
3E eine Perspektivansicht des Verstärkungselements aus 2E darstellt;
3F eine Perspektivansicht des Verstärkungselements aus 2F darstellt;
4A–4F jeweils beispielhaften quasistatischen axialen Kollaps der in 3A–3F gezeigten Verstärkungselemente darstellen;
5A–5F jeweils beispielhafte dynamische Stauchung der in 3A–3F gezeigten Verstärkungselemente darstellen;
6 ein Schaubild der dynamischen Stauchkraft und damit verbundenen Stauchdistanz für die in 3A–3F gezeigten beispielhaften Verstärkungselemente ist;
7 ein Schaubild der dynamischen axialen Stauchenergie und damit verbundenen Stauchdistanz für die in 3A–3F gezeigten beispielhaften Verstärkungselemente ist;
8 ein Ausführungsbeispiel eines Fahrzeugrahmens mit mehreren Bauelementen darstellt, für die die Verstärkung gemäß den vorliegenden Lehren verwendet werden kann; und
9 ein Ausführungsbeispiel eines Fahrzeugoberkörpers mit mehreren Bauelementen darstellt, für die ein Verstärkungselement gemäß den vorliegenden Lehren verwendet werden kann;
Auch wenn die folgende detaillierte Beschreibung auf veranschaulichende Ausführungsbeispiele Bezug nimmt, werden dem Fachmann Alternativen, Modifizierungen und Veränderungen davon ersichtlich sein. Dementsprechend soll der beanspruchte Gegenstand weit gefasst betrachtet werden.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Nun wird detailliert auf verschiedene Ausführungsbeispiele Bezug genommen, wobei Beispiele dieser in den zugehörigen Zeichnungen dargestellt sind. Die verschieden Ausführungsbeispiele sollen die Offenbarung nicht beschränken. Im Gegenteil soll die Offenbarung Alternativen, Modifizierungen und Äquivalente der Ausführungsbeispiele abdecken. In den Zeichnungen und der Beschreibung sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es ist zu beachten, dass in der Beschreibung einzeln beschriebene Merkmale auf eine beliebige technisch zweckmäßige Weise miteinander kombiniert werden können und zusätzliche Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung offenbaren.
Die vorliegenden Lehren sehen Verstärkungselemente mit zwölfeckigen Querschnitten vor, die eine im Wesentlichen erhöhte Steifigkeit über die Seiten und Ecken hinweg aufweisen, ohne die Dicke in den Ecken zu erhöhen, wie es bei herkömmlichen Verstärkungselementen getan wird. Die Verstärkungselemente der vorliegenden Offenbarung sind beispielsweise teilweise basierend auf mehreren abstimmbaren Parametern ausgebildet, die konfiguriert sind, Steigerungen der Stärke (d. h. Lastübertragung und Energieabsorption) gegenüber einfachen polygonalen Gestaltungen (z. B. polygonale Verstärkungselement-Querschnitte, die weniger oder die gleiche Anzahl von Seiten aufweisen) zu erreichen und dabei gleichzeitig die Gestaltungsflexibilität zu ermöglichen, um einer Reihe von Fahrzeuganwendungen nachzukommen.
Gemäß den vorliegenden Lehren stattet die Form der hierin offenbarten Verstärkungselemente die Verstärkungselemente mit stabilisierter Faltung, reduzierter Stauchdistanz und erhöhter Energieabsorption in Reaktion auf eine axial angewendete Aufprallkraft aus. Die Form erlaubt eine individuellere Passung mit anderen Fahrzeugkomponenten.
Die Verstärkungselemente gemäß den vorliegenden Lehren können eine erhöhte Energieabsorption und einen stabileren axialen Kollaps erreichen, wenn Kräfte wie vordere und seitliche Aufprallkräfte auf das Verstärkungselement angewendet werden. Ferner können die Seitenlängen und Konfigurationen, und/oder Grade der Innen- und Außenwinkel, der Verstärkungselemente gemäß den vorliegenden Lehren eine gleiche, oder sogar größere, Steigerung der Stärke wie verdickte Ecken erreichen, und gleichzeitig die Masse pro Längeneinheit des Elements minimieren und eine hohe Herstellungsmachbarkeit aufrechterhalten, da das Element durch Prägen, Biegen, Pressformen, Hydroformen, Formpressen, Gießen, Extrudieren, einheitliches oder nichteinheitliches Walzprofilieren, Spanen, Schmieden und/oder andere bekannte Herstellungsverfahren gebildet werden kann. Derart gebildete Abschnitte können durch Verschweißen, Hartlöten, Löten, Adhäsionskleben, Fixieren, Presspassen oder andere bekannte Verbindungstechniken verbunden werden.
Verstärkungselemente gemäß den vorliegenden Lehren können beispielsweise Stahllegierungen, Titanlegierungen, Aluminiumlegierungen, Magnesiumlegierungen, Nylons, Kunststoffe, Polymere, Verbundwerkstoffe, faserverstärkte Verbundstoffe, Hybridmaterialien, (d. h. mehrere ungleiche Materialien), Formgedächtnismaterialien oder beliebige andere geeignete Materialien aufweisen. Der Durchschnittsfachmann würde beispielsweise verstehen, dass das für ein Verstärkungselement verwendete Material mindestens teilweise basierend auf beabsichtigter Anwendung, Erwägungen zu Stärke/Gewicht, Kosten, Packraum und/oder anderen Gestaltungsfaktoren ausgewählt werden kann.
Ein Verstärkungselement gemäß den vorliegenden Lehren kann einen zwölfeckigen Querschnitt aufweisen, der acht gerade Seiten und vier gebogene Seiten aufweist. Ein Ausführungsbeispiel eines zwölfeckigen Querschnitts 100 für ein Verstärkungselement gemäß den vorliegenden Lehren ist in 1 dargestellt. Wie dargestellt weist der Querschnitt 100 acht gerade Seiten S_s1–S_s8, die Längen L_s1–L_s8 und Dicken T_s1–T_s8 auf; vier gebogene Seiten S_c1–S_c4, die Längen L_c1–L_c4, Dicken T_c1–T_c4 und einen Biegungsradius R₁–R₄ auf; und zwölf innere Ecken mit Winkeln ϑ_i1–ϑ_i12 auf.
Die Seitenlängen und die Dicken und inneren Eckwinkel können variiert (d. h. abgestimmt) werden, um im Vergleich zu anderen zwölfseitigen Querschnitten eine verbesserte Stärke und andere Leistungsmerkmale (z. B. Faltungsmusterstabilität) zu erreichen. Abstimmen von Parametern zur Verbesserung der Stärke kann eine Wand- und/oder Eckendicke erlauben, wodurch eine reduzierte Masse des Verstärkungselements erreicht wird. Ein Aspekt der vorliegenden Ausführung, der abgestimmt werden kann, ist das Verhältnis zwischen der Länge der gerade Seiten und der Länge der gebogenen Seiten.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann beispielsweise jede der Längen der geraden Seiten L_s1–L_s8 des Querschnitts 100 im Wesentlichen die gleiche sein. Alle Längen der geraden Seiten L_s1–L_s8 im Wesentlichen gleichzumachen kann ein Verstärkungselement mit erstrebenswerter Herstellbarkeit bereitstellen. Wo die Längen der geraden Seiten L_s1–L_s8 auf diese Weise im Wesentlichen gleichgehalten werden, kann die Länge der geraden Seiten insgesamt als L_s bezeichnet werden. In bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Lehren beispielsweise kann eine Länge von jeder geraden Seite (L_s1–L_s8) von etwa 10 mm bis etwa 200 mm reichen und eine Länge von jeder kreisförmigen Seite (L_c1–L_c4) kann von etwa 9 mm bis etwa 1200 mm reichen. In bestimmten zusätzlichen Ausführungsformen kann eine Dicke der Seiten und Ecken von etwa 0,7 mm bis etwa 6,0 mm reichen; und in bestimmten Ausführungsformen ist die Dicke der Seiten im Wesentlichen die gleiche wie die Dicke der Ecken. Ferner kann, gemäß bestimmten zusätzlichen Ausführungsbeispielen, die Dicke des Verstärkungselements variieren, beispielsweise innerhalb einer Seite oder von Seite zu Seite, um erstrebenswertes übergreifendes axiales Stauchungs- und Biegeverhalten bereitzustellen.
Zusätzlich kann jeder der Radien der gebogenen Seite R₁–R₄ im Wesentlichen gleich sein. Alle Radien der gebogenen Seite R₁–R₄ gleichzumachen kann ein Verstärkungselement ferner mit erstrebenswerter Herstellbarkeit versehen. Wo die Radien der gebogenen Seite R₁–R₄ auf diese Weise im Wesentlichen gleichgehalten werden, kann der Radius der gebogenen Seiten insgesamt als R_c bezeichnet werden. Bei bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Lehren kann ein Radius von jeder gebogenen Seite (R₁–R₄) beispielsweise von etwa 3 mm bis etwa 400 mm reichen. Wie in 1 beispielhaft gezeigt, können die gebogenen Seiten S_c1–S_c4 derart kreisförmig sein, dass der Radius der gebogenen Seite R_c der gleiche ist, wenn von einem beliebigen Punkt entlang einer beliebigen gebogenen Seite S_c1–S_c4 aus gemessen. Die gebogenen Seiten S_c1–S_c4 kreisförmig zu machen kann außerdem die Herstellbarkeit des Verstärkungselements verbessern.
Die offenbarten Größenbereiche für Seitenlängen, Biegungsradien und Seitendicken eines Querschnitts des Verstärkungselements beabsichtigen, im Allgemeinen für Verstärkungselemente in Kraftfahrzeugen anwendbar zu sein. Verstärkungselemente, die einen Querschnitt mit Seitenlängen, Biegungsradien und Seitendicken außerhalb den vorstehend offenbarten Bereichen haben, sind ebenfalls erwogen. Insbesondere Verstärkungselemente, die in bestimmten Anwendungen wie in Luftfahrzeugen, Raumfahrzeugen und Wasserfahrzeugen verwendet werden, können Seitenlängen, Biegungsradien und/oder Seitendicken aufweisen, die größer als die offenbarten Bereiche sind.
In bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Lehren reicht jeder innere Winkel ϑ_i1–ϑ_i12 von etwa 60 Grad bis etwa 145 Grad. Um die Herstellbarkeit weiter zu verbessern kann jeder innere Winkel ϑ_i1–ϑ_i12 im Wesentlichen der gleiche sein (siehe Verstärkungselemente 201–206 aus 2A–2F). Wenn die inneren Winkel auf diese Weise im Wesentlichen gleichgehalten werden, kann der innere Winkel insgesamt als der innere Winkel ϑ_i bezeichnet werden. Einstellen von jedem inneren Winkel ϑ_i im Wesentlichen auf 90 Grad kann noch mehr erstrebenswerte Herstellbarkeit bereitstellen. Wie jedoch beispielhaft in 1 gezeigt, kann sich mindestens ein innerer Winkel von mindestens einem anderen inneren Winkel unterscheiden. Beispielsweise, wie in 1 gezeigt, können sich innere Winkel ϑ_i1, ϑ_i4, ϑ_i7 und ϑ_i10 (etwa 111 Grad) von inneren Winkeln ϑ_i2, ϑ_i3, ϑ_i5, ϑ_i6, ϑ_i8, ϑ_i9, ϑ_i11 und ϑ_i12 (etwa 93 Grad) unterscheiden.
Wenn, wie vorstehend beschrieben, die Längen der geraden Seiten L_s1–L_s8 des Querschnitts im Wesentlichen die gleichen sind und die Biegungsradien von gebogenen Seiten R₁–R₄ im Wesentlichen die gleichen sein können, kann ein Verhältnis von Länge der geraden Seite zu Radius der gebogenen Seite („L_s/R_c-Verhältnis“) variiert (d. h. abgestimmt) werden, um eine verbesserte Stärke und andere Leistungsmerkmale (z. B. Stauchstabilität, Faltungsmuster, Stauchkraft, Stauchdistanz und Energieabsorption) im Vergleich zu existierenden zwölfseitigen Querschnitten mit acht geraden Seiten und vier gebogenen Seiten zu erhalten. Diese Stärkenverbesserung beugt ferner der Notwendigkeit für erhöhte Eckendicken vor, was ein zusätzlicher Vorteil eines Feinabstimmens des L_s/R_c-Verhältnisses eines Verstärkungselements, das einen zwölfseitigen (d. h. zwölfeckigen) Querschnitt mit acht geraden Seiten und vier gebogenen Seiten aufweist, ist.
Unter jetziger Zuwendung auf 2A–2F sind (jeweils) Draufsichten von Ausführungsbeispielen von Verstärkungselementen 201–206 gezeigt, von denen jedes einen zwölfeckigen Querschnitt mit acht geraden Seiten mit gleicher Länge, vier gebogenen Seiten, die jeweils den gleichen Radius aufweisen, und einem L_s/R_c-Verhältnis, das von etwa 0,6 bis etwa 2,78 reicht, jeweils gezeigt.
Wie beispielsweise in 2A–2F gemäß verschieden Ausführungsformen der vorliegenden Lehren gezeigt, kann das L_s/R_c-Verhältnis eines Durchschnitts variiert werden, beispielsweise gemäß verfügbarem Packraum innerhalb des Fahrzeugs. Zusätzlich ist eine Perspektivansicht von jedem Verstärkungselement 201–206 aus 2A–2F jeweils in 3A–3F gezeigt. Es ist zu beachten, dass die Verstärkungselemente 201–206 nur beispielhaft sind und bereitgestellt sind, um zu veranschaulichen, wie der L_s/R_c-Verhältnis-Parameter genutzt werden kann, um den Querschnitt des Ausführungsbeispiels aus 1 anzupassen, um einen erstrebenswerten Querschnitt für ein Verstärkungselement zu erreichen. Die vorliegende Offenbarung sieht daher verschiedene zwölfeckige Querschnittskonfigurationen mit acht geraden Seiten und vier gebogenen Seiten und verschiedenen L_s/R_c-Verhältnissen vor, die basierend auf Platzanforderungen und/oder zum Steuern von Verstärkungselement-Kollapsmodi angepasst werden können. Es ist zu beachten, dass ein Verstärkungselement mit einer einheitlichen längsverlaufenden Verjüngung (z. B. Verstärkungselemente 201–206) eine Querschnittslänge der geraden Seite L_s und einen Radius der gebogenen Seite R_c aufweisen kann, der entlang der Longitudinallänge des Verstärkungselements variiert, wohingegen für einen Querschnitt an einem beliebigen gegebenen Punkt entlang der Länge des Verstärkungselements alle Längen der geraden Seiten L_s1–L_s12 und Biegungsradien der gebogenen Seiten R₁–R₄ gleich sein werden.

Verstärkungselemente 201–206 sind finite Elementmodelle, die entwickelt wurden, um die erstrebenswerten L_s/R_c-Verhältnisse für Verstärkungselemente, die einen zwölfeckigen Querschnitt mit acht geraden Seiten und vier gebogenen Seiten aufweisen, zu erforschen. Im Speziellen wurden Verstärkungselemente 201–206 so entwickelt, dass sie im Wesentlichen die gleiche Longitudinallänge, im Wesentlichen den gleichen längsverlaufenden Kegelwinkel, im Wesentlichen die gleiche Seiten- und Eckendicke und das gleiche Material aufweisen. Darüber hinaus weist jedes Verstärkungselement 201–206 die gleiche Außenabmessung und Masse auf. Da jedes Verstärkungselement 201–206 im Wesentlichen die gleiche Masse und Longitudinallänge aufweist, weist auch jedes im Wesentlichen die gleiche Masse pro Längeneinheit auf. Tabelle 1 zeigt die Länge der geraden Seite L_s, den Radius der gebogenen Seite R_c, das L_s/R_c-Verhältnis und Umfangsgröße (P) für jedes Verstärkungselement. Da jede gebogene Seite der Verstärkungselemente 201–206 halbkreisförmig ist, ist der Radius der gebogenen Seite für jeden Querschnitt jedes Verstärkungselements 201–206 R_c = L_c/π. Die Umfangsgröße P ist P = 4πR_c + 8L_s. Tabelle 1. Abmessungen von modellierten Verstärkungselementen 201–206.

Verstärkungselement-Bezug	Ls (Normalisierte Länge)	Rc (Normalisierte Länge)	Ls/Rc-Verhältnis	Umfangsgröße (Normalisierte Länge)
201	27,80	10,00	2,78	348,0
202	21,51	14,00	1,54	348,0
203	20,00	15,00	1,33	348,0
204	18,37	16,00	1,15	348,0
205	16,80	17,00	0,99	348,0
206	12,10	20,00	0,60	348,0

Um erstrebenswerte Bereiche des L_s/R_c-Verhältnisses für Verstärkungselemente, die einen zwölfeckigen Querschnitt mit acht geraden Seiten und vier gebogenen Seiten aufweisen, zu bestimmen, wurden Verstärkungselemente 201–206 wie vorstehend beschrieben modelliert und experimentelle Versuche mit finiten Elementen durchgeführt, wie nachstehend mit Bezug auf 4–7 gezeigt und beschrieben.
Vor der Gestaltung und Durchführung der komplexen Versuche, deren Ergebnisse nachstehend gezeigt und beschrieben sind, hätte ein Durchschnittsfachmann erwartet, dass die Verstärkungselemente, die einen zwölfeckig Querschnitt mit acht geraden Seiten und vier gebogenen Seiten und ein relativ niedriges L_s/R_c-Verhältnis aufweisen, am erstrebenswertesten gewesen wären. Dies liegt daran, dass bekannt war, dass Verstärkungselemente, die einen zwölfeckigen Querschnitt mit Einbuchtungen, wie beispielsweise denen durch gebogene Seiten S_c erzeugten, ein verbessertes Verhalten gegenüber Verstärkungselementen mit quadrat- oder rechteckförmigen Querschnitten bereitstellen. Daher hätte ein Durchschnittsfachmann erwartet, dass ein Verstärkungselement, das einen zwölfeckigen Querschnitt mit acht geraden Seiten und vier gebogenen Seiten und vergleichsweise größeren Einbuchtungen (d. h. ein vergleichsweise geringeres L_s/R_c-Verhältnis) aufweist, bessere axialen Kollaps- und Stauchenergieabsorption bereitgestellt hätte, als ein zwölfeckiger Querschnitt mit acht geraden Seiten und vier gebogenen Seiten und vergleichsweise kleineren Einbuchtungen (d. h. einem vergleichsweise höherem L_s/R_c-Verhältnis). Mit anderen Worten hätte ein Durchschnittsfachmann erwartet, dass ein Verstärkungselement, das einen vergleichsweise weniger quadratförmigen zwölfeckigen Querschnitt mit acht geraden Seiten und vier gebogenen Seiten (d. h. ein vergleichsweise geringeres L_s/R_c-Verhältnis) aufweist, bessere axiale Kollaps- und Stauchenergieabsorption bereitgestellt hätte, als ein mehr quadratförmiger zwölfeckiger Querschnitt mit acht geraden Seiten und vier gebogenen Seiten (d. h. einem vergleichsweise hohem L_s/R_c-Verhältnis). Daraus geht hervor, dass, wenn mehrere Verstärkungselemente verglichen werden, von denen jedes einen Querschnitt mit acht geraden Seiten, vier gebogenen Seiten und im Wesentlichen dem gleichen Größenparameter, wobei der Materialtyp und die Längsabmessungen konstant sind, aufweist, ein Durchschnittsfachmann erwartet hätte, dass das Verstärkungselement, das den Querschnitt mit dem niedrigsten L_s/R_c-Verhältnis (d. h. den am wenigsten quadratförmigen Querschnitt) aufweist, von allen Verstärkungselementen die beste axiale Kollaps- und Stauchenergieabsorption bereitgestellt hätte.
Die Versuche für jedes Element simulierten einen Aufprall mit der gleichen Grenzbedingung, starren Masse (z. B. ein Impaktor), Aufprallgeschwindigkeit und anfänglichen kinetischen Energie.
4A–4F zeigen jeweils Verstärkungselemente 201–206, die einer simulierten quasistatischen Stauchung unterzogen wurden. Während jeder quasistatischen Stauchung ist die Aufprallgeschwindigkeit langsam (d. h. 1 in/min). Ein Impaktor komprimiert die Elemente mit einer gesteuerten Verformung. Daher erreichen alle Elemente zu der gleichen Stauchzeit die gleiche Stauchdistanz. Mehrere Verstärkungselemente einer quasistatischen Stauchung zu unterwerfen stellt somit einen Vergleich der Faltungslänge und der Stauchstabilität des Verstärkungselements bereit. Obgleich ein Durchschnittsfachmann erwartet hätte, dass Verstärkungselement 206 von allen Verstärkungselementen 201–206 den beste axialen Kollaps aufzeigt, zeigten, wie in 4A–4F gezeigt, die Verstärkungselemente 202–205, die L_s/R_c-Verhältnisse, die von 0,99 bis 1,54 reichen, aufweisen (jeweils 4B–4E), gemäß den vorliegenden Lehren überraschend den stabilsten axialen Kollaps und die kleinste Faltungslänge auf. Von der in 4A und 4F gezeigten Perspektive aus gesehen wiesen die vorderen rechten Quadranten von Verstärkungselementen 201 und 206 ein besonders instabiles Faltungsmuster auf, was ein beobachtbarer Hinweis darauf ist, dass 201 und 206 einen weniger stabilen, und somit weniger erstrebenswerten, axialen Kollaps als die anderen vier Verstärkungselemente 202–205 aufweisen. Beispielsweise, wie in 4B–4E gezeigt, wiesen Verstärkungselemente 202–205 eine progressivere Faltung in den gestauchten Abschnitten der Verstärkungselemente 202–205 und geradere nicht gestauchte Abschnitte auf, was beobachtbare Hinweise auf einen stabileren axialen Kollaps sind.
5A–5F zeigen jeweils Verstärkungselemente 201–206, die einer simulierten dynamischen Stauchung unterzogen wurden. Während jeder dynamischen Stauchung wird der Impaktor durch eine Gaspistole mit einer festgelegten Masse und Anfangsauftreffgeschwindigkeit angetrieben, was eine festgelegte anfängliche kinetische Energie erzeugt. Die anfängliche kinetische Energie staucht die Elemente und die anfängliche kinetische Energie wird in die innere Energie der Elemente übertragen. Das Verhalten von jedem Verstärkungselement kann durch Messen der Stauchdistanz, Stauchkraft und spezifischen Energieabsorption von jedem Verstärkungselement verglichen werden. Unerwartet, wie in 5A–5F gezeigt, zeigten die Verstärkungselemente 202–205, die einen Querschnitt mit einem L_s/R_c-Verhältnis aufweisen, das von 0,99 bis 1,54 reicht (5B–5E), gemäß der vorliegenden Offenbarung die kürzeren Stauchdistanzen als das Verstärkungselement 206, das den am wenigsten quadratförmigen Querschnitt aufweist (5F), auf. Ein besonders überraschendes Ergebnis war, dass das Verstärkungselement 203, das einen Querschnitt mit einem L_s/R_c-Verhältnis von 1,33 aufweist (5C), gemäß der vorliegenden Offenbarung von allen Verstärkungselementen 201–206, die simuliert wurden, die kürzeste Stauchdistanz aufzeigte. Verstärkungselemente 202, 204 und 205 (jeweils 5B, 5D und 5E) wiesen ebenfalls eine erheblich kürzere Stauchdistanz als Verstärkungselemente 201 und 206 (5A und 5F) auf.
6 stellt die dynamische Stauchkraft (in kN) und die damit verbundene axiale Stauchdistanz (in mm) für die simulierte dynamische Stauchung dar, die auf die beispielhaften Verstärkungselemente, die die in 2A–2F gezeigten Querschnitte aufweisen, axial angewendet wurde. Unerwartet, wie in 6 gezeigt, konnten die Verstärkungselemente 202–205, die einen Querschnitt mit einem L_s/R_c-Verhältnis aufweisen, das von 0,99 bis 1,54 reicht, für eine gegebene resultierende Stauchdistanz, verglichen mit dem Verstärkungselement 206 mit dem am wenigsten quadratischen zwölfeckigen Querschnitt, einer wesentlich höheren Stauchkraft standhalten. Insbesondere erreichte das Verstärkungselement 203, das einen Querschnitt mit einem L_s/R_c-Verhältnis von 1,33 gemäß der vorliegenden Offenbarung aufweist, verglichen mit dem Verstärkungselement 206 mit dem am wenigsten quadratförmigen zwölfeckigen Querschnitt, eine Steigerung der gemittelten Stauchkraft- und/oder Aufprallenergieabsorption von etwa 20 %. Das Verstärkungselement 203 erreichte im Vergleich zu dem Verstärkungselement 201 mit dem am meisten quadratförmigen zwölfeckigen Querschnitt außerdem eine Steigerung der gemittelten Stauchkraft- und/oder Aufprallenergieabsorption von etwa 42 %.
7 stellt die dynamische axiale Stauchenergie (in kN-mm) und die damit verbundene axiale Stauchdistanz (in mm) für eine simulierte dynamische Stauchung dar, die auf die beispielhaften Verstärkungselemente, die die in 2A–2F gezeigten Querschnitte aufweisen, angewendet wurde. Wie in 7 gezeigt könnten die Verstärkungselemente 202–205, die einen Querschnitt mit einem L_s/R_c-Verhältnis, das von 0,99 bis 1,54 reicht, verglichen mit den Verstärkungselementen 201 mit dem am meisten quadratförmigen zwölfeckigen Querschnitt und 206 mit dem am wenigsten quadratförmigen zwölfeckigen Querschnitt, die gleiche gesamte kinetische Energie des Aufpralls über eine wesentlich kürzere Distanz absorbieren. Im Speziellen absorbierte das Verstärkungselement 203, das einen Querschnitt mit einem L_s/R_c-Verhältnis von 1,33 gemäß der vorliegenden Offenbarung aufweist, die volle axiale Stauchenergie in etwa 72 % der axialen Stauchdistanz, verglichen mit dem Verstärkungselement 206 mit dem am wenigsten quadratförmigen zwölfeckigen Querschnitt, und in etwa 61,5 % der axialen Stauchdistanz, verglichen mit dem Verstärkungselement 201 mit dem am meisten quadratförmigen zwölfeckigen Querschnitt.
Zwölfeckige Querschnitte gemäß den vorliegenden Lehren können daher verbesserte Aufprallenergiesteuerung gegenüber, beispielsweise, einfachen polygonalen Verstärkungselement-Querschnitten, einschließlich vier-, sechs- und achtseitigen polygonalen Querschnitten, ermöglichen, wobei Minimieren von Masse pro Längeneinheit Lösungen zur Masseneinsparung bereitstellt, die das Fahrzeuggewicht reduzieren und neuen Corporate Average Fuel Economy-(CAFE-) und Emissionsrichtlinien nachkommen.
Über die erhöhten Lasttrage- und Energieabsorptionsfähigkeiten hinaus, können Verstärkungselemente gemäß der vorliegenden Offenbarung zusätzliche Vorteile oder Nutzen wie verbesserte Feuchtigkeitsabweisungsfähigkeiten, verbessertes Biegungsenergie-Absorptionsvermögen, verbesserte Herstellungsmachbarkeit und bessere Passung der Form neben den anderen Komponenten der kompletten Vorrichtung (z. B. Fahrzeug, wie oben angemerkt) bereitstellen.
Des Weiteren kann ein zwölfeckiges Verstärkungselement gemäß der vorliegenden Offenbarung auch abgestimmt werden, um einzigartigen Packanforderungen zur Verwendung in verschiedenen Fahrzeugen nachzukommen. Aufgrund der bestimmten Form des Querschnitts von mindestens einigen der zwölfeckigen Querstreben kann es einfacher sein, die anderen Vorrichtungskomponenten zu koppeln, zu verbinden oder andere Vorrichtungskomponenten anderweitig an dem Verstärkungselement zu befestigen. Andere Vorrichtungskomponenten können Motoraufhängungen oder Getriebehalterungen aufweisen, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
Zwölfeckige Verstärkungselemente gemäß der vorliegenden Offenbarung sind zur Verwendung als tragende Elemente in einer Reihe von Umgebungen beabsichtigt. Ein Verstärkungselement wie hierin offenbart kann, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise als eins oder mehrere von Eindrückdosen, vorderen Schienen, mittleren Schienen, hinteren Schienen, seitlichen Schienen, Längsträgern, Querstreben, Dachstrukturen, Befestigungsröhren, Türträgern, Säulen, Schwellern, Innenverstärkungen und anderen Komponenten, die von einer erhöhten Aufprallenergieabsorption oder den anderen hierin beschriebenen Vorteilen profitieren können, verwendet werden. Zusätzlich können die vorliegenden Lehren sowohl auf Karosserie-auf-Rahmen- als auch auf modularisierte Fahrzeuge oder andere Arten von Aufbauten angewendet werden.
Beispielsweise, wie in 8 und 9 gezeigt, können zwölfeckige Verstärkungselemente mit acht geraden Seiten und vier gebogenen Seiten gemäß der vorliegenden Offenbarung zum Bilden eines Teils von einem oder innerhalb eines Fahrzeugrahmens und/oder eines Fahrzeugoberkörpers verwendet werden. 8 stellt ein Ausführungsbeispiel eines Fahrzeugrahmens 800 mit mehreren Bauelementen dar, für die die Verstärkung verwendet werden kann. Beispielsweise können die Verstärkungselemente gemäß der vorliegenden Offenbarung können einen Teil von einem Fronthorn 802, einer vorderen Schiene 804, einer vorderen Seitenschiene 806, einer hinteren Seitenschiene 808, einer hinteren Schiene 810 und/oder eine oder mehrere Querstreben 812 bilden oder als solcher verwendet werden. Gleichermaßen stellt 9 ein Ausführungsbeispiel eines Fahrzeug-Oberkörpers 900 mit mehreren Bauelementen dar, für die die Verstärkung verwendet werden kann. Die Verstärkungselemente gemäß der vorliegenden Offenbarung können beispielsweise als ein Teil eines Längsträgers 902, einer Scharniersäule 904, einer A-Säule 906, einer B-Säule 908, einer C-Säule 910, eines oder mehrerer Türträger 912, eines Fahrzeugquerträgers 914, eines vorderen Kopfstücks 916, eines hinteren Kopfstücks 918, eines kaltverfestigten Oberteils 920, einer Dachschiene 922, eines lateralen Dachspriegels 924, eines longitudinalen Dachspriegels 926, einer oder mehrerer Karosseriequerstreben 928, einer Karosseriequerstrebe 930 und/oder eines Schwellers 932 (der untere horizontale Teil, der die Scharniersäule 904, B-Säule 908 und C-Säule 910 verbindet) ausgebildet sein oder verwendet werden.
Darüber hinaus können die Verstärkungselemente gemäß der vorliegenden Offenbarung als ein Teil von Fahrzeugunterbodenkomponenten, beispielsweise als ein Schweller und/oder eine oder mehrere Unterbodenquerstreben, verwendet werden oder diesen bilden. Außerdem können die Verstärkungselemente gemäß der vorliegenden Offenbarung als ein Teil von Motorraumkomponenten, beispielsweise als eine oder mehrere Motorraum-Querstreben, verwendet werden oder diesen bilden.
Abhängig von der Anwendung weisen Ausführungsformen der vorliegenden Lehren verschiedene Formen (d. h. verschiedene Querschnitte) auf, um bestimmten Platzeinschränkungen bestimmter Elemente nachzukommen. Bei Verwendung beispielsweise als eine vordere Fahrzeugschiene, um ein optimiertes axiales Stauchverhalten zu erreichen, können die Längen und Dicken der Seiten und/oder Winkel der Ecken alle angepasst (abgestimmt) werden, um optimale Stärke, Größe und Form bereitzustellen, um Motorraumeinschränkungen nachzukommen.
Obgleich verschiedene Ausführungsbeispiele hierin als für eine Verwendung mit Kraftfahrzeugen ausgelegt beschrieben sind, ist vorgesehen, dass die verschiedenen Verstärkungselemente gemäß den vorliegenden Lehren für die Verwendung mit anderen Arten von Fahrzeugen (z. B. Luftfahrzeugen, Raumfahrzeugen und Wasserfahrzeugen) und/oder Aufbauten ausgelegt sein können, bei denen es erstrebenswert sein kann, erhöhte Aufprallenergieabsorption bereitzustellen. Der Durchschnittsfachmann, der den Nutzen dieser Offenbarung hat, wird somit verstehen, dass die vorliegenden Lehren Verstärkungselemente für verschiedene Anwendungen bereitstellen. Weitere Modifizierungen und alternative Ausführungsformen verschiedener Aspekte der vorliegenden Lehren werden dem Fachmann in Anbetracht dieser Beschreibung ersichtlich.
Es versteht sich, dass die hierin dargelegten bestimmten Beispiele und Ausführungsformen nicht einschränkend sind und Modifizierungen von Aufbau, Abmessungen, Materialien und Methodologien vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Zum Zwecke dieser Spezifikation und der beigefügten Ansprüche, außer anders angegeben, sind alle Zahlen, die Mengen, Prozente oder Proportionen ausdrücken, und andere Zahlenwerte, die in der Spezifikation und den Ansprüchen verwendet werden, als in allen Fällen durch den Begriff „etwa“ modifiziert zu verstehen. Dementsprechend, außer gegenteilig angegeben, sind die Zahlenparameter, die in der geschriebenen Beschreibung und den Ansprüchen dargelegt sind, Annäherungen, die abhängig von den erwünschten Eigenschaften, die von der vorliegenden Erfindung erreicht werden sollen, variieren können. Zumindest, und nicht als Versuch, die Anwendung der Lehre von Äquivalenten zum Schutzumfang der Ansprüche einzuschränken, sollte jeder Zahlenparameter mindestens angesichts der Anzahl erwähnter signifikanter Stellen und durch Anwenden gewöhnlicher Rundungstechniken ausgelegt werden.
Ungeachtet dessen, dass die Zahlenbereiche und -parameter, die den breiten Schutzumfang der vorliegenden Lehren darlegen, Näherungen sind, sind die in den spezifischen Beispielen dargelegten Zahlenwerte so genau wie möglich angegeben. Jeder Zahlenwert weist jedoch grundsätzlich Fehler auf, die sich notwendigerweise aus der in ihren jeweiligen Testmessungen vorgefundenen Standardabweichung ergeben. Darüber hinaus sind alle hierin offenbarten Bereiche so zu verstehen, dass sie jeden und alle darin subsumierten Unterbereiche aufweisen.
Es wird darauf hingewiesen, dass die wie in dieser Spezifikation und den angefügten Ansprüchen verwendeten Singularformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“ Pluralformen beinhalten, insofern nicht ausdrücklich und unmissverständlich auf eine Form beschränkt. Wenn hierin verwendet, sollen die Begriffe „aufweisen“ und seine grammatikalischen Varianten nicht einschränkend sein, sodass Aufführen von Einträgen in einer Liste nicht zum Ausschluss anderer ähnlicher Einträge führt, die die aufgelisteten Einträge ersetzen oder zu ihnen hinzugefügt werden können.

Claims

Verstärkungselement für ein Fahrzeug, wobei das Verstärkungselement einen zwölfeckigen Querschnitt aufweist, der Seiten und Ecken aufweist, wobei die Seiten acht gerade Seiten und vier gebogene Seiten aufweisen, wobei eine Länge von jeder geraden Seite im Wesentlichen die gleiche ist, ein Radius einer Biegung von jeder gebogenen Seite im Wesentlichen der gleiche ist und ein Verhältnis von der Länge der geraden Seite zu dem Biegungsradius von etwa 0,9 bis etwa 1,6 reicht.
Verstärkungselement nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis von der Länge der geraden Seite zu dem Biegungsradius von etwa 1,30 bis etwa 1,35 reicht.
Verstärkungselement nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis von der Länge der geraden Seite zu dem Biegungsradius etwa 1,33 ist.
Verstärkungselement nach Anspruch 1, wobei die gebogenen Seiten halbkreisförmig sind.
Verstärkungselement nach Anspruch 1, wobei die gebogenen Seiten halbelliptisch sind.
Verstärkungselement nach Anspruch 1, wobei die Seiten und Ecken zwölf innere Winkel erzeugen, wobei jeder innere Winkel etwa 90 Grad ist.
Verstärkungselement nach Anspruch 1, wobei eine Außenabmessung des Querschnitts im Wesentlichen quadratförmig ist.
Verstärkungselement nach Anspruch 1, wobei ein Seitenverhältnis des Querschnitts etwa 1,0 ist.
Verstärkungselement nach Anspruch 1, wobei der Radius der Biegung von etwa 3 mm bis etwa 400 mm reicht.
Verstärkungselement nach Anspruch 1, wobei sich mindestens eine Seite entlang einer Longitudinallänge des Verstärkungselements verjüngt.
Fahrzeug, aufweisend: ein Verstärkungselement, das einen zwölfeckigen Querschnitt aufweist, der Seiten und Ecken aufweist, wobei die Seiten acht gerade Seiten und vier gebogene Seiten aufweisen, wobei eine Länge von jeder geraden Seite im Wesentlichen die gleiche ist und ein Radius einer Biegung von jeder gebogenen Seite im Wesentlichen der gleiche ist; wobei die Länge von jeder geraden Seite von etwa 10 mm bis etwa 200 mm reicht und der Radius der Biegung von jeder gebogenen Seite von etwa 3 mm bis etwa 400 mm reicht.
Fahrzeug nach Anspruch 11, wobei das Verhältnis von der Länge der geraden Seite zu dem Biegungsradius von etwa 0,9 bis etwa 1,6 reicht.
Fahrzeug nach Anspruch 12, wobei das Verhältnis von der Länge der geraden Seite zu dem Radius der gebogenen Seite von etwa 1,30 bis etwa 1,35 reicht.
Fahrzeug nach Anspruch 13, wobei die Seiten und Ecken zwölf innere Winkel erzeugen, wobei jeder innere Winkel etwa 90 Grad ist.
Fahrzeug nach Anspruch 14, wobei eine Außenabmessung des Querschnitts im Wesentlichen quadratförmig ist.