DE69931422T2

DE69931422T2 - Aufprallträger für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE69931422T2
Application number: DE69931422T
Authority: DE
Inventors: Richard S. Crete Cline; Jack M. Homewood Shapiro
Original assignee: Inland Steel Co
Current assignee: Inland Steel Co
Priority date: 1998-04-21
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2019-04-01
Also published as: KR19990083007A; CA2269439A1; EP0952020B1; CA2269439C; EP0952020A3; JPH11321318A; US6020039A; EP0952020A2; ATE327117T1; DE69931422D1; KR100598231B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein neuartiges und verbessertes, festigendes oder versteifendes Teil aus einem Stahl mit hoher Festigkeit, welches insbesondere dazu angepaßt ist, um eine metallische Tafel oder Platte zu verfestigen oder zu verstärken. Mehr im einzelnen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen neuartigen und verbesserten Träger zum Verstärken einer Tür eines Kraftfahrzeugs.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In der Kraftfahrzeugindustrie ist es heutzutage notwendig, mit regierungsseitigen Gesetzgebungen konform zu gehen, die bestimmte minimale Festigkeitsanforderungen für die seitlichen Türen von Fahrzeugen festlegen. Der Zweck von solchen Gesetzen besteht darin, das Sicherheitsrisiko zu minimieren, das durch ein Eindringen in den Fahrgastraum bei einem Unfall mit Aufprall von der Seite auftreten kann.
Verschiedene Typen von verstärkenden Türträgern sind bereits vorgeschlagen worden, um diesen Anforderungen zu entsprechen, bspw. rohrförmige Stahlträger, Stanzteile aus Stahlblech, und durch Walzen geformte Stahlabschnitte mit hoher Festigkeit und von unterschiedlichen Formen. Ingenieure, die für die Auslegung von verstärkenden Türträgern verantwortlich sind, haben mit einer Anzahl von Anforderungen zu kämpfen, die häufig in Konflikt miteinander stehen. Als Beispiel ist es zweckmäßig, die Leistungsfähigkeit von verstärkenden Türträgern dadurch zu maximieren, daß Träger so ausgelegt werden, daß sie große Lasten absorbieren, und zwar hauptsächlich Biegebelastungen, daß sie sich stark durchbiegen, bevor sie versagen, und daß sie soviel Energie wie möglich während der Absorption von Stoßbelastungen absorbieren. Zur gleichen Zeit ist es ebenfalls zweckmäßig, das Gewicht und die Größe von verstärkenden Türträgern zu minimieren. In Bezug auf die Größe macht es die Anordnung eines die Tür verstärkenden Trägers innerhalb einer Türanordnung eines Kraftfahrzeugs wesentlich für den die Tür verstärkenden Träger, daß er eine relativ kleine Querschnittsgeometrie aufweist, um ein störendes Zusammenwirken mit anderen Strukturen und/oder Mechanismen innerhalb der Tür zu verhindern, wie etwa mit denen, die zur Betätigung eines Fensters verwendet werden, das der Tür zugeordnet ist. Solche Betrachtungen im Hinblick auf Gewicht und Größe können es schwierig machen, die gewünschte Leistungsfähigkeit eines verstärkenden Türträgers für die Belastungskapazität, die Durchbiegung bzw. Auslenkung vor einem Versagen, und die Absorption von Stoßenergie bzw. Aufprallenergie zu erzielen.
Früher vorgeschlagene Türträger haben das gewünschte Maß an hoher Festigkeit bereitgestellt, waren allerdings mit anderen Nachteilen behaftet. Als Beispiel weist martensitischer Stahl eine begrenzte Duktilität auf, so daß auf diese Weise gewisse Beschränkungen im Hinblick auf die zulässigen Querschnittskonfigurationen bestehen, die durch eine Walzverformung erzielt werden können. In Übereinstimmung damit waren bei beiden früheren Konstruktionen für Türverstärkungsteile, die aus martensitischem Stahl mit hoher Festigkeit aufgebaut waren, in typischer Weise Querschnittsgeometrien vorhanden, wie etwa eine hutförmige Querschnittsgeometrie, die beim Biegen ausbeulte oder sich aufspreizte, so daß auf diese Weise die Effektivität bezüglich der Masse beim Bereitstellen eines Seitenaufprallschutzes reduziert wurde.
Aus der WO 83/02575 ist ein Schutzträger und ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt. Der Träger wird aus einem Stahlblech hergestellt und weist einen schmalen Flansch, einen breiten Flansch und zwei Profilstege auf. Der schmale Flansch weist vorstehende Ecken auf, die abgerundet sind, so daß der Flansch ein ebenes Segment und zwei vorstehende Segmente an den Enden davon erhält.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist auf einen verbesserten, durch Walzen hergestellten, aus Stahl mit ultrahoher Festigkeit bestehenden Träger gerichtet, der eine geschlossene Querschnittsgeometrie aufweist, wie er durch die Merkmale des Anspruchs 1 festgelegt ist.
Dies wird dadurch erreicht, daß die Geometrie mit geschlossenem Querschnitt durch Induktionsschweißen von gegenüberliegenden Rändern des durch Walzen hergestellten Trägers miteinander hergestellt wird. Die Bezeichnung „Stahl mit ultrahoher Festigkeit", so wie sie vorliegend verwendet wird, bedeutet Stahl, der eine Streckgrenze von 80 KSI (552 Mpa) oder mehr aufweist.
Weitere Merkmale und Vorteile sind inhärent in der beanspruchten und offenbarten Vorrichtung oder werden für einen Fachmann auf dem vorliegenden Gebiet offensichtlich werden, ausgehend von der folgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird im einzelnen nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine seitliche Ansicht eines Kraftfahrzeugs zeigt, in der ein Verstärkungsteil in einer seitlichen Tür des Fahrzeugs dargestellt ist, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Querschnittsansicht ist, im wesentlichen entlang der Linie 2-2 in 1;
3 eine schematische Darstellung des Verstärkungsteils zeigt, wenn es einem in üblicher Weise eingesetzten Biegekrafttest unterworfen wird;
4 eine Querschnittsansicht eines Verstärkungsteils nach dem Stand der Technik zeigt;
4A eine Querschnittsansicht zeigt, ähnlich die nach 4, in der ein Verstärkungsteil aus dem Stand der Technik dargestellt ist;
5 eine Querschnittsansicht zeigt, ähnlich der nach 4, in der ein weiteres Verstärkungsteil aus dem Stand der Technik dargestellt ist; und
6 eine Querschnittsansicht zeigt, ähnlich der nach 4, in der eine Ausführungsform des Verstärkungsteils dargestellt ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf 1 und 2 ist ein Kraftfahrzeug 10 dargestellt, welches eine seitliche Tür 11 aufweist, die aus mit einem gegenseitigen Abstand angeordneten inneren und äußeren Wandabschnitten 12 und 13 gebildet ist. Ein länglicher Verstärkungsträger 14 ist in Querrichtung innerhalb der Tür positioniert und ist benachbart zu der inneren Oberfläche der äußeren Wand 13 mit Hilfe von geeigneten endseitigen Trägern befestigt, die schematisch mit 16 und 17 dargestellt sind, und die die Last an die Gelenk- und Verriegelungsabschnitte der Türstruktur übertragen. In typischer Weise ist ein Spalt von etwa 0,20 Zoll (etwa 5,0 mm) zwischen der inneren Oberfläche der äußeren Wand 13 und dem Verstärkungsträger 14 vorgesehen, wobei nicht dargestellte „Gummitropfen" aus weichem Gummi innerhalb des Spalts angeordnet sind, so daß die äußere Wand 13 durch relativ geringe Belastungen nicht verformt, d.h. mit Knicken versehen wird, die auf die äußere Wand 13 einwirken, wie bspw. dann, wenn sich eine Person lediglich gegen die äußere Wand 13 lehnt. Wie in 1 dargestellt ist, erstreckt sich der Verstärkungsträger 14 im wesentlichen in horizontaler Richtung über die Breite der seitlichen Tür 11 auf ungefähr der Hüfthöhe eines Insassen, der in dem Fahrzeug sitzt. Allerdings können andere Orientierungen des Verstärkungsträgers 14 innerhalb der seitlichen Tür 11 ebenfalls verwendet werden.
Obwohl die Erfindung nicht auf eine spezielle Querschnittskonfiguration beschränkt ist, kann die bevorzugte Konfiguration als im wesentlichen trapezförmig gestaltet beschrieben werden. Wie in 4 dargestellt ist, weist ein Beispiel für einen aus dem Stand der Technik bekannten Verstärkungsträger 14 eine Dicke t auf, die typischerweise etwa 0,05 Zoll bzw. 1,27 mm bis etwa 0,10 Zoll bzw. 2,54 mm beträgt, und weist ein Paar von abgewinkelten Stegabschnitten 22 und 24 auf, einen äußeren Flanschabschnitt 26 und einen inneren Flanschabschnitt 28. Der Verstärkungsträger 14 weist eine Gesamthöhe H auf, die typischerweise etwa 1 Zoll bzw. etwa 2,5 cm bis 1,6 Zoll bzw. 4,1 cm beträgt. Der äußere Flanschabschnitt 26 weist eine Breite W₁ auf, die typischerweise etwa 0,6 Zoll bzw. etwa 1,5 cm bis etwa 1,2 Zoll bzw. etwa 3,1 cm beträgt, und ist wesentlich kürzer als der innere Flanschabschnitt 28, der eine Breite W₂ aufweist, die typischerweise etwa 1 Zoll bzw. etwa 2,5 cm bis etwa 1,6 Zoll bzw. etwa 4,1 cm beträgt. Der innere Flanschabschnitt 28 ist durch Verschweißen von gegenüberliegenden Rändern 30 und 32 des Verstärkungsträgers 14 miteinander an einer Schweißnaht 34 nach dem Herstellen durch Walzen ausgebildet. In bevorzugter Weise handelt es sich bei der Schweißnaht 34 um eine Induktionsschweißnaht, die sich im wesentlichen ohne Unterbrechung entlang im wesentlichen der gesamten Länge des Verstärkungsträgers 14 erstreckt.
Die hauptsächlichen gesetzlichen Anforderungen bezüglich der Festigkeit für die seitlichen Türen von Motorfahrzeugen sind im Federal Motor Vehicle Safety Standard No. 214 (Bundesstandard für die Sicherheit von Motorfahrzeugen Nr. 214) festgelegt, der ein bestimmtes minimales Widerstandsvermögen gegen Zerdrücken für das Fahrzeug spezifiziert, wenn es einem bestimmten Testverfahren unterzogen wird. 3 zeigt eine schematische Erläuterung eines Testvorgangs für einen Träger, der verwendet wird, um das Verhalten bei Seitenaufprall in Verbindung mit der Fahrzeugtür, die in 1 und 2 dargestellt ist, einzuschätzen. Wie vorstehend erwähnt ist, ist der Verstärkungsträger 14 innerhalb der Tür 11 angebracht, so daß sich der äußere Flanschabschnitt 26 des Verstärkungsträgers 14 benachbart zu der inneren Oberfläche der äußeren Wand 23 befindet und auf diese Weise die anfängliche auslenkende Kraft eines simulierten Aufpralls erhält. Bei dem Testverfahren wird eine Belastungsvorrichtung oder Stoßvorrichtung verwendet, die aus einem starren Zylinder 36 mit bestimmten Abmessungen besteht, um eine Last auf die äußere Oberfläche einer Türwand 13 in einer nach innen gerichteten Richtung aufzubringen, wie durch den großen Pfeil angedeutet ist, mit einer bestimmten Bewegungsgeschwindigkeit. Während des Tests werden die aufgebrachte Last und die Verlagerung entweder kontinuierlich oder schrittweise aufgezeichnet, und ausgehend von diesen Daten wird das anfängliche und mittlere Widerstandsvermögen sowie der Spitzenwert des Widerstandsvermögens gegen Zerdrücken bestimmt. Wie aus 3 ersichtlich ist, bringt das Biegen des Verstärkungsträgers 14 während des Tests eine kompressive Belastung auf den äußeren Flanschabschnitt 26 auf, eine Zugbelastung auf den inneren Flanschabschnitt 28 und in erster Linie eine Scherkraft auf die abgewinkelten Stegabschnitt 22 und 24.
Als ein Beispiel wurde ein Verstärkungsträger 14, der aus einem Stahl mit hoher Festigkeit der Qualität AISI 190 SK hergestellt worden war, auf Biegung getestet, wobei herausgefunden wurde, daß er die folgenden Eigenschaften für eine Spannweite von 40 Zoll und mit einer Dicke t von etwa 0,068 Zoll bzw. etwa 1,73 mm, W₁ von etwa 0,85 Zoll bzw. etwa 2,16 cm, W₂ von etwa 1,29 Zoll bzw. etwa 3,28 cm und H von etwa 1,36 Zoll bzw. etwa 3,45 cm aufweist:
Gewicht je Einheitslänge = 0,98 Pfund/Fuß (1,46 Kg/m)
Spitzenbelastung = 2714 Pfund (12,072N)
Auslenkung vor Lastabfall = 4,5 Zoll (11,43 cm)
Energie bei 6° Auslenkung = 11687 Zoll-Pfund (1320 N-m)
Energie bei 7° Auslenkung = 13301 Zoll-Pfund (1503 N-m)
Zum Vergleich wurde herausgefunden, daß ein Verstärkungsträger aus dem Stand der Technik, der aus dem gleichen Typ und mit der gleichen Dicke von Stahl hergestellt wurde, allerdings eine hutförmige Querschnittsgeometrie aufwies, wie in 4A dargestellt ist, mit einer oberen Breite W₁ von etwa 1,40 Zoll bzw. etwa 3,56 cm, einer gesamten Breite W₂ von etwa 2,65 Zoll bzw. etwa 6,73 cm und einer Höhe H' von etwa 1,34 Zoll bzw. etwa 3,40 cm die folgenden Eigenschaften für eine Spannweite von 40 Zoll bzw. 101,6 cm aufweist:
Gewicht je Einheitslänge = 1,06 Pfund/Fuß (1,58 Kg/m)
Spitzenbelastung = 2727 Pfund (12130 N)
Auslenkung vor Lastabfall = 2,75 Zoll (7,00 cm)
Energie bei 6° Auslenkung = 10305 Zoll-Pfund (1164 N-m)
Energie bei 7° Auslenkung = 11411 Zoll-Pfund (1289 N-m)
5 erläutert einen Verstärkungsträger 114 nach dem Stand der Technik, der im wesentlichen identisch mit dem Verstärkungsträger 14 nach 1 bis 4 ist. Allerdings weist der Verstärkungsträger 114 eine zusätzliche Verstärkung 140 aus Stahl mit ultrahoher Festigkeit auf, die eine Länge von etwa 6 Zoll bzw. etwa 15,24 cm bis etwa 12 Zoll bzw. etwa 30,48 cm aufweist und sich über zumindest den mittleren Teil von dessen Spannweite erstreckt. Die Verstärkung 140 weist in bevorzugter Weise eine Dicke von nicht mehr als etwa der halben Dicke t des Verstärkungsträgers 114 auf, also bspw. nicht mehr als 0,034 Zoll bzw. etwa 0,86 mm für einen Verstärkungsträger 114, der eine Dicke t von etwa 0,068 Zoll bzw. etwa 1,73 mm aufweist, und ist an der inneren Oberfläche eines äußeren Flanschabschnitts 126 des Verstärkungsträgers 114 durch jegliches geeignete Mittel befestigt, wie etwa bspw. durch Federwirkung gegen die innere Oberfläche des Verstärkungsträgers 114. Die Verstärkung 140 verleiht dem Verstärkungsträger 114 eine zusätzliche Kapazität zum Absorbieren eines Stoßes, im Vergleich zu dem Verstärkungsträger 14, dadurch daß der Beginn des Beulens des äußeren Flanschabschnitts 126 verzögert wird, wenn er einer Stoßbelastung unterworfen wird.
6 erläutert eine Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Verstärkungsträger 214 ähnlich wie der Verstärkungsträger 14 nach 1 bis 4 konfiguriert und bemessen ist. Allerdings weist der Verstärkungsträger 214 einen abgerundeten äußeren Flanschabschnitt 226 auf, anstelle des im wesentlichen ebenen äußeren Flanschabschnitts 26 des Verstärkungsträgers 14. Der abgerundete äußere Flanschabschnitt 226 weist in bevorzugter Weise einen inneren Krümmungsradius R1 von etwa 0,30 Zoll bzw. etwa 0,76 cm bis etwa 0,6 Zoll bzw. etwa 1,52 cm auf.
Es wird angenommen, daß für eine optimale Leistungsfähigkeit ein Verstärkungsträger gemäß der vorliegenden Erfindung, der einen ebenen äußeren Flanschabschnitt aufweist, eine Breite W₁ des äußeren Flanschabschnitts in der Größenordnung von etwa dem 14-fachen der Dicke t des Verstärkungsträgers oder weniger haben sollte. Der äußere Flanschabschnitt mit W₁ sollte ebenfalls gleich dem oder weniger als das 0,75-fache der Breite W₂ des inneren Flanschabschnitts betragen, um eine übermäßige Dehnung in der Spannung auf dem inneren Flanschabschnitt zu vermeiden, während der Biegung, die auftritt, wenn die Querschnittsgeometrie sich einer im wesentlichen quadratischen Form annähert.
In ähnlicher Weise nimmt man an, daß für eine optimale Leistungsfähigkeit ein Verstärkungsträger, der einen abgerundeten äußeren Flanschabschnitt gemäß der Erfindung aufweist, einen inneren Krümmungsradius R1 in der Größenordnung von etwa dem 9-fachen der Dicke t des Verstärkungsträgers oder weniger aufweisen sollte.
Die vorstehende detaillierte Beschreibung ist lediglich zum Zwecke der Klarheit des Verständnisses gegeben worden, und es sollten daraus keine unnötigen Beschränkungen abgeleitet werden, da Modifikationen für einen Fachmann auf dem vorliegenden Gebiet offensichtlich sind.
Die Merkmale, die in der vorstehenden Beschreibung, in den folgenden Ansprüchen und/oder in den begleitenden Zeichnungen offenbart sind, können sowohl getrennt als auch in einer beliebigen Kombination zur Verwirklichung der Erfindung in unterschiedlichen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims

Türaufprallträger (214) für ein Kraftfahrzeug (10), wobei der genannte Türaufprallträger (214) einen länglichen Träger aufweist, der aus Stahl mit äußerst hoher Festigkeit hergestellt ist und eine Dicke (t) und eine geschlossene Querschnittsgeometrie aufweist, die im wesentlichen trapezförmig gestaltet ist, wobei die genannte geschlossene Querschnittsgeometrie einen inneren Flanschabschnitt und einen äußeren Flanschabschnitt (226) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte äußere Flanschabschnitt (226) kontinuierlich gerundet ist und einen inneren Krümmungsradius (R1) aufweist, der im wesentlichen gleich dem oder kleiner als das Neunfache der genannten Dicke ist.
Türaufprallträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus einem einzelnen Blech aus Stahl mit äußerst hoher Festigkeit hergestellt ist, wobei die geschlossene Querschnittsgeometrie durch Verschweißen von gegenüberliegenden Rändern (230, 232) des einzelnen Blechs miteinander gebildet ist.
Türaufprallträger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die geschlossene Querschnittsgeometrie dadurch gebildet ist, daß gegenüberliegende Ränder (230, 232) des einzelnen Blechs miteinander verschweißt werden, wobei eine Induktionsschweißung (234) eingesetzt wird, die sich im wesentlichen ununterbrochen entlang im wesentlichen der gesamten Länge des Türaufprallträgers erstreckt.
Türaufprallträger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger eine zusätzliche Verstärkung (140) aufweist, die im Inneren des geschlossenen Querschnitts des Trägers angeordnet ist, wobei die genannte zusätzliche Verstärkung zumindest über dem genannten äußeren Flanschabschnitt angeordnet ist und sich über zumindest einen Teil der Länge des Trägers erstreckt.
Türaufprallträger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die zusätzliche Verstärkung über einen mittleren Abschnitt der Länge des Trägers erstreckt.