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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum
Aufnehmen von Zusammenstoßenergie für ein Fahrzeug,
vorzugsweise einen Personenkraftwagen, gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
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Hersteller und Behörden in verschiedenen Ländern haben
große Anstrengungen unternommen, um die Sicherheit für
Fahrzeuginsassen im Falle von Zusammenstößen zu erhöhen.
Beispiele dafür sind Maßnahmen wie die Einführung von
Sicherheitsgurten und Aufprallkissen.
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Mehrere standardisierte Zusammenstoßtests sind auch zum
Bestimmen der "Sicherheit beim Zusammenstoß" eines Fahrzeugs
verwendbar. Diese Tests sind jedoch nicht ganz
zufriedenstellend, weil sie im allgemeinen einen Zusammenstoßtyp
repräsentieren, der im wirklichen Leben nicht sehr häufig ist,
nämlich einen geraden zentralen Zusammenstoß mit einem
unbeweglichen feststehenden Hindernis. Die übliche Art eines
Zusammenstoßes im wirklichen Leben ist jedoch der, der
zwischen zwei Fahrzeugen stattfindet, die "versetzt" und/oder
unter einem Winkel zueinander zusammenstoßen.
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Die Sicherheit beim Zusammenstoß ist seit jeher ein sehr
wichtiger Faktor, der von den ersten Anfängen an beim
Entwickeln einer neuen Konstruktion für ein Fahrzeug
berücksichtigt werden muß. Gegenwartig sind Automobile beinahe
ohne Ausnahme mit einer vorderen Verformungszone
konstruiert, die dazu gedacht ist, die kinetische Energie, die das
Fahrzeug zum Zeitpunkt eines Zusammenstoßes hat, in
Verformungsenergie umzuwandeln, so daß so wenig Energie wie
möglich in den Fahrgastraum übertragen wird.
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Die Tatsache, daß heutige Zusammenstoßtests den
häufigsten Unfällen im wirklichen Leben nicht entsprechen, ist
einer der Gründe, warum bisher einem wichtigen gefährlichen
Umstand nicht ausreichend Rechnung getragen wurde, nämlich
dem Ereignistyp, bei dem die Räder des Fahrzeugs den
Fahrgastraum beschädigen oder zerstören. Der größte Betrag an
kinetischer Energie in einem sich bewegenden Fahrzeug ist in
seinen Rädern gespeichert. Diese gespeicherte Energie bildet
eine mögliche Schadensquelle. Falls beispielsweise Bauteile
des Fahrzeugs, die während eines Zusammenstoßes verschoben
werden, einem Vorderrad eine Bewegung derart erteilen, daß
es auf einen Türschwellenkasten trifft, kann dies zum
Zusammenbruch der gesamten Trägerstruktur führen, die den
Fahrgastraum umgibt, was für die Fahrzeuginsassen
verhängnisvolle Konsequenzen hat.
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Ein Beispiel einer bekannten Frontstruktur, die im Falle
von Zusammenstößen eine befriedigende Sicherheit zu bieten
schien, ist in SE-B-465668 beschrieben. Bei dieser
Konstruktion wird, wenn ein Zusammenstoß stattfindet, das vordere
Teilstück der Frontstruktur zuerst verformt, gefolgt von
einer Aufteilung der Kräfte in mehrere Richtungen, die auf
den steifen Karosseriekäfig übertragen werden, der den
Fahrgastraum bildet. Die bekannte Konstruktion enthält für jede
Hälfte des Fahrzeugs einen im wesentlichen waagerechten
Träger, der Kräfte überträgt und Verformungsenergie aufnimmt
und welcher während einer Anfangsphase eines
Zusammenstoßvorgangs so eingerichtet ist, daß er Falten bildend in
seinem vorderen Abschnitt knickt. Dieser Träger ist in einer
Kräfte aufteilenden Weise über einen verbindenden Abschnitt
durch zwei schräg angeordnete Streben mit einem
überlagernden Träger und einem Hilfsrahmen verbunden, um so eine
Aufteilung der Kraftübertragung auf den Rahmen in drei
Richtungen herbeizuführen. Dieses Prinzip eines Aufteilens der
Zusammenstoßkräfte schien in der Praxis sehr vorteilhaft;
jedoch ist es trotzdem möglich, den Schutz in bezug auf ein
Verhindern der Übertragung von Energie der Fahrzeugräder auf
den Fahrgastraum zu verbessern.
AUFGABEN DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung
zum Aufnehmen von Zusammenstoßenergie in Fahrzeugen zu
schaffen, die einen wesentlich verbesserten Schutz gegen
eine durch die Vorderräder des Fahrzeugs verursachte Gefahr
im Fahrgastraum zur Folge hat. Die Konstruktion, durch die
dies erreicht wird, muß auch unter günstigen Kosten einfach
herzustellen sein, während gleichzeitig die Struktur ein
relativ geringes Gewicht aufweisen muß. Außerdem muß die
Konstruktion nach dem Auftreten begrenzter Verformungen
relativ einfach zu reparieren sein. In einer Anordnung der
im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art werden
diese Aufgaben durch die Anordnung gelöst, die wie im
kennzeichnenden Teil dieses Anspruchs angegeben ausgeführt ist.
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Die Tatsache, daß die kraftübertragende Vorrichtung im
wesentlichen die gleiche Breite wie das Fahrzeugrad hat und
dieses zumindest beinahe abdeckt, bedeutet, daß das Rad
hinter dieser Vorrichtung geschützt ist, um so während eines
Zusammenstoßes wirksam zu verhindern, daß dem Rad eine
Bewegung erteilt wird, die bewirken würde, daß das Rad auf
den Fahrgastraum trifft.
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Dieser Schutz ist besonders wirksam bei "versetzten" und
schrägen Zusammenstößen, bei denen die Kräfte, die während
des Verformungsprozesses auftreten, längsseits des Rades zum
mit dem Rahmen verbundenen ersten Endabschnitt geleitet
werden.
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Der zweite Endabschnitt hat, wie im Anspruch 3 angegeben
ist, vorteilhafterweise einen im wesentlichen rechteckigen
Querschnitt, wobei die Breite größer als die Höhe ist.
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Die Erfindung wird vorzugsweise, wie im Anspruch 7
angegeben ist, in einer Frontstruktur mit einer Aufteilung von
Kräften in drei Richtungen verwendet, bei der, wie im
Anspruch 9 angegeben ist, eine schräg nach oben und hinten
ausgerichtete Strebe einen Teil der aufgeteilten Kräfte über
den Radkasten zum Rahmen leitet und eine schräg nach unten
und hinten ausgerichtete Strebe einen Teil der Kräfte vom
Radkasten weg in den Rahmen ableitet.
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Eine solche Anordnung hat zur Folge, daß das Rad hinter
einem Bereich gut geschützt ist, der zum Rad gerichtete
Kräfte von ihm weg ableitet.
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Gemäß Anspruch 10 ist der zweite Endabschnitt
vorteilhafterweise als Verformungszone mit Kerben konstruiert, so
daß er Falten bildend knickt und dadurch während der
Anfangsphase eines Zusammenstoßvorgangs Zusammenstoßenergie
aufnimmt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Eine Ausführungsform der Erfindung ist unten mit Verweis
auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
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Fig. 1 schematisch in Perspektive die rechte Hälfte
einer Frontstruktur gemäß der Erfindung zeigt, in der die
Struktur für eine Festigkeitsberechnung in finite Elemente
eingeteilt ist,
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Fig. 2 einen Querschnitt durch den langgestreckten
zweiten Endabschnitt der kraftaufnehmenden Vorrichtung
zeigt, wobei der Radkasten und das Rad des Fahrzeugs durch
gestrichelte Linien dargestellt sind,
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Fig. 3 in einem größeren Maßstab in Perspektive eine
aufgeschnittene Ansicht des Übergangsbereichs zum Radkasten
des Fahrzeugs zeigt.
Beschreibung von Ausführungsformen
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Fig. 1 zeigt ein Teilstück der rechten Seite einer in
der Mittelebene aufgeschnittenen Frontstruktur 1 eines
Personenkraftwagens gemäß der Erfindung. Die eingezeichneten
dicken Pfeile stellen eine computerberechnete Aufteilung der
mittleren Kraft während der ersten 30 ms eines
Zusammenstoßvorgangs dar. Die Frontstruktur auf der linken Seite des
Fahrzeugs ist im Prinzip von gleicher Konstruktion wie auf
der rechten Seite, und jegliche Abweichungen von einer
vollkommenen Symmetrie, die auftreten können, sind notwendigen
Anpassungen an die Konstruktion des Motors und Getriebes
zuzuschreiben. Weil die linke Seite im Prinzip von gleicher
Konstruktion wie die rechte ist, findet die unten gegebene
Beschreibung der rechten Seite ebenso auf die linke Seite
Anwendung. Daher wird im folgenden die linke Seite nicht
weiter erwähnt.
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Die Erfindung wird hier auf eine Frontstruktur mit einer
Aufteilung der Kraft in drei Richtungen angewandt, die auf
einen Karosserierahmen übertragen wird, der den Fahrgastraum
des Fahrzeugs umgibt. Aus Gründen der Klarheit ist der
vordere Abschnitt (der Stoßdämpfer und seine
Befestigungselemente) der Struktur weggelassen.
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Die kraftaufnehmende Struktur ist folgendermaßen
konstruiert: Auf jeder Seite einer senkrechten Mittellängsebene
des Fahrzeugs erstreckt sich der zugehörigen Seite des
Fahrzeugs benachbart eine erste kraftübertragende Vorrichtung,
die im wesentlichen waagerecht in Längsrichtung des
Fahrzeugs ausgerichtet ist und im folgenden der Seitenträger 2
genannt wird. Die Konstruktion und Ausrichtung des
Seitenträgers 2 sind unten ausführlicher beschrieben.
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Im unteren Teil eines Motorraums ist ein Hilfsrahmen 8
angeordnet, um die Antriebseinheit des Fahrzeugs zu tragen,
die nicht weiter beschrieben wird. Der Hilfsrahmen 8 besteht
aus einem Paar Hilfsrahmenträger 10, die auf je einer Seite
der Mittelebene des Fahrzeugs angeordnet sind. Die beiden
Hilfsrahmenträger 10 sind mit einem vorderen Querträger 12
und einem hinteren Querträger 14 verbunden. Das hintere Ende
des jeweiligen Hilfsrahmenträgers 10 ist in lasttragenden
Elementen des Windlaufs 16 befestigt, die einen Teil des den
Fahrgastraum des Fahrzeugs tragenden Rahmens bilden. Eine
dritte kraftübertragende Vorrichtung, die nach unten
gerichtet ist und im folgenden die Strebe 18 genannt wird, ist mit
einem verbindenden Abschnitt 2d des Seitenträgers 2
verbunden und führt einen Teil der im Seitenträger 2 während eines
Zusammenstoßvorgangs erzeugten Kraft in den
Hilfsrahmenträger 10 hinab, welche Kraft dann hinauf zu lasttragenden
Elementen der Stirnwand 16 und dadurch zu anderen Elementen des
Rahmens geführt wird. Die Strebe 18 kann natürlich, statt
wie in dieser Ausführungsform indirekt, direkt mit dem
Rahmen verbunden sein.
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Eine zweite kraftübertragende Vorrichtung, die nach
hinten und oben gerichtet ist und im folgenden die Strebe 20
genannt wird, ist an einem Ende unmittelbar vor einem
Radkasten 24, der ein Fahrzeugrad 25 teilweise umgibt, mit dem
Seitenträger 2 steif verbunden. Vor dem Radkasten 24
verläuft die Strebe 20 hoch zu einem oberen verbindenden Träger
26, der oberhalb des Seitenträgers 2 angeordnet ist und
welcher seinerseits starr mit einem Träger 28 der
Windschutzscheibe verbunden ist, der ebenfalls einen Teil des
Rahmens bildet. Ein anderer Teil der Kraft, die im
Seitenträger 2 auftritt, wird somit über die nach hinten
gerichtete
Strebe 20 in den Rahmen geführt. Die Strebe 20 kann
natürlich wie im Fall der Strebe 18, statt indirekt wie in
dieser Ausführungsform, direkt mit dem Rahmen verbunden
sein.
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Der Rest der Kraft wird schließlich über den
Seitenträger 2 übertragen, dessen hinterer Endabschnitt 2a mit einem
der nicht dargestellten Bodenträger des Fahrzeugs verbunden
ist.
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Der Seitenträger 2, der vorzugsweise, nicht aber
notwendigerweise, auf der gleichen Ebene wie die Radmitte
angeordnet ist, weist einen vorderen Endabschnitt 2b auf. Dieses
Teilstück ist in herkömmlicher Weise mit Kerben 4 (Falten)
versehen, so daß es während der Anfangsphasen eines
Zusammenstoßvorgangs in kontrollierter Weise Falten bildend mit
einer maximal möglichen Aufnahme einer Verformung knickt.
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Der vordere Endabschnitt 2b des Seitenträgers 2
erstreckt sich in Achsrichtung dem Kotflügel des Fahrzeugs
benachbart und hat zwischen dem vorderen Ende des Fahrzeugs
und dem Radkasten 24 im wesentlichen die gleiche Breite,
wodurch dieser Abschnitt 2b, wie in Projektion von oben
ersichtlich ist, zumindest beinahe die gesamte Breite des
Fahrzeugrades abdeckt (siehe Fig. 2 für einen Radkasten und
ein Rad, dargestellt durch gestrichelte Linien). In einer
Ausführungsform deckt der vordere Endabschnitt 2b zumindest
die halbe Radbreite ab. Der vordere Endabschnitt 2b ist an
der Vorderseite in herkömmlicher Weise mit einem (nicht
dargestellten) Stoßdämpferelement verbunden, das
vorteilhafterweise die Form eines quer verlaufenden
Stoßdämpferträgers einnimmt, der sich in einer Querrichtung zwischen
den auf jeder Seite angeordneten Seitenträgern 2b erstreckt.
Diesem breiten Verformungsabschnitt 2b folgt ein
verbindender Abschnitt 2d, der wesentlich steifer als der
Verformungsabschnitt 2b ist. Die Streben 18 und 20 sind mit
diesem verbindenden Abschnitt 2d verbunden. Der Zweck dieser
Anordnung besteht darin, daß während eines
Zusammenstoßvorgangs der vordere Abschnitt 2b gegenüber dem steiferen
verbindenden Abschnitt 2d eine maximale Verformung durchmachen
sollte, bevor nachfolgende Elemente der Frontstruktur
verformt werden. Dem verbindenden Abschnitt 2d folgt der
Zwischenabschnitt
2c des Seitenträgers 2, der sich entlang dem
Radkasten 24 und einer mit diesem zusammengebauten
Federeinheitsabdeckung 30 erstreckt. Dieser Abschnitt ist steifer
als der vordere Endabschnitt 2b, um Zusammenstoßkräfte
aufzunehmen, aber merklich schwächer als der verbindende
Abschnitt 2d, und er ist in der Querrichtung des Fahrzeugs
auch erheblich schmäler als der vordere Endabschnitt 2b. Der
Seitenträger 2 ist über einen stärkeren hinteren
Endabschnitt 2a, der steifer als der Zwischenabschnitt 2c ist,
mit einem der Bodenträger des Fahrzeugs verbunden.
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Im Fall eines Zusammenstoßes wird zuerst der vordere
Endabschnitt 2b verformt, indem er Falten bildend unter
beträchtlicher Aufnahme von Verformungsenergie knickt. Danach
wird im verbindenden Abschnitt 2d die Kraft im Seitenträger
2 auf die Streben 18, 20 und auf den Zwischenabschnitt 2c
des Seitenträgers aufgeteilt. Somit wird die Kraft unter
steiferen Elementen aufgeteilt, die eine Art "Käfig" um das
Rad bilden, um so zu verhindern, daß das Rad von Elementen,
die seine Verschiebung zum angrenzenden Karosserierahmen
bewirken können, getroffen wird.
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Für eine optimale Kraftverteilung und Kraftleitung ist
zumindest eine Längskante 5 des Seitenträgers 2 im
wesentlichen gerade, was nicht zuletzt im schwächeren Abschnitt 2b
wichtig ist. Das Ergebnis ist eine beabsichtigte, im
wesentlichen axiale Verformung in diesem Teilstück mit einem
optimalen Kraftmuster.
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Der in Fig. 2 gezeigte Querschnitt durch den vorderen
Endabschnitt 2b des Seitenträgers 2 zeigt, daß die
Verformungszone 2b die Form eines rechteckigen Hohlprofils
einnimmt, dessen Breite erheblich größer als die Höhe ist. Dies
steht in scharfem Gegensatz zur herkömmlichen Konstruktion
von Verformungsträgern, bei denen die Höhe gewöhnlich größer
als die Breite ist. Um die Eigenschaften einer
Verformungsaufnahme der Frontstruktur weiter zu verbessern, ist das
Hohlprofil mit einer Zwischenwand 6 versehen, die sich im
wesentlichen in einer senkrechten Ebene in der Längsrichtung
des Fahrzeugs erstreckt und den Radkasten 24 vorzugsweise
unter einem rechten oder stumpfen Winkel trifft, wie in Fig.
3 dargestellt ist. Die Zwischenwand 6, die sich im vorderen
Endabschnitt 2b zum Radkasten erstreckt, mit dem sie
verbunden ist, versteift den Verformungsabschnitt 2b in der
Querrichtung, um so jeglicher, nicht in Achsrichtung erfolgender
Verformung entgegenzuwirken. Die zweite und dritte
kraftübertragende Vorrichtung 20 bzw. 18 sind auf jeder Seite der
Zwischenwand 6 verbunden und im wesentlichen mittig
zueinander angeordnet. Es ist vorteilhaft, nicht aber notwendig,
daß die Zwischenwand 6 die gleiche Dicke wie das Material
des Endabschnitts 2b hat, und es ist vorteilhaft, nicht aber
notwendig, daß sie mittig im Seitenträger 2 angeordnet sind.
Die Tatsache, daß die Verformungszone so breit gemacht
und so nahe an der Seite des Fahrzeugs angeordnet ist, um
zumindest beinahe die Breite des Fahrzeugrades abzudecken,
hat im Vergleich zu früheren Frontstrukturen die folgenden
Vorteile zur Folge:
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"Versetzte" und schräge Zusammenstöße werden in einer
erheblich vorteilhafteren Weise als zuvor behandelt. Das
Problem, daß bei solchen Zusammenstößen das Fahrzeugrad eine
ernsthafte Beschädigung am Karosserierahmen verursachen
kann, ist nun dadurch gelöst, daß das Rad durch die
Frontstruktur geschützt ist. Trotz dieser wesentlichen
Verbesserungen in den Zusammenstoßeigenschaften gibt es keine
Notwendigkeit für eine nennenswerte Gewichtzunahme bezüglich
vergleichbarer Front strukturen. Festigkeitsberechnungen
zeigen eine erheblich bessere Energieaufnahme bei gleichem
Gewicht als Frontstrukturen gemäß dem Stand der Technik.
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Für die Frontstruktur gemäß der Erfindung sind
umfangreiche Berechnungen durchgeführt worden. Es ergeben
sich sehr gute Zusammenstoßeigenschaften in allen
Belastungsfällen, besonders im Hinblick auf schräge oder
versetzte Zusammenstöße, und man hat festgestellt, daß eine um
65% bessere Energieaufnahme während der ersten 25 ms als in
einer Karosserie mit herkömmlicher Frontstruktur
stattfindet. Die guten Ergebnisse sind den folgenden Prinzipien
zuzuschreiben:
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- Eine breite Zone nimmt versetzte Stöße auf.
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- Eine entlang der Seite des Fahrzeugs angeordnete,
einen Zusammenstoß aufnehmende Zone hat zur
Folge, daß das Rad geschützt ist.
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Die Erfindung kann natürlich auf verschiedene Arten
abgewandelt werden. So kann sie auch auf andere
Frontstrukturen als diejenigen angewendet werden, bei denen eine
Aufteilung einer Kraft in drei Richtungen stattfindet. Das
wichtigste Prinzip besteht darin, daß das Fahrzeug hinter
einer kraftübertragenden Vorrichtung mit einem breiteren
Abschnitt geschützt ist, der im wesentlichen die Breite des
Fahrzeugrades abdeckt, und wodurch die Kraft längsseits des
Radkastens in einem schmalen Zwischenabschnitt abgeleitet
wird, bevor sie in den Fahrzeugrahmen geführt wird.