Beschreibung

Vorliegende Erfindung betrifft eine Crashstruktur aus faserverstärktem Kunststoff für ein Fahrzeug, Des Weiteren betrifft die Erfindung ein entsprechendes Fahrzeug mit der Crashstruktur.

Crashstrukturen im Fahrzeug sind Bestandteile der Karosserie, die bei einem Unfall deformiert werden, um die Aufprallenergie abzubauen. Im Vorderwagen stellen die Längsträger typische Crashstrukturen dar, die bei einem Aufprall deformiert werden. In der Regel bestehen die Crashstrukturen in Fahrzeugen aus Stahl oder Aluminium, Im Stand der Technik eingesetzte Crashstrukturen aus faserverstärktem Kunststoff sind reine Trägerstrukturen, die lediglich eine Materialsubstitution zu Stahl oder Aluminium darstellen. Die Crashstrukturen aus Stahl oder Aluminium haben den Nachteil, dass sie wesentlich schwerer bauen als faserverstärkte Kunststoffe, Die bekannten Trägerstrukturen aus faserverstärktem Kunststoff knicken bei einer Schrägbelastung Seicht aus und erfüllen dadurch keine robuste Crashfunktion. Bei der einfachen Materialsubstitution im Karosseriedesign, bedarf es bei der Verwendung von faserverstärkten Kunststoffen eines längeren Vorbaus bzw. eines längeren Vorderwagens, um ähnliche Funktionen, wie mit Stahl oder Aluminium zu erreichen.

Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, eine Crashstruktur für ein Fahrzeug sowie ein Fahrzeug mit der Crashstruktur bereitzustellen, die bei kostengünstiger Herstellung und wartungsarmem Betrieb einen crashoptimierten, leichten und robusten Aufbau ermöglichen. Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs, Die abhängigen Ansprüche haben vorteilhafte Weitergestaltungen der Erfindung zum Gegenstand.

Somit wird die Aufgabe gelöst durch eine Crashstruktur für ein Fahrzeug, umfassend zumindest zwei Träger aus faserverstärktem Kunststoff und zumindest ein Flächenelement aus faserverstärktem Kunststoff. Das Flächenelement ist dabei mit den beiden Trägern verbunden. Das Flächenelement ist angeordnet, um ein Ausknicken der Träger bei einem Crash, d.h. bei einer Kollision des Fahrzeugs mit einem Kollisionsgegner, zu vermeiden. Durch das Flächenelement werden die Träger in einer definierten Ausrichtung fixiert. Im Crash-Fall (Kollisionsfall) knickt der Träger somit nicht aus, sondern es erfolgt eine Stauchung und infolge dessen ein Brechen des Trägers an sehr vielen hintereinander angeordneten Stellen. Dadurch dass der Träger an sehr vielen Stellen bricht, kann entsprechend viel Energie beim Crash abgebaut werden. Mit den Trägern bleibt auch das Flächenelement aus faserverstärktem Kunststoff während dem Crash in einer definierten Lage. Die Träger sorgen also dafür, dass das Flächenelement nicht ausknickt. Dadurch kann auch das Flächenelement Energie beim Aufprall aufnehmen. Die Erfindung sieht somit eine flächige, mehrdimensionale Crashstruktur, umfassend zumindest die zwei Träger und das Flächenelement, vor. Da sowohl die Träger als auch das Flächenelement aus faserverstärktem Kunststoff gefertigt sind, wird das Leichtbaupotential dieses Werkstoffes voll ausgenutzt. Da sich die Träger und das Flächenelement gegenseitig stabilisieren, kann auch bei einer schrägen Krafteinleitung, also einer Krafteinleitung schräg zu der Trägerlängsrichtung, im Crash-Fall ausreichend Energie abgebaut werden. Erfindungsgemäß wird nicht die herkömmliche Stahl- oder Aluminiumkarosserie mit faserverstärktem Kunststoff nachgebaut (durch faserverstärkten Kunststoff substituiert), sondern es erfolgt ein Design des Fahrzeugs, basierend auf der erfindungsgemäßen Crashstruktur. Dadurch ist ein relativ kurzer Vorderwagen bzw. Hinterwagen realisierbar. Entsprechend dem Design der Crashstruktur ist die Deformationsreihenfolge einstellbar. Das Flächenelement ist in erster Linie zum Stabilisieren der Träger vorgesehen ist. Es verhindert, dass die Träger allein bei Schrägbelastung wegknicken, so dass die Träger bei einer derartigen Querbelastung zusammen mit dem Flächenelement progressiv brechen.

Als faserverstärkter Kunststoff wird vorzugsweise kohlefaserverstärkter Kunststoff oder glasfaserverstärkter Kunststoff verwendet. Für die Träger kommen insbesondere Flechtbauteile zum Einsatz. Dabei erfolgt vorzugsweise eine optimale Energieausnutzung der Flechtstrukturen durch ein bestimmtes geometrisches Verhältnis und durch bestimmte Anteile von Flecht- zu Stehfäden, so dass die Crashstruktur beim Aufprall entsprechend versagt und pro Länge die maximale Energiemenge abbaubar ist. Entsprechende Kraftniveaus sind mittels des Flechtwinkels steuerbar.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Träger der Crashstruktur einen hohlen Querschnitt aufweisen, d.h. ein Hohlprofil aufweisen. Insbesondere ist der hohle Querschnitt ein geschlossener rohrförmiger Querschnitt. Alternativ zum geschlossenen rohrförmigen Querschnitt sind offene Querschnitte vorgesehen. Die Träger dienen im Fahrzeug beispielsweise zur Aufnahme des Motors. Durch entsprechende Gestaltung der Querschnitte, können die Träger entsprechende Lasten aufnehmen.

Das Flächenelement wird vorzugsweise durch folgende verschiedene Methoden gebildet. Zum einen ist das Flächenelement durch eine Sandwich- Struktur aus zumindest zwei voneinander beabstandeten faserverstärkten Kunststoffplatten gebildet. Alternativ dazu wird eine einzige gewellte faserverstärkte Kunststoff platte verwendet. In der dritten Alternative besteht das Flächeneiement aus einer einzelnen ebenen faserverstärkten Kunststoffplatte. Für die Sandwich-Struktur gibt es wiederum verschiedene Aufbaumöglichkeiten. So können im Sandwich die beiden Kunststoffplatten durch einen Schaum, durch Waben oder durch eine gewellte Platte voneinander beabstandet sein. Der Schaum besteht bevorzugt aus Kunststoff. Die Waben sind vorzugsweise aus Papier, aus Kunststoff oder aus Aluminium gefertigt. Die gewellte Platte als Abstandhalter im Sandwich, wird bevorzugt aus einem Kunststoff oder einem faserverstärkten Kunststoff gebildet. Das Flächenelement wird bevorzugt direkt mit den zumindest zwei Trägern verbunden. Dabei erfolgt insbesondere eine stoffschlüssige Verbindung. Die stoffschlüssige Verbindung wird bevorzugt durch ein Verkleben oder durch eine integrale Fertigung der Träger mit dem Flächenelement hergestellt. Das Flächenelement weist bevorzugt eine Stärke von 10 mm bis 50 mm, vorzugsweise 15 mm bis 40 mm, auf. Im Querschnitt der Träger ist ein Durchmesser definiert. Dabei wird insbesondere der größte Durchmesser gemessen. Dieser Durchmesser beträgt zumindest 150%, vorzugsweise zumindest 200%, besonders vorzugsweise zumindest 250%, der Stärke des Flächenelementes.

Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Fahrzeug mit zumindest einer der soeben beschriebenen Crashstrukturen. An dem Fahrzeug ist eine Fahrgastzelle und zumindest ein Vorderwagen definiert. Die Crashstruktur befindet sich insbesondere im Vorderwagen. Die zumindest zwei Träger erstrecken sich dabei teilweise in Fahrzeuglängsrichtung. Des Weiteren ist es vorgesehen, dass die Crashstruktur nicht nur im Vorderwagen, sondern auch im Hinterwagen oder in der Fahrgastzelle zur Anwendung kommt.

In bevorzugter Ausbildung stellen die beiden Träger der Crashstruktur jeweils Längsträger im Fahrzeug dar. Diese Längsträger werden vorzugsweise zur Aufnahme eines Motors im Vorderwagen genutzt.

Die beiden Träger der Crashstruktur bilden vorzugsweise eine tragende Struktur im Vorderwagen des Fahrzeugs. So wird beispielsweise das Fahrwerk an diese Träger angebunden.

In bevorzugter Weise erstrecken sich die zumindest zwei Träger in Fahrzeuglängsrichtung über den gesamten Vorderwagen des Fahrzeugs. Es werden also nicht nur Teile der Längsträger aus faserverstärktem Kunststoff gefertigt, sondern der gesamte Längsträger, zumindest im Vorderwagenbereich, besteht aus faserverstärktem Kunststoff. Die Träger erstrecken sich dabei insbesondere vom Stoßfänger bis zumindest zu einer vorderen Stirnwand. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die zwei Träger nicht nur im Vorderwagen, sondern bis in die Fahrgastzelle reichen. Insbesondere gehen die Träger direkt über in einen Dachrahmen und/oder in einen Schweller und/oder in einen Längstunnel und/oder in einen Seitenrahmen des Fahrzeugs. Besonders bevorzugt erstrecken sich die Träger über die gesamte Fahrzeuglänge, das heißt, über den Vorderwagen, über die Fahrgastzelle bis zur Hinterachse. Besonders bevorzugt sind die Träger über ihre gesamte Länge aus faserverstärktem Kunststoff gefertigt.

Das zumindest eine Flächenelement wird vorzugsweise durch eine entsprechende Ausbildung eines ohnehin vorhandenen Bestandteils des Fahrzeugs gebildet. So ist das Flächenelement aus faserverstärktem Kunststoff vorzugsweise ein Radhaus des Fahrzeugs, ein Bestandteil des Unterbodens oder eine Motorhaube. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass ein Teil des Unterbodens oder der gesamte Unterboden des Fahrzeugs als Flächenelement der Crashstruktur ausgebildet ist. Insbesondere ist zumindest der gesamte Unterboden im Vorderwagen als Flächenelement der Crashstruktur ausgebildet.

Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, zusätzlich oder alternativ zu den Trägern, die als Längsträger ausgebildet sind, diagonal verlaufende Träger der Crashstruktur im Vorderwagen anzuordnen. Insbesondere werden dabei zwei sich kreuzende Träger verwendet. Die beiden Träger können dabei auch einstückig ausgebildet sein. Die diagonal verlaufenden Träger stellen insbesondere eine Fachwerkstruktur im Vorderwagen dar.

Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, den Vorderwagen von der Fahrgastzelle durch eine massive Trennwand abzutrennen. Die Trennwand besteht bevorzugt aus faserverstärktem Kunststoff. Die Träger der Crashstruktur enden entweder an der Trennwand, oder verlaufen an der Trennwand vorbei und gehen beispielsweise in Schweller über.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen: Figur 1 eine erfindungsgemäße Crashstruktur für alle Ausführungsbeispiele,

Figur 2 ein erfindungsgemäßes Fahrzeug gemäß einem ersten

Ausführungsbeispiel, Figur 3 eine isometrische Ansicht der Crashstruktur des erfindungsgemäßen Fahrzeugs gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,

Figur 4 eine Schnittansicht der Crashstruktur des erfindungsgemäßen

Fahrzeugs gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, Figur 5 das erfindungsgemäße Fahrzeug gemäß einem zweiten

Ausführungsbeispiel,

Figur 6 die Crashstruktur des erfindungsgemäßen Fahrzeugs gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,

Figur 7 das erfindungsgemäße Fahrzeug gemäß einem dritten

Ausführungsbeispiel,

Figur 8 eine isometrische Ansicht der Crashstruktur des erfindungsgemäßen Fahrzeugs gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, und

Figur 9 eine Schnittansicht der Crashstruktur des erfindungsgemäßen

Fahrzeugs gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel.

Figur 1 zeigt den generellen Aufbau einer Crashstruktur 4. Diese Crashstruktur 4 wird in den Fahrzeugen 1 der drei Ausführungsbeispiele in unterschiedlichem Design angewendet.

Die Crashstruktur 4 umfasst zumindest zwei voneinander beabstandete Träger 5 aus einem faserverstärkten Kunststoff und zumindest ein Flächenelement 6 aus faserverstärktem Kunststoff. Das Flächenelement 6 erstreckt sich zwischen den beiden Trägern 5 und ist fest mit den beiden Trägern 5 verbunden. Insbesondere ist das Flächenelement 6 stoffschlüssig mit den beiden Trägern 5 verbunden. Dafür kann das Flächenelement 6 entweder mit den Trägern 5 verklebt sein, oder die gesamte Crashstruktur 4 wird einstückig gefertigt. Sowohl die Träger 5 als auch das Flächenelement 6 sind aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere aus kohlefaserverstärktem Kunststoff, gefertigt. Es ist möglich, dass in den Trägern 5 oder in dem Flächenelement 6 Metallteile eingelegt werden, um z.B. Anschraubpunkte für Lager darzustellen. Wie Figur 1 zeigt, weisen die Träger 5 einen Durchmesser 15 auf. Der Durchmesser 15 ist wesentlich größer als eine Stärke 14 des Flächenelements 6. Figur 1 zeigt in schematische vereinfachter Darstellung die Crashstruktur 4. Selbstverständlich können die Träger 5 und das Flächenelement 6 entsprechend der Anforderungen im jeweiligen Fahrzeug 1 unterschiedlich designt werden.

Die Figuren 2, 5 und 7 zeigen jeweils ein Ausführungsbeispiel eines Fahrzeugs 1 mit der Crashstruktur 4. In den Figuren 2, 5 und 7 ist dabei jeweils das Fahrzeug schematisch vereinfacht in einer Draufsicht und in einer Seitenansicht dargestellt. Gleiche bzw. funktional gleiche Bauteile sind in allen Ausführungsbeispielen mit denselben Bezugszeichen versehen.

Gemäß Figur 2 sind an dem Fahrzeug 1 ein Vorderwagen 2 und eine Fahrgastzelle 3 definiert. Figur 2 zeigt des Wetteren die Fahrzeuglängsrichtung 13 und einen Stoßfänger 12 des Fahrzeugs 1. Die Crashstruktur 4 mit den Trägern 5 und den Flächenelementen 6 befindet sich insbesondere im Vorderwagen 2. Wie jedoch die Ausführungsbeispiele zeigen, erstrecken sich die Träger 5 und/oder die Flächenelemente 6 über den Vorderwagen 2 bis in die Fahrgastzelle 3 und teilweise bis zur Hinterachse des Fahrzeugs 1. Gemäß Figur 2 ist die Crashstruktur 4 im Vorderwagen 2 durch vier Träger 5 gebildet. Die Träger 5 sind in der Fahrgastzelle 3 weitergeführt und bilden dort einen Dachrahmen 7, einen Seitenrahmen 8 sowie einen Längstunnel 10.

Die Flächenelemente 6 bilden im Vorderwagen 2 einen Unterboden 11 sowie die beiden seitlichen Radhäuser 9. Der Unterboden 11 erstreckt sich dabei nicht nur über den Vorderwagen 2, sondern auch über die Fahrgastzelle 3.

Zumindest im Vorderwagen 2 sind die Träger 5 und die Flächenelemente 6 aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet. Bevorzugt erstreckt sich die Ausbildung dieser Elemente aus faserverstärktem Kunststoff über das gesamte Fahrzeug 1.

Figuren 3 und 4 zeigen im Detail die Crashstruktur 4 im ersten Ausführungsbeispiel. Figur 3 zeigt eine isometrische Ansicht. Figur 4 zeigt eine Schnittansicht. Das Flächenelement 6 der Crashstruktur 4 ist eine U- förmig gebogene Fläche, so dass die beiden Radhäuser 9 und der Unterboden 11 aus einem durchgehenden Flächenelement 6 gebildet sind. Alternativ dazu ist es auch möglich, die beiden Radhäuser 9 und den Unterboden 11 aus einzelnen Flächenelementen 6 zu bilden. Entscheidend ist, dass die Flächenelemente 6 fest mit den Trägern 5 verbunden sind. Dadurch entsteht eine dreidimensionale teilweise flächige Crashstruktur 4. Diese Crashstruktur 4 bleibt bei einem Crash in Form und knickt nicht aus. Dadurch ist ein Energieabbau durch das schrittweise Brechen des faserverstärkten Kunststoffs möglich.

Figur 5 zeigt das Fahrzeug 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Figur 6 zeigt zum zweiten Ausführungsbeispiel die Crashstruktur 4 in isometrischer Ansicht. Im zweiten Ausführungsbeispiel ist das Flächenelement 6 als Unterboden 11 ausgebildet. Im oberen Bereich sind der Dachrahmen 7 und der Seitenrahmen 8 vorgesehen, Der Dachrahmen 7 und der Seitenrahmen 8 sind über die Träger 5 mit dem Unterboden 11 verbunden. Die beiden Träger 5 erstrecken sich dabei diagonal im Vorderwagen 2, so dass durch die beiden Träger 5 ein Fachwerk gebildet ist. Die Enden der beiden Träger 5 wiederum sind mit dem als Unterboden 11 ausgebildeten Flächenelement 6 verbunden. Im zweiten Ausführungsbeispiel sind zumindest die beiden diagonal verlaufenden Träger 5 und das Flächenelement 6 aus faserverstärktem Kunststoff ausgebildet. Des Weiteren ist hier bevorzugt vorgesehen, auch den Dachrahmen 7 und den Seitenrahmen 8 aus faserverstärktem Kunststoff auszubilden.

Figur 7 zeigt das Fahrzeug 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel. Figuren 8 und 9 zeigen zum dritten Ausführungsbeispiel die Crashstruktur 4.

Im dritten Ausführungsbeispiel befindet sich zwischen dem Vorderwagen 2 und der Fahrgastzelle 3 eine Trennwand 17 aus faserverstärktem Kunststoff. Die mehreren Träger 5 der Crashstruktur 4 verlaufen von dieser Trennwand 17 nach vorne bis zum Stoßfänger 12. Auf jeder Seite des Fahrzeugs 1 sind dabei mehrere Träger 5 vorgesehen, die untereinander durch ein Flächenelement 6 verbunden sind. Das Flächenelement 6 ist dabei wiederum als Radhaus 9 ausgebildet. Im dritten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Träger 5 der Crashstruktur 4 an der Trennwand 17 enden. Alternativ dazu ist es möglich, dass zumindest manche der Träger 5 an der Trennwand 17 vorbeilaufen und in einen Schweller 16, in den Dachrahmen 7 oder den Seitenrahmen 8 übergehen. Alle drei Ausführungsbeispiele zeigen eine Crashstruktur 4 im Vorderwagen 2 des Fahrzeugs 1. Dabei erstrecken sich stets die Träger 5 aus faserverstärktem Kunststoff über den gesamten Vorderwagen 2, bis zum Stoßfänger 12. Zusätzlich dazu ist es möglich, die Träger 5 vom Vorderwagen 2 weiterzuführen, in die Fahrgastzelle 3 und somit die Träger 5 als Dachrahmen 7, Seitenrahmen 8, Längstunnel 10 oder Schweller 16 auszubilden. Die Träger 5 der Crashstruktur 4 sind untereinander durch die Flächenelemente 6, ebenfalls aus faserverstärktem Kunststoff, verbunden, so dass eine definierte Crashstruktur 4 entsteht. Die Flächenelemente 6 wiederum sind bevorzugt keine zusätzlich in die Karosserie eingebauten Elemente, sondern erfüllen gleichzeitig eine weitere Funktion, z.B. als Radhaus 9, Unterboden 11 oder Motorhaube. Bezugszeichenliste

1 Fahrzeug

2 Vorderwagen

3 Fahrgastzelle

4 Crashstruktur

5 Träger

6 Flächenelemente

7 Dachrahmen

8 Seiten rahmen

9 Radhaus

10 Längstunnel

11 Unterboden

12 Stoßfänger

13 Fahrzeuglängsrichtung

14 Stärke

15 Durchmesser

16 Schweller

17 Trennwand