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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Veränderung einer Steifigkeit eines Fahrzeugs, ein Verfahren zum Ansteuern einer Vorrichtung zur Veränderung einer Steifigkeit eines Fahrzeugs, auf ein entsprechendes Steuergerät sowie auf ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
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Der größte Teil der Fahrzeuge, die aktuell und in naher Zukunft gebaut werden basieren auf einem Verbrennungsmotor. Bekannt ist, dass der Motorraum bei modernen Fahrzeugen abgesehen vom massiven und als steif anzusehenden Motorblock mit vielen Aggregaten (ESP, Klimakompressor, Wasserpumpe, Lichtmaschine usw.) gefüllt ist. Aggregate, die im Vergleich zu den Vorgängermodellen platzsparender entwickelt sind, werden dankend angenommen. Dies gilt auch für größere Fahrzeuge: Auch wenn mehr Platz im Motorraum vorhanden ist, sind auch tendenziell mehr Aggregate an Bord, sodass auch hier Platzmangel herrscht. Dieser Stand der Technik zeichnet sich auch im Frontcrash in besonderer Weise aus. Die Steifigkeit des Vorderbaus ist nicht nur durch die Steifigkeit der Längsträger selbst zu definieren. Andere Aspekte wie das Verschieben des Motors, die Zusammendrückung der Aggregate und die Verblockung aller Elemente im Motorraum führen zu einer effektiven Crashsteifigkeit, die höher als die eigentliche Steifigkeit der Längsträger ist. Anders gesagt: Wenn die Steifigkeit der Längsträger auf ein Mal im Crash extrem sinken würde, dann hätte dies nur einen relativ geringen Effekt, da Motor und Aggregate weiterhin immer vorhanden wären und das Fahrzeug im Crash versteifen. Vor allem bei Elektrofahrzeugen, deren Verkaufsvolumen die nächsten Jahrzehnte steigen wird, sind die Platzprobleme des Verbrennungsmotors und deren Aggregate nicht relevant. Bei Elektrofahrzeugen ist der Elektromotor zum Ersten sehr klein und zum Zweiten ziemlich weit unten angebaut ist, wobei der tiefe Einbauort sich positiv auf die Schwerpunktlage auswirkt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Veränderung einer Steifigkeit eines Fahrzeugs, ein Verfahren zum Ansteuern einer Vorrichtung zur Veränderung einer Steifigkeit eines Fahrzeugs, weiterhin ein entsprechendes Steuergerät, das dieses Verfahren verwendet sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Durch weniger Aggregate im Motorraum und eine tiefe Einbaulage des Elektromotors wirkt bei einem Aufprall die Aufprallenergie zu einem größeren Teil auf die Längsträger, als bei konventionellen Fahrzeugen. Daraus ergibt sich, dass die Längsträger in einem Elektrofahrzeug oder Fahrzeugen mit ähnlicher Aufprallcharakteristik einen Großteil der Aufprallenergie absorbieren sollten und aufgrund der fehlenden Abstützmöglichkeiten im Vorderbau in diesem Bereich knickempflindlicher sind. Beispielsweise weist ein Fahrzeug eine kontrollierte, an die Aufprallart und gleichzeitig oder alternativ an die Aufprallschwere angepasste Deformation der Frontstruktur auf.
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Veränderung einer Steifigkeit eines Fahrzeugs, wobei die Vorrichtung zumindest einen Längsträger aufweist, wobei die Vorrichtung folgendes Merkmal aufweist:
adaptives Element, wobei das adaptive Element zumindest zwei Befestigungspunkte aufweist, wobei zumindest ein Befestigungspunkt der zumindest zwei Befestigungspunkte mit dem zumindest einen Längsträger verbunden ist, wobei das adaptive Element quer zu dem zumindest einen Längsträger ausgerichtet ist, wobei das adaptive Element einen Aktuator mit einer Schnittstelle zum Empfangen eines Auslösesignals zum Betätigen des Aktuators aufweist, wobei der Aktuator ausgebildet ist, um eine Steifigkeit des adaptiven Elements ansprechend auf das Auslösesignal zu verändern.
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Die Vorrichtung kann in einem Fahrzeug zur Absorption der durch eine Kollision des Fahrzeugs z. B. mit einem weiteren Fahrzeug oder einem stationären Objekt hervorgerufenen und auf das Fahrzeug und seine Insassen wirkenden Aufprallenergie eingesetzt werden. Die Vorrichtung kann in einem Frontbereich des Fahrzeugs angeordnet sein. Bei dem Fahrzeug kann es sich um einen Personenkraftwagen oder ein Nutzfahrzeug wie einen Lastkraftwagen handeln. Bei der Kollision kann es sich um einen Aufprall des Fahrzeugs auf ein unbewegtes Objekt oder um einen Zusammenprall mit einem bewegten Objekt, z. B. mindestens einem zweiten Fahrzeug, handeln. Unter einem Aufprall kann im Allgemeinen auch ein Crash verstanden werden. Dabei kann die Kollision beispielsweise frontal erfolgen. Dabei kann die Kollision vollüberlappend und/oder teilüberlappend erfolgen. Unter einem Befestigungspunkt kann der Bereich verstanden werden, in dem der Längsträger und das adaptive Element miteinander verbunden werden und/oder in Kontakt sind. Ein adaptives Element kann zumindest zwei unterschiedliche Steifigkeiten aufweisen. Im Falle einer hohen Aufprallgeschwindigkeit und somit hoher Kollisionsenergien ist es bei einem voll überlappenden Aufprall von Vorteil, frühzeitig ein hohes Energieabsorptionsniveau zu erreichen, weshalb standardmäßig im Allgemeinen eine höhere Steifigkeit eingestellt ist. Im Falle eines teilüberlappenden Aufpralls ist eine niedrigere Steifigkeit erforderlich, damit die hintere steifere Struktur nicht zu stark beansprucht wird. Entsprechend weist das attraktive Element in der zweiten Einstellung eine Steifigkeit auf die niedrigere ist, als die zuerst beschriebene Steifigkeit. Die beiden Steifigkeiten können mit einem Aktuator eingestellt werden. Das adaptive Element kann die laterale Steifigkeit zwischen den einzelnen Längsträgern beziehungsweise zwischen einem Längsträger und dem Chassis des Fahrzeugs adaptieren.
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Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der zumindest eine Längsträger einen Abschnitt aufweisen, der gegenüber einem weiteren Abschnitt des zumindest einen Längsträgers eine geringere Steifigkeit aufweist. Die geringere Steifigkeit des Abschnitts des Längsträgers kann beispielsweise durch eine Verjüngung, also eine Reduzierung des Querschnitts des Längsträgers, durch eine Einkerbung, durch ein Entfernen von Versteifungsrippen, durch Einschneiden oder Ähnliches erreicht werden.
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Ferner kann ein Befestigungspunkt der zumindest zwei Befestigungspunkte mit dem zumindest einen Längsträger verbunden sein und ein weiterer Befestigungspunkt der zumindest zwei Befestigungspunkte mit einem weiteren Längsträger verbunden sein, wobei insbesondere der zumindest eine Längsträger und der weitere Längsträger in einem Toleranzbereich parallel angeordnet sind. Eine solche Ausführungsform bietet die Möglichkeit, das adaptive Element zwischen zwei Längsträgern anzuordnen. Dabei kann das adaptive Element jeweils zumindest einen Befestigungspunkt je Längsträger aufweisen. Unter einem Toleranzbereich kann hier eine Anordnung bis zu 45°, günstiger um bis zu 30°, weiter vorteilhaft um bis zu 15°, noch günstiger um bis zu 10° oder vorteilhafterweise um bis zu 5° abweichend von einer parallelen Anordnung verstanden werden.
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Günstig ist es auch, wenn in einer Ausführungsform die Struktur des adaptiven Elements eine Abstützeinrichtung und eine ausrückbare Matrize aufweist, wobei die ausrückbare Matrize ausgebildet ist, um bei Aktivierung des Aktuators von einer ersten Position in eine zweite Position gebracht zu werden, wobei die ausrückbare Matrize ausgebildet ist, in der ersten Position im Vergleich zu der zweiten Position eine höhere Steifigkeit des adaptiven Elements zu bewirken.
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Die ausrückbare Matrize kann einstückig in Form eines runden oder eckigen Rahmens ausgebildet sein, dessen lichtes Innenmaß zumindest teilweise geringer als ein Querschnitt eines Deformationselements vor Eintritt in einen Deformationsabschnitt der ausrückbaren Matrize ist. Die ausrückbare Matrize kann einstückig gebildet sein oder aus mehreren nicht miteinander oder über Sollbruchstellen verbundenen Einzelteilen bestehen. Die Innenseite bzw. die Innenseiten der ausrückbaren Matrize können beispielsweise schräg verlaufen, sodass die ausrückbare Matrize eine Art Trichter bildet, der zu der Verjüngung des Deformationselements führt, während sich dieses aufgrund der Kollision an der Innenseite der ausrückbaren Matrize entlang bewegt. Unter einer ausrückbaren Matrize kann eine feste Matrize verstanden werden. Die ausrückbare Matrize kann so in einem Gehäuse angeordnet sein, dass eine Außenwand der ausrückbaren Matrize von einer Innenwand des Gehäuses beabstandet ist. Die ausrückbare Matrize kann in ihrer Position verändert werden. Insbesondere kann die ausrückbare Matrize bei fehlender Abstützung durch die Abstützeinrichtung durch die Radialkraft des eindringenden Deformationselements von dem Deformationselement weggedrückt, also zu der Innenwand des Gehäuses hingedrückt und eventuell gebrochen werden und somit keine Verjüngung des Deformationselements bewirken. Unter einer Abstützeinrichtung kann im Allgemeinen auch eine brechbare Matrize verstanden werden.
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Die Abstützeinrichtung kann ein- oder mehrstückig sein und in der ersten Position zwischen der Außenwand der ausrückbaren Matrize und der Innenwand des Gehäuses angeordnet sein. Sie kann aus einem Material gebildet sein, das eine ausreichende Festigkeit aufweist, um in der ersten Position die ausrückbare Matrize so gegenüber der Radialkraft des sich entlang der Innenseite(n) der ausrückbaren Matrize bewegenden Deformationselements abzustützen, dass das Deformationselement durch die ausrückbare Matrize verjüngt werden kann. Die Abstützeinrichtung kann beispielsweise über ein Federelement in der ersten Position fixiert oder in Ruhelage gehalten sein.
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Ferner kann gemäß einer Ausführungsform das adaptive Element ein erstes Gehäuseteil und ein zweites Gehäuseteil aufweisen, wobei die ausrückbare Matrize ausgebildet ist, in der ersten Position das erste Gehäuseteil und das zweite Gehäuseteil gegeneinander abzustützen und in der zweiten Position ein im Vergleich zur ersten Position leichteres Verformen zuzulassen.
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Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das adaptive Element ausgebildet sein, eine Umstülpung und/oder eine Faltung und/oder eine Abschabung und/oder ein Zerstören und/oder ein Verjüngen und/oder ein Aufweiten von zumindest einer Komponente des adaptiven Elements als eine durch den Aktuator auslösbare Deformationsmethode zu ermöglichen. Hierdurch kann eine technisch sehr einfache uns somit kostengünstige Weise implementiert werden, um Energie des Aufpralls zu absorbieren.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Aktuator als elektromechanischer Aktuator und/oder pneumatischer Aktuator und/oder hydraulischer Aktuator und/oder magneto-rheologischer Aktuator und/oder pyrotechnischer Aktuator ausgebildet sein. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet ebenfalls die Möglichkeit, einer sehr kostengünstigen und effektiven Realisierung eines Aktuators.
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Ferner kann auch das adaptive Element ausgebildet sein, fest mit einem Chassis eines Fahrzeugs verbunden zu werden. Diese Lösung hat den Vorteil, dass die Steifigkeit des über das adaptive Element mit dem Chassis des Fahrzeugs verbundenen zumindest einen Längsträgers auf eine einfache Art erhöht werden kann. Insbesondere erlaubt eine solche Ausführungsform eine einfache Einstellung des Längsträgers, in der ein Ausknicken nicht erwünscht ist. Diese Ausführungsform gewährleistet eine bessere Abstützung als ein schwimmender Einbau des adaptiven Elements.
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Ferner kann auch das adaptive Element ausgebildet sein, schwimmend im Bezug zu einem Chassis eines Fahrzeugs angeordnet zu sein. Unter einer schwimmenden Anordnung kann beispielsweise eine Anordnung verstanden werden, bei der das adaptive Element innerhalb eines Bewegungsbereichs beweglich an dem Chassis des Fahrzeugs angeordnet ist. Dabei wird eine näherungsweise Anordnung des adaptiven Elementes in Bezug zum Chassis zwar sichergestellt, allerdings kann durch die Freigabe der exakten Position des adaptiven Elementes in Bezug zum Chassis ein unnötig hoher Montageaufwand vermieden werden. Eine derartige Ausführungsform der Erfindung bietet somit den Vorteil, dass sie leichter und kostengünstiger zu realisieren ist, da eine Fixierung an dem Chassis beziehungsweise der Hauptkarosserie fehlt.
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Als Sensorik ist durch den hier vorgestellten Ansatz keine zusätzliche Sensorik notwendig. Die im Fahrzeug vorhandene Crashsensorik kann dafür genutzt werden. Selbstverständlich kann auch eine dafür speziell entwickelte Sensorik verwendet werden. Als Aktuator können folglich elektromechanische, pneumatische, hydraulische, magnetorheologische, pyrotechnische Aktuatoren verwendet werden. Die pyrotechnische Lösung hat dabei den Vorteil, im Vergleich zu den anderen erwähnten Aktuatoren sehr günstig realisierbar zu sein. Die Irreversibilität, die solch ein Aktuator zwangsmäßig mit sich bringt, ist in diesem Fall nicht nachteilig, da der Zündzeitpunkt im gleichen Bereich wie der eines (irreversiblen) Frontairbags liegt.
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Ansteuern einer Vorrichtung zur Veränderung einer Steifigkeit eines Fahrzeugs gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Bereitstellen von zumindest einem Aufprallsignal, wobei das Aufprallsignal ein Signal zumindest eines Aufprallsensors repräsentiert;
Ermitteln einer Aufprallart und/oder einer Aufprallschwere unter Verwendung von dem zumindest einen Aufprallsignal; und
Ausgeben eines Auslösesignals ansprechend auf die ermittelte Aufprallart und/oder die ermittelte Aufprallschwere, wobei das Auslösesignal eine Betätigung des Aktuators des adaptiven Elements bewirkt.
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Unter einem Aufprallsignal kann ein Signal einer Aufprallsensorik verstanden werden. Eine Aufprallsensorik kann auch als eine Crashsensorik bezeichnet werden. Das Aufprallsignal kann auch ein Signal repräsentieren, welches von einer speziellen Sensorik erfasst wird.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programmprodukt auf einem Computer, einer Vorrichtung oder einem Steuergerät ausgeführt wird. Das Computerprogrammprodukt kann auch auf einem bereits im Fahrzeug vorhandenen Steuergerät ausgeführt werden. So kann das Computerprogrammprodukt beispielsweise in einem Crashsteuergerät ausgeführt werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 schematische Darstellung eines Aufbaus eines Vorderwagens eines Elektrofahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2a einen Vorderwagen eines Elektrofahrzeugs vor einem Aufprall gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2b einen Vorderwagen eines Elektrofahrzeugs nach einem Aufprall gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2c einen Vorderwagen eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor vor einem Aufprall gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2d einen Vorderwagen eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor nach einem Aufprall gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3a und 3b eine schematische Darstellung einer Vorderwagenstruktur mit einer Vorrichtung zur Veränderung einer Steifigkeit eines Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 eine schematische Darstellung einer Vorderwagenstruktur nach einem Aufprall mit Teilüberdeckung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 eine schematische Darstellung einer Vorderwagenstruktur nach einem Aufprall mit Vollüberdeckung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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6 ein adaptives Element zwischen zwei Längsträgern gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt schematische Darstellung eines Aufbaus eines Vorderwagens eines Elektrofahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In 1 unterhalb eines vorderen Querträgers 110 ist eine elektrische Antriebseinheit mit Längsträgern 120 dargestellt. Der vordere Querträger 110 wird von zwei Längsträgern 120 gehalten. Die zwei Längsträger 120 sind mit dem Chassis 130 des Fahrzeugs verbunden. 1 zeigt, dass aufgrund der geringen Anzahl von Aggregaten in einem Elektrofahrzeug die Längsträger 120 nicht durch Aggregate im Vorderwagen des Fahrzeugs zusätzlich abgestützt werden.
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Bei dem in 1 gezeigten Aufbau des Vorderwagens eines Elektrofahrzeugs ist ersichtlich, dass das Crashgeschehen eines solchen Elektrofahrzeugs deutlich anders ist, als das eines konventionellen Fahrzeugs. Zwischen den Längsträgern ist der Raum fast frei, auch wenn selbstverständlich sollten noch diverse Abdeckungen und andere Elemente berücksichtigt werden sollten. Der Elektromotor ist im Allgemeinen kleiner und sitzt tiefer und es sind weniger Aggregate vorhanden verglichen mit einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich jedoch um ein Heckantriebsfahrzeug, für welches die vorstehende Aussage in der Allgemeinheit eher nicht zutrifft. Die Position und Größe des Elektromotors und/oder weitere Aggregate hat einen enormen Einfluss auf das Crashgeschehen, da in diesem Fall die Eigensteifigkeit der Längsträger die Hauptrolle spielt.
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Die Figuren 2a bis 2d zeigen die Auswirkungen eines Aufpralls mit 56 km/h gegen eine starre Barriere mit 100 % Überdeckung des Fahrzeugs mit dem Kollisionsobjekt im Vergleich eines Elektrofahrzeugs (2a; 2b) zu einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor (2c; 2d). 2a und 2c zeigen die Situation vor dem Aufprall und 2b und 2d zeigen den Fahrzeugvorderbau nach dem Aufprall.
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2a zeigt einen Vorderwagen eines Elektrofahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Anzahl der Aggregate im Motorraum ist geringer und die Anordnung der Aggregate ist tiefer im Vergleich zu dem in 2c gezeigten Ausführungsbeispiels eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor. Eine technische Folgerung ist, dass die Längsträger, die den Großteil der Crashenergie absorbieren sollten, aufgrund fehlender Abstützungen im Vorderbau knickempfindlicher sind. Die Längsträger sollten also größer/steifer dimensioniert werden, um ein unkontrolliertes Knicken zu vermeiden. Alternativ muss deren Bauform so gewählt werden, dass sie sich möglichst knickunempfindlich verhalten. 2a und 2b zeigen eine Aufsicht auf dem Motorraum vor dem Crash (2a), nach dem Crash (2b).
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2b zeigt einen Vorderwagen eines Elektrofahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung nach einem Aufprall mit 56 km/h auf eine starre Barriere.
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2c zeigt einen Vorderwagen eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Fahrzeug ist in intaktem Zustand dargestellt. Eine Vielzahl an Aggregaten neben dem Verbrennungsmotor stützt die Längsträger ab und erhöht die Steifigkeit des Vorderwagens.
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2d zeigt einen Vorderwagen eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Fahrzeug ist mit 56 km/h gegen eine starre Barriere geprallt. Durch die durch den im Vorderwagen angeordneten Motorblock und die damit einhergehende höhere Steifigkeit des Vorderwagens im Vergleich zu dem in 2b gezeigten Elektrofahrzeug ist das Fahrzeug weniger verformt als das Elektrofahrzeug in 2b. 2c zeigt eine Aufsicht auf den Motorraum vor dem Crash, 2d zeigt eine Aufsicht auf den Motorraum nach dem Crash.
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Erste Ergebnisse von Crashtests mit reinen Elektrofahrzeugen liegen mittlerweile vor. In 2a und 2b sind Ergebnisse eines US-NCAP Crashtest (56 km/h gegen eine starre Barriere mit 100% Überdeckung des Fahrzeugs) dargestellt. Beim Vergleich der 2a/2b und 2c/2d wird deutlich, dass der Deformationsraum im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor in 2c/2d deutlich ansteigt und der Motorraum nach dem Crash deutlicher zusammengestaucht ist. Die Figuren sollen als Visualisierung der deutlich veränderten Deformationsfähigkeit und den veränderten Randbedingungen von Elektrofahrzeugen dienen. Damit ergeben sich veränderte Randbedingungen für die Gesamtauslegung der Vorderwagenstruktur.
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Die 3a und 3b zeigen eine schematische Darstellung einer Vorderwagenstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei unterscheiden sie sich von der Einbauart, 3a zeigt einen schwimmenden und 3b einen festen Einbau des adaptiven Elements zwischen zwei Längsträgern.
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3a zeigt eine schematische Darstellung einer Vorderwagenstruktur mit einer Vorrichtung 300 zur Veränderung einer Steifigkeit eines Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorderwagenstruktur weist zwei Längsträger 310a, 310b, ein adaptives Element 320, einen Querträger 330 sowie zwei Crashboxen 340 auf. Die beiden Längsträger 310a, 310b sind in einem Toleranzbereich parallel angeordnet. Der Toleranzbereich beträgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel 10°. In weiteren Ausführungsbeispielen kann der Toleranzbereich bis zu 45° betragen. Die beiden Längsträger 310a, 310b sind über das adaptive Element 320 miteinander verbunden. Die Haupterstreckungsrichtung der beiden Längsträger 310a, 310b entspricht im Wesentlichen der Fahrtrichtung des Fahrzeugs. Die Längsträger 310a, 310b weisen an dem in Fahrtrichtung vorne liegenden Ende jeweils eine Crashbox 340 auf. Die an den Enden der Längsträger 310a, 310b angeordneten Crashboxen 340 sind über den Querträger 330 miteinander verbunden. Die beiden Querträger 310a, 310b weisen im Bereich der Befestigung des adaptiven Elements 320 je einen Abschnitt 350a bzw. 350b für gezieltes Einknicken auf. In dem in 3a gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Abschnitt 350 für gezieltes Einknicken als eine Schwächung mittels Verjüngung des Längsträgers im Kontaktbereich mit dem adaptiven Element 320 ausgeführt. Das adaptive Element 320 ist mit dem Längsträger 310a, 310b jeweils über zumindest einen Kontaktpunkt 360 miteinander verbunden.
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3b zeigt eine schematische Darstellung einer Vorderwagenstruktur gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Fahrzeugvorderbau weist zwei Längsträger 310a, 310b, ein adaptives Element 320, einen Querträger 330 sowie zwei Crashboxen 340 auf. Die beiden Längsträger 310a, 310b sind im Wesentlichen parallel angeordnet. Die beiden Längsträger 310a, 310b sind über das adaptive Element 320 miteinander verbunden. Der Aufbau entspricht weitgehend der Darstellung in 3a mit dem Unterschied, dass das adaptive Element 320 fest mit dem Chassis 370 des Fahrzeugs verbunden ist. Die beiden Querträger weisen im Bereich des Kontaktpunktes mit dem adaptiven Element 320, dem Abschnitt 350, jeweils eine Verjüngung auf, das heißt, der Querschnitt der Längsträger weist in diesem Abschnitt einen geringeren Querschnitt auf. Das adaptive Element weist mittig einen zusätzlichen Kontaktpunkt mit dem Chassis 370 auf.
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Für die Darstellung in 3a und 3b gilt, dass das adaptive Element je nach Crashanforderung anders eingestellt wird. Handelt es sich um einen schweren Crash mit einer Teilüberdeckung (z. B. Euro-NCAP), so wird die Crashenergie typischerweise über einen einzigen Längsträger 310a, 310b absorbiert. Da die Faltung (Kompression) eines Objekts grundsätzlich zu einer größeren Energieabsorption, und damit zu einer höheren Geschwindigkeitsreduktion, im Crash führt als ein Biegevorgang, sollte das Knicken (d. h. Biegung des Längsträgers 310a, 310b) in diesem Fall vermieden werden. Dazu muss das adaptive Element möglichst steif geschaltet sein. Dies wird entsprechend in 4 gezeigt. Handelt es sich um einen schweren Crash mit einer Vollüberdeckung (z. B. US-NCAP), so wird die Crashenergie über beide Längsträger 310a, 310b absorbiert. Eine zu steife Struktur würde zu einem zu harten Crashpuls führen, was für den Insassen ein höheres Verletzungsrisiko bedeutet. Da in diesem Crashfall beide Längsträger 310a, 310b die Crashenergie absorbieren, wird die entsprechende Crashlast auf zwei Lastpfade aufgeteilt, womit verbunden ist, dass die einzelnen Längsträger 310a, 310b sich insgesamt „weicher" verhalten können. In diesem Fall sollte die Biegung bzw. das Ausknicken als zusätzliche Deformationsmethode für die Längsträger 310a, 310b gewählt werden. Dazu muss das adaptive Element 320 zwischen den Längsträgern 310a, 310b auf eine geringere Steifigkeit eingestellt werden, wie es entsprechend in 5 gezeigt ist.
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Handelt es sich um einen Reparaturcrash (Geschwindigkeit bis 16km/h) so werden bei herkömmlichen Fahrzeugen strukturell gesehen nur die Crashboxen 340 und der Querträger 330 beschädigt. Das adaptive Element 320 wird nicht beschädigt, was die Reparaturkosten nicht zusätzlich in die Höhe treibt. Das vorliegende Konzept setzt voraus, dass Standard-Crashboxen 340 für diesen Fall vor dem Fahrzeug verbaut werden oder alternative Vorkehrungen zur Abbildung des Reparaturcrashes eingesetzt werden.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorderwagenstruktur nach einem Aufprall mit Teilüberdeckung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Fahrzeugvorderbau weist zwei Längsträger 310a, 310b, ein adaptives Element 320, einen Querträger 330 sowie zwei Crashboxen 340 auf. Der Aufbau entsprach vor dem Aufprall dem in den 3a und 3b gezeigten Aufbau. Bei einem Aufprall mit Teilüberdeckung ist kein Ausknicken des Längsträgers 310a erwünscht. Die eingestellte Steifigkeit des adaptiven Elements 320 ist auf eine höhere Steifigkeit eingestellt. Die gezeigte Darstellung entspricht einem Aufprall frontal mit einer Teilüberdeckung der linken Fahrzeugseite. Die zwischen dem Querträger 330 und dem auf der linken Fahrzeugseite angeordneten Längsträger 310a angeordnete Crashbox 340 ist komplett verformt. Der Querträger 330 ist entsprechend verformt und verbindet weiterhin die beiden Crashboxen 340. Der links angeordnete Längsträger 310a ist in dem vorderen Abschnitt zwischen der Crashbox 340 und der Abschnitt 350a, in dem der Längsträger 310a verjüngt ist, gestaucht, beziehungsweise zur ursprünglichen Erstreckung – entsprechend in den 3a, 3b, beziehungsweise im Vergleich zu dem unbeschädigten Längsträger 310b auf der rechten Seite – verkürzt.
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4 zeigt eine deformierte Fahrzeugstruktur im Fall eines Offset-Crashs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In einer Situation entsprechend 4, also in der Einstellung, in der ein Ausknicken nicht erwünscht ist, ist ein fester Aufbau wie der in 3b dargestellt ist vorteilhaft, da so eine bessere Abstützung gewährleistet ist. Im Falle einer gewollten Ausknickung wie in 5, spielt die Einbauweise keine funktionelle Rolle. Der Aufbau in 3a ist allerdings leichter und kostengünstiger zu realisieren, da die Fixierung an die Hauptkarosserie fehlt.
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5 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorderwagenstruktur nach einem Aufprall mit Vollüberdeckung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Fahrzeugvorderbau weist zwei Längsträger 310a, 310b, ein adaptives Element 320, einen Querträger 330 sowie zwei Crashboxen 340 auf. Der Aufbau entsprach vor dem Aufprall dem in den 3a und 3b gezeigten Aufbau. Die Form des Fahrzeugvorderbaus vor dem Aufprall mit Vollüberdeckung ist gestrichelt angedeutet. In der Darstellung in 5 sind die beiden Crashboxen 340 aufgrund der aufgenommenen Energie zusammengedrückt. Das adaptive Element 320 ist im Vergleich zur Darstellung in 3a/3b verkürzt und die beiden Längsträger sind im Bereich des Kontaktpunktes mit dem adaptiven Element 320 nach innen eingeknickt. Weiterhin sind die Längsträger 310a, 310b in dem Abschnitt zwischen dem Anschluss an die Crashbox 340 und dem Kontaktpunkt mit dem adaptiven Element 320 verkürzt. Der Querträger 330 ist in seiner Form im Vergleich zu 3a/3b weitgehend unverändert, jedoch näher zur Fahrzeugmitte, in 5 weiter unten dargestellt, angeordnet. Dies ist der Verformung der beiden crashboxen 340 und der Längsträger 310a, 310b geschuldet.
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5 zeigt eine deformierte Fahrzeugstruktur im Fall eines Full-Frontal-Crashs. Gezeigt wird eine veränderbare Steifigkeit einer Vorderwagenstruktur, insbesondere für neue Fahrzeugkonzepte wie Hybrid-, E- oder Klein-/Leichtfahrzeuge. Die Funktionsweise des adaptiven Elementes 320 kann dabei beliebig sein, solange sich unterschiedliche Steifigkeiten realisieren lassen. Als Deformationsmethode kann eine Umstülpung, eine Faltung, eine Abschabung, ein Zerbröseln, ein Verjüngen oder ein Aufweiten herangezogen werden.
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Eine Idee der Erfindung ist es, beim Frontcrash eine kontrollierte Deformation der Frontstruktur zuzulassen. Dabei wird das Knickverhalten der Längsträger 310a, 310b insbesondere bei Fahrzeugen mit weniger starren und steifen Aggregaten im Vorderbau (z. B. Elektrofahrzeuge) an die Crashart und -schwere angepasst. Eine weitere Idee der Erfindung ist es, bei der Entwicklung und Einführung neuer Fahrzeugkonzepte, mehr Variationsmöglichkeiten bei der Auslegung der Vorderwagenstruktur zu schaffen.
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Mittels eines adaptiven Elements 320 zwischen den Längsträgern 310a, 310b wird das Knickverhalten der Längsträger 310a, 310b beeinflusst. Das adaptive Element 320 wird gemäß 3a/3b quer zwischen den beiden Längsträgern 310a, 310b eingebaut. Damit erfolgt eine Adaption der lateralen Steifigkeit zwischen den einzelnen Längsträgern 310a, 310b. Der Einbau kann entweder schwimmend (siehe 3a) oder fest erfolgen (siehe 3b). Damit übernimmt das adaptive Element 320 auch in vorteilhafter Weise mit die Funktion einer Querstabilisierung des Vorderwagens aufgrund der fehlenden starren Masse und Geometrie eines Verbrennungsmotorblocks (wie in konventionellen Fahrzeugen). Die Querstabilisierung ist nicht nur zur optimalen Crashauslegung der Struktur notwendig, sondern spielt auch eine wesentliche Rolle bei der NVH-Auslegung (Noise, Vibration, Harshness) des Fahrzeugs, vgl. Torsionssteifigkeit.
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6 zeigt ein adaptives Element zwischen zwei Längsträgern gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Zwischen zwei Längsträgern 310a, 310b ist ein adaptives Element 320 angeordnet. Das adaptive Element 320 weist ein erstes Gehäuseteil 610 – hier eine feste Glocke 610, ein zweites Gehäuseteil 620 – hier eine deformierbare Glocke 620, sowie in einem Gehäuse 630 angeordnet eine Abstützeinrichtung 640, eine ausrückbare Matrize 650, einen Ring 660, sowie einen pyrotechnischen Aktuator 670 auf. Die Abstützeinrichtung 640 kann auch als eine brechbare Matrize 640, die ausrückbare Matrize 650 auch als eine feste Matrize 650 bezeichnet werden. Das erste Gehäuseteil 610 weist einen Kontaktpunkt mit dem links angeordneten Längsträger 310a auf. Das zweite Gehäuseteil 620 weist einen Kontaktpunkt mit dem rechts angeordneten Längsträger 310b auf. Das zweite Gehäuseteil 620 verjüngt sich auf der dem ersten Gehäuseteil 610 zugewandten Seite. Das adaptive Element 320 weist im Bereich des Übergangs zwischen dem ersten Gehäuseteil 610 und dem zweiten Gehäuseteil 620 das Gehäuse 630 auf. Innerhalb des Gehäuses 630 sind die Abstützeinrichtung 640, die ausrückbare Matratze 650 der Ring 660 sowie der pyrotechnische Aktuator 670 angeordnet. Die Abstützeinrichtung 640 weist eine L-Form auf. An einem oberen Schenkel der Abstützeinrichtung 640 ist der Ring 660 angeordnet. In Bezug zur Haupterstreckungsrichtung des adaptiven Elementes 320 ist die ausrückbare Matrize 650 neben der Abstützeinrichtung 640 in Richtung des zweiten Gehäuseteils 620 angeordnet. Die Abstützeinrichtung 640 sowie die ausrückbare Matrize 650 sind lateral bündig zueinander ausgeformt und angeordnet. Zwischen der ausrückbaren Matrize 650 und dem Gehäuse 630 ist der pyrotechnische Aktuator 670 angeordnet. Die ausrückbare Matrize 650, der Ring 660 sowie die Abstützeinrichtung 640 sind derart angeordnet, dass bei einer Aktivierung des pyrotechnischen Aktuators des 670 der Ring in Richtung des ersten Gehäuseteils 610 und somit in den offenen Bereich der deformierbaren Matrize 640 verschoben wird. Nach einer Aktivierung des pyrotechnischen Aktuators 670 kann das zweite Gehäuseteil 620 leichter in das erste Gehäuseteil 610 verschoben werden.
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Beispielhaft ist eine konstruktive Ausprägung des Adaptiven Elements 320 6 dargestellt. Hierbei wird als Deformation das Verjüngungsprinzip und als Aktuator der pyrotechnische Aktuator skizziert. 6 zeigt einen möglichen Aufbau eines adaptiven Elements 320 zwischen den Längsträgern 310a, 310b. In 6 ist die Ruhestellung des Systems dargestellt. Bei einer Kollision wird der nicht eingezeichnete Vorderbereich des Fahrzeugs eingedrückt. Dabei erfolgt die Sensierung der Crashschwere und des Crashtyps. Je nach Anforderung erfolgt die Verjüngung der deformierbaren Glocke 620 mehr oder weniger stark. In der dargestellten Stellung wird die deformierbare Glocke 620 in die feste Matrize 650 und in die brechbare Matrize 640 geschoben und dabei stark verjüngt. Als Resultat soll ein Ausknicken der Längsträger 310a, 310b in diesem Fall nicht erfolgen. Bei einer Aktuierung (Explosion) der Zündpillen 670 wird der Ring 660 in Richtung feste Glocke 610 verschoben. Kommt es nun zu der Deformation des adaptiven Elements 320, dringt die deformierbare Glocke 620 ebenfalls in die feste Matrize 650 und in die brechbare Matrize 640 ein. Da der Ring die brechbare Matrize 640 nicht abstützt, kann diese infolge der Aufprägung der Radialkraft durch die deformierbare Glocke 620 brechen (Sollbruchstellen) und ausrücken. Der Verjüngungsgrad der deformierbaren Glocke 620 ist somit verglichen mit der Grundeinstellung geringer, sie kann mit weniger Kraft in die feste Glocke 610 „ hineinverjüngt" werden, was letztendlich eine Knickung der Längsträger 310a, 310b favorisiert.
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Je nach Querabstand der Längsträger 310a, 310b voneinander empfiehlt sich eine gewichtssparendere Realisierung, bei der die in 6 dargestellte feste Glocke und deformierbare Glocke 620 nicht an die Längsträger 310a, 310b direkt angekoppelt werden, sondern an entsprechende leichtbauoptimierte Verlängerungsträger bzw. Streben.
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7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 700 zum Ansteuern einer Vorrichtung zur Veränderung einer Steifigkeit eines Fahrzeugs weist einen Schritt des Bereitstellens 710, einen Schritt des Ermittelns 720 und einen Schritt des Ausgebens 730 auf. Im Schritt des Bereitstellens 710 wird zumindest ein Aufprallsignal 715 bereitgestellt, wobei das Aufprallsignal 715 ein Signal zumindest eines Aufprallsensorsignals präsentiert. Im Schritt des Ermittelns 720 wird eine Aufprallart und/oder eine Aufprallschwere unter Verwendung von dem zumindest einen Aufprallsignal 715 ermittelt. Im Schritt des Ausgebens 730 wird ansprechend auf die ermittelte Aufprallart und/oder die ermittelte Aufprallschwere ein Auslösesignal 735 ausgegeben, wobei das Auslösesignal 735 eine Betätigung des Aktuators des adaptiven Elements bewirkt.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ -Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.