3.5 Grundlagen im Fahrzeugcrash - Karosserietechnik FH Aachen

3.5 Grundlagen im FahrzeugcrashProf. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6: Luft- und Raumfahrttechnik /Fachhochschule Aachen / Hohenstaufenallee 6 / 52064 Aachen / www.karosserietechnik.fh-aachen.de

Passive Fahrzeugsicherheit3.5 Grundlagen im Fahrzeugcrash3.5.1 Vorgänge beim Crash undenergetische Betrachtungen3.5 Grundlagen im Fahrzeugcrash3.5.1 Vorgänge beim Crash und energetische Betrachtungen3.5.2 Versagensmechanismen von dünnwandigen Trägerstrukturen3.5.3 Typische Kenngrößen von Deformationsstrukturen3.5.4 Dynamische Effekte3.6 Sicherheitsmaßnahmen zum Selbstschutz3.6.1 Die Fahrzeugstruktur und das Package3.6.1.1 Der Strukturverlauf3.6.1.2 Betrachtung einzelner Strukturkomponenten3.6.1.3 Packageaspekte in der Fahrzeugsicherheit© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 2/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5.1 Vorgänge beim Crash undenergetische Betrachtungen3.5 Grundlagen im FahrzeugcrashDer Fahrzeugcrash ist ein dynamischer Vorgang und zeichnetsich durch hohe elasto-plastische Verformung aus. Er setzt sichaus einer Vielzahl in- und nacheinander verlaufenderReaktionen aus. Die wesentlichste Interaktion herrscht zwischenFahrzeugstruktur und Insassenschutzsystemen.Verhalten desInsassenschutzsystemsDeformationsverhaltender FahrzeugstrukturInsassenbelastungen entstehen entweder indirekt durchVerzögerungen oder direkt durch Kontaktkräfte!© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 3/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5.1 Vorgänge beim Crash undenergetische BetrachtungenPrinzipielle Energetische Betrachtung3.5 Grundlagen im Fahrzeugcrashm2ΔE = *( v1 − v2)= F *2sΔE = Energieänderung, die auf den Insassen bei einem Unfall wirktm = InsassenV1 = Geschwindigkeit vor dem UnfallV2 = Geschwindigkeit nach dem UnfallF = Kraft, die auf den Insassen während des Unfalls wirktS = Anhalteweg, der dem Insassen unter Krafteinleitung zur Verfügung stehtPrinzipielle Betrachtung zur KraftF2F1E2E1E1 = E2F2 > F1KraftDeformationsweg / Zeit© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 4/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5.1 Vorgänge beim Crash undenergetische BetrachtungenNutzbarer Anhalteweg für die Insassen:s vMs Ms nM s Zs I3.5 Grundlagen im FahrzeugcrashMotors vM :s nM :s M :s Z :s I :Verformungsweg vor dem MotorVerformungsweg zwischenSpritzwand und MotorAbmaße des starren MotorgetriebeblocksVerformungsweg des Fahrgaszelle(Fußraumfreiheit!)Vorverlagerungsweg des InsassenNutzbarer Anhalteweg für die Insassen:s = s vM + s nM + s Z + s I© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 5/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5.1 Vorgänge beim Crash undenergetische BetrachtungenGeschwindigkeit-Zeit-DiagrammPhysikalisches Optimum3.5 Grundlagen im FahrzeugcrashCrashgeschwindigkeitGeschwindigkeitv-Fahrzeugv-BrustVerformungsweg des FahrzeugesVorverlagerungsweg desInsassen im InnenraumBeispiel:Verformungsweg des Fahrzeug = 1 mVorverlagerungsweg des Insassen = 0,25 mCrashgeschwindigkeit = 15,55 m/secaa ==v2 *v ^2(2 * s)15,55 ^2 2a-Brust 15 ,55a Brust=2* (1,0+ + 0,25) 0,25 )Mittlere Brustverzögerunga-Brust = 96,72 m/sec^2= 9,85 g2BrustbeschleunigungsZeit© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 6/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5.1 Vorgänge beim Crash undenergetische BetrachtungenGeschwindigkeit-Zeit-DiagrammMit Relativbewegung Fahrzeug / InsasseGeschwindigkeitv-BrustGurtlose3.5 Grundlagen im FahrzeugcrashInsasse wird vom Schutzsystemnicht gehaltenVorverlagerungsweg desInsassen im InnenraumBeispiel:Verformungsweg des Fahrzeug = 1 mVorverlagerungsweg des Insassen = 0,25 mCrashgeschwindigkeit = 15,55 m/secAirbag+Straffer aktiviert = 0,045 secErgebnis:Freie Bewegung vom Insassen = 0,12 mFahrzeugverformung während der freienBewegung vom Insassen = 0,58 mRelativbewegung vom Insassen zumFahrzeug mit Schutzsystem = 0,13 mFahrzeugverformung während derWirkung des Schutzsystems = 0,42 mInsasse wird vom Schutzsystemnicht gehaltenVerformungswegvom Fahrzeugv-FahrzeugInsasse wird vomSchutzsystem gehaltenMittlere Brustverzögerunga-Brust = 219,9 m/sec 2= 22,4 gVerzögerungdes Insassenphysikalisches OptimumInsasse wird vomSchutzsystem gehaltenVerzögerung = SteigungDeformationsweg = FlächeZeitQuelle: VW / SchwandtVerdeutlichung: iBS-Software / Frontalcrash SIMULATION euruncap & SWT & heißer© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 7/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5.1 Vorgänge beim Crash undenergetische Betrachtungen3.5 Grundlagen im FahrzeugcrashVideo!Quelle: AutoLivGurtlose© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 8/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5.1 Vorgänge beim Crash undenergetische Betrachtungen3.5 Grundlagen im FahrzeugcrashBewegungsabläufe Fahrzeug/InsasseGeschwindigkeitWeg nicht nutzbar wegen SensorauslösungWeg nicht nutzbar wegen Aktivierungdes SchutzsystemsDem Insassen zur Verfügungstehender AnhaltewegZeit [msec]t 0t 1t 2Quelle: Schwandt / VWt0 bis t1 = Sensorzeitt1 bis t2 = Aktivierungszeit für Schutzsystem© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 9/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5.1 Vorgänge beim Crash undenergetische Betrachtungen3.5 Grundlagen im FahrzeugcrashZur Erreichung geringst möglicher Belastungen auf dieInsassen stehen damit folgende Parameter zur Verfügung:1) Verlängerung des Verformungsweges2) Konstanteres Kraftniveau (höhere Struktureffektivität)3) Konstantere Haltekräfte des Gurtsystems (Gurteffektivität)4) Reduzierung der Crash-Sensorzeit5) Reduzierung der Aktivierungszeit desInsassenschutzsystems© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 10/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5.1 Vorgänge beim Crash undenergetische Betrachtungen3.5 Grundlagen im FahrzeugcrashAnmerkung:a max : Maximale Verzögerungv e : Geschwindigkeit nach Stoßv i = Aufprallgeschwindigkeit∆vGeschwindigkeitsänderungWeg-Geschwindigkeits&= f(t) Geschwindigkeits = f(t) DeformationswegVerzögerungv eZeit& s&= f(t) VerzögerungQuelle: Seiferta max© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 11/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5.1 Vorgänge beim Crash undenergetische Betrachtungen3.5 Grundlagen im Fahrzeugcrash100gVerzögerung a50FahrzeugzelleRes. KopfverzögerungFahrer angeschnallt3 Punkt Statikgurt0 0 50 100 150 200 250msZeit tFahrgastzellenverzögerung bezogen auf die Kopfverzögerungdes angeschnallten FahrersQuelle: Pipert© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 12/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5.1 Vorgänge beim Crash undenergetische Betrachtungen3.5 Grundlagen im FahrzeugcrashPrinzipielles Deformationsverhalten einer Fahrzeugstrukturälteren Baujahres mit inhomogener VorderwagenkennungQuelle: PipertAnmerkung:• Verzögerung gemessenan der B-Säule• a m = gemittelte Verzögerung© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 13/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5.1 Vorgänge beim Crash undenergetische Betrachtungen3.5 Grundlagen im Fahrzeugcrash40g40gQuelle: VW© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 14/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5.1 Vorgänge beim Crash undenergetische Betrachtungen3.5 Grundlagen im FahrzeugcrashBrustverzögerungZellenverzögerungA: Deformation des Stoßfängersystems(Krafteinleitungszone) und desvorderen LängsträgersB: Biegekollaps des eingeschnürtenLängsträgers in der MotorgegendC: Kontakt von Antriebseinheit mitBarriereD: Vorderer Bereich des Mitteltunnelsbeginnt zu verformenF: Deformation des Längsträgers hinterdem MotorE: Antriebseinheit kommt mitFahrzeugkarosserie (Spritzwand) inKontaktG/H: Deformation der Spritzwand & derLängsträgergabelung in dieBodengruppeI: Beginn der RückprallphaseA B F G HAnmerkung:Älteres Serienfahrzeug von1990, getestet nachFMVSS208!© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 15/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5.1 Vorgänge beim Crash undenergetische Betrachtungen3.5 Grundlagen im Fahrzeugcrash[Quelle: Ford/J. Reim]Zielauslegungskurve versus tatsächlicher Fahrzeugverzögerung© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 16/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5.1 Vorgänge beim Crash undenergetische Betrachtungenmittlere Deformationssteifigkeit [kN]350300250200150100500A11,5%B26,8%7,0%3.5 Grundlagen im Fahrzeugcrash0 100 200 300 400 500 600 700 800 900Deformationlänge [mm]Kalkulationsgrundlagen: Aufprall einer Mittelklasse-Limousine (1250kg inkl. Testausstattung) aufeine starre Wand mit 56km/h (Ekin = 152,2kJ) Elastischer Anteil durch Rückprall ca. 10%F38,0%16,7%GA B F G© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 17/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5.1 Vorgänge beim Crash undenergetische Betrachtungen3.5 Grundlagen im FahrzeugcrashDeformationsweg [m]Kraft [kN]0 100 200 300 4000 0,1 0,2 0,3 0,4Kraft [kN]Smart-PrototypKleinwagen (1000 kg)Mittelklasse Fzg.DeformationswegSteifigkeitskennung Vorderwagenälteres Modell (VW)© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 18/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5.1 Vorgänge beim Crash undenergetische Betrachtungen3.5 Grundlagen im FahrzeugcrashQuelle: SeifertSteifigkeitsverteilung der einzelnen Zonen in Fahrzeugbreite: Messungder Flächenkraft auf der starren Barriere durch Kraftmessplatten© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 19/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5.1 Vorgänge beim Crash undenergetische Betrachtungen3.5 Grundlagen im Fahrzeugcrash8Euro - NCAPADAC / AMSZeitachseUS - NCAPFMVSS 20800 100 136200270 300Spezifische Energieumsetzung im Fahrzeug© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 20/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5.1 Vorgänge beim Crash undenergetische Betrachtungen3.5 Grundlagen im FahrzeugcrashFMVSS 208 (56km/h) 0°AMS 55km/hODB 56km/hB-Säule© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 21/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5.1 Vorgänge beim Crash undenergetische Betrachtungen3.5 Grundlagen im Fahrzeugcrasha mitBewegungsverlaufv(t)a(t)s(t)Ta maxv 0v 0s dynZeitVerzögerungFahrzeugcrashkinematikαTβT(1-α-β)Ta−αTmaxt0 ≤t ≤ αTa maxa(t)− a maxamaxt− (α + β −1T−1)α T ≤ t ≤ ( α + β ) T( α + β ) T ≤ t ≤ TTErsatzverzögerungZeitmit α ≥ 0 und β ≥ 0 undα + β ≤ 1Quelle: Y. Ni© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 22/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5.1 Vorgänge beim Crash undenergetische Betrachtungen3.5 Grundlagen im Fahrzeugcrashaα=0 / β=0aα=0.5 / β=0TTaα=1.0 / β=0aα=0 / β=1.0TTDarstellung von prinzipiellen Ersatzverzögerungendurch entsprechende Wahl von α und βQuelle: Y. NI© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 23/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5.1 Vorgänge beim Crash undenergetische Betrachtungen1751503.5 Grundlagen im FahrzeugcrashVerzögerung [g]1251007550FsFs2500 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8Deformationsweg [m]Unterschiedliche mittlere Fahrgastzellenverzögerung bei prinzipiellenunterschiedlichen Vorderwagenkennungen (50km-Wandaufprall)Quelle: Kramer© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 24/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5 Grundlagen im Fahrzeugcrash3.5.1 Vorgänge beim Crash undenergetische BetrachtungenAufteilung der Kräfte auf die einzelnen KörperregionenWirksame KräfteKontaktkraft AirbagKontaktkraft Lenksystem undInnenraumAustauschkraft Hals ??GurtkraftKontaktkraft AirbagKontaktkraft Lenksystem undInnenraumAustauschkraft Hals- undLendenwirbelKontaktkraft Thorax -AbdomenGurtkraftKontaktkraft AirbagAustauschkraftLendenwirbelsäuleKontaktkraft Thorax -AbdomenKontaktkraft Sitz und SitzrampeOberschenkelkräfteKörperregionenKopf /HalswirbelsäuleThoraxBecken /AbdomenQuelle: TNO© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 25/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5.1 Vorgänge beim Crash undenergetische Betrachtungen3.5 Grundlagen im FahrzeugcrashFahrerKopfBrustHüfteBeifahrerVerzögerungen am FahrerundBeifahrer-Dummy beioptimiertem ISS© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 26/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5.1 Vorgänge beim Crash undenergetische Betrachtungen3.5 Grundlagen im FahrzeugcrashDeformation:v st52,3,4,5s F : stoßendes Fahrzeugs T : Türs R : Rückhaltesystem (Polster)s A : freier Insassenraum4s T2,3s R1,2,3,4,56s F: v = f(t) des InsassenVideo!v ges10s Av gestt A t Tt Rt Ft gestGeschwindigkeits-Zeit-Darstellung fürFahrzeugstruktur und Insasse für einerechtwinklige SeitenkollisionQuelle: Seifert / AutolivVerdeutlichung: iBS-Software / Seiteneu.exe „realer Crash – neu“ F5/F6/F7/F9 -> F2 = anhalten© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 27/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5.1 Vorgänge beim Crash undenergetische Betrachtungen3.5 Grundlagen im FahrzeugcrashPU-Schaum (RD=69g/l)PP-Schaum (RD=69g/l)PU-SchaumDeformationsverhalten von PP- und PUR-Schäumen bei verschiedenenTemperaturen undFeuchtigkeitsaufnahmenQuelle: BayerVerdeutlichung: iBS-Software / Kopfaufprall /Energieaufnahme / PUR-RG-ARG 80% und Optimum!© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 28/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5 Grundlagen im Fahrzeugcrash3.5.2 Versagensmechanismen vondünnwandigen Trägerstrukturen3.5 Grundlagen im Fahrzeugcrash3.5.1 Vorgänge beim Crash und energetische Betrachtungen3.5.2 Versagensmechanismen von dünnwandigen Trägerstrukturen3.5.3 Typische Kenngrößen von Deformationsstrukturen3.5.4 Dynamische Effekte3.6 Sicherheitsmaßnahmen zum Selbstschutz3.6.1 Die Fahrzeugstruktur und das Package3.6.1.1 Der Strukturverlauf3.6.1.2 Betrachtung einzelner Strukturkomponenten3.6.1.3 Packageaspekte in der Fahrzeugsicherheit© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 29/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5.2 Versagensmechanismen vondünnwandigen Trägerstrukturen3.5 Grundlagen im FahrzeugcrashDer Versagensmechanismus von dünnwandigen Profilen hängt von einerVielzahl von Faktoren ab. Diese sind i.B.:Konstruktionsparameter- Geometrie (Wandstärke, Querschnitt, Flanschlängen, Sicken)- Werkstoff (Fließspannung, Bruchdehnung)- Fügetechnik (Verbindungsart, Abstand Fügestellen, Fügeverbindungskraft)- Fertigungsqualität (Fügestellenqualität, Oberflächenqualität, Änderung derMaterialeigenschaften durch die Fertigung)Versuchsparameter:- Aufprallgeschwindigkeit- AufprallwinkelÜbergeordnetesÜbergeordnetesZielZielbeimbeim„crashen“„crashen“vonvonFahrzeugstrukturenFahrzeugstrukturenististes,es,klarklardefiniertedefinierteundundkontrolliertekontrollierteVersagensformenVersagensformenzuzuerzeugen!erzeugen!© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 30/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5 Grundlagen im Fahrzeugcrash3.5.2 Versagensmechanismen vondünnwandigen TrägerstrukturenPrinzipielle Deformationsarten unter axialer BelastungRegelmäßigesFaltenbeulenQuelle: SchrieverUnregelmäßigesFaltenbeulenBiegekollaps© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 31/BIS

Passive FahrzeugsicherheitMechanismen des regelmäßigen FaltenbeulensAxiallast FF maxF crQuelle: Schriever3.5 Grundlagen im Fahrzeugcrash3.5.2 Versagensmechanismen vondünnwandigen Trägerstrukturen© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 32/BISF oF mF u0 1: Starke lineare Traglastzunahme1: Kritische Traglast F cr erreicht; örtlichesAusbeulen der schwächsten Stelle wirdeingeleitet12: Ausbeulprozess setzt sich mit einernichtlinearen Traglastzunahme fort;Ausbeulvorgang überträgt sich auch aufandere Flanke; Spannungszustand zu denKannten nimmt zu, entsprechend in denFlanken ab; am Ende wird das Profil nurnoch durch die Kanten gehalten.2: Erreichen der maximalen TraglastF max = Maximalspannung an den Kantenwird überschritten.23: Ausbildung der Faltenbeule mitWellenlänge aus Phase 12 .3: Erreichen der unteren FaltenbeulenlastF u ; Kanten kommen zur Anlage erneuterAusbeulprozess wird eingeleitet.34: Ausbeulprozess setzt sich analog zu12 fort, bis obere Faltenbeulenlast F oerreicht wird.F m : Mittlere Faltenbeulenlast

Passive Fahrzeugsicherheit3.5 Grundlagen im Fahrzeugcrash3.5.2 Versagensmechanismen vondünnwandigen TrägerstrukturenAnimation des axialen FaltenbeulensQuelle: Imperia GmbH© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 33/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5 Grundlagen im Fahrzeugcrash3.5.2 Versagensmechanismen vondünnwandigen TrägerstrukturenMechanismen des BiegekollapsesM max12M crM 1M 331θ ′θ ′2ϕQuelle: H. Mahmot© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 34/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5 Grundlagen im Fahrzeugcrash3.5.2 Versagensmechanismen vondünnwandigen TrägerstrukturenbbDarstellung der Druckspannungen in einer ausgebeultenTrägerwand b eines auf Biegung beanspruchten Trägerprofils© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 35/BIS

Passive FahrzeugsicherheitMechanismen des regelmäßiges Faltenbeulen3.5 Grundlagen im Fahrzeugcrash3.5.2 Versagensmechanismen vondünnwandigen TrägerstrukturenBANeue Falte wird durch voll ausgeformte Falte direkt imAnschlussbereich initiiert; Reststauchlänge ist 0,25-0,3l 0Beurteilung des Ausbeulverhaltens an Handvon Einzelplatten:A = Ausbeulende PlatteB = Einspannende PlatteQuelle: Schriever© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 36/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5 Grundlagen im Fahrzeugcrash3.5.2 Versagensmechanismen vondünnwandigen TrägerstrukturenDie Energie zur Bildung einer Falte setzt sich aus zwei (weitestgehend) zeitlichnacheinander ablaufenden Vorgängen zusammen:1. Phase: Faltenbildung durch quasidehnungsfreie Biegung2. Phase : Endausformen der Falte durch DehnungE Falte = E Biegung + E Dehnung1. Phase: Dehnungsfreies Modell der FaltenbildungQuelle: SchrieverZone 1: Bereiche bewegen sich ohne Beitrag zurE Falte ähnlich einem starren Körper.Zone2: ringförmiger Teilkörper -Energiedissipation durch Dehnung inUmfangsrichtung.Zone 3:Zylindrische Teilflächen -Energiedissipation durch dehnungslose Biegungin den festen FließgelenklinienZone 4: Zylindrische Teilflächen -Energiedissipation durch Schub- undBiegebelastung (Wechselbiegung)1. Phase: quasidehnungslos! (quasi-inextensional mode)© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 37/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5 Grundlagen im Fahrzeugcrash3.5.2 Versagensmechanismen vondünnwandigen TrägerstrukturenMKLACPHBDD *ON1) Die kegelförmigen Teilflächen LDD*und ODD* dissipieren Energie durchDehnung2) In den zylinderförmigen TeilflächenOB und LB erfolgt dieEnergiedissipation durch Biegung desMaterials in festen, schrägstehendenFließgelenklinien (Fortsetzung derVorgänge aus Zone 4 , aber nur in eineRichtung)Bereich der MaterialdehnungPhase 2: Kinematisches Modell der Faltenbildung mit DehnungQuelle: Adams2. Phase: mit Dehnung (extensional mode)!© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 38/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5 Grundlagen im Fahrzeugcrash3.5.2 Versagensmechanismen vondünnwandigen TrägerstrukturenPrinzipielle Modi der Faltenbildunga) Asymmetrische Falten (eine Seite nach innen, eine Seite nach außen)b) Symmetrisches Falten (beide Seiten beulen nach außen)c) Inverses Falten (beide Seiten beulen nach innen)Faltungskompatibler Trägerprofil:Ohne Berührung der gegenüberliegendenFlanken bei der Faltenbildung© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 39/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5 Grundlagen im Fahrzeugcrash3.5.3 Typische Kenngrößen vonDeformationsstrukturen3.5 Grundlagen im Fahrzeugcrash3.5.1 Vorgänge beim Crash und energetische Betrachtungen3.5.2 Versagensmechanismen von dünnwandigen Trägerstrukturen3.5.3 Typische Kenngrößen von Deformationsstrukturen3.5.4 Dynamische Effekte3.6 Sicherheitsmaßnahmen zum Selbstschutz3.6.1 Die Fahrzeugstruktur und das Package3.6.1.1 Der Strukturverlauf3.6.1.2 Betrachtung einzelner Strukturkomponenten3.6.1.3 Packageaspekte in der Fahrzeugsicherheit© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 40/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5.3 Typische Kenngrößen vonDeformationsstrukturenFür flanschlose Rechteckprofile (a x b) mit derWandstärke (t) lassen sich die charakteristischenDeformationskennwerte F cr , F max , F o , F usemiempirisch ermitteln. Die empirisch ermitteltenPlattenkoeffizienten und Verfestigungsfaktoren sindden entsprechenden Grafiken zu entnehmen.3.5 Grundlagen im Fahrzeugcrash2σ = F crK * π * E ⎛ tcrσcr=*2 ⎜Amit 12*(1 −νe) ⎝ bFmaxm,o,uσmax, m,o,u=mitA0,43⎡t 2 ⎤⎢kmax,m,o,u* E *( )b ⎥σmax, m,o,u= ⎢* R2P0,2(1 −νe) * β * R⎥P0,2⎢⎣⎥⎦2⎞⎟⎠F crF maxF o,uF mσ crσ maxσ o,u= Kritische Traglast= Maximale Traglast= Ober/untere Faltenbeulenlast= Mittlere Faltenbeulenlast= Krit. elastische Beulspannung= Traglastspannung= Obere/untereFaltenbeulenspannungσ m= Mittlere FaltenbeulenspannungA = Trägerquerschnittk p,m,o,u= PlattenkoeffizientenE = Elastizitätsmodult = Wandstärkeν e= Querkontraktionszahl (elastisch)a = Kürzere Seiteb = Längere SeiteR P0,2= Fließgrenzeβ = Verfestigungsfaktor© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 41/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5.3 Typische Kenngrößen vonDeformationsstrukturen3.5 Grundlagen im FahrzeugcrashPlattenkoeffizient k maxk mk maxk ok uFalls die kritische (elastische) Beulspannung kleiner der Traglastspannung ist versagt dasTrägerprofil im Querschnitt mit unregelmäßigem Faltenbeulen und i.d.R mit nachfolgendemBiegekollaps!Quelle: H. MahmodFaltungskompatibler Querschnitt wenn gilt: crσ ≥ σ© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 42/BISmax

Passive Fahrzeugsicherheit3.5.3 Typische Kenngrößen vonDeformationsstrukturen3.5 Grundlagen im FahrzeugcrashWeitere typische Kenngrößen sind:1) Längenspezifische Energieaufnahme:(= mittlere Faltenbeulenlast)ELcDefs1= * ∫sDef0F(s)ds=Fm2) Massenspezifische Energieaufnahme:E =McEmLCDef3) StruktureffektivitätIsolierte Betrachtung der Trägergeometrie gut geeignet zur globalen und vergleichendenBeurteilung des Deformationsverhaltensunterschiedlichster Strukturen4) Peaküberhöhung:η =ePÜσRmittel=mFFmaxm© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 43/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5.3 Typische Kenngrößen vonDeformationsstrukturen3.5 Grundlagen im FahrzeugcrashWeitere typische Kenngrößen sind:5) Relative Ungleichförmigkeit:eU=Fo, mittel−FmFu,mittel6) Energieausbeute:=*lL 0EAEclEN7) Geometrischer Wirkungsgrad:η G =s Defl 0l 0 = Ausgangslänge des Trägersl En = Reststauchlänges Def = Deformationslänge, bis Kraftanstieg am Endeder Deformation F max wieder übersteigt© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 44/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5 Grundlagen im Fahrzeugcrash3.5.3 Dynamische Effekte3.5 Grundlagen im Fahrzeugcrash3.5.1 Vorgänge beim Crash und energetische Betrachtungen3.5.2 Versagensmechanismen von dünnwandigen Trägerstrukturen3.5.3 Typische Kenngrößen von Deformationsstrukturen3.5.4 Dynamische Effekte3.6 Sicherheitsmaßnahmen zum Selbstschutz3.6.1 Die Fahrzeugstruktur und das Package3.6.1.1 Der Strukturverlauf3.6.1.2 Betrachtung einzelner Strukturkomponenten3.6.1.3 Packageaspekte in der Fahrzeugsicherheit© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 45/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5 Grundlagen im Fahrzeugcrash3.5.3 Dynamische EffekteVerschiedene Funktionen für die dynamische LastüberhöhungDer Crash ist ein hoch dynamischer Vorgang. Neben der Strukturgeometrie sind folgendedynamische Faktoren von maßgeblichem Einfluss bei großen, plastischen Deformationen:1) Massenträgheit2) Wellenausbreitungsphänomen3) Dehngeschwindigkeitsabhängige MaterialverhaltenDynamische LastüberhöhungR dyn21.510.50010 20 30 40StatischAbramowiczOhkuboAkerströmWimmerQuelle: SchrieverAufprallgeschwindigkeit v 0[km/h]© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 46/BIS

Passive Fahrzeugsicherheit3.5 Grundlagen im Fahrzeugcrash3.5.3 Dynamische EffekteGeschwindigkeitseinfluss aufdas Deformationsverhalten einesRechteckprofiles(Quelle: S. Haß)© Prof. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6 / Fachhochschule Aachen 47/BIS

Fragen &AntwortenProf. Dr.-Ing. T. Röth / Lehr- und Forschungsgebiet „Karosserietechnik“ / FB6: Luft- und Raumfahrttechnik /Fachhochschule Aachen / Hohenstaufenallee 6 / 52064 Aachen / www.karosserietechnik.fh-aachen.de