Verifizierung eines innovativen Türkonzeptes hinsichtlich der passiven Sicherheit mittels Finite Elemente Methode

Verification of an innovative door concept with respect to passive safety by means of the Finite Element Method

Betreuer:
Prof. Dr.-Ing. C. Bode, TFH Berlin
Betreuer extern:
Dipl.-Ing. Petermann, Engineering and Design AG, Fulda
Gutachter:
Prof. Dr. N. Kalus, TFH Berlin

1 Einleitung

Damit ein Fahrzeug für den Straßenverkehr zugelassen werden kann, muss der Hersteller unter anderem Sicherheitsanforderungen an das Fahrzeug gewährleisten. Aufgrund der Vielzahl von Unfallarten, z.B. Frontal-, Seiten- und Heckaufprall, müssen heutzutage die Fahrzeuge so ausgelegt werden, dass sie für verschiedene Unfallarten Schutz bieten. Im Gegensatz zum Frontal- und Heckaufprall ist der Insasse aufgrund der geringeren Sicherheitszone bei einem Seitenaufprall deutlich höheren Gefahren ausgesetzt, so dass an den Seitenaufprallschutz besonders hohe Ansprüche gestellt werden. Da jedoch der Bauraum für den Seitenaufprallschutz in einer Fahrzeugtür beschränkt ist, muss sichergestellt werden, dass dieser auch optimal ausgenutzt wird. Daher werden im Rahmen dieser Arbeit zunächst die Aufgaben des Seitenaufprallschutzes detailliert untersucht. Aufbauend auf den Ergebnissen dieser Untersuchungen wurde ein innovatives Türkonzept entwickelt, das eine erhöhte Energieabsorption durch Ausschäumungen in der Tür vorsieht.

Im weiteren Verlauf wurden sowohl verschiedene Modifikationen des Seitenaufprallschutzes als auch das innovative Türkonzept anhand der Seitencrash-Testverfahren nach IIHS- und Euro NCAP-Vorgaben im Hinblick auf die passive Sicherheit untersucht. Beide Testverfahren stellen aufgrund ihrer Randbedingungen die höchsten Ansprüche an den Seitenaufprallschutz.

2 Seitencrash-Testverfahren nach IIHS- bzw. EURO NCAP-Vorgaben

Im Folgenden werden die Testbedingungen des Seitencrashs und deren Bewertungskriterien nach dem Insurance Institute of Highway Safety (IIHS) und dem European New Car Assessment Program (Euro NCAP) dargestellt (vgl. Abbildung 1).

Abbildung 1: Seitencrash-Testverfahren nach IIHS- und Euro NCAP-Vorgaben

Das Testverfahren nach IIHS-Vorgaben stellt im Vergleich zum Euro NCAP-Testverfahren aufgrund der größeren Masse und Bodenfreiheit der Barriere einen höheren Anspruch an die Seitenkonstruktion eines Fahrzeugs. Die Untersuchungen verschiedener Türmodifikationen im Hinblick auf die passive Sicherheit wurden aus diesem Grund zu Beginn der Arbeit mit dem IIHS-Testverfahren durchgeführt.

Die Abbildungen 2 bis 4 zeigen den Ablauf des IIHS-Testverfahrens beispielhaft. Zur Verdeutlichung wurde das Außenblech der Türkonstruktion entfernt und die Umrisse der Barriere transparent dargestellt.

Abbildung 2: IIHS-Testverfahren, bei 0 ms

Abbildung 3: IIHS-Testverfahren, bei 10 ms

Abbildung 4: IIHS-Testverfahren, bei 20 ms

Bei dem IIHS-Testverfahren dringt der Stossfänger der Barriere stark in den unteren Türbereich ein (vgl. Abbildungen 2 bis 4), so dass verstärkt der untere Seitenaufprallträger beansprucht wird.

Im Gegensatz hierzu wird beim Euro NCAP-Testverfahren aufgrund der geringeren Bodenfreiheit der Barriere der Türschweller des Fahrzeuges getroffen. Infolgedessen wird der Barriere im unteren Bereich ein höherer Widerstand entgegengebracht, so dass es im oberen und mittleren Türbereich zu einer verstärkten Belastung der Türkonstruktion kommt.

Anhand dieser beiden Testverfahren konnten die Aufgaben des Seitenaufprallschutzes in den verschiedenen Regionen der Tür detailliert untersucht werden (vgl. Abschnitt 3).

3 Aufgaben der Komponenten des Seitenaufprallschutzes

Mit Hilfe verschiedener Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass der Seitenaufprallschutz je nach Position verschiedene Aufgaben hinsichtlich der passiven Sicherheit übernimmt. Im Folgenden werden die Ergebnisse der Untersuchungen unterschiedlicher Türmodifikationen zusammen gefasst:

• Brüstungsbereich:
  Durch die Verwendung einer Brüstungsverstärkung bildet sich ein steifer Verbund aus Außen- und Innenblech sowie der Brüstungsverstärkung. Dies führt zu einer erhöhten Belastung des Insassen im oberen Torsobereich.
• Mittlerer Türbereich:
  Der Seitenaufprallschutz übernimmt die Aufgabe verstärkte Intrusionen der Fahrzeigstruktur in die Fahrgastzelle zu vermeiden.
• Unterer Türbereich:
  In diesem Bereich muss sowohl eine verstärkte Strukturintrusion vermieden als auch genügend Deformationsraum zur Verfügung gestellt werden. Ein zu starkes Anschieben des Insassen im Beckenbereich muss durch eine entsprechende Auslegung des Seitenaufprallschutzes in diesem Bereich verhindert werden.

4 Entwicklung eines innovativen Türkonzeptes

Anhand der Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass eine Versteifung der Tür zu einer deutlichen Erhöhung der Energieaufnahme in der Fahrzeugtür und der Barriere führt. Diese Energie steht im weiteren Verlauf des Crashs für die Beschleunigung der Fahrzeugstruktur bzw. des Insassen nicht mehr zur Verfügung.

Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde ein innovatives Türkonzept entwickelt, das eine erhöhte Energieaufnahme der Tür durch Ausschäumungen in Höhe des unteren Seitenaufprallträgers vorsieht. Der obere Seitenaufprallschutz wird hingegen nach konventionellen Gesichtspunkten ausgelegt. In Abbildung 5 ist das innovative Türkonzept dargestellt.

Abbildung 5: Innovatives Türkonzept

Das neu entwickelte Türkonzept erzielte in den Testverfahren nach IIHS- und Euro NCAP-Vorgaben sehr gute Ergebnisse hinsichtlich der passiven Sicherheit.

5 Untersuchungen der Steifigkeit des Türrohbaus

Die erfolgsversprechendsten Türmodifikationen wurden abschließend anhand eines statischen Missbrauchslastfalls hinsichtlich ihres Einflusses auf die Steifigkeit des Türrohbaus untersucht. Änderungen der Profile der Seitenaufprallträger besaßen dabei nur einen sehr geringen Einfluss auf die Steifigkeit, während das innovative Türkonzept zu einer leichten Abnahme der Steifigkeit führte. Dies ist auf die konzeptbedingte Veränderung der Anordnung des unteren Seitenaufprallträgers zurück zuführen.

6 Zusammenfassung und Ausblick

Anhand der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen wurden die Aufgaben der einzelnen Komponenten des Seitenaufprallschutzes detailliert untersucht. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse führten zu der Entwicklung eines innovativen Türkonzeptes das sehr gute Ansätze im Hinblick auf die passive Sicherheit zeigt. Anhand eines statischen Missbrauchslastfalls wurde jedoch auch deutlich, dass die Steifigkeit der Türkonstruktion konzeptbedingt abnimmt. Weitere Untersuchungen sollten sich daher mit einer Verifizierung dieses innovativen Konzeptes hinsichtlich der Steifigkeit befassen.

7 Verwendete Software

In Tabelle 1 ist die Software aufgelistet, die im Verlaufe der Masterarbeit verwendet wurde.

Tabelle 1: Verwendete Software