AT517674B1

AT517674B1 - Aktive Struktur

Info

Publication number: AT517674B1
Application number: ATA50729/2015A
Authority: AT
Original assignee: Hirtenberger Automotive Safety Gmbh & Co Kg
Priority date: 2015-08-20
Filing date: 2015-08-20
Publication date: 2017-11-15
Also published as: AT517674A1

Abstract

Ein Fahrzeug weist in seinem vorderen Bereich einen Stoßfänger und eine aktive Struktur (4) auf, wobei die Struktur (4) durch Druckbeaufschlagung weitestgehend in Fahrzeug-x-Richtung, d.h. in Fahrtrichtung, expandierbar ist und aus Metall besteht. Damit die aktive Struktur (4) für den Fußgängerschutz geeignet ist, obwohl sie aus Metall besteht, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die aktive Struktur (4) durch eine an einen starren Bereich (3) in Fahrzeug-x- Richtung anschließende, biegsame Wand (5) gebildet ist, deren Hohlraum mittels eines pyrotechnischen Gasgenerators mit Druck beaufschlagbar ist, und dass zum Druckabbau eine oder mehrere Abströmöffnungen (6) vorgesehen sind. Zur frühzeitigen Einleitung der Körperrotation bei Fußgängerunfällen und zur Verringerung von Knieverletzungen ist die aktive Struktur unterhalb des vordersten Bereichs des Stoßfängers und hinter diesem angeordnet, vorzugsweise befindet sie sich hinter der Spoiler-Lippe und schiebt im Falle eines Unfalls die Spoiler-Lippe vor. Damit werden die Kräfte nicht primär auf das Knie, sondern auf den Tibia- Bereich übertragen.

Description

Beschreibung [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug, das in seinem vorderen Bereich einen Stoßfänger und eine aktive Struktur aufweist, wobei die Struktur durch Druckbeaufschlagung weitestgehend in Fahrzeug-x-Richtung, d.h. in Fahrtrichtung, expandierbar ist und aus Metall besteht. Sie betrifft weiters eine aktive Struktur für solch ein Fahrzeug.

[0002] Nach der aktiven und passiven Sicherheit für die Fahrzeuginsassen ist etwa ab dem Jahr 2000 auch die Sicherheit der Fußgänger immer stärker in den Fokus der Automobilhersteller gerückt. Eine starke Basis für diese Entwicklung bot die Gesetzeslage in Japan, die frühzeitig Sicherheitssysteme zum besseren Schutz der Fußgänger erforderte. Mit Einführung der ersten Systeme am europäischen Markt durch Jaguar und Porsche konnten auch die japanischen Vorgaben erfüllt werden.

[0003] Die Aufgaben des Fußgänger-Schutzes gliedern sich grob in drei thematische Gebiete, von denen zwei mittlerweile gut beherrscht werden: [0004] Das erste Thema waren die Verletzungen beim Aufschlag des Kopfes auf die Motorhaube, wobei darunter liegende harte Aggregate getroffen werden. Hier behilft man sich dadurch, dass die Motorhaube im Crashfall angehoben wird und dadurch Freiräume unterhalb der nachgiebigen Motorhaube geschaffen werden, die als Deformationsraum dienen.

[0005] Der zweite Punkt sind Hüftverletzungen, hier haben die Automobilhersteller durch entsprechend weiche Auslegung der Frontpartie, z.B. durch Tausch der harten Scheinwerfergläser durch Polycarbonat, massive Verbesserungen geschaffen.

[0006] Der letzte Punkt sind Knieverletzungen, die durch unzulässige Biegebelastungen des Beins entstehen. Diese Verletzungen sind äußerst unangenehm und langwierig in der Behandlung. Anders als bei einem Bruch des Oberschenkels, der in ca. vier Wochen verheilt ist, beeinträchtigen die Verletzungen des Gelenks und der Sehnen die Unfallopfer oft das gesamte Leben. Die aktuelle Maßnahme zur Vermeidung solcher Verletzungen besteht in einer weitgehend geraden Ausführung der Fahrzeugfront zwischen der Höhe der Scheinwerfer und der Spoilerlippe bzw. den Spoilerlippen. Naturgemäß schränkt das die Designfreiheit bei den Fahrzeugen stark ein und führt zu einem Einheitsgesicht, welches mit einem sportlichen Auftritt nur schlecht kompatibel ist. Hinzu kommt, dass eine gerade Fahrzeugfront nicht für alle Fahrzeuge implementierbar ist. Besonders von Geländefahrzeugen geht durch die Optimierung der Fahrzeugfront hinsichtlich des zulässigen Böschungswinkels eine hohe Gefährdung aus. Rover hat dies frühzeitig erkannt und in der GB 2336572 A einen Airbag zur Stabilisierung des unteren Beinbereichs vorgesehen. Dieser Airbag wird aufgeblasen, sobald eine Kollision detektiert wird. In der Weiterbildung dieses Gedankens durch Volvo in der EP 2594438 A1 wird das Luftsackgewebe als Drop-Stitch-Material dargestellt. Dieses Material bietet zwar gute mechanische Eigenschaften, ist aber ebenso wie die anderen beschriebenen Kunststoffe für die Anwendung im Außenbereich nur eingeschränkt geeignet. Große Temperaturschwankungen, der Angriff durch diverse Flüssigkeiten wie Öl, Benzin, Bremsenreiniger, mechanische Einwirkung etc. führen zu einer starken Verkürzung der Lebensdauer. In dieser Schrift ist weiters erwähnt, dass auch ein Pre-Crash-Sensor zum Einsatz kommen kann, d.h. der Airbag wird bereits aufgeblasen, bevor die Kollision stattfindet, sodass die Beine des Fußgängers auf den Airbag und nicht - oder nicht nur - auf die Stoßstange treffen. In der JP 2006321281 A wird eine Kapselung des Airbagmoduls vorgeschlagen, um den empfindlichen Luftsack zu schützen, die Einwirkungen von Temperatur und mechanischer Belastung bleiben jedoch weiterhin bestehen. Der dort beschriebene Airbag dient allerdings zum Anheben der Motorhaube.

[0007] Andererseits sind auch schon aktive Strukturen aus Metall im vorderen Bereich eines Fahrzeuges, die durch Druckbeaufschlagung weitestgehend in Fahrzeug-x-Richtung, d.h. in Fahrtrichtung, expandieren, bekannt, siehe z.B. die DE 102012007814 A1. Gemäß dieser Schrift wird der Stoßfänger nach vorne aufgeblasen. Dies dient dazu, zusätzlichen Raum zur Energieaufnahme zu schaffen, die Strukturen sollen also möglichst steif sein.

[0008] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden und ein Schutzmodul zu schaffen, das kaum einer Alterung unterliegt.

[0009] Diese Aufgabe wird durch ein Fahrzeug der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die aktive Struktur durch eine an einen starren Bereich in Fahrzeug-x-Richtung anschließende, biegsame Wand gebildet ist, deren Flohlraum mittels eines pyrotechnischen Gasgenerators mit Druck beaufschlagbar ist, und dass zum Druckabbau eine oder mehrere Abströmöffnungen vorgesehen sind.

[0010] Die bestehende Erfindung vermeidet die Nachteile der bekannten Airbags und stellt ein entsprechend robustes Schutzmodul dar, welches nicht gekapselt werden muss. Grundgedanke der Erfindung ist, die Stützfunktion für den unteren Beinbereich durch eine metallische aufblasbare Struktur auszubilden. Diese hat neben der bekannten Beständigkeit gegen organische Lösungsmittel den Vorteil, dass das Material praktisch nicht altert und somit auch nach 15-20 Jahren noch immer eine ordnungsgemäße Funktion gewährleistet ist.

[0011] Zur frühzeitigen Einleitung der Körperrotation bei Fußgängerunfällen und zur Verringerung von Knieverletzungen ist die aktive Struktur unterhalb des vordersten Bereichs des Stoßfängers und hinter diesem angeordnet. Erfindungsgemäß schiebt sich also im Falle eines Fußgängerunfalls die aktive Struktur unterhalb des vordersten Bereichs des Stoßfängers vor, bis sie etwa mit dem vordersten Bereich des Stoßfängers fluchtet und somit eine gerade Front bildet, sodass sie das Schienbein des Fußgängers trifft und damit verhindert, dass das Knie durch den vordersten Bereich des Stoßfängers durchgebogen wird (wie dies bei herkömmlichen Fahrzeugen und auch gemäß der oben erwähnten DE 102012007814 A1 der Fall ist). Dies kann zwar zu einem Bruch des Schienbeins (Tibia) führen, jedoch heilen solche Verletzungen innerhalb weniger Wochen aus, wogegen Knieverletzungen oft niemals völlig ausheilen.

[0012] Zum Druckabbau sind Abströmöffnungen vorgesehen, durch die das Gas, das zum Aufblasen notwendig ist, abströmen kann. Durch die dadurch erfolgende Absenkung des Drucks wird die Gegenkraft der Struktur und damit die Schwere der Verletzungen im Tibiabereich verringert. Bei einem Fahrzeug mit Spoiler-Lippe ist es besonders zweckmäßig, wenn sich die aktive Struktur hinter der Spoiler-Lippe befindet und im Falle eines Unfalls die Spoiler-Lippe vorschiebt. Auf diese Weise bleibt das Äußere des Fahrzeugs völlig unverändert. Aufblasbare metallische Strukturen sind im Fahrzeugbau bekannt, dienen aber bisher immer dem Schutz des Fahrzeuges bzw. dessen Insassen, d.h. sie sollen die Stabilität erhöhen. Neben der bereits erwähnten DE 102012007814 A1 kann beispielsweise auf die DE 102008039514 A1 verwiesen werden. Gerade solch eine hohe Stabilität ist aber beim Fußgängerschutz höchst schädlich, will man Tibia-Verletzungen vermeiden. Auch wenn Tibia-Verletzungen relativ schnell vollständig ausheilen, so sind gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt weitere Merkmale vorgesehen, um Tibia-Verletzungen möglichst zu vermeiden.

[0013] Es ist daher erfindungsgemäß bevorzugt, dass unmittelbar nach der Expansion ein Druckabbau auf maximal 50% des zum Aufblasen erforderlichen Drucks stattfindet. Der Druckabfall erfolgt vorzugsweise innerhalb von 50 ms und führt zu einem Innendruck kleiner als 1 bar.

[0014] Damit nun die Struktur nicht zu steif ist, ist also erfindungsgemäß bevorzugt, dass unmittelbar nach der Expansion ein Druckabbau stattfindet. Für das Aufblasen ist ein relativ hoher Druck notwendig. Wenn dieser Druck jedoch sehr schnell wieder abgebaut wird, herrscht zum Zeitpunkt der Kollision mit dem Fußgänger in der Struktur nur noch ein geringerer oder gar kein Überdruck. Durch geeignete Wahl von Material und Wandstärke lässt sich die Verformbarkeit der Struktur gut einstellen. Präferiertes Material sind Aluminiumlegierungen, eine Ausführung aus beschichtetem Stahlblech ist ebenfalls möglich. Die aufblasbare Struktur befindet sich unterhalb der Stoßstange und erstreckt sich bevorzugt über die gesamte Fahrzeugbreite. Die Ausbreitung der Struktur bei Auslösung erfolgt weitgehend in x-Richtung, d.h. entgegen der Richtung des Beinaufpralls, und limitiert den Bewegungsweg.

[0015] Vorzugsweise wird die Struktur sehr schnell, d.h. innerhalb von 2-20 ms aufgeblasen; dadurch wird gewährleistet, dass auch bei später Erkennung eines bevorstehenden Fußgän gerkontakts die Struktur aufgeblasen und der Druck abgebaut werden kann, sodass die Struktur den angestrebten Schutz bietet.

[0016] Wichtig ist außerdem, dass die Struktur auch nach Abbau des Innendrucks Energie-Aufnahmevermögen besitzt, d.h. dass sie während ihrer Deformation beim Kontakt mit dem Fußgänger einen gewissen, jedoch nicht allzu großen Widerstand bietet, sodass die Beine des Fußgängers vergleichsweise sanft beschleunigt werden. Vorzugsweise liegt die Gegenkraft der aufgeblasenen Struktur nach dem Druckabbau im Bereich 0,5-2 kN.

[0017] Der Kontaktbereich - d.h. der Frontbereich der aufblasbaren Struktur, wo der Kontakt mit dem Bein des Fußgängers erfolgt - kann zur Vermeidung von Kraftspitzen zusätzlich mit energieabsorbierendem Material gepolstert sein.

[0018] Ein rascher Druckabbau kann durch geeignete pyrotechnische Sätze erzielt werden. Wenn die pyrotechnischen Materialien zum Aufblasen der Struktur einen sehr steilen Druckanstieg und eine geringe Menge an permanentem Gas aufweisen, dann entsteht zunächst auf Grund der hohen Temperatur ein sehr hoher Druck, infolge der raschen Abkühlung an den Metallflächen sinkt die Temperatur aber sehr rasch ab, was nach dem plötzlichen Druckanstieg einen sehr schnellen Druckabfall bewirkt. Deshalb werden Sätze bevorzugt, die aus zumindest 20% Metallkomponenten, ausgewählt aus Titan, Zirkon, Titanhydrid, Zirkonhydrid und/oder Silizium, bestehen.

[0019] Als Sauerstofflieferant kann Kaliumperchlorat dienen. Bevorzugt ist die Sauerstoffbilanz der pyrotechnischen Mischung stark unterbilanziert, sodass das Verhältnis von CO:C02 in den Abbrandprodukten zumindest 10:1 beträgt. Es ist aber auch möglich, dass die Sauerstoffbilanz der pyrotechnischen Mischung neutral bilanziert ist, sodass das Verhältnis C02:CO in den Abbrandprodukten zumindest 10:1 beträgt.

[0020] An Hand der beiliegenden Zeichnung wird die vorliegende Erfindung näher erläutert. Es zeigt: [0021] Fig. 1 einen Horizontalschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung; und [0022] Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie ll-ll in Fig. 1 in stark vergrößertem Maßstab.

[0023] In den Figuren ist eine typische Anwendung dargestellt. Ein Schutzprofil 1 erstreckt sich hier über die gesamte Fahrzeugbreite. Es handelt sich in diesem Fall um ein stranggepresstes Aluminiumprofil aus der Gruppe der sogenannten 3000er Legierungen, das sind Aluminiumlegierungen mit hoher Dehnbarkeit; verwendet wurde EN AW 3005. Das hier dargestellte Profil besitzt einen starren Bereich 3, der als Träger dient, und einen aufblasbaren Bereich, also eine aktive Struktur 4 mit einer biegsamen Wand 5. Die aktive Struktur 4 kann durch Gasgeneratoren 2a, 2b, die an den beiden Enden der aktiven Struktur 4 vorgesehen sind, mit Druck beaufschlagt werden, sodass sich die Wand 5 zu einem kreisähnlichen Querschnitt verformt.

[0024] Zwischen der aktiven Struktur 4 und dem starren Bereich 3 befinden sich drei Ab-strömöffnungen 6 (in der Fig. 2 ist nur eine zu sehen), sodass das durch die Gasgeneratoren 2a, 2b erzeugte Gas rasch in den starren Bereich 3 abströmen kann; fluchtend zu den Ab-strömöffnungen 6 hat der starre Bereich 3 Öffnungen 6' (in Fig. 2 ist wiederum nur eine zu sehen), sodass das Gas weiter ins Freie abströmen kann. Zu beiden Seiten der in Fig. 2 sichtbaren Abströmöffnung 6 in der Mitte der aktiven Struktur 4 sind noch zwei weitere Abströmöff-nungen in etwa 10 cm Abstand vorgesehen. Für die Versuche wurden drei Abströmbohrungen mit einem Durchmesser von 25 mm verwendet. Dadurch fällt der Druck innerhalb von ca. 30 ms von 3 auf unter 1 bar. Die Anordnung der Abströmöffnungen 6 ist beliebig, sie können insbesondere auch an der Außenseite oder in manchen Fällen an den Enden der aktiven Struktur vorgesehen sein.

[0025] Die Auswahl der Metalllegierung und der Stärke der Wand 5 erfolgt dergestalt, dass die aktive Struktur 4 - nach dem Aufblasen und nach dem Abströmen des zum Aufblasen notwendigen Gases - bei Aufprall des Beines eine Gegenkraft im Bereich 0,5 - 2 kN erzeugt. Liegt im beim Anprall des Fussgängers der Innendruck unter 1 bar, werden besonders bioverträgliche

Belastungen im Tibabereich erzielt, und dennoch wird die Körperrotation ohne unzulässige Kniebelastung eingeleitet.

[0026] In diesem Beispiel wurden der starre Bereich 3 und die aktive Struktur 4 gemeinsam extrudiert. Naturgemäß kann die aktive Struktur aber auch auf einem getrennten Grundträger montiert werden.

[0027] Die Fixierung des Schutzprofils am Fahrzeug erfolgt beispielsweise durch Verschrauben.

[0028] Die beiden Gasgeneratoren enthalten jeweils 4 g einer Mischung aus:

Zirkonhydrid: 18%

Silizium: 5%

Kohlenstoff: 11%

Kaliumperchlorat: 63%

Bindemittel, Dispergierhilfsstoff: 3% [0029] Die Mischung besteht aus einer Anzündmischung (Metall bzw. Metallhydrid und Oxidationsmittel) und einem Gassatz (Brennstoff und Oxidationsmittel), wobei die Summe der Metallkomponenten zumindest 20% beträgt, um die Anzündung und das Fortschreiten der Verbrennung bei niedrigem Druck zu ermöglichen.

[0030] Die pyrotechnische Mischung befindet sich in einer Hülse aus Aluminium, die Anzündung erfolgt durch einen handelsüblichen GTMS-Anzünder.

[0031] Die oben vorgestellte Rezeptur besitzt eine stark negative Sauerstoffbilanz, wodurch sich der Einsatz an Oxidationsmitteln reduziert. Werden sauberere Abgase angestrebt, muss der Gehalt an Oxidationsmitteln entsprechend erhöht werden.

Claims

Patentansprüche

1. Fahrzeug, das in seinem vorderen Bereich einen Stoßfänger und eine aktive Struktur (4) aufweist, wobei die Struktur (4) durch Druckbeaufschlagung weitestgehend in Fahrzeug-x-Richtung, d.h. in Fahrtrichtung, expandierbar ist und aus Metall besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Struktur (4) durch eine an einen starren Bereich (3) in Fahrzeug-x-Richtung anschließende, biegsame Wand (5) gebildet ist, deren Hohlraum mittels eines pyrotechnischen Gasgenerators mit Druck beaufschlagbar ist, und dass zum Druckabbau eine oder mehrere Abströmöffnungen (6) vorgesehen sind.
2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur frühzeitigen Einleitung der Körperrotation bei Fußgängerunfällen und zur Verringerung von Knieverletzungen die aktive Struktur unterhalb des vordersten Bereichs des Stoßfängers und hinter diesem angeordnet ist.
3. Fahrzeug nach Anspruch 2 mit einer Spoiler-Lippe, dadurch gekennzeichnet, dass sich die aktive Struktur hinter der Spoiler-Lippe befindet und im Falle eines Unfalls die Spoiler-Lippe vorschiebt.
4. Aktive Struktur für ein Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar nach der Expansion ein Druckabbau auf maximal 50% des zum Aufblasen erforderlichen Drucks stattfindet.
5. Aktive Struktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckabfall innerhalb von maximal 50 ms nach Beginn der Expansion erfolgt.
6. Aktive Struktur nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckabfall zu einem Innendruck kleiner 1 bar führt.
7. Aktive Struktur nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur sehr schnell, d.h. in einem Zeitfenster zwischen 2 und 20 ms, aufgeblasen wird.
8. Aktive Struktur nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenkraft der aufgeblasenen Struktur nach dem Druckabbau im Bereich 0,5-2 kN liegt.
9. Aktive Struktur nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche zum Bein mit energieabsorbierendem Material gepolstert ist.
10. Aktive Struktur nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der pyrotechnische Gasgenerator einen Satz aufweist, der aus zumindest 20 % Metallkomponenten, ausgewählt aus Titan, Zirkon, Titanhydrid, Zirkonhydrid und/oder Silizium, besteht.
11. Aktive Struktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffbilanz der pyrotechnischen Mischung stark unterbilanziert ist, sodass das Verhältnis von CO:C02 in den Abbrandprodukten zumindest 10:1 beträgt.
12. Aktive Struktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffbilanz der pyrotechnischen Mischung neutral bilanziert ist, sodass das Verhältnis C02:CO in den Abbrandprodukten zumindest 10:1 beträgt. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen