Die Erfindung hat einen Anpralldämpfer aus Leichtbeton nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, der im Falle eines Fahrzeuganpralls definiert Energie aufnimmt bzw. vernichtet, zum Gegenstand.
Die beste Variante für einen sicheren Strassenraum wäre, alle Hindernisse zu entfernen, um den Fahrzeuglenkern, falls sie in Gefahrensituationen kommen, genügend Auslaufzonen zu bieten. Da jedoch eine derartige Strassenführung häufig nicht zu realisieren ist, wäre eine weitere Schutzmassnahme, alle Hindernisse mit definierten Bruchstellen zu versehen, damit sie beim Anprall nachgeben und das Fahrzeug nicht auf einem sehr kurzen Weg zum Stillstand gebracht wird. Da auch diese Massnahme nur begrenzt zu verwirklichen ist, bleibt als letzte Möglichkeit, die Hindernisse entsprechend zu gestalten, damit auch sie zur Energievernichtung beitragen. Dadurch kann das Fahrzeug gezielt verzögert werden und die Belastung auf das Fahrzeug und somit auch auf die Insassen kann reduziert werden.
Die auf einen Insassen beim Frontanprall wirkenden Belastungen sind von der Masse des Insassen und die auf diese Masse wirkenden Verzögerungen, und diese wiederum von der Geschwindigkeitsänderung und dem Weg, abhängig. Da die Masse der Insassen und die Anprallgeschwindigkeit nicht oder nur bedingt beeinflussbar sind, bleibt als einziger beeinflussbarer Parameter für die Insassensicherheit der für die Geschwindigkeitsänderung zur Verfügung stehende Weg. Durch den Einsatz von Anpralldämpfern wird der Deformationsweg verlängert und die Beschleunigungsbelastung auf die Fahrgastzelle und somit auf die Insassen reduziert.
Ein optimales Verhalten bei einem Anprall eines Fahrzeuges gegen ein Hindernis wird erreicht, wenn die kinetische Energie vollkommen durch die Deformation des Fahrzeugvorbaus und der Anprallbarriere verbraucht wird und keine Deformationen der Fahrgastzelle auftreten.
Um das Umsetzen der kinetischen Energie in Verformungsenergie richtig einschätzen zu können, muss das Zusammenwirken aller Fahrzeugelemente untereinander berücksichtigt werden. Den Ablauf eines frontalen Aufpralls mit vorne liegendem Motor kann man dabei in drei Phasen unterteilen.
Zunächst werden die Stossfängerkonstruktion und der Längsträger vor dem Aggregat erfasst. Dabei setzt ein regelmässiges Faltenbeulen mit hohem Energieverzehr im Träger ein. Diese Phase ist beendet, wenn der Motor an der Batterie anliegt.
Nun wird die Struktur zwischen Aggregat und Fahrgastzelle, im Wesentlichen die Längsträger mit Radkästen und Tunnel, weiter zusammengeschoben. Aufgrund der Exzentrizitäten versagen die Bauteile in der Regel durch Biegemechanismen, wobei es zu dem typischen Abknicken der Frontstruktur durch die vertikale Bewegung des Motors an den hinteren Lagerpunkten kommt.
Schliesslich setzt die letzte Phase ein, wenn sich die Fahrgastzelle an den Motor anlegt. Da die Zelle aus Gründen der passiven Sicherheit sehr steif ausgelegt ist, wird die restliche Energie durch die Spritzwand, die wie eine Membran wirkt, und durch Faltenbildung im Bodenblech bis zum ersten Sitzbankquerträger aufgenommen.
Wenn man die Deformationen im Detail und einzelne Sektoren der Fahrzeugstruktur betrachtet, kommt man zum Ergebnis, dass in der ersten Aufprallphase vor allem die Längsträger belastet werden und in einer zweiten Phase die grösste Belastung auf die Spritzwand wirkt. Daraus ist ersichtlich, dass in dieser Phase des Aufpralls das Verformungsverhalten der Strukturkomponenten, die in Kontakt mit dem Motor kommen, den Verzögerungsverlauf bestimmt.
Betrachtet man die von den einzelnen Komponenten absorbierte Energie, so stellt man fest, dass ca. 50% der Aufprallenergie durch die Längsträger absorbiert werden und die andere Hälfte der Aufprallenergie über die Spritzwand und die Bodengruppe absorbiert wird.
Der Anpralldämpfer wird im Falle eines Anpralls eines Fahrzeuges deformiert, noch bevor wesentliche Strukturteile des Fahrzeuges zerstört sind. Entscheidend ist die Eigenschaft, Energie zu absorbieren, ohne dass die Höchstspannung bzw. die höchste Beschleunigung eine Obergrenze überschreitet, bei der Schäden oder Verletzungen eintreten. Ein weiterer Vorteil ist, dass die absorbierte Energie zum grössten Teil in plastische Verformungsenergie umgewandelt wird, um eine kontrollierte Stossenergieabsorption ohne Rückprall zu erreichen.
Das erfindungsgemässe Anprallelement kann aus einer Mischung aus Körnern aus geschäumtem Kunststoff, insbesondere Polystyrolschaum und Zement, bestehen, wobei über das Mischungsverhältnis der beiden Komponenten die Eigenschaften verändert bzw. angepasst werden können. Es können verschiedene Rohdichten verwendet werden, was zugleich verschiedene Mischungsverhältnisse Beton und Kunstschaumstoffteilchen bedeutet. Ein grösserer Betrag der Rohdichte bedeutet einen grösseren Mischungsanteil Beton, je niedriger die Rohdichte, umso "weicher" ist das fertige Material. Es können auch Elemente mit verschiedenen Dichten kombiniert werden, um einen progressiven Kraftverlauf zu bewirken.
Durch entsprechende Vorgaben durch den Gesetzgeber wurden die Rückhaltesysteme der Fahrzeuge in den letzten Jahren stark verbessert und durch die vorgeschriebenen Crashtests für den Frontalanprall mit 50 km/h optimiert. Durch den Einsatz von Anprallbarrieren kommt man auf ähnliche Belastungen bei bedeutend höheren Anprallgeschwindigkeiten. Dadurch kann man mit grosser Wahrscheinlichkeit rechnen, dass der Insasse den Anprall überlebt.
Bei dem erfindungsgemässen Anpralldämpfer handelt es sich um eine passive Sicherheitsmassnahme im Bereich des Strassenraumes. Die Anprallbarriere dient dazu, Unfallstellen sicherer gestalten zu können und starre Hindernisse im Bereich des Strassenrandes zu entschärfen. Durch die Eigenschaft des Materials kann jede beliebige Geometrie geformt und abgedeckt und durch entsprechende Zusammenstellung der Anprallbarriere auf die kritischen Anprallgeschwindigkeiten eingegangen werden.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele erläutert, wobei auf die Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel schematisch gezeigt ist, Bezug genommen wird.
Ein erfindungsgemässer Aufpralldämpfer 1 ist ein im Wesentlichen monolithischer Körper aus Leichtbeton (Gemisch aus Beton und Leichtzuschlagstoff in Form von Teilchen aus geschäumtem Kunststoff, insbesondere geschäumtem Polystyrol). Wie noch beschrieben werden wird und bereits oben angedeutet wurde, kann der Aufpralldämpfer Bereiche mit unterschiedlicher Dichte aufweisen. Aus der Zeichnung ist auch ersichtlich, dass der Aufpralldämpfer 1 an wenigstens einer Aussenfläche an das Hindernis, im gezeigten Beispiel eine Wand 2, angepasst geformt sein kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die untere Seite des Aufpralldämpfers 1 gestuft ausgebildet, sodass er über eine im Anschluss an die Wand 2 vorgesehene Stufe 3 weitestgehend formschlüssig aufgesetzt werden kann. Im Bereich der Unterseite des Aufpralldämpfers können in ihm Hohlräume vorgesehen sein.
Die nach Art von Bohrlöchern ausgeführten Hohlräume 4 dienen einerseits dazu, Stäbe aufzunehmen, um Hebezeuge ansetzen zu können, wenn der Aufpralldämpfer versetzt wird, und anderseits dazu, den Aufpralldämpfer 1 mithilfe von Verankerungen 5 am Bauteil zu verankern. In der Zeichnung ist der Aufpralldämpfer 1 nach einer Ebene 6, die im Wesentlichen quer zur erwartenden Aufprallrichtung eines Fahrzeuges verläuft (in der Zeichnung durch strichliert punktierte Linien angedeutet), in Abschnitte unterschiedlicher Dichte unterteilt. Die Ebene 6 muss nicht, wie im Beispiel gezeigt, in der Mitte des Aufpralldämpfers 1 liegen, sie kann auch aus der Mitte zur vorderen oder hinteren Stirnfläche des Aufpralldämpfers 1 hin versetzt sein.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele für erfindungsgemässe Aufpralldämpfer und deren Wirkungen beschrieben.
Beispiel 1:
Ein Aufpralldämpfer mit den Aussenabmessungen 180 x 80 x 160 cm besteht aus zwei Teilen zu je 180 x 80 x 80 cm, wobei die vordere Hälfte (entlang der Aufprallrichtung gesehen) aus Leichtbeton mit einer Rohdichte von 170 kg/m<3> und die von der Auf prallseite abgekehrte Hälfte aus Leichtbeton mit einer Rohdichte von 280 kg/m<3> besteht. Die unterschiedlichen Rohdichten der beiden Hälften wurden dadurch erreicht, dass die Menge an Zuschlagstoffen von Teilchen aus geschäumtem Polystyrol verändert wurde, wobei eine höhere Rohdichte einen grösseren Mischungsanteil Beton bedeutet. Je geringer die Rohdichte, umso "weicher" ist der Leichtbeton.
Beispiel 2:
Ein Aufpralldämpfer mit den Abmessungen 180 x 80 x 160 cm besteht durchgehend aus Leichtbeton mit einer Dichte von 190 kg/m<3>.
Beispiel 3:
Ein Aufpralldämpfer mit den Abmessungen 180 x 80 x 160 cm besteht aus zwei Hälften, wobei die vordere Hälfte aus Leichtbeton mit einer Dichte von 190 kg/m<3> und die hintere Hälfte aus Leichtbeton mit einer Rohdichte von 330 kg/m<3> besteht.
Mit den beschriebenen Aufpralldämpfern der Beispiele 1 bis 3 wurden bei Aufprallversuchen (Crashtests) die nachstehend beschriebenen Ergebnisse erzielt.
Ein Fahrzeug der Type Ford Escort prallt mit 81 km/h mit 100% Überdeckung frontal in den in Beispiel 1 beschriebenen Aufpralldämpfer. Bei diesem Aufprall beträgt die mittlere Verzögerung 168 m/sek<2> über einen Zeitraum von 140 ms. Der maximale Verzögerungswert ist 30 g. Der Vorbau des Fahrzeuges wird um etwa 20 cm verkürzt. Die Verformungen reichen bis zur A-Säule, der Radstand wird links um 9 cm, rechts um 15 cm verkürzt. Die Fahrgastzelle bleibt intakt, wodurch das Verletzungsrisiko für die Fahrzeuginsassen hauptsächlich durch die Beschleunigungsbelastung entsteht.
Versuch 2:
Ein Fahrzeug der Type Ford Escort prallt mit 94,5 km/h mit voller Verdeckung gegen einen Aufpralldämpfer gemäss Beispiel 2. Die durchschnittliche Verzögerung während einer Zeit von 195 ms beträgt 136 m/sek<2>. Der Maximalwert der Beschleunigung ist 28 g. Der Vorbau des Fahrzeuges wird um ca. 30 cm verformt, die Vorderachse wird um 10 cm nach hinten verschoben. Die Fahrgastzelle bleibt intakt, sodass kein Verletzungsrisiko durch Intrusionen besteht.
Versuch 3:
Ein Fahrzeug der Type Ford Escort prallt mit 96,5 km/h mit 50% Überdeckung fahrerseitig in einen Aufpralldämpfer gemäss Beispiel 3. Der aufprallseitige Abschnitt des Aufpralldämpfers von Beispiel 3 mit einer Rohdichte von 190 kg/m<3> wird vollständig verbraucht, die andere Seite bleibt nahezu unverformt. Nachdem der vordere Abschnitt der Aufpralldämpfer verbraucht ist, hebt das Heck des Fahrzeuges vom Boden ab, das Fahrzeug macht eine 90 DEG -Rechtsdrehung und kommt etwa 1 m nach rechts und 1,5 m nach hinten versetzt zum Stillstand.
Auf der Aufprallseite des Fahrzeuges kommt es zu massiven Verformungen, wobei die in Fahrtrichtung linke Seite bis zur A-Säule zerstört und die Fahrzeugtür so stark verbogen wird, dass sie nicht mehr geöffnet werden kann. Das Dach verwölbt sich und die A-Säule knickt ein. Der Fahrgastraum ist verhältnismässig stark eingeschränkt, das Lenkrad und die Pedale werden nach innen verschoben. Der gesamte Vorbau ist nach links verbogen, die Vorderachse wird auf der Fahrerseite um 54 cm nach hinten verschoben, die Beifahrerseite wird auf Zug beansprucht. Der Abstand zwischen Vorder- und Hinterrad vergrössert sich dort um 5 cm.
Bei einem Frontalanprall mit 100% Überdeckung liefern sowohl die Aufpralldämpfer der Beispiele 1 und 2 gute Ergebnisse, wobei allerdings die hintere Hälfte des Aufpralldämpfers von Beispiel 1 aus Leichtbeton mit einer Rohdichte von 280 kg/m<3> nicht beschädigt wurde, sodass die Wirksamkeit des Aufpralldämpfers nicht vollständig ausgenützt worden ist. Das Verformungsbild an den Fahrzeugen, das für die Aufprallversuche verwendet wurde, entsprach etwa dem Deformationsmittel eines gleichartigen Fahrzeuges, das mit etwa 40 km/h frontal mit 100% Überdeckung gegen eine starre Barriere prallt. Falls es bei Verwendung der erfindungsgemässen Aufpralldämpfer zu keinen nennenswerten Intrusionen in den Fahrgastraum kommt, kann davon ausgegangen werden, dass es bei gleichartigen Unfallkonfigurationen vor allem zu Beschleunigungsbelastungen für den Insassen kommt.
Diese Belastungen sind aber durch entsprechende Rückhaltesysteme (Sicherheitsgurte, Airbag) zu bewältigen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung kann wie folgt beschrieben werden:
Ein Aufpralldämpfer 1, der vor einem Hindernis 2 an einer Verkehrsfläche anzuordnen ist, besteht aus Beton mit einem Leichtzuschlagstoff in Form von Teilchen aus geschäumtem Kunststoff, z.B. Polystyrol. Der Aufpralldämpfer 1 weist Bereiche unterschiedlicher Rohdichte auf, wobei der dem Hindernis zugekehrte Abschnitt des Aufpralldämpfers eine höhere Rohdichte, z.B. 280 kg/m<3> aufweist, als der an der Aufprallseite liegende, vom Hindernis (2) abgewandte Abschnitt mit einer Rohdichte von z.B. 170 kg /m<3>.
Bei einem Frontalanprall mit ca. 80 km/h und mit 100% Überdeckung können mit dem erfindungsgemässen Aufpralldämpfer Werte erreicht werden, die etwa einem Frontalaufprall mit etwa 40 km/h mit 100% Überdeckung gegen eine starre Barriere entsprechen.
The invention has an impact damper made of lightweight concrete according to the preamble of claim 1, which absorbs or destroys energy in the event of a vehicle impact.
The best option for a safe street space would be to remove all obstacles in order to provide the drivers with enough exit zones in the event of dangerous situations. However, since such a road layout is often not possible, a further protective measure would be to provide all obstacles with defined break points so that they give way in the event of an impact and the vehicle is not brought to a standstill in a very short way. As this measure can only be implemented to a limited extent, the last option is to design the obstacles accordingly so that they also contribute to energy destruction. As a result, the vehicle can be decelerated in a targeted manner and the load on the vehicle and thus also on the occupants can be reduced.
The loads acting on an occupant in the event of a frontal impact depend on the mass of the occupant and the decelerations acting on this mass, which in turn depend on the change in speed and the path. Since the mass of the occupants and the impact speed cannot be influenced or can only be influenced to a limited extent, the only parameter that can be influenced for occupant safety is the path available for changing the speed. The use of impact dampers extends the deformation path and reduces the acceleration load on the passenger compartment and thus on the occupants.
Optimal behavior in the event of a vehicle colliding with an obstacle is achieved if the kinetic energy is completely consumed by the deformation of the vehicle stem and the impact barrier and no deformation of the passenger compartment occurs.
In order to be able to correctly estimate the conversion of kinetic energy into deformation energy, the interaction of all vehicle elements with one another must be taken into account. The course of a frontal impact with the engine in front can be divided into three phases.
First, the bumper construction and the side member are recorded in front of the unit. Regular wrinkles with high energy consumption begin in the wearer. This phase ends when the engine is connected to the battery.
Now the structure between the unit and the passenger compartment, essentially the side members with wheel arches and tunnels, are pushed together. Due to the eccentricities, the components usually fail due to bending mechanisms, with the typical bending of the front structure due to the vertical movement of the motor at the rear bearing points.
Finally, the last phase begins when the passenger cell touches the engine. Since the cell is designed to be very rigid for passive safety reasons, the remaining energy is absorbed by the bulkhead, which acts like a membrane, and by the formation of folds in the floor panel up to the first seat cross member.
If one looks at the deformations in detail and individual sectors of the vehicle structure, one comes to the conclusion that in the first impact phase the longitudinal members in particular are loaded and in the second phase the greatest load acts on the bulkhead. It can be seen from this that in this phase of the impact, the deformation behavior of the structural components that come into contact with the motor determines the deceleration curve.
If you look at the energy absorbed by the individual components, you can see that approx. 50% of the impact energy is absorbed by the side members and the other half of the impact energy is absorbed by the bulkhead and floor pan.
The impact damper is deformed in the event of a vehicle crash, even before essential structural parts of the vehicle are destroyed. The decisive factor is the ability to absorb energy without the maximum voltage or the highest acceleration exceeding an upper limit at which damage or injuries occur. Another advantage is that the absorbed energy is largely converted into plastic deformation energy in order to achieve a controlled shock energy absorption without rebound.
The impact element according to the invention can consist of a mixture of grains of foamed plastic, in particular polystyrene foam and cement, the properties being able to be changed or adapted via the mixing ratio of the two components. Different bulk densities can be used, which means different mixing ratios of concrete and plastic foam particles. A larger amount of bulk density means a larger proportion of concrete, the lower the bulk density, the "softer" the finished material. Elements with different densities can also be combined to create a progressive force curve.
Appropriate specifications by the legislator have greatly improved the vehicle's restraint systems in recent years and optimized them for the frontal impact at 50 km / h through the prescribed crash tests. The use of impact barriers leads to similar loads at significantly higher impact speeds. This makes it very likely that the occupant will survive the impact.
The impact damper according to the invention is a passive safety measure in the area of the street area. The impact barrier serves to make accident sites safer and to defuse rigid obstacles in the area of the roadside. Due to the properties of the material, any geometry can be shaped and covered, and the critical impact velocities can be dealt with by appropriately combining the impact barrier.
Exemplary embodiments are explained below, reference being made to the drawing in which an exemplary embodiment is shown schematically.
An impact damper 1 according to the invention is an essentially monolithic body made of lightweight concrete (mixture of concrete and lightweight aggregate in the form of particles made of foamed plastic, in particular foamed polystyrene). As will be described later and has already been indicated above, the impact damper can have areas with different densities. It can also be seen from the drawing that the impact damper 1 can be shaped to match the obstacle on at least one outer surface, in the example shown a wall 2. In the exemplary embodiment shown, the lower side of the impact damper 1 is designed in a stepped manner, so that it can be placed in a largely form-fitting manner via a step 3 provided in connection with the wall 2. Cavities can be provided in the area of the underside of the impact damper.
The cavities 4, which are designed in the manner of boreholes, serve on the one hand to receive rods in order to be able to use lifting devices when the impact damper is moved, and on the other hand to anchor the impact damper 1 to the component using anchoring means 5. In the drawing, the impact damper 1 is subdivided into sections of different densities according to a plane 6, which runs essentially transversely to the expected direction of impact of a vehicle (indicated by dash-dotted lines in the drawing). The level 6 does not have to lie in the center of the impact damper 1, as shown in the example, it can also be offset from the center towards the front or rear end face of the impact damper 1.
Exemplary embodiments of impact dampers according to the invention and their effects are described below.
Example 1:
An impact damper with the external dimensions 180 x 80 x 160 cm consists of two parts, each 180 x 80 x 80 cm, the front half (seen along the direction of impact) made of lightweight concrete with a bulk density of 170 kg / m <3> and that of the half turned away from the impact side consists of lightweight concrete with a bulk density of 280 kg / m <3>. The different bulk densities of the two halves were achieved by changing the amount of aggregates of particles made of foamed polystyrene, whereby a higher bulk density means a larger proportion of concrete. The lower the bulk density, the "softer" the lightweight concrete.
Example 2:
An impact damper with the dimensions 180 x 80 x 160 cm consists entirely of lightweight concrete with a density of 190 kg / m <3>.
Example 3:
An impact absorber with the dimensions 180 x 80 x 160 cm consists of two halves, the front half made of light concrete with a density of 190 kg / m <3> and the rear half made of light concrete with a bulk density of 330 kg / m <3> consists.
With the described shock absorbers from Examples 1 to 3, the results described below were achieved in crash tests.
A vehicle of the type Ford Escort hits 81 km / h with 100% coverage head-on in the impact damper described in Example 1. In this impact, the average deceleration is 168 m / sec <2> over a period of 140 ms. The maximum delay value is 30 g. The stem of the vehicle is shortened by about 20 cm. The deformations extend to the A-pillar, the wheelbase is shortened by 9 cm on the left and 15 cm on the right. The passenger compartment remains intact, which means that the risk of injury to the vehicle occupants is primarily due to the acceleration load.
Trial 2:
A vehicle of the type Ford Escort crashes at 94.5 km / h with full coverage against an impact damper according to example 2. The average deceleration over a period of 195 ms is 136 m / sec <2>. The maximum value of acceleration is 28 g. The stem of the vehicle is deformed by approx. 30 cm, the front axle is shifted back by 10 cm. The passenger compartment remains intact, so there is no risk of injury from intrusions.
Trial 3:
A vehicle of the type Ford Escort crashes into the impact damper according to example 3 at 96.5 km / h with 50% coverage on the driver side. The impact-side section of the impact damper of example 3 with a bulk density of 190 kg / m 3 is completely used up other side remains almost undeformed. After the front section of the impact absorbers has been used up, the rear of the vehicle lifts off the ground, the vehicle turns 90 ° to the right and comes to a standstill offset about 1 m to the right and 1.5 m to the rear.
There are massive deformations on the impact side of the vehicle, whereby the left side in the direction of travel is destroyed up to the A-pillar and the vehicle door is bent so much that it can no longer be opened. The roof bulges and the A-pillar buckles. The passenger compartment is relatively severely restricted, the steering wheel and the pedals are moved inwards. The entire stem is bent to the left, the front axle on the driver's side is shifted 54 cm to the rear, the passenger's side is subjected to tension. The distance between the front and rear wheel increases there by 5 cm.
In the case of a frontal impact with 100% coverage, both the impact dampers of Examples 1 and 2 give good results, although the rear half of the impact damper from Example 1 made of lightweight concrete with a bulk density of 280 kg / m 3 was not damaged, so that the effectiveness of the Impact absorber has not been fully exploited. The deformation pattern on the vehicles, which was used for the impact tests, corresponded approximately to the deformation means of a similar vehicle, which collides head-on with a rigid barrier at about 40 km / h with 100% coverage. If no noteworthy intrusions into the passenger compartment occur when using the impact dampers according to the invention, it can be assumed that, in the case of similar accident configurations, there is above all acceleration loads for the occupants.
However, these loads can be managed with appropriate restraint systems (seat belts, airbag).
A preferred embodiment of the invention can be described as follows:
An impact damper 1, which is to be arranged in front of an obstacle 2 on a traffic area, consists of concrete with a light aggregate in the form of particles of foamed plastic, e.g. Polystyrene. The impact damper 1 has areas of different bulk density, the section of the impact damper facing the obstacle having a higher bulk density, e.g. 280 kg / m <3> than the section on the impact side facing away from the obstacle (2) with a bulk density of e.g. 170 kg / m <3>.
In the event of a frontal collision at approx. 80 km / h and with 100% coverage, the impact damper according to the invention can achieve values which correspond approximately to a frontal collision at approx. 40 km / h with 100% coverage against a rigid barrier.