DE10015294C2 - Reversibles Deformationselement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stoßenergieabsorp­ tion bei Kraftfahrzeugen nach der im Patentanspruch 1 näher definierten Art.

Zur Einhaltung von bestimmten Mindestsicherheitsstandards bei der Fahrzeugsicherheit sind zahlreiche Normen, Vorschriften, Prüfungen und Empfehlungen, unter anderem auch aus der Versi­ cherungsbranche, bekannt, die die Hersteller von Kraftfahrzeu­ gen einhalten und nachweisen müssen. Diese Mindestsicherheits­ standards sollen die Sicherheit der Personen im Kraftfahrzeug erhöhen, das Unfallrisiko vermindern, sowie die Unfallfolgen gegenüber anderen Verkehrsteilnehmern reduzieren oder vermei­ den.

Dabei zählen zur passiven Sicherheit Maßnahmen, die insbeson­ dere die Unfallfolgen so gering wie möglich halten sollen. Beispielsweise weisen heutzutage Kraftfahrzeuge Stoßfänger und Deformationselemente auf, die bei einem Aufprall mit geringer Geschwindigkeit von z. B. bis zu 15 km/h über eine Stoßenergie­ aufnahme verformt werden, ohne daß dies Folgen für die Struk­ tur der Karosserie oder eine Beschädigung anderer Fahrzeugbau­ teile, wie z. B. der Beleuchtung zur Folge hat. Diese Maßnahmen dienen einer Erhöhung der passiven Sicherheit und als Folge einer Reduzierung von Reparaturkosten bei Unfällen.

Deformationselemente sind Teile, die sich bei einem Aufprall in der Regel zuerst verformen. Sie sind sozusagen das erste Glied einer gezielten Verformung. Der Betrag der absorbierba­ ren Energie hängt dabei von dem zur Verfügung stehenden Deformationsweg und der gesamten Widerstandskraft der Stoßaufnahme­ vorrichtung bzw. des Deformationselements ab. Das Kraftniveau der Widerstandselemente einer solchen Deformationsvorrichtung muß dabei so niedrig gewählt werden, daß eine Stauchung der sie tragenden Fahrzeugbauteile bei einer Deformation ausgeschlossen ist.

Aus der Praxis sind hierzu sogenannte Crash-Boxen bekannt, die ein im wesentlichen quaderförmiges Kastenprofil aus Blech dar­ stellen, das bei Einleitung einer Stoßenergie in deren Längs­ richtung meist unkontrolliert deformiert wird und ab einem be­ stimmten Deformationsweg einen festen Block bildet. Es versteht sich von selbst, daß bei einem Unfall mit erhöhter Geschwindig­ keit, eine solche Crash-Box zerstört wird. Um jedoch die Repa­ raturkosten bei einem "Bagatell"-Unfall mit geringer Aufprall­ geschwindigkeit niedrig zu halten, müssen derartige Crash-Boxen so ausgestaltet sein, daß diese bei noch nicht vollständig ab­ gebauter Bewegungsenergie entgegen der Kernstruktur der Karos­ serie verschoben werden, ohne diese zu beschädigen.

Hierzu sind beispielsweise Deformationselemente in der Form un­ terschiedlicher ausfahrbarer Prallelemente bekannt, die meist durch eine Sensorik, welche ein Hindernis rechtzeitig vor dem Aufprall erkennt, derart angesteuert werden, daß sie unmittel­ bar vor einem Aufprall des Kraftfahrzeuges ausfahren. Eine der­ artige Stoßaufnahmevorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem die Stoßenergie absorbierenden Bauteil in der Form eines an den Fahrzeuglängsträger angeordneten Zylinders, der mit Druckgas betrieben werden kann, ist beispielsweise aus der DE 196 54 559 A1 bekannt.

Dieses reversibel arbeitende Deformationselement erfordert je­ doch eine zum Teil erhebliche Baulänge und ist in seiner kon­ struktiven Ausgestaltung verhältnismäßig aufwendig.

Eine weitere Deformationsvorrichtung zur Stoßenergieaufnahme, die bei geringen Aufprallgeschwindigkeiten wieder in ihre Aus­ gangslage zurückgeführt werden kann, ist beispielsweise aus der DE 39 13 224 A1 bekannt. Diese Druckschrift offenbart einen Pralldämpfer mit ineinander teleskopförmig verschiebbaren Rohr­ buchsen, wobei zwischen den Rohrbuchsen zwei elastomere Feder­ elemente angeordnet sind, die infolge ihrer konkreten Aus­ gestaltung einen doppelten Federweg ermöglichen. Dieser Prall­ dämpfer zeichnet sich jedoch auch durch eine verhältnismäßig große Baulänge aus.

Ein weiterer Schockabsorber in der Form eines Stoßdämpfers ist aus der EP 0 417 532 B1 bekannt, bei dem ein Kolben bei Auftre­ ten einer Stoßeinwirkung in einer sogenannten Absorberhülse aus einem elastischen Material verschoben werden kann. Dieser Kol­ ben ist innerhalb der Absorberhülse in beiden Richtungen funk­ tionsfähig, jedoch vermag die Absorberhülse aus dem elastischen Kunststoff nicht von sich aus den Kolben in seine ursprüngliche Ausgangslage zurückzuführen.

Weiterhin ist aus der DE 24 03 613 A eine Vorrichtung zur Stoßenergieabsorption bei Kraftfahrzeugen mit einer Rohrbuchse und mit in der Rohrbuchse verschiebbaren Anschlußelementen be­ kannt, die zwischen wenigstens einem Karosseriebauteil und ei­ ner Trägerstruktur des Kraftfahrzeugs angeordnet sind. In der bekannten Vorrichtung sind radial anordnete Federn vorgesehen, die durch die sich bei Stoßeinwirkung axial verschiebenden Anschlußelemente Energie aufnehmen und dabei radial nach innen gerichtete Gegenkräfte entwickeln, die nach Stoßeinwirkung die verschobenen Anschlußelemente in ihre Ausgangslage zurückfüh­ ren.

Die DE 22 62 879 A offenbart ebenfalls eine Stoßenergieab­ sorptionsvorrichtung mit einer Rohrbuchse und darin axial ver­ schiebbaren Anschlußelementen, die zwischen wenigstens einem Karosseriebauteil und einer Trägerstruktur des Kraftfahrzeugs angeordnet sind. Bei dieser Vorrichtung sind Reibkörper vorge­ sehen, die durch die sich bei Stoßeinwirkung axial versiebenden Anschlußelemente Energie aufnehmen und dabei radial nach innen gerichtete Gegenkräfte entwickeln.

Das gleiche Prinzip ist aus der DE 410 339 C bekannt, bei der die nach innen gerichteten Gegenkräfte durch gegeneinander ge­ richtete Blattfedern aufgebracht werden.

Aus keiner der drei letztgenannten Entgegenhaltungen ist aber zu entnehmen oder nahegelegt, daß die Rohrbuchse und die Man­ schette dehnbar sind und die Manschette aufgrund ihrer super­ elastischen Eigenschaften das Bauteil ist, das die Gegenkräfte auf die Rohrbuchse ausübt und sie auf ihren Ausgangsdurchmesser zurückführt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Stoßenergieabsorption bei Kraftfahrzeugen zu schaffen, die bei geringen Aufprallgeschwindigkeiten nach erfolgter Stoßein­ wirkung reversibel ist und sich durch eine verhältnismäßig ein­ fache konstruktive Ausgestaltung auszeichnet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Stoßenergieabsorption zeichnet sich dadurch aus, daß die reversible Deformation quer zu den einwirkenden Stoßkräften erfolgt, indem sich die außen liegende Manschette aus einem superelastischen Material bei Stoßeinwirkung radial aufweitet. Bedingt durch die Eigenschaf­ ten des superelastischen Materials werden aufgrund der radialen Aufweitung radial nach innen wirkende, also der Aufweitung ent­ gegengerichtete Kräfte induziert.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung handelt es sich bei diesem superelastischen Material um Formgedächtnislegierungen. Derartige Legierungen zeichnen sich durch drei besondere Effekte aus: den Formgedächtsnisef­ fekt, die Superelastizität und das hohe Dämpfungsvermögen. Ge­ mäß der Erfindung soll die jeweilige Formgedächtnislegierung derart ausgewählt sein, daß sie bei Betriebstemperatur der Vorrichtung im austenitischen Gefügezustand vorliegt. In die­ sen Zustand kommt der superelastische Bereich dieses Legie­ rungstyps bzw. dieses Gefügezustandes zum Tragen, der mit ei­ ner sehr starken Hysterese einhergeht. Darüber hinaus läßt sich in diesem Bereich eine hohe Dämpfungswirkung auch bei ho­ her mechanischer Beanspruchung des Dämpfungskörpers erzielen. Die reversible Dehnungsfähigkeit liegt hierbei in einer Grö­ ßenordnung von bis zu 10%.

Als Material für die Manschette sind gemäß der Erfindung auch Hybridstrukturen bzw. Verbundwerkstoffe mit einer Komponente oder Schichten aus Formgedächtnislegierungen denkbar.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin­ dung ergeben sich aus den Patentansprüchen und dem anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung zur Stoßenergieabsorption in zwei unterschiedlichen Betriebszuständen; und

Fig. 2 ein typisches Spannungs-Dehnungsdiagramm einer Formge­ dächtnislegierung.

Bezug nehmend auf Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Stoßener­ gieabsorption dargestellt. Die Vorrichtung 1 weist eine Rohr­ buchse 2 auf, die in der Regel aus Stahl besteht. Die Rohrbuchse 2 ist in Längsrichtung durchgehend geteilt, so daß eine Durchmessererweiterung möglich ist.

In der Rohrbuchse 2 sind zwei Anschlußelemente angeordnet, die in dieser verschiebbar sind. Dabei ist ein Anschlußelement 3 beispielsweise an der Trägerstruktur des Kraftfahrzeugs befe­ stigt, während das andere Anschlußelement 4 mit der Stoßstange in Verbindung steht.

Auf der Mantelfläche der Rohrbuchse 2 ist umfänglich eine Man­ schette 5 vorgesehen, die aus einer Formgedächtnislegierung besteht. Die Manschette 5 umschließt die Rohrbuchse 2 dabei vollständig.

Die endseitigen Innenflächen 6 der Rohrbuchse 2, ebenso wie die Mantelflächen 7 der Anschlußelemente 3 und 4 sind vorzugs­ weise konisch und komplementär zueinander ausgebildet.

Es wird deutlich, daß durch die Einleitung einer aufprallbe­ dingten Stoßkraft F die beiden Anschlußelemente 3 und 4 gegen­ einander bewegt und dadurch innerhalb der Rohrbuchse 2 ver­ schoben werden. Infolge der komplementären konischen Ausge­ staltung der anliegenden Flächen 6 und 7 wird eine Relativbe­ wegung quer zur Einleitrichtung der Stoßkraft F induziert, die zu einer radialen Aufweitung der Rohrbuchse 2 führt.

Diese Durchmessererweiterung wird von der an der Rohrbuchse 2 außenseitig anliegenden Manschette 5 aus der Formgedächtnisle­ gierung ebenfalls mit durchgeführt. Infolge der Dehnung dieser Manschette 5 werden dann bedingt durch die superelastischen Materialeigenschaften der Formgedächtnislegierung radial nach innen wirkende Gegenkräfte G unter Ausbildung eines entspre­ chenden Kräftegleichgewichts induziert.

Die von der außen aufgesetzten Manschette 5 dabei aufgenommene Energie wird genutzt, wenn die Belastung vorüber ist. Hierbei bewirken die Gegenkräfte G eine entsprechende Verkleinerung auf den ursprünglichen Durchmesser sowohl der Manschette 5 als auch der Rohrbuchse 2, sobald die Stoßenergiekräfte F nach dem Aufprall schlagartig nachlassen. Durch diese reversible "Schrumpfung" werden die Anschlußelemente 3 und 4 wieder in ihre Ausgangsposition auseinander "gedrückt", wobei sie auf den konischen Berührungsflächen abgleiten.

In der oberen Ansicht der Fig. 1 ist die Vorrichtung 1 zur Stoßenergieabsorption schematisch in ihrem Einbauzustand wie­ dergegeben, während die untere Ansicht dieser Fig. 1 die Vor­ richtung 1 im radial gedehnten Zustand bei Einwirkung einer Stoßkraft F schematisch darstellt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung kann zwischen den Anschlußelementen 3 und 4 innerhalb des verbleibenden Freiraums der Rohrbuchse 2 eine Druckfeder, die in der Fig. 1 nicht dargestellt ist, an­ geordnet sein, die das Auseinanderschieben der Anschlußelemen­ te 3 und 4 in ihre Ausgangsposition unterstützt.

In der Fig. 2 ist ein Spannungs-Dehnungsdiagramm einer typi­ schen Formgedächtnislegierung wiedergegeben. Der bei dem Ge­ genstand der Erfindung für die Reversibilität der Vorrichtung 1 relevante Einsatzbereich, in dem das Verhalten einer Supere­ lastizität in Erscheinung tritt, erstreckt sich über eine Deh­ nungsbreite von bis zu 10%. Dieses Diagramm gibt das Verhalten bei der relevanten Einsatztemperatur der Formgedächtnislegie­ rung für eine Manschette 5 wieder.

Wird nach starker Zugbeanspruchung die Formgedächtnislegierung wieder entlastet, geht das Material wieder in den spannungs­ freien Zustand über. Man erkennt, daß im Bereich niedriger Dehnungen die Spannungs-Dehnungs-Kurve weitgehend einer Hook'schen Geraden 8 gleicht, d. h. die Spannung steigt propor­ tional zur Dehnung linear an. Ab einem bestimmten Punkt 9, der sogenannten Proportionalitätsgrenze, erfolgt bei zunehmender Dehnung ein deutliches Abweichen des Spannungsverlaufs von der Hook'schen Geraden 8. Die Spannungs-Dehnungs-Kurve nimmt einen deutlich flacheren Verlauf 10 an. Dies ist charakteristisch für Formgedächtnislegierungen in einem austenitischen Zustand, in welchem sich das Material bei relativ geringer Spannungszu­ nahme erheblich zu dehnen vermag.

Die Besonderheit einer derartigen Formgedächtnislegierung liegt nun darin, daß auch diese starken Dehnungen im nicht li­ nearen Bereich reversibel sind. Erst bei Dehnungen über 8 bis 10% ist eine nicht reversible plastische Verformung erkennbar. Diese ist allerdings durch Erwärmung rückführbar, wobei der sogenannte Gedächtniseffekt zum Tragen kommt.

Ein Einsatz der Vorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Bereich, bei dem die plastische Verformung bereits zum Tragen käme, ist erfindungsgemäß nicht angestrebt. Bei Aufprallgeschwindigkeiten oberhalb von ca. 15 km/h ließen sich diese nicht vermeiden, jedoch wären die dadurch zustande kom­ menden geringfügigen plastischen Verformungen unter Ausnutzung des Gedächtniseffekts der Formgedächtnislegierungen unter Er­ wärmungen jederzeit zurückführbar. Dies bedeutet, daß eine Crash-Box in der Art der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 durch Erwärmung repariert werden kann, was zu erheblichen Einsparun­ gen der Reparaturkosten führt.

Selbstverständlich läßt sich die Vorrichtung 1 gemäß der Er­ findung im Front- und Heckbereich des Kraftfahrzeugs anordnen, jedoch sind auch durch die geringe Bauraumgröße Einsatzgebiete als Flankenschutz denkbar.

Claims (3)

1. Vorrichtung (1) zur Stoßenergieabsorption bei Kraftfahrzeu­ gen mit einer in Axialrichtung durchgehend geteilten Rohr­ buchse (2), mit in der Rohrbuchse (2) in Stoßenergierich­ tung axial verschiebbaren Anschlußelementen (3, 4), die zwi­ schen wenigstens einem Karosseriebauteil und einer Träger­ struktur des Kraftfahrzeugs angeordnet sind, und mit einer Manschette (5), die auf der Mantelfläche der Rohrbuchse (2) umfänglich anliegt, wobei die Rohrbuchse (2) und die Man­ schette (5) durch die sich bei Stoßeinwirkung axial ver­ schiebenden Anschlußelemente (3, 4) radial dehnbar sind und die Manschette (5) aus einem solchen superelastischen Ma­ terial besteht, daß diese unter Dehnung radial nach innen gerichtete Gegenkräfte (G) ausübt, die nach Stoßeinwirkung die Rohrbuchse (2) auf ihren Ausgangsdurchmesser und da­ durch die verschobenen Anschlußelemente (3, 4) in ihre Aus­ gangslage zurückführen, sobald die durch die Stoßeinwirkung auftretenden Axialkräfte (F) kleiner als die radial nach innen wirkenden Gegenkräfte (G) der Manschette (5) sind.

2. Vorrichtung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die endseitigen Innenflächen (6) der Rohrbuchse und die Mantelflächen (7) der Anschlußelemente (3, 4) komplementär konisch und aufeinander gleitfähig ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach dem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Anschlußelementen (3, 4) eine Druckfeder an­ geordnet ist.