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Fachgebiet der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf energieabsorbierende passive Sicherheitseinrichtungen
für Kraftfahrzeuganwendungen.
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Hintergrund der Erfindung
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Kraftfahrzeuge
sind häufig
mit energieabsorbierenden Instrumententafeln und Türverkleidungen ausgestattet,
die bei einem Unfall Verletzungen von Fahrzeuginsassen lindern.
Der Stand der Technik lehrt eine Vielzahl von auf Schaumstoffen,
Wabenkörpern
oder ausgespritzten Teilen basierenden energieabsorbierenden Strukturen,
die zur Absorption des größten Teils
der während
des Unfalls erzeugten Energie und zur Steuerung des Kraftniveaus
und der Knautschlänge
ausgelegt sind.
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Bekannte
Konstruktionen verwenden häufig eine
Vielzahl von geformten kegelstumpfförmigen energieabsorbierenden
Elementen oder Modulen, die an einer Seite oder an beiden Seiten
einer Mittelebene hervorstehen, so dass sich Spitzenwerte der Anfangsbelastung
und der Belastungsrate ergeben, die die konstruktiven Zielwerte überschreiten
können. Eine
solche, wie im US-Patent 6,550,850 gelehrte und in 9 dargestellte, durch einander entgegengerichtet
hervorstehende Kegelstumpfelemente gekennzeichnete bekannte Konstruktion 100 erreicht eine
durch die Volllinie 104 in 10 dargestellte Kraft-Verschiebungs-Kennlinie,
wobei die beim Auftreffen eines Fahrzeuginsassen erzeugte Spitzenbelastungsrate
sehr hoch sein und die Anfangsbelastung schnell auf einen Endspitzenwert
mit unerwünschter
Höhe ansteigen
kann. In 10, die eine gestrichelte
Linie 106 der Kraft-Verschiebungs-Kennlinie der Konstruktion
für einen
um 20° achsversetzten
Aufprall enthält,
ist außerdem
zu erkennen, dass die hohe Anfangssteifigkeit und die Anfangsspitzenbelastung
solcher Konstruktionen nur teilweise gemindert werden, während die
für eine
bestimmte Knautschung erreichte Momentanbelastung auf der Basis
des Knautschbetrags und des Aufprallwinkels weiterhin signifikant
variiert, wodurch sich die Momentanbelastungen, denen der Fahrzeuginsasse
bei einem Aufpral1 unterworfen ist, wiederum komplizierter gestalten.
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Aus
der
DE 199 47 245
A1 ist eine Vorrichtung für die Absorption von Stoßenergie
mit einer bestimmten Dicke bekannt, bei der sich auf einer Grundplatte
eine Mehrzahl von stoßabsorbierenden hohlen
Elementen erhebt, die einer Verformung durch Stoß Widerstand entgegensetzen
und die im Wesentlichen konisch geformt sind. Dabei unterscheiden
sich die Größencharakteristika
wenigstens einiger Elemente, so dass gegenüber einer gedachten mittleren
Ebene der Elemente jedes einzelne Element einen maximalen Deformationswiderstand,
der einer bestimmten Deformationshöhe entspricht, aufweist. Des
Weiteren ist diese Deformationshöhe
zwischen wenigstens einigen Elementen unterschiedlich, um die gesamte
maximale Widerstandskraft zu reduzieren. Eine Verringerung der Anfangssteifigkeit und
der Anfangsspitzenbelastung wird durch die Polsterung mit den hohlen
Elementen jedoch nur in beschränktem
Umfang erreicht.
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Folglich
ist es Aufgabe der Erfindung, für eine
verbesserte energieabsorbierende Polsterung zu sorgen, die die zuvor
aufgeführten
Unzulänglichkeiten
des Standes der Technik überwindet.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Entsprechend
einem Aspekt der Erfindung enthält
eine energieabsorbierende Polsterung eine Vielzahl von hohlen, halbkugelförmigen oder
balligen Elementen, die mit jeder der mindestens zwei einen Schichtverbund
bildenden Basisschichten integral geformt sind, so dass eine Vielzahl
von aus den Basisschichten hervorstehenden konvexen Aufprallflächen gebildet
werden, die einen Aufprall progressiv absorbieren. Speziell die
halbkugelförmigen
bzw. balligen Elemente stellen einen konvexen Kontakt- oder Aufprallbereich
auf der Polsterung bereit, der beim Aufprall ein Minimum darstellt
und sich während des
Knautschens progressiv vergrößert, wodurch eine
hohe Anfangssteifigkeit und die für den Stand der Technik charakteristische
Anfangsspitzenbelastung vermieden und ein verbesserter Insassenschutz geboten
wird. Verstärkungsrippen, Änderungen
in der Elementwandstärke
und Modifikationen der Elementgestalt ermöglichen die Optimierung der
Anfangsbelastungsrate und der relativen Steifigkeit des Elements über einen
Knautschbereich. Das Energieabsorptionsvermögen der Polsterung wird durch
die Erhöhung
oder Verringerung der Anzahl der Elemente, ihre Größe, ihren
Durchmesser, ihre Dicke und selbst das zum Beispiel aus der aus
Stahl, Aluminium, Magnesium, Polymeren und verstärkten Materialien bestehenden
Gruppe gewählte
Material geregelt.
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Entsprechend
einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Polsterung in mindestens
zwei Ebenen oder Stufen eingeteilt, so dass eine hohe Qualität der Energieabsorption
bereitgestellt wird, selbst wenn die Aufprallrichtung nicht parallel
zur Hauptachse der Polsterung liegt. Speziell eine erste Stufe ist
zur Bereitstellung einer Anfangsenergieabsorption ausgelegt, so
dass eine Anfangsspitzenbelastung vermieden wird, woraufhin eine
zweite und danach möglicherweise
sogar eine dritte Stufe ein vergrößertes Energieabsorptionsvermögen bei
zunehmendem Zusammenpressen der Polsterung bereitstellt. Vorzugsweise
dient die erste Stufe außerdem
zur Umlenkung der Belastungsrichtung, um die zweite Stufe für eine bestmögliche Energieabsorption
zusammenzupressen.
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In
einer ersten Ausgestaltung umfasst die erste Stufe relativ kleinere
Elemente, die in einer ersten Richtung aus einer ersten Basisschicht
hervorstehen, und die zweite Stufe relativ größere Elemente, die in einer
zweiten entgegengesetzten Richtung aus einer Rücken an Rücken mit der ersten Basisschicht
verbundenen zweiten Basisschicht hervorstehen. In anderen Ausgestaltungen
sind die Elemente der mindestens einen zweiten Stufe in die Elemente der
ersten Stufe entweder konzentrisch oder exzentrisch eingesetzt oder
ineinander geschachtelt, um in ähnlicher
Weise eine mit zunehmendem Zusammenpressen vorhersehbar steigende
Belastung bereitzustellen, wobei die Polsterung durch relativ verringerte Gesamtdicke
vorteilhaft gekennzeichnet ist.
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Entsprechend
einem anderen Aspekt der Erfindung werden die Wanddicke und die
Größe der Elemente
einer oder mehrerer Stufen, die Anzahl der Elemente in jeder Stufe
und die relative Positionierung oder Lage der Elemente jeder Stufe
relativ zu denen in anderen Stufen ausgewählt, um die Art der Energieabsorption
der Polsterung in einer bestimmten Anwendung, insbesondere bei einem
achsversetzten Aufprall, produktspezifisch anzupassen. In ineinander
geschachtelten Ausgestaltungen können zum
Beispiel nahe ihrer jeweiligen Basis aneinander anliegende Abschnitte
der ineinander geschachtelten Elemente vorteilhaft als zusammengehörig angesehen
werden, so dass eine zusätzliche
Steifigkeit, besonders in Reaktion auf achsversetzte Aufpralle,
bereitgestellt wird.
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Aus
dem Voranstehenden ist zu folgern, dass die erfindungsgemäße energieabsorbierende Polsterung
vorteilhaft einen progressiven Aufprallbereich bereitstellt, mit
dem aufgebrachte Energie in einer für den Fahrzeuginsassen sanfteren
Weise absorbiert wird, wodurch sich die Insassensicherheit verbessert,
wobei eine gestufte Reaktion außerdem eine
gleichmäßige Progression
in der Anfangsbelastung und eine vorhersehbare, dem Spitzenwert
nachfolgende Belastung bereitstellt, wobei diese Belastungen durch
um 20° oder
mehr achsversetzte Aufprallwinkel relativ unbeeinflusst sind.
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Zusätzliche
Merkmale, Nutzen und Vorteile der Erfindung werden den mit dem Fachgebiet,
auf das sich die Erfindung bezieht, vertrauten Personen aus der
nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen in
Verbindung mit den zugehörigen
Zeichnungen deutlich.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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In
den Zeichnungen, in denen die relative Dicke bestimmter Komponenten
zur Verdeutlichung der bildlichen Darstellung vergrößert worden
ist, sind:
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1 eine
isometrische Ansicht der ersten beispielhaften erfindungsgemäßen Mehrstufenpolsterung;
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2 eine
teilweise aufgebrochene Seitenansicht der durch ein relativ steifes
Element abgestützten
ersten Polsterung von 1;
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3 eine
grafische Darstellung, die die Kraft-Verschiebungs-Kennlinien der
ersten Polsterung zeigt, wenn sie axial und achsversetzt wirkenden
Aufprallen ausgesetzt ist;
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4 eine
Schnittdarstellung einer zweiten beispielhaften erfindungsgemäßen Mehrstufenpolsterung;
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5 eine
grafische Darstellung, die die Kraft-Verschiebungs-Kennlinie der
zweiten Polsterung zeigt, wenn sie axial wirkenden Aufprallen ausgesetzt
ist;
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die 6 bis 8 Schnittdarstellungen
einer dritten, vierten und fünften
beispielhaften erfindungsgemäßen Mehrstufenpolsterung;
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9 (=
Stand der Technik) eine perspektivische Darstellung einer durch
entgegengesetzt zueinander hervorstehende, identisch geformte Kegelstumpfelemente
gekennzeichneten bekannten energieabsorbierenden Konstruktion; und
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10 (=
Stand der Technik) eine grafische Darstellung, die die Kraft-Verschiebungs-Kennlinien der
bekannten energieabsorbierenden Konstruktion zeigt, wenn sie axial
und achsversetzt wirkenden Aufprallen ausgesetzt ist.
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Ausführliche Beschreibung der Vorzugsausgestaltung
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Eine
in den 1 und 2 dargestellte für beispielsweise
ein Kraftfahrzeug zur Installation in einer Fahrzeugtür unter
einer Außenhaut
der (nicht dargestellten) Innenverkleidung ausgelegte erste beispielhafte
energieabsorbierende Polsterung 10 umfasst eine erste oder
obere Basisschicht 12 mit einer ersten Seite 14,
einer zweiten Seite 16 und einer Vielzahl von integral
geformten, hohlen ersten oder oberen Elementen 18, die
in einer ersten Achse 20 aus der ersten Seite 14 der
oberen Basisschicht 12 hervorstehen, so dass sie in einem
ersten Abstand D1 von der ersten Seite 14 der oberen Basisschicht 12 angeordnete
konvexe Aufprallflächen 22 bilden. Die
erste Polsterung 10 umfasst außerdem eine zweite oder untere
Basisschicht 24, die ebenfalls eine erste Seite 26,
eine zweite Seite 28 und eine Vielzahl von integral geformten,
hohlen zweiten oder unteren Elementen 30 umfasst, wobei
diese Elemente in einer zweiten Achse 32 aus der ersten
Seite 26 auf der unteren Basisschicht 24 hervorstehen,
so dass sie in einem zweiten Abstand D2 von der ersten Seite 26 der
unteren Basisschicht 24 angeordnete konvexe Aufprallflächen 34 bilden.
Der zweite Abstand D2 ist signifikant größer als der erste Abstand D1.
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Wie
außerdem
in den 1 und 2 zu erkennen ist, ist die obere
Basisschicht 12 mit der unteren Basisschicht 24 laminiert
oder an dieser in beliebig geeigneter Weise wie zum Beispiel durch
Bonden der zweiten Seite 16 der oberen Basisschicht 12 an
die entgegengesetzt angeordnete zweite Seite 28 der unteren
Basisschicht 24 befestigt. Dadurch erstrecken sich in der
ersten Polsterung 10 die oberen und unteren Elemente 18, 30 in
entgegengesetzte Richtungen.
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Die
oberen und unteren Elemente 18, 30 in 2 haben
eine ballige oder gewölbte
Form, wenn sie im Schnitt dargestellt werden. Entsprechend einem
anderen Aspekt der Erfindung bleibt die relative Wanddicke jedes
oberen Elements 18 von seiner Basis 36 bis zu
seiner konvexen Spitze 38 im Wesentlichen konstant, während die
relative Wanddicke jedes unteren Elements 30 mit zunehmender
Elementhöhe,
d. h. im Verlauf von seiner Basis 40 bis zu seiner konvexen
Spitze 42, progressiv kleiner wird. Die Größe, die
Gestalt, die Wandstärke,
die relative Anzahl sowie die Verteilung und das Material (einschließlich, jedoch
nicht darauf beschränkt,
Stahl, Aluminium, Magnesium, Polymeren und verstärkten Materialien) werden für die oberen
Elemente 18 und die unteren Elemente 30 ausgewählt, um
für die
erste Polsterung 10 eine bestimmte Kraft-Verschiebungs-Kennlinie bereitzustellen.
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Eine
Vielzahl von Rippen oder Rillen kann vorteilhaft in einem Element
oder rund um ein Element oder in mehreren Elementen oder rund um mehrere
Elemente 18 geformt sein, um die Kraft-Verschiebungs-Kennlinie
der Polsterung zum Beispiel durch Regulierung der momentanen Elementsteifigkeit
zum Erreichen einer beinahe konstanten Belastungsrate in einem signifikanten
Knautschbereich oder einer geringeren Knautschlänge weiter gezielt abzustimmen.
Wenn außerdem
die von der Basis 36, 40 der Elemente aus gemessenen
Längen
der Rippen oder Rillen rund um den Umfang herum variiert werden,
wird die Energie nicht nur beim geraden Zusammenpressen absorbiert,
sondern auch beim Verdrehen des Elements 18, 30,
so dass eine Energieabsorption in zwei Bewegungsarten ermöglicht wird – einer
Translation und einer Rotation.
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Entsprechend
einem Aspekt der Erfindung lenken die relativ kürzeren oberen Elemente 18 die auf
ihre konvexen Flächen 22 achsversetzt
aufgebrachten Aufpralle vorteilhaft auf die relativ höheren unteren
Elemente 30 um, so dass sich die Funktionsfähigkeit
der Polsterung bei achsversetztem Aufprall weiter verbessert. Zu
diesem Zweck sind die oberen und unteren Elemente 18, 30 seitlich
gegeneinander versetzt, so dass die Hauptachse eines vorgegebenen
oberen Elements 18 um einen bestimmten Abstand D3 zur Hauptachse
des entsprechenden unteren Elements 30 versetzt ist. Analog
sind, wie in den 1 und 2 dargestellt,
mehrere kleinere obere Elemente 18 vorteilhaft rund um
ein bestimmtes größeres unteres
Element 30 herum gruppiert oder mit diesem in anderer Weise
funktionsfähig
verbunden, wodurch die auf die oberen Elemente 18 einwirkenden
Aufprallbelastungen in geeigneter Weise auf die unteren Elemente 30 umgelenkt
werden.
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Im
Einsatz bilden die konvexen Flächen 22 der
oberen balligen Elemente 18 zusammen einen progressiven
Aufprallbereich auf der Polsterung 10, der beim Aufprall
ein Minimum darstellt und sich während
des Knautschens vergrößert. Ein
gleichmäßiges Anwachsen
des Kraftniveaus bei Zunahme des Zusammenpressens wird dadurch erreicht,
dass sich der Aufprallbereich der Polsterung 10 während des Knautschens
progressiv vergrößert, wodurch
die sehr hohe Steifigkeit zu Beginn des Absorptionsprozesses und
die anfängliche
Spitzenbelastung vermieden wird, wie in 3 durch
eine Volllinie 44 für axial
(allgemein parallel zu den Hauptachsen 20, 32 der
Elemente 18, 30) erfolgte Aufpralle und durch eine
gestrichelte Linie 46 für
einen um 20° achsversetzten
Aufprall dargestellt ist. Im Gegensatz dazu erzeugen in bekannten
energieabsorbierenden Konstruktionen 100, wie z. B. bei
der in 9 (= Stand der Technik) dargestellten Konstruktion,
entgegengesetzt zueinander hervorstehende Kegelstümpfe 102 eine
wie in 10 (= Stand der Technik) dargestellte Anfangsspitzenbelastung,
ganz gleich, ob der Aufprall axial erfolgt, wie durch die Volllinie 104 in 10 gezeigt,
oder achsversetzt mit der um 20° geneigten Aufprallrichtung,
wie durch die gestrichelte Linie 106 in 10 dargestellt.
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In 3 ist
außerdem
dargestellt, dass die erste Polsterung 10, sobald die Belastung
einen Spitzenwert erreicht hat, weiterhin einem zusätzlichen Zusammenpressen
mit einer ähnlichen
Kraft für
einen signifikanten Verschiebungsweg widersteht und dass außerdem der
Kraftbetrag für
eine bestimmte Verschiebung ähnlich
bleibt ohne Rücksicht
darauf, ob der Aufprall axial oder um bis zu möglicherweise 20° achsversetzt
erfolgt. Im Gegensatz dazu zeigen die auf die axialen bzw. achsversetzten
Aufpralle bezogenen Kurvenzüge 104, 106 in 10,
dass die Kegelstümpfe 102 der
bekannten energieabsorbierenden Konstruktionen 100 mit
zunehmender Knautschung eine dem Spitzenwert nachfolgende ausgeprägte Verringerung
der Knautschwiderstandskraft und damit Energieabsorption aufweisen
und dass die dem Spitzenwert nachfolgende Momentanbelastung in Abhängigkeit
des Aufprallwinkels sehr schwankt.
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Eine
zweite beispielhafte Ausgestaltung 50 der erfindungsgemäßen energieabsorbierenden Polsterung
ist als Schnitt in 4 teilweise dargestellt. Wie
die erste Polsterung 10 umfasst die zweite Polsterung 50 ein
Paar einen Schichtverbund bildende Basisschichten 52, 54,
wobei jede eine Vielzahl von jeweiligen konvexen Aufprallflächen 60, 62 bildenden
hervorstehenden, hohlen, halbkugelförmigen oder balligen Elementen 56, 58 umfasst.
In der zweiten Polsterung 50 stehen jedoch die Elemente 58 der unteren
Basisschicht 54 wie die Elemente 56 der oberen
Basisschicht 52 in dieselbe Richtung in allgemein kollinearen
Achsen 64, 66 hervor, so dass sie dadurch eine
in sich geschachtelte Beziehung bilden, in der die „unteren" Elemente 58 innerhalb
der „oberen" Elemente 56 vorstehen.
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Die 5 stellt
die durch die zweite Polsterung 50 bereitgestellte resultierende
Kraft-Verschiebungs-Kennlinie 68 dar, die durch eine progressiv
ansteigende Belastung bei verstärkter
Knautschung gekennzeichnet ist. Wie in 5 zu erkennen
ist, stellt die zweite Polsterung 50 vorteilhaft einen
progressiven Aufprallbereich bereit, mit dem die auf gebrachte Energie
in einer für
den Fahrzeuginsassen sanfteren Weise absorbiert wird, wodurch die
Schutzfunktion der Polsterung 10 verbessert wird. Deshalb
ist die zweite Polsterung 50 durch eine Anfangsspitzenbelastung
gekennzeichnet, die im Vergleich zu denen der vorgestellten bekannten
energieabsorbierenden Konstruktionen wesentlich verringert ist.
Ebenso wie bei der ersten Polsterung 10 dienen die oberen
Elemente 56 der zweiten Polsterung 50 vorteilhaft
zum Umlenken achsversetzter Aufpralle auf die entsprechenden ineinander
geschachtelten unteren Elemente 58, so dass sich die Funktionsfähigkeit
bei achsversetztem Aufprall weiter verbessert.
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Außerdem ist
in 4 zu erkennen, dass entsprechend einem anderen
Aspekt der Erfindung in einem peripheren Abschnitt 70 die
ineinander geschachtelten Elemente 56, 58 der
Polsterung 50 in einer geeigneten Weise in der Nähe ihrer
jeweiligen Basen 72, 74 miteinander verbunden
sind. Auf diese Weise dient das untere (innere) Element 58 zum
Abfangen der anfänglichen
Reaktion, die sowohl vom oberen (äußeren) Element 56 als
auch durch die Funktionsfähigkeit
der Polsterung bei achsversetztem Aufprall bereitgestellt wird.
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In
den 6 bis 8, in denen gleiche Bezugsnummern
zur Kennzeichnung gleicher Komponenten verwendet werden, sind eine
dritte, vierte und fünfte
beispielhafte energieabsorbierende Polsterung 80, 82, 84 entsprechend
der Erfindung durch zwei oder drei ineinander geschachtelte Elementstufen 86, 88, 90 gekennzeichnet.
Speziell in der dritten Polsterung 80 (6)
sind die Achsen 92, 94 der oberen und unteren
Elemente 86, 88 allgemein kollinear, jedoch berühren sich
die jeweiligen Basen 96, 98 der oberen und unteren
Elemente 86, 88 nicht. In der vierten und fünften beispielhaften
Polsterung 82, 84 (7 und 8)
ist mindestens ein ineinander geschachteltes unteres Element 88 relativ
zum oberen Element 86 exzentrisch angeordnet, wobei sich die
jeweiligen Basen 96, 98 in nur einem Abschnitt berühren und/oder
in geeigneter Weise aneinander befestigt sind. Wie in den ersten
zwei beispielhaften Polsterungen 10, 50 werden
die Wanddicke, die Größe, die
Anzahl und das Material der ineinander geschachtelten Elemente 86, 88, 90 ausgewählt, um
die Art der Energieabsorption der Polsterung in einer bestimmten
Anwendung, insbesondere bei einem achsversetzten Aufprall, produktspezifisch
anzupassen. Ebenso wie in den zuvor erwähnten Polsterungen 10, 50 lenkt
die durch die obersten Elemente 86 definierte erste Stufe
den einwirkenden achsversetzten Aufprall zum Knautschen in der bestgeeigneten
Art der Energieabsorption vorteilhaft auf die zweite Stufe und jede
nachfolgende Stufe um.
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Obwohl
die voranstehende Beschreibung die Vorzugsausgestaltung darstellt,
ist zu erkennen, dass die Erfindung einer Modifikation, Variation
oder Änderung
unterworfen werden kann, ohne dass vom Geltungsbereich und eigentlichen
Sinn der beigefügten
Patentansprüche
abgewichen wird.