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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein strukturelles Element, insbesondere
ein solches, welches dahingehend ausgebildet ist, einer Querlast
standzuhalten, die dahingehend einwirkt, das Element zu verbiegen.
Bei dem strukturellen Element kann se sich um einen Kragträger handeln
(d.h. um einen Träger,
der zwischen einem Auflagerpunkt und einem nicht gestützten Ende
belastet wird). Die Last kann aber auch zwischen zwei Auflagerpunkten
des strukturellen Elements einwirken.
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Bestimmte
strukturelle Elemente in einem Kraftfahrzeug müssen so ausgebildet sein, dass
sie sich dann plastisch verformen, wenn die Belastung bzw. Last,
der sie während
des normalen Gebrauchs des Fahrzeugs unterworfen werden, überschritten wird.
Ein derartiges strukturelles Element ist die Armatur des Lenkrads.
Eine derartige Armatur weist eine zentrale Nabe auf, die an der
Lenksäule
befestigt ist, sowie Speichen, welche die Nabe mit dem Kranz des
Lenkrads verbinden. Die Speichen dürfen sich nicht in irgendeinem
nennenswerten Ausmaß verbiegen,
wenn das Fahrzeug gelenkt wird oder wenn der Fahrer sich beim Einsteigen
in das Fahrzeug oder beim Aussteigen aus dem Fahrzeug an dem Lenkrad
abstützt
oder wenn der Fahrer sich am Kranz des Lenkrads festhält und daran
zieht oder drückt,
um seine Sitzposition einzustellen. Im Falle eines Aufpralls soll
sich die Armatur jedoch verformen, um Energie zu absorbieren und
die Verletzungsgefahr für
den Fahrer zu verringern.
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Bei
herkömmlichen
strukturellen Elementen, die dahingehend ausgebildet sind, einer
Querbelastung standzuhalten, nimmt deren Verformung, sobald die
Belastungsgrenze überschritten
wurde, im Wesentlichen linear mit der Zunahme der Last zu,; mit anderen
Worten, ihre Biegefestigkeit (resistance to bending) (auch als Fließen (yield)
bezeichnet) und die Rate, mit der Aufprallenergie absorbiert wird,
sind im Wesentlichen konstant.
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Aus
der
US 50 40 646 A bzw.
der parallelen
DE 38
38 595 A1 ist ein Bauelement bekannt, das aus einem geraden
Metallstab besteht, der im Verhältnis
zu seinen Querabmessungen lang ist. Im Gegensatz zu den strukturellen
Elementen der vorliegenden Erfindung ist dieser Stab dahingehend
ausgebildet, einer Axialbelastung statt einer Querbelastung standzuhalten.
Der Stab ist dahingehend ausgebildet, unter einer axial wirkenden
Drucklast in Richtung der Achse seines größeren Hauptträgheitsmoments
nicht-elastisch auszuknicken. Der Stab verfügt auf wenigstens einer seiner
Breitseiten über
eine Geradverzahnung, die quer zur Längsrichtung und senkrecht zur
Achse des größeren Hauptträgheitsmoments
verlaufend angeordnet ist. Wenn sich die Spitzen dieser Zähne nach
dem Ausknicken des Stabs berühren,
wird der Widerstand gegen ein weiteres Ausknicken erhöht.
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Während es
nach dem Stand der Technik bekannt ist, wie die Knickfestigkeit
erhöht
werden kann, nachdem ein Element verformt wurde, gibt es aber auch
Fälle,
bei denen es wünschenswert
sein kann, dass das Fließen
eines Elements, nachdem eine Schwelllast überschritten wurde, abnimmt
statt zuzunehmen. Bei Elementen, die eher einer Quer- als einer
Axialbelastung unterworfen sind, kann es wünschenswert sein, dass sich
das Fließen
mit der Richtung, in der die Last einwirkt, ändert.
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Außerdem gibt
es Konstellationen, in denen eine komplexere Form der Last-Verschiebungs-Kurve
(graph of load versus deflection) (hier als Fließkurve (yield curve) bezeichnet)
erforderlich ist. Ein Beispiel für
ein solches Bauelement ist die Lehne eines Sitzes in einem Kraftfahrzeug.
Der Rahmen der Rückenlehne
muss ausreichend starr sein, um das Gewicht des Fahrers und die
Kräfte,
die normalerweise auf den Rahmen einwirken, zum Beispiel beim Einstellen
der Position des Sitzes oder der Rückenlehne, abzustützen. Die
Rückenlehne
muss sich jedoch verformen, wenn das Risiko eines Schleudertraumas
im Falle einer Heckkollision verringert werden soll. Während einer
solchen Kollision sollte die Rückenlehne zunächst kollabieren,
wenn sie den Rücken
des Insassen auffängt,
aber sobald der Rücken,
der Nacken und der Kopf des Insassen vollständig abgestützt sind, sollte der Verformungswiderstand
wieder zunehmen, damit Verletzungen des Insassen verhütet werden.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein strukturelles
Element bereitzustellen, das so ausgebildet werden kann, dass das
Fließen des
Elements als Funktion seiner Belastung verändert werden kann, so dass
die Fließkurve
optimiert werden kann, um den funktionalen Anforderungen des strukturellen
Elements zu genügen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein längliches
strukturelles Element bereitgestellt, das so ausgebildet ist, dass
es einer Querlast standhält,
die dazu neigt, das Element zu verbiegen, wobei das Element wenigstens
ein Paar quer zur Längsrichtung verlaufender
Flächen
aufweist, die einander gegenüberliegend
angeordnet sind, wobei die äußeren Kanten
der Flächen
bei einem Verbiegen durch Aufbringen einer Querlast aufeinander
zu bzw. voneinander weg gedrückt
werden, und wobei die Querflächen
zur Übertragung
von Kraft von der einen zur anderen in Kopplungsverbindung miteinander
stehen, wobei der Wirkungsgrad der Verbindung von der Richtung und dem
Ausmaß der
Verformung des Elements durch die einwirkende Kraft abhängt, und
wobei die beiden einander gegenüberliegenden
Flächen
mittels einer schwachen Brücke
untereinander verbunden sind, die dahingehend ausgebildet ist, zu
brechen, wenn eine vorherbestimmte Last überschritten wird.
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In
einer simplen Ausführungsform
kann das Element eine einzelne Quereinkerbung aufweisen, die zwei
einander gegenüberliegende
und zueinander beabstandete Querflächen definiert, die durch die schwache
Brücke
miteinander verbunden sind. Die Wirkung der Brücke über der Einkerbung besteht
darin, das Element so lange zu versteifen, bis die einwirkende Kraft
ausreichend ist, um die Brücke
zu brechen. Anschließend
ist die Biegefestigkeit des Elements verringert.
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Statt
einer einzelnen Einkerbung kann das Element mehrere Einkerbungen
aufweisen, durch die eine Reihe kammartiger Zähne ausbildet wird, welche
quer zur Längsrichtung
des Trägers
und im Allgemeinen parallel zur Richtung der einwirkenden Last verlaufen.
In diesem Fall können
einige der Einkerbungen mit Brücken
versehen sein und andere getrennt voneinander ausgebildet sein.
Im Falle beabstandeter Zähne
wirken diese so, dass sie die Steifigkeit des Elements verstärken, nachdem
dieses ausreichend so verbogen wurde, dass sich die Seiten oder
Spitzen der Zähne
berühren.
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Haben
die Zähne
alle dieselbe Länge
und denselben Abstand oder sind die Brücken alle so ausgebildet, dass
sie gleichzeitig brechen, erfolgt der Übergang von einer Widerstandsstufe
zu einer anderen relativ abrupt, sei es von einer niedrigen zu einer hohen
oder von einer hohen zu einer niedrigen Widerstandsstufe. Sollte
ein graduellerer Übergang
erforderlich sein, kann die Beabstandung zwischen den Zähnen abgestuft
werden, so dass die Lücken
zwischen den Zähnen
der Reihe nach statt gleichzeitig geschlossen werden. Eine weitere
Möglichkeit
besteht darin, dass die Form der Lücke zwischen jedem Paar einander
gegenüberliegender
Flächen
ungleichmäßig ausgebildet
ist, so dass sich die Lücke schließt, indem
sie ihren Weg allmählich
von den Wurzeln der Zähne
zu deren Spitzen findet.
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Es
besteht die Möglichkeit,
ein strukturelles Element in nur einer Richtung zu verstärken, indem Zähne mit
nomineller Beabstandung angebracht werden, die von einer Seite des
Elements her vorstehen. Wenn die einwirkende Kraft dazu neigt, die
Seite, von der aus die Zähne
vorstehen, in eine konkave Kurve zu verbiegen, kommen die Spitzen
der Zähne
in Kontakt miteinander und setzen dem Verbiegen Widerstand entgegen.
Wenn andererseits die einwirkende Kraft dazu neigt, die Seite in
eine konvexe Kurve zu verbiegen, dann bewegen sich die Spitzen der
Zähne einfach
voneinander fort und setzen dem Verbiegen des Elements keinen Widerstand
entgegen.
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Auf
diese Weise kann die Fließkurve
eines strukturellen Elements mittels der Erfindung so angepasst
werden, dass auf allen Stufen seiner Verformung ein optimaler Widerstand
erreicht wird.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch ein erstes strukturelles Element, welches nicht
gemäß der Erfindung
ausgebildet ist, und
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2 einen ähnlichen
Querschnitt, der eine Ausführungsform
der Erfindung darstellt, und
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3 einen
Querschnitt, der eine weitere Ausführungsform der Erfindung darstellt.
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1 zeigt
ein strukturelles Element 10 in Form eines Kragträgers, der
an einem Ende an einem Auflager 12 verankert ist. Der Träger kann
zum Beispiel eine Speiche eines Lenkrades sein, die aus einem Auflager,
das durch die zentrale Nabe des Lenkrades gebildet wird, heraustritt.
In einem anderen Beispiel kann das Element ein Seitenelement eines
die Rückenlehne
eines Sitzes umgebenden Rahmens sein. Bei beiden Beispielen soll
das Element während
des normalen Gebrauchs starr sein, sollte jedoch im Falle einer
Kollision nachgeben, um das Verletzungsrisiko für den Fahrer oder einen Beifahrer zu
verringern. Die Erfindung erlaubt es einem strukturellen Element,
je nach Schwere und Richtung des Aufpralls mit verschiedenen Raten
nachzugeben.
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Element 10 in 1 weist
Zähne 14 auf,
die von einer Seite aus vorstehen, wobei zwischen einigen der Zähne 14 elastische
Einsätze 15 angebracht sind.
Wenn das Element 10 in Richtung des Pfeils 16 verbogen
wird, spielen die Zähne 14 bei
der Verformung des Elementes keine Rolle. Das Element gibt nach,
wenn eine vorausbestimmte Belastung ausgeübt wird, wobei das Ausmaß der Verformung
im Wesentlichen linear mit der Last zunimmt.
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Wenn
das Element andererseits in Richtung des Pfeils 18 verbogen
wird, wirkt das Zusammendrücken
der elastischen Einsätze 15 der
Verformung zunächst
entgegen. Wenn die Einsätze 15 vollständig zusammengedrückt sind
oder wenn die nicht durch Einsätze 15 getrennten,
einander gegenüberliegenden
Flächen 17 an
den Spitzen der Zähne 14 miteinander
in Kontakt kommen, nimmt die Steifigkeit des Elements wesentlich
zu, und das Ausmaß der Verformung
nimmt mit zunehmender Belastung immer weiter ab.
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Im
Falle einer Lenkradspeiche würde
dies bedeuten, dass die Speiche zunächst nachgibt, um eine schwere
Verletzung des Brustkorbs des Fahrers zu verhüten. Wenn jedoch ein Airbag
im Lenkrad ausgelöst
wird, knickt die Speiche unter der erhöhten Belastung nicht ein, sondern
bietet dem Airbag eine feste Reaktionsfläche, damit der Fahrer von dem
Airbag in seinen Sitz zurückgedrückt werden
kann.
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Im
Falle einer Rückenlehne
kann der Rücken des
Fahrers zu Beginn eines Auffahrunfalls durch das ursprüngliche
Nachgeben abgefedert werden, wobei jedoch dann, wenn der Rücken vollständig am Sitz
anliegt und dadurch gestützt
wird, durch die erhöhte
Steifigkeit des strukturellen Elements verhindert wird, dass die
Rückenlehne
völlig
einknickt.
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Während das
Element gemäß 1 es
ermöglicht,
dass die Steifigkeit des Elements erhöht wird, nachdem ein gewisses
Ausmaß an
Verformung eingetreten ist, gibt die Erfindung eine Lösung dafür, dass
es möglich
ist, das Element so zu konstruieren, dass die Steifigkeit vermindert
wird, nachdem eine Schwelle überschritten
wurde.
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Die
Ausführungsform
der Erfindung in 2 hat zwei Zähne 24, die über eine
schwache Brücke 26 miteinander
verbunden sind. Wenn das mit 20 bezeichnete strukturelle
Element in Richtung des Pfeils 32 belastet wird, wird es
aufgrund der Brücke 26 zunächst einem
Verbiegen widerstehen. Sobald die Belastung jedoch die zum Zerbrechen
der Brücke
erforderliche Schwelle überstiegen
hat, wird die Steifigkeit des Elements wesentlich verringert.
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Die
in 3 dargestellte Ausführungsform der Erfindung weist
Zähne auf,
die auf gegenüberliegenden
Seiten des mit 40 bezeichneten Elementes unterschiedliche
Funktionen erfüllen.
Außerdem
ist aus 3 ersichtlich, dass die nicht über eine
Brücke 26 miteinander
verbundenen Zähne 42 einen
Steg 42a und einen Kopf 42b haben können. Die
Querflächen
der Köpfe 42b können so
geformt sein, dass sie, wie im Falle der mit 42c bezeichneten
Flächen, relativ
zueinander gleiten können
oder relativ zueinander einrasten können, wie im Falle der mit 42d bezeichneten
Flächen.
Darüber
hinaus können
die Stege so konstruiert sein, dass sie die Übertragungslast aufnehmen.
Auch hier können
die Stege verstärkt werden,
indem zwischen ihnen zusammendrückbare Einsätze (nicht
dargestellt) angeordnet werden.
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Die
Ausführungsform
gemäß 2 zeigt, wie
es möglich
ist, über
ein asymmetrisches Element zu verfügen, das sich leichter in eine
Richtung verbiegt als in die andere. Die Lücken zwischen den Zähnen 24 und
den Zähnen 28 sind
nur nominell und schließen
sich, sobald das Element in Richtung des Pfeils 32 verbogen
wird. Die Lücken
vergrößern sich lediglich
dann, wenn das Element in Richtung des Pfeils 30 verbogen
wird, und die Zähne 28 tragen nicht
zur Steifigkeit des Elements bei, wenn es in diese Richtung verbogen
wird.
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Eine
Rückenlehne
ist ein Beispiel für
ein strukturelles Element, dessen Nutzwert dann erhöht ist,
wenn es asymmetrische Eigenschaften aufweist. Unter normalen Belastungen
sollte sich die Rückenlehne
natürlich überhaupt
nicht bewegen und es dadurch dem Fahrer ermöglichen, sich an der Lehne abzustützen, wenn
er in das Fahrzeug ein- oder daraus aussteigt, oder wenn er die
Position des Sitzes oder des Lenkrads einstellt. Im Falle eines
Heckauffahrunfalls wird die Rückenlehne
durch das Gewicht des Fahrers oder des Beifahrers zurückgedrückt, wobei
die Lehne dann im Idealfall so reagiert, dass sie solange nachgibt,
bis der Fahrer von der Lehne des Sitzes vollständig abgestützt wird, um anschließend steifer
zu werden, so dass die Lehne des Sitzes nicht einknickt. Andererseits
besteht im Falle einer Frontalkollision das Risiko, dass eine schwere
Last im hinteren Teil des Fahrzeugs die Lehne des Sitzes nach vorn
drücken
kann und so der Fahrer zwi schen dem Sitz und dem Lenkrad eingeklemmt
wird. Daher muss eine Rückenlehne
immer dann steif sein, wenn sie Einwirkungen Widerstand leistet,
die dahingehend wirken, die Rückenlehne
nach vorn zu bewegen. Eine solche Fließkurve kann dadurch erreicht
werden, dass eine Rückenlehne
zur Verfügung
gestellt wird, die mit eng beabstandeten, nach vorn weisenden Zähnen und
weiter beabstandeten, nach hinten weisenden Zähnen ausgestattet ist, die über Brücken verfügen, welche
die Spitzen der nach vorn weisenden Zähne miteinander verbinden.
Eine solche Konstruktion sorgt für
die hohe Steifigkeit, die erforderlich ist, einer schweren Last
standzuhalten, die bei einem schweren Frontalaufprall in den vorderen
Fahrgastbereich eindringt, während
sie es der Rückenlehne ermöglicht,
bei einem Heckaufprall nachzugeben. Die Brücken würden eine hohe anfängliche
Steifigkeit bieten, um den Fahrer während des Ein- und Aussteigens
zu unterstützen.
Die Brücken
würden
je nach der Richtung, in der die Last einwirkt, auf Zug oder auf
Druck belastet.
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Natürlich stellen
die Länge,
die Breite und die Beabstandung der Zähne Parameter dar, welche sich je
nach einwirkender Last auf die Steifigkeit in unterschiedlicher
Weise auswirken. Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich,
dass die Kombination beabstandeter Zähne und Brücken es ermöglicht, die Fließkurve nach
Belieben zu variieren, so dass die Steifigkeit jedes beliebigen
strukturellen Elements unter verschiedenen Verformungsgraden optimiert werden
kann.