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Die
Erfindung betrifft ein Crash-Energieabsorber-Element gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, welches einen Energieabsorber sowie ein im Crashfall
irreversibel versagendes Crashelement aufweist. Ferner betrifft
die Erfindung ein Anbindungselement und ein Luftfahrzeug mit einem
solchen Crash-Energieabsorber-Element.
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Ein
Crash-Energieabsorber-Element dient bei einem Unfall oder einem
anderen Zerstörungsfall, im
Folgenden als „Crashfall" bezeichnet, zur
Umwandlung der beispielsweise bei einem Aufprall auftretenden kinetischen
Energie in eine Formänderung eines
dafür vorgesehenen
deformierbaren Bauteils. Ein solches Bauteil wird auch als Crashelement
bezeichnet. Die Energieumwandlung führt zu einem mindestens abschnittsweise
irreversiblen Versagen des Crashelements. Häufig bestehen solche Crashelemente
aus Faserverbundwerkstoffen, zum Beispiel in Form von rohrförmigen Hohlkörpern, die
im Crashfall vorrangig in Längsrichtung
beansprucht werden und die Energie durch plastische Verformung aufnehmen.
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Ein
gattungsgemäßes Crash-Energieabsorber-Elemente
ist aus
DE 196 23
449 A1 bekannt. Es weist ein in ein längskraftübertragendes Lager eingeführtes, Stoßenergie
absorbierendes Rohrelement aus faserverstärktem Verbundmaterial auf,
wobei das Lager entsprechende Öffnungen
aufweist, durch die aufprallbedingt aufgerissenes Verbundmaterial austreten
kann. Dadurch wird sichergestellt, dass auch bei aufgerissenem Verbundmaterial
eine Verbindung zwischen dem Rohrelement und dem Lager besteht,
was z.B. zum Abschleppen eines verunfallten Kraftfahrzeuges erforderlich
ist. Nachteilig ist jedoch, dass die „Triggerung", d.h. der Auslösepunkt für das Einsetzen
des Versagensverhaltens, lediglich durch das Rohrelement vorgegeben
ist und folglich nur in sehr begrenztem Maße variabel einstellbar ist.
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Zudem
sind aus der
EP 1 316
409 A1 und der
DE
100 36 169 A1 Faserverbund-Crashstrukturen mit einem kegelstumpfförmigen Querschnitt
mit einer konstanten oder einer sich stufenförmig verändernden Wandstärke bekannt.
Dabei dient eine Vernadelung und/oder ein Übergangsbereich zwischen verschieden
dicken Wandabschnitten zur Generierung von Versagensbereichen mit
bestimmten maximal aufnehmbaren Kräften. Hierbei ist jedoch von
Nachteil, dass der Energieaufnahme über die Querschnittsgestaltung
und die Wanddicke gewisse Grenzen gesetzt sind und zur Umwandlung
hoher Bewegungsenergie ein vergleichsweise langes Crashelement benötigt wird.
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Aus
der
DE 197 17 473
A1 ist ein Energieabsorberelement mit zwei rohrförmigen Crashelementen
bekannt, wobei ein Rohrkörper
aus Metall und der andere Rohrkörper
aus glasfaserverstärktem
Verbundwerkstoff (GFK) besteht. Die Aufprallenergie wird durch eine
Abrollbewegung des Metallrohres und durch den vollständigen Bruch
des Glasfaserrohres aufgenommen. Eine derartige Anordnung mit mehreren
ineinander schiebbaren Rohren stellt eine komplexe Baueinheit mit
großem
Platzbedarf dar. Zudem ist nach erfolgtem Bruch eine weitere Energieabsorption
kaum möglich.
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Die
DE 101 40 503 A1 offenbart
ein rohrförmiges
Crashelement, das die umzuwandelnde Energie durch eine Umstülpverformung
aufnimmt. Infolge einer halbkreisförmigen Umstülphohlkehle kann es bei dem
Umstülpvorgang
zu einem Verstopfen der Bauteilumgebung und somit zu einer begrenzten oder
unvollständigen
Energieaufnahme kommen.
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Schließlich ist
aus der
DE 102 43
460 A1 ein Energieabsorber bekannt, bei dem eine mit einer
mittigen Öffnung
versehene metallische Grundplatte mit mehreren spanabtragenden Elementen
in Umfangsrichtung entlang der Öffnung
versehen ist. Die spanabtragenden Elemente bewirken entlang der Längsrichtung
eines aus Polymer bestehenden Crashelementes im Crashfall einen
spanenden Materialabtrag. Nachteilig ist jedoch, dass das Crashelement
eine nicht zu geringe Wanddicke aufweisen muss, damit es überhaupt
zu einem gewissen Schichtabtrag durch Spanen kommen kann. Insofern ist
auch hier eine Energieaufnahme nur bis zu einer bestimmten Belastung
möglich.
Es kommt vorrangig zu einer Zersplitterung der abgetragenen Außenschicht.
Diese Versagensform ermöglicht
lediglich eine relativ geringe Energieumwandlung.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Crash-Energieabsorber-Element
anzugeben, das ein zuverlässiges,
kontrolliertes Versagen mit hoher Energieabsorption gewährleist,
und das gleichzeitig eine verbesserte Steuerung bzw. Anpassbarkeit
des Versagensverhaltens ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Crash-Energieabsorber-Element mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
Ein mit einem solchen Crash-Energieabsorber-Element versehenes Anbindungselement
sowie ein Luftfahrzeug sind Gegenstände der Nebenansprüche. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein
Kerngedanke der Erfindung liegt darin, dass dem für die Energieumwandlung
vorgesehenen Crashelement eine mit Durchgangsöffnungen versehene Trenneinrichtung
sowie eine Umlenkeinrichtung zugeordnet ist, wobei die Achsen der
Durchgangsöffnungen
unter einem ersten Winkel und die in Richtung Crashelement weisende
Oberfläche
der Umlenkeinrichtung unter einem zweiten Winkel bezüglich einer
Ebene senkrecht zur Längsachse
des Crashelements geneigt sind.
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Durch
die geneigte Oberfläche
der Umlenkeinrichtung wird das Crashelement vorgeschädigt, insbesondere
durch Aufweiten und/oder teilweises Umbiegen des auf der Umlenkeinrichtung
aufliegenden Endes des Crashelements, was eine erste Energieabsorptionsstufe
darstellt. Diese Vorschädigung dient
zur gezielten Einstellung eines vorbestimmten Kraftniveaus. Durch
entsprechende Wahl des zweiten Neigungswinkels kann dieses Kraftniveau
eingestellt werden. Der zweite Neigungswinkel beträgt typischerweise
5 bis 80°,
vorzugsweise 20 bis 30°.
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Das
vorgeschädigte
Crashelement wird dann über
die Umlenkeinrichtung der Trenneinrichtung zugeführt, die das Crashelement im
Crashfall in seinem Versagensbereich in mehrere, insbesondere streifenförmige Teilelemente
aufspaltet, auftrennt, aufschneidet oder aufteilt (nachfolgend verallgemeinert
als „Aufspalten" bezeichnet), was
mit Absorption von Energie verbunden ist. Dabei wird das Crashelement
in Längsrichtung
soweit aufgespaltet bis sämtliche
im Crashfall auf das Crashelement einwirkende kinetische Energie
absorbiert ist. Dies stellt die zweite Stufe der Energieabsorption
dar. Der Prozess kommt danach zum Stehen, kann aber bei erneuter Belastung
(z.B. bei einem erneuten Aufprall) in entsprechender Weise fortgeführt bzw.
erneut in Gang gesetzt werden.
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Die
vorzugsweise das Crashelement im Wesentlichen ringförmig umgebende
Trenneinrichtung weist zum oben beschriebenen Aufspalten des Crashelements
Durchgangsöffnungen
auf, z.B. in Form von Sacklöchern,
Durchbrechungen oder Bohrungen, die entlang der Umfangsrichtung
des Crashelements angeordnet sind. Eine gleichmäßige Anordnung der Durchgangsöffnungen
führt zu
einem symmetrischen Versagensverhalten des Crashelements. Die Durchgangsöffnungen
sind vorzugsweise kreisförmig,
gekrümmt
oder ellipsenförmig
ausgebildet und sind über
die Wandstärke
der Trenneinrichtung schräg
verlaufend angeordnet; d.h., die Achsen der Durchgangsöffnungen
verlaufen bezüglich
einer Ebene senkrecht zur Längsachse
des Crashelements geneigt. Dabei wird zumindest abschnittsweise
durch eine Begrenzungskante (z.B. Umrandung) oder Begrenzungsfläche der
Durchgangsöffnung
ein Schneidmittel gebildet. Alternativ kann aber auch die Umrandung
der Durchgangsöffnung
mit einem Vorsprung zur Bildung eines Schneidmittels versehen sein.
In der Regel ist die Umrandung der Durchgangsöffnung jedoch ohne besondere
Formgebung oder Ausgestaltung ausreichend scharfkantig, so dass
im Crashfall das Crashelement durch Reibung an der Durchgangsöffnung unter
Energieabsorption in entsprechende Teilelemente aufgespaltet wird. Durch
die schräge
Anordnung der Durchgangsöffnungen
wird einerseits das Einsetzen des Aufspaltens des Crashelements
gesteuert, was eine weitere Möglichkeit
der Einstellung der Kraftniveaus darstellt. Andererseits wird ein
Verstopfen der Durchgangsöffnungen,
die Abfluss- oder Abführkanäle für das aufgespaltete
Crashelementmaterial bilden, wirksam verhindert. Bei einem von oben
in den Energieabsorber eingeführten
Crashelement fallen sowohl die Durchgangsöffnungen als auch die in Richtung Crashelement
weisende Oberfläche
der Umlenkeinrichtung bevorzugt nach außen hin ab.
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Um
einen gleichmäßigen Übergang
zwischen Umlenkeinrichtung und Trenneinrichtung zu gewährleisten,
ist es vorteilhaft, dass der erste und der zweite Neigungswinkel
gleich groß sind.
Die Funktionsfähigkeit
des erfindungsgemäßen Crash-Energieabsorber-Elements
wird aber auch nicht negativ beeinträchtigt, wenn die Oberfläche der Umlenkeinrichtung
unter einem anderen Winkel als die Achsen der Durchgangsöffnungen
geneigt ist. Durch die Wahl der Neigungswinkel, insbesondere des
ersten Winkels, kann auch der Raumbedarf, insbesondere auf Grund
der durch die Durchgangsöffnungen
austretenden geschnittenen Teilelemente, eingestellt bzw. variiert
werden. Dies kann zum Beispiel beim Einbau der Erfindung in bestehende
Strukturen oder Systeme von Vorteil sein.
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Durch
das Austreten der aufgeschnitten Teilelemente durch die Durchgangsöffnungen
wird das versagende Crashelementmaterial nach außen abgeführt. Zudem ist von Vorteil,
dass bei einer entgegengesetzten Belastung des Crashelements, beispielsweise
beim Einwirken einer Zugkraft, Trenneinrichtung und Crashelement
weiterhin miteinander verbunden bleiben und somit die Struktur des Crash-Energieabsorber-Elements
an sich intakt bleibt.
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Vorteilhafterweise
ist die Umlenkeinrichtung einstückig
mit dem Energieabsorber ausgebildet, oder zumindest fest mit diesem
verbunden. Dies stellt eine besonders einfache und handliche Ausgestaltung
dar, wobei lediglich das Crashelement in geeigneter Weise mit dem
Energieabsorber zusammenwirken muss. Zu diesem Zweck wird das Crashelement üblicherweise
in den Energieabsorber eingeführt
und gegebenenfalls mit diesem fest verbunden. Als Material für die Umlenkeinrichtung
und den Energieabsorber kann z.B. gehärteter Stahl, Aluminium oder
andere für
Luftfahrtanwendungen geeignete Materialien verwendet werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
die Umlenkeinrichtung separat ausgebildet, was nachfolgend auch
durch den Begriff „Kernelement" zum Ausdruck kommen
soll. Das Kernelement ist in den Energieabsorber einführbar und
in Längsrichtung
des Crashelements variabel feststellbar ist. Dies ermöglicht eine
Höhenverstellung
der Umlenkeinrichtung, wodurch der Auftreffpunkt der in Richtung Crashelement
weisenden Oberfläche
der Umlenkeinrichtung auf die Durchgangsöffnung eingestellt werden kann.
Anders ausgedrückt,
durch eine derartige Höhenverstellung
kann quasi der Querschnitt der Durchgangsöffnung verändert werden, was eine weitere
Möglichkeit
der Triggerung darstellt. Zudem kann das Kernelement ausgewechselt
werden und durch ein anderes Kernelement mit unterschiedlichem Neigungswinkel
ersetzt werden, um beispielsweise je nach Anwendung das zur Auslösung des Versagensverhaltens
erforderliche Kraftniveau einzustellen. Das Kernelement ist typischerweise
ringförmig
oder kegelstumpfförmig
ausgebildet, was dessen Handhabung vereinfacht.
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Der
Neigungswinkel der Umlenkeinrichtung, d.h. der zweite Winkel, wird
auf besonders einfache Weise durch eine konische Oberfläche der
Umlenkeinrichtung realisiert. Dabei weist die Spitze des Konus typischerweise
in Richtung Crashelement.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die konische Oberfläche eine
Anzahl von gekrümmten,
insbesondere muldenförmigen, Umlenkabschnitten
auf. Vorteilhafterweise führt
jeweils ein Umlenkabschnitt zu einer Durchgangsöffnung hin; d.h. die Anzahl
der Umlenkabschnitte entspricht der Anzahl der Durchgangsöffnungen.
Entlang der Berührungslinie
zweier benachbarter muldenförmiger
Umlenkabschnitte kann eine weitere Schneidkante entstehen, was dazu
führt,
dass das Crashelement durch die Umlenkeinrichtung nicht nur durch
Aufweitung und Umlenkung vorgeschädigt wird, sondern auch durch
leichtes Anschneiden bzw. Einschneiden. Dadurch kann die erste Stufe
der Energieabsorption entsprechend modifiziert werden.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung weist der Energieabsorber einen Aufnahmeabschnitt zur
Aufnahme des Crashelementes auf. Typischerweise hat der Aufnahmeabschnitt
ein trichterförmiges Ende.
Dies ermöglicht
bei einer nicht ausschließlich in
Richtung der Längsachse
des Crashelementes einwirkenden Belastung, das heißt bei teilweiser Quer-
und/oder Biegebelastung, eine Spannungsreduktion. Auf diese Weise
wird eine verbesserte Funktionalität des erfindungsgemäßen Crash-Energieabsorber-Elements
bei außermittiger
Belastung erreicht.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist an dem dem Aufnahmeabschnitt gegenüberliegenden Ende des Energieabsorbers
ein Anschlussbereich vorgesehen, über den das Crash-Energieabsorber-Element
mit einem Bauteil verbindbar ist. Typischerweise weist der Anschlussbereich
wenigstens einen Anschlussarm auf und kann z.B. in Form eines Gabelbeschlages
ausgebildet sein.
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Das
Crashelement ist in bevorzugter Ausgestaltung als rohrförmiger Hohlkörper ausgebildet, was
zu einer entsprechenden Gewichtseinsparung führt. Die Wandstärke des
Hohlkörpers
kann entlang der Längsachse
gleich bleiben oder variabel ausgeführt sein, je nach erforderlicher
Belastung. Dabei können
zum Beispiel auch Verstärkungen
vorgesehen sein. Der Hohlkörper
besteht typischerweise aus Kunststoffwerkstoffen oder Faserverbundwerkstoffen,
insbesondere Kohlenstoff-Faserverbundwerkstoffen
(CFK). Diese Werkstoffe sind vor allem auf Grund ihrer hohen gewichtsspezifischen
Energieabsorption vorteilhaft. Besonders bevorzugt wird ein geflochtenes
Faserverbundrohr verwendet, das beispielsweise Fasern mit ± 45° Orientierung
aufweist. Selbstverständlich
können
auch andere Faserverbund-Gewebe oder -Gelege (z.B. Multiaxialgelege oder
Prepregs) verwendet werden.
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Eine
besonders bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Crash-Energieabsorber-Elements
liegt auf dem Gebiet von Luft- und Raumfahrttechnik, z.B. in Flugzeugen,
Hubschraubern, Raumfähren
oder dergleichen. Speziell bei sprödelastischen Verbundstrukturen
(z.B. im Flugzeugrumpfbereich) sind geeignete Absorberkonzepte erforderlich, um
ein zu einer metallischen Bauweise vergleichbares Versagensverhalten
zu erreichen. Ein mögliches Einsatzgebiet
des erfindungsgemäßen Crash-Energieabsorber-Elements
sind Stützen
oder Stützstreben
eines Passagier- oder Cockpit-Fußbodens, um somit die resultierenden
Beschleunigungen im Kabinenbereich (und damit auf Passagiere und/oder Crew)
wirksam reduzieren zu können.
Hier wird das erfindungsgemäße Crash-Energieabsorber-Element vorzugsweise
in Lagerfußpunkten
von Stützen
oder Stützstreben
eingesetzt. Selbstverständlich
sind eine Vielzahl von unterschiedli chen Anwendungen, z.B. in der
Kraftfahrzeug- oder Luft- und Raumfahrttechnik, möglich.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird zudem durch ein Anbindungselement gelöst, das
mit einem erfindungsgemäßen Crash-Energieabsorber-Element und
einem Stützelement
versehen ist, wobei das Stützelement
durch das Crashelement gebildet ist, oder mit dem Crashelement verbunden
ist. Dieses Anbindungselement macht sich die oben genannten Vorteile
des Crash-Energieabsorber-Elements zu Nutze.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Anbindungselements
ist das Crashelement mittels einer deformierbaren Verbindung mit
dem Aufnahmeabschnitt verbunden, wobei die Verbindung bei der gleichen
oder einer geringeren Belastung wie das Crashelement versagt.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung ist die Verbindung als Klebeverbindung
ausgeführt.
Insbesondere um einen vorbestimmten Hohlraum für die Klebemasse zu definieren,
ist wenigstens ein Dichtring zwischen Aufnahmeabschnitt und Crashelement
angeordnet. Die Dichtmasse kann beispielsweise über eine Bohrung in der Wandung
des Aufnahmeabschnitts in diesen Hohlraum injiziert werden.
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Zum
Toleranzausgleich und zur Bildung eines Distanzringes kann ferner
am Ende des Crashelementes ein Ringelement (z.B. aus CKF oder GFK) oder
eine Verstärkung
(z.B. eine CFK- oder GFK-Lage) vorgesehen sein, welche zugleich
eine galvanische Korrosion verhindern. Um eine Qualitätskontrolle
zu ermöglichen,
weist der Aufnahmeabschnitt vorzugsweise eine Entlüftungs-/Auslassbohrung
auf.
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Alternativ
kann die Verbindung mehrere Abscherelemente, insbesondere in Form
von Abscherstiften, aufweisen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist das Anbindungselement mit einem wenigstens
einen Anschlussarm umfassenden Bauteilanschluss ausgestattet, der
mit der Trenneinrichtung verbunden ist. Dieser Bauteilanschluss
kann beispielsweise auch zur Lagerung des oben beschriebenen Kernelements dienen.
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In
einer weiter bevorzugten Ausgestaltung sind der Aufnahmeabschnitt,
die Trenneinrichtung und der Bauteilanschluss in Längsrichtung
des Anbindungselements aufeinanderfolgend koaxial miteinander verbunden.
Vorteilhafterweise sind vorgenannte Bestandteile miteinander verschweißt oder auch
einteilig ausgebildet.
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Die
Vorteile der Erfindung liegen insbesondere in der Nutzung der Energieabsorption
von Kunststoff- oder Faserverbund-Crashelementen, wobei im Crashfall
eine zweistufige Energieabsorption erfolgt. Zudem kann das Versagensverhalten
je nach Anwendung eingestellt werden, insbesondere ist der Auslösepunkt
für das
Einsetzen des Versagensverhaltens des Crashelements präzise einstellbar.
Das versagende Crashelement kann zuverlässig abgeführt werden, d.h. ein problemsloser
Fragmentabfluss ist gewährleistet.
Das erfindungsgemäße Crash-Energieabsorber-Element
lässt sich
auf einfache Weise in bestehende Bauteile, Strukturen, Anbindungselemente
etc. integrieren.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Darin
zeigt:
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1a eine
schematische perspektivische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform
eines Energieabsorbers;
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1b eine
geschnittene Teilansicht der Darstellung gemäß 1a;
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2a eine
schematische perspektivische Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform
eines Energieabsorbers;
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2b eine
geschnittene Teilansicht der Darstellung gemäß 2a;
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2c eine
Draufsicht der Darstellung gemäß 2a;
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3 eine
schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Crash-Energieabsorber-Elements vor dem Crashfall;
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4 eine
schematische perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Crash-Energieabsorber-Elements
nach dem Crashfall;
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5 eine
schematische perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Anbindungselements;
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6 eine
teilweise geschnittene Ansicht der Darstellung gemäß 5;
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7 eine
teilweise geschnittene Seitenansicht der Darstellung gemäß 6;
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8 eine
weitere Seitenansicht der Darstellung gemäß 6;
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9 eine
perspektivische teilweise geschnittene Ansicht des Anbindungselements
gemäß 5 mit
einer Klebeverbindung; und
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10 die
Klebeverbindung von 9 im Querschnitt.
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Nachfolgend
werden anhand der 1 bis 4 vorteilhafte
Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Crash-Energieabsorber-Elements beschrieben.
Unter Bezugnahme auf 5 bis 10 werden
vorteilhafte Ausführungsformen
eines entsprechenden Anbindungselements beschrieben.
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In
den 1a und 1b ist
eine erste Ausführungsform
eines Energieabsorbers 10 dargestellt, der zusammen mit
einem im Crashfall irreversibel versagenden Crashelement ein erfindungsgemäßes Crash-Energieabsorber-Element
bildet. In 1a und 1b ist
aus Gründen
der besseren Übersicht das
Crashelement nicht dargestellt, da zunächst der Energieabsorber 10 beschrieben
werden soll.
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Der
Energieabsorber 10 weist eine zylindrische Form auf, mit
einer Längserstreckung,
die nachfolgend auch als Längsrichtung
bzw. Längsachse
X bezeichnet wird und in den nachfolgenden Figuren strichpunktiert
dargestellt ist. Der Energieabsorber 10 weist eine Trenneinrichtung 30 auf,
die eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen 32 aufweist,
welche entlang der Umfangsrichtung des Energieabsorbers 10 angeordnet
sind. Die Durchgangsöffnungen 32 fallen
schräg
nach außen
hin ab, d.h. die gestrichelt dargestellten Achsen der Durchgangsöffnungen 32 sind
bezüglich
einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung
X unter einem ersten Winkel α geneigt
(siehe 1b).
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Innerhalb
des Energieabsorbers 10 ist eine Umlenkeinrichtung 40 angeordnet,
die durch ein in den Energieabsorber 10 einführbares
separates Bauteil, welches nachstehend auch als Kernelement bezeichnet
wird, einführbar
ist. Das Kernelement 40 ist in Richtung des Doppelpfeils
verschiebbar und kann in einer gewünschten Position arretiert
werden. Dadurch kann der Auftreffpunkt des Außenrandes 44 der Umlenkeinrichtung 40 bezüglich der
Durchgangsöffnungen 32 variiert
werden. Durch eine derartige Verstellbarkeit des Kernelementes 40 kann quasi
der Durchmesser der jeweiligen Durchgangsöffnung 32 verändert werden.
Dies stellt eine Möglichkeit
dar, das erfindungsgemäße Crash-Energieabsorber- Element für einen
Anwendungsfall einzustellen, worauf nachstehend noch genauer eingegangen
wird.
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1a und 1b zeigen
ferner, dass die in Richtung des nicht dargestellten Crashelements
weisende Oberfläche 41 der
Umlenkeinrichtung 40, d.h. die hier nach oben weisende
Seite der Umlenkeinrichtung 40, eine kegelförmige Form
aufweist. Die Spitze des Kegels befindet sich auf der Längsachse X
und die Seitenflächen
des Kegels fallen nach außen
hin ab. Folglich ist die Oberfläche 41 der
Umlenkeinrichtung 40 bezüglich einer Ebene senkrecht
zur Längsachse
X unter einem zweiten Winkel β geneigt (siehe 1b).
Bei der in 1a und 1b dargestellten
Ausführungsform
ist der erste Winkel α kleiner
als der zweite Winkel β.
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Durch
die Begrenzungskanten, d.h. den Randbereich, der Durchgangsöffnungen 32 werden Schneidkanten 36 gebildet,
die zu einem Aufspalten des Crashelements führen, was im Zusammenhang mit 3 und 4 noch
genauer beschrieben wird. Auch die (inneren) Begrenzungsflächen der
Durchgangsöffnungen 32 können als
Schneidflächen 38 dienen.
Für den
Fall, dass die Oberseite 41 der Umlenkeinrichtung 40 nicht
kontinuierlich in die Durchgangsöffnung 32 übergeht,
wie es in 1a und 1b dargestellt
ist, d.h., wenn an dem Rand 44 der Umlenkeinrichtung 40 ein
stufenförmiger,
kantenartiger Übergang
zwischen Oberfläche 41 und Durchgangsöffnung 32 entsteht,
kann durch diesen Übergang
eine weitere Schneid kante gebildet werden.
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2a zeigt
eine alternative Ausgestaltung des Energieabsorbers 10,
bei dem die Umlenkeinrichtung 40 einstückig mit dem Energieabsorber 10 ausgebildet
ist. Die in dem Energieabsorber 10 angeordnete Trenneinrichtung 30 ist
identisch zu der in 1a und 1b beschriebenen.
Im Unterschied zur Ausführungsform
gemäß 1a und 1b ist die
Oberfläche 41 der
Umlenkeinrichtung 40 im Wesentlichen kegelstumpfförmig ausgebildet.
Bei dieser Ausführungsform
sind der erste Winkel α und
der zweite Winkel β identisch.
Zudem geht die Oberfläche 41 der
Umlenkeinrichtung 40 kontinuierlich, d.h. ohne Stufe, in
die jeweilige Durchgangsöffnung 32 über (siehe 2b).
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Wie
insbesondere aus 2a und 2c zu sehen
ist, weist die Oberfläche 41 der
Umlenkeinrichtung 40 eine der Anzahl der Durchgangsöffnungen 32 entsprechende
Anzahl von Umlenkabschnitten 42 auf. Eine jede Oberfläche jedes
Umlenkabschnittes ist gekrümmt
bzw. muldenförmig
geformt, wobei die jeweiligen Randbereiche zweier aneinandergrenzender
Umlenkabschnitte 32 eine weitere Schneidkante 48 bilden
können.
Die Neigung jedes einzelnen Umlenkabschnittes 42 entlang
seiner Gefällelinie
in Richtung der zugeordneten Durchgangsöffnung 32 entspricht
dem zweiten Winkel β (siehe 2b).
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Die
im Zusammenhang mit 1 und 2 beschriebenen Energieabsorber 10 wirken
mit einem im Crashfall irreversibel versagenden Crashelement zusammen,
das in den nachfolgenden Figuren mit Bezugsziffer 20 bezeichnet
ist. Das Crashelement ist typischerweise ein sich entlang der Längsrichtung
X erstreckender rohrförmiger
Hohlkörper
aus Kunststoff- oder Faserverbundwerkstoff. Besonders bevorzugt wird
ein Crashelement aus Kohlenstoff-Faserverbundwerkstoff (CFK) verwendet,
da dieses Material eine hohe gewichtsspezifische Energieabsorption aufweist.
Ein derartiges CFK-Rohr kann z.B. durch Flechttechnik hergestellt
werden. Ebenso kann es aber auch aus Multiaxialgelege, Prepregs
oder anderen CFK-Halbzeugen auf an sich bekannte Art und Weise hergestellt
werden.
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Das
einen ersten Endbereich 24 (d.h. das untere Ende in 3)
und einen zweiten Endbereich 26 (d.h. das obere Ende in 3)
aufweisende Crashelement 20 ist in der Ausgangsstellung
vor dem Crashfall auf der Umlenkeinrichtung 40 derart aufgesetzt,
dass die Wandung des Rohrendes 22 auf der Oberfläche 41 der
Umlenkeinrichtung 40 (nicht dargestellt) zum Liegen kommt.
Um eine verbesserte Führung
des Crashelements 20 innerhalb des Energieabsorbers 10 zu
gewährleisten,
ist ein rohrförmiger
Aufnahmeabschnitt 50 vorgesehen, der oberhalb der Trenneinrichtung 30 angeordnet
ist, der zur Aufnahme des ersten Endbereiches 24 dient.
Um auch bei außermittiger
Belastung des Crashelements 20 im Crashfall eine zuverlässige Funktionsweise
zu erhalten, kann der Aufnahmeabschnitt 50 an seinem oberen
Ende trichterförmig
ausgebildet sein, was im Zusammenhang mit den Ausführungsform
gemäß 5 bis 10 noch
genauer beschrieben wird.
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In 3 und 4 liegt
die Außenseite
des Crashelements 20 an der Innenseite des Aufnahmeabschnitts 50 an.
Alternativ kann jedoch auch eine Zwischenlage, beispielsweise eine
Klebeschicht und/oder eine Dichtlage zwischen der Außenseite des
Crashelements 20 und der Innenseite des Aufnahmeabschnitts 50 vorgesehen
sein. Diesbezüglich wird
auch auf die Ausführungsformen
gemäß 5 bis 10 verwiesen.
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In 3 ist
in schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Crash-Energieabsorber-Element 1 in
seiner Ausgangsposition vor dem Crash dargestellt, wobei das im
Crashfall irreversibel verformbare Crashelement 20 in einen
Energieabsorber 10 gemäß 1 oder 2 eingeführt ist.
In 4 ist die Situation nach dem Crash schematisch
dargestellt. Ein Vergleich der 3 und 4 zeigt,
dass das Crashelement 20 im Crashfall, d.h. bei einer Belastung
durch eine Kraft F, die in den dargestellten Ausführungsformen
von oben in Längsrichtung
X einwirkt, in einem unteren Versagensbereich in eine der Anzahl
der Durchgangsöffnungen 32 entsprechende Anzahl
von streifenförmigen
Teilelementen 28 aufgespaltet wird. Diese Formänderung
bzw. Deformation des Crashelements 20 ermöglicht die
Absorption der im Crashfall auf das Crashelement 20 einwirkenden kinetischen
Energie. Neben der in 3 und 4 dargestellten
Aufspaltung in die Teilelemente 28 kann es auch zu einer
geringfügigen
Absplitterung des Crash elementmaterials, beispielsweise in Form von
bruchstückartigen
Splittern, kommen.
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Die
Absorption der im Crashfall auf das Crashelement 20 einwirkenden
Energie erfolgt dabei in zwei Stufen, was einerseits durch die Ausgestaltung
der Umlenkeinrichtung 40 sowie durch die Anordnung der
Durchgangsöffnungen 32 bewirkt
wird. Die erste Stufe der Energieabsorption ergibt sich dadurch,
dass aufgrund der im Crashfall einwirkenden Kraft F das Ende 22 des
Crashelements 20 auf die konisch nach außen hin
abfallende Oberfläche 41 der Umlenkeinrichtung 40 gedrückt wird.
In Folge der Neigung kommt es zu einem Aufweiten und/oder Umbiegen
des Rohrendes 22, wodurch das Crashelement 20 vorgeschädigt wird
und bis zu einem durch den Neigungswinkel β vorgegebenen Grenzwert Energie
absorbiert.
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Wird
ein Energieabsorber 10 gemäß einer der in 2a bis 2c beschriebenen
Ausführungsform
verwendet, kann es zu einer weiteren Vorschädigung des Rohrendes 22 durch
zumindest teilweises Einschneiden durch die von benachbarten, muldenförmigen Umlenkabschnitten 42 gebildeten Schneidkanten 48 kommen.
Somit kann durch den Neigungswinkel β sowie gegebenenfalls eine muldenförmige Ausgestaltung
der Umlenkabschnitte 42 bis zu einem vorgegebenen Grenzwert
Energie absorbiert werden, der auf den jeweiligen Anwendungsfall
angepasst eingestellt werden kann.
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Ist
die erste Energieabsorptionsstufe überschritten, setzt die Schädigung des
Crashelements 20 durch die Schneidmittel 36 und/oder 38 der
Durchgangsöffnungen 32 ein.
An diesen Schneidmitteln 36, 38 reißt schließlich das
Rohrende 22 ein, was zur Ausbildung der streifenförmigen Teilelemente 28 führt. Durch
dieses Aufschneiden, Aufspalten, Auftrennen bzw. Aufteilen, was
verallgemeinert hier als „Aufspalten" bezeichnet wird,
wird weitere Energie durch Deformation absorbiert.
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Das
Aufspalten in die Teilelemente 28 erfolgt soweit, bis die
gesamte, während
des Crashfalls auf das Crashelement 20 einwirkende Energie
absorbiert ist. Dieser Prozess des Aufspaltens stellt die zweite Stufe
der Energieabsorption dar. Dadurch, dass die Durchgangsöffnungen 32 unter
dem ersten Winkel α, in
den dargestellten Ausführungsbeispielen
schräg nach
außen
abfallen, ist ein sicherer Fragmentabfluss gewährleistet. Somit kann das versagende Crashelementmaterial
in geeigneter Weise schräg nach
außen
abgeführt
werden, ohne dass die durch die Durchgangsöffnungen 32 gebildeten
Abfluss-/Abspaltkanäle
verstopft werden. Ferner ist von Vorteil, dass durch die langgestreckte
Ausgestaltung des Crashelements 20 ein relativ langer Absorptionsweg zur
Verfügung
steht, so dass bei einem erneuten Aufprall das erfindungsgemäße Crash-Energieabsorber-Element
weiterhin funktionsfähig
ist. Der voranstehend beschriebene Mechanismus setzt dann erneut
ein, was zu einer weiteren Deformation, insbesondere durch Aufschneiden,
des Crashelements 20 führt.
-
Bei
einer separat ausgebildeten Umlenkeinrichtung 40, die innerhalb
des Energieabsorbers variabel feststellbar ist (siehe z.B. Ausführungsform
gemäß 1a und 1b),
kann zudem, wie bereits voranstehend erwähnt, die Höhe und damit der Querschnitt
der in Richtung Crashelement 20 weisenden Seite der Durchgangsöffnungen 32 verändert werden,
was eine weitere Möglichkeit
der Anpassbarkeit darstellt. Für
den Fall, dass die Oberfläche 41 der Umlenkeinrichtung 40 bzw.
die Umlenkabschnitte 42 nicht kontinuierlich in die Durchgangsöffnungen 32 übergehen,
kann durch einen verkleinerten Öffnungsquerschnitt
bzw. einen stufenartigen Übergang (siehe
z.B. 1b) eine weitere Schneidkante am Rand 44 des
Energieabsorbers 10 gebildet werden, wodurch das Aufspalten
des Crashelements 20 entsprechend beeinflusst werden kann.
-
Die
im Weiteren erläuterten 5 bis 10 zeigen
ein erfindungsgemäßes Anbindungselement 60 mit
einem Energieabsorber 10 gemäß der in 1a und 1b dargestellten
Ausführungsform. Dabei
bildet das Crashelement 20 zugleich ein Stützelement,
beispielsweise zur Abstützung
eines Bodenaufbaus eines Luftfahrzeuges, beispielsweise eines Flugzeuges
oder Hubschraubers. Alternativ kann das Stützelement auch mit dem Crashelement 20 verbunden
sein.
-
Wie
insbesondere aus 6 hervorgeht, ist die Umlenkeinrichtung 40 als
separates Bauteil ausgebildet, das durch ein kegelstumpfförmiges Kernelement
gebildet wird und auswechselbar in den Energieabsorber 10 einsetzbar
ist, so dass dieses an einer geeigneten Position angeordnet ist,
um mit der Trenneinrichtung 30 zusammen zu wirken. Das
Kernelement kann, wie bereits voranstehend beschrieben, in Längsrichtung
X variabel verstellbar, d.h. höhenverstellbar,
sein.
-
Das
Anbindungselement 60 gemäß 5 bis 10 weist
oberhalb der Trenneinrichtung 30 einen Aufnahmeabschnitt 50 auf,
der ein erstes trichterförmig
ausgebildetes Ende 52 aufweist. Dies erleichtert das Einsetzen
des Crashelementes 20 und verbessert zudem die Funktionalität des Crashelements 20 bei
außermittiger
Belastung des Crashelements im Crashfall, d.h. wenn nicht nur axiale
Kräfte sondern
auch teilweise Quer- und/oder Biegekräfte auf das Crashelement 20 einwirken.
Zudem ist die Wandstärke
der Trenneinrichtung 30 größer als die des Aufnahmeabschnittes 50,
insbesondere durch Aufdicken der Trenneinrichtung 30 nach
außen,
wodurch im Crashfall höhere
Kräfte
aufgenommen werden können.
-
Das
in den 5 bis 10 dargestellte Anbindungselement 60 weist
ferner einen mit der Trenneinrichtung 30 verbundenen Bauteilanschluss 80 auf,
der parallel zur Längsachse
X zwei voneinander beabstandete Anschlussarme 82 umfasst
und insbesondere in Form eines Gabelbeschlages ausgebildet ist.
Jeder Anschlussarm 82 weist eine Bohrung auf, über die
das Anbindungselement 60, z.B. mittels einer Bolzen- oder
Schraubverbindung, mit einem Bauteil verbunden werden kann. Insgesamt
betrachtet sind der Aufnahmeabschnitt 50, die Trenneinrichtung 30 und
der Bauteilanschluss 80 in Längsrichtung X aufeinander folgend
koaxial miteinander verbunden.
-
Wie
in 9 und 10 gezeigt ist, kann das Crashelement 20 zusätzlich mit
dem Aufnahmeabschnitt 50 mittels einer deformierbaren Verbindung 70 verbunden
sein. Die Verbindung 70 kann als Klebeverbindung ausgeführt sein
und versagt typischerweise bei einer geringeren Belastung wie das
Crashelement 20 an sich, wodurch eine weitere Möglichkeit der
Triggerung gegeben ist. Anstelle der Klebeverbindung kann auch eine
Abschereinheit, insbesondere in Form von mehreren Abscherstiften
(siehe 9 und 10), vorgesehen sein. Anders
als bei der Ausführungsform
gemäß 1 und 2 liegt
das Crashelement 20 nicht auf der Umlenkeinrichtung 40 auf,
damit sich die Versagenslasten der Verbindung 70 nicht
mit dem Triggern des Crashelements 20 summieren.
-
Um
eine einfache Handhabung zur Herstellung der Klebeverbindung zu
ermöglichen,
weist der Aufnahmeabschnitt 50 eine Injektionsbohrung 58 auf (s. 5).
Vor dem Einsetzen des Crashelementes 20 in den Aufnahmeabschnitt 50 werden
zwei Dichtringe 72 zur Bildung des mit dem Kleber auszufüllenden
Hohlraumes in zwei an der Innenseite des Aufnahmeabschnittes 50 ausgebildete
umlaufende Nute 56 eingesetzt (s. 9 und 10).
Nach Einsetzen des Crashelementes 20 wird der Kleber über die Bohrung 58 in
den durch die Dichtringe 72, die Außenseite des Crashelementes 20 und
die Innenseite des Aufnahmeabschnittes 50 begrenzten Hohlraum injiziert.
Zur besseren Entlüftung
kann der Aufnahmeabschnitt 50 mit verschließbaren Entlüftungsbohrungen
versehen sein. Die Klebeverbindung ermöglicht die Aufnahme von statischen
Zug- und Drucklasten, die geringer sind als die in einem Crashfall
auftretende Trigger-Last. Ferner kann mittels der Dichtringe 72 die
Lage und die Abmessung der Klebeverbindung gewählt werden.
-
- 1
- Crash-Energieabsorber-Element
- 10
- Energieabsorber
- 20
- Crashelement
- 22
- Rohrende
- 24
- erster
Endbereich des Crashelements
- 26
- zweiter
Endbereich des Crashelements
- 28
- Teilelement
- 30
- Trenneinrichtung
- 32
- Durchgangsöffnung
- 36
- Schneidkante
- 38
- Schneidfläche
- 40
- Umlenkeinrichtung
- 41
- Oberfläche der
Umlenkeinrichtung
- 42
- Umlenkabschnitt
- 44
- Rand
der Umlenkeinrichtung
- 48
- Schneidkante
- 50
- Aufnahmeabschnitt
- 52
- erstes
Ende
- 54
- zweites
Ende
- 56
- Nut
- 58
- Bohrung
- 60
- Anbindungselement
- 70
- Verbindung
- 72
- Dichtring
- 80
- Bauteilanschluss
- 82
- Anschlussarm
- F
- Kraft
- X
- Längsachse(n)/-richtung
- α
- erster
Winkel
- β
- zweiter
Winkel