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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Aktuator gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 7, ein Steuergerät gemäß Anspruch 8, sowie ein Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 9.
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Seit der Einführung der Fahrgastzelle hat sich die Fahrzeugsicherheit deutlich weiterentwickelt. Durch die aktive und passive Sicherheit konnte die Zahl die Getöteten deutlich reduziert werden. Davon kann ein Großteil auf eine Vermeidung von Fahrzeug-Fahrzeug Frontkollisionen mit schwerem Verletzungsgrad bis hin zur Todesfolge zurückgeführt werden. Erreicht wurde dies durch die Einführung von Metallträgern in die Fahrzeugstruktur. In Summe wird heute in modernen Fahrzeugen bis zu 300 kg an Metall für die passive Sicherheit aufgebracht. Aktuell gibt es zwei Trends, die großen Einfluss auf die Auslegung neuer Fahrzeugstrukturen haben. Erstens ist eine Verknappung der Erdölressourcen und somit die Verteuerung des Kraftstoffs zukünftig anzunehmen und zweitens ist eine Erderwärmung durch die Zunahme des CO2-Ausstosses zu befürchten. Beide Trends führen dazu, dass zum einen kleinere Fahrzeuge und zum anderen auch leichtere Fahrzeuge in Zukunft verstärkt nachgefragt werden. Hierbei ist es die Herausforderung, die kleinen Fahrzeuge sicherer (d. h. mindestens so sicher wie die großen Fahrzeuge) und große Fahrzeuge, unter Beibehaltung der Sicherheit, leichter zu machen.
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Eine wichtige Komponente für die Absorption von Unfallenergie ist eine sogenannte Crashbox, die auch als Pralldämpfer oder Deformationselement bezeichnet wird. Dieser Pralldämpfer kann entweder reversibel (d. h. nach einem Unfall ist eine Rückbildung der Struktur des Pralldämpfers möglich) oder irreversibel ausgelegt sein (d. h. nach einem Unfall ist der Pralldämpfer auszutauschen). Es kann beispielsweise eine solche Crashbox zwischen dem Stoßfängerquerträger und einem Fahrzeuglängsträger eines Kraftfahrzeugs verbaut werden, die ein gehäuseartiges Deformationsprofil als Faltkonstruktion aus Metallblech und eine längsträgerseitige Flanschplatte aufweist, wobei die Flanschplatte als Bestandteil der Faltkonstruktion ausgebildet ist.
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Ferner ist in der
DE 197 45 656 C2 ein Pralldämpfer beschrieben, der Energie auf Basis einer Rohrverjüngung absorbieren kann. Die meisten adaptiven Systeme, die im Stand der Technik beschrieben wurden, sind hydraulisch. Da die Elektrifizierung des Fahrzeuges immer mehr an Bedeutung gewinnt, sollten jedoch zukünftig vorwiegend „trockene” Systeme in ein Fahrzeug eingebaut werden. Hauptgrund für die Verwendung von „trockenen” Systemen ist die einfachere Rekuperation von Energie. Ein Beispiel dafür ist das Bremssystem: Dies wird in Zukunft nicht mehr hydraulisch, sondern elektrisch betätigt werden. Was die Adaptivität im Allgemeinen von Crashstrukturen betrifft, wurden bisher hierzu nur oberflächliche Untersuchungen ausgeführt, wobei die bestehenden Lösungsansätze die vielen bisher aufgetretenen technischen Hürden wenn, dann nur teilweise, überwinden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Aktuator, ein Verfahren, weiterhin ein Steuergerät, das dieses Verfahren verwendet sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den unabhängigen Patentansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Aktuator zur Adaption einer Steifigkeit eines Deformationselementes, wobei der Aktuator ein piezoelektrisches Element als Stellgrößengeber aufweist.
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Auch schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Ansteuerung eines Aktuators zur Adaption einer Steifigkeit eines Deformationselementes, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- – Empfangen eines Sensorsignals, das einen Aufprall oder einen bevorstehenden Aufprall eines Objektes auf ein Fahrzeug repräsentiert; und
- – ansprechend auf das Sensorsignal, Ausgeben eines Ansteuersignals an ein piezoelektrisches Element des Aktuators, das als Stellgrößengeber des Aktuators wirkt, um die Adaption der Steifigkeit des Deformationselementes einzustellen.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen bzw. umzusetzen. Insbesondere kann das Steuergerät Einrichtungen aufweisen, die ausgebildet sind, um je einen Schritt des Verfahrens auszuführen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelost werden.
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Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert ist und zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Steuergerät ausgeführt wird.
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Unter einem Stellgrößengeber wird vorliegend insbesondere ein aktives Element oder Teilelement verstanden, das ansprechend auf ein elektrisches Signal eine mechanische Bewegung ausführt. Diese Bewegung oder die daraus resultierende Auslenkung aus einer Ruhelage wird dann abgegriffen und beispielsweise auf ein anderes Element übertragen, so dass eine Einstellung einer gewünschten Funktion realisiert werden kann. Unter einem Stellglied wird vorliegend ein Element verstanden, das eine Bewegung des Stellgrößengebers aufnimmt und durch Veränderung seiner Position zur ursprünglichen Ruhelage eine Änderung der Steifigkeit des Deformationselementes bewirkt. Dabei kann das Stellglied selbst beispielsweise eine andere, günstigerweise eine höhere Festigkeit als das piezoelektrische Element aufweisen, so dass durch die Übertragung der Bewegung des piezoelektrischen Elementes auf das Stellglied auf einfache Weise die Verformbarkeit des Deformationselementes verändert, insbesondere verringert werden kann.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass durch die Verwendung eines piezoelektrischen Elements eine sehr schnelle Reaktion des Aktuators auf ein entsprechendes Ansteuersignal möglich ist. Dies wäre durch eine hydraulische Ansteuerung nicht in einer solch hohen Geschwindigkeit erreichbar. Insbesondere dann, wenn das Deformationselement ein mechanisches Teil zur Adaption in der Steifigkeit benötigt, ist ein schneller Aktuator von besonderem Interesse, da durch die Verwendung eines solchen schnellen Aktuators die Notwendigkeit des Einsatzes von vorrausschauenden Sensoren entfällt oder zumindest kostengünstigere vorausschauende Sensoren verwendet werden können, die keinen weiten Erfassungsbereich überwachen müssen. Auf diese Weise trägt der Einsatz der hier vorgeschlagenen Erfindung zur Kostenreduktion bei der Herstellung von entsprechenden Fahrzeugen bei, wobei diese Fahrzeuge dann ein Sicherheitsniveau aufweisen, wie herkömmliche Fahrzeuge mit entsprechend aufwändiger Sensorik. Zugleich kann auf einfache Weise ein sehr kostengünstiges und leichtes Deformationselement bereitgestellt werden, das dennoch eine flexible Möglichkeit zur Adaption seiner Steifigkeit bietet.
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Besonders günstig ist es, wenn der Aktuator ferner ein mit dem piezoelektrischen Element gekoppeltes bewegliches Stellglied aufweist, das ausgebildet ist, um in verschiedenen Positionen entlang eines Stellweges eine unterschiedliche Steifigkeit des Deformationselementes zu bewirken. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass nicht das piezoelektrische Element selbst die Adaption der Steifigkeit des Deformationselementes durchführt, sondern eine schnelle Bewegung oder Verformung des piezoelektrischen Elements zu einer mechanischen Verschiebung des Stellglieds führt. Dieses Stellglied kann dann eine entsprechende Festigkeit aufweisen, um Kräfte bei der Verformung des Deformationselementes entsprechend besser aufnehmen zu können.
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Ferner kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung das Stellglied mittels eines Federelementes in eine Ruhelage gebracht sein, die eine maximale Steifigkeit eines durch den Aktuator zu adaptierenden Deformationselementes repräsentiert. Dies bedeutet, dass die ursprüngliche Stellung des Stellgliedes bei der Fahrt im fließenden Verkehr eine maximale Steifigkeit des Deformationselementes bewirkt, um einen Selbstschutz des Fahrzeugs und der Insassen zu optimieren. Bei Verstellung wird der Aktuator bzw. das Deformationsglied „weicher” eingestellt. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass eine definierte Lage des Stellglieds sichergestellt werden kann, wenn kein Ansteuersignal dem piezoelektrischen Element zugeführt wird. Dabei wird sichergestellt, dass auch nach einem einmaligen Aussteuern des piezoelektrischen Elements (welches meist eine nicht-lineare Hysterese-Eigenschaft aufweist) das Stellglied wieder in seine definierte Ruhelage zurückgebracht wird. Zugleich wird auf diese Weise sichergestellt, dass der Pralldämpfer/das Deformationselement eine maximale Steifigkeit aufweist, so dass bei einem Zusammenprall mit hoher Differenzgeschwindigkeit bei gleichzeitig großen Massen die Insassen möglichst nur geringe oder keine Verletzungen erleiden.
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Der Stellweg des Piezoelements ist begrenzt. Um einen größeren Stellweg zur Adaption der Steifigkeit des Pralldämpfers zu bewirken, kann der Aktuator ein mit dem piezoelektrischen Element gekoppeltes Hebelelement aufweisen.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das piezoelektrische Element als Stapel ausgebildet sein, wobei das piezoelektrische Element ferner ausgebildet ist, um sich bei Beaufschlagung mit einem Ansteuersignal entlang einer Erstreckungsrichtung des Stapels auszudehnen. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass ein derart ausgeformtes piezoelektrisches Element nach einer Beaufschlagung mit einem Ansteuersignal eine sehr große Kraftwirkung im Bereich seines Ausdehnungswegs entfalten kann. Dies kann beispielsweise eine sichere Verschiebung des Stellglieds gewährleisten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das piezoelektrische Element als einseitig fixierter Biegebalken ausgebildet sein, wobei das freie Ende des piezoelektrischen Elementes derart ausgebildet sein kann, um sich bei Beaufschlagung mit einem Ansteuersignal im Wesentlichen quer zur Haupterstreckungsrichtung des Biegebalkens zu bewegen. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass sich das freie Ende des piezoelektrischen Elements bei seiner Verformung über einen sehr großen Verformungsweg bewegt. Auf diese Weise kann beispielsweise ein mit dem piezoelektrischen Element gekoppeltes Stellglied ohne Vermittlung eines Hebelelements sehr einfach um eine große Strecke verschoben werden.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das piezoelektrische Element an zwei gegenüberliegenden Enden fixiert sein, wobei das piezoelektrische Element ferner ausgebildet ist, um bei einer Beaufschlagung mit einem Ansteuersignal einen Mittelbereich des piezoelektrischen Elementes wellenförmig auszudehnen oder bauchförmig hervor zu drücken. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass durch die beidseitige Fixierung der Enden des piezoelektrischen Elements eine sehr präzise Auslenkung des Mittelbereichs des piezoelektrischen Elements nach Beaufschlagung mit einem entsprechenden Ansteuersignal erreicht werden kann.
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Besonders günstig ist es, wenn (beispielsweise in einem Fahrzeug) ein Deformationselement eingesetzt wird, das einen Aktuator gemäß einer vorstehend beschriebenen Ausführungsform aufweist. In diesem Fall können die genannten Vorteile des Einsatzes eines solchen schnellen Aktuators sehr gut und effizient genutzt werden.
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Besonders gut kann die vorliegende Erfindung in einem Einsatzszenario eingesetzt werden, in dem das Deformationselement eine sich verjüngende Kraftaufnahmestruktur aufweist und der Aktuator ausgebildet ist, um eine Adaption einer maximalen Kraft zu bewirken, die von einer Wand der Kraftaufnahmestruktur aufnehmbar ist. Hier kann die schnelle Reaktion des Aktuators auf ein Ansteuersignal besonders gut zum Unfallschutz bei gleichzeitiger Gewichtsreduktion gemäß den vorstehenden Ausführungen genutzt werden.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild eines Fahrzeugs, in dem ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verbaut ist;
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2a–b Schnittansichten eines detaillierteren Ausschnitts eines Deformationselementes, das ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufweist;
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3a–c verschiedene Ausgestaltungen von Piezoelementen, die zum Einsatz in einem erfindungsgemäßen Aktuator geeignet sind;
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4a–c Darstellungen von möglichen Ausführungsvarianten zur Vergrößerung des Verstellweges bei Piezoaktuatoren für adaptive Crashstrukturen; und
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5 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren.
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Gleiche oder ähnliche Elemente können in den Figuren durch gleiche oder ähnliche Bezugszeichen versehen sein, wobei auf eine wiederholte Beschreibung verzichtet wird. Ferner enthalten die Figuren der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie die Ansprüche zahlreiche Merkmale in Kombination. Einem Fachmann ist dabei klar, dass diese Merkmale auch einzeln betrachtet werden oder sie zu weiteren, hier nicht explizit beschriebenen Kombinationen zusammengefasst werden können. Weiterhin ist die Erfindung in der nachfolgenden Beschreibung unter Verwendung von unterschiedlichen Maßen und Dimensionen erläutert, wobei die Erfindung nicht auf diese Maße und Dimensionen eingeschränkt zu verstehen ist. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder” Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal/Schritt und einem zweiten Merkmal/Schritt, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal/den ersten Schritt als auch das zweite Merkmal/den zweiten Schritt und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal/Schritt oder nur das zweite Merkmal/Schritt aufweist.
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Zunächst ist festzuhalten, dass es ein Mangel im Stand der Technik ist, dass viele beschriebene adaptive Systeme nicht schnell genug sind, einen Crash ordnungsgemäß und insbesondere ohne vorausschauende Sensorik, detektieren zu können und früh genug noch die Adaptivität der Steifigkeit der Crashstruktur zu ändern. Durch die Verwendung von solchen langsamen Aktuatoren gemäß dem Stand der Technik sind somit vorausschauende Sensoren notwendig, die das System nicht sehr robust und darüber hinaus sehr teuer machen. Ein besonderes Anliegen der vorliegenden Erfindung ist es daher, diese beiden genannten Herausforderungen anzugehen, nämlich einerseits kleinere genauso sicher wie größere Fahrzeuge und andererseits auch leichtere Fahrzeuge möglichst genauso sicher wie schwerere Fahrzeuge auszulegen. Diese Herausforderungen können mit Hilfe von adaptiven Strukturen gemeistert werden. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine schnelle, robuste und kostengünstige Lösung zur Adaption einer Steifigkeit einer Crashstruktur zu schaffen, indem nur ein einziger Aktuator verwendet wird. Ein möglicher Ansatz zur Lösung eines solchen Problems wird nachfolgend näher vorgestellt.
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines Fahrzeugs, in dem ein Aktuator gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verbaut ist. Dabei ist in 1 ein Fahrzeug 100 dargestellt, das im Frontbereich 110, in Fahrtrichtung 115 gesehen, einen Querträger 120 aufweist. Der Querträger 120 ist über ein erstes Deformationselement 130 (das auch als Pralldämpfer bezeichnet wird) mit einem linken Längsträger 135 des Fahrzeugs 100 verbunden. Weiterhin ist der Querträger 120 über ein zweites Deformationselement 140 (das ebenfalls auch als Pralldämpfer bezeichnet wird) mit einem rechten Längsträger 145 des Fahrzeugs verbunden. Ferner kann auf der linken Fahrzeugseite ein erster Sensor oder ein erstes Sensorsystem 150 vorgesehen sein, der/das zur Messung von physikalischen Parametern wie beispielsweise einer Beschleunigung oder eines Drucks ausgebildet ist, um einen Aufprall eines Objektes 170 auf das Fahrzeug 100 zu erkennen. Auch kann ein weiterer Sensor (oder ein weiteres Sensorsystem) 155 auf einer rechten Fahrzeugseite vorgesehen sein, der/das ebenfalls zur Messung von physikalischen Parametern wie beispielsweise einer Beschleunigung oder eines Drucks ausgebildet ist, um einen Aufprall eines Objektes 170 auf das Fahrzeug 100 zu erkennen. Dabei übertragen der erste Sensor/das erste Sensorsystem 150 ein entsprechendes erstes Sensorsignal zu einer Auswerteeinheit 160 und der zweite Sensor/das zweite Sensorsystem 155 ein entsprechendes zweites Sensorsignal zu der Auswerteeinheit 160. Die Sensorsysteme 150 und 155 sind in 1 außerhalb der Crashstrukturen eingezeichnet, allerdings können diese auch innerhalb der Crashstruktur platziert werden. Ferner ist die Auswerteeinheit 160 mit einem ersten Aktuator 162 verbunden, der eine Adaption der Steifigkeit des ersten Deformationselements 130 ermöglicht. Auch ist die Auswerteeinheit 160 mit einem zweiten Aktuator 165 verbunden, der eine Adaption oder Anpassung der Steifigkeit des zweiten Deformationselements 140 ermöglicht.
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Erfolgt nun ein Aufprall eines Objektes, wie beispielsweise des in 1 dargestellten Fahrzeugs 170 auf den Frontbereich 110 des Fahrzeugs 100, wird eine Deformation des Fahrzeugs 100 erfolgen, die ein Eindrücken des Querträgers 120 in Richtung des Fahrzeuginneren bewirkt. Da jedoch das entgegenkommende Fahrzeug 170 meist in einem Überlappungsbereich 175 auf den Frontbereich 110 des Fahrzeugs 100 trifft, wird auch beim Aufprall ein unterschiedliches Deformationsverhalten der einzelnen Komponenten des Fahrzeugs 100 resultieren. In diesem Fall wird eine Offset-Kollision durch unterschiedliche Parameterwerte des ersten Sensors 150 und des zweiten 155 Sensors erkannt. Eine solche Offset-Kollision kann beispielsweise auch als Achsversatz-Kollision bezeichnet werden. Bei einer solchen Kollision wird insbesondere in das erste Deformationselement 130 an der linken Fahrzeugseite eine größere Kraft eingeleitet, als in das zweite Deformationselement 140 auf der rechten Fahrzeugseite. Dies hat zur Folge, dass auf das erste Deformationselement (Pralldämpfer) 130 eine größere Deformationskraft wirkt, als auf das zweite Deformationselement (Pralldämpfer) 140. Aus diesem Grund sollte für einen optimalen Insassenschutz die Steifigkeit des ersten Deformationselements 130 höher sein als die Steifigkeit des zweiten Deformationselementes 140, um eine Fahrzeugdrehung nach dem Zusammenprell möglichst gut verhindern zu können. Wenn eine solche Adaption der Steifigkeit des ersten Deformationselementes 130 erfolgt, kann dann im ersten Deformationselement eine höhere Aufprallenergie absorbiert werden als im zweiten Deformationselement 140. Um eine solche Anpassung der Steifigkeit des ersten Deformationselementes 130 zu erreichen, erfolgt durch die Auswerteeinheit 160 eine Adaption der Steifigkeit des ersten Deformationselements 130 mittels einer Beaufschlagung des Aktuators 162 des ersten Deformationselements mit einem entsprechenden Ansteuersignal. Dieses Signal bewirkt dann eine Anpassung der Steifigkeit des ersten Deformationselementes 130, wie es nachfolgend noch detaillierter beschrieben wird.
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Wird nun in der Auswerteeinheit 160 ein Aufprall des Objekts 170 im linken Teil des Frontbereichs 110 erkannt, kann ferner auch daraus geschlossen werden, dass meist unmittelbar nach dem Aufprall eine Drehung des Fahrzeugs 100 erfolgen wird, die nicht immer ganz zu verhindern sein wird. Für einen solchen Fall kann nun die Auswerteeinheit 160 ein Personensicherheitsmittel für einen Insassen 180 des Fahrzeugs aktivieren, zum Beispiel eines das speziell einen Personenschutz bei solchen seitlichen Drehungen bewirkt. Beispielsweise kann durch die Auswerteeinheit 160 ein Seitenairbag 185 aktiviert werden, um den Insassen 180 in einer vorbestimmten Position auf einem Fahrzeugsitz zu halten. Wird dagegen in der Auswerteeinheit 160 ein Überlappungsbereich 175 erkannt, der im Wesentlichen der gesamten Fahrzeugfront 110 entspricht, so ist von einem Frontalaufprall des Objekts 170 mit hoher Überlappungsdeckung auszugehen, so dass keine oder nur eine geringe Fahrzeugdrehung zu erwarten ist. In diesem Fall sollte durch die Auswerteeinheit 160 die Aktuatoren 162 und 165 so ansteuern, dass die maximale Struktursteifigkeit von beiden Seiten gegeben ist.
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Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es daher, aufbauend auf dem Piezoprinzip einen schnellen Aktuator zur Veränderung der Steifigkeit des Deformationselementes zu benutzen. Das Piezoprinzip lässt sich auf verschiedene Ausführungsformen, wie Hobel- oder Schäl-Crashbox, hydraulischen/pneumatischen Crashboxen (zum Schalten eines Ventils), Crashboxen mit konzentrisch angeordnete Rohre (siehe beispielsweise auch die
EP 909 681 B1 ) oder der Verjüngungs-Crashbox anwenden, also insbesondere allen Crashboxen bei denen ein mechanisches Teil zur Adaption benötigt wird.
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2 zeigt Schnittansichten eines detaillierteren Ausschnitts eines Deformationselementes/Pralldämpfers, der einen Aktuator gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufweist. Dabei ist in 2a eine Längsschnittansicht durch ein Deformationselement 130 (Pralldämpfer) dargestellt, wobei in 2b eine Querschnittansicht durch das Deformationselement 130 dargestellt ist. 2a zeigt also ein Deformationselement 130, wie es beispielsweise entsprechend der Darstellung aus 1 in der linken Fahrzeugseite verbaut ist. Dabei weist das Deformationselement 130 zumindest ein Rohr-förmig ausgebildetes Teilelement 205 auf, das über ein elastisches Element 207 zwischen dem Querträger 120 und dem linken Längsträger 135 eingebaut ist. Bei einem Aufprall eines Objektes 170 in Aufprallrichtung 209 auf den Querträger 120 wird somit das Rohr-förmige Teilelement 205 in Richtung des Längsträgers 135 gedrückt. Dabei wird ein Ende des Rohr-förmigen Teilelementes 205 an Matrizenplatten 210 gedrückt, die konzentrisch ausgerichtete Öffnungen haben. Diejenige Matrizenplatte 210, die am Nähesten am Längsträger 135 angeordnet ist, hat dabei die kleinste Öffnung und diejenige Matrizenplatte 210, die am weitesten entfernt vom Längsträger 135 angeordnet ist, hat die größte Öffnung. Weiterhin sind die Innenränder der Öffnungen der einzelnen Matrizenplatten 210 mit Schrägen versehen, so dass sich eine kontinuierlich verjüngende Gesamtöffnung der Mehrzahl von aufeinander gestapelten Matrizenplatten 210 in Richtung zum Längsträger 135 ergibt. Auf diese Weise wird erreicht, dass bei einem Aufprall eines Objektes auf das Fahrzeug das Rohr-förmige Teilelement 205 verjüngt wird, wodurch Aufprallenergie absorbiert wird.
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Da nun beim Zusammendrücken (Verjüngen) eine entsprechende Gegenkraft auf die einzelnen Matrizenplatten 210 radial nach außen wirkt, kann die Steifigkeit des Deformationselementes 130 durch einen Aktuator 215 mit einem piezoelektrischen Element als Stellgrößengeber 220 bewirkt werden, der ein Stellglied 225 (das in einer einfachen Form beispielsweise als beweglicher Schieber ausgebildet ist) in unterschiedliche Stellungen wie beispielsweise in eine erste Stellung 230, in eine zweite Stellung 235 oder in eine dritte Stellung 240 bewegt. Der Stellgrößengeber 220 kann dabei als eine Art „Motor” gesehen werden, der eine Bewegung des Stellglieds 225 (d. h. den Schieber) bewirkt. Durch die Bewegung des Schiebers 225 kann somit erreicht werden, dass der Schieber 225 eine radiale Ausgleichsbewegung der Matrizenplatten 210 verhindert oder deutlich erschwert, so dass diese Matrizenplatten 210 einem sich auf den Längsträger 135 zu bewegenden Rohr-förmigen Teilelement 205 einen größeren Widerstand entgegen setzen, als dies ohne die Verschiebung des Schiebers 225 möglich wäre. Auf diese Weise kann folglich die Steifigkeit des Deformationselements 130 verändert werden. Somit wird durch die vorliegende Erfindung im Wesentlichen ein Aktuator 215 vorgestellt, der mit einem piezoelektrischen Element 220 als Stellgrößengeber ausgestattet ist, wobei dieser Aktuator 215 dann sehr schnell auf ein Ansteuersignal von einer Auswerteeinheit 160 reagieren kann. Diese Auswerteeinheit 160 kann beispielsweise zentral in einem Fahrzeug verbaut sein, wie dies beispielhaft in 1 dargestellt ist. Alternativ kann eine entsprechend ausgebildete Auswerteeinheit 160 auch im Bereich des Aktuators 215 angeordnet sein, wodurch sich eine Verkürzung der Signallaufzeiten für entsprechende Ansteuersignale realisieren ließe.
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2b zeigt eine Querschnittansicht des in 2a dargestellten Deformationselements 130. Dabei ist ein Gehäuse 250 dargestellt, das das Rohr-förmige Teilelement 205 ringförmig umgibt. Weiterhin sind sechs Aktuatoren 215 gezeigt, die ebenfalls Ring-förmig um die Matrizenplatten 210 mit Öffnungen unterschiedlichen Innendurchmessers angeordnet sind. Diese Matrizenplatten 210 haben Sollbruchstellen 255 die es beispielsweise ermöglichen, ein exakt definiertes Aufprallenergie-Absorptionsverhalten einzustellen.
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Piezo-Aktuatoren zeichnen sich dadurch aus, dass sich ihre Strukturen oder geometrische Abmessungen durch Anlegen eines Spannungspulses sehr schnell ändern. Hierbei gibt es verschiedene Designmöglichkeiten für die Ausgestaltung der piezoelektrischen Elemente als Stellgrößengeber. Prinzipiell sind alle Designs möglich. Besonders vorteilhaft erweisen sich jedoch einige spezielle Ausgestaltungen der piezoelektrischen Elemente in den Aktuatoren, wie sie in den Teildarstellungen der 3 wiedergegeben sind. Beispielsweise kann ein piezoelektrisches Element entsprechend der Darstellung aus 3a als piezoelektrischer Stapel aufgebaut sein, wobei sich ein derart aufgebautes piezoelektrisches Element nach einer Beaufschlagung mit einem elektrischen Ansteuersignal in eine Erstreckungsrichtung des Stapels ausdehnt. Eine solche Ausführung des piezoelektrischen Elementes kann eine sehr große Kraft bei der Auslenkung nach der Beaufschlagung mit einem Ansteuersignal entfalten.
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Alternativ kann das piezoelektrische Element an zwei gegenüberliegenden Enden fest eingespannt (fixiert) sein, wie es in der Darstellung aus 3b der Fall ist. In einer solchen Konfiguration wird sich das piezoelektrische Element wellenförmig in der Mitte „ausbeulen”, so dass sich eine Teilfläche des piezoelektrischen Elementes ergibt, die in einem Winkel α gegenüber den Enden des piezoelektrischen Elementes geneigt ist. Eine solche Ausführungsform der Erfindung bietet den Vorteil, dass eine sehr präzise Ansteuerung des piezoelektrischen Elementes möglich ist.
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Auch kann das piezoelektrische Element als einseitig eingespannter (fixierter) Biegebalken, d. h. z. B. bimorph, ausgestaltet sein. Eine solche Ausführung ist in der Darstellung aus 3c abgebildet, wobei ein solcher Biegebalken dann eine Dehnung von ε bei einer Länge von L aufweist, wobei sich ein Biegeradius von R bei einer Biegung dieses Elementes ergeben würde. Bei einer solchen Ausführungsvariante kann sich das freie Ende des piezoelektrischen Elementes nach einer Beaufschlagung durch ein entsprechendes Ansteuersignal um eine sehr große Wegstrecke bewegen, so dass durch eine solche Ausführungsvariante ein großer Stellweg y ohne Vermittlung eines Hebelelementes realisierbar ist. Bei der Verstellung des Aktuators z. B. bei einer Hobel-/Schäl-Crashbox bzw. Verjüngungs-Crashbox ist ein solcher Verstellweg y, der nur durch das piezoelektrische Element bewirkt wird, ausreichend, um die Steifigkeit des Deformationselementes in einem gewissen Bereich zu variieren. Sollte der für diese Anwendung geforderte Verstellweg von wenigen Millimetern nicht ausreichen, kann der Verstellweg (auf Kosten der Kraft) mit Hilfe einer mechanischen Übersetzung durch ein Hebelelement vergrößert werden.
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4 zeigt unterschiedliche Darstellungen von möglichen Ausführungsvarianten zur Vergrößerung des Verstellwegs bei Piezoaktuatoren für adaptive Crashstrukturen. Dabei ist in 4a eine erste Ausführungsvariante dargestellt, bei der ein Rampen-/Keilprinzip eingesetzt wird. Das Rohr-förmige Teilelement 205 ist auf der rechten Seite dargestellt und wird im Falle eines Aufpralls auf das Deformationselement 130 nach links geschoben. Weiterhin ist wieder ersichtlich, dass die Matrizenplatten 210 abgeschrägte Innenflanken der Öffnungen aufweisen, wie dies bereits in den Teilfiguren der 3 dargestellt ist. Ferner wird ein Stapel-förmiges Piezoelement 220 verwendet, welches beispielsweise über einen Wälzkörper 400 ein Rampen-förmiges Stellglied 225 betätigen kann. Das Stellglied 225 wird durch eine Feder 410 in einer Ruhelage gehalten, in der die Steifigkeit des Deformationselements 130 maximal ist. Dehnt sich das piezoelektrische Element 220 nach Anlegen eines Ansteuersignals aus, wird durch die Vermittlung des Wälzkörpers 400 das Rampen-förmige Stellglied 225 entgegen der Druckkraft der Feder 410 verschoben, so dass sich die Steifigkeit des Deformationselements 130 verringert, da nun die zweite Matrizenplatte 210 nach oben ausweichen kann. Die nach der ersten Matrizenplatte folgenden Matrizenplatten werden vom Schieber 225 radial abgestützt, so dass die Sollbruchstellen nicht oder nur gering belastet werden. Wird der Schieber durch den Aktuator verschoben, so werden Matrizenplatten frei geschaltet, die nicht mehr vom Schieber 225 radial abgestützt werden. Die Belastung wird an den Sollbruchstellen so hoch, dass die Matrizenplatten brechen und radial nach außen weg geschoben werden. Das Rohr 205 wird dadurch weniger stark verjüngt.
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In der 4b ist eine Schnittdarstellung einer anderen Ausführungsvariante zur Vergrößerung des Verstellwegs bei Piezoaktuatoren dargestellt. Hierbei ist das piezoelektrische Element 220 als Biegebalken ausgebildet, bei dem das obere Ende mit einem Gehäuse des Deformationselements 130 starr verbunden ist. Das „bewegliche”, freie Ende des piezoelektrischen Elements 220 ist mit dem horizontal beweglichen Schieber oder Stellglied 225 verbunden, das wiederum durch die Feder 410 in einer Ruhelage gehalten wird, wenn das piezoelektrische Element 220 nicht mit einem Ansteuersignal beaufschlagt ist. In dieser Lage ist der Schieber 225 somit in einer Position, in der die linke Matrizenplatte 210 an einer radialen Bewegung nach oben gehindert wird. Die rechte Matrizenplatte hat keine Sollbruchstelle. Sie ist beispielsweise ein massives Drehteil und kann die volle bei der Verjüngung erzeugte Radialkraft abstützen. Die erste Matrizenplatte ist auch bei jedem Crash aktiv, bei dem das Rohr durch die Matrizen geschoben wird. Die in 4b dargestellte Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung kann insbesondere dann eingesetzt werden, wenn der Verstellweg des Schiebers 225 größer ist, jedoch ein spezielles Übersetzungselement wie ein Hebel nicht erforderlich ist. Insbesondere lässt sich durch das piezoelektrische Element 220 in Form des Biegebalkens eine schnelle Auslenkung des Schiebers 225 um eine größere Wegstrecke (gegen die von der Feder 410 ausgeübte Kraft) verschieben.
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In 4c ist eine weitere Schnittdarstellung einer anderen Ausführungsvariante zur Vergrößerung des Verstellwegs bei Piezoaktuatoren dargestellt. Entsprechend den Ausführungsvarianten aus den 4a und 4b wird auch in der Ausführungsvariante gemäß der 4c wieder eine Kombination aus einem Schieber 225 in Verbindung mit einer Feder 410 verwendet, wobei die Feder 410 den Schieber 225 in einer Ruhelage hält, wenn das piezoelektrische Element 220 nicht mit einem Ansteuersignal beaufschlagt wird. In der Ausführungsvariante gemäß 4c wird nun ein piezoelektrisches Element 220 verwendet, das an zwei gegenüberliegenden Enden fest eingespannt und mit einem Gehäuse des Aktuators 215 fest verbunden ist. Wird nun das piezoelektrische Element 220 mit einem Ansteuersignal, beispielsweise durch eine Auswerteeinheit, beaufschlagt, wird sich in einem Mittelbereich dieses piezoelektrischen Elements 220 wellenförmig ausbuchten, wobei einerseits durch die Fixierung der beiden Enden des piezoelektrischen Element 220 eine große Kraft bei dieser Verbiegung realisiert werden kann und zugleich dennoch eine sehr präzise Auslenkung auf eine gewünschte Auslenkungsstrecke möglich ist. Um nun auch einen ausreichend großen Stellenweg für den Schieber 225 sicherzustellen, wenn das piezoelektrische Element 220 aktiviert wird, wird nun gemäß der Ausführungsvariante nach 4c ein Hebelelement 430 eingesetzt, dessen erstes Ende mit dem piezoelektrischen Element 220 gekoppelt ist und dessen zweites Ende mit dem Schieber 225 gekoppelt ist. Auf diese Weise kann ein kleiner aber präzise einstellbarer Auslenkungsweg durch das piezoelektrische Element 220 in eine präzise Position des Schiebers 225 entlang dessen Verschiebebereichs eingestellt werden. Hierdurch ist es wiederum möglich, einen sehr schnell reagierenden Aktuator 215 zur Adaption der Steifigkeit eines Deformationselements 130 bereitzustellen.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 zur Ansteuerung eines Aktuators zur Adaption einer Steifigkeit eines Deformationselementes. Dabei weist das Verfahren 500 einen Schritt des Empfangens 510 eines Sensorsignals auf, das einen Aufprall oder einen bevorstehenden Aufprall eines Objektes auf ein Fahrzeug repräsentiert. Weiterhin weist das Verfahren 500, ansprechend auf das Sensorsignal, einen Schritt des Ausgebens 520 eines Ansteuersignals an ein piezoelektrisches Element des Aktuators auf, wobei das piezoelektrische Element als Stellgrößengeber des Aktuators wirkt, um die Adaption der Steifigkeit des Deformationselementes einzustellen.
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Zusammenfassend ist anzumerken, dass in der vorliegenden Beschreibung der Erfindung insbesondere die Idee eines Piezo-Aktuators mit oder ohne Übersetzung des Verstellweges für eine adaptive Crashstruktur näher beleuchtet werden soll. Zur Verstärkung oder Übersetzung des Verstellwegs sind alle rotatorischen und translatorischen Übersetzungen denkbar.
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Beispielhaft sind in der vorausgehenden Beschreibung mehrere Prinzipien zur Übersetzung des Verstellwegs an Hand des Verjüngungsprinzips näher erklärt, wobei der Kern der Erfindung nicht auf diese Crashstrukturen mit Verjüngungsprinzip beschränkt ist, wie sie in den Darstellungen der 3 und 4 wiedergegeben sind.
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Der erste daraus resultierende Vorteil für den hier vorgestellten Ansatz ist die Reversibilität. In der Tat kann eine Sensorik sehr empfindlich gestaltet werden mit dem Risiko eventuell Fehlauslösungen herbeizuführen. Mit Fehlauslösung ist hier eine unerwünschte Verstellung des Aktuators gemeint, die beispielsweise durch ein Schlagloch in der Straße oder eine leichte Kollision mit einer Mülltonne oder einem Garagentor ausgelöst werden kann. Da das System reversibel ist, stellt sich der Aktuator wieder in seine Ursprungsposition zurück. Der Fahrer merkt davon nichts.
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Zur Triggerung der Aktivierung des piezoelektrischen Elementes 220 durch die Auswerteeinheit 160 können prinzipiell alle bekannten Sensorprinzipien eingesetzt werden, die in der Lage sind, einen Crash zu erkennen. Es eignen sich vorausschauende Sensoren wie Radar, Licht und Ultraschall, aber auch Sensoren wie Beschleunigungs-, Druck oder Temperatursensoren sind hierfür geeignet. Aus Kostengründen und Performancegründen sind Beschleunigungs- und Drucksensoren sehr geeignet.
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Da Varianten ohne eine vorausschauende Sensorik bevorzugt sind, besteht das Ziel darin, solch eine adaptive Crashstruktur in jedem Fahrzeug-Segment einbauen zu können. Um dies gewährleisten zu können sollten alle Komponenten so schnell wie möglich „arbeiten”. Darüber hinaus lässt sich diese Erfindung im Bereich der adaptiven Crashstrukturen mit vielen anderen Ausgestaltungsvarianten von Deformationselementen kombinieren, was die Flexibilität beim Einsatz der Erfindung noch weiter erhöht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19745656 C2 [0004]
- EP 909681 B1 [0032]
