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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Crashstruktur zum Einbau in ein Fahrzeug nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs.
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In der Veröffentlichung von M. Deimel, J. Franke und S. Löffler: Entwicklung eines Frontendmoduls eines Niedrig-Energie-Verbrauchfahrzeugs, Oktober 2004, 15. Symposion Design for X wurde folgende adaptive Frontstruktur vorgeschlagen: Beide ausfahrbare Crashrohre sind durch einen breiten Querträger gekoppelt und zusätzlich mit einem Schaumelement versehen.
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Aus
EP 1 792 786 A2 ist eine Crashbox bekannt, die ein gehäuseartiges Deformationsprofil mit einer längsträgerseitigen Flanschplatte aufweist und als Faltkonstruktion aus Metallblech ausgebildet ist. Das Deformationsprofil besteht aus zwei Schalenbauteilen, wobei an jedem Schalenbauteil ein Flanschplattenabschnitt angeformt ist. Die Schalenbauteile werden aus Ausgangsplatinen aus Metallblech gefaltet, anschließend zusammengesetzt und mittels Widerstandsschweißpunkten aneinander gefügt. Dies stellt eine herkömmliche Crashbox dar ohne jede Adaption auf einen Crashvorgang. Eine solche Adaption ist jedoch beispielsweise aus
DE 197 45 656 A1 bekannt. Dabei wird ein Pralldämpfer für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, wobei in Abhängigkeit von einem Precrash-Signal, das ist ein Signal einer Rundumsichtsensorik wie an einer Radarsensorik oder einem Aufprallsignal eine Deformation gesteuert werden kann. Vorgeschlagen wird, dass an einem Deformationselement Schieber sich senkrecht zur Kraftrichtung bewegen und Deformationselemente dadurch sperren, so dass durch die Kraftwirkung diese Deformationselemente durch plastische Verformung aufgrund der Sperrung Crashenergie abbauen. Durch eine parallele Anordnung oder durch einen Ineinanderbau von solchen Deformationselementen ist eine Adaption auf den Crashvorgang möglich. Als weiteres Beispiel wird vorgeschlagen, ein Deformationselement durch eine Verjüngung zum Abbau von Crashenergie zu benutzen. Dabei ist ein Element zur Verjüngung fixiert und ein weiteres kann durch einen Schieber frei gegeben werden, um die Verjüngung zu reduzieren. Die Bewegung des Schiebers erfolgt dabei radial, d. h. senkrecht zur Kraftrichtung und damit zur Längsachse des Deformationselements, üblicherweise ein Zylinder mit einer vorgegebenen Wanddicke.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Crashstruktur zum Einbau in ein Fahrzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass ein elastisches Element, das sich unter der Einwirkung eines Crashes elastisch komprimiert und das mit einer Sensorik zur Erzeugung eines den Crash kennzeichnenden Signals unmittelbar baulich verbunden ist, vorgesehen ist. Damit wird die Zuverlässigkeit der Crashstruktur insgesamt erhöht. Außerdem können die Kosten gesenkt werden, da die Sensorik und das elastische Element zusammen eingebaut werden. Auch eine einfachere Montage am Band während der Herstellung ist durch die Erfindung möglich. Insbesondere ermöglicht die Erfindung, dass alle Sensortypen verwendet werden können. Die Erfindung ermöglicht außerdem die Verwendung von Kunststoff, so dass damit die Herstellungskosten geringer ausfallen. Das elastische Element kann, wie aus den abhängigen Ansprüchen hervorgeht, dazu verwendet werden, die Crashstruktur besser abzudichten. Damit können die negativen Einflüsse durch Wasser, Salz, Schmutz usw. reduziert werden. Insbesondere erhöht dies über die Fahrzeuglebensdauer die Zuverlässigkeit der Funktionsfähigkeit des Sensors und der Crashstruktur im Ganzen. Auch eine eventuelle Kabelführung der Sensorik kann zuverlässig sichergestellt werden, da einmal das elastische Element selbst die Möglichkeit bietet, die Kabel aufzunehmen oder Hülsen, die an das elastische Element befestigt werden. Insbesondere kann die Erfindung bei allen Energieabbauverfahren mit Steifigkeitseinstellungen, also der Verjüngung, dem Falten (auch mit mehreren ineinander liegenden Faltstrukturen), dem Schälen, dem Aufweiten, der hydraulischen Möglichkeit, der Methode mit verdrehbaren Wabenstruktur usw. verwendet werden.
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Die Crashstruktur zum Einbau in ein Fahrzeug ist vorliegend eine Crashstruktur, die an der Fahrzeugfront zwischen Längsträger und einem Querträger eingebaut wird. Diese Crashstruktur hat die Aufgabe, adaptiv ihre Steifigkeit auf einen Crash einzustellen. Damit soll der Längsträger möglichst lange vor einer Beschädigung geschützt werden und so ein Totalschaden des Fahrzeugs möglichst vermieden werden.
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Die crashabhängige einstellbare Steifigkeit wird unter Anderem in Abhängigkeit von dem Signal der Sensorik eingestellt. Üblicherweise ist so eine Crashstruktur in der Grundeinstellung in der maximalen Steifigkeit, um bei einem schweren Crash sofort die maximale Steifigkeit zur Verfügung zu stellen. Um so leichter der Crash ist, um so geringer kann die Steifigkeit eingestellt werden. Bei einem sehr leichten Crash wie z. B. einem Parkrempler, wird die sehr niedrige Crashenergie vom Stoßfänger und dessen Schaum elastisch aufgenommen, so dass die Einstellung der adaptiven Crashbox keine Rolle spielt Es ist also notwendig, dass mindestens zwei verschiedene Steifigkeiten einstellbar sind. Die Steifigkeit kann insbesondere elektromotorisch eingestellt werden. Aber auch eine pyrotechnische, hydraulische oder andersartige Einstellung der Steifigkeit ist möglich.
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Das elastische Element wird sich unter der Einwirkung eines Crashs elastisch komprimieren. Damit können leichte Parkrempler usw. abgefangen werden, ohne zu einer Schädigung auf der Crashstruktur zu führen. Eine Reparatur ist nicht notwendig. Wie aus den abhängigen Ansprüchen hervorgeht, kann die Elastizität aus einem Kunststoff heraus oder einer Feder oder einem Metallfaltenbalg heraus begründet sein. Erfindungsgemäß ist die Sensorik zur Erzeugung eines den Crash kennzeichnenden Signals für die Einstellung der Steifigkeit unmittelbar baulich mit dem elastischen Element verbunden. D. h. wie es aus den abhängigen Ansprüchen hervorgeht, ist die Sensorik entweder an dem elastischen Element befestigt oder zumindest teilweise innerhalb dieses elastischen Elements angeordnet.
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Mit der Einwirkung des Crashs ist gemeint, dass das Fahrzeug einen Aufprall erlebt. Mit Komprimieren ist gemeint, dass sich das elastische Element zumindest teilweise zusammendrücken lässt.
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Die Sensorik kann alle möglichen Formen der Unfallsensorik annehmen. D. h. eine Beschleunigungssensorik, eine Luftdrucksensorik, eine Dehnmessstreifensensorik usw. sind vorliegend möglich. Aber auch kapazitive Sensoren, induktive Sensoren, Radar, optische Sensoren usw. können für die Erfindung eingesetzt werden. Auch Kombinationen dieser Sensoren sind vorliegend möglich. Die Sensorik erzeugt eines den Crash kennzeichnenden Signal, beispielsweise eine erfasste Verzögerung, und dieses Signal wird dann in einer Auswerteschaltung ausgewertet, um dann ein Ansteuersignal in die Steifigkeitseinstellung der Crashstruktur auszugeben. Die Auswerteschaltung kann sich dabei innerhalb der Crashstruktur oder außerhalb, beispielsweise in einem Steuergerät, befinden. Es ist möglich, dass die Sensorik auch selbst eine Auswerteschaltung aufweist und direkt das Ansteuersignal aus dem Sensorsignal ermittelt. In der einfachsten Variante ist es möglich, dass das Sensorsignal unmittelbar als Ansteuersignal dient.
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Mit der unmittelbaren baulichen Verbindung der Sensorik mit dem elastischen Element ist gemeint, wie oben dargestellt, dass entweder die Sensorik sich am elastischen Element oder zumindest teilweise darin befindet.
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In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Crashstruktur definiert.
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Vorteilhafter Weise ist die Sensorik an dem elastischen Element befestigt. Diese Befestigung kann form-, kraft- oder stoffschlüssig, beispielsweise durch Kleben, erfolgen.
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Vorteilhafter Weise ist die Sensorik zumindest teilweise in dem elastischen Element angebracht. Damit ist die Sensorik dann auch vor weiteren Umwelteinflüssen geschützt, und es liegt lediglich ein Bauteil vor, nämlich das elastische Element, das verbaut werden muss. Auf die Sensorik muss lediglich bezüglich der Anschlüsse geachtet werden. Wobei hier auch eine Funkübertragung des den Crash kennzeichnenden Signals zu der Auswerteschaltung möglich ist. Auch hier ist eine kraft-, form- oder stoffschlüssige Verbindung des elastischen Elements mit der Sensorik möglich.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, dass das elastische Element im vorderen Bereich der Crashstruktur angeordnet ist. Im eingebauten Zustand bedeutet dies, dass das elastische Element in Fahrzeuglängsrichtung sich in Richtung der Fahrzeugfront befindet, üblicherweise direkt am Querträger. Der vordere Bereich der Crashstruktur ist demnach so definiert, wie es im eingebauten Zustand der Crashstruktur zu sehen ist.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, dass das elastische Element zur Abdichtung der Crashstruktur konfiguriert ist. Dabei ist dann das elastische Element wie eine zumindest teilweise geschlossene Kappe auf der Crashstruktur aufgesetzt und hält so Umwelteinflüsse von dem Inneren der Crashstruktur fern. Diese Abdichtung kann auch nur lokal erfolgen, d. h. dass das elastische Element auch Bohrungen oder Öffnungen aufweist, aber andere Elemente der Crashstruktur sind durch das elastische Element dann dennoch lokal abgedichtet.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, dass die Sensorik mittig am elastischen Element angeordnet ist und dass das elastische Element eine unebene Oberfläche aufweist. Die mittige Anordnung der Sensorik ist besonders vorteilhaft, um ein charakteristisches Signal zu erzeugen. Dabei kann das elastische Element dann auch rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Insbesondere die Verwendung einer unebenen Oberfläche des elastischen Elements, insbesondere an der von der Sensorik abgewandten Seite des elastischen Elements, ermöglicht, dass das elastische Element an seiner Oberfläche eine Federwirkung aufweist, die wie in weiteren abhängigen Ansprüchen angegeben, durch wenigstens einen Absatz realisiert sein kann. Dadurch wird eine Federwirkung erzeugt, die dazu führt, dass das elastische Element im eingebauten Zustand gegen den Querträger des Fahrzeugs drückt. Damit wird dieser Querträger stabilisiert und gefedert. D. h. Schwingungen des Querträgers werden dadurch gedämpft und eine Geräuschquelle eliminiert.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, dass das elastische Element wenigstens zwei unterschiedliche Steifigkeiten aufweist. Dabei kann das elastische Element einen inelastischen Kunststoff und einen elastischen Kunststoff aufweisen. Der nicht elastische Kunststoff dient dabei als Träger und zur Übertragung der Aufprallkräfte auf die weiteren Strukturen. Der elastische Kunststoff erfüllt die Funktion, wie oben beschreiben. Aber auch durch andere Elemente kann die Elastizität erzeugt werden, nämlich durch Federn wie Tellerfedern oder Spiralfedern oder auch durch einen Metallfaltenbalg. Auch diese elastischen Elemente können in Verbindung mit einem nichtelastischen Kunststoff gebracht werden, so dass verschiedenste Ausführungsvarianten für die Erfindung möglich sind.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung wie die Crashstruktur im Fahrzeug einbaut wird,
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2 ein erstes Ausführungsbeispiel für die Erfindung,
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel für die Erfindung,
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4 ein drittes Ausführungsbeispiel für die Erfindung,
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5 ein viertes Ausführungsbeispiel für die Erfindung,
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6 ein fünftes Ausführungsbeispiel für die Erfindung und
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7 ein sechstes Ausführungsbeispiel für die Erfindung.
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1 zeigt in einem Übersichtsbild schematisch, wie die Crashstruktur CS im Fahrzeug FZ, und zwar in dessen vorderen Bereich angeordnet ist, und zwar zwischen einem Querträger QT an der Fahrzeugfront und den Längsträgern L im weiteren Verlauf des Fahrzeugs in Richtung Fahrzeugheck. Wie oben angegeben, weist die Crashstruktur CS die Eigenschaft auf, eine einstellbare Steifigkeit aufzuweisen. Diese Einstellung wird in Abhängigkeit vom eigentlichen Crashvorgang vorgenommen. Dazu dient wenigstens ein Sensorsignal, es können auch mehrere verwendet werden.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Crashstruktur. Mit CR ist die Crashrichtung bezeichnet. Hinter dem Querträger QT ist die Crashstruktur zunächst mit dem elastischen Element EE, das durch einen Führungsring FR gehalten wird, gekennzeichnet. Das elastische Element EE liegt am Querträger QT an, wobei der Führungsring FR mittels Schweißnähten SN am Querträger QT befestigt ist. Das elastische Element EE weist eine Sensorik S mittig auf. Die Sensorik S ist an der Innenseite des elastischen Elements EE und damit innerhalb der Crashstruktur angeordnet. Vorliegend ist die Sensorik S beispielsweise auf das elastische Element aufgeklebt oder aufgeschraubt oder aufgenietet. Das elastische Element EE wird vom Deformationselement DE fortgesetzt, das in Form eines Rohres ausgebildet ist und durch ansteuerbare Verjüngungselement AVJ zur Erzeugung der Steifigkeit in Folge des Crashs getrieben wird. Der Führungsring ist insbesondere durch Widerhaken WH mit dem Deformationselement DE verbunden, welche verhindern, dass der Querträger bzw. das komplette Stoßstangensystem abgenommen werden kann. Das elastische Element EE sorgen zusammen mit den Widerhaken WH dafür, dass der bewegliche Teil, also der Querträger QT und das Führungsrohr FR im Ruhezustand leicht unter Spannung steht, und nur in einer Richtung bewegt werden kann.
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In Folge des Crashs CR wird das elastische Element EE zunächst um den Betrag ER nach wenigen Millisekunden eingedrückt, so dass dann das Deformationselement DE durch die Verjüngungselemente AVJ getrieben wird. Im oberen Bild der 2 ist demnach die Situation vor dem Crash und im unteren Bild nach wenigen Millisekunden nach dem Crash dargestellt. Diese kleine Wegänderung ER ist für die Sensorik notwendig, um Signale zu erzeugen. Ein Beschleunigungssensor wird in diesem Fall beschleunigt, ein Luftdrucksensor könnte durch die Volumenänderung in der Crashstruktur einen Druck sensieren. Die Sensierung dieses Intrusionswegs ER über der Zeit liefert die notwendigen Informationen, um die Änderung der Steifigkeit der Crashstruktur zu bewirken. Darüber hinaus ist der Intrusionsweg ER reversibel, d. h. dass sehr schwache Kollisionen wir Parkrempler aufgrund des elastischen Elements EE reversibel abgefedert werden können.
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Folgender chronologischer vereinfachter Ablauf kommt zustande:
0 Ruhestellung kein Crash
1 Erster Kontakt des eigenen Fahrzeugs mit dem Kollisionsobjekt, der Crashanfangszeitpunkt wird gesetzt = t0
2 Eindrückung beziehungsweise Komprimierung des elastischen Elements EE und gleichzeitig Sensierung von Crashparametern
3 Algorithmus im Steuergerät beispielsweise im Airbagsteuergerät entscheidet über die Crashcharakterisierung Crashschwere, so dass beispielsweise zwei Szenarios möglich sind:
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Szenario a langsamer Crash
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Steifigkeitsanpassung der adaptiven Crashstruktur, so dass die Steifigkeit gering eingestellt wird, um auf den weichen Crash zu reagieren
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Szenario b schneller Crash
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Die Steifigkeitsanpassung der Crashstruktur, so dass die Steifigkeit hoch ist und weiterhin werden auch Rückhaltemittel der passiven Sicherheit wie Airbags ausgelöst.
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Das Signal der Sensorik kann nämlich auch in einem solchen Ansteuerungsalgorithmus für Airbags und Gurtstraffer usw. verwendet werden
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Im folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung und zwar im rechten Teil als Aufsicht auf das elastische Element mit der Sensorik und im linken Teil im Schnitt in der Schnittlinie A A, die im rechten Bild eingezeichnet ist. Im rechten Bild sind gestrichelt von einer mittig angeordneten Sensorik, die als Viereck dargestellt ist, Leitungen dargestellt, die zu zwei Pins als Stecker an der Außenseite des elastischen Elements führen. Der Absatz im Schnitt ist mit M bezeichnet ist, während der Absatz durch die entsprechenden Kreise in der Aufsicht dargestellt ist. Dieser Absatz oder das Merkmal M hat eine bereits oben beschriebene Federwirkung, so dass dadurch das elastische Element EE gegen den Querträger QT drücken wird und zwar im eingebauten Zustand.
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Die Komprimierungsrichtung ist durch KR bezeichnet. Die Sensorik ist vorliegend mittig angeordnet, wobei das Gehäuse mit SG und die Leiterplatte mit LP bezeichnet sind. Von der Leiterplatte LP gehen die Sensorleitungen SL zu den Pins PIN. Diese Pins PIN befinden sich im Stecker ST.
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Der Sensor ist vorliegend integriert in das elastische Element EE. Die Leitungen SL sind vorwiegend in das elastische Element eingelassen, allerdings ist es denkbar, diese Leitungen durch eine jeweilige Hülse zu führen, wobei die jeweilige Hülse dann an oder im elastischen Element angeordnet ist.
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Das Merkmal M sorgt dafür, dass eine effiziente Krafteinleitung auf die Sensorik realisiert wird, so dass die Sensorik auch zuverlässige Werte liefert. Wie oben dargestellt, drückt aufgrund des Merkmals M das elastische Element EE auf den Querträger QT. Dies verhindert, sowohl die relative Bewegung des Querträgers QT zur Crashstruktur als auch ein Klappern des Querträgers QT während der Fahrt auf einer nicht ebenen Straße. Das Herausfallen des Querträgers QT ist durch Widerhaken gesichert.
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4 zeigt in einer gleichen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die in 4 dargestellte Variante ist zum einen dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element EE eine Öffnung aufweist und die Sensorik nicht mehr mittig angeordnet ist, sondern nahe am Stecker st. Die Öffnung sorgt natürlich dafür, dass eine Gewichtsersparnis gegenüber der Ausführung gemäß 3 erzielt wird. Auch die kürzeren Sensorleitungen SL führen zu einer weiteren Kostenreduktion.
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Dass die Sensorik nicht mittig sitzt, ist nicht als Nachteil zu bewerten. Bei einem Crash mit der Crashstruktur macht es nahezu keinen Unterschied, wenn der Sensor wenige Zentimeter außerhalb der mittigen Position sitzt. Auch hier hat das Merkmal M einen gleichen Zweck: Eine zuverlässige Ankopplung der Crashkräfte beziehungsweise der Crashbewegungen an die Sensorik.
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Das elastische Element EE kann vorzugsweise aus Kunststoff hergestellt werden, wozu es zwei Möglichkeiten gibt
- 1. Es wird ein Kunststoff verwendet, der je nach Art des elastischen Elements unterschiedliche Steifigkeiten aufweist. In diesem Fall wäre es vorteilhaft am Außendurchmesser eine elastomerartigen Kunststoff vorzusehen, der sich reversibel verformen lässt und im Inneren des elastischen Elements einen starren Kunststoff zu haben, zum Beispiel einen glasfaserverstärkten PBT, der zum einen den Sensor beinhalten kann und zum andern die Crashkraft gut weiterleiten kann.
- 2. Das elastische Element wird aus einem Elastomer gefertigt und die Sensorhalterung aus einem steifen Kunststoff. Beide Kunststoffarten können dann über einen Klebeprozess verbunden werden.
5 zeigt eine solche Variante. Wiederum sind in 3 und 4 gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. 5 zeigt jedoch eine Variante basierend auf der Ausführungsform von 4. Nunmehr ist das elastische Element aufgeteilt in einen steifen Kunststoff SK, der am Querträger QT anliegt und einen Elastomer, der am Deformationselement DE anliegt. Die Funktionsweise dieser Variante bleibt unverändert: Das Merkmal M sorgt dafür, dass eine zuverlässige Ankopplung der Crashkräfte an die Sensorik gewährleistet ist, und das Elastomer E wird durch die Bewegung des Querträgers QT bzw. dem steifen Kunststoff SK auf das Deformationselement DE in Kompressionsrichtung KR zusammengedrückt.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform basierend auf 4 beziehungsweise 5. Wiederum sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei nunmehr anstatt eines Elastomers, wie in 5 ein Metallfaltenbalg MB eingesetzt wird, um die elastische Verformung bereitzustellen.
7 zeigt eine weitere Variante, wobei mit TF eine Tellerfeder bezeichnet und mit SF eine Spiralfeder sind. Kombinationen davon sind jederzeit möglich. Es ist weiterhin möglich, nur ein Federtyp zu verwenden. Auch andere Elemente, die eine solche Elastizität gewährleisten, können vorliegend eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1792786 A2 [0003]
- DE 19745656 A1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- M. Deimel, J. Franke und S. Löffler: Entwicklung eines Frontendmoduls eines Niedrig-Energie-Verbrauchfahrzeugs, Oktober 2004 [0002]
