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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit einstellbarer Steifigkeit zum Aufnehmen einer Aufprallenergie und auf ein Verfahren zum Einstellen einer Steifigkeit einer derartigen Vorrichtung.
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Derzeit funktionieren Frontstrukturen von Fahrzeugen stets nach dem gleichen Prinzip. Die Steifigkeitsniveaus der Strukturen sind immer progressiv, d. h., die Crashstrukturen sind im vorderen Bereich, also in Richtung Stoßfänger, immer weicher als im mittleren Teil der Struktur. Der mittlere Teil ist wiederum weicher als der hintere Teil, usw. Mechanisch gesehen muss für eine chronologische Destruktion, eines Strukturelements das dahinterliegende Strukturelement immer härter sein, damit es seine Abstützfunktion realisieren kann bevor es selbst kollabiert.
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Die
EP 1 792 786 A2 zeigt eine Crashbox zur Eingliederung zwischen einem Stoßfängerquerträger und einem Fahrzeuglängsträger eines Kraftfahrzeugs. Die Crashbox weist ein gehäuseartiges Deformationsprofil als Faltkonstruktion aus Metallblech und eine längsträgerseitige Flanschplatte auf, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanschplatte als Bestandteil der Faltkonstruktion ausgebildet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung mit einstellbarer Steifigkeit sowie ein Verfahren zum Einstellen der Steifigkeit einer solchen Vorrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen vorgestellt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Eine adaptive Crashstruktur kann auf unterschiedlichen Prinzipien basieren. So ist beispielsweise eine adaptive Energieaufnahme einer Crashstruktur durch Verjüngung umsetzbar. Zum Einstellen der Steifigkeit können eine Sensorkonfiguration, die mit Hilfe von zwei Beschleunigungssensoren die Soll-Steifigkeit einer adaptiven Crashbox bestimmt und auch die Rückhaltemittel der passiven Sicherheit auslöst, ein elastisches Element mit einem integrierten Sensor, einen Wirbelstromaktuator für eine adaptive Crashstruktur oder eine Sensierung der Kollisionsschwere mit Hilfe definiert versagender Verbindungselemente vorgesehen sein. Ein Auslösen reversibler Crashstrukturen kann anhand der Erkennung einer Mindestschwere einer Kollision erfolgen.
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Eine adaptive Crashstruktur kann demnach auf Basis eines Verjüngungsabsorbers arbeiten. Durch eine wirksame Zu- und Abschaltung von Matrizenplatten kann der Verjüngungsdurchmesser variiert und somit die Steifigkeit der Crashstruktur angepasst werden.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass mit einer Reduzierung der Steifigkeit eines Aufprallstrukturelements unter ein Niveau eines davorliegenden Strukturelements während eines Crashgeschehens eine adaptive Crashstruktur mit verbesserter Schutzwirkung für den oder die Insassen eines Fahrzeugs realisiert werden kann.
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Da es sich gemäß dem hier vorgestellten Ansatz um eine adaptive und somit intelligente Struktur handelt, ist die oben erwähnte Crashchronologie der zu deformierenden Bauteile nicht gefährdet, da sich die Aufprallstruktur bzw. Crashstruktur gegebenenfalls nur „im letzten Moment” abschwächt.
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Der hier vorgestellte Ansatz zielt darauf ab, eine Aufprallstruktur zu schaffen, die am Anfang des Crashgeschehens hart ist, so dass die dem Aufprall als erstes ausgesetzten Crashbauteile zuverlässig kollabieren und Aufprallenergie absorbieren können. Während des weiteren Crashverlaufs kann dann eine Crashentlastung stattfinden, indem die Steifigkeit so herabgesenkt wird, dass das Niveau eines nachgeschalteten Crashbauteils unter dem des vorherigen Crashbauteils liegt. Hierdurch kann situationsbedingt die Deformationslänge maximal gehalten werden. Dies kann folglich die Insassenbelastung und somit das Verletzungsrisiko des oder der Insassen wirksam reduzieren. Ferner lassen sich unterschiedliche Steifigkeiten bei Offset-Crashs und Frontal-Crashs einstellen.
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Vorteilhafterweise kann mit der Umsetzung des hier vorgeschlagenen Ansatzes die Struktur im mittleren Teil der Aufprallstruktur weicher gestaltet werden. Da verhindert wird, dass der weichste, also der mittlere, Teil in der Gesamtstruktur aus dem Deformationselement und der hier beschriebenen Vorrichtung zuerst kollabiert, kann die chronologische Deformation von vorne nach hinten aufrecht erhalten werden. Reparaturkosten im Niedriggeschwindigkeitsfall können niedrig bleiben, weil LB. austauschbare Crashboxen oder vergleichbare Elemente zuerst kollabieren. Ferner kann nach vor ein hoher Insassenschutz gewährleistet werden, da gemäß dem hier vorgestellten Ansatz dafür gesorgt wird, dass die Insassenbewegungen und -beschleunigungen beim Aufprall mit den applizierten Rückhaltesystemen übereinstimmen.
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Ein wesentlicher Vorteil eines gemäß dem hier vorgestellten Prinzip gefertigten Verjüngungsabsorbers liegt in der Positionierung der erfindungsgemäßen Struktur weiter hinten im Fahrzeug, was bei einer Kollision einen verbesserten Schutz für den oder die Insassen gegenüber einer herkömmlichen Crashbox ermöglicht, die üblicherweise weiter vorne im Fahrzeug angeordnet ist. Ferner ist ein Schalten unter Last möglich, solange die Ausrückmatrize nicht belastet ist. Positiv ist auch, dass mehr Zeit während einer Kollision vergehen kann, bevor eine gemäß diesem Ansatz realisierte Struktur kollabieren soll. Das bedeutet, dass beispielsweise der Aktuatorik mehr Zeit zum Schalten zur Verfügung steht und somit Anforderungen an die Schaltzeit günstiger ausfallen. Die Folge ist z. B. ein günstigerer Aktuator.
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung mit einstellbarer Steifigkeit zum Aufnehmen einer Aufprallenergie mit einem Gehäuse zum Aufnehmen und Deformieren eines Deformationselements, wenn das Deformationselement in einer durch die Aufprallenergie bedingten Vorschubrichtung bewegt wird, wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist:
einen ersten Gehäuseteil des Gehäuses mit einem in der Vorschubrichtung enger werdenden trichterförmigen Abschnitt zum Aufnehmen und Deformieren des Deformationselements;
einen zweiten Gehäuseteil des Gehäuses, der in der Vorschubrichtung dem ersten Gehäuseteil nachgelagert ist, wobei der zweite Gehäuseteil eine Ausrückmatrize aufweist, die ausgebildet ist, um in einer ersten Position einen Innendurchmesser des zweiten Gehäuseteils herzustellen, der geringer als ein Innendurchmesser zumindest eines Teilbereichs des ersten Gehäuseteils ist, und in einer zweiten Position durch das Deformationselement ausrückbar zu sein; und
einen Aktuator, der in dem Gehäuse angeordnet und ausgebildet ist, um die Ausrückmatrize in der ersten Position zu halten oder für eine Bewegung in die zweite Position freizugeben, um die Steifigkeit der Vorrichtung einzustellen.
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Bei der Vorrichtung kann es sich beispielsweise um einen Verjüngungsabsorber handeln. Die Vorrichtung kann in einem Fahrzeug zur Absorption einer durch eine Kollision des Fahrzeugs hervorgerufenen Bewegungsenergie eingesetzt werden. Das Deformationselement kann als ein längliches Bauteil in Form eines z. B. runden oder eckigen Rohres ausgebildet sein und in der Vorschubrichtung entlang seiner Längsachse durch das Gehäuse bewegt werden.
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Das Gehäuse kann beispielsweise so aufgebaut sein, dass der erste Gehäuseteil eine Öffnung aufweist, durch die das Deformationselement in der Vorschubrichtung in das Gehäuse hineingeschoben wird, und der zweite Gehäuseteil eine weitere Öffnung aufweist, durch die das verformte Deformationselement in der Vorschubrichtung aus dem Gehäuse austritt. Das Gehäuse kann das Deformationselement oder Teile desselben bei der Bewegung des Deformationselements durch das Gehäuse vollumfänglich umschließen. Die Deformation des Deformationselements kann in Form einer Verjüngung, also in einer Reduzierung eines Querschnitts, des Deformationselements vonstatten gehen, z. B., indem das Gehäuse oder Teile des Gehäuses einen geringeren Querschnitt als das Deformationselement oder Teile des Deformationselements aufweist. Beispielsweise ist entsprechend die Öffnung des ersten Gehäuseteils größer als die Öffnung des zweiten Gehäuseteils. Der erste und der zweite Gehäuseteil können in einem Fertigungsprozess der Vorrichtung stoff- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden werden. Der erste Gehäuseteil kann in der Vorschubrichtung angrenzend an den trichterförmigen Abschnitt einen längeren Schacht mit gleichbleibendem Querschnitt aufweisen, durch den das Deformationselement zu dem zweiten Gehäuseteil bewegt wird. Eine Innenkontur des ersten Gehäuseteils oder zumindest des trichterförmigen Abschnitts kann einer Außenkontur des Deformationselements entsprechen, also z. B. rund oder eckig sein. Zum Aufnehmen und Deformieren bzw. Verjüngen des Deformationselements kann ein Aufnahmerand des trichterförmigen Abschnitts einen größeren Querschnitt und der anschließende Schaft einen geringeren Querschnitt als das Deformationselement aufweisen. Für die Unterbringung der Ausrückmatrize und des Aktuators im Inneren des Gehäuses können der erste und der zweite Gehäuseteil eine gemeinsame Auswölbung aufweisen.
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Bei der Ausrückmatrize kann es sich z. B. um einen Ring handeln, dessen Innenkontur einer Außenkontur des Deformationselements entspricht. In der ersten Position kann die Ausrückmatrize z. B. durch ein Abstützungselement gegenüber einer Wand des Gehäuses abgestützt sein und somit eine weitere Verjüngung des in der Vorschubrichtung sich durch die Ausrückmatrize bewegenden Deformationselements bewirken. In der zweiten Position kann die Abstützung der Ausrückmatrize fehlen und die Ausrückmatrize durch eine Radialkraft des sich durchbewegenden Deformationselements ausgerückt und/oder gebrochen werden und somit keine Veijüngung des Deformationselements bewirken. Dazu kann die Ausrückmatrize z. B. eine oder mehrere Sollbruchstellen aufweisen. Der Aktuator kann z. B. eine elektrisch betriebene Schalteinrichtung sein, in der entsprechend ihrer Funktionalität ansprechend auf ein Signal eines Steuergeräts der Vorrichtung ein Stromfluss unterbrochen oder hergestellt wird. Dadurch kann z. B. das Abstützungselement so verschoben werden, dass die Ausrückmatrize zur Bewegung in die zweite Position freigegeben ist. Die Steifigkeit der Vorrichtung kann beispielsweise eingestellt werden, indem durch den Aktuator die Ausrückmatrize in die zweite Position gebracht wird, wodurch eine z. B. als Ruhestellung voreingestellte hohe Steifigkeit der Vorrichtung auf ein niedrigeres Niveau abgesenkt werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Ausrückmatrize als ein in der Vorschubrichtung enger werdender Trichter ausbildet sein. Auf diese Weise kann auf sehr effiziente und einfache Weise mit wenig Material viel Bewegungsenergie des Aufpralls abgebaut werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung das Deformationselement aufweisen. Das Deformationselement kann einen ersten Abschnitt aufweisen, der zumindest in einem Teilbereich einen ersten Außendurchmesser aufweist, der größer als der Innendurchmesser des Teilbereichs des ersten Gehäuseteils ist. So kann auf einfache Weise eine Möglichkeit zum Abbauen einer Aufprallenergie auf ein Fahrzeug geschaffen werden, da zur Umsetzung des mit dieser Ausführungsform vorgeschlagenen Prinzips Bauteile mit einem relativ großen Dimensionstoleranzbereich eingesetzt werden können.
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Das Deformationselement kann ferner einen zweiten Abschnitt aufweisen, der dem ersten Abschnitt in der Vorschubrichtung nachgelagert ist. Dabei kann der zweite Abschnitt zumindest in einem Teilbereich einen zweiten Außendurchmesser aufweisen, der geringer als der erste Außendurchmesser des ersten Abschnitts und größer als der Innendurchmesser des Teilbereichs des ersten Gehäuseteils ist. Mit der Realisierung des zweiten Außendurchmessers zwischen dem ersten Außendurchmesser und dem Innendurchmesser kann auf einfache, kostengünstige und wenig störanfällige Weise eine Herabsetzung der Steifigkeit der Vorrichtung ermöglicht werden.
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Beispielsweise kann eine Länge des Teilbereichs des ersten Abschnitts des Deformationselements einer Länge des Teilbereichs des ersten Gehäuseteils entsprechen. So kann vorteilhafterweise ein möglichst homogener Kraftübergang zwischen dem Deformationselement und dem Gehäuse geschaffen werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann in der ersten Position der Ausrückmatrize ein Innendurchmesser eines weitesten Bereichs des Trichters dem Innendurchmesser des Teilbereichs des ersten Gehäuseteils entsprechen und ein Innendurchmesser eines engsten Bereichs des Trichters geringer als der Innendurchmesser des Teilbereichs ersten Gehäuseteils sein. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass das Deformationselement möglichst komplikationsfrei in die Ausrückmatrize überführt werden kann und ein Verklemmen des Deformationselements mit der Ausrückmatrize aufgrund der hohen auf das Deformationselement wirkenden Schubkraft weitestgehend vermieden werden kann.
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Ferner kann in einer Ruhestellung der Vorrichtung ein verjüngter Frontbereich des ersten Abschnitts des Deformationselements in dem trichterförmigen Abschnitt des ersten Gehäuseteils angeordnet sein. Dabei kann eine Außenfläche des verjüngten Frontbereichs an einer Innenfläche des trichterförmigen Abschnitts aufliegen. So kann vorteilhafterweise eine robuste Abstützung für vor der Vorrichtung angeordneten Aufprallstrukturen, die bei einer Kollision vor der Vorrichtung kollabieren sollen, geschaffen werden. Ferner kann so eine stabile Ruhestellung der Vorrichtung bereitgestellt werden, in der eine optimale Anordnung des Deformationselements gegenüber dem Gehäuse auch bei Erschütterungen des Fahrzeugs, die sich z. B. bei einem leichten Auffahrunfall des Fahrzeugs ereignen können, erhalten bleibt.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Einstellen einer Steifigkeit einer im Vorhergehenden erläuterten Vorrichtung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Empfangen einer Information über die Aufprallenergie;
Vergleichen der Aufprallenergie mit einem Schwellwert; und
Bereitstellen eines Aktivierungssignals an den Aktuator zum Freigeben der Ausrückmatrize für eine Bewegung in die zweite Position, um die Steifigkeit der Vorrichtung auf ein geringeres Niveau einzustellen, wenn der Schritt des Vergleichens ergibt, dass die Aufprallenergie kleiner als der Schwellwert ist.
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Das Verfahren kann beispielsweise in einem Steuergerät durchführt werden, das mit der im Vorhergehenden erläuterten Vorrichtung verbunden oder in diese integriert sein kann. Das Steuergerät kann ausgebildet sein, um die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen der im Vorhergehenden erläuterten erfindungsgemäßen Vorrichtung durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Unter dem 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 der Vorrichtung 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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Beispielsweise kann das Steuergerät die Information über die Aufprallenergie von einem Sensor, z. B. einem Beschleunigungssensor, des Fahrzeugs empfangen, der die Schwere, Position und Richtung eines sich ereignenden Aufpralls auf das Fahrzeug erfasst. Der Schritt des Vergleichens der Aufprallenergie mit dem Schwellwert kann in dem Steuergerät mittels eines geeigneten Algorithmus durchgeführt werden. Bei einem Unterschreiten des Schwellwerts kann das Aktivierungssignal z. B. über einen Fahrzeugbus von dem Steuergerät an den Aktuator bereitgestellt werden. Entsprechend kann mittels des Aktuators die Ausrückmatrize für die Bewegung in die zweite Position freigegeben werden, um die Steifigkeit der Vorrichtung auf das der Schwere des Aufpralls entsprechende Niveau herabzusetzen. Ergibt hingegen der Schritt des Vergleichens, dass die erfasste Aufprallenergie den Schwellwert überschreitet, so kann eine Bereitstellung des Aktivierungssignals unterdrückt werden, so dass die Ausrückmatrize in der ersten Position verbleibt und die Vorrichtung somit auf die hohe Steifigkeit und entsprechend ein hohes Aufprallenergieabsorptionsniveau eingestellt ist.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Schritt des Bereitstellens des Aktivierungssignals erst dann erfolgen, wenn der erste Abschnitt des Deformationselements begonnen hat, sich in der Vorschubrichtung in den ersten Gehäuseteil zu bewegen. So steht vorteilhafterweise mehr Zeit für eine Erfassung der Aufprallschwere und somit die Entscheidung, ob die Steifigkeit der Vorrichtung herabgesetzt werden soll oder nicht, zur Verfügung. Dieses Zeitplus kann beispielsweise genutzt werden, um einen erfassten Aufprallschwerewert zu verifizieren. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein weniger reaktionsschneller Aktuator verwendet und eine damit einhergehende Herstellungskosteneinsparung erzielt werden.
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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 sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem einem Computer entsprechenden Gerät ausgeführt wird.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Diagramm zur Darstellung der progressiven Steifigkeit einer herkömmlichen Frontstruktur;
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2A ein Schnittbild einer adaptiven Crashstruktur in Ruhestellung;
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2B ein Schnittbild der adaptiven Crashstruktur aus 2A in aktuierter Stellung;
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2C ein Schnittbild der adaptiven Crashstruktur aus 2A im Kollisionsfall mit weicher Einstellung;
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3 ein Diagramm zur Darstellung eines möglichen Steifigkeitsverlaufs bei einem Einsatz einer Struktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 einen Schnitt durch eine adaptive Crashstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer Ausgangsstellung;
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5A einen Schnitt durch die adaptive Crashstruktur aus 4 nach einer ersten Phase einer Kollision, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5B einen Schnitt durch die adaptive Crashstruktur aus 4 nach einer zweiten Phase einer Kollision bei hoch eingestellter Steifigkeit, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5C einen Schnitt durch die adaptive Crashstruktur aus 4 nach einer zweiten Phase einer Kollision bei niedrig eingestellter Steifigkeit, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Einstellen einer Steifigkeit einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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Im derzeitigen Stand der Technik funktionieren Frontstrukturen von Fahrzeugen nach dem gleichen Prinzip. Die Steifigkeitsniveaus der Strukturen sind immer progressiv, wie anhand der nachfolgenden 1 zu sehen ist. Die Crashstrukturen sind im vorderen Bereich, also in Richtung Stoßfänger, immer weicher als im mittleren Teil der Struktur. Der mittlere Teil ist wiederum weicher als der hintere Teil, usw. Mechanisch gesehen muss für eine chronologische Destruktion eines Strukturelements das dahinterliegende Strukturelement immer härter sein, damit es seine Abstützfunktion realisieren kann, bevor es selbst kollabiert.
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1 zeigt ein Stufendiagramm zur Darstellung der progressiven Steifigkeit einer herkömmlichen Frontstruktur. Dazu sind auf der Abszisse eines Koordinatensystems Bereiche für die Steifigkeiten verschiedener Fahrzeugfrontelemente gegenüber einer durch eine Aufprallenergie hervorgerufenen Deformationskraft in aufsteigender Rangfolge beispielhaft aufgetragen. So kennzeichnet ein Bereich D1 eine Steifigkeit einer mit einem Schaum gefüllten Stoßstange, ein Bereich D2 eine Steifigkeit einer Crashbox, ein Bereich D3 eine Steifigkeit eines vorderen Längsträgers, ein Bereich D4 eine Steifigkeit eines hinteren Längsträgers und ein Bereich D5 eine Steifigkeit einer Spritzwand eines Fahrzeugs. Auf der Ordinate des Koordinatensystems sind ebenso beispielhaft Werte einer durch eine Aufprallenergie hervorgerufenen Deformationskraft aufsteigend von F1 bis F5 aufgetragen.
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In dem in 1 gezeigten Diagramm kennzeichnet ein Graph 100 einen typischen treppenförmigen Steifigkeitsverlauf einer Fahrzeugstruktur der herkömmlichen Art. Es ist gut zu erkennen, dass sich die den einzelnen Elementen zugeordneten Steifigkeiten in einer Richtung einer durch den Aufprall wirkenden Deformationskraft aufeinanderfolgend erhöhen, d. h., es muss für eine Deformation umso mehr Kraft aufgewendet werden, je näher ein Element zur Fahrgastzelle des Fahrzeugs hin angeordnet ist. So weist laut der Darstellung in 1 die Stoßstange die geringste und die Spritzwand die höchste Steifigkeit auf. Eine einstellbare Steifigkeit einer adaptiven Crashstruktur bzw. Aufprallstruktur ist durch Graphen 110 und 120 in der Darstellung in 1 gekennzeichnet. Eine derartige Aufprallstruktur ersetzt beispielsweise die Crashbox und einen Teil des Längsträgers in einem Fahrzeug. In einer durch den Graphen 110 gekennzeichneten weichen Einstellung der adaptiven Aufprallstruktur ist diese auf die Steifigkeit der zu ersetzenden Crashbox eingestellt und verbleibt auch bei Erhöhung der Deformationskraft auf diesem Niveau. In einer durch den Graphen 120 gekennzeichneten harten Einstellung der adaptiven Aufprallstruktur ist diese auf die Steifigkeit des hinteren Längsträgers eingestellt. D. h., nach einer mit geringer Kraft erfolgten Deformation der Stoßstange muss für eine weitergehende Deformation des Vorderwagens eine Kraft des Wertes F4 eingesetzt werden. Anhand der Darstellung in 1 wird deutlich, dass eine adaptive Crashstruktur ihre Steifigkeit variieren kann, solange der hintere Teil – der als Abstützung herangezogen wird – steifer ist.
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Anhand der 2A, 2B und 2C wird eine Funktionsweise einer adaptiven Crashstruktur bzw. Aufprallstruktur zum Schutz von Fahrzeuginsassen bei Kollisionen erläutert. Diese Strukturen sind konzipiert, um Teile bestehender Vorderwagenstrukturen in Kraftfahrzeugen zu ersetzen. In der Grundeinstellung ist die Struktur im Allgemeinen auf die höhere Steifigkeit eingestellt, die der des vorderen Längsträgers des Fahrzeugs entspricht. Die zweite Einstellung, jene, auf die umgeschaltet wird, weist eine Steifigkeit auf, die der einer Crashbox aus dem Stand der Technik entspricht.
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Eine entsprechend zu entwickelnde Struktur soll die herkömmliche Crashbox und den vorderen Teil der Längsträger ersetzen. Daher sollten auch beide Funktionalitäten abgebildet und somit zumindest zwei Steifigkeiten einstellbar sein. Die Grundeinstellung der Struktur ist die höhere Steifigkeit, die der des vorderen Längsträgers entspricht. Die zweite Einstellung, die, auf die umgeschaltet wird, weist eine Steifigkeit auf, die der der Crashbox aus dem Stand der Technik entspricht. Solche Strukturen können für die Fahrzeugfront, als auch für das Fahrzeugheck verwendet werden.
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2A zeigt einen Längsschnitt durch einen einstellbaren Aufprallabsorber 200, wie er beispielsweise in einen Vorderwagen eines Fahrzeugs installiert sein kann. Der adaptive Aufprallabsorber 200 umfasst ein Deformationselement 210, das hier als ein Rohr ausgebildet ist, sowie ein Gehäuse 220, in dem eine feste Matrize 230 und eine brechbare Matrize 240 angeordnet sind. In 2A ist eine Ruhestellung des Systems 200 dargestellt. Hier ist ein innerhalb des Gehäuses verschiebbarer Ring 250 zwischen der brechbaren Matrize 240 und einer Wand des Gehäuses 220 angeordnet, so dass die brechbare Matrize 240 abgestützt ist. Diese Einstellung des Systems 200 ist die sogenannte „default” Einstellung, also die Stellung des Systems in seiner Ruhelage. Diese Ruhelage herrscht immer dann wenn das System stromlos ist und das Federelement 270 den Ring 250 gegen die Spule 260 gedrückt wird. ... Dabei übt ein mit einem Boden des Rings 250 verbundenes Federelement 270 eine Kraft auf den Ring 250 aus und hält diesen auf Höhe der brechbaren Matrize 240, so dass er diese abstützen kann. Bei einer Kollision des Fahrzeugs wird in der in 2A dargestellten Ruhestellung des Systems bzw. Aufprallabsorbers 200 das Rohr 210 in einer mithilfe eines Pfeils dargestellten Aufprallrichtung 280 entlang seiner mittels einer Punkt-Strich-Linie gekennzeichneten Längserstreckung in die feste Matrize 230 und in die brechbare Matrize 240 geschoben und dabei stark verjüngt. Somit ist der Aufprallabsorber 200 in der anhand der 2A erläuterten Ruhestellung auf eine hohe oder maximale Steifigkeit eingestellt und kann ein hohes Maß an Aufprallenergie absorbieren bzw. abbauen.
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2B zeigt in einer weiteren Längsschnittdarstellung den einstellbaren Aufprallabsorber 200 in einer aktuierten Stellung. Bei der Aktuierung wird der Ring 250 verschoben. In diesem Fall fließt ein Strom in Form eines sehr kurzen Impulses durch die Spule 260 und generiert ein Magnetfeld, mittels dem der verschiebbare Ring 250 von der brechbaren Matrize 240 weg nach unten bewegt wird. Somit stützt der Ring 250 die brechbare Matrize 240 nicht mehr gegen eine Radialkraft des bei einem Aufprall in die Matrize 240 einfahrenden Rohres 210 ab. Kommt es nun zu einer Kollision, dringt das Rohr 210 ebenfalls in die feste Matrize 230 und in die brechbare Matrize 240 ein. Da der Ring 250 die brechbare Matrize 240 nicht abstützt, kann diese infolge der Aufprägung einer Radialkraft durch das Rohr 210 – beispielsweise an vorgesehenen Sollbruchstellen – brechen und ausrücken.
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Entsprechend zeigt 2C wiederum in einer Längsschnittdarstellung den Aufprallabsorber 200 im Kollisionsfall bei weicher Einstellung bzw. niedriger Steifigkeit des Absorbers 200, wie sie anhand der Darstellung in 2B erläutert ist. Hier wurde die brechbare Matrize 240 aufgrund der Radialkraft des sich in das Gehäuse 220 einschiebenden Rohres 210 gebrochen und zum Ausrücken gebracht. Der Verjüngungsgrad des Rohres 210 bei bzw. nach der Kollision ist somit verglichen mit der anhand der 2A skizzierten Grundeinstellung geringer und es wurde entsprechend weniger Aufprallenergie absorbiert.
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Anhand der Darstellungen in den 2A, 2B und 2C ist gut ersichtlich, dass es im Falle hoher Aufprallgeschwindigkeiten und somit hoher Kollisionsenergien vorteilhaft ist, frühzeitig ein hohes Energieabsorptionsniveau zu erreichen, weshalb die höhere Steifigkeit eingestellt sein sollte, wie sie anhand der Darstellung in 2A gezeigt ist. Im Falle geringer Kollisionsenergien ist eine niedrigere Steifigkeit erforderlich, damit die Struktur 200 durch die geringere eingeleitete Kraft verformt werden kann. Dieses Prinzip ist anhand der Darstellungen in den 2B und 2C verdeutlicht. Dadurch ergeben sich Vorteile bei der Insassenbelastung in Form einer in der Intensität geringeren, dafür aber längeren Belastung. Das in den Figuren gezeigte hohe und niedrige Niveau der Steifigkeit wird bei den gezeigten Ausführungsformen mithilfe eines Aktuators eingestellt.
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Das Prinzip des hier vorgestellten Konzepts, einen Aufprallabsorber zu realisieren, dessen mittlerer Teil weicher als der vordere Teil gestaltet werden kann, soll anhand des nachfolgenden Diagramms veranschaulicht werden.
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3 zeigt ein Stufendiagramm zur Darstellung eines möglichen Steifigkeitsverlaufs bei einem Einsatz einer Struktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Darstellung in 3 entspricht der aus 1 mit dem Unterschied eines abweichenden Verlaufs der Graphen 110 und 120, die hier eine einstellbare Steifigkeit einer adaptiven Aufprallstruktur kennzeichnen, die beispielsweise den hinteren Längsträger und die Spritzwand im Fahrzeug ersetzt, also näher zur Fahrgastzelle angeordnet ist als eine anhand der 1 erläuterte Struktur. Auch hier wird anhand des Graphen 120 eine harte Einstellung einer Aufprallstruktur gekennzeichnet. Es zeigt sich, dass die Vorrichtung in der harten Einstellung einen treppenförmig ansteigenden Steifigkeitsverlauf analog zu der mittels des Graphen 100 gekennzeichneten herkömmlichen Fahrzeugfrontstruktur zeigt. In der weichen Einstellung hingegen, die durch den Graphen 110 gekennzeichnet ist, sinkt die Steifigkeit zunächst unter das Niveau der davorliegenden Struktur ab, bevor sie sich anschließend auf das Niveau der harten Einstellung erhöht.
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Eine gemäß dem hier vorgestellten Ansatz zu entwickelnde Struktur ist auf die gemäß der 3 erläuterten Steifigkeitsniveaus einstellbar. Eine derartige Struktur kann die Crashbox und den vorderen Teil der Längsträger ersetzen, allerdings ist der Einsatz der Struktur besonders für einen Einsatz weiter hinten geeignet, also als Teil des mittleren oder hinteren Längsträgers, wie es anhand der Darstellung aus 3 verdeutlicht ist. Die Grundeinstellung der hier vorgestellten Struktur ist beispielsweise die höhere Steifigkeit, die der des (normalen) Längsträgers an der Stelle entspricht. Die zweite Einstellung, die auf die umgeschaltet wird, weist eine geringere Steifigkeit auf. Studien haben ergeben, dass es für den Insasse vorteilhaft ist, wenn bei einem schweren Crash das Fahrzeug am Anfang stärker verzögert wird. Am Anfang des Crashs wird der Insasse zwar nach vorne bewegt, allerdings wird er noch nicht oder kaum vom Gurt gehalten; er ist sozusagen ”frei fliegend” bzw. noch nicht angekoppelt. Während dieser kurzen Zeit kann das Fahrzeug drastisch verzögert werden, ohne dass der Insasse diese schweren Verzögerungen erfährt. In einer zweiten Crashphase, wenn der Insasse angekoppelt ist, d. h. vom Gurt gehalten wird, sollte das Verzögerungsniveau niedriger ausfallen, Beschleunigungsspitzen sollten vermieden werden. In einer dritten Crashphase kann das Verzögerungsniveau gleich gehalten oder eventuell erhöht werden. In dieser Phase wirken sowohl z. B. Gurt als auch Airbag auf den Insassen.
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Anhand der nachfolgenden Figuren sollen beispielhaft Aufbau und Funktionsweise einer Aufprallstruktur gemäß dem hier vorgestellten Ansatz erläutert werden. Dabei sei zum Verständnis der Funktionsweise einer solchen Struktur in Teilen auf die Funktionsweise der adaptiven Crashstruktur aus den 2A bis 2C verwiesen.
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4 zeigt in einer Längsschnittdarstellung einen beispielhaften Aufbau einer adaptiven Crashstruktur 400, wie sie z. B. in einen Vorderwagen eines Fahrzeugs installiert sein kann. Ähnlich dem anhand der 2A, 2B und 2C erläuterten Aufprallabsorber umfasst die Vorrichtung 400 mit einstellbarer Steifigkeit zum Aufnehmen einer Aufprallenergie ein Deformationselement 410 sowie ein Gehäuse 420. Ein Pfeil in der Darstellung kennzeichnet eine Crashrichtung bzw. eine Vorschubrichtung 430, in der das Deformationselement 410 bei einem Aufprall auf das Fahrzeug in das Gehäuse 420 hinein geschoben wird.
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Das Gehäuse 420 ist aus einem ersten Gehäuseteil 440 und einem zweiten Gehäuseteil 445 zusammengesetzt. Der erste Gehäuseteil 440 weist an einem Ende einen trichterförmigen Abschnitt 447 und an einem gegenüberliegenden Ende eine Ausbuchtung auf, die einen Aktuator 450 zum Einstellen einer Steifigkeit der Vorrichtung 400 umfasst Der zweite Gehäuseteil 445 umfasst eine Ausrückmatrize 455 und weist ebenfalls eine Ausbuchtung auf, in der ein Sperrring 460 angeordnet ist, der in der Darstellung in 4 die Ausrückmatrize 455 gegenüber einer Innenwand des ersten Gehäuseteils 440 abstützt. Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 400 ist der Aktuator 450 als eine Spule ausgebildet. In der in 4 gezeigten Stellung der Vorrichtung 400 findet kein Stromfluss durch die Spule statt. Eine zwischen dem Sperring 460 und einer Innenwand des zweiten Gehäuseteils 445 angeordneten Feder hält den Sperrring 460 in einer Position, in der er die Ausrückmatrize 455 abstützt. Ein Doppelpfeil 465 kennzeichnet einen Innendurchmesser D_Geh des ersten Gehäuseteils, und ein weiterer Doppelpfeil 470 kennzeichnet einen durch die Position der Ausrückmatrize in der Darstellung in 4 hergestellten Innendurchmesser bzw. Austrittsdurchmesser D_A des zweiten Gehäuseteils 445. Aus der Darstellung in 4 ist ersichtlich, dass gilt: D_A < D_Geh.
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Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 400 ist das Deformationselement 410 in Form eines Rohres ausgebildet und weist einen ersten Abschnitt 480 und einen zweiten Abschnitt 485 auf. Ein verjüngter Frontbereich 487 des ersten Abschnitts 485 ist in die feste Verjüngung bzw. den trichterförmigen Abschnitt 447 des ersten Gehäuseteils 440 eingesetzt. Ein Doppelpfeil 490 kennzeichnet einen maximalen Durchmesser D_Rohr2 des ersten Abschnitts 480, und ein Doppelpfeil 492 kennzeichnet einen maximalen Durchmesser D_Rohr1 des zweiten Abschnitts. Aus der Darstellung in 4 ist ersichtlich, dass gilt: D_Rohr1 < D_Rohr2. In der Darstellung in 4 entspricht eine durch einen Doppelpfeil 494 gekennzeichnete Länge L1 eines Bereichs des ersten Abschnitts 480 mit dem Durchmesser D_Rohr2 einer durch einen Doppelpfeil 496 gekennzeichneten Länge L2 des ersten Gehäuseteils 440.
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In der Darstellung in 4 ist die Ruhestellung des Aktuators 450 dargestellt, d. h., die hohe Steifigkeit der Vorrichtung 400 ist eingestellt. Die Abstützung des Rohrs 410 an der festen Verjüngung 447 ist konstruktiv so ausgelegt, dass an dieser Stelle keine Veijüngung stattfindet, solange nicht alle vor der Vorrichtung 400 liegenden (und in 4 nicht gezeigten) Crashbauteile kollabiert sind. Ist dieses Stadium im Crashgeschehen erreicht, wird das Rohr 410 in die in der ersten Gehäusehälfte 440 platzierte Verjüngung 447 gedrückt. Betrachtet man hierzu das Diagramm in 3, befindet sich die Vorrichtung 400 nun auf dem Steifigkeitsniveau des ersten Längsträgers. Der Umformgrad der stattfindenden Verjüngung ist also: V1 = In(D_Rohr2/D_Geh) (Formel 1)
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Dabei gilt: D_Geh = Durchmesser erster Gehäuseteil 440
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Dieser hier beschriebene Vorgang der Verjüngung während einer ersten Phase einer Kollision läuft bis zu einem anhand der nachfolgenden 5A gezeigten Stadium.
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5A zeigt einen Schnitt durch die adaptive Crashstruktur 400 aus 4 nach einer Phase eins einer Kollision, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In der Darstellung gezeigten Position der Vorrichtung 400 ist der erste Abschnitt 480 des Deformationselements 410 in der in 4 gekennzeichneten Vorschubrichtung bis zur Ausrückmatrize 455 in das Gehäuse 420 eingedrungen und wurde durch die feste Verjüngung 447 deformiert bzw. verjüngt. Um einen möglichst homogenen Kraftübergang zu erhalten, sind die in 4 gezeigten Längen L1 und L2 gleich. Alternativ und bei einem in den Figuren nicht gezeigten Ausführungsbeispiel können die Längen L1 und L2 auch variiert werden, z. B., um ein bestimmtes Kraftprofil zu generieren.
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In der anhand der Darstellung in 5A gezeigten Stellung der Vorrichtung 400 wird spätestens die Entscheidung getroffen, ob die Steifigkeit der Vorrichtung 400 herabgesetzt werden soll oder nicht.
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5B zeigt einen Schnitt durch die adaptive Crashstruktur 400 aus 4 nach einer auf die in 5A gezeigte Phase eins folgenden Phase zwei der Kollision. In der Darstellung in 5B ist die Vorrichtung 400 basierend auf der in Phase eins getroffenen Entscheidung auf die hohe Steifigkeit eingestellt, d. h., die Steifigkeit der Vorrichtung 400, wie sie in der in 4 gezeigten Ruhestellung eingestellt ist, wird nicht herabgesetzt. Der Aktuator 450 ist weiterhin in Ruhestellung, so dass der Sperrring 460 in der Position verbleibt, in der er die Ausrückmatrize 455 gegenüber einer Radialkraft des eindringenden Deformationselements 410 abstützt. Somit findet hier eine doppelte Verjüngung des Deformationselements 410 statt, indem der erste Abschnitt 480 durch die Ausrückmatrize 455 nochmals verjüngt wird und der zweite Abschnitt 485 in die feste Verjüngung 447 geschoben wird und somit ebenfalls verjüngt wird.
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Gemäß den für das Ausführungsbeispiel verwendeten Abmessungen gilt entsprechend: Verjüngung 1: V2_1 = In(D_Rohr1/D_Geh) (Formel 2), wobei D Rohr1 < D Rohr2 und somit V2_1 < V1. Und: Verjüngung 2: V2_2 = In(D_Geh/D_A) (Formel 3)
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Dabei gilt: D_A = Austrittsdurchmesser
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Je nach Auslegung des Durchmessers DA kann das Kraftniveau in der Phase zwei entweder gleich gelassen werden wie das durch die Verjüngung V oder sogar erhöht werden.
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5C zeigt einen Schnitt durch die adaptive Crashstruktur 400 aus 4 ebenfalls nach der auf die in 5A gezeigte Phase eins folgenden Phase zwei der Kollision. In der Darstellung in 5B ist die Vorrichtung 400 basierend auf der in Phase eins getroffenen Entscheidung auf die niedrige Steifigkeit eingestellt, d. h., die Steifigkeit der Vorrichtung 400, wie sie in der in 4 gezeigten Ruhestellung eingestellt ist, wird herabgesetzt. In der in 5C gezeigten Darstellung wurde die Steifigkeit durch den Aktuator 450 herabgesetzt, und die Ausrückmatrize 455, die gemäß dem in 5C gezeigten Ausführungsbeispiel als eine brechbare Matrize ausgebildet ist, wirkt nicht auf das Rohr 410, im Gegensatz zu der Darstellung aus 5B. D. h., der erste Abschnitt des Deformationselements 410 bewegt sich ohne weitere Verjüngung aus dem Gehäuse 420 heraus, und lediglich der zweite Abschnitt des Deformationselements 410 wird durch die feste Verjüngung 447 deformiert.
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Somit gilt: Verjüngung V2' = V2_1 = In(D_Rohr1/D_Geh) (Formel 4 = Formel 2)
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Da D_Rohr1 < D_Rohr2, ist V2' < V1. Das Kraftniveau ist somit geringer.
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Die Unterscheidung, welches Kraftniveau eingestellt wird, wird in Abhängigkeit des vorliegenden Crashs getroffen. Eine solche stellt z. B. die Unterscheidung zwischen einem Frontalcrash (US-NCAP) und einem Offset-Crash (Euro-NCAP) dar. Dies kann durch vorausschauende Sensoren, z. B. Radar, LIDAR, Video, etc., oder durch kostengünstige Crashsensoren, z. B. Beschleunigungs- oder Drucksensoren, bestimmt werden. Aufgrund der kurzen Reaktionszeit und der kostengünstigen Realisierung sind ausgelagerte Crashsensoren in der Fahrzeugfront von großem Vorteil.
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Eine gemäß dem hier vorgestellten Konzept hergestellte adaptive Crashstruktur ist z. B. an der Fahrzeugkarosserie befestigt und ist damit durch eine detaillierte Sichtkontrolle bzw. Demontage der adaptiven Crashstruktur nachweisbar.
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6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Ablaufdiagramms eines Verfahrens 600 zum Einstellen einer Steifigkeit einer Vorrichtung, wie sie beispielsweise anhand des Ausführungsbeispiels aus 4 bis 5C beschrieben ist. In einem ersten Schritt 610 wird eine Information über die Aufprallenergie empfangen, LB. in Form eines Aufprallschweresignals, das beispielsweise von einem Beschleunigungssensor eines Fahrzeugs, in den die oben genannte Vorrichtung installiert ist, bereitgestellt wird. In einem nachfolgenden Schritt 620 wird z. B. mittels eines geeigneten Algorithmus die erfasste Aufprallenergie mit einem hinterlegten Schwellwert verglichen, um festzustellen, ob die Aufprallenergie den Schwellwert unterschreitet oder nicht. Ergibt der Vergleich in Schritt 620, dass die Aufprallenergie den Schwellwert unterschreitet, fährt das Verfahren mit einem Schritt 630 fort, in dem ein Aktivierungssignal zum Freigeben der Ausrückmatrize für eine Bewegung in die zweite Position bereitgestellt wird, um die Steifigkeit der Vorrichtung auf ein geringeres Niveau einzustellen. Ergibt hingegen der Vergleich in Schritt 620, dass die ermittelte Aufprallenergie den Schwellwert nicht unterschreitet, fährt das Verfahren mit einem Schritt 640 fort, in dem ein Bereitstellen des Aktivierungssignals zum Freigeben der Ausrückmatrize unterdrückt wird, so dass die Ausrückmatrize weiterhin in der ersten Position, in der sie eine Verjüngung des Deformationselements bewirkt, verbleibt. Entsprechend bleibt die Vorrichtung auf die hohe Steifigkeit eingestellt.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder” Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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