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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 solchen Vorrichtung, die beispielsweise in einem Fahrzeug eingesetzt werden kann.
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Zum Schutz von Fahrzeuginsassen bei Kollisionen kommen immer häufiger adaptive Crashstrukturen bzw. Aufprallstrukturen zum Einsatz. Eine entsprechende 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.
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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.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung mit einstellbarer Steifigkeit sowie ein Verfahren zum Einstellen der Steifigkeit einer solchen Vorrichtung gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Eine adaptive Crashstruktur kann auf Basis eines Verjüngungsabsorbers arbeiten. Durch eine Zu- und Abschaltung von Matrizenplatten kann der Verjüngungsdurchmesser variiert und somit die Steifigkeit der Crashstruktur angepasst werden. Alternativ kann ein Verjüngungsabsorber auch so realisiert sein, dass z. B. durch eine Verschiebung eines Halteelements wie eines Ringes eine ausrückbar ausgelegte Matrize durch eine Aufprallkraft auf das Fahrzeug ausgerückt werden kann, um so von der hohen auf die niedrige Steifigkeit umzuschalten.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass durch eine Verwendung eines Bolzens mit Sollbruchstellen anstelle eines verschiebbaren Rings zur Abstützung einer ausrückbaren Matrize in einer crashadaptiven Struktur eine Bauraum- und Gewichtsreduzierung erreicht werden kann. So lässt sich beispielsweise ein Einsatz kostengünstigerer Schaltelemente für eine Einstellung einer Steifigkeit einer derartigen Struktur ermöglichen.
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Gemäß dem hier vorgestellten Ansatz erfolgt eine Bereitstellung einer Abstützung einer Matrize, durch welche beispielsweise ein Rohr verjüngt wird, um Kollisionsenergie zu absorbieren. Die Abstützung ist dabei derart ausgestaltet, dass in einem Schaltzustand die Matrize abgestützt und in einem zweiten Schaltzustand die Matrize nicht abgestützt wird. Die hier vorgestellte Form der Abstützung bietet gegenüber dem Bekannten den Vorteil, dass das Schaltelement einen kürzeren Weg zum Umschalten zwischen den unterschiedlichen Schaltpositionen benötigt, bei dieser Implementierung des Schaltelementes Platz einspart werden kann und das Schaltelement leichter ist sowie durch eine Einsparung an benötigter Aktuierungsenergie Kosten bei den elektrischen und elektronischen Bauteilen eingespart werden können. Weiterhin ist von Vorteil, dass das Schaltelement ständig und großflächig geführt werden kann, was für eine reversible Ausführung der hier vorgestellten Struktur von Bedeutung ist.
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung mit einstellbarer Steifigkeit zum Aufnehmen einer Aufprallenergie, wobei die Vorrichtung ein Gehäuse zum Aufnehmen und Deformieren eines Deformationselements aufweist, wenn das Deformationselement in einer durch die Aufprallenergie bedingten Vorschubrichtung bewegt wird und wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist:
eine in dem Gehäuse angeordnete ausrückbare Matrize zum Aufnehmen und Deformieren des Deformationselements;
einen in dem Gehäuse angeordneten Bolzen mit einer Sollbruchstelle, der ausgebildet ist, um in einer ersten Position die ausrückbare Matrize gegenüber einer in einer Querrichtung zu der Vorschubrichtung wirkenden Radialkraft des Deformationselements abzustützen und in einer zweiten Position durch die Matrize an der Sollbruchstelle gebrochen zu werden, um ein Ausrücken der ausrückbaren Matrize freizugeben; und
einen Aktuator zum Bewegen des Bolzens aus der ersten Position in die zweite Position oder aus der zweiten Position in die erste Position, 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 der durch eine Kollision des Fahrzeugs z. B. mit einem weiteren Fahrzeug oder einem stationären Objekt hervorgerufenen und auf das Fahrzeug und seine Insassen wirkenden Aufprallenergie eingesetzt werden. Die Vorrichtung kann in einem Frontbereich und/oder in einem Heck des Fahrzeugs angeordnet sein.
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Das Gehäuse kann z. B. in einer Grundposition der Vorrichtung einen in der Vorschubrichtung vorderen Endbereich des Deformationselements zumindest teilweise umfassen. Das Gehäuse kann beispielsweise aus zwei Gehäusehälften zusammengesetzt sein, wobei die eine Gehäusehälfte eine Öffnung zum Aufnehmen des Deformationselements in das Gehäuse und die andere Gehäusehälfte eine der Öffnung gegenüberliegende weitere Öffnung für einen Austritt des Deformationselements aus dem Gehäuse aufweisen kann. Das Gehäuse kann das Deformationselement oder Teile desselben bei der Bewegung des Deformationselements durch das Gehäuse vollumfänglich umschließen. Für die Unterbringung der ausrückbaren Matrize und des Aktuators im Inneren des Gehäuses kann das Gehäuse eine Auswölbung aufweisen.
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Das Deformationselement kann als ein längliches Bauteil in Form eines z. B. runden oder eckigen Rohres ausgebildet sein. Ansprechend auf die Kollision kann das Deformationselement in der Vorschubrichtung entlang seiner Längsachse durch das Gehäuse bewegt und dabei durch die ausrückbare Matrize aufgenommen und deformiert werden, um die Aufprallenergie zu absorbieren. Die Deformation des Deformationselements kann in Form einer Verjüngung, also in einer Reduzierung eines Querschnitts, des Deformationselements durch die ausrückbare Matrize vonstattengehen.
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Die ausrückbare Matrize kann einstückig in Form eines runden oder eckigen Rahmens ausgebildet sein, dessen lichtes Innenmaß zumindest teilweise geringer als ein Querschnitt des Deformationselements vor Eintritt in einen Deformationsabschnitt der ausrückbare Matrize ist. Die ausrückbare Matrize kann einstückig gebildet sein oder aus mehreren nicht miteinander oder über Sollbruchstellen verbundenen Einzelteilen bestehen. Die Innenseite bzw. die Innenseiten der ausrückbaren Matrize können beispielsweise schräg verlaufen, so dass die ausrückbare Matrize eine Art Trichter bildet, der zu der Verjüngung des Deformationselements führt, während sich dieses aufgrund der Kollision an der Innenseite der ausrückbaren Matrize entlang bewegt. Die ausrückbare Matrize kann so in dem Gehäuse angeordnet sein, dass eine Außenwand der ausrückbaren Matrize von einer Innenwand des Gehäuses beabstandet ist. Die ausrückbare Matrize kann in ihrer Position verändert werden. Insbesondere kann die ausrückbare Matrize bei fehlender Abstützung durch den Bolzen durch die Radialkraft des eindringenden Deformationselements von dem Deformationselement weggedrückt, also zu der Innenwand des Gehäuses hingedrückt und gebrochen werden und somit keine Verjüngung des Deformationselements bewirken. Eine solche Bewegung der Matrize, die im Wesentlichen quer zur Vorschubrichtung erfolgt, wird in der vorliegenden Beschreibung als „Ausrücken” der Matrize bezeichnet, so dass auch unter einer ausrückbaren Matrize eine Matrize verstanden wird, bei der sich zumindest Teile von dieser Matrize, zumindest in einem Zustand, in eine Richtung im wesentlichen quer zur Vorschubrichtung bewegen lassen. Die Brechbarkeit der Matrize kann dadurch realisiert werden, dass die Ausrückmatrize z. B. eine oder mehrere Sollbruchstellen aufweist, an denen ein Bruch der Ausrückmatrize erfolgt, wenn ein sich in Vorschubrichtung bewegendes Deformationselement ein Ausrücken der Matrize verursacht.
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Der Bolzen kann als ein solider Stift aus einem Material gebildet sein, das eine ausreichende Festigkeit aufweist, um die ausrückbare Matrize so gegenüber der Radialkraft des sich entlang der Innenseite(n) der ausrückbaren Matrize bewegenden Deformationselements abzustützen, dass das Deformationselement durch die ausrückbare Matrize verjüngt werden kann. Dazu kann der Bolzen in einem Bereich der Außenwand der ausrückbaren Matrize angeordnet sein. Der Bolzen kann benachbart zu dem Aktuator in dem Gehäuse angeordnet sein und an einem Ende quer zu seiner Längserstreckung eine Platte zum Aufnehmen einer Aktivierungsenergie des Aktuators aufweisen. Die Sollbruchstelle kann so ausgebildet sein, dass der Bolzen an dieser Stelle durch die als Scherkraft auf den Bolzen wirkende Radialkraft des eindringenden Deformationselements brechbar ist. Der Bolzen kann in der ersten Position so in dem Gehäuse angeordnet sein, dass die Sollbruchstelle sich außerhalb eines Wirkungsfeldes, d. h. beispielsweise einem Bereich neben einer Oberfläche der Matrize, der auf die ausrückbare Matrize ausgeübten Radialkraft befindet. Entsprechend kann der Bolzen in der zweiten Position so gegenüber der ausrückbaren Matrize angeordnet sein, dass ein Maximum der Radialkraft von der ausrückbaren Matrize auf die Sollbruchstelle übertragen wird und so der Bolzen brechen kann. Entsprechend kann die Vorrichtung in der ersten Position eine hohe Steifigkeit bzw. eine harte Einstellung aufweisen, die einen hohen Aufprallenergieabsorptionsgrad repräsentiert, und in der zweiten Position eine niedrige Steifigkeit bzw. eine weiche Einstellung aufweisen, die einen niedrigen Aufprallenergieabsorptionsgrad repräsentiert. Abhängig von einer Funktionalität der Vorrichtung kann sich diese in der ersten oder in der zweiten Position in einer Grundeinstellung befinden.
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Der Aktuator kann z. B. eine elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch betriebene Schalteinrichtung sein, in der entsprechend ihrer Funktionalität ansprechend auf ein Signal eines Steuergeräts der Vorrichtung ein Impuls zum Bewegen des Bolzens zwischen der ersten und der zweiten Position (oder umgekehrt) erzeugt wird, um die Steifigkeit der Vorrichtung einzustellen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Bolzen entlang der Vorschubrichtung und in die ausrückbare Matrize eingreifend und/oder mit einem Ende in eine in der Vorschubrichtung der ausrückbaren Matrize nachgelagerten Außenwand des Gehäuses eingreifend in dem Gehäuse angeordnet sein. Beispielsweise kann der Bolzen in einer Einkerbung in der Außenwand der ausrückbaren Matrize angeordnet sein oder die ausrückbare Matrize durchstoßen. Zum Einstellen der Steifigkeit der Vorrichtung kann der Bolzen entsprechend der Funktionalität der Vorrichtung in oder gegen die Vorschubrichtung bewegt werden. Vorteilhafterweise kann so die Abstützung der ausrückbaren Matrize auf eine sehr platzsparende Weise ermöglicht werden. Ferner ist mit dieser Ausführungsform eine optimale Führung für den Bolzen gegeben.
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Die Vorrichtung kann so ausgeführt sein, dass in der zweiten Position des Bolzens die Sollbruchstelle auf einer Ebene mit einer Grenzfläche der ausrückbaren Matrize liegt. Eine derartige Stellung des Bolzens kann als Ausrückposition für die ausrückbare Matrize verstanden werden, da hier die Scherkraft optimal auf den Bolzen wirken kann, so dass dieser brechen und die ausrückbare Matrize nicht mehr gegen die Radialkraft des Deformationselements abstützen kann. Beispielsweise kann in dieser Ausrückposition die Sollbruchstelle mit der in der Vorschubrichtung erstgelagerten Grenzfläche oder mit der in der Vorschubrichtung nachgelagerten Grenzfläche auf einer Ebene liegen. Vorteilhafterweise kann so bereits über einen sehr kurzen Bewegungsweg des Bolzens die Steifigkeit der Vorrichtung hinauf bzw. herunter gesetzt werden. Auf diese Weise sind Kosteneinsparungen realisierbar, da aufgrund des kurzen Bewegungswegs beispielsweise einer Aktuatorik mehr Zeit zum Schalten zur Verfügung steht und ein kostengünstigerer Aktuator eingesetzt werden kann.
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Beispielsweise kann der Bolzen eine weitere Sollbruchstelle aufweisen. Dabei kann ein Abstand zwischen der Sollbruchstelle und der weiteren Sollbruchstelle einer Höhe der ausrückbaren Matrize in der Vorschubrichtung entsprechen. So kann in der zweiten Position des Bolzens je eine Sollbruchstelle auf einer Höhe mit den gegenüberliegenden Grenzflächen der ausrückbaren Matrize liegen. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Radialkraft des Deformationselements noch leichter ein Ausrücken der ausrückbaren Matrize ermöglicht, da der Bolzen hier schneller flächig durch die ausrückbare Matrize gebrochen werden kann.
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Die Vorrichtung kann ferner eine feste Matrize zum Aufnehmen und Deformieren des Deformationselements aufweisen. Die nicht-ausrückbare Matrize kann der ausrückbaren Matrize in der Vorschubrichtung vorgelagert und/oder den Bolzen umgreifend in dem Gehäuse angeordnet sein. Die nicht-ausrückbare Matrize kann mit einer Außenwand an der Innenwand des Gehäuses anliegend in dem Gehäuse angeordnet sein. Ferner kann die nicht-ausrückbare Matrize durch den Aufprall unzerstörbar, also aus einem robusteren Material als das Deformationselement gebildet sein, so dass der sich bei dem Aufprall in das Gehäuse bewegende Abschnitt des Deformationselements beim Eindringen in diese Matrize verjüngt werden kann. Somit ist eine robuste Fixierung auch für einen in der Vorschubrichtung vorderen Bereich des Bolzens gegeben. Dies bringt die Vorteile mit sich, dass zum einen eine gute Führung des Bolzens ermöglicht werden kann und zum anderen die Radialkraft des eindringenden Deformationselements optimal auf den zu brechenden Abschnitt des Bolzens wirken kann.
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Gemäß einer Ausführungsform kann ein Bolzenende in der nicht-ausrückbaren Matrize angeordnet sein. Beispielsweise kann das weitere Ende vollständig von einem Material der festen Matrize umgeben sein. Vorteilhafterweise kann so der Bolzen relativ kurz ausgeführt sein. Ein kurzer Bolzen weist den Vorteil einer hohen Biegefestigkeit auf. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil einer sehr stabilen Halterung des Bolzens.
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Alternativ kann ein Bolzenende in einer in der Vorschubrichtung der ausrückbaren Matrize vorgelagerten weiteren Außenwand des Gehäuses angeordnet sein. So kann vorteilhafterweise die Führung und seitliche Abstützung des Bolzens noch weitergehend verbessert und eine Verkantung des Bolzens in der festen Matrize vermieden werden.
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Beispielsweise kann die Sollbruchstelle und zusätzlich oder alternativ die weitere Sollbruchstelle als eine Kerbe ausgeführt sein. Die Kerbe kann beispielsweise in Richtung des Deformationselements in dem Bolzen angeordnet sein. Mit dieser Ausführungsform ist eine besonders einfach zu realisierende Möglichkeit für ein positionsgenaues Brechen des Bolzens gegeben.
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Alternativ können die Sollbruchstelle und/oder die weitere Sollbruchstelle als Bereiche des Bolzens ausgebildet sein, die eine geringere Materialstärke als ein restlicher Bereich des Bolzens aufweisen. Beispielsweise kann der Bolzen aus Kunststoff gebildet sein, wobei der restliche Bereich mit Hilfe von z. B. Metall-Inlays verstärkt werden kann. Entsprechend kann der so verstärkte Bereich einer Scherbelastung durch das einfahrende Deformationselement standhalten, während die lediglich den Kunststoff aufweisenden Bereiche der Scherbelastung nachgeben und brechen können. Auch diese Ausführungsform ist einfach umzusetzen und ermöglicht ein positionsgenaues Brechen des Bolzens an den dafür vorgesehenen Stellen.
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Ferner kann die Vorrichtung mindestens einen von dem Bolzen in dem Gehäuse beabstandet angeordneten weiteren Bolzen mit einer Sollbruchstelle aufweisen, der ausgebildet ist, um in einer der ersten Position entsprechenden dritten Position die ausrückbare Matrize gegenüber einer in einer Querrichtung zu der Vorschubrichtung wirkenden Radialkraft des Deformationselements abzustützen und in einer der zweiten Position entsprechenden vierten Position durch die Matrize an der Sollbruchstelle gebrochen zu werden, um ein Ausrücken der ausrückbaren Matrize freizugeben. Beispielsweise kann die Vorrichtung drei oder mehr Bolzen aufweisen, die gleichmäßig voneinander beabstandet z. B. zwischen je zwei Segmenten der ausrückbaren Matrize angeordnet sein können. So kann vorteilhafterweise die ausrückbare Matrize über ihren Umfang gleichmäßig durch das eindringende Deformationselement ausgerückt werden, wodurch das Einstellen der Steifigkeit der Vorrichtung besonders reibungslos vonstattengehen kann. Zudem kann mittels einer so bereitgestellten Redundanz eine Wahrscheinlichkeit einer Fehlauslösung der Vorrichtung vorteilhaft reduziert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Vorrichtung eine dem Bolzen in der Vorschubrichtung nachgelagerte Rückstellfeder zum Rückstellen des Bolzens in die erste oder zweite Position aufweisen. Die Rückstellfeder kann beispielsweise in einer Ausnehmung der der ausrückbaren Matrize (beispielsweise in Vorschubrichtung oder quer zur Vorschubrichtung) nachgelagerten Außenwand des Gehäuses angeordnet sein. Durch diese Ausführungsform kann die Vorrichtung reversibel ausgelegt werden, indem im Falle z. B. einer fehlerhaften Aktuierung des Bolzens dieser in die Ausgangsstellung in der ersten Position rückgesetzt werden kann.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Einstellen einer Steifigkeit einer Vorrichtung gemäß einer der im Vorhergehenden erläuterten Ausführungsformen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Empfangen eines Signals mit einer Information über die Aufprallenergie; Vergleichen eines Wertes des Signals mit einem Schwellwert oder einer Kennlinie oder einem Kennfeld; und
Bereitstellen eines Aktivierungssignals an den Aktuator zum Bewegen des Bolzens aus der ersten Position in die zweite Position oder aus der zweiten Position in die erste Position, um die Steifigkeit der Vorrichtung auf ein geringeres oder höheres Niveau einzustellen, wenn der Schritt des Vergleichens ergibt, dass der Wert ein vorbestimmtes Verhältnis zu dem Schwellwert oder der Kennlinie oder dem Kennfeld; aufweist.
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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 umfassen 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 das Signal betreffend der Information über die Aufprallenergie von einem Sensor, z. B. einem Beschleunigungssensor, des Fahrzeugs empfangen, der eine Beschleunigung misst und hieraus einen Rückschluss auf die Schwere, Position und Richtung eines sich ereignenden Aufpralls auf das Fahrzeug ermöglicht. Der Schritt des Vergleichens eines Wertes des Signals mit dem Schwellwert, der Kennlinie oder dem Kennfeld; kann in dem Steuergerät mittels eines geeigneten Algorithmus durchgeführt werden. Bei einem Unterschreiten bzw. Überschreiten des Wertes über bzw. unter den Schwellwert kann das Aktivierungssignal z. B. über einen Fahrzeugbus von dem Steuergerät an den Aktuator bereitgestellt werden. Entsprechend kann der Aktuator den Bolzen z. B. in oder entgegen der Vorschubrichtung zwischen der ersten und der zweiten Position bewegen, um die Steifigkeit der Vorrichtung auf das der Schwere des Aufpralls entsprechende Niveau einzustellen. Ergibt hingegen der Schritt des Vergleichens, dass die in einer Grundeinstellung der Vorrichtung eingestellte Steifigkeit der Vorrichtung geeignet zum Aufnehmen der erfassten Aufprallenergie ist, so kann eine Bereitstellung des Aktivierungssignals unterdrückt werden, so dass der Bolzen nicht aus seiner Position in der Grundeinstellung der Vorrichtung heraus bewegt wird. Die Grundstellung kann dabei entweder die Stellung des Bolzens sein, in der die Vorrichtung eine maximale Steifigkeit oder eine minimale Steifigkeit aufweist.
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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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1A ein Schnittbild einer adaptiven Crashstruktur in Ruhestellung;
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1B ein Schnittbild der adaptiven Crashstruktur aus 1A in aktuierter Stellung;
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1C ein Schnittbild der adaptiven Crashstruktur aus 1A im Kollisionsfall mit weicher Einstellung;
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2A einen Schnitt durch eine adaptive Crashstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2B einen Schnitt durch eine adaptive Crashstruktur gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine Draufsicht auf eine ausrückbare Matrize mit einem Bolzen zur Abstützung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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5 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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Eine adaptive Crashstruktur kann auf unterschiedlichen Prinzipien basieren. So ist beispielsweise eine adaptive Energieaufnahme einer Crashstruktur durch das Entfernen von Versteifungsrippen durch Schneidearbeit oder eine adaptive Energieaufnahme einer Crashstruktur durch Verjüngung umsetzbar. Zum Einstellen der Steifigkeit können eine schnelle und genaue Aktuatorik für eine in der Steifigkeit veränderbare Crashstruktur, eine adaptive Crashbox mit integriertem Drucksensor, 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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Anhand der 1A, 1B und 1C wird eine Funktionsweise einer adaptiven Crashstruktur bzw. Aufprallstruktur zum Schutz von Fahrzeuginsassen bei Kollisionen erläutert. Diese Strukturen sind konzipiert, um Teile bestehender Strukturen 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 entspricht.
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1A zeigt einen Längsschnitt durch einen einstellbaren Aufprallabsorber 100. Der adaptive Aufprallabsorber 100 umfasst ein Deformationselement 110, das hier als ein Rohr ausgebildet ist, sowie ein Gehäuse 120, in dem eine feste Matrize 130 und eine brechbare Matrize 140 angeordnet sind. In 1A ist eine Ruhestellung des Systems 100 dargestellt. Hier ist ein innerhalb des Gehäuses verschiebbarer Ring 150 zwischen der brechbaren Matrize 140 und einer Wand des Gehäuses 120 angeordnet, so dass die brechbare Matrize 140 abgestützt ist. Diese Einstellung des Systems 100 wird hergestellt, indem eine stromdurchflossene Spule 260 und ein mit einem Boden des Rings 250 verbundenes Federelement 270 so zusammenwirken, dass der Ring 250 so auf Höhe der brechbaren Matrize 240 gehalten wird, dass er diese abstützen kann. Bei einer Kollision des Fahrzeugs wird in der in 1A dargestellten Grundeinstellung des Aufprallabsorbers 100 das Rohr 110 in einer mithilfe eines Pfeils dargestellten Aufprallrichtung 180 entlang seiner mittels einer Punkt-Strich-Linie gekennzeichneten Längserstreckung in die feste Matrize 130 und in die brechbare 140 Matrize geschoben und dabei stark verjüngt. Somit ist der Aufprallabsorber 100 in der anhand der 1A erläuterten Ruhestellung auf eine hohe oder maximale Steifigkeit eingestellt und kann ein hohes Maß an Aufprallenergie absorbieren bzw. abbauen.
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1B zeigt in einer weiteren Längsschnittdarstellung den einstellbaren Aufprallabsorber 100 in einer aktuierten Stellung. Bei der Aktuierung wird der Ring 150 verschoben. Hier ist ein Stromfluss durch die Spule 260 entsprechend ihrer Funktionalität unterbrochen oder freigeschaltet, und der verschiebbare Ring 250 wird von der brechbaren Matrize 240 weg nach unten bewegt und stützt die brechbare Matrize 240 somit 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 110 ebenfalls in die feste Matrize 130 und in die brechbare 140 Matrize ein. Da der Ring 150 die brechbare Matrize nicht abstützt, kann diese infolge der Aufprägung einer Radialkraft durch das Rohr 110 – beispielsweise an vorgesehenen Sollbruchstellen – brechen und ausrücken.
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Entsprechend zeigt 1C wiederum in einer Längsschnittdarstellung den Aufprallabsorber 100 im Kollisionsfall bei weicher Einstellung bzw. niedriger Steifigkeit des Absorbers 100, wie sie anhand der Darstellung in 2B erläutert ist. Hier wurde die brechbare Matrize 140 aufgrund der Radialkraft des sich in das Gehäuse 120 einschiebenden Rohres 110 gebrochen und zum Ausrücken gebracht. Der Verjüngungsgrad des Rohres 110 bei bzw. nach der Kollision ist somit verglichen mit der anhand der 1A skizzierten Grundeinstellung geringer und es wurde entsprechend weniger Aufprallenergie absorbiert.
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Anhand der Darstellungen in den 1A, 1B und 1C 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 1A gezeigt ist. Im Falle geringer Kollisionsenergien ist eine niedrigere Steifigkeit erforderlich, damit die Struktur 100 durch die geringere eingeleitete Kraft verformt werden kann. Dieses Prinzip ist anhand der Darstellungen in den 1B und 1C 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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Im Folgenden wird für den Ring als Element, welches sowohl verschoben wird als auch die Abstützung der brechbaren Matrize darstellt, eine Alternative in Form eines Bolzens mit einer oder einer Mehrzahl von, insbesondere zwei Sollbruchstellen vorgestellt. Anhand der nachfolgenden Figuren wird das hierin vorgeschlagene Prinzip der Abstützung von Verjüngungsmatrizen einer Crashstruktur mittels eines aktuierten Bolzens vorgestellt.
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2 zeigt in einer Längsschnittdarstellung einen Ausschnitt aus einer Vorrichtung 200 mit einstellbarer Steifigkeit zum Aufnehmen einer Aufprallenergie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 200 ist als eine adaptive Crashstruktur realisiert. Der Grundaufbau der Vorrichtung 200 entspricht dem Aufbau des anhand der 1A, 1B und 1C erläuterten Aufprallabsorbers und umfasst ein Deformationselement sowie ein Gehäuse, wobei das Deformationselement in der Darstellung in 2 nicht gezeigt ist.
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Im Vergleich mit den Abbildungen aus den 1A, 1B und 1C werden durch die in 2 gezeigte Schnittdarstellung der Bolzenabstützung die Unterschiede der Ausführung deutlich. Gemäß der hier vorgestellten Erfindung stützt die brechbare Matrize sich nicht mehr über einen Ring an der Außenseite des Gehäuses ab, sondern wird von einem Bolzen durchdrungen, der sich in Radialrichtung zum einen in der festen Matrize, zum anderen im Gehäuse abstützt. Die feste Matrize stützt die Radialkräfte wiederum an der Außenseite des Gehäuses ab.
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In 2A ist eine Hälfte des Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 200 abgebildet, analog zu einer links von einer als Punkt-Strich-Linie gekennzeichneten Mittelachse in den 1A, 1B und 1C dargestellten Hälfte der Vorrichtung 100. In 2A nicht gezeigt ist eine rechts von der Punkt-Strich-Linie in der Darstellung angeordnete rechte Hälfte des Schnitts durch die Vorrichtung 200, die im Wesentlichen identisch spiegelbildlich zu der gezeigten linken Hälfte aufgebaut ist.
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Gezeigt sind ein aus zwei Hälften zusammengesetztes Gehäuse 210, eine brechbare bzw. ausrückbare Matrize 220, eine feste Matrize 230, ein Bolzen 240, ein Aktuator 250 sowie eine Rückstellfeder 260. Ein Pfeil kennzeichnet eine quer zur Fahrzeugfront verlaufende Vorschubrichtung 270. Die beiden Gehäusehälften bilden zusammen eine Ausbuchtung, in der die ausrückbare Matrize 220, die feste Matrize 230, der Bolzen 240, der Aktuator 250 und die Rückstellfeder 260 angeordnet sind.
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Der Bolzen 240 ist mit seiner Längserstreckung in der Vorschubrichtung 270 in dem Gehäuse 210 angeordnet. Der Bolzen durchgreift die ausrückbare Matrize 220 (d. h. ist durch eine Öffnung der Matrize 220 geführt) und ist mit einem Kopfende in der festen, d. h. nicht-ausrückbaren Matrize 230 und mit einem Fußende in einer Wand des Gehäuses 210 angeordnet. Das Kopfende des Bolzens weist eine waagerechte Platte auf, die an den Aktuator 250 angrenzt, der hier als eine stromdurchflossene Spule ausgebildet ist. Bei dem in 2A gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Bolzen mit zwei Sollbruchstellen 280 ausgeführt, die hier als jeweils zu dem Deformationselement hin ausgerichtete Kerben ausgebildet sind. Ein Abstand zwischen den Sollbruchstellen 280 entspricht einer Höhe bzw. Dicke der ausrückbaren Matrize 220. Andere in den Figuren nicht gezeigte Ausführungsbeispiele der Vorrichtung 200 können lediglich eine Sollbruchstelle 280 aufweisen, wobei diese sich an der Position der in der Darstellung oben gezeigten Sollbruchstelle oder der in der Darstellung unten gezeigten Sollbruchstelle befinden kann. In der Darstellung in 2A ist der Bolzen 240 in einer ersten Position gezeigt, in der er die brechbare bzw. ausrückbare Matrize 220 gegenüber einer Radialkraft des Deformationselements abstützt, da die Sollbruchstellen 280 nicht auf einer Höhe mit den Grenzflächen der ausrückbaren Matrize 220 liegen.
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Die feste bzw. nicht-ausrückbare Matrize ist der ausrückbaren Matrize in der Vorschubrichtung 270 vorgeschaltet und liegt oben und mit ihrer Außenwand an einer Innenwand des Gehäuses 210 an. Die feste Matrize 230 weist eine Aussparung zur Unterbringung des Aktuators 250 und des Kopfendes des Bolzens 240 sowie für einen Verfahrweg des Bolzens 240 für einen Wechsel des Bolzens 240 aus der ersten in eine zweite Position auf. Alternativ und in der Darstellung in 2A nicht gezeigt kann die Vorrichtung 200 so konstruiert sein, dass die feste Matrize 230 kleiner ist und dass der Bolzen 240 sich an beiden Enden am Gehäuse 210 abstützt.
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Aus der Darstellung in 2A ist ersichtlich, dass eine Außenseite der ausrückbaren Matrize 220 von der Innenwand des Gehäuses 210 beabstandet in dem Gehäuse 210 angeordnet ist, so dass die ausrückbare Matrize in der zweiten Position des Bolzens 240 zu der Gehäuseinnenwand hin ausgerückt werden kann. Die Rückstellfeder 260 ist an das Fußende des Bolzens 240 angrenzend in einer Ausnehmung der Wand des Gehäuses 210 angeordnet. Ein Federweg der Rückstellefeder 260 entspricht einem Hub x des Bolzens bei einem Bewegen des Bolzens zwischen der ersten und der zweiten Position. Die Rückstellfeder 260 ist ausgebildet, um den Bolzen, z. B. nach einer Fehlauslösung des Aktivierungssignals für eine Bewegung des Bolzens, wieder in die Grundeinstellung zurückzubewegen.
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Die in der Darstellung in 2A nicht gezeigte rechte Seite des Ausschnitts aus der Vorrichtung 200 kann einen weiteren Bolzen 240 sowie einen weiteren Aktuator 250 und eine weitere Rückstellfeder 260 aufweisen.
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Das in 2A gezeigte Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 200 ist so ausgestaltet, dass die Grundeinstellung bzw. Ruhestellung dann eingestellt ist, wenn sich der Bolzen 240 in der ersten Position befindet. In der Darstellung in 2A ist somit die Ruhestellung des Bolzens/Aktuators 240 dargestellt, d. h., die harte Steifigkeit ist eingestellt. Bei einem eindringenden Rohr bzw. Deformationselement, wie es in den Abbildungen der 1A, 1B und 1C gezeigt ist, werden die Radialkräfte auf die ausrückbare Matrize 220 über den Bolzen 240 abgeleitet, und das Rohr wird stark verjüngt, wodurch das Energieabsorptionsniveau hoch liegt.
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Wird eine Kollisionsschwere erkannt, bei welcher ein niedriges Energieabsorptionsniveau erwünscht ist, wird der Bolzen 240 in dem Hub x nach unten bewegt. In 2A dargestellt ist eine Aktuierung mithilfe des Wirbelstromprinzips über die Spule 250 als Beispiel für ein Aktuator-Element. Der Bolzen 240 wird so weit nach unten gerückt, dass die als Kerbe dargestellte Sollbruchstelle 280 des Bolzens in einer Trennlinie von fester 230 und ausrückbarer 220 Matrize bzw. auf Höhe oder in einer Ebene mit einer Grenzfläche 290 der ausrückbaren Matrize 220 liegt. Die Sollbruchstelle 280 kann in Form der in der Darstellung gezeigten Kerbe ausgeführt sein, aber auch andere Ausführungen sind denkbar. Die bei dem Ausführungsbeispiel in 2A verwendete zweite Sollbruchstelle 280 liegt in ausgerücktem Zustand des Bolzens 240 in einer Trennlinie zwischen ausrückbarer Matrize 220 und unterem Gehäuseteil 210 bzw. auf Höhe einer weiteren Grenzfläche 290 der ausrückbaren Matrize 220. Die zweite Sollbruchstelle 280 kann, muss jedoch nicht, erforderlich sein bzw. kann auch anders ausgeführt sein als die erste. Bei Einleiten der Radialkräfte durch das eindringende Rohr wird der Bolzen 240 belastet und erleidet an den vorgesehen Stellen 280 einen Scherbruch, wodurch die Matrize 220 nicht mehr (ausreichend) abgestützt ist und ausrücken kann. Durch die Sollbruchstellen 280 braucht der Bolzen 240 nur ein kurzes Stück bewegt werden und nicht einen Weg der Höhe der Matrize bzw. des abstützenden Rings, wie es in den 1A, 1B und 1C gezeigt ist. Dies bietet Vorteile hinsichtlich der elektrischen und elektronischen Ausführung des Aktuators bzw. der gesamten Vorrichtung 200.
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Das für das in 2A skizzierte Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 200 verwendete Rohr hat einen runden Querschnitt, es sind ebenso andere Querschnitte, z. B. rechteckig, viereckig, oval, usw. möglich.
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Für die Aktuierung der Vorrichtung 200 können außer dem Wirbelstromprinzip andere Aktuatorkonzepte verwendet werden, beispielsweise ein Wirbelstromaktuator, ein Piezoaktuator, ein Hubmagnet, elektromechanische Aktuatoren, hydraulische und pneumatische Aktuatoren, Pyrotechnikaktuatoren, Formgedächtnisaktuatoren, etc.
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Sofern es sich um eine Fehlauslösung gehandelt hat und der Aktuator bzw. die gesamte Vorrichtung 200 gar nicht belastet wurde, wird der Bolzen 240 bei dem in 2A gezeigten Ausführungsbeispiel über die Rückstellfeder 260 zurück in seine Ausgangsstellung gebracht. So ist eine Reversibilität des Systems gewährleistet. Der hier vorgestellte Ansatz zeichnet sich durch die gute Führung des Bolzens bzw. der Bolzen 240 aus. Durch das Durchmesser-Länge-Verhältnis des Bolzens 240 wird eine über die Lebensdauer gute Führung und Reversibilität des Systems gewährleistet. Verkantungen können vermieden werden, weshalb eine Wartung des Bolzens somit nicht notwendig ist. Dadurch können die Spielpassungen eng gehalten werden, was unvorteilhafte Geräuschentwicklungen verhindert und für eine gute Zentrierung der ausrückbaren Matrize 220 sorgt.
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In dem in 2A illustrierten Grundzustand der Vorrichtung 200, wenn keine Sollbruchstelle 280 des Bolzens 240 in einer Trennlinie zwischen den Matrizen 220, 230 und/oder dem Gehäuse 210 liegt, wird die Radialkraft in Folge der Rohrverjüngung flächig auf den Bolzen 240 übertragen, der somit der Belastung standhalten kann.
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2B zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 200. Auch hier ist die links von der Mittelachse angeordnete Hälfte der Vorrichtung 200 abgebildet. Die Darstellung in 2B entspricht der aus 2A mit dem Unterschied, dass hier die Sollbruchstellen 280 als Bereiche des Bolzens 240 mit einer abweichenden Materialstärke ausgebildet sind. Bei dem in 2B gezeigten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 200 ist der Bolzen 240 aus einem Kunststoff gebildet, der die Eigenschaft aufweist, bei einer Scherbelastung durch das in die Vorrichtung einfahrende Deformationselement zu brechen. Damit dies nur geschehen kann, wenn sich der Bolzen 240 in der zweiten Position befindet, ist der Bolzen 240 außer an den Sollbruchstellen 280 mit Metall-Inlays verstärkt, mit Hilfe derer der Bolzen einer Scherbelastung standhalten kann. In der Darstellung in 2B ist der Bolzen 240 in der ersten Position gezeigt, also so bezüglich der Primärmatrize 230 und der Ausrückmatrize 220 angeordnet, dass er nicht durch das einrückende Deformationselement gebrochen werden kann und somit die ausrückbare Matrize 220 nicht zum Ausrücken freigegeben wird.
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3 zeigt eine Draufsicht auf die ausrückbare Matrize 220 und den Bolzen 240 aus 2A und 2B entlang der ebenfalls in den 2A und 2B gezeigten Schnittlinie A-A'. Die Darstellung zeigt einen Ausschnitt der ausrückbaren Matrize 220 und illustriert ihre Abstützung durch den Bolzen 240. Eine Sollbruchstelle 300 in der Matrize 220 erlaubt bei Aufprägen einer Radialkraft durch das eindringende Rohr (in 3 nicht gezeigt), dass sich die Matrize 220 aufweitet, bricht und ausrückt, sofern der dargestellte Bolzen 240 dies nicht verhindert. Insgesamt kann die ausrückbare Matrize 220 z. B. aus drei Matrizensegmenten zusammengesetzt sein, die jeweils über eine Sollbruchstelle 300 verbunden sind. Alternativ und in 3 nicht gezeigt können die Matrizensegmente auch auf andere Weise oder nicht miteinander verbunden sein. Der Bolzen 240 kann die Matrize 220 wie in der Darstellung in 3 gezeigt abstützen, indem er in einer Ausnehmung in einer Außenwand der ausrückbaren Matrize angeordnet ist. Alternativ und in 3 nicht gezeigt kann der Bolzen 240 auch in einer Bohrung durch die Matrize 220 angeordnet sein. Verteilt über einen gesamten Umfang der Matrize 220 kann eine Mehrzahl an Bolzen 240 verwendet werden.
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Die anhand der im Vorhergehenden gezeigten Figuren erläuterten Strukturen können ebenso für das Fahrzeugheck verwendet werden, auch wenn hierin ein Einsatz im Vorderwagen betrachtet wurde. Eine gemäß dem hier vorgestellten Ansatz hergestellte adaptive Crashstruktur ist an der Fahrzeugkarosserie befestigt.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Ablaufdiagramms eines Verfahrens 400 zum Einstellen einer Steifigkeit einer Vorrichtung, wie sie beispielsweise anhand der Ausführungsbeispiele aus 2A und 2B beschrieben ist. In einem ersten Schritt 410 wird ein Signal mit einer Information über eine Aufprallenergie empfangen, beispielsweise in Form eines Aufprallschweresignals, das z. B. von einem Beschleunigungssensor eines Fahrzeugs, in den die oben genannte Vorrichtung installiert ist, bereitgestellt wird. In einem nachfolgenden Schritt 420 wird z. B. mittels eines geeigneten Algorithmus ein Wert des Signals mit einem hinterlegten Schellwert verglichen, um beispielsweise im Fall der anhand der 2A und 2B erläuterten Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung festzustellen, ob der Wert des Signals in einem vorbestimmten Verhältnis zu dem Schwellwert oder der Kennlinie oder dem Kennfeld steht, insbesondere ob der Wert, der die ermittelte Aufprallschwere repräsentiert, z. B. den Schwellwert, der eine Aufprallschwereschwellwert repräsentiert, unterschreitet oder nicht. Ergibt der Vergleich in Schritt 420, dass beispielsweise der Wert den Schwellwert unterschreitet, d. h. die Aufprallschwere den Aufprallschwereschwellwert unterschreitet, fährt das Verfahren mit einem Schritt 430 fort, in dem ein Aktivierungssignal zum Bewegen des Bolzens in die zweite Position bereitgestellt wird, um die Steifigkeit der Vorrichtung zu reduzieren. Ergibt hingegen der Vergleich in Schritt 420, dass der Wert des Signals den Schwellwert überschreitet, d. h. die ermittelte Aufprallschwere den Aufprallschwereschwellwert nicht unterschreitet, fährt das Verfahren mit einem Schritt 440 fort, in dem das Bereitstellen des Aktivierungssignals zum Bewegen des Bolzens in die zweite Position unterdrückt wird. Entsprechend verbleibt der Bolzen in der ersten Position, und die Vorrichtung bleibt somit 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. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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