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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit pyrotechnisch einstellbarer Steifigkeit zum Aufnehmen einer Aufprallenergie und auf ein Verfahren zum Einstellen einer Steifigkeit einer solchen Vorrichtung. Eine derartige Vorrichtung kann beispielsweise in einem Fahrzeug eingesetzt werden.
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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 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 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 Verwendung einer auf Pyrotechnik basierenden Aktuatorik eine besonders kurze Verstellzeit zum Bewegen einer Abstützeinrichtung einer brechbaren Matrize einer adaptiven Crashstruktur in eine Position realisiert werden kann, in der die brechbare Matrize zum Ausrücken freigegeben ist.
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Da für eine Umsetzung des hier vorgestellten Prinzips ein besonders kleines Druckvolumen für eine geeignete und schnell wirkende Aktuatorik besonders vorteilhaft ist, ergibt sich der Vorteil einer Bauraumersparnis bei einer gemäß dem hier vorgestellten Ansatz gefertigten Vorrichtung. Dies in Kombination mit einem geringen erforderlichen Gewicht der Abstützeinrichtung und einer schnellen Ansprechzeit der pyrotechnischen Aktuatorik ermöglicht eine sehr geringe Verstellzeit. Ein weiterer Bauraumvorteil der gesamten adaptiven Struktur ergibt sich dadurch, dass die Abstützeinrichtung mit geringer Breite ausgeführt sein kann, so dass ein Außendurchmesser einer gemäß dem hier vorgestellten Ansatz gefertigten Vorrichtung deutlich kleiner ausfallen kann. Entsprechende eingesetzte pyrotechnische Aktuatoren können sehr klein bzw. kompakt ausgeführt sein und einfach in die adaptive Crashstruktur integriert werden.
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Ein weiterer Vorteil des hier vorgeschlagenen Konzepts besteht in der Möglichkeit eines einfachen und somit kostengünstigen Anschlusses einer hier vorgestellten Vorrichtung an ein Airbagsteuergerät eines Fahrzeugs. Da ein Airbagsteuergerät meist bereits die Komponenten für die Zündung von mehreren Airbags beinhaltet, ist der Schwierigkeitsgrad und somit der zusätzliche Kostenfaktor gering, einen pyrotechnischen Aktuator der adaptiven Crashstruktur ebenfalls bei einem Crash auszulösen.
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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:
eine in dem Gehäuse angeordnete ausrückbare Matrize zum Aufnehmen und Deformieren des Deformationselements;
eine in dem Gehäuse angeordnete Abstützeinrichtung, die 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 die ausrückbare Matrize für eine Bewegung zum Ausrücken durch die Radialkraft freizugeben; und
einen pyrotechnischen Aktuator zum Erzeugen eines Drucks zum Bewegen der Abstützeinrichtung aus der ersten Position in die zweite 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 oder in einem Heck des Fahrzeugs angeordnet sein.
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Das Gehäuse kann z. B. eine Öffnung aufweisen, über die in einer Ruhestellung der Vorrichtung ein Endbereich des Deformationselements zumindest teilweise in das Gehäuse aufgenommen ist, und eine gegenüberliegende weitere Öffnung aufweisen, über die das Deformationselement nach einem Verformungsprozess aufgrund einer Kollision des Fahrzeugs aus dem Gehäuse austreten kann. Das Gehäuse kann beispielsweise aus zwei Gehäusehälften zusammengesetzt sein, wobei die eine Gehäusehälfte die Öffnung zum Aufnehmen des Deformationselements und die andere Gehäusehälfte die weitere Öffnung für den 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 die Abstützeinrichtung durch die Radialkraft des eindringenden Deformationselements von dem Deformationselement weggedrückt, also zu der Innenwand des Gehäuses hingedrückt und eventuell gebrochen werden und somit keine Verjüngung des Deformationselements bewirken.
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Die Abstützeinrichtung kann ein- oder mehrstückig sein und in der ersten Position zwischen der Außenwand der ausrückbaren Matrize und der Innenwand des Gehäuses angeordnet sein. Sie kann aus einem Material gebildet sein, das eine ausreichende Festigkeit aufweist, um in der ersten Position 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. Die Abstützeinrichtung kann beispielsweise über ein Federelement in der ersten Position fixiert oder in Ruhelage gehalten sein.
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Der pyrotechnische Aktuator kann in einem Hohlraum in dem Gehäuse angeordnet sein, der von einer in der Vorschubrichtung vorderen Wand des Gehäuses und der Abstützeinrichtung gebildet wird. Der pyrotechnische Aktuator kann ausgebildet sein, um ansprechend auf ein Signal eines Steuergeräts der Vorrichtung eine Druckwelle zu erzeugen, die ausreichend stark ist, um die Abstützeinrichtung beispielsweise entgegen einer Federkraft in die zweite Position zu bewegen, um so die ausrückbare Matrize zum Ausrücken durch das Deformationselement freizugeben. Entsprechend kann so die Steifigkeit der Vorrichtung herabgesetzt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Abstützeinrichtung als ein Ring ausgebildet sein, insbesondere dessen Innendurchmesser größer oder gleich einem Außenumfang der ausrückbaren Matrize ist. Beispielsweise kann die Abstützeinrichtung in der ersten Position die ausrückbare Matrize so vollumfänglich umgeben, dass eine Außenseite der ausrückbaren Matrize an einer Innenfläche der ringförmigen Abstützeinrichtung angrenzt. So kann vorteilhafterweise in der ersten Position der Abstützeinrichtung eine nach allen Seiten gleichmäßige Abstützung der ausrückbaren Matrize gewährleistet werden, so dass eine Deformation des Deformationselements bei hoher eingestellter Steifigkeit der Vorrichtung Optimal und mit einem Maximum an Energieabsorption ablaufen kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der pyrotechnische Aktuator eine Mehrzahl von angeordneten Zündelementen zum Erzeugen des Drucks aufweisen, insbesondere, wobei die Zündelemente äquidistant angeordnet sind. Bei den Zündelementen oder -pillen kann es sich um elektrisch zündbare Explosionsmittel handeln, die mittels eines Signals, beispielsweise von einem Steuergerät, insbesondere einem Airbagsteuergerät eines Fahrzeugs, aktiviert werden können. Die Zündpillen können hier nicht zum Entzünden eines Brandmittels, sondern lediglich zum Erzeugen einer Druckwelle eingesetzt werden, die ausreichend ist, um die Abstützeinrichtung aus der ersten Position in die zweite Position zu „schießen”. Beispielsweise können zwei, drei oder vier Zündpillen zum Einsatz kommen. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass so mit einem zeitsynchronen Zünden aller Zündpillen ein homogener Druckaufbau gewährleistet werden kann, mit dem ein Verkanten der Abstützeinrichtung während der Bewegung von der ersten in die zweite Position vermieden werden kann.
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Günstig ist es auch, wenn eine der Abstützeinrichtung in der Vorschubrichtung nachgelagerte Wand des Gehäuses zumindest eine Durchgangsöffnung aufweist. So kann auf einfache Weise ein sich in der ersten Position der Abstützeinrichtung in der Vorschubrichtung hinter der Abstützeinrichtung befindliches Luftvolumen mit der Bewegung in die zweite Position aus dem Gehäuse ausgestoßen werden. Dies hilft vorteilhafterweise zu vermeiden, dass die Abstützeinrichtung nach einer Aktivierung des pyrotechnischen Aktuators unerwünschterweise aus der zweiten wieder in die erste Position zurückschnellt.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Vorrichtung ein Führungselement zum Führen der Abstützeinrichtung zwischen der ersten Position und der zweiten Position und/oder zum Fixieren der Abstützeinrichtung in der zweiten Position umfassen. Dabei kann sich das Führungselement insbesondere durch eine schräg in den Bewegungsbereich der Abstützeinrichtung zwischen der ersten Position und der zweiten Position ragende Seitenwand aufweisen. Alternativ kann das Führungselement insbesondere zumindest eine zwischen der ersten Position und der zweiten Position angeordnete Rastnase aufweisen, die sich in den in den Bewegungsbereich der Abstützeinrichtung hinein erstreckt. Das Führungselement kann in einem Teilbereich eine zu einer Außenseite der Abstützeinrichtung benachbarte Innenseite der Gehäusewand umfassen. Das sich verringernde lichte Maß bzw. die schräg in den Bewegungsbereich der Abstützeinrichtung ragende Seitenwand kann beispielsweise durch eine sich in der Vorschubrichtung trichterförmig verjüngende Innenwand der Führung bereitgestellt werden. In der alternativen Ausführungsform kann die Rastnase z. B. an einer Innenwand des Führungselementes umlaufend ausgeformt sein. Die Rastnase kann ausgebildet sein, so in einen Innenraum des Führungselementes hineinzuragen, dass die Abstützeinrichtung aufgrund des bei Zündung des Aktuators verursachten Drucks über die Rastnase hinaus bewegt werden kann und anschließend durch die Nase gehalten und so daran gehindert werden kann, wieder in die erste Position zurückzukehren. Beide Ausführungsformen sind einfach bereitzustellende Implementierungen einer sicheren Haltevorrichtung, um die Abstützeinrichtung nach Betätigung des pyrotechnischen Aktuators in der zweiten Position zu fixieren. Auf diese Weise kann optimal gewährleistet werden, dass bei niedriger Steifigkeit der Vorrichtung die ausrückbare Matrize durch das Deformationselement ausgerückt werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Vorrichtung ferner eine nicht-ausrückbare Matrize zum Aufnehmen und Deformieren des Deformationselements aufweisen. Die nicht-ausrückbare Matrize kann der ausrückbaren Matrize in dem Gehäuse in der Vorschubrichtung vorgelagert angeordnet sein. Die feste oder nicht-ausrückbare Matrize kann zur Abstützung mit einer Außenwand an einer Seitenwand des Druckraumes anliegend in dem Gehäuse angeordnet sein. Ferner kann die feste oder 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. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass bereits eine Verjüngung des Deformationselementes eingeleitet wird, so dass nicht die erste Deformation des Deformationselementes an der ausrückbaren Matrize erfolgt.
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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; und
Bereitstellen eines Aktivierungssignals an den pyrotechnischen Aktuator zum Bewegen der Abstützeinrichtung aus der ersten Position in die zweite Position, um die Steifigkeit der Vorrichtung auf ein geringeres Niveau einzustellen, wobei das Bereitstellen dann erfolgt, wenn der Schritt des Vergleichens ergibt, dass der Wert ein vorbestimmtes Verhältnis zu dem Schwellwert aufweist.
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Das Verfahren kann beispielsweise in einem Steuergerät, insbesondere einem Steuergerät, das für die Auslösung von Airbags in einem Fahrzeug zuständig ist, durchführt werden. Das Steuergerät kann mit der im Vorhergehenden erläuterten Vorrichtung verbunden oder in diese integriert sein kann. So kann gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens der Schritt des Bereitstellens basierend auf einem Signal des Steuergeräts erfolgen. Es kann sich dabei z. B. um ein Signal zum Auslösen der Airbags eines Fahrzeugs handeln, in das die Vorrichtung integriert ist.
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Das Steuergerät kann ausgebildet sein, um die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen 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. Aus einem Unterschreiten bzw. Überschreiten des Schwellwerts kann auf eine Schwere der Kollision geschlossen werden. Sollte der Vergleich ergeben, dass sich eine Kollision geringer Schwere ereignet, steht eine Herabsetzung der Steifigkeit der Vorrichtung zu Gebote. Entsprechend kann z. B. über einen Fahrzeugbus ein Aktivierungssignal bzw. Zündsignal von dem Steuergerät an den pyrotechnischen Aktuator bereitgestellt werden, so dass der pyrotechnische Aktuator die Abstützeinrichtung in der Vorschubrichtung von der ersten in die zweite Position katapultieren kann, um die Steifigkeit der Vorrichtung herabzusetzen. Ergibt hingegen der Schritt des Vergleichens, dass die Schwere der Kollision groß ist, so kann eine Bereitstellung des Aktivierungssignals unterdrückt werden, so dass die Abstützeinrichtung in der ersten Position verbleibt und die Vorrichtung auf die hohe Steifigkeit eingestellt bleibt, um ein hohes Maß an Aufprallenergie absorbieren zu können.
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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 Signalverarbeitungssystem wie einem Computer oder einem 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 eine Prinzipdarstellung eines Fahrzeugs mit einer adaptiven Crashstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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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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3A ein Schnittbild einer adaptiven Crashstruktur mit pyrotechnischem Aktuator gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Ruhestellung;
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3B ein Schnittbild der adaptiven Crashstruktur mit pyrotechnischem Aktuator aus 3A in aktuierter Stellung;
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4 ein Schnittbild einer Haltevorrichtung der adaptiven Crashstruktur aus 3A und 3B, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 ein Schnittbild einer Haltevorrichtung der adaptiven Crashstruktur aus 3A und 3B, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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6 eine perspektivische Darstellung einer ausrückbaren Matrize der adaptiven Crashstruktur aus 3A und 3B, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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7 eine Darstellung von Zündpillen der adaptiven Crashstruktur aus Figuren 3A und 3B, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; und
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8 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Einstellen einer Steifigkeit einer adaptiven Crashstruktur, 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, ein Wirbelstromaktuator für eine adaptive Crashstruktur, eine adaptive Crashstruktur mit hydraulischem Ring oder eine adaptive Crashstruktur, die unter Last das Kraftniveau senken kann, um den Beschleunigungspuls für den Insassen harmonischer zu gestalten, vorgesehen sein.
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1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Fahrzeugs 100 mit einer adaptiven Crashstruktur 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist eine Fahrzeugfrontstruktur, die einen Querträger und daran anschließend einen vorderen und einen hinteren Längsträger umfasst. Die Vorrichtung 110 ist in den hinteren Längsträger integriert. Auch eine Integration in den vorderen Längsträger ist möglich. Ferner kann die Crashstruktur 110 oder eine weitere entsprechende Crashstruktur 110 zusätzlich oder alternativ in einem Heck des Fahrzeugs implementiert sein. Ein Pfeil kennzeichnet eine Fahrtrichtung 115 des Fahrzeugs 100. Ein weiterer Pfeil kennzeichnet eine Vorschubrichtung 120, in der bei einer Kollision des Fahrzeugs 100, hier bei einem Frontalaufprall, die Aufprallenergie zu absorbieren ist, und in der dementsprechend ein in 1 nicht gezeigtes Deformationselement der Vorrichtung 110 in der Vorrichtung 110 bewegt wird, um durch Deformation die Aufprallenergie zu absorbieren.
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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 herkömmlichen Crashbox aus dem Stand der Technik entspricht. Ebenfalls möglich ist es, die adaptive Crashstruktur weiter hinten in der Frontstruktur einzubauen, d. h. als Ersatz des hinteren Längsträgers.
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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 wird hergestellt, indem ein Stromfluss durch eine Spule 260 unterbrochen ist und ein mit einem Boden des Rings 250 verbundenes Federelement 270 eine Kraft auf den Ring 250 ausübt und diesen auf Höhe der brechbaren Matrize 240 hält, so dass er diese abstützen kann. Bei einer Kollision des Fahrzeugs wird in der in 2A dargestellten Grundeinstellung des 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 240 Matrize 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. Hier fließt ein Strom 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 240 Matrize 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.
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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 statt der Spule, welche den Ring verschiebt, eine Alternative in Form eines pyrotechnischen Aktuators vorgestellt. Dieser ist beispielsweise ausgebildet, um eine Abstützeinrichtung für eine ausrückbare Matrize, wie z. B. einen Sperrring, entgegen einer Federkraft zu bewegen. Anhand der nachfolgenden Figuren wird das hierin vorgeschlagene Prinzip der Verschiebung der Abstützeinrichtung aus der ersten in die zweite Position mittels einer pyrotechnisch erzeugten Druckwelle vorgestellt. Pyrotechnische Aktuatoren sind unter anderem für einen Einsatz zum Auslösen von Airbags bekannt. Bei Airbags sind im pyrotechnischen Modul häufig zwei wesentliche Elemente vorhanden. Erstens die Zündpille, die einen Stromimpuls von der Größenordnung von 1-2A vom Airbagsteuergerät bekommt und sich entzündet. Zweitens der Gasgenerator oder Treibsatz, der aufgrund der Initialzündung der Zündpille schnell abbrennt, was man auch als Explosion wahrnehmen kann. Das durch dieses Abbrennen des Treibsatzes verursachte Gas füllt die Airbags binnen Millisekunden. Die Größe des Treibsatzes muss an die Airbaggröße angepasst werden. Ein zweistufiger Airbag umfasst sowohl zwei Zündpillen als auch zwei unterschiedlich große Treibsätze, die sequentiell gezündet werden.
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3A zeigt ein Schnittbild der adaptiven Crashstruktur 110 aus 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Schnittbild zeigt eine linke und eine rechte Seite der Vorrichtung 110 im Längsschnitt, die bezüglich einer durch eine Strich-Punkt-Linie gekennzeichneten Längsachse der Vorrichtung 110 spiegelbildlich zueinander angeordnet sind.
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3A zeigt die Crashstruktur 110 in einer Ruhestellung, in der die hohe Steifigkeit eingestellt ist. Gezeigt sind ein Gehäuse, das sich aus einer ersten Gehäusehälfte 300 und einer zweiten Gehäusehälfte 310 zusammensetzt, und ein Deformationselement 330, das hier in Form eines Rohres ausgebildet ist und dessen Endbereich in das Gehäuse 300, 310 aufgenommen ist. In dem Gehäuse 300, 310 sind eine nicht ausrückbare Matrize bzw. Primärmatrize 340, eine ausrückbare Matrize 350, eine durch eine Feder in Position gehaltene Abstützeinrichtung 360 sowie ein pyrotechnischer Aktuator 370 angeordnet. Bei dem in 3A gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Abstützeinrichtung 360 als ein Ring ausgebildet, und der pyrotechnische Aktuator 370 ist in Form von zwei diametral angeordneten Zündpillen ausgeführt. Alternativ kann auch lediglich eine Zündpille oder eine Mehrzahl von Zündpillen eingesetzt werden. Wie die Darstellung in 3A zeigt, sind die Zündpillen 370 in einem gasdicht geschlossenen Druckraum 380 angeordnet, der von der ersten Gehäusehälfte 300, der Primärmatrize 340 und der Abstützeinrichtung 360 beschränkt oder begrenzt wird. Die zweite Gehäusehälfte 310 weist zwei Durchgangsöffnungen bzw. Austrittslöcher 390 auf. Ein Pfeil kennzeichnet die Vorschubrichtung 120, in der im Falle einer Kollision das Deformationselement 330 in das Gehäuse 300, 310 hineingeschoben und dabei verformt wird.
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In der Darstellung in 3A befindet sich der pyrotechnische Aktuator 370 in der Ruhestellung. Die Abstützeinrichtung 360 wird mittels einer Federkraft, die von zwei zwischen der Abstützeinrichtung 360 und der zweiten Gehäusehälfte 310 angeordneten Federelementen 392 aufgebracht wird, in der ersten Position gehalten, in der sie die ausrückbare Matrize 350 gegenüber einer Radialkraft des bei einer Kollision in das Gehäuse 300, 310 einfahrenden Deformationselements abstützt. Somit ist gemäß der Darstellung in 3A die hohe Steifigkeit der Vorrichtung 110 eingestellt. Anstelle der zwei Federelemente 392 können auch mehr oder weniger Federelemente oder eine einstückige Feder in Ringform eingesetzt werden.
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3B zeigt in einem weiteren Schnittbild die Vorrichtung aus 3A im Falle einer Aktivierung bzw. Zündung des pyrotechnischen Aktuators in Form der Zündpillen 370. Ansprechend auf die Zündung der Zündpillen 370 erfolgt eine Explosion 395. Eine infolge der Explosion 395 gebildete Druckwelle dehnt sich auf das gesamte Volumen des Druckraums 380 aus, so dass ausreichend Druck aufgebaut wird, um den Ring 360 entgegen der Federkraft der Federelemente 392 in die in 3B gezeigte zweite Position zu katapultieren, in der er die ausrückbare Matrize 350 zum Ausrücken und Brechen frei gibt.
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In der Darstellung in 3A befindet sich der Aktuator 370 der adaptiven Crashstruktur 110 in Ruhestellung. Es ist der maximale Umformgrad eingestellt, d. h., die Steifigkeit der Vorrichtung 110 ist maximal. Nach der Erkennung eines Crashs, bei dem die Steifigkeit herabgesetzt werden soll, wird die Zündpille 370 z. B. vom Airbagsteuergerät gezündet, und der Ring 360 wird aufgrund der aufkommenden Druckwelle weggeschossen, wie es in der Darstellung in 3B illustriert ist. Die bei dem in 3A und 3B gezeigten Ausführungsbeispiel implementierten Austrittslöcher 390 sind vorgesehen, damit sich auf der gegenüberliegenden Seite des Rings 360 kein Gegendruck aufbaut. Dies könnte nämlich die Dynamik des Rings 360 negativ beeinflussen und somit eine Fehlfunktion der adaptiven Crashstruktur 110 bewirken. Es sollte ferner dafür gesorgt werden, dass kein Wasser durch diese Löcher 390 in das Innenleben der Vorrichtung 110 gelangen kann, um eine mögliche Folge von korrodierten Flächen zu vermeiden, die die Funktionsweise einschränken würden. Gemäß einem alternativen und in den Figuren nicht gezeigten Ausführungsbeispiel kann auf die Austrittslöcher 390 auch verzichtet werden. Sollte es sich bei der Zündung der Zündpillen 370 um eine Fehlauslösung handeln, wird der Ring 360 mittels der Federkraft der Federelemente 392 wieder in die erste Position zurückbewegt und die Steifigkeit der Vorrichtung 110 befindet sich wieder auf dem hohen Niveau. Die Fehlauslösung kann z. B. auf einer Fehlinterpretation eines stattfindenden Aufpralls basieren, bei dem es sich beispielsweise anstelle eines auslöserelevanten Crashs lediglich um eine leichte Kollision handelt. Da in einem derartigen Fall keine Deformation des Deformationselements 330 stattfindet, rückt die ausrückbare Matrize 350 nicht aus und der Ring 360 kann ohne weiteres in die erste Position zurückkehren. Auf diese Weise kann ein Fahrer eines die Vorrichtung 110 aufweisenden Fahrzeugs mit einer auf die hohe Steifigkeit eingestellten Crashstruktur 110 und somit bei maximalen Schutz durch die Crashstruktur 110 z. B. eine nächstgelegene Werkstatt anfahren.
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Da bei der in den 3A und 3B gezeigten adaptiven Crashstruktur 110 nur der Ring 360 um wenige Millimeter bewegt wird und somit nur ein äußerst kleines Volumen entsteht, ist ein Treibsatz oder Gasgenerator für die Funktionalität der Vorrichtung 110 nicht notwendig. Zum Verschieben des Rings 360 genügt die Energie einer Zündpille, bzw. hier der Zündpillen 370, wie es nachfolgend anhand der 8 nochmals erläutert ist. Da der Ring 360 ein ungünstiges Führungsverhältnis besitzen kann, indem sein Durchmesser bedeutend größer als seine Länge ist, ist es wichtig, sehr stark auf einen homogenen Druckaufbau zu achten. So kann vermieden werden, dass sich der Ring verkantet und nicht den vollen Weg machen kann. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, mehrere Zündpillen 370 einzusetzen. Entsprechend weist das anhand der 3A und 3B erläuterte Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 110 z. B. zwei Zündpillen 370 auf, die um 180° beabstandet dem Ring 360 gegenüber liegend angeordnet sind. Alternativ ist auch ein Einsatz von drei um 120° beabstandeten Zündpillen 370 oder von vier um 90° beabstandeten Zündpillen 370 denkbar.
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Das anhand der 3A und 3B gezeigte Aktuatorprinzip lässt sich auch auf andere Wirkprinzipien der Energieabsorption verwenden, wie z. B. das Aufweiten, das Umstülpen, das Falten, das Schneiden usw. Der Querschnitt des Rohres 330 wurde in der hier gezeigte Ausführungsform rund skizziert, es sind ebenso andere Querschnitte, z. B. rechteckig, viereckig, oval, usw., möglich.
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Vorteilhaft ist der Einsatz der anhand der 3A und 3B erläuterten adaptiven Crashstruktur 110 mit pyrotechnischer Aktuatorik 370 im hinteren Bereich der Fahrzeugfrontstruktur, z. B. als Teil des hinteren Längsträgers. Da dieser Teil bei schweren Crashs relativ spät nach Kollisionsbeginn, nach ca. 30–40 ms, deformiert wird und die Airbags bereits gezündet wurden, ist eine wie hier beschriebene irreversible Steifigkeitsanpassung keinesfalls kritisch. Im Falle eines Einsatz dieser Erfindung im vorderen Bereich der Fahrzeugfrontstruktur, z. B. als Teil der Crashbox und eventuell des vorderen Längsträgers, ist eine irreversible Auslösung etwas kritischer. Da diese Elemente früh im Crashgeschehen deformiert werden, also nach weniger als 10 ms, muss eine eventuelle Aktuierung noch früher stattfinden. Bis dahin kann unter Umständen nicht zweifelsfrei geklärt sein, ob die gemessene Schwere des Crashs zu diesem frühen Zeitpunkt auch tatsächlich der wahren Crashschwere entspricht. Eine Erhöhung der Auslösesicherheit kann durch weitere Sensoren wie z. B. Radar, Lidar, Video, Ultraschall, usw. erreicht werden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist der einfache und somit kostengünstige Anschluss an ein Airbagsteuergerät. Da das Airbagsteuergerät bereits die Komponenten für die Zündung von mehreren Airbags beinhaltet, ist der Schwierigkeitsgrad und somit der zusätzliche Kostenfaktor der Zündpillen 370 der adaptiven Crashstruktur 110, ebenfalls bei einem Crash auszulösen, gering.
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Aus der in den 3A und 3B gezeigten Konstruktion der Vorrichtung 110 ist ersichtlich, dass das Volumen des Druckraums 380 – wenn sich der Ring bzw. die Abstützeinrichtung 360 in der Ruhelage befindet – kleiner ist als ein Volumen von 3,5 cm3. Die Folge ist, dass der Initialpeak des Druckverlaufs mehr als ca. 30 bar betragen wird, was ein sehr großer Vorteil ist. Dies in Kombination mit dem geringen Ringgewicht und der schnellen Ansprechzeit der Zündpille ermöglicht eine sehr geringe Verstellzeit. Ebenfalls vorteilhaft ist der Bauraum der gesamten adaptiven Struktur 110. Der Ring 360 braucht nicht wie bei der in den 2A bis 2C gezeigten Vorrichtung breit sein, der Außendurchmesser kann dank dieser Erfindung deutlich kleiner ausfallen. Die Zündpillen 370 sind sehr klein bzw. kompakt und können einfach in die adaptive Crashstruktur integriert 110 werden.
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Um das Zurückspringen der Abstützeinrichtung bzw. des Rings 360 nach dem Wegschießen in die Ausgangslage bzw. erste Position zu verhindern, wird der Ring 360 durch eine Haltevorrichtung fixiert. Die Fixierung kann z. B. durch einen konischen Verlauf der Ringführung geschehen oder durch eine keilförmige Verengung erreicht werden, durch die der Ring hindurchgedrückt werden soll. 4 und 5 zeigen Schnittbilder geeigneter Haltevorrichtungen der adaptiven Crashstruktur aus 3A und 3B, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt in einer vereinfachten Darstellung einen Schnitt durch eine Haltevorrichtung in Form einer ersten Variante einer Führung bzw. eines Führungselementes 400 für die ringförmige Abstützeinrichtung 360. Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel der Führung 400 bildet eine Innenwand einen sich in der Vorschubrichtung 120 konisch verjüngenden Trichter. Ein Teil einer Wand der Führung 400 kann durch eine Wand des Gehäuses der Vorrichtung 110 gebildet werden. In der Darstellung in 4 oben ist der Ring 360 in der Ruhelage bzw. der ersten Position gezeigt, in der eine Abstützfunktion für die brechbare Matrize der Vorrichtung erfüllt. In der Darstellung unten ist der Ring 360 nach einem Zünden des Aktuators gezeigt, in der der Ring 360 sich in der zweiten Position befindet, in der er die ausrückbare Matrize nicht mehr abstützt. Wie die Darstellung in 4 zeigt, ist der Ring 360 bei der Bewegung entlang den Innenwänden der Führung 400 gestaucht worden bzw. in der Wand des Führungselementes 400 verkeilt und ist nun in der zweiten Position fixiert.
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5 zeigt in einer vereinfachten Darstellung einen Schnitt durch eine Haltevorrichtung in Form einer zweiten Variante einer Führung bzw. des Führungselementes 400 für die ringförmige Abstützeinrichtung 360. Die Darstellung in 5 gleicht der in 4 mit dem Unterschied, dass hier der trichterförmige Verlauf der Innenwand in einer Rastnase 410 endet. Der Ring 360 wird bei der Bewegung von der ersten in die zweite Position über diese Rastnase 410 hinaus gedrückt und von dieser an einer Bewegung zurück in die erste Position bzw. Ruhelage gehindert und somit in der zweiten Position fixiert.
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6 zeigt eine perspektivische Darstellung der als Ring ausgebildeten ausrückbaren Matrize 350 der adaptiven Crashstruktur aus 3A und 3B, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das in der Darstellung gezeigte Ausführungsbeispiel der Ausrückmatrize 350 weist drei Sollbruchstellen auf, die die Ausrückmatrize 350 in drei gleich große Segmente unterteilen. Wird die auf die ausrückbare Matrize 350 wirkende abstützende Kraft entfernt, indem die Abstützeinrichtung aus der ersten in die zweite Position bewegt wird, so kann die ausrückbare Matrize 350 entlang der Sollbruchstellen brechen. Die einzelnen Segmente der ausrückbaren Matrize 350 können anschließend radial nach außen verschoben werden, wodurch sich der Innendurchmesser der ausrückbaren Matrize 350 vergrößert.
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7 zeigt in einer detailgenaueren Ansicht Beispiele verschiedener Typen von Zündpillen, die in der adaptiven Crashstruktur aus 3A und 3B verwendet werden können. Beispielsweise können jeweils drei Zündpillen eines Typs ringförmig und gleichmäßig beabstandet in der erfindungsgemäßen Vorrichtung angeordnet sein. Die Zündpillen können vom jeweiligen Hersteller bezogen und in die Vorrichtung installiert werden.
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Die anhand der im Vorhergehenden gezeigten Figuren erläuterten Strukturen oder Vorrichtungen können ebenso für das Fahrzeugheck verwendet werden, auch wenn hierin insbesondere ein Einsatz im Vorderwagen betrachtet wurde. Eine gemäß dem hier vorgestellten Ansatz hergestellte adaptive Crashstruktur ist an der Fahrzeugkarosserie befestigt.
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8 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Ablaufdiagramms 800 eines Verfahrens zum Einstellen einer Steifigkeit einer adaptiven Crashstruktur, wie sie beispielsweise anhand des Ausführungsbeispiels aus 3A und 3B beschrieben ist.
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In einem ersten Schritt 810 wird eine Information über eine Aufprallenergie empfangen, beispielsweise in Form eines Aufprallschweresignals, das z. B. von einem Beschleunigungssensor eines Fahrzeugs bereitgestellt wird, in den die oben genannte Vorrichtung installiert ist. In einem nachfolgenden Schritt 820 wird z. B. mittels eines geeigneten Algorithmus eine der Aufprallenergie zugeordnete Aufprallschwere mit einem hinterlegten Aufprallschwereschellwert verglichen, um im Fall des anhand der 3A und 3B erläuterten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung festzustellen, ob die ermittelte Aufprallschwere den Aufprallschwereschwellwert unterschreitet oder nicht. Ergibt der Vergleich in Schritt 820, dass die Aufprallschwere den Aufprallschwereschwellwert unterschreitet, fährt das Verfahren mit einem Schritt 830 fort, in dem ein Aktivierungssignal zum Zünden des pyrotechnischen Aktuators bereitgestellt wird, um die Steifigkeit der Vorrichtung zu reduzieren. Ergibt hingegen der Vergleich in Schritt 820, dass die ermittelte Aufprallschwere den Aufprallschwereschwellwert nicht unterschreitet, fährt das Verfahren mit einem Schritt 840 fort, in dem das Bereitstellen des Aktivierungssignals zum Zünden des pyrotechnischen Aktuators unterdrückt wird. Entsprechend verbleibt eine Abstützeinrichtung in der ersten Position, und die Vorrichtung bleibt somit auf die hohe Steifigkeit eingestellt. Die Schritte 810 und 820 können gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens 800 in einem Airbagsteuergerät des Fahrzeugs durchgeführt werden. Entsprechend erfolgt der Schritt 830 basierend auf einem Signal des Airbagsteuergeräts.
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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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