-
Die Erfindung betrifft ein Deformationselement zur Absorption kinetischer Energie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine aus mehreren derartigen Elementen hergestellte Einheit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 14.
-
Bewegte Körper besitzen in Abhängigkeit ihrer Geschwindigkeit und Masse eine bestimmte kinetische Energie, die im Falle einer Kollision mit anderen bewegten oder feststehenden Körpern ein hohes Maß an Schadpotential in sich birgt. Besondere Bedeutung kommt diesem Umstand bei Luft- und Kraftfahrzeugen zu, bei denen eine Kollision nicht nur zu Sachschäden führt, sondern in den meisten Fällen auch Personen betroffen sind. Entsprechendes gilt für besondere technische Komponenten wie zum Beispiel Treibstofftanks, Akkumulatoren, Steuerungsgeräte und dergleichen, von denen bei einer Kollision ein hohes zusätzliches Gefahrenpotential ausgeht.
-
Zum Schutz von Personen und technischer Ausrüstung besteht eine bekannte Maßnahme darin, die kinetische Energie der Kollisionspartner gezielt in Verformungsenergie umzuwandeln. So ist aus der
DE 101 07 873 A1 ein Deformationselement für Kraftfahrzeuge bekannt mit zwei im Querschnitt U-förmigen Tragelementen, deren einander zugewandte Schenkelpaare einen Raum zur Aufnahme eines Deformationskörpers umschließen. Die Schenkel der sich gegenüberliegenden Tragelemente sind überlappend aneinander vorbeigeführt, so dass bei einem Aufprall der Abstand und damit der Raum zwischen den Tragelementen verkleinert wird. Damit einher geht eine Stauchung des Deformationskörpers, bei der schädliche kinetische Energie durch Verrichten von Umformungsarbeit verbraucht wird. Als Nachteil derartiger Deformationselemente erweist sich deren über den gesamten Verformungsweg material- und/oder konstruktionsbedingt konstanter Verformungswiderstand. Ein solches Deformationselement leistet daher nur für den spezifischen Auslegungslastfall eine optimale Dämpfungswirkung, in allen anderen Fällen bleibt das Dämpfungselement hinter der optimalen Dämpfungswirkung zurück mit der Folge höherer Belastungen und Schäden.
-
Um diesen Mangel zu beheben, sind auch schon Dämpfungssysteme bekannt, bei denen mehrere Deformationselemente mit unterschiedlichen Deformationswiderständen in Deformationsrichtung gestaffelt angeordnet sind. Bei leichten Kollisionen verformt sich daher lediglich der Bereich mit geringem Verformungswiderstand, während bei schweren Kollisionen beide Deformationselemente nacheinander verformt werden. Ein Beispiel hierfür ist in der
DE 44 32 082 A1 beschrieben. Obgleich damit bereits eine an die Unfallschwere angepasste Energieabsorption möglich ist, wird bei starken Kollisionen der Verformungsweg nicht optimal zur Energieabsorption genutzt, da aufgrund des verhältnismäßig niedrigeren Kraftniveaus über den Verformungsweg des Deformationselements mit geringerem Verformungswiderstand eine vergleichsweise geringe Verformungsarbeit geleistet wird.
-
Aus diesem Grund sind auch schon Prallkörper entwickelt worden, deren Verformungswiderstand aktiv und individuell auf ein bevorstehendes Unfallereignis eingestellt werden kann. So offenbart die
DE 197 45 656 A1 einen Pralldämpfer mit einem in Aufprallrichtung verschieblichen rohrförmigen Deformationskörper und einem ortsfest an der Karosserie angeordneten, im Verformungsraum des Deformationskörpers liegenden Sperrteil. Das Sperrteil kann aktiv unterschiedlich weit in den Deformationsraum bewegt werden, so dass das Maß der Verformung und damit der Betrag der geleisteten Verformungsarbeit einstellbar ist. Eine Steuerungseinheit erfasst dabei die unfallrelevanten Daten und ermittelt daraus die Unfallschwere, in deren Abhängigkeit das Sperrteil angesteuert wird.
-
Gegenstand der
DE 196 33 110 A1 ist ein Pralldämpfer für Kraftfahrzeuge, der zwischen Fahrzeuglängsträger und Stoßfänger angeordnet ist. Der Pralldämpfer umfasst zwei Deformationskörper mit jeweils unterschiedlichem Verformungswiderstand. In Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit werden dabei lediglich ein oder gegebenenfalls auch beide Deformationskörper in den Verformungsweg des Pralldämpfers gebracht.
-
Mit diesen Lösungen lässt sich somit ein Pralldämpfer bereits im Vorfeld eines Unfallereignisses auf die zu erwartende Unfallschwere einstellen, so dass der konstruktiv zur Verfügung stehende Deformationsweg mit dem sich aus dem Verformungswiderstand ergebenden angepassten Kraftniveau bestmöglich zur Energieabsorption ausgenutzt wird. Als nachteilig erweist sich jedoch die konstruktiv aufwändige Bauweise, die die Herstellung solcher Pralldämpfer verteuert und darüber hinaus ursächlich ist für deren verhältnismäßig hohes Gewicht.
-
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Deformationselement zur Absorption kinetischer Energie zu schaffen, das auf die Schwere eines bevorstehenden Unfallereignisses aktiv eingestellt werden kann, ohne jedoch die vorstehend beschriebenen Nachteile bekannter Deformationselemente in Kauf nehmen zu müssen.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Deformationselement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einer daraus hergestellten Einheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst.
-
Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, dass die bei der Verformung eines Deformationskörpers oder dessen Zerstörung durch Brechen die über den Verformungsweg integrierte Verformungskraft proportional zum Betrag der absorbierten Schadenergie ist. Darauf aufbauend sieht die erfindungsgemäße Lösung vor, eine Anpassung eines Deformationselements an die Unfallschwere durch Steuerung der wirksamen Verformungskraft vorzunehmen. Deren Höhe ist wiederum von dem Verformungswiderstand abhängig, den das Deformationselement seiner Verformung oder Zerstörung entgegensetzt. Ein hoher Verformungswiderstand bedingt somit eine hohe wirksame Verformungskraft mit großem Energieabsoptionspotential, ein geringerer Verformungswiderstand eine geringere Verformungskraft mit geringerem Energieabsoptionspotential. Diese Gesetzmäßigkeiten werden von der Erfindung zur Anpassung des Verformungswiderstandes eines Deformationselements an eine individuelle Schadenergie genutzt, indem das Deformationselement von einem ersten unverformten stabilen Zustand mit hohem Verformungswiderstand durch Aufbringung einer Vorverformung in einen zweiten unter Last instabilen Zustand mit einem zweiten niedrigeren Verformungswiderstand gebracht werden kann beziehungsweise umgekehrt.
-
Beim unverformten Deformationselement führt die unfallbedingte Krafteinwirkung zu einer zentrischen Belastung unterhalb der maßgeblichen Knicklast. Das Deformationselement befindet sich somit in einem statisch stabilen Zustand, bei dem die Deformation bzw. Zerstörung mit Überschreiten der auf den Querschnitt bezogenen maximal aufnehmbaren Flächenspannung einsetzt. Dieser Vorgang findet aufgrund des durch den stabilen Zustand des Deformationselements bedingten hohen Verformungswiderstandes auf hohem Kraftniveau statt.
-
Bei einer ersten Variante der Erfindung wird eine Verringerung des Verformungswiderstandes durch Aufbringen einer Vorverformung auf das Deformationselement erreicht. Dadurch wird das Deformationselement in einen unter Last statisch instabilen Zustand versetzt. Die Exzentrizität der einwirkenden Kraft bezogen auf den verformungsbedingt ausgelenkten Querschnitt bewirkt dort neben Normalspannungen zusätzliche Biegespannungen, die bei vergleichsweise niedrigerem Kraftniveau die maximal aufnehmbaren Spannungen übersteigen, mit der Folge einer Deformation bzw. Zerstörung des Deformationskörpers.
-
Bei einer zweiten Variante der Erfindung führt die Vorverformung des Deformationselements im Zusammenwirken mit einer matrizenartigen Prallplatte zu einer Veränderung der zur Lastabtragung wirksamen Querschnittsfläche des Deformationselements. Steht im Kollisionsfall die gesamte Querschnittsfläche des unverformten Deformationselements zur Kraftaufnahme zur Verfügung, so besitzt das Deformationselement einen großen Verformungswiderstand. Wird durch die Vorverformung ein Teil der Querschnittsfläche ausgeblendet, verringert sich dessen Verformungswiderstand.
-
Mit Hilfe einer geeigneten Sensorik zur Erfassung crashrelevanter Daten und einer Auswerte- und Steuereinheit kann im Vorfeld eines Unfallereignisses die Unfallschwere ermittelt und in deren Kenntnis der optimale Verformungswiderstand erfindungsgemäßer Deformationselemente situationsabhängig eingestellt werden. So ist es möglich, durch geeignete Wahl des Verformungswiderstandes bei bekanntem Verformungsweg das sich bei der Deformation einstellende Kraftniveau an die Unfallschwere anzupassen.
-
Jede Art der Vorverformung ist im Sinne der Erfindung geeignet, sofern sich dadurch das Lastabtragungsvermögen des Deformationselements steuern lässt. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sehen eine Vorverformung durch Krümmungsänderung flächenförmiger Deformationselemente, Einschnürung/Auswölbung hohlzylindrischer Deformationselemente oder Torsion von Längsprofilen als Deformationselemente vor.
-
Flächenförmige Deformationselemente zeichnen sich aufgrund ihrer Geometrie und ihres spezifischen Tragverhaltens durch einen verhältnismäßig niedrigen Verformungswiderstand im instabilen Zustand aus. Einzelne flächenförmige Deformationselemente eignen sich daher insbesondere zur Absorption kinetischer Energie aus weniger schweren Kollisionen. Eine Anpassung an Unfälle mit hoher kinetischer Schadenergie erfolgt durch Parallelschaltung mehrerer solcher flächenförmiger Deformationselemente, wobei sich die einzelnen Verformungswiderstände zu einem Gesamtverformungswiderstand summieren. Somit ist der Gesamtverformungswiderstand durch die Aktivierung einer geeigneten Anzahl von Deformationselementen einstellbar. Aufgrund ihrer flächigen, vorzugsweise rechteckförmigen Ausdehnung sind solche Deformationselemente für den gemeinsamen Einsatz mit weiteren gleichartigen Deformationselementen in einer Crashbox prädestiniert.
-
Hohlzylindrische Deformationselemente besitzen aufgrund des geschlossenen Profilquerschnitts sowohl im stabilen als auch instabilen Zustand einen vergleichsweise hohen Verformungswiderstand und lassen sich daher mit Vorteil bei Kollisionen mit hohem Schadpotential einsetzen. Zudem erleichtert die Ausbildung des Deformationselements als Hohlprofil den konstruktiven Anschluss an die übrige, häufig ebenfalls von Hohlprofilen gebildete, Tragstruktur wie zum Beispiel Fahrzeuglängsträger.
-
Deformationselemente, bei denen die mit Last beaufschlagte Querschnittsfläche durch Torsion des Deformationselements um seine Längsachse einstellbar ist, haben den Vorteil, dass der Verformungswiderstand in Abhängigkeit der lastbeaufschlagten Querschnittsfläche zwischen einem Minimalwert und Maximalwert differenziert einstellbar ist, also auch Zwischenwerte annehmen kann. Da derartige Deformationselemente vorteilhafterweise eine ausgeprägte Längserstreckungsrichtung besitzen, ist auch hier der konstruktive Anschluss an die bestehende Tragstruktur besonders gut zu realisieren.
-
Zur Herstellung erfindungsgemäßer Deformationselemente sind grundsätzlich alle Materialien geeignet, die im Zuge ihrer Deformation Energie verbrauchen. Unter Deformation im Sinne der Erfindung ist dabei sowohl die plastische Verformung nach Überschreiten der materialspezifischen Fließgrenze wie zum Beispiel bei Metallen und Metalllegierungen, als auch die Zerstörung durch Auflösen der Materialstruktur zu verstehen.
-
Letztgenanntes Deformationsverhalten zeigen vor allem spröde Materialien wie zum Beispiel Verbundwerkstoffe, insbesondere Faserverbundwerkstoffe, deren Struktur bei Überschreiten der maximal aufnehmbaren Spannung durch Risse und im Weiteren durch Bruchbildung zerstört wird. Die dabei entstehenden unzähligen Materialpartikel führen aufgrund ihrer geringen Größe zu einer extrem großen spezifischen Oberfläche, die für das hohe spezifische Energieaufnahmevermögen von Verbundwerkstoffen im Falle einer Kollision ursächlich ist.
-
In einer einfachen Ausführungsform der Erfindung besteht ein Aktuator aus einem Stellglied, beispielsweise einem Kolben oder Riegel, das in Verformungsrichtung bewegbar und in Kontakt mit dem Deformationselement bringbar ist. Demgegenüber bevorzugt sind jedoch Aktuatoren, die von Fasern, Filamenten oder Rovings gebildet und auf die Oberfläche des Deformationselements appliziert oder in den Querschnitt des Deformationselements integriert sind. Bei flächenförmigen Deformationselementen können die Aktuatoren mit einheitlicher Verteilung über das Flächenelement angeordnet sein, um den Krümmungswechsel schlagartig auszulösen. Zum Aufbringen einer örtlich begrenzten Vorverformung, beispielsweise zur Erzeugung einer Einschnürung in einem Hohlprofil oder Einleitung einer großflächigen Gesamtverformung, ist es auch möglich mehrere Aktuatoren örtlich zu bündeln, so dass es dort zu einer konzentrierten Krafteinleitung kommt.
-
Um eine Krümmung oder Torsion als Vorverformung zu erzeugen, sind die Aktuatoren vorzugsweise exzentrisch zur Profilmittelebene angeordnet, beispielsweise auf der Profiloberfläche und damit außerhalb des Profilquerschnitts. Das Maß der Exzentrizität gibt dabei den wirksamen Hebelarm vor, mit dem die Verformungskraft aus den Aktuatoren auf das Deformationselement einwirkt.
-
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht ein Aktuator aus einer Formgedächtnislegierung oder einer Piezo-Keramik. Diese zeichnen sich durch ihre hohe Dehnung bei kurzen Stellzeiten aus und stehen preisgünstig zur Verfügung. Bei Formgedächtnislegierungen erfolgt die Aktivierung durch Beaufschlagung mit einer Temperaturänderung und bei Piezo-Keramiken mit einer elektrischen Spannung, was zu einer Längenänderung des Aktuators führt, deren Übertragung auf das Deformationselement wiederum die oben beschriebene Vorverformung bewirkt. Andere im Sinne der Erfindung gleichwirkende Aktuatoren liegen ebenfalls im Rahmen der Erfindung.
-
Durch die Anordnung weiterer zweiter Aktuatoren, die den ersten Aktuatoren entgegenwirken, ist es möglich zwischen den unterschiedlichen Verformungszuständen und damit unterschiedlichen Verformungswiderständen hin und her zu schalten. Dies ist insbesondere bei präventiver Anpassung des Deformationselements ohne Eintritt des Unfallereignisses von Bedeutung, um das Deformationselement nach erfolgter Vorverformung in den Ausgangszustand zurückzuversetzen. Bei flächenförmigen Deformationselementen sind die zweiten Aktuatoren zu diesem Zweck vorteilhafterweise auf der den ersten Aktuatoren gegenüberliegenden Oberfläche angeordnet.
-
Die Erfindung wird nachstehend anhand mehrerer in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert, wobei weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung offenbar werden. Für gleiche und funktionsgleiche Merkmale werden dabei gleiche Bezugszeichen verwendet, soweit dies dem besseren Verständnis der Erfindung dient.
-
Es zeigt
-
1 in schematischer Darstellung eine Draufsicht auf den Vorderwagen eines erfindungsgemäß ausgerüsteten Kraftfahrzeugs,
-
2 in schematischer Darstellung eine Seitenansicht auf den Sitzbereich eines erfindungsgemäß ausgerüsteten Luftfahrzeugs, die
-
3a–c unterschiedliche Ansichten auf eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Deformationselements im Zustand mit hohem Verformungswiderstand, die
-
4a–c das in den 3a–c dargestellten Deformationselement im Zustand mit verringertem Verformungswiderstand, die
-
5a, b Ansichten auf eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Deformationselements im Zustand mit hohem Verformungswiderstand, die
-
6a, b das in den 5a und b dargestellte Deformationselement im Zustand mit verringertem Verformungswiderstand, die
-
7 und 8 Schrägansichten auf eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Deformationselements, die
-
9a–c axiale Ansichten auf das in den 7 und 8 dargestellte Deformationselement in unterschiedlichen Betriebszuständen mit jeweils unterschiedlichen Verformungswiderständen,
-
10a eine Ansicht auf eine Crashbox mit mehreren erfindungsgemäßen Deformationselementen entsprechend den 3a bis 3c im Zustand mit einem erhöhten Verformungswiderstand,
-
10b einen Schnitt durch die in 10a dargestellte Crashbox,
-
11a eine Ansicht auf die in 10a dargestellte Crashbox im Zustand mit verringertem Verformungswiderstand und
-
11b einen Schnitt durch die in 11a dargestellte Crashbox.
-
1 zeigt in schematischer Darstellung eine Draufsicht auf einen Vorderwagen eines Kraftfahrzeugs 1. Man sieht als wesentliche Fahrzeugkomponenten eine Fahrgastzelle 2 mit Sitzen 3 zur sicheren Unterbringung der Fahrzeuginsassen, von der aus sich zwei mit seitlichem Abstand und parallel zueinander verlaufende Fahrzeuglängsträger 4 zur Fahrzeugfront erstrecken. Unter Zwischenschaltung erfindungsgemäßer Deformationselemente 5 wird von den Fahrzeuglängsträgern 4 ein Stoßfänger 6 getragen. Mit dem Bezugszeichen 7 sind die Räder des Kraftfahrzeugs 1 bezeichnet, Bezugszeichen 8 deutet dessen Karosserie an. Die bei einer Kollision auftretende Krafteinwirkung auf das Kraftfahrzeug 1 ist durch den Pfeil 9 versinnbildlicht.
-
2 zeigt in stark vereinfachter Darstellung den Sitzbereich eines Luftfahrzeugs 10, beispielsweise eines Helikopters. Es ist mit dem Bezugzeichen 11 der Boden des Luftfahrzeugs 11 angedeutet, auf dem unter Zwischenschaltung eines oder mehrerer erfindungsgemäßer Deformationselemente 5 ein Sitz 12 befestigt ist. Pfeil 9 bezeichnet wiederum die Krafteinwirkung auf das Luftfahrzeug, beispielsweise bedingt durch ein zu hartes Aufsetzen des Luftfahrzeugs 10 bei einer Notlandung.
-
Beide Beispiele machen deutlich, dass die durch eine Kollision bedingte Krafteinwirkung 9 ohne Deformationselemente 5 in vollem Umfang ungehindert auf den die Insassen aufnehmenden Bereich durchschlagen würde. Dies kann durch Deformationselemente 5 verhindert oder zumindest vermindert werden, die im Zuge ihrer Deformation Verformungsarbeit leisten und dabei kinetische Energie absorbieren. Die dabei geleistete Arbeit entspricht dem Integral der für die Deformation ursächlichen Kraft über den Verformungsweg. Da der Verformungsweg durch die Bauart der Fahrzeuge 1, 10 zumeist vorgegeben ist, erfolgt die erfindungsgemäße Anpassung der Deformationselemente 5 an die Intensität der Krafteinwirkung 9 durch Veränderung und Anpassung des Verformungswiderstandes der Deformationselemente 5.
-
Eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform zur Umsetzung dieses Gedankens ist in den 3a bis 4c gezeigt, von denen die 3a bis 3c ein Deformationselement 5 in einem Zustand mit erhöhtem Verformungswiderstand zeigen und die 4a bis 4c in einem Zustand mit verringertem Verformungswiderstand. Die Deformationselemente 5 dieser Ausführungsform werden von Flächenelementen 13 mit damit zusammenwirkenden Aktuatoren 14 gebildet. Ein derartiges Flächenelement 13 besteht vorzugsweise aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer Polymermatrix auf Basis eines Thermo- oder Duroplasten, vorzugsweise auf Basis eines Epoxid- oder Polyersterharzes. Als Faseranteil eignen sich beispielsweise Karbon-, Glas-, Aramid- oder Basaltfasern, die in Form von Fasern, Filamenten oder Rovings vorliegen können und die beispielsweise in geordneter Anordnung Gewebe, Gewirke oder unidirektionale, bidirektionale oder multidirektionale Gelege bilden können oder in ungeordneter Anordnung Vliese. Im Falle mehreren Lagen verlaufen die Faserrichtung benachbarter Lagen vorzugsweise in einem Winkelbereich kleiner 90° zueinander.
-
Als Aktuator 14 wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein faserförmiger Festkörperaktuator bevorzugt, der beispielsweise aus Drähten, Filamenten, Litzen, Seilen oder Rovings einer Formgedächtnislegierung oder einer Piezo-Keramik gebildet sein kann. Jeder Aktuator 14 ist in Richtung der Krafteinwirkung 9 über seine gesamte Länge mit dem Flächenelement 13 verbunden, wozu der Aktuator 14 auf der Oberfläche des Flächenelements 13 appliziert sein kann, beispielsweise durch Kleben, oder ist in das Flächenelement 13 integriert, indem die den Aktuator 14 bildenden Fasern in die Matrix eingebettet sind. In letzterem Fall können die einen Aktuator 14 bildenden Fasern zusammen mit den Fasern des Faserverbundwerkstoffs in der gleichen Art und Weise verarbeitet werden. In beiden Fällen entsteht über die Länge des Aktuators 14 ein kraftschlüssiger Verbund mit dem Flächenelement 13.
-
Ein derart gebildetes Flächenelement 13 besitzt in einem ersten stabilen Zustand eine Form mit einer Krümmung um eine Krümmungsachse parallel zur Krafteinwirkungsrichtung 9, die größer Null ist, und einer Krümmung um eine Krümmungsachse senkrecht zur Krafteinwirkungsrichtung 9, die gleich Null ist. Infolge des sich daraus ergebenden stabilen Zustands zeichnet sich das Flächenelement 13 durch einen verhältnismäßig großen Verformungswiderstand aus, der der Krafteinwirkung 9 eine entsprechend hohe Kraft entgegensetzt.
-
Durch Aktivierung der Aktuatoren 14 kann das Flächenelement 13 vom ersten stabilen Zustand in einen zweiten unter Last instabilen Zustand mit niedrigerem Verformungswiderstand gebracht werden. Im vorliegenden Fall geschieht dies durch Aktivierung der Aktuatoren 14, deren Längenänderung, insbesondere Verkürzung (3a, Pfeile 23), einen Krümmungswechsel bewirkt, der zu einer Krümmung um eine Krümmungsachse senkrecht zur Krafteinwirkungsrichtung 9 größer Null und einer Krümmung um eine Krümmungsachse parallel zur Krafteinwirkungsrichtung 9 gleich Null führt.
-
Durch den Übergang des Flächenelements 13 vom stabilen Zustand in den unter Last instabilen Zustand ändert sich dessen Tragverhalten, was die Erfindung in der beschriebenen Art und Weise zur Anpassung des Deformationselements 5 auf die Schwere eines bestimmten Unfallereignisses nutzt.
-
Die 5a bis 6b betreffen eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Deformationselements 5 mit einem geschlossenen Hohlprofil 15, zum Beispiel einem Rohr, und einem Aktuator 14. Das Hohlprofil 15 besteht wie auch schon das Flächenelement 13 vorzugsweise aus einem Faserverbundwerkstoff, dessen Eigenschaften und Zusammensetzung bereits im Zusammenhang mit dem Flächenelement 13 beschrieben worden ist, so dass das dort Gesagte gilt. Auch der Aktuator 14 entspricht in struktureller Hinsicht dem unter den 3a bis 4c beschriebenen, so dass auch in dieser Hinsicht auf die dortigen Ausführungen verwiesen wird. Der Aktuator 14 gemäß der 5a bis 6b unterscheidet sich davon durch die den Umfang des Hohlprofils 15 umlaufende Anordnung.
-
Die 5a und b stellen wiederum den ersten stabilen Zustand des Deformationselements 5 dar, bei dem das Hohlprofil 15 über seine gesamte Länge einen konstanten Querschnitt aufweist, so dass eine zur Profillängsachse parallele Krafteinwirkung 9 eine über den Querschnitt des Hohlprofils 15 im Wesentlichen einheitliche Flächenpressung hervorruft. Daraus ergibt sich ein verhältnismäßig hoher Verformungswiderstand des Deformationselements 5.
-
Den unter Last instabilen Zustand erreicht das Hohlprofil 15, nachdem der Aktuator 14 eine Vorverformung quer zur Krafteinwirkungsrichtung 9 in Form einer Einschnürung (6a und 6b) auf das Hohlprofil 15 aufgebracht hat. Der sich daraus ergebende exzentrische Lastangriff führt zu einer zusätzlichen Biegebeanspruchung des Hohlprofils 15 mit der Folge eines verringerten Verformungswiderstandes des Deformationselements 5 analog der Ausführungen unter den 3a bis 4c.
-
Eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Deformationselements 5 ist in den 7 bis 9c dargestellt, wobei die 7 und 8 das Deformationselement 5 jeweils in Schrägansichten aus entgegengesetzten Richtungen zeigen. Das Deformationselement 5 wird in dieser Ausführungsform von einem Kreuzprofil 16 gebildet, dessen Schenkel 17 punktsymmetrisch zur Profillängsachse 18 angeordnet sind. Andere offene oder geschlossene Längsprofile sind ebenfalls im Sinne der Erfindung geeignet, sofern ihr Querschnitt von einem rotationssymmetrischen Querschnitt abweicht. Das Kreuzprofil 16 besteht aus einem Faserverbundwerkstoff wie er in den vorbeschriebenen Ausführungsformen schon beschrieben worden ist.
-
Entlang der Längsränder der Schenkel 17, jeweils einheitlich auf der in oder entgegen dem Uhrzeigersinn weisenden Oberseite der Schenkel 17, verlaufen Aktuatoren 14, die in ihrer Struktur ebenfalls denen der vorbeschriebenen Ausführungsformen entsprechen. Aufgrund der exzentrischen Anordnung der Aktuatoren 14 bezüglich der Profilsymmetrieebenen führt deren Aktivierung und dabei Verkürzung zu einer Torsion des Kreuzprofils 16 um die Profillängsachse 18. Das Maß der Torsion kann dabei durch die Anzahl der zu aktivierenden Aktuatoren 14 gesteuert werden.
-
Dem Kreuzprofil 16 liegt in axialer Richtung eine Prallplatte 19 unmittelbar gegenüber, wobei im Zustand vor der Kollision zwischen Kreuzprofil 16 und Prallplatte 19 keine Verbindung besteht, sich das Kreuzprofil 16 also ungehindert relativ zur Prallplatte 19 bewegen kann. Erst bei einem Unfallereignis kommt es zu einem Aufeinandertreffen von Kreuzprofil 16 und Prallplatte 19.
-
Die Prallplatte 19 weist eine der Anzahl der Schenkel 17 des Kreuzprofils 16 entsprechende Anzahl Öffnungen 20 auf. Jede Öffnung 20 setzt sich aus schlitzförmigen Teilöffnungen 20' und 20'' zusammen, die jeweils in radialer Ausrichtung zur Profillängsachse 18 und mit seitlichem Versatz zueinander, sich von einem gemeinsamen äußeren Umfangskreis mit unterschiedlicher radialer Länge und einer mindestens der Schenkel 17 entsprechenden Breite zur Profillängsachse 18 erstrecken. Die Teilöffnungen 20', 20'' ergeben also zusammenhängend die Öffnungen 20, die in der Prallplatte 19 in einheitlichem Umfangsabstand und mit einheitlichem radialem Abstand von der Profillängsachse 18 den radial äußeren Teilbereichen der Schenkel 17 des Kreuzprofils 16 axial gegenüberliegen.
-
Die relative Lage von Kreuzprofil 16 und Prallplatte 19 mit Öffnungen 20 ist in den 9a bis c in unterschiedlichen Stellungen dargestellt. In einer ersten Ausgangsstellung gemäß 9a liegen die Schenkel 17 des Kreuzprofils 16 in einer nicht fluchtenden Stellung neben den Öffnungen 20 der Prallplatte 19, so dass bei einer Kollision von Kreuzprofil 16 und Prallplatte 19 das Kreuzprofil 16 mit seinem gesamten Querschnitt der Krafteinwirkung 9 entgegen wirkt. In diesem Zustand besitzt das Deformationselement 5 folglich seinen maximalen Verformungswiderstand.
-
Aus 9b geht ein zweiter Zustand des Deformationselements 5 hervor, bei dem das Kreuzprofil 16 durch Aktivierung der Aktuatoren 14 eine erste torsionsförmige Vorverformung erhalten hat. Durch diese Vorverformung fluchten die Teilöffnungen 20' mit den Schenkeln 17, so dass bei einer Kollision der mit den Teilöffnungen 20' radial überlappende Teil der Schenkel 17 nicht mehr unmittelbar zur Lastabtragung beitragen kann. Aufgrund des bei der Lastabtragung verminderten aktiven Restquerschnitts des Kreuzprofils 16 weist das Deformationselement 5 in diesem Zustand einen verminderten Verformungswiderstand auf.
-
9c zeigt schließlich einen Zustand des Deformationselements 5, bei dem das Kreuzprofil 16 durch Zuschaltung weiterer Aktuatoren 14 eine gegenüber 9b stärkere Torsion erfahren hat. Auf diese Weise fluchten die Schenkel 17 axial mit den Teilöffnungen 20''. Aufgrund deren größerer radialer Erstreckung wird der zur Lastabtragung verfügbare Querschnitt des Kreuzprofils 16 weiter reduziert, womit eine weitere Verringerung des Verformungswiderstandes des Deformationselements 5 einhergeht.
-
Soll ein erfindungsgemäßes Deformationselement 5 gemäß der 3a bis 9c aus seinem vorverformten zweiten Zustand wieder zurück in den ersten unverformten Zustand gebracht werden, beispielsweise wenn das Unfallereignis nicht eintritt, so kann dies unter Ausnutzung der dem Material des Deformationskörper 5 inhärenten elastischen Rückstellkräfte erreicht werden, die nach Deaktivierung der Aktuatoren 14 die Rückstellung besorgen.
-
Alternativ hierzu ist die Anordnung zweiter – nicht dargestellter – Aktuatoren möglich, die durch geeignete Anordnung den ersten Aktuatoren 14 entgegenwirken. Bei dem in den 3a bis 4c gezeigten Flächenelement 13 würden solche zweite Aktuatoren senkrecht zu den ersten Aktuatoren 14 an der gegenüberliegenden Seite angeordnet sein. In Verbindung mit dem Hohlprofil 15 gemäß den 5a bis 6b kann durch parallele Anordnung zweiter sich bei Aktivierung längende Aktuatoren, eine Rückstellung des Hohlprofils 15 erreicht werden. Ein tordiertes Kreuzprofil 16, wie in den 7 und 8 dargestellt, lässt sich mit zweiten Aktuatoren rückstellen, die auf der den ersten Aktuatoren 14 gegenüberliegenden Seite der Schenkel 17 angeordnet sind.
-
Zur Aufnahme der bei einem Unfallereignis auftretenden Schadenergie können die Deformationselemente 5, wie sie unter den 3 bis 9 im Einzelnen beschrieben sind, einzeln verwendet oder parallel oder in Serie geschaltet und zu einer Einheit zusammengefasst sein. Letztgenannte Variante ist Gegenstand der 10a bis 11b, die eine Crashbox 21 einmal im stabilen Zustand mit erhöhtem Verformungswiderstand (10a, b) und einmal im instabilen Zustand mit verringertem Verformungswiderstand (11a, b) zeigen.
-
Die Crashbox 21 besitzt ein Gehäuse 22, das in den 11a und 12a zum besseren Verständnis der Erfindung transparent dargestellt ist. Innerhalb des Gehäuses 22 sieht man eine Anzahl parallel ausgerichteter Deformationselemente 5 in Form von Flächenelementen 13, wie sie unter den 3a bis 4c beschrieben sind. Andere Deformationselemente 5 in Gestalt von Hohlprofilen 15, Kreuzprofilen 16 und dergleichen sind ebenfalls zur Integration in eine Crashbox 21 geeignet.
-
Die Deformationselemente 5 einer Crashbox 21 sind unabhängig voneinander ansteuerbar, so dass durch die Auswahl der Anzahl zu aktivierender Deformationselemente 5 der Verformungswiderstand einer Crashbox 21, der sich aus der Summe der einzelnen Verformungswiderstände der Deformationselemente 5 zusammensetzt, differenziert einstellbar ist.
-
Bei Verwendung mehrerer erfindungsgemäßer Crashboxen 21 ist es auch möglich, die Deformationselemente 5 einer Crashbox 21 in einen Zustand mit einheitlichem Verformungswiderstand zu schalten und die Anpassung an ein Unfallereignis dadurch zu erreichen, dass Deformationselemente 5 unterschiedlicher Crashboxen 21 einen unterschiedlichen Verformungswiderstand aufweisen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 10107873 A1 [0003]
- DE 4432082 A1 [0004]
- DE 19745656 A1 [0005]
- DE 19633110 A1 [0006]
