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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Deformationsbauteil, insbesondere für eine Fahrzeuginterieuranordnung, das ein erstes Element, das eine bei einem Aufprall deformierbare Aufprallfläche stützt, und ein zweites Element aufweist.
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Stand der Technik
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Deformationsbauteile der eingangs genannten Art finden bei der Verkleidung von Kraftfahrzeuginnenräumen breite Anwendung.
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Bei der Gestaltung von Kraftfahrzeuginnenräumen müssen einige Vorschriften bezüglich passiver Sicherheit eingehalten werden, um eine Zulassung der Fahrzeuge in den Zielmärkten zu erhalten. So zum Beispiel sind Grenzwerte in Bezug auf auftretende Kräfte und Beschleunigungen bei einem Aufprall von Körperteilen auf Innenverkleidungen vorgegeben. Grundlage dafür bietet das Übereinkommen der Wirtschaftskommission für Europa der Vereinigten Nationen (Economic commission for Europe, ECE). Die ECE-Regelungsnummer 21 betrifft die Innenausstattung und beschreibt die Prüfung bezüglich eines Kopfaufpralls auf Fahrzeuginnenverkleidungen. Ein Prüfkörper mit einem Durchmesser von 165 mm und einem Gewicht von 6,8 kg, der mit einer Geschwindigkeit von 24,1 km/h auftrifft, dient zur Überprüfung der Energieaufnahme in definierten Aufschlagpunkten im Kopfaufschlagsbereich. Für einen Zeitraum von mehr als 3 ms darf eine Verzögerung (Beschleunigung) von 80g nicht überschritten werden.
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Auf ähnliche Weise stellt der Federal Motor Vehicle Safety Standard (FMVSS) die Mindestanforderungen dar, die an Bauteile in Kraftfahrzeugen in den USA gestellt werden. Die FMVSS-Regelungsnummer 208 betrifft den Knieaufprall, wo einerseits die auftretenden Ober- und Unterschenkelkräfte begrenzt sein müssen und andererseits auch die Intrusion eines Dummy-Knies bestimme Werte nicht überschreiten darf, da sich sonst andere Verletzungswerte, wie zum Beispiel Nackenschubkräfte, durch eine ungünstige Kinematik des Dummys verschlechtern könnten.
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Um die verschiedenen Anforderungen zu erfüllen und die Vorschriften einzuhalten, werden im Entwicklungsstadium der Interieurbaugruppen Analysen basierend auf der Methode der finiten Elemente durchgeführt. Ausgehend von diesen Analysen werden Maßnahmen zur Änderung der Bauteile abgeleitet. So zum Beispiel können die Wandstärke und das Material verändert werden und Rippenbildner und Ausklinkungen hinzugefügt und speziell gestaltet sein.
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Beispiele eines Deformationselements gemäß dem Stand der Technik finden sich in der
US 5 927 786 A Hier sind Verstärkungsrippen unter einer Abdeckung vorgesehen, die zunächst starken Widerstand gegen eine Deformation der Abdeckung leisten und sich bei Überschreiten einer gewissen Kraft verformen und nachgeben. Diese Verstärkungsrippen können zum Beispiel mit senkrechten Ausläufern versehen sein, die entlang des Fahrzeugrahmens gleiten. Ebenso ist die Möglichkeit aufgezeigt, dass die Verstärkungsrippen zunächst auf den Fahrzeugrahmen gedrückt werden und dann durch Deformierung der Oberfläche, an der sie angebracht sind, verschoben werden und dann an dem Fahrzeugrahmen entlang gleiten.
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Derartige Deformationselemente haben sich bewährt. Jedoch sind weitere Verbesserungen nötig, um eine Verzögerung für eine bestimmte Aufschlagstelle auf den gesetzlich erforderlichen Wert zu begrenzen und die Sicherheit der Insassen weiter zu erhöhen. Insbesondere bei Stellen, die wenig Bauraum zwischen dem Verkleidungsteil und einem starren Bauteil, wie zum Beispiel dem Fahrzeugrahmen, zulassen, ist es nicht ausreichend, das Deformationsbauteil, das den Aufprall des Insassen abfedern soll, sehr weich und nachgiebig zu gestalten. Im Fall eines besonders nachgiebigen Deformationsbauteils würde ein Körperteil im Fall eines Aufpralls zu weit eindringen und bis zu der darunterliegenden starren Struktur, wie zum Beispiel der Tragstruktur der Instrumententafel, durchdringen können. Dabei könnte es zu einem harten Aufprall bei zu hohen Verzögerungswerten kommen.
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Die
DE 10 2008 062 501 A1 offenbart eine Energieabsorptionsvorrichtung zum Aufnehmen unfallbedingter Kräfte für einen Kraftwagen, welche ein mehrkammeriges Profil aufweist und bei unfallbedingter Kraftbeaufschlagung unter Deformation wenigstens einer Kammer gezielt verformbar ist.
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Des Weiteren ist in der
AT 501 690 A1 ein Knautschelement für ein Fahrzeug offenbart, das ein zwischen zwei Abschlussplatten angeordnetes Profilteil in Form eines röhrenförmigen Kastens aufweist, wobei ein parallel zur Längsrichtung des Profilteils angeordnetes Führungselement vorgesehen ist.
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Die
US 6 302 477 B1 offenbart eine Aufprallabsorptionseinrichtung für ein oberes Teil einer Karosserie eines Kraftfahrzeugs mit einem Strukturelement, das sich in die Längsrichtung erstreckt, und einem inneren Verkleidungsteil, das zum Inneren des Wagens angeordnet ist und von dem Strukturelement beabstandet ist, wobei ein Energieabsorber innerhalb dieses Abstandes angeordnet ist.
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Darstellung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Deformationsbauteil bei einfacher Konstruktion dahingehend zu verbessern, dass hohe Verzögerungswerte vermieden werden. Insbesondere bei Stellen mit wenig Bauraum soll das Deformationsbauteil einsetzbar sein.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Deformationsbauteils von Anspruch 1 und durch die Merkmale der Fahrzeuginterieuranordnung von Anspruch 6 gelöst. Besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass ein Widerstand, der von einem Element gegen ein anderes geleistet wird, bzw. ein Kraftfluss, der zunächst zwischen zwei Elementen vorliegt, bei weiterer Deformation unterbrochen wird. Da die Kraft des Impaktors nicht senkrecht auf die Kontaktfläche zwischen einem ersten Element, das eine Aufprallfläche stützt, die deformiert wird, und einem zweiten Element wirkt, kann es ab einer bestimmten Deformation der Aufprallfläche und damit ab einer bestimmten Verschiebung zumindest des ersten Elements zu einer tangentialen Bewegung der Elemente zueinander kommen, was die maximale Verzögerung vermindert. Nachdem die beiden Elemente vollständig abgeglitten sind, wird der Kraftfluss bzw. der Widerstand zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element unterbrochen bzw. aufgehoben, so dass kein Widerstand mehr gegen die Deformation der Aufprallfläche geleistet wird, und die maximale Verzögerung aufgrund des „Ausweichens“ der Elemente weiter herabgesetzt.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Idee ist ähnlich einem Vorgang, der durch Brechen eines einfachen Bauteils aus sprödem Material realisiert werden könnte. Zunächst wird ein Widerstand gegen eine einwirkende Kraft geleistet. Ab einem bestimmten Punkt wird dann jedoch dieser Kraft nachgegeben (was dem Brechen des Bauteils entspricht), wodurch der Widerstand minimiert bzw. aufgehoben wird.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Normalen der Kontaktflächen beider Elemente nicht parallel zur Aufprallrichtung sind. Der Winkel zwischen der ersten bzw. zweiten Kontaktfläche und der Aufprallrichtung beträgt nicht 90° (und auch nicht 0°, da sonst keine Kraftkomponente senkrecht zu den Kontaktflächen wirken würde), er kann aber alle Werte größer als 0° und kleiner als 90° annehmen. Auf diese Weise wird ermöglicht, dass eine Aufprallkraft, die eine Komponente parallel zu der ersten und zweiten Kontaktfläche aufweist, von dem ersten Element auf das zweite Element übertragen wird. Das zweite Element, das mit einer weniger stark nachgiebigen Struktur in Verbindung ist, hält dieser Kraft entgegen. Durch eine weitere Deformation der Aufprallfläche und damit einer weiteren Verschiebung zumindest des ersten Elements nimmt die Kraftkomponente parallel zu den Kontaktflächen zu und es kommt zum Abgleiten bzw. Abrutschen der Elemente. Die Elemente können so einander ausweichen. Die Kraftübertragung wird unterbrochen und das zweite Element leistet im Wesentlichen keinen Widerstand mehr gegen das erste Element bzw. die Deformation der Aufprallfläche. Dies führt dazu, dass der Impaktor weniger stark abgebremst wird und die maximalen Verzögerungswerte damit begrenzt werden.
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Wenn die Kontaktflächen senkrecht zur Aufprallrichtung angeordnet wären, würde kein Abrutschen „provoziert“ werden und ein Ausweichen der Elemente würde nicht oder nicht ausreichend frühzeitig stattfinden.
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Das erste und zweite Element können bei einer Deformation der Aufprallfläche an einer Kontaktfläche in gegenseitigem Kontakt sein, sie können aber auch vor der Deformation der Aufprallfläche außer Kontakt sein und erst durch die Deformation in Kontakt kommen. Ferner ist zumindest das erste Element durch eine Deformation der Aufprallfläche verschiebbar, aber es ist nicht ausgeschlossen, dass auch das zweite Element dadurch geringfügig verschoben bzw. bewegt wird.
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Vorzugsweise sind die erste und zweite Kontaktfläche vor der Deformation der Aufprallfläche zueinander beabstandet angeordnet. Damit bietet das zweite Element anfänglich keinen Widerstand gegen das erste Element. Dadurch wird die Verzögerung des Impaktors zu Beginn des Auftreffens gering gehalten, was ein anfänglich besonders weiches Abbremsen des Impaktors ermöglicht.
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Vorzugsweise sind die erste und zweite Kontaktfläche so angeordnet, dass sie bei einer Deformation der Aufprallfläche zunächst ohne Relativbewegung zueinander in statischem Kontakt stehen. Dadurch kann frühzeitig ausreichend kinetische Energie des Impaktors abgebaut werden, da das zweite Element dem ersten Element nicht ausweicht, wodurch es zu einem hohen Widerstand und damit zu einer starken Verzögerung des Impaktors kommt.
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Weiter vorzugsweise sind die erste und zweite Kontaktfläche so angeordnet, dass sie bei einer Deformation der Aufprallfläche in Gleitkontakt kommen, nachdem sie zunächst in statischem Kontakt waren. Dadurch, dass sich das erste und zweite Element tangential zueinander bewegen, gibt das Deformationsbauteil dem Impaktor im Vergleich zu dem statischen Kontakt stärker nach, wodurch die ausgeübte Verzögerung abgeschwächt wird.
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Das erste und das zweite Element sind jeweils als Arm ausgebildet. Dies ermöglicht insbesondere einen ausreichenden Hohlraum um die Elemente herum und ein verbessertes Abgleiten und Ausweichen der Elemente.
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Das erste Element und das zweite Element sind als Arme ausgebildet und so angeordnet, dass die Längsrichtungen beider Arme im Wesentlichen auf einer Geraden liegen. Diese Anordnung führt zu einer zeitlich beziehungsweise deformationsabhängigen optimalen maximalen Verzögerung und einem ausreichend hohen Widerstand gegen die Deformation.
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Die Herstellung des Deformationsbauteils kann durch ein Spritzguss- oder Druckgusss-Verfahren erfolgen, wodurch eine einfache Herstellung möglich ist. Insbesondere können das erste und zweite Element integral mit dem jeweiligen Teil der Fahrzeuginterieuranordnung hergestellt sein, sodass keine zusätzlichen Bauteile gefertigt werden müssen.
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Eine Fahrzeuginterieuranordnung mit zumindest einem erfindungsgemäßen Deformationsbauteil ermöglicht eine sichere Beförderung von Insassen auch im Falle von begrenztem Raum zwischen dem Verkleidungsteil und dem darunter befindlichen starren Bauteil.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung noch näher ersichtlich werden.
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Figurenliste
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- 1 zeigt ein Deformationsbauteil einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2a zeigt ein Deformationsbauteil einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Ausgangslage;
- 2b zeigt das Deformationsbauteil von 2a nach Schließen des Kraftflusses;
- 2c zeigt das Deformationsbauteil von 2b während einer tangentialen Bewegung des ersten und zweiten Elements;
- 2d zeigt das Deformationsbauteil von 2c nach Unterbrechung des Kraftflusses;
- 3 zeigt ein Deformationsbauteil gemäß der vorliegenden Erfindung, das als Spritzgussbauteil ausgebildet ist.
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Ausführliche Beschreibung
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend ausführlich unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt ein Deformationsbauteil 1 mit einem ersten Element 2, das eine Aufprallfläche 3 stützt, und einem zweiten Element 4. Durch eine geeignete Gestaltung der Verbindung zwischen dem ersten Element 2 und der Aufprallfläche 3 werden durch den Impaktor ausgeübte Aufprallkräfte auf das erste Element 2 übertragen. Das erste 2 und zweite 4 Element kommen bei der gezeigten Ausführungsform erst bei einer Deformation der Aufprallfläche 3 an einer Kontaktierungsfläche 6 in gegenseitigen Kontakt, unter der die Fläche zu verstehen ist, an der die Kontaktfläche 2a des ersten Elements und die dazu parallele Kontaktfläche 4a des zweiten Elements in Kontakt sind. Dadurch wird eine Kraft von dem ersten Element 2 auf das zweite Element 4 übertragen. Zumindest das erste Element 2 ist durch eine weitere Deformation der Aufprallfläche 3 verschiebbar bzw. relativ zu dem zweiten Element 4 bewegbar, sodass die Kraftübertragung auf das zweite Element 4 bzw. der Widerstand durch das zweite Element 4 unterbrochen werden kann. Dabei ist die Normale der Kontaktierungsfläche 6 bzw. der Kontaktflächen 2a und 4a nicht parallel zur Aufprallrichtung R.
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Die Schnittstelle 5 ermöglicht die Verbindung zu einer starren Tragstruktur. Das zweite Element 4 ist direkt oder indirekt mit dieser Struktur in Verbindung und abseits der Aufprallfläche 3 angeordnet. Ein Hohlraum 7 ist in dem Deformationsbauteil 1 ausgebildet und umgibt das erste 2 und zweite 4 Element.
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In den 2a bis 2d ist die Funktionsweise des Deformationsbauteils 1 und das Verfahren zum Abbremsen eines Impaktors näher beschrieben. 2a zeigt den Zustand, ähnlich wie in 1, in dem das erste Element 2 von dem zweiten Element 4 vor dem Auftreffen des Impaktors und vor der Deformation der Aufprallfläche beabstandet ist. In dieser Ausgangslage sind die Kontaktfläche 2a des ersten Elements und die Kontaktfläche 4a des zweiten Elements nicht in Kontakt. Somit wird keine Kraft auf eine direkte Weise zwischen dem ersten 2 und dem zweiten 4 Element übertragen.
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2b zeigt den Zustand des Deformationsbauteils 1, nachdem das erste Element 2 und das zweite Element 4 aufgrund einer Deformation der Aufprallfläche 3 durch einen Aufprallkörper an den Kontaktflächen 2a und 4a in Kontakt gekommen sind, die eine Kontaktierungsfläche 6 ausbilden. Der Kraftfluss von dem ersten Element 2 zu dem zweiten Element 4 wird geschlossen und Haftreibung tritt an der Kontaktierungsfläche 6 auf. In diesem Zustand kommt es zu keiner Relativbewegung zwischen dem ersten Element 2 und dem zweiten Element 4. Die kinetische Energie des Impaktors wird stark reduziert und somit kann die Gesamtintrusion des Impaktors verringert werden. Das erste 2 und zweite 4 Element sind folglich zunächst in statischem Kontakt.
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Da das erste Element 2 und das zweite Element 4 nicht fest miteinander verbunden sind und sich die Kontaktflächen 2a und 4a in einem Winkel ungleich 90° zur Einfallsrichtung des Impaktors berühren bzw. die Kontaktierungsfläche 6 in einem Winkel ungleich 90° zur Einfallsrichtung des Impaktors steht, kommt es, wenn die Kraftkomponente entlang der Kontaktfläche 2a des ersten Elements 2 die entgegenwirkende Haftreibungskraft überschreitet, zu einem Gleiten des ersten Elements 2 relativ zu dem zweiten Element 4. Diese tangentiale Bewegung des ersten Elements 2 zu dem zweiten Element 4 schreitet während einer zunehmenden Deformation der Aufprallfläche 3 fort. Wie in 2c gezeigt können das erste 2 und das zweite 4 Element, nachdem sich die Gleitbewegung über die Kontaktflächen 2a und 4a erstreckt hat, weiter zu den Längsflächen des ersten Elements 2 und des zweiten Elements 4 gleiten. Dies wird durch eine leichte Abrundung der Kontaktflächen 2a und 4a zu der betreffenden Längsseite des jeweiligen Elements unterstützt.
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2d zeigt den Zustand des Deformationsbauteils 1, nachdem das erste Element 2 von dem zweiten Element 4 abgeglitten ist, wodurch es zu einer Unterbrechung des Kraftflusses kommt. Die zunehmende Stärke der Deformation der Aufprallfläche 3 führt somit zu einer Unterbrechung der Kraftübertragung. Dabei muss der Kontakt des ersten Elements 2 zu dem zweiten Element 4 nicht vollständig unterbrochen sein, ein Gleiten entlang der Längsseiten der Elemente 2 und 4 ohne wesentlichen Widerstand ist denkbar, wenn im Wesentlichen keine Kraftkomponente senkrecht zur Gleitfläche bzw. Kontaktierungsfläche vorliegt. Dadurch kann das erste Element 2 dem zweiten Element 4 „ausweichen“, was eine leichtere Deformation des Deformationsbauteils 1 ermöglicht, da kein Widerstand durch das zweite Element 4 übertragen wird, und somit die maximale Verzögerung weiter herabsetzt. Das erste Element 2 bewegt sich dann durch den Hohlraum 7 in dem Deformationselement 1, ohne von dem zweiten Element 4 Widerstand zu erfahren. Dem ersten Element 2 wird erst dann wieder ein Widerstand entgegengesetzt, wenn es auf die dahinterliegende starre Tragstruktur oder einen Bereich trifft, der speziell zum Aufnehmen bzw. Auftreffen des ersten Elements 2 gestaltet ist.
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Die Stärke der Kraft, bei der eine Unterbrechung des Widerstands zwischen dem ersten Element 2 und dem zweiten Element 4 auftritt, hängt von dem Winkel zwischen der Kontaktierungsfläche 6 bzw. den Kontaktflächen 2a, 4a und der Aufprallrichtung R ab. Je stärker der Winkel zwischen der Aufprallrichtung R und den Kontaktflächen 2a und 4a bzw. der Kontaktierungsfläche 6 von 90° abweicht, desto „früher“ wird die Gleitreibung einsetzen und ein Abrutschen stattfinden. Auch der materialabhängige Haftreibungskoeffizient und der Gleitreibungswert des Materials spielen eine Rolle. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere eine Abweichung von 5 bis 25° von dem 90°-Winkel vorteilhaft ist.
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In der gezeigten Ausführungsform sind das erste 2 und zweite 4 Element jeweils als Arm ausgebildet. Wenn diese wiederum in einem Winkel von annähernd 90° zur Aufprallfläche angeordnet sind, kann eine optimale Stützung der Aufprallfläche 3 erreicht werden. Das erste 2 und zweite 4 Element sind so gestaltet, dass sie unter der Aufpralllast nicht brechen und sich auch nicht wesentlich verformen. Dabei ist der erste Arm, der das erste Element 2 darstellt, wie in der Ausführungsform gezeigt, vorzugsweise nicht mittig bezüglich der Aufprallfläche 3 angeordnet, sondern in einem Außenbereich der Aufprallfläche 3. Dadurch wird eine ausgeprägtere Deformation dieser zugelassen, um die maximalen Verzögerungswerte geringer zu halten.
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Das erste 2 und zweite 4 Element können, insbesondere wenn sie als Arm ausgebildet sind, eine im Wesentlichen übereinstimmende Ausrichtung der Längsrichtungen der Arme aufweisen. Diese anfängliche Anordnung vor einer Deformation der Aufprallfläche 3 kann erhalten bleiben, während es zwischen dem ersten Element 2 und dem zweiten Element 4 zu Haftreibung kommt, wie in 2b gezeigt. Wenn dann eine tangentiale Bewegung des ersten Elements 2 zu dem zweiten Element 4 einsetzt, wird insbesondere das erste Element 2 verschoben, so dass diese Anordnung nicht weiter vorliegen wird.
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In 3 ist ein Deformationsbauteil gezeigt, das durch Spritzgießen hergestellt ist. Alternativ kann das Deformationsbauteil auch durch ein Druckguss-Verfahren gebildet sein. Das Deformationselement kann integral aus einem Formteil hergestellt sein.
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Als Material für ein erfindungsgemäßes Deformationsbauteil 1 kann zum Beispiel ein PC/ABS-Blend oder eine Al- bzw. Mg-Guss- oder -Knetlegierung verwendet werden.
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Mit zumindest einem Deformationsbauteil gemäß der Erfindung kann eine Fahrzeuginterieuranordnung gestaltet sein. So zum Beispiel könnte eine Fahrzeuginterieuranordnung für den Lastfall eines nicht-angegurteten Insassen im Knieaufprallbereich (gemäß FMVSS-Regelungsnummer 208) oder Seitenaufprallbereich (gemäß ECE-Regelungsnummer 95 und FMVSS-Regelungsnummer 214) ein erfindungsgemäßes Deformationsbauteil aufweisen.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt. Der Fachmann wird erkennen, dass das erste Element 2 und das zweite Element 4 in einem beliebigen Winkel zueinander angeordnet sein können. Ebenso kann insbesondere das erste Element 2 an einer zentraleren Stelle oder in einem flacheren Winkel zur Aufprallfläche 3 angeordnet sein. Durch derartige Modifikationen der gezeigten Ausführungsform kann das jeweilige Deformationsbauteil 1 den spezifischen Anforderungen zum Beispiel in Abhängigkeit des Bereichs im Fahrzeug oder des verwendeten Materials angepasst werden. Offensichtlich ist des Weiteren, dass nicht nur ein Paar bestehend aus einem ersten Element 2 und einem zweiten Element 4, sondern mehrere solcher Paare vorgesehen sein können. Auch ist denkbar, dass mehrere erste Elemente 2 auf ein zweites Element 4 treffen.
