DE102012221438A1

DE102012221438A1 - Einheit zum Absorbieren einer Aufprallenergie und Verfahren zum Einstellen einer Steifigkeit der Einheit

Info

Publication number: DE102012221438A1
Application number: DE201210221438
Authority: DE
Inventors: Stephan Loosen; Steffen Derhardt; Martin Katzschmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-11-23
Filing date: 2012-11-23
Publication date: 2014-06-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine adaptive Einheit (102) zum Absorbieren einer Aufprallenergie, wobei die Einheit (102) eine erste Struktur (500) und eine zweite Struktur (502) aufweist. Die erste Struktur (500) ist fluidgefüllt und weist eine Ausströmöffnung (506) zum Ausströmen von Fluid aus der ersten Struktur (500) auf, wobei ein Öffnungsquerschnitt der Ausströmöffnung (504, 308) eine erste Steifigkeit der ersten Struktur (500) beeinflusst. Die zweite Struktur (502) weist eine zweite Steifigkeit auf und ist in einen gemeinsamen Energieaufnahmepfad mit der ersten Struktur (500) geschaltet.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine adaptive Einheit zum Absorbieren einer Aufprallenergie durch eine Verkürzung der Einheit, auf ein Verfahren zum Einstellen einer Steifigkeit einer adaptiven Einheit sowie auf ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
In modernen Fahrzeugen werden zur Erhöhung der Fahrzeuginsassensicherheit zunehmend Aufpralldämpfer mit unterschiedlicher Steifigkeit verwendet. Die EP 1 792 786 A2 beschreibt eine Crashbox mit einem Deformationsprofil.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung eine adaptive Einheit zum Absorbieren einer Aufprallenergie, ein Verfahren zum Beeinflussen einer Steifigkeit einer adaptiven Einheit sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Bei einer Kollision zwischen zwei Objekten werden die Objekte ruckartig abgebremst. Wenn die Kollision als elastischer Stoß erfolgt, dann bleibt der Gesamtimpuls der beiden Objekte konstant. Beispielsweise prallen zwei gleiche Objekte so aufeinander, dass der Impuls des einen Objekts auf das andere Objekt übertragen wird, und umgekehrt. Die dabei auftretenden Beschleunigungskräfte sind sehr groß. Erfolgt die Kollision als plastischer Stoß, so werden zumindest Teile des Gesamtimpulses in einer Verformung der Objekte abgebaut. Im Extremfall wird der Gesamtimpuls vollständig abgebaut und die Objekte ruhen nach dem Ende der Kollision. Die auftretenden Beschleunigungskräfte sind abhängig von einer Strecke, über die die Deformation erfolgt. Sind die Objekte reale Objekte, so erfolgt die Kollision als Mischform zwischen elastischem und plastischem Stoß.
Bei einem Fahrzeug kann eine Grundstruktur des Fahrzeugs mit verformbaren Elementen ergänzt werden, um die Energie eines Aufpralls des Fahrzeugs auf ein Objekt zu absorbieren. Ist das Objekt ein anderes Fahrzeug oder ein festes, hartes Objekt, beispielsweise eine Wand, dann kann das vom Aufprall betroffene Element oder die vom Aufprall betroffenen Elemente die Energie des Aufpralls so absorbieren, dass ein guter Schutz für Insassen des Fahrzeugs gewährleistet ist. Ist das Objekt jedoch ein leichtes Objekt, das wenig Widerstand bieten kann, beispielsweise ein Mensch, so wird bei dem Aufprall wenig Energie freigesetzt. Die wenige Energie reicht nicht aus, ein für den Aufprall auf ein anderes Fahrzeug ausgelegtes Element wesentlich zu verformen. Daher wird die Energie weitgehend im leichten Objekt absorbiert, bzw. dieses wird zusätzlich beschleunigt. Dabei kann das Objekt, hier der Mensch, schwere Schäden davontragen.
Daher kann ein Element oder eine Einheit zum Absorbieren von Aufprallenergie so gestaltet werden, dass das Element bzw. die Einheit auf eine Einstellung „hart“ eingestellt werden kann, um große Mengen Aufprallenergie absorbieren zu können, und auf eine Einstellung „weich“ eingestellt werden, um auch kleine Mengen Aufprallenergie absorbieren zu können, ohne größere Schäden am Objekt hervorzurufen.
Das Einstellen einer Energieabsorptionsrate des Elements über einen großen Bereich kann durch eine Kontrolle eines Innendrucks eines fluidgefüllten Volumens erfolgen, das bei einem Aufprall komprimiert wird.
Es wird eine adaptive Einheit zum Absorbieren einer Aufprallenergie vorgestellt, wobei die Einheit die folgenden Merkmale aufweist:
eine fluidgefüllte erste Struktur mit einer Ausströmöffnung zum Ausströmen von Fluid aus der ersten Struktur, wobei ein Öffnungsquerschnitt der Austrittsöffnung eine erste Steifigkeit der ersten Struktur beeinflusst; und
eine zweite Struktur, die eine zweite Steifigkeit aufweist und in einen gemeinsamen Energieaufnahmepfad mit der ersten Struktur geschalten ist, wobei sich insbesondere die erste Steifigkeit von der zweiten Steifigkeit unterscheidet.
Es wird ein Verfahren zum Einstellen einer Steifigkeit einer adaptiven Einheit vorgestellt, wobei das Verfahren den folgenden Schritt aufweist:
Betätigen einer Armatur an einer Ausströmöffnung aus einer fluidgefüllten ersten Struktur der adaptiven Einheit, um eine erste Steifigkeit der ersten Struktur zu beeinflussen, wobei die erste Struktur in einen gemeinsamen Energieaufnahmepfad mit einer zweiten Struktur geschalten ist, die eine zweite Steifigkeit aufweist.
Unter einer Aufprallenergie kann ein, aufgrund beispielsweise eines Aufpralls eines Fahrzeugs auf einen Gegenstand (oder umgekehrt), in die Einheit eingeleiteter Impuls verstanden werden. Unter einer Verkürzung kann eine Verringerung eines Abstands zwischen einem Einleitungspunkt der Aufprallenergie in die Einheit und einem Ausleitungspunkt zumindest eines Teils der Aufprallenergie aus der Einheit verstanden werden. Unter einer Verkürzung kann hier auch das Ergebnis einer Verringerung einer Gesamtlänge der Einheit verstanden werden. Die Verkürzung kann eine lineare Bahn, beispielsweise in einer Haupterstreckungslinie der Einheit, aufweisen. Die Verkürzung kann teilweise elastisch erfolgen. Die Aufprallenergie kann zumindest zu einem Teil über eine Formänderungsarbeit absorbiert, mittels eines Pressens eines Fluids durch einen Strömungswiderstand und/oder in eine Erwärmung der Einheit umgewandelt werden. Eine fluidgefüllte Struktur kann ein Element mit einem veränderlichen Volumen sein, das mit einem Fluid, beispielsweise einer Flüssigkeit, gefüllt ist. Das Fluid kann eine geringe Kompressibilität aufweisen, insbesondere kann das Fluid inkompressibel sein. Beispielsweise kann das Fluid flüssig, gelartig oder pastös sein, oder aus einer Vielzahl von kleinteiligen festen Elementen bestehen, insbesondere die sich in ihrer Gesamtheit wie eine Flüssigkeit verhalten. Eine Ausströmöffnung kann eine Leitung oder ein Kanal sein. Beispielsweise kann die Ausströmöffnung eine Bohrung bzw. ein Durchgangsloch durch eine Außenwand der ersten Struktur sein. Eine Armatur kann ein Bauelement zum Absperren, Steuern oder Regeln der Ausströmöffnung für das Fluid sein. Beispielsweise kann die Armatur eine Berstscheibe sein. Insbesondere kann die Armatur ein Ventil oder eine Klappe sein. Die Armatur kann von einem Antrieb ansprechend auf ein Signal (teilweise) geöffnet bzw. (teilweise) geschlossen werden. Ein Öffnungsquerschnitt kann veränderlich sein, muss es aber nicht zwingend sein. Der Öffnungsquerschnitt kann eine Querschnittsfläche der Ausströmöffnung in der Armatur sein. Unter einer Steifigkeit kann ein mechanischer Widerstand verstanden werden, der überschritten werden muss bzw. sollte, um die Einheit zu verkürzen. Eine zweite Struktur kann ein Energieabsorptionselement sein, das auf einer Verformung bzw. einer Umformung von duktilem Material beruht. Beispielsweise kann die zweite Struktur ein Rohr sein, das von der Aufprallenergie durch eine Matrize gepresst werden kann. Ebenso kann die zweite Struktur ein Profil sein, das von einem Dorn aufgeweitet werden kann. Die zweite Struktur kann auch eine Faltstruktur sein, die zusammengedrückt wird, wenn die Aufprallenergie groß genug ist. Eine Wirkrichtung kann eine Richtung sein, in der die Einheit verkürzt wird. Unter einer Schaltung der ersten und zweiten Struktur in einen gemeinsamen Energieaufnahmepfad kann eine Anordnung verstanden werden, bei der eine zu absorbierende Energie auf die erste und zweite Struktur wirkt, sodass bei einem Überschreiten eines Grenzwertes zumindest die erste oder zweite Struktur deformiert wird, um zumindest einen Teil der zu absorbierenden Energie aufzunehmen. Dabei kann die erste Struktur in Wirkungsrichtung einer zu absorbierenden Energie bzw. Kraft der zweiten Struktur vor- oder nachgelagert sein. Beispielsweise werden bei einer Schaltung in Reihe (d. h. in einen gemeinsamen Energieaufnahmepfad) beide Strukturen mit der gleichen Kraft beaufschlagt. Bei der Reihenschaltung weist die Einheit die Steifigkeit der schwächsten Struktur auf, bis die schwächste Struktur nicht weiter verkürzt werden kann. Dabei kann die Struktur mit der geringeren Steifigkeit zuerst verkürzt werden, während die Struktur mit der größeren Steifigkeit erst verkürzt wird, wenn die Struktur mit der geringeren Steifigkeit über eine maximale Verkürzungsstrecke verkürzt worden ist und die verbleibende Aufprallenergie ausreichend hoch ist, um die Steifigkeit der Struktur mit der größeren Steifigkeit überwinden zu können. Wenn beide Strukturen dingleiche Steifigkeit aufweisen, können beide Strukturen gleichzeitig verkürzt werden. Im Gegensatz dazu werden Strukturen in einer Parallelschaltung um die gleiche Strecke verkürzt. Deshalb weist eine Einheit mit derart geschalteten Strukturen einer Gesamtsteifigkeit auf, der die einzelnen Verkürzungswiderstände der Strukturen kombiniert.
Die Armatur kann geöffnet werden oder sein, wenn eine Aufprallenergie in die Einheit eingeleitet wird, die kleiner als ein Schwellenwert ist. Bei geöffneter Armatur kann das Fluid über den Öffnungsquerschnitt aus der ersten Struktur gepresst werden. Durch das Öffnen der Armatur kann die Einheit in eine Stellung „weich“ eingestellt werden. Bei einer „weichen“ Einstellung kann bei einer geringen Deformationskraft eine geringe Aufprallenergie in der Einheit absorbiert werden. Beispielsweise kann die Armatur geöffnet werden, wenn ein Fahrzeug in dem die Einheit verbaut ist, einen Zusammenstoß mit einem weichen und/oder leichten Objekt, beispielsweise einem Fußgänger erleidet.
Die Armatur kann geschlossen werden oder sein, wenn eine Aufprallenergie in die Crashstruktur eingeleitet wird, die größer als ein Grenzwert ist. Der Öffnungsquerschnitt kann klein eingestellt werden. Dadurch kann ein hoher Gegendruck aufgebaut werden. Die Einheit kann durch Schließen der Armatur „hart“ eingestellt werden. Bei einer „harten“ Einstellung kann bei einer hohen Deformationskraft eine hohe Aufprallenergie absorbiert werden. Beispielsweise kann die Armatur geschlossen werden, wenn ein Fahrzeug in dem die Einheit verbaut ist, einen Zusammenstoß mit einem harten und/oder schweren Objekt, beispielsweise einem anderen Fahrzeug erleidet.
Ein Öffnungsquerschnitt der Armatur kann unter Verwendung eines zeitlichen Verlaufs der Aufprallenergie verändert werden. Wenn die Aufprallenergie während des Aufpralls variiert, kann auf die Veränderung reagiert werden. Beispielsweise, wenn das Objekt, auf das aufgeprallt wird, einen abfallenden Steifigkeitsverlauf aufweist, kann die Steifigkeit reduziert werden, um einen weicheren Abbau der Aufprallenergie zu ermöglichen. Dadurch kann die in der Einheit zur Verfügung stehende Verkürzung voll ausgeschöpft werden.
Die erste Struktur kann als Fluidzylinder mit einem Tauchkolben ausgebildet sein. In dem Fluidzylinder kann ferner eine Feder angeordnet sein, um die erste Struktur nach einer Verkürzung wieder zurückzustellen. Dadurch kann bei einem Aufprall mit geringer Kraft eine erneute Funktionsfähigkeit der Einheit erreicht werden. Der Fluidzylinder kann einen Hohlraum zum Aufnehmen des Fluids nach dem Verdrängen aufweisen. Die Armatur oder Ausströmöffnung kann zwischen dem Hohlraum und einer Fluidkammer angeordnet sein. Dadurch kann die erste Struktur reversibel verformbar sein.
Die zweite Struktur kann in die erste Struktur eintauchbar ausgebildet sein. Durch eine Mehrfachnutzung der zweiten Struktur kann Material eingespart werden. Dadurch kann die Einheit einfacher und kostengünstiger aufgebaut werden.
Der Fluidzylinder der ersten Struktur kann als Rohr ausgeformt sein und einer weiteren Steifigkeit aufweisen. Die weitere Steifigkeit kann durch die mechanische Deformation des Fluidzylinders eingestellt werden. Ferner kann auch ein weiterer Verkürzungs- oder Deformationswiderstand durch die Veränderung eines Strömungsquerschnitts eingestellt werden. Der Tauchkolben kann axial in dem Rohr beweglich ausgebildet sein und das Rohr in der Wirkrichtung parallel zu der ersten und zweiten Struktur geschalten sein.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die erste Struktur und/oder die zweite Struktur ein Rohr mit einer dritten Steifigkeit aufweisen, insbesondere wobei die zweite Struktur axial in dem Rohr beweglich angeordnet ist und/oder das Rohr in zumindest einem Teilbereich die zweite Struktur oder die erste Struktur überlappt. Ein Rohr kann verschiedene Querschnittsformen aufweisen. Beispielsweise kann das Rohr ein Mehrkantrohr sein. Das Rohr kann auch Sicken aufweisen, um mit einer geringen Materialstärke eine hohe Steifigkeit zu erreichen. Das Rohr kann eine Anschlagfläche aufweisen, über die die Aufprallenergie in das Rohr eingeleitet wird, wenn die Einheit bereits eine bestimmte Verkürzung erfahren hat.
Ferner kann das Rohr mehrere unterscheidbare Teilbereiche aufweisen, in denen es unterschiedliche Steifigkeiten hat. Das Rohr kann beispielsweise Zonen mit unterschiedlicher Steifigkeit aufweisen. Wenn das Rohr verformt wird, kann zuerst die Zone mit der geringsten Steifigkeit verformt werden. Beispielsweise kann das Rohr in den Zonen verschiedene Wandstärken und/oder verschiedene Querschnitte aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Rohr in einem Teilbereich, in dem ein Fluidbehälter angeordnet ist, eine höhere Steifigkeit aufweisen, als in einem Teilbereich, der die zweite Struktur überlappt. Hierdurch kann der Fluidbehälter besonders gut geschützt werden, sodass eine maximale Robustheit der adaptiven Einheit erreicht werden kann. An einer Sprungstelle kann die Steifigkeit des Rohrs eine überproportional hohe Änderung aufweisen. Beispielsweise können an der Sprungstelle verschiedenen Materialien miteinander verbunden sein. Ein weicheres Material kann zuerst vollständig verformt werden, und anschließend kann ein steiferes Material verformt werden, bis die Aufprallenergie absorbiert ist, oder das Rohr vollständig verformt ist. Insbesondere kann die zweite Struktur zusammen mit der Zone geringerer Steifigkeit eine näherungsweise gleich große Gesamtsteifigkeit aufweisen, wie die Zone größerer Steifigkeit. Dann kann das Element bei anfangs geschlossener Armatur über eine gesamte Auslegungslänge eine näherungsweise konstanten Steifigkeit aufweisen. Die Armatur kann geöffnet werden, wenn die Zone größerer Steifigkeit verformt wird.
Die erste Struktur kann eine Hülle um einen Fluidbehälter zur Erhöhung der ersten Steifigkeit aufweisen. Eine Hülle kann eine, die weiteren Komponenten der ersten Struktur umschließende, verformbare Wand sein. Die Hülle kann unter einer geringeren Krafteinwirkung verformbar sein, als beispielsweise die für die Verformung der ersten Struktur erforderliche Krafteinwirkung. Die Hülle kann das fluidgefüllte Volumen definieren oder vorgeben. Wenn die Armatur geöffnet ist, kann das Element mit einer Kraft verformt werden, die geringfügig größer ist als die zur Verformung der Hülle notwendige Kraft.
Ferner ist es denkbar, dass gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Armatur zur regelbaren Änderung eines Öffnungsquerschnitts der Austrittsöffnung vorgesehen ist. Hierdurch kann technisch sehr einfach eine Regelung oder Steuerung des Öffnungsquerschnitts der Austrittsöffnung ermöglicht werden.
Die erste Struktur kann einen fluidgefüllten Beutel aufweisen. Das Fluid kann in dem Beutel sicher gelagert werden. Der Beutel kann einfach in die erste Struktur eingelegt werden. Durch den Beutel kann auf eine sonst notwendige Dichtung der ersten Struktur verzichtet werden. Wenn das Fluid in dem Beutel verschlossen ist, wird ein Recycling des Elements vereinfacht.
Zumindest die zweite Struktur kann als faltbares Rohr ausgebildet sein. Durch eine Absorption der Aufprallenergie mittels Falten eines Rohrs kann verhindert werden, dass Bestandteile des Elements wie beispielsweise ein Fluid oder Bruchstücke des faltbaren Rohres aus dem Element dringen und eventuell Schaden verursachen. Dadurch können andere Komponenten näher an der Einheit verbaut werden.
Die adaptive Einheit kann einen Anschlussflansch zum Verbinden der Einheit mit einem Längsträger eines Fahrzeugs aufweisen. Beispielsweise kann die Einheit an den Längsträger angeschraubt werden. Dadurch kann die Einheit schnell ausgetauscht werden. Die Einheit kann damit im Einbaubereich der herkömmlichen Crashbox eines Fahrzeugs liegen.
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 Programmprodukt auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Darstellung eines Fahrzeugs mit zwei adaptiven Einheiten zum Absorbieren einer Aufprallenergie durch eine Verkürzung der Einheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Einstellen einer Steifigkeit einer adaptiven Einheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine Darstellung einer fluidgefüllten Struktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 ein Schaubild zur Erläuterung der Vorgänge bei einem Verfahren zum Einstellen einer Steifigkeit einer adaptiven Einheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische Darstellung eines Aufbaus einer adaptiven Einheit zum Absorbieren einer Aufprallenergie durch eine Verkürzung der Einheit gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 eine schematische Darstellung einer adaptiven Einheit zum Absorbieren einer Aufprallenergie durch eine Verkürzung der Einheit gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 eine schematische Darstellung eines Aufbaus einer adaptiven Einheit zum Absorbieren einer Aufprallenergie durch eine Verkürzung der Einheit gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 eine schematische Darstellung einer adaptiven Einheit zum Absorbieren einer Aufprallenergie durch eine Verkürzung der Einheit gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
9 eine schematische Darstellung eines Aufbaus einer adaptiven Einheit zum Absorbieren einer Aufprallenergie durch eine Verkürzung der Einheit gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
10 eine schematische Darstellung einer adaptiven Einheit zum Absorbieren einer Aufprallenergie durch eine Verkürzung der Einheit gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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.
1 zeigt eine Darstellung eines Fahrzeugs 100 mit zwei adaptiven Einheiten 102 zum Absorbieren einer Aufprallenergie durch eine Verkürzung der Einheit 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Fahrzeug 100 ist in diesem Beispiel ein PKW. Das Fahrzeug 100 weist einen tragenden Rahmen 104 auf, der eine Fahrgastzelle des Fahrzeugs 100 trägt. Der Rahmen 104 weist einen linken Längsträger 106 und einen rechten Längsträger 108 auf. Die Längsträger 106, 108 sind dazu ausgebildet, Kräfte, insbesondere in Fahrzeuglängsrichtung aufzunehmen. Weiterhin ragen die Längsträger 106, 108 in einen Vorderwagen des Fahrzeugs 100 hinein und bilden zwischen sich einen Raum aus, in dem ein Motor 110 des Fahrzeugs angeordnet ist. Unmittelbar im Bereich einer Fahrzeugfront des Fahrzeugs 100 ist ein Querträger 112 des Fahrzeugs 100 angeordnet. Der Querträger 112 erstreckt sich über eine Breite des Fahrzeugs 100 und ist als Versteifungsbauteil für die Fahrzeugfront ausgebildet. Der Querträger 112 ist über die Einheiten 102 mit den Längsträgern 106, 108 verbunden. Wenn das Fahrzeug 100 frontal mit einem Objekt zusammenprallt, dann wird Aufprallenergie in den Querträger 112 eingeleitet und von dem Querträger 112 in die Einheiten 102 abgeleitet. Die Einheiten 102 sind an den Längsträgern 106, 108 abgestützt. Die Aufprallenergie wird beispielsweise unter Verwendung von Sensoren an der Fahrzeugfront erfasst. Ein Steuergerät 114 führt ein Verfahren zum Einstellen Beeinflussen einer Steifigkeit der adaptiven Einheiten 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aus. Das Steuergerät 114 ist mit den Einheiten 102 verbunden. Die Einheiten 102 können getrennt oder gemeinsam beeinflusst werden, je nachdem, wo der Aufprall an der Fahrzeugfront stattfindet. Eine Armatur stellt an den Einheiten 102 ansprechend auf ein Signal von dem Steuergerät 114 einen Widerstand ein, den ein Fluid in den Einheiten 102 beim Ausströmen erfährt, wenn die Einheit 102 gestaucht oder verkürzt wird. Die Armatur kann auch verhindern, dass das Fluid ausströmen kann. Dann werden die Einheiten 102 verformt, wobei die Aufprallenergie zumindest zum Teil absorbiert wird. Ist die Aufprallenergie groß, beispielsweise bei einem Aufprall auf ein anderes Fahrzeug, werden eine oder beide Einheiten 102 hart eingestellt. Ist die Aufprallenergie klein, beispielsweise bei einem Fußgängeraufprall, würden die Einheiten 102 in der harten Einstellung nicht verformt werden. Der Fußgänger könnte schwere Verletzungen erleiden. Deshalb werden eine oder beide Einheiten 102 „weich“ eingestellt. Dazu verringert die Armatur ansprechend auf ein weiteres Signal vom Steuergerät 114 den Widerstand oder ermöglicht ein ungehindertes oder nur gering behindertes Ausströmen des Fluids. Dann ist deutlich weniger Energie nötig, um die Einheiten 102 zu verformen. Damit kann der Querträger 112 zurückweichen. Die Aufprallenergie wird in den Einheiten 102 absorbiert und der Fußgänger kann vor schweren Verletzungen geschützt werden.
Lastpfade in Fahrzeugkarosserien können Steifigkeitssprünge aufweisen, wobei diese Sprünge oft an Bauteilgrenzen auftreten. Durch die hier vorgestellte adaptive Einheit 102 werden verschiedene Bauteile bzw. Bauteileigenschaften in einem System vereinigt, wobei in diesem System die Steifigkeit über die Längsausprägung des Systems in mehreren Stufen eingestellt werden kann.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Einstellen einer Steifigkeit einer adaptiven Einheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 200 weist einen Schritt 202 des Betätigens auf. Das Verfahren 200 kann durch das Steuergerät ausgeführt oder angesteuert werden, wie es in 1 beschrieben ist. Im Schritt 202 des Betätigens wird eine Armatur an einer Ausströmöffnung aus einer fluidgefüllten ersten Struktur der adaptiven Einheit betätigt, um eine erste Steifigkeit der ersten Struktur zu beeinflussen, wobei die erste Struktur in Bezug auf eine Wirkrichtung der Einheit in Reihe mit einer zweiten Struktur geschalten ist, die eine zweite Steifigkeit aufweist.
Mit anderen Worten zeigt 2 ein Verfahren 200 zum Ansteuern einer Vorrichtung zur Einstellung stark abweichender Kraftniveaus gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei werden die Kraftniveaus über ein verdrängtes Fluid eingestellt. Die verschiedenen Kraftniveaus werden für eine Energieabsorption in Fahrzeugstrukturen bereitgestellt.
3 zeigt eine Darstellung einer fluidgefüllten Struktur 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Struktur 300 weist einen Hohlzylinder 302, einen Kolben 304, einen Hohlraum 306 und einen Aktuator 308 auf. Der Hohlzylinder 302 ist mit einem Fluid 310 gefüllt. Der Hohlraum 306 ist leer. Der Hohlzylinder 302 ist mit dem Hohlraum 306 und dem Aktuator 308 zusammen in einem prismatischen oder zylindrischen Grundkörper angeordnet. Der Hohlraum 306 ist an einer ersten Stirnfläche des Grundkörpers angeordnet und umschließt den Hohlzylinder 302 an Seitenflächen des Grundkörpers. Der Hohlzylinder 302 ist konzentrisch zu dem Hohlraum 306 ausgerichtet. Der Aktuator 308 kontrolliert eine Verbindungsbohrung zwischen dem Hohlzylinder 302 und dem Hohlraum 306. An einer zweiten Stirnfläche des Grundkörpers, an der von dem Hohlraum 306 abgewandten Seite ist der Kolben 304 angeordnet. Der Kolben 304 weist eine Flanschfläche auf, die in ihrer Größe einer Grundfläche des Grundkörpers entspricht. Der Kolben 304 ist in dem Hohlzylinder 302 axial beweglich gelagert. Wenn der Kolben 304 durch eine Kraft, insbesondere durch einen Aufprall, in den Hohlzylinder 302 gepresst wird, wird ein Druck in dem Fluid 310 erhöht. Der Aktuator 308 ist dazu ausgebildet, ansprechend auf ein Signal von einem Steuergerät, den Querschnitt der Verbindungsbohrung zu verstellen. Ist die Verbindungsbohrung geöffnet, kann das Fluid 310 in den Hohlraum 306 fließen. Insofern kann der Aktuator 308 auch als Armatur verstanden werden. Dem Kolben 304 wird dadurch nur ein geringer Widerstand gegen das Einpressen entgegengesetzt. Wenn der Aktuator 308 die Verbindungsbohrung nicht öffnet, wird der Druck in dem Fluid 310 erhöht, bis der Druck im Gleichgewicht zu der Kraft auf die Flanschfläche steht. Über eine Öffnungsweite des Aktuators 308 kann der Druck in dem Hohlzylinder 302 auf einen vorbestimmten Wert begrenzt werden. Über den Druck kann auch eine Kraft begrenzt werden, die die Struktur 300 der einwirkenden Kraft entgegenstellt. Wenn in dem Hohlzylinder 302 eine Druckfeder angeordnet ist, die gegen den Kolben 304 drückt, kann der Kolben 304 von der Feder wieder aus dem Hohlzylinder 302 gedrückt werden, wenn die zusammenpressende Kraft nachlässt. Damit kann die Struktur 300 selbst rückstellend ausgeführt werden.
Mit anderen Worten ist in 3 ein Schnittbild eines Verdrängerkolbens 300 dargestellt und zeigt die wesentlichen Elemente. Sie besteht aus einem Hohlzylinder 302 mit separatem Hohlraum 306, einem Fluid 310, einem Kolben 304 und einem Aktuator 308. Der Kolben 304 ist mit dem Hohlzylinder 302 verbunden ist. Zwischen Hohlzylinder 302 und Kolben 304 ist ein Fluid 310 geschaltet. Am Übergang zum Hohlraum 306 des Zylinders sitzt ein ventilartiger Aktuator 308. Dieser regelt oder steuert über den Durchfluss die aufzubringende Kraft zur Verkürzung.
4 zeigt ein Schaubild der Vorgänge bei einem Verfahren zum Einstellen einer Steifigkeit einer adaptiven Einheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren wird am Beispiel der Struktur in 3 beschrieben. Das Schaubild zeigt einen ersten Pfad 400 mit geringer Kraft und einen zweiten Pfad 402 mit hoher Kraft. Das Verfahren kann auf einem Steuergerät wie in 1 ausgeführt werden. Bei einem Aufprall wird ein Crashsignal 404 empfangen. Das Crashsignal 404 wird mittels einer Verarbeitungsvorschrift 406 ausgewertet.
Wenn die Kraft klein ist (Entscheidung 408), wird der erste Pfad 400 angesteuert. Dabei wird der Aktuator geöffnet 410, sodass das Fluid nur einen geringen Gegendruck erzeugt 412, woraufhin das Fluid in den Hohlraum verschoben wird. Damit kann eine als „Crashbox“ bezeichnete Aufprallstruktur als zweite Struktur in den Längsträger eintauchen 414. Nur im Extremfall wird die Crashbox deformiert. Unter einer Crashbox kann hierbei ein Element verstanden werden, welches ausgebildet ist, um Energie aufzunehmen und diese Energie durch eine Deformation zu absorbieren.
Wenn die Kraft groß ist (Entscheidung 416), wird der zweite Pfad 402 angesteuert. Dabei wird der Aktuator geschlossen 418. Dadurch erzeugt das Fluid einen hohen Gegendruck 420 und wird nicht verschoben. Die Crashbox nimmt die Kraft auf und wird dabei deformiert 422.
5 zeigt ein Blockschaltbild einer adaptiven Einheit 102 zum Absorbieren einer Aufprallenergie durch eine Verkürzung der Einheit 102 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Einheit 102 weist eine erste Struktur 500 und eine zweite Struktur 502 auf. Die erste Struktur 500 ist fluidgefüllt und weist eine Armatur 504 an einer Ausströmöffnung 506 der ersten Struktur 500 auf. Ein Öffnungsquerschnitt der Armatur 504 beeinflusst einer ersten Steifigkeit der ersten Struktur 500. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Fluid in einem fluidgefüllten Beutel 508 eingeschlossen. Die zweite Struktur 502 weist einer zweiten Steifigkeit auf, der sich insbesondere von der ersten Steifigkeit unterscheidet. Die zweite Struktur 502 ist in Bezug auf eine Wirkrichtung der Einheit 102 in einem gemeinsamen Energieaufnahmepfad mit der ersten Struktur 500 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist die zweite Struktur 502 als Faltelement 510 ausgebildet, das durch ein Einfalten die Aufprallenergie abbauen kann, wenn die Aufprallenergie groß genug ist, um die zweite Struktur 502 zu falten. Die Einheit 102 ist wie in 1 dargestellt, zwischen einem Querträger 112 eines Fahrzeugs und einem Längsträger 106/108 des Fahrzeugs angeordnet. Zwischen der zweiten Struktur 502 und dem Querträger 112 ist der fluidgefüllte Beutel 508 angeordnet. Wenn der Querträger 112 bei einem Aufprall in Richtung auf den Längsträger 106/108 bewegt wird, wird eine Energie des Aufpralls in die erste Struktur 500 eingeleitet. Wenn die Armatur 504 geschlossen ist, verringert sich ein Abstand zwischen dem Querträger 112 und der zweiten Struktur nicht oder kaum. Die Energie wird mit keiner oder minimaler Dämpfung an die zweite Struktur 502 weitergeleitet und führt dort zur Deformation des Faltelements 510. Wenn die Armatur 504 geöffnet ist, dann wird die erste Struktur komprimiert und das Fluid durch die Ausströmöffnung 506 gepresst. Dabei wird der Abstand zwischen dem Querträger 112 und der zweiten Struktur verringert. Dabei wird die Aufprallenergie zumindest teilweise abgebaut. Durch eine Regelung des Drucks an der Armatur 504 kann eine auf die zweite Struktur 502 ausgeübte Kraft so klein gehalten werden, dass die zweite Struktur 502 nicht verformt wird. Erst, wenn der Abstand klein ist, und der Querträger 112 an der zweiten Struktur 502 anschlägt, wirkt die volle, gegebenenfalls restlich verbleibende Energie des Aufpralls auf die zweite Struktur 502. Damit stellt die zweite Struktur 502 eine Sicherheit bei einem Folgeaufprall dar. Das Faltelement 510 kann auch durch ein Element ersetzt werden, das auf eine andere Weise die Energie aufnehmen kann. Beispielsweise kann die zweite Struktur 502 auch aus einer Matrize und einem durch die Matrize zu drückenden Rohr bestehen. In der Matrize kann das Rohr beispielsweise geweitet, verjüngt, geschnitten oder verformt werden. Bei einem Aufprall mit sehr hoher Aufprallenergie kann die Einheit 102 über eine volle Länge der Einheit 102, also über eine Länge der ersten Struktur 500 und über eine Länge der zweiten Struktur verformt werden. Beispielsweise kann die Armatur 504 so angesteuert werden, dass nur ein kleiner Öffnungsquerschnitt der Ausströmöffnung 506 freigegeben wird. Dann wird eine bezogen auf die Verkürzungslänge der ersten Struktur 500 große Menge Energie über die erste Stufe 500 und eine große Menge Energie über die zweite Stufe 502 abgebaut.
Mit ein und derselben Einheit 102 kann situationsgerecht die passende Steifigkeit bereitgestellt werden. Auf ein Signal hin, welches die eine Situation klassifiziert, wird die entsprechende Steifigkeit bzw. die entsprechende Kraft-Weg-Kennung gewählt. Durch die Vereinigung der Funktion mehrerer Bauteile in einem kann die Bauteillänge gegenüber einem herkömmlichen System zudem noch gekürzt werden. Mit dem System können große Steifigkeitsdifferenzen in einem System abgebildet werden.
Durch einen Aktor 504 (z. B. Ventil oder Berstscheibe) kann das Fluid in einem Behältnis eingeschlossen oder freigegeben werden. Je nach Aktuierung kann das Fluid in dem Behältnis Kräfte aufnehmen. Der Aktor kann während des Crashverlaufs geregelt werden.
Die Kraftniveaus, die mit der Struktur 102 dargestellt werden können, liegen zum einen weit auseinander, zum anderen ist das niedrigere Kraftniveau um einen großen Faktor, z. B. 10 bis 40, kleiner als das höhere. Solche Kraftniveauunterschiede in Fahrzeuglastpfaden treten beispielsweise im Längslastpfad von Vorderwagenstrukturen auf. Der Fußgängerschutz erfordert ein sehr geringes Kraftniveau von wenigen Kilonewton, wobei für den Insassenschutz Kraftniveaus von mehr als 100 kN erforderlich sind.
In den gezeigten Ausführungsbeispielen befindet sich ein Fluid in einem abgesperrten Behältnis 508. Das Fluid kann hierbei gasförmig, flüssig, gelartig sein oder aus z. B. Kunststoffkugeln bestehen.
Das Behältnis hat eine oder mehrere Öffnungen 506, die je nach Crashart durch einen Aktor geschlossen oder geöffnet, bzw. teilweise geöffnet werden können. Zudem ist eine Regelung des Ausströmquerschnittes während des Crashverlaufes möglich.
Die Ansteuerung des Aktors erfolgt aufgrund des Crashtyps, der u.a. von Geschwindigkeit und Hindernisart abhängt. Um die Crashart zu bewerten, ist eine Sensorik und Auswerteeinrichtung am Fahrzeug notwendig.
6 zeigt eine Darstellung einer adaptiven Einheit 102 zum Absorbieren einer Aufprallenergie durch eine Verkürzung der Einheit 102 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die adaptive Einheit 102 ist in einem Fahrzeug verbaut, wie in 1 beschrieben. Die adaptive Einheit 102 ist in umgekehrter Reihenfolge wie die Einheit in 5 aufgebaut. Hier ist die erste Struktur 500 zwischen der zweiten Struktur 502 und dem Längsträger 106/108 angeordnet. Die zweite Struktur 502 ist zwischen der ersten Struktur 500 und dem Querträger 112 angeordnet. Die erste Struktur 500 entspricht dabei einer Struktur, wie sie in 3 beschrieben ist. Die erste Struktur 500 ist innerhalb des Längsträgers 106/108 angeordnet. Dadurch kann die zweite Struktur 502 in den Längsträger eintauchen. Eine Baulänge des Vorderwagens kann so reduziert werden. Die erste Struktur ist an dem Längsträger 106/108 abgestützt. Durch den hier vorgestellten Ansatz wird ein adaptiver Vorderwagen möglich. Die Steifigkeiten des Systems können über eine Materialwahl und Materialstärke bzw. über eine Ausströmöffnung für das Fluid adaptiert werden.
Mit anderen Worten zeigt 6 eine Crashbox 102 mit zweiter Stufe 500 als Verdrängerkolben in eingebautem Zustand.
Im rechten Teil der 6 ist die Längsträgerstruktur 106/108 eines Fahrzeugs dargestellt. Die Einheit 102 kann über den Kolben mittels einer Schraubverbindung im Fahrzeuglängsträger 106/108 angebracht werden. Die Einheit kann an den bestehenden Längsträger 106/108 montiert werden. Am Hohlzylinder 302 der ersten Struktur 500 ist die zweite Struktur 502 angebracht. Somit ist die zweite Struktur 502 über die erste Struktur 500 mit dem Längsträger 106/108 verbunden.
Die Crashkraft wird über den Fahrzeugquerträger 112 eingeleitet und über die Crashbox 502 an die weiteren Strukturen weitergeleitet.
Die schwere des Crashs wird mit Hilfe eines Sensors detektiert, anschließend bewertet und an den Aktuator geleitet. Dieser schaltet dann je nach Crashkraft auf die entsprechende Position.
Bei einem Crashsignal mit einer großen Kraft wird der Aktuator nicht, bzw. nur gering geöffnet. Das Fluid erzeugt somit einen enormen Gegendruck. Das räumlich eingeschlossene Fluid kann hierbei nur gegen einen starken Widerstand durch die Öffnung des Aktuators fließen. Die Crashenergie wird somit ganz oder teilweise in der ersten Struktur 500 und der zweiten Struktur 502 absorbiert.
Bei einem Crashsignal mit einer geringen Kraft wird der Aktuator geöffnet und der Hohlzylinder bewegt sich in Richtung des Kolbens. Dabei wird das Fluid mit Druck beaufschlagt und das Volumen verschiebt sich über den Aktuator in die Hohlkammer. Dabei taucht die Crashbox in den Längsträger 106/108 ein. Die zweite Struktur 502 wird hierbei nicht deformiert. Bei einer falschen Aktuatorstellung oder einem zu langen Hub (Fluid ist vollständig verdrängt) kann jedoch die zweite Struktur 502 durch Faltung oder andere Deformationsmechanismen Energie abbauen. Ein stufenförmiger Abbau der Energie ist möglich.
Die Strömung in den Hohlraum kann im Crashverlauf auch geregelt erfolgen.
Durch eine Precrash-Sensorik kann dem Aktor vor dem Crash auch eine gewisse Einstellung oder zeitliches Verhalten im Crashverlauf vorgegeben werden.
Mit anderen Worten erfolgt der Energieabbau über Falten oder Fluiddämpfer. Bei einem niedrigen Kraftniveau wird das Rohr in den Längsträger 106/108 geschoben, während in der ersten Struktur 500 Fluid verdrängt wird. Bei einem hohen Kraftniveau ist der Fluiddämpfer steif und das Rohr faltet.
Optional kann eine Abschlepp-Funktion und/oder eine x-Kraft-Aufnahme durch ein zusätzliches Element (z. B. ein in der 6 aus Gründen der besseren Darstellbarkeit nicht eingezeichnetes Stahlseil) zwischen dem Längsträger 106/108 und dem Querträger 112 bzw. der zweiten Struktur realisiert werden. Das Fluid 310 kann durch ein EA-Element für wenige Kilonewton, beispielsweise 4 kN, (z. B. Schaum) ergänzt werden.
7 zeigt ein Blockschaltbild einer adaptiven Einheit 102 zum Absorbieren einer Aufprallenergie durch eine Verkürzung der Einheit 102 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die adaptive Einheit 102 entspricht dabei der in 5 beschriebenen Einheit. Zusätzlich zu der Einheit in 5 weist die erste Struktur 500 eine Hülle 700 auf. Die Hülle 700 umschließt den fluidgefüllten Beutel 508. Die Hülle 700 verbindet die zweite Struktur 502 direkt mit dem Querträger 112. Die Hülle 700 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Faltelement ausgeführt. Die Hülle 700 kann auch aus Schaum bestehen. Dann kann die Hülle 700 flexibel sein. Die Hülle 700 benötigt ein vorbestimmtes Kraftniveau, um verkürzt zu werden. Wenn die Armatur 504 geöffnet ist, kann beispielsweise so viel Kraft nötig sein, um die erste Struktur 500 zu verkürzen, wie die Hülle 700 an Widerstand bereitstellt. Wenn die Armatur 504 teilweise geöffnet wird, kann der Widerstand des ausströmenden Fluids mit dem Widerstand der Hülle kombiniert werden. Die erste Struktur 500 kann dann beispielsweise den gleichen Widerstand aufweisen, wie die zweite Struktur. Dadurch kann bei einem starken Aufprall die volle Länge des Elements 102 ausgenutzt werden, um die Aufprallenergie gleichmäßig abzubauen. Die Hülle 700 kann Versteifungsrippen aufweisen.
Ein Grundgedanke des hier vorgestellten Ansatzes ist, dass mehrere Kraftniveaus (zumindest zwei Kraftniveaus) zur Energieabsorption in einem System dargestellt werden können, wobei die Kraftniveaus sehr weit auseinanderliegen und darüber hinaus das niedrigere Kraftniveau um einen großen Faktor (beispielsweise 10 bis 40) kleiner ist als das höhere Niveau. Dies wird erreicht durch die Kombination verschiedener Energieabsorptionsmechanismen.
Das hohe Kraftniveau kann durch das Falten einer Struktur mit hohem Kraftniveau realisiert werden.
Das niedere Kraftniveau kann durch das Falten einer Struktur mit geringem Kraftniveau verwirklicht werden. (Alternativ hierzu könnte auch eine Struktur oder ein Schaum deformiert werden.)
Durch eine höhere Anzahl von Energieabsorptionselementen (EA-Elemente) sind auch mehr als 2 Kraftniveaus erreichbar. Ebenso ist durch eine Teilöffnung des Aktuators 504 die Einstellung der Steifigkeit zwischen dem Widerstand der Hülle 700 und der zweiten Struktur 502 einstellbar.
Eine Zulässigkeit der Erhöhung der Blockhöhe ist durch Überlapp möglich.
Ein reversibles Element (EA-Element) mit F = 4 kN erlaubt eine Rückstellung (Bumpertest). Die Hülle 700 kann entfallen, wenn das Kraftniveau über den Ausströmwiderstand eingestellt wird.
Bei einem Crash mit hoher Geschwindigkeit (> 16 km/h, insbesondere > 20 km/h) ist es notwendig, dass die Crashstruktur 102 möglichst viel Energie aufnimmt. Der Aktor steuert eine Drossel derart, dass das Fluid 310 nur stark gedrosselt ausströmen kann und somit die Crashenergie aufnimmt. Parallel wird das EA-Element 700 verformt. Im weiteren Crashverlauf wird die zweite Struktur 502 verformt.
Bei einem Crash mit einem Fußgänger oder bei einer niederen Geschwindigkeit ist der Aktor so geschaltet, dass das Fluid aus dem Behältnis schnell ausströmen kann.
In dem Fall wird die Energie lediglich von der Hülle 700 absorbiert.
Als weitere „Sicherheitsreserve“ steht nach dem Crash „niederes Kraftniveau“ noch die zweite Struktur 502 zur Verfügung. Dies ist z. B. relevant, wenn nach einem Fußgängercrash noch ein zweiter Crash erfolgt.
8 zeigt eine Darstellung einer adaptiven Einheit 102 zum Absorbieren einer Aufprallenergie durch eine Verkürzung der Einheit 102 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Einheit 102 ist aufgebaut, wie in 7 beschrieben. Die Einheit 102 ist zwischen einem Querträger 112 eines Fahrzeugs und einem Längsträger 106/108 des Fahrzeugs angeordnet. Die Einheit 102 weist eine erste Struktur 500 und eine zweite Struktur 502 auf. Die erste Struktur 500 und die zweite Struktur 502 sind hintereinander angeordnet. Die erste Struktur 500 ist aus einer Hülle 700 aus einem dünnen Blech angefertigt. Die Hülle ist mit einem Fluid 310 in einem Beutel 508 gefüllt. Die Hülle 700 weist einen Auslasskanal 800 für das Fluid 310 auf. In dem Auslasskanal 800 ist die Ausströmöffnung 506 des Beutels 508 angeordnet. Die Ausströmöffnung 506 ist durch ein Ventil 504 verschlossen. Die Hülle 700 bildet einen ersten Flansch 802 aus, mit dem die erste Struktur 500 mit einem zweiten Flansch 804 der zweiten Struktur 502 verbunden ist. Zwischen dem ersten Flansch 802 und dem zweiten Flansch ist ein Boden 806 angeordnet, der die erste Struktur 500 begrenzt. Die Flansche 802, 804 und der Boden 806 sind in diesem Ausführungsbeispiel vernietet. Die erste Struktur ist mit dem Querträger 112 verbunden. Der fluidgefüllte Beutel 508 liegt an dem Querträger 112 an. Auf Höhe der Flansche 802, 804 schneidet die Einheit 102 eine Ebene des Kühlers 600 des Fahrzeugs. Die zweite Struktur 502 ist aus einem dickeren Blech als die Hülle 700 angefertigt. Dadurch weist die zweite Struktur 502 ein höheres Kraftniveau auf, als die Hülle 700. Die zweite Struktur weist einen dritten Flansch 808 auf. Mit dem dritten Flansch 808 ist die Einheit 102 an einen Flansch des Längsträgers 106/108 geschraubt.
9 zeigt ein Blockschaltbild einer adaptiven Einheit 102 zum Absorbieren einer Aufprallenergie durch eine Verkürzung der Einheit 102 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Einheit 102 ist wie in 1 zwischen einem Querträger 112 und einem Längsträger 106/108 eines Fahrzeugs angeordnet. Die Einheit 102 weist eine erste Struktur 500, eine zweite Struktur 502 und eine dritte Struktur 900 auf. Die erste Struktur 500 und die zweite Struktur 502 verbinden den Querträger 112 mit dem Längsträger 106/108. Die dritte Struktur 900 ist als Rohr neben der ersten Struktur 500 und der zweiten Struktur 502 zwischen den Querträger 112 und den Längsträger 106/108 angeordnet und kann auch als Teil der ersten oder zweiten Struktur betrachtet werden. Die dritte Struktur 900 bildet ein Rohr aus, in dem die erste Struktur 500 angeordnet ist. Die erste Struktur 500 weist wie in 7 einen fluidgefüllten Beutel 508 mit einer Ausströmöffnung 506 auf, die von einer Armatur 504 verschlossen ist. Die Ausströmöffnung 506 ist durch die dritte Struktur 900 nach außen geführt. Die zweite Struktur 502 ist als Stempel oder Tauchkolben ausgeführt, der in der dritten Struktur 900 beweglich angeordnet ist. Die dritte Struktur 900 weist einen ersten Steifigkeitsbereich 902 mit einer geringen Steifigkeit und einen zweiten Steifigkeitsbereich 904 mit einer großen Steifigkeit auf. Der erste Steifigkeitsbereich 902 kann auch entfallen. Dann verbindet die dritte Struktur 900 den Querträger 112 und den Längsträger 106/108 nicht und die zweite Struktur 502 ist in der dritten Struktur 900 wie ein Kolben in einem Zylinder axial beweglich. Bis der Querträger 112 bei einem Aufprall an der dritten Struktur 900 anschlägt, bestimmt dann eine Öffnungsweite der Armatur 504 eine Steifigkeit der Einheit 102. Wenn die Armatur 504 geschlossen ist, bestimmt die zweite Struktur die Steifigkeit der Einheit 102. Der gezeigte erste Steifigkeitsbereich 902 kann ausgeführt sein, wie die Hülle, wie sie in 7 gezeigt ist.
Wie in 9 dargestellt, sind die unterschiedlichen Komponenten der adaptiven Einheit so angeordnet, dass innerhalb der gleichen Baulänge beide Kraftniveaus realisiert werden können. Ein Fluid in einem eingeschlossenen Volumen dient in Kombination mit einem Aktor als Verriegelungsmechanismus.
Je nach Variante dient das Fluid in Kombination mit einer Drossel darüber hinaus zur Aufnahme der Crashenergie.
In 9 sind koaxial angeordnete Faltelemente mit Fluidverriegelung gezeigt. In den verriegelten Profilen ist ein Fluidbehälter angeordnet.
Bei einem Crash mit hoher Geschwindigkeit (> 16 km/h, insbesondere > 20 km/h) ist es notwendig, dass die Crashstruktur 102 möglichst viel Energie aufnimmt. Hierbei ist der Aktuator geschlossen und das Fluid kann in dem eingeschlossenen Behältnis Kräfte aufnehmen. Bei einem Crash wird die zweite Struktur 502 mit dem hohen Kraftniveau durch das Fluid daran gehindert, sich in die dritte Struktur 900 mit dem hohen Kraftniveau einzuschieben. Hierdurch werden die zweite Struktur 502 und das EA-Element mit dem niederen Kraftniveau 902 verformt. Wenn die Elemente verformt sind (oder kurz zuvor) wird der Aktor aktuiert, wodurch das Fluid aus dem Behältnis ausströmen kann. Folglich kann die dritte Struktur 900 mit dem hohen Kraftniveau ebenfalls verformt werden.
Als besondere Ausprägung entspricht die Kraft der dritten Struktur 900 im zweiten Steifigkeitsbereich 904 der Summe aus der zweiten Struktur 502 und der dritten Struktur 900 im ersten Steifigkeitsbereich 904. Hierdurch wird ein konstanter Kraftverlauf über den gesamten Deformationsweg realisiert.
Bei einem Crash mit einem Fußgänger oder bei einer niederen Geschwindigkeit ist der Aktor so geschaltet, dass das Fluid aus dem Behältnis ausströmen kann. Folglich kann die zweite Struktur 502 in die dritte Struktur 900 eintauchen, wobei es keine oder wenig axialen Kräfte aufnehmen kann. Die Crashenergie wird in dem Fall durch den ersten Steifigkeitsbereich 902 der dritten Struktur absorbiert.
Als weitere „Sicherheitsreserve“ steht nach dem Crash mit dem niederen Kraftniveau noch die dritte Struktur 900 im zweiten Steifigkeitsbereich 904 zur Verfügung. Dies ist z. B. relevant, wenn nach einem Fußgängercrash noch ein zweiter Crash folgt.
Der Vorteil der „Sicherheitsreserve“ kommt auch im Fehlerfall zum Tragen, wenn der Aktor oder die Sensorik von einem Crash „niederes Kraftniveau“ ausgeht, obwohl ein Crash mit „hohem Kraftniveau“ erfolgt.
Durch eine Precrash-Sensorik kann dem Aktor vor dem Crash auch eine gewisse Einstellung oder zeitliches Verhalten im Crashverlauf vorgegeben werden.
Das Behältnis kann sich aus einem abgedichteten Volumen innerhalb zweier Strukturen 900, 502 ergeben. Als weitere Möglichkeit kann das Fluid in einem zusätzlichen „Beutel“ 508 aus z. B. Kunststoff eingeschlossen sein.
10 zeigt eine Darstellung einer adaptiven Einheit 102 zum Absorbieren einer Aufprallenergie durch eine Verkürzung der Einheit 102 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Einheit 102 entspricht dabei einer Einheit, wie sie in 9 beschrieben ist. Die zweite Struktur 502 weist einen Boden 1000 auf, an dem der flüssigkeitsgefüllte Beutel 508 anliegt. Die dritte Struktur 900 weist einen Befestigungsflansch 808 auf, mit dem die Einheit 102 an einem Flansch des Längsträgers 106/108 angeschraubt ist. Zwischen dem Befestigungsflansch 808 und dem Längsträgerflansch ist eine Prallplatte 1002 befestigt. An der Prallplatte 1002 liegt der Beutel ebenfalls an. Die dritte Struktur 900 ist als Rohr mit zwei Wandstärken ausgeführt. An den Querträger 112 schließt ein erster Steifigkeitsbereich 902 mit dünner Wandstärke an. An den Längsträger 106/108 schließt ein zweiter Steifigkeitsbereich 904 mit dickerer Wandstärke an.
Beispielsweise ist die zweite Struktur 502 als Falt-Element (faltbares Rohr/Profil) mit 136 kN als hohes Kraftniveau ausgeführt. Der erste Steifigkeitsbereich 902 ist beispielsweise als EA-Element (EA-Element = Energieaufnahme-Element) aus z. B. Kunststoff/Alu/Organoblech ausgeführt. Das EA-Element kann als (faltbares Rohr/Profil) mit 4 kN Energieabsorption und der Fähigkeit zur Aufnahme von x-Kräften auf einem niederen Kraftniveau ausgebildet sein. Die dritte Struktur 900 kann als einteilige Ausführung durch flexibles Walzen ausgeführt werden. Ebenso kann die dritte Struktur 900 als zweiteilige Ausführung mit und ohne Überlapp ausgeführt werden. Der zweite Steifigkeitsbereich 904 kann als faltbares Rohr/Profil mit 140 kN als hohes Kraftniveau ausgeführt sein. Das Ventil 504 um das Fluid ausströmen zu lassen kann elektrisch schaltbar sein. Für das niedrige Kraftniveau mit 4 kN kann das Fluid schnell ausströmen. Für das hohe Kraftniveau mit 140 kN kann das Fluid langsam ausströmen. Ein Aktuator kann am Ventil eine Variation der Durchlassmenge ermöglichen. Die Armatur 504 kann auch als Berstscheibe / Gegenfeder ausgeführt werden, die bei einem äquivalenten Druck zu F = 4 kN öffnet. Allgemein lässt sich anmerken, dass in den vorstehend genannten Varianten des hier vorgestellten Ansatzes die Berstscheibe auch als Armatur betrachtet werden kann, da sie zumindest eine definierte Öffnung der fluidgefüllten ersten Struktur zum Entweichen des Fluids ermöglicht. Da auch durch das Öffnen der Struktur und hierdurch möglichem Entweichen des Fluids eine Veränderung der Steifigkeit der Einheit realisierbar ist, kann auch bei der Ausführung der Armatur in der Form einer Berstscheibe die Einheit als adaptierbar oder adaptiv bezeichnet werden, da diese je nach Aufprallenergie auf die Einheit eine unterschiedliche Steifigkeit aufweist.
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.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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

EP 1792786 A2 [0002]

Claims

Adaptive Einheit (102) zum Absorbieren einer Aufprallenergie, wobei die Einheit (102) die folgenden Merkmale aufweist. eine fluidgefüllte erste Struktur (300, 500, 900) mit einer Ausströmöffnung (506, 308) zum Ausströmen von Fluid aus der ersten Struktur (500), wobei ein Öffnungsquerschnitt der Ausströmöffnung (506, 308) eine erste Steifigkeit der ersten Struktur (500) beeinflusst; und eine zweite Struktur (502), die eine zweite Steifigkeit aufweist und in einen gemeinsamen Energieaufnahmepfad mit der ersten Struktur (500) geschalten ist.
Adaptive Einheit (102) gemäß Anspruch 1, bei der die erste Struktur (300) als Fluidzylinder (302) mit einem Tauchkolben (304) ausgebildet ist.
Adaptive Einheit (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die zweite Struktur (502) in die erste Struktur (900) eintauchbar ausgebildet ist.
Adaptive Einheit (102) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 3, bei der die erste Struktur (500) und/oder die zweite Struktur (502) ein Rohr (510, 700; 900) mit einer dritten Steifigkeit aufweist, insbesondere wobei die zweite Struktur (502) axial in dem Rohr (510; 900) beweglich angeordnet ist und/oder das Rohr (510; 900) in zumindest einem Teilbereich die zweite Struktur (502) oder die erste Struktur (500) überlappt.
Adaptive Einheit (102) gemäß Anspruch 4, bei der der das Rohr (900) mehrere unterscheidbare Teilbereiche (902, 904) aufweist, in denen es unterschiedliche Steifigkeiten aufweist.
Adaptive Einheit (102) gemäß Anspruch 5, bei der das Rohr (900) in einem Teilbereich (904), in dem ein Fluidbehälter (508) angeordnet ist, eine höhere Steifigkeit aufweist, als in einem Teilbereich (902), der die zweite Struktur (502) überlappt.
Adaptive Einheit (102) einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die erste Struktur (500) eine Hülle (700) um einen Fluidbehälter (508) zur Erhöhung der ersten Steifigkeit aufweist.
Adaptive Einheit (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der eine Armatur (504) zur regelbaren Änderung eines Öffnungsquerschnitts der Austrittsöffnung (506) vorgesehen ist.
Adaptive Einheit (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die erste Struktur (500) einen fluidgefüllten Beutel (508) aufweist.
Adaptive Einheit (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der zumindest die zweite Struktur (502) als faltbares Rohr ausgebildet ist.
Adaptive Einheit (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Anschlussflansch (808) zum Verbinden der Einheit (102) mit einem Längsträger (106) eines Fahrzeugs (100).
Verfahren (200) zum Einstellen einer Steifigkeit einer adaptiven Einheit (102), wobei das Verfahren (200) den folgenden Schritt aufweist: Betätigen (202) einer Armatur (504) an einer Ausströmöffnung (506) aus einer fluidgefüllten ersten Struktur (500) der adaptiven Einheit (102), um eine erste Steifigkeit der ersten Struktur (500) zu beeinflussen, wobei die erste Struktur (500) in einen gemeinsamen Energieaufnahmepfad mit einer zweiten Struktur (502) geschalten ist, die eine zweite Steifigkeit aufweist.
Verfahren (200) gemäß Anspruch 1, bei dem im Schritt (202) des Betätigens die Armatur (504) geöffnet wird, wenn eine Aufprallenergie in die Einheit (102) eingeleitet wird, die kleiner als ein Schwellenwert ist.
Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt (202) des Betätigens die Armatur (504) geschlossen wird oder bleibt, wenn eine Aufprallenergie in die Einheit (102) eingeleitet wird, die größer als ein Grenzwert ist.
Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt (202) des Betätigens ein Öffnungsquerschnitt der Armatur (504) unter Verwendung eines zeitlichen Verlaufs der Aufprallenergie verändert wird.
Computer-Programmprodukt mit Programmcode zum Ansteuern von Schritten des Verfahrens nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wenn das Programmprodukt auf einer Vorrichtung ausgeführt wird.