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Die Erfindung betrifft ein Deformationselement für eine Deformationseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Deformationseinrichtung gemäß Anspruch 7 sowie ein Computerprogramm dafür gemäß Anspruch 11.
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Allgemein betrifft die Erfindung das Gebiet von über elektrische Signale willkürlich einstellbaren Deformationseinrichtungen bzw. deren Bauteilen.
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Deformationseinrichtungen werden z. B. zur Energieabsorption in Fahrzeugen, Flugzeugen oder anderen Verkehrsmitteln eingesetzt, um im Crash-Fall die Unfallfolgen zu mindern oder um im normalen Betrieb z. B. Stöße zu mindern, z. B. in Form von Stoßdämpfern. Soweit im Stand der Technik Deformationseinrichtungen für den Crash-Fall beschrieben werden, sind diese in der Regel irreversibel deformierbar und damit nur einmalig einsetzbar.
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Aus der
WO 2004/028880 A2 geht beispielsweise ein polymerer Energieabsorber und ein Stoßfängersystem für Kraftfahrzeuge hervor, das die kinetische Energie, die bei Unfällen von Kraftfahrzeugen frei wird, durch Energieabsorption aufnimmt. Weiterer Stand der Technik zu Energieabsorptionseinrichtungen geht hervor aus
US 2010/0237598 A1 ,
DE 100 55 114 A1 ,
US 3 915 486 A ,
JP 2007-230 309 A1 ,
DE 100 02 148 A1 ,
FR 2 528 928 A1 ,
DE 10 2009 029 475 A1 .
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Deformationselement für eine Deformationseinrichtung anzugeben, das bei einfacher konstruktiver Gestaltung universeller anwendbar ist als bekannte Deformationselemente. Ferner soll eine vorteilhafte Deformationseinrichtung sowie ein Computerprogramm dafür angegeben werden.
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Diese Aufgabe wird durch ein Deformationselement gemäß Anspruch 1 gelöst. Der Kontaktdruck korrespondiert dabei mit einer bestimmten Kontaktkraft zwischen dem Deformationselement und dem weiteren Bauteil.
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Im Unterschied zu bekannten Deformationselementen wird beim erfindungsgemäßen Deformationselement somit zur Energieabsorption das Wirkprinzip Reibung eingesetzt. Das Deformationselement weist wenigstens eine Reibfläche auf, die zum Zusammenwirken mit dem weiteren Bauteil der Deformationseinrichtung als Reibpartner eingerichtet ist. Damit bilden das Deformationselement und das weitere Bauteil zwei Reibpartner, zwischen denen bei einer Relativbewegung zueinander Coulombsche Reibung auftritt, die erfindungsgemäß zur Energieabsorption dient. Die Kennwerte der Reibpaarung sind von den verwendeten Materialien des Deformationselements und des weiteren Bauteils und deren Oberflächenbeschaffenheit abhängig. Hierdurch kann die Erfindung in weiten Bereichen an den jeweiligen Anwendungszweck angepasst werden und daher in vielen verschiedenen Einsatzfällen genutzt werden. Insbesondere kann mit der Erfindung ein Deformationselement bereitgestellt werden, das auch für Crash-Anwendungen geeignet ist, aber nicht zwangsläufig irreversibel deformiert werden muss. Insbesondere bei leichteren Crashs kann die gewünschte Energieabsorption ohne Zerstörung der Deformationseinrichtung realisiert werden. Nach einer Kollision verbleiben daher die Teile der Deformationseinrichtung im funktionsfähigen Zustand, so dass sie nicht ausgetauscht werden müssen.
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Neben der Anwendung für den Kollisionsfall eignet sich das erfindungsgemäße Deformationselement auch für die Anwendung zur Stoß- bzw. Aufpralldämpfung, bzw. allgemein zur Schwingungsdämpfung. Mittels des erfindungsgemäßen Deformationselements oder einer damit gebildeten Deformationseinrichtung kann z. B. ein einstellbarer Schwingungsdämpfer für Fahrzeuge, Flugzeuge oder andere technische Gegenstände bereitgestellt werden.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass sich das Deformationselement zur Realisierung von mechanisch unterschiedlich wirkenden Deformationseinrichtungen eignet. So kann mit dem erfindungsgemäßen Deformationselement eine linear (axial) einwirkende Kraft oder eine torsional einwirkende Kraft absorbiert werden. Eine mit dem erfindungsgemäßen Deformationselement aufgebaute Deformationseinrichtung kann daher z. B. wie ein Teleskop-Schwingungsdämpfer oder wie ein Torsions-Schwingungsdämpfer ausgebildet sein. Mit dem erfindungsgemäßen Deformationselement kann sogar eine Deformationseinrichtung bereitgestellt werden, die sowohl eine linear (axial) einwirkende Kraft als auch eine torsional einwirkende Kraft absorbieren kann.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass eine mit dem erfindungsgemäßen Deformationselement aufgebaute Deformationseinrichtung keine Vorzugsrichtung bei der Bewegung bzw. der Bewegungsrichtung bei der Energieabsorption aufweisen muss. Bei der Absorption einer Linearbewegung kann die Deformationseinrichtung sowohl Zug-, Schub- als auch Druckkräfte aufnehmen und absorbieren. Auch eine Umkehr der Bewegungsrichtung ist möglich. Bei bekannten Deformationselementen war häufig nur eine Vorzugsrichtung gegeben. Damit können mit der erfindungsgemäßen Deformationseinrichtung z. B. auch Schwingungen um einen Mittelwert wirksam gedämpft werden.
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Durch die Möglichkeit der adaptiven Einstellbarkeit bietet das erfindungsgemäße Deformationselement weitere Vorteile gegenüber bekannten Vorschlägen. Bei bekannten Vorschlägen waren Deformationseinrichtungen in der Regel auf eine bestimmte Charakteristik hin konstruiert. Mit dem erfindungsgemäßen Deformationselement ist eine adaptive Energieabsorption möglich, die während des Betriebs des Deformationselements automatisch eingestellt werden kann, z. B. in Abhängigkeit von Sensorsignalen, wie etwa der Kollisionsgeschwindigkeit im Crash-Fall.
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Somit kann über die Einstellung des Kontaktdrucks und/oder der sonstigen Eigenschaft der Oberflächenreibung der Reibpartner eine Einstellung mindestens einer Energieabsorptionseigenschaft einer mit dem Deformationselement gebildeten Deformationseinrichtung erfolgen. Als Kontaktdruck oder auch Kontaktkraft wird dabei der Druck bzw. die Flächenpressung angesehen, mit der die Reibpartner aneinander gepresst sind. Als sonstige Eigenschaft der Oberflächenreibung kann insbesondere der Reibbeiwert (Reibkoeffizient) beeinflusst werden.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass das erfindungsgemäße Deformationselement bzw. die damit gebildete Deformationseinrichtung in die Primärstruktur des Gegenstands integriert werden kann, an dem das Deformationselement bzw. die Deformationseinrichtung zur Energieabsorption tätig sein soll, z. B. in den Stoßfänger eines Kraftfahrzeugs, in die Vertikalstreben-Struktur eines Flugzeugs oder in einen Stoßdämpfer. Deformationselemente gemäß dem Stand der Technik haben dagegen häufig den Nachteil, dass sie zusätzlich in die Struktur eingebracht werden und damit einen sekundären Lastpfad bilden. Sie sind nicht mittragend und somit nicht Teil der Primärstruktur des Gegenstands. Dies erfordert wiederum eine präzise Anpassung derart, dass im Kollisionsfall nicht unerwünschterweise die Primärstruktur bereits so weit zerstört ist, bevor der sekundäre Lastpfad wirksam wird, dass eine gewünschte Energieabsorption im Deformationselement nicht mehr stattfindet. Durch die Möglichkeit der Integration des Deformationselements bzw. Deformationseinrichtung in die Primärstruktur überwindet die Erfindung auch solche Nachteile.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Deformationselement wenigstens einen elektrischen Aktor auf, der mit dem wenigstens einen elektrischen Anschluss zur Zuführung des elektrischen Signals verbunden ist. Der elektrische Aktor, bzw. eine Vielzahl von elektrischen Aktoren, kann unterschiedlich realisiert werden. So können z. B. elektrothermische Wandler über die Erstreckung des Deformationselements, zumindest im Bereich der Reibfläche, integriert sein. Mittels der elektrothermischen Wandler kann das Deformationselement durch das elektrische Signal erwärmt werden und dehnt sich damit aus. Befindet sich das Deformationselement dann innerhalb des weiteren Bauteils, das als Reibpartner dient, wird der Kontaktdruck durch die Ausdehnung des Deformationselements erhöht und damit die Energieabsorptionseigenschaft einer so gebildeten Deformationseinrichtung. Die Aktoren können dabei vorteilhaft in Bewegungsrichtung zwischen den Reibpartnern oder quer zur Bewegungsrichtung über die Reibfläche verteilt angeordnet sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Deformationselement derart mit dem weiteren Bauteil verbunden, dass zwischen diesen Reibpartnern immer eine Vorspannung auftritt und damit ein gewisser Mindest-Kontaktdruck. Zwischen den Reibpartnern liegt dann sozusagen eine Presspassung vor. Der Kontaktdruck kann über das dem elektrischen Anschluss des Deformationselements zugeführte elektrische Signal verändert werden. Je nach Ausführung kann durch das zugeführte elektrische Signal der Kontaktdruck erhöht und/oder verringert werden.
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Gemäß der Erfindung weist das Deformationselement in die Struktur des Deformationselements integrierte und/oder auf der Oberfläche des Deformationselements aufgebrachte elektromechanische Wandler auf, die zum Umwandeln des dem Deformationselement zugeführten elektrischen Signals in eine mechanische Größe eingerichtet sind. Solche elektromechanischen Wandler als Aktoren haben gegenüber den zuvor genannten elektrothermischen Wandlern den Vorteil, dass kürzere Antwortzeiten realisierbar sind und damit dynamischere adaptive Einstellungen des Kontaktdrucks bzw. der sonstigen Eigenschaft der Oberflächenreibung möglich sind. Zudem lassen sich elektromechanische Wandler einfacher und kostengünstiger beschaffen und besser in die Struktur des Deformationselements integrieren oder auf dessen Oberfläche anbringen. Gemäß der Erfindung sind die elektromechanischen Wandler, wenn sie auf der Oberfläche des Deformationselements aufgebracht sind, auf der von der Reibfläche abgewandten Seite auf der Oberfläche des Deformationselements aufgebracht. Damit unterliegen die elektromechanischen Wandler nicht der zwischen den Reibpartnern auftretenden Reibung und dementsprechend nicht dem dabei auftretenden Verschleiß. Sofern das Deformationselement z. B. am Außenumfang seiner Reibfläche vom anderen Reibpartner, d. h. dem weiteren Bauteil, umgeben ist, werden die elektromechanischen Wandler auf der Innenseite des Deformationselements angeordnet. Sofern das Deformationselement eine innen liegende Reibfläche aufweist und innerhalb der Reibfläche den anderen Reibpartner, das weitere Bauteil, aufnimmt, sind die elektromechanischen Wandler vorteilhaft wiederum an der entgegengesetzten Oberfläche anzuordnen, d. h. an der Außenseite des Deformationselements.
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Grundsätzlich kann jeder elektromechanische Wandler eingesetzt werden, der elektrischen Strom in eine mechanische Bewegung wandelt, wie z. B. ein Elektromagnet. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind einer, mehrere oder alle der elektromechanischen Wandler als piezoelektrische und/oder polymerbasierte Aktoren ausgebildet. Auch eine Mischung der genannten Aktortypen an einem Deformationselement ist vorteilhaft. Polymerbasierte Aktoren können z. B. durch elektroaktive Polymere realisiert werden. Piezoelektrische Aktoren können z. B. durch Piezokeramiken realisiert werden. Die Realisierung der elektromechanischen Wandler in dieser Art hat den Vorteil, dass das Deformationselement preisgünstig hergestellt werden kann, insbesondere mit einer großen Anzahl von einzelnen elektromechanischen Aktoren. Die Aktoren können mit sehr geringen Dimensionen hergestellt werden, was eine Integration in die Struktur des Deformationselements oder eine sonstige Anbringung vereinfacht. Zudem zeichnen sich solche elektromechanischen Wandler durch sehr geringe Antwortzeiten, hohe Energieeffizienz und Langlebigkeit aus.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind einer, mehrere oder alle der elektromechanischen Wandler zur Erzeugung einer mechanischen Kraft, eines Drucks oder einer Längenänderung in Umfangsrichtung und/oder radialer Richtung des Deformationselements ausgebildet. Dies erlaubt wiederum die Realisierung unterschiedlichster Konstruktionen der Deformationseinrichtung und damit eine variable Adaptierbarkeit an unterschiedliche Anwendungsfälle.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Deformationselement wenigstens ein durch die elektromechanischen Wandler verformbares Strukturbauteil und wenigstens ein Abstützbauteil auf, an dem die elektromechanischen Wandler mechanisch abgestützt sind, zumindest bei einer Verformung des Strukturbauteils durch die elektromechanischen Wandler. Dies hat den Vorteil, dass das Strukturbauteil als relativ dünnwandiges, leicht verformbares Bauteil bereitgestellt werden kann, was sich durch die elektromechanischen Wandler leicht verformen lässt. Diese können sich wiederum an dem Abstützbauteil mechanisch abstützen, so dass das Abstützbauteil der gesamten Anordnung die notwendige Steifigkeit verleiht.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besteht das Deformationselement ganz oder teilweise aus einem Faserverbundmaterial. Insbesondere können vorteilhaft faserverstärkte Kunststoffe eingesetzt werden, z. B. Kohlefaser-, Glasfaser- oder Aramidfaser-Laminate. Das weitere Bauteil der Deformationseinrichtung, das als Reibpartner dient, kann ebenfalls aus einem der zuvor genannten Materialien hergestellt sein, oder aus einem anderen Material. Insbesondere ist es möglich, beide Reibpartner aus demselben Material herzustellen. Es kann auch eine Mischung der genannten Fasern verwendet werden. Durch die Verwendung solcher Faserverbundmaterialien können vorteilhaft verschiedene Parameter des Deformationselements bzw. der damit gebildeten Deformationseinrichtung beeinflusst werden, wie z. B. der Reibkoeffizient und der Verschleiß. Diese sind z. B. vom verwendeten Polymer und seinen Additiven abhängig. Darüber hinaus lässt sich durch den Einsatz von Abreißgewebe während des Herstellungsprozesses eine gewünschte Oberflächentextur der Reibfläche bzw. der zugeordneten gegenüberliegenden Reibfläche des weiteren Bauteils erzeugen. Diese Oberflächentextur beeinflusst die Kennwerte der Reibpaarung in besonderem Maße. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Faserverbundmaterial besteht darin, dass durch den mehrlagigen Aufbau der Faserverbundmaterialien und bestimmte Faserrichtungen die Steifigkeit des Deformationselements in einer bestimmten Richtung in gewünschter Weise beeinflusst werden kann, so dass das Deformationselement mit einer geringeren Steifigkeit in der Richtung hergestellt werden kann, in der die elektromechanischen Wandler eine Verformung des Deformationselements bewirken sollen.
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Das Deformationselement kann grundsätzlich in jeder beliebigen Form bzw. mit beliebigen Querschnitten hergestellt werden, z. B. quadratisch, mehreckig, insbesondere sechseckig, rund oder oval. Insbesondere kann das Deformationselement röhrenförmig ausgebildet sein, d. h. einen inneren Hohlraum aufweisen. Die Reibfläche kann wahlweise an der Innenseite oder der Außenseite des Deformationselements angeordnet sein. Es kann auch innen und außen jeweils eine Reibfläche vorhanden sein. Entsprechend ist das weitere Bauelement als Reibpartner dann innerhalb des Deformationselements oder außerhalb des Deformationselements, dieses umgebend, angeordnet. Die Deformationseinrichtung kann insbesondere teleskopartig ausgebildet sein. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Deformationselement zumindest im Bereich der Reibfläche eine zylindrische oder hohlzylindrische Form auf. Dies hat den Vorteil, dass, bei entsprechender entgegengesetzter Formgebung des weiteren Bauteils, sowohl eine Energieabsorption von linear in Richtung der Längsachse des Deformationselements einwirkenden Kräften als auch von in Umfangsrichtung, d. h. in Torsionsrichtung, einwirkenden Kräften möglich ist. Es kann somit ein besonders universell einsetzbares Deformationselement und eine universell einsetzbare Deformationseinrichtung bereitgestellt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Deformationselement wenigstens einen Sensor zur Abgabe von Sensorsignalen auf. Der Sensor kann in die Struktur des Deformationselements integriert sein oder auf einer Oberfläche aufgebracht sein. Mittels des Sensors kann z. B. die Relativbewegung des Deformationselements bezüglich des weiteren Bauteils erfasst werden und daraus bestimmte Größen erzeugt werden, wie z. B. ein Wegsignal (Relativbewegung), ein Geschwindigkeitssignal (zeitliche Änderung des Wegsignals) oder ein Beschleunigungssignal (zeitliche Änderung des Geschwindigkeitssignals). Der Sensor kann z. B. in Form einer Induktionsschleife oder in Form eines Kraftsensors ausgebildet sein. Mittels einer Induktionsschleife kann z. B. gut die Relativbewegung zwischen dem Deformationselement und dem weiteren Bauteil erfasst werden. Mittels eines Kraftsensors kann gut die Kontaktkraft und damit der Kontaktdruck zwischen diesen beiden Bauteilen erfasst werden.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gemäß Anspruch 7 gelöst durch eine Deformationseinrichtung, in der wenigstens ein Deformationselement mit wenigstens einem weiteren Bauteil der Deformationseinrichtung zusammenwirkt, um auf die Deformationseinrichtung einwirkende mechanische Energie zu absorbieren, wobei die Deformationseinrichtung hinsichtlich wenigstens einer Energieabsorptionseigenschaft über ein elektrisches Signal willkürlich einstellbar ist, wobei das wenigstens eine Deformationselement nach der zuvor beschriebenen Art ausgebildet ist. Mittels einer solchen Deformationseinrichtung können die zuvor bereits erläuterten Vorteile realisiert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das weitere Bauteil der Deformationseinrichtung, das den Reibpartner bildet, als weiteres Deformationselement der zuvor beschriebenen Art ausgebildet. Auf diese Weise weist die Deformationseinrichtung zumindest zwei der zuvor beschriebenen Deformationselemente auf. So kann z. B. das eine Deformationselement teleskopartig beweglich in dem anderen Deformationselement angeordnet sein. Eine Betätigung der elektromechanischen Wandler im inneren Deformationselement führt z. B. zu einer Erhöhung des Kontaktdrucks durch Vergrößerung des inneren Deformationselements. Eine Betätigung der elektromechanischen Wandler des äußeren Deformationselements führt z. B. zu einer Kontaktdruckerhöhung durch Verringerung des Innendurchmessers des äußeren Deformationselements.
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Die Deformationseinrichtung kann noch weitere Deformationselemente der zuvor beschriebenen Art aufweisen, die z. B. wiederum teleskopförmig mit den übrigen Deformationselementen angeordnet sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Deformationseinrichtung eine elektronische Steuereinrichtung auf, die mit wenigstens einem Sensor verbunden oder verbindbar ist und außerdem mit dem elektrischen Anschluss des wenigstens einen Deformationselements verbunden ist. Hierbei ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von einem von dem wenigstens einem Sensor empfangenen Sensorsignal Ansteuersignale für das wenigstens eine Deformationselement zu bestimmen und über den elektrischen Anschluss an das wenigstens eine Deformationselement auszugeben. Dies erlaubt eine vorteilhafte adaptive Steuerung der Energieabsorptionseigenschaft der Deformationseinrichtung mittels elektronischer Steuerung. Durch entsprechende Ausgestaltung der Steuereinrichtung bzw. einer von der Steuereinrichtung ausgeführten Steuersoftware (Computerprogamm) können für unterschiedliche Unfallszenarien oder Schwingungsdämpfungszenarien jeweils angepasste Energieabsorptionseigenschaften realisiert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, mittels des wenigstens einen Sensors wenigstens eine der Eingangsgrößen Deformationsweg, Deformationsgeschwindigkeit, Deformationsbeschleunigung, Körperschall der Deformationseinrichtung zu erfassen. Damit kann die Charakteristik des Deformationselements so geregelt werden, dass eine verbesserte Ausnutzung der gesamten Deformationseinrichtung in Abhängigkeit der eingebrachten Stoßenergie erfolgt. Durch Steuerung des Kontaktdrucks zwischen dem Deformationselement und dem weiteren Bauteil in Abhängigkeit von der Deformationsbeschleunigung kann z. B. die Charakteristik eines konventionellen Stoßdämpfers nachgebildet werden, z. B. durch ein entsprechendes Computerprogramm der Steuereinrichtung.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird gemäß Anspruch 11 ferner gelöst durch ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln eingerichtet zur Bestimmung der Ansteuersignale der Steuereinrichtung der zuvor beschriebenen Art in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Sensorsignal, wenn das Computerprogramm auf einem Rechner der Steuereinrichtung ausgebildet wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Deformationseinrichtung in einer ersten Ausführungsform in isometrischer Ansicht und
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2 bis 4 weitere Ausführungsformen von Deformationseinrichtungen in einer Schnittdarstellung und
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5 eine weitere Ausführungsform einer Deformationseinrichtung in isometrischer Ansicht und
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6 eine beispielhafte Strukturantwort einer erfindungsgemäßen Deformationseinrichtung
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In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.
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Die 1 zeigt eine Deformationseinrichtung 1, die ein Deformationselement 2 sowie ein weiteres Bauteil 3 aufweist. Das Deformationselement 2 ist hülsenförmig ausgebildet, in Form eines Hohlzylinders, der innerhalb des ebenfalls als Hohlzylinder ausgebildeten weiteren Bauteils 3 angeordnet ist. Das Deformationselement 2 weist am Außenumfang eine Reibfläche 4 auf, die zum Teil in das weitere Bauteil 3 eingetaucht ist (im Abschnitt 12). Zwischen der Reibfläche 4 und der gegenüberliegenden, inneren Oberfläche des weiteren Bauteils 3 liegt eine Presspassung vor, d. h. die Bauteile 2, 3 sind in diesem Bereich bereits mit einem gewissen Kontaktdruck aneinander gepresst.
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Im Bereich der Reibfläche 4 weist das Deformationselement 2 eine Vielzahl von elektromechanischen Wandlern auf, die nachfolgend anhand der 2 bis 4 noch näher beschrieben werden. Die elektromechanischen Wandler werden elektrisch über einen elektrischen Anschluss 5 kontaktiert. Der elektrische Anschluss 5 kann z. B. als Steckanschluss des Deformationselements 2 oder als aus dem Deformationselement 2 herausgeführtes Kabel ausgebildet sein. Der elektrische Anschluss 5 ist mit einer elektronischen Steuereinrichtung 13 verbunden, die zur Steuerung der elektromechanischen Wandler des Deformationselements dient. Die Steuereinrichtung 13 weist hierfür einen Rechner 19, z. B. in Form eines Mikrokontrollers oder Mikroprozessors auf, auf dem ein Computerprogramm zur Erzeugung der entsprechenden Ansteuersignale der elektromechanischen Wandler ausgeführt wird. Der in Folge der Presspassung vorhandene Kontaktdruck zwischen der Reibfläche 4 und dem weiteren Bauteil 3 ist durch die elektromechanischen Wandler des Deformationselements in Folge des elektrischen Signals z. B. verringerbar.
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Die Steuereinrichtung 13 ist über eine Schnittstelle 14 mit einem Sensor 15 verbunden. Der Sensor 15 kann z. B. ein Beschleunigungssensor bzw. Crash-Sensor eines Fahrzeuges sein, oder irgendein anderer geeigneter Sensor. Sofern das Deformationselement 2 selbst über einen oder mehrere Sensoren verfügt, können diese ebenfalls über den elektrischen Anschluss 5 mit der Steuereinrichtung 13 verbunden sein.
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Die Deformationseinrichtung 1 ist wie folgt mit der äußeren Umgebung verbunden. Das weitere Bauteil 3 ist mit einem bezüglich des Gegenstands, an dem die Deformationseinrichtung 1 verwendet wird, ortsfesten Tragbauteil 10 verbunden, z. B. mit der tragenden Struktur eines Kraftfahrzeuges. Das Deformationselement 2 ist über ein mechanisches Anschlusselement 11 z. B. mit dem Stoßfänger des Kraftfahrzeugs verbunden oder verbindbar.
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Das Deformationselement 2 kann eine Relativbewegung zum weiteren Bauteil 3 entsprechend dem links vom mechanischen Anschlusselement 11 dargestellten Doppelpfeil ausführen. Ein hierbei auftretender Verschiebeweg s kann z. B. über den Sensor 15 oder einen in das Deformationselement 2 oder das weitere Bauteil 3 integrierten Sensor erfasst werden. Die Deformationseinrichtung 1 gemäß 1 eignet sich daher in der dargestellten Konfiguration insbesondere für die Energieabsorption bei in Längsrichtung der Deformationsrichtung 1 auftretenden Linearbewegungen. In diesem Fall verändert das Deformationselement 2 gegenüber dem weiteren Bauteil 3 teleskopartig seine Position.
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Die 2 bis 4 zeigen das Deformationselement 2 gemäß 1 sowie das weitere Bauteil 3 in geschnittener Darstellung, wobei nur ein Teilsegment dieser Bauteile dargestellt ist. Die 2 bis 4 zeigen hierbei verschiedene Ausführungsformen der Integration elektromechanischer Wandler 6, insbesondere Piezoaktoren oder polymerbasierte Aktoren, in das Deformationselement.
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Gemäß 2 sind elektromechanischen Wandler 6 direkt in das Material des Deformationselements 2 integriert, d. h. sie sind strukturintegriert, z. B. einlaminiert. Je nach Wirkrichtung der elektromechanischen Wandler können diese den Kontaktdruck zwischen dem Deformationselement 2 und dem weiteren Bauteil 3 verringern und/oder erhöhen. In diesem Zuge erfolgt eine geringfügige Durchmesservergrößerung oder Durchmesserverringerung des Deformationselements 2.
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Wie in 3 erkennbar ist, können die elektromechanischen Wandler auch auf einer Oberfläche des Deformationselements 2 aufgebracht sein, z. B. aufgeklebt sein. Vorteilhaft sind die elektromechanischen Wandler dabei auf der Innenseite, d. h. der Reibfläche 4 abgewandten Seite, angeordnet, so dass sie nicht der Reibung unterliegen. Zur Befestigung der elektromechanischen Wandler an dem Deformationselement 2 sowie zur gegenseitigen Abstützung untereinander ist ein Klebstoff 7 oder ein Harz vorhanden.
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Anhand der 3 ist beispielhaft noch ein in dem Deformationselement 2 angeordneter Sensor 18 dargestellt, z. B. ein Drucksensor in Form eines piezoresistiven Elements. Der Sensor 18 kann die Kontaktkraft bzw. den Kontaktdruck zwischen dem Deformationselement 2 und dem weiteren Bauteil erfassen. Auf diese Weise kann der Kontaktdruck durch die Steuereinrichtung 13 auf gewünschte Werte geregelt werden. Der eine Sensor 18 ist nur beispielhaft dargestellt. Es können weitere in die Struktur des Deformationselements 2 integrierte oder auf der Oberfläche aufgebrachte Sensoren vorhanden sein.
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Bei den Ausführungsformen der 2 und 3 sind die elektromechanischen Wandler insbesondere zur Erzeugung von Kräften in Umfangsrichtung 20 des Deformationselements 2 ausgebildet, d. h. sie erzeugen eine geringfügige Längenänderung in Umfangsrichtung 20. Das Deformationselement 2 kann auch mit elektromechanischen Wandlern 6 realisiert werden, die Kräfte ganz oder überwiegend in radialer Richtung 21 erzeugen, wie in 4 dargestellt ist. In diesem Fall ist es günstig, für die mechanische Abstützung der elektromechanischen Wandler 6 ein Gegenlager vorzusehen. Dies kann z. B. dadurch realisiert werden, dass das Deformationselement 2 aus einem Strukturbauteil in Form einer äußeren Schale und einem inneren Abstützbauteil 8 gebildet wird. Das innere Abstützbauteil 8 kann z. B. als Rohr aus einem stabilen Material, z. B. einem Stahlrohr, gebildet sein.
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Die 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Deformationseinrichtung 1, die sich von der Ausführungsform von der 1 wie folgt unterscheidet. Die Ausführungsform gemäß 5 ist zur Aufnahme von Torsionsbewegungen in Richtung des Winkels α ausgebildet, d. h. in Umfangsrichtung des Deformationselements 2. Über ein mechanisches Anschlusselement 16 kann eine solche Bewegung in die Deformationseinrichtung 1 eingeleitet werden. Über den Sensor 15 oder einen in dem Deformationselement 2 vorhandenen Sensor kann z. B. der Betätigungswinkel α erfasst werden und durch die Steuereinrichtung 13 verarbeitet werden, um entsprechende Ansteuersignale für die elektromechanischen Wandler 6 zu erzeugen.
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Die Ausführung der Deformationseinrichtung gemäß den 1 und 5 kann z. B. nach einer der Varianten der 2, 3 oder 4 erfolgen.
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Anhand der 6 soll mittels vierer Zeitdiagramme 6a, 6b, 6c und 6d beispielhaft die Funktion der teleskopartigen Deformationseinrichtung 1 gemäß 1 erläutert werden. Die 6 zeigt in den Zeitdiagrammen eine dynamische Strukturantwort der Deformationseinrichtung 1. Als Eingangsgrößen dienen dabei der zeitliche Verlauf der von der Steuereinrichtung 13 ausgegebenen Regelspannung der elektromechanischen Wandler 6, wie in 6a dargestellt, und der zeitliche Verlauf der Verschiebungsrandbedingung, d. h. des Weges s, der in 6b dargestellt ist. Der zeitliche Verlauf der von der Steuereinrichtung 13 ausgegebenen Regelspannung entspricht auch dem zeitlichen Verlauf des damit eingestellten Kontaktdrucks, so dass 6a zugleich diesen Kontaktdruck qualitativ wiedergibt. 6c zeigt den aus dem Kontaktdruck und der Verschiebungsrandbedingung resultierenden Verlauf der Reaktionskraft zwischen dem Deformationselement 2 und dem umgebenden weiteren Bauteil 3, d. h. die auf das Tragbauteil 10 einwirkende Kraft. Die 6d zeigt die absorbierte Energie. Alle dargestellten Größen sind hinsichtlich Ordinatenskalierung auf den Wert 1 normiert dargestellt. Auf der Abszisse ist die Zeit dargestellt, z. B. in Millisekunden.
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Der in 6a dargestellte Spannungsverlauf zeigt einen exemplarischen Verlauf der Eingangsgröße, die von der Steuereinrichtung 13 geregelt wird. Die Spannung steigt zum Zeitpunkt T1 an, um eine Vorspannung und den Kontakt zwischen den beiden Reibflächen zu etablieren. In der Realität entspricht dies dem Zusammenbau des Deformationselements 2 mit dem weiteren Bauteil 3 unter Verwendung einer Presspassung. Ab dem Zeitpunkt T1 wird dann eine Verschiebung mit einem Verschiebeweg s aufgebracht. Der dargestellte Verlauf repräsentiert z. B. eine Geschwindigkeit von 7 m/s, welche der Aufprallgeschwindigkeit eines Flugzeugs auf dem Rollfeld in typischen Notlandebedingungen entspricht. Wie den 6c und 6d entnehmbar ist, verlaufen die Reaktionskraft und die Energieabsorption gegenüber den Eingangsgrößen etwas zeitversetzt, um etwa 1 Millisekunde. In diesem Zeitraum werden die beteiligten Bauteile der Deformationseinrichtung, insbesondere das Deformationselement 2 und das weitere Bauteil 3, elastisch komprimiert. Sobald diese Bauteile vollständig beansprucht sind, kann der erfindungsgemäße Wirkmechanismus, durch Reibung Energie zu absorbieren, in Kraft treten. Es wird messbar Kraft übertragen und entsprechend Energie absorbiert.
