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Die Erfindung bezieht sich auf einen Dämpfungskörper zur Umwandlung von kinetischer Energie in Verformungsenergie, insbesondere für Fahrzeuge, der eine Anzahl von Dämpfungselementen umfasst, die im Wesentlichen aus zellularem Werkstoff ausgebildet sind.
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In der Automobilindustrie, aber auch in anderen Industriezweigen, insbesondere denjenigen, die sich mit der Fortbewegung zu Lande, zu Wasser und in der Luft befassen, besteht zum einen die Forderung nach Erhöhung der aktiven und passiven Sicherheit, aber auch eine ständige Forderung nach Reduzierung des Materialeinsatzes in Fahrzeugen, Maschinen und Geräten, um einerseits Ressourcen zu schonen sowie andererseits Gewicht einzusparen und Energie- und Kostensenkungen zu erzielen.
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Beispielsweise bei Kraftfahrzeugen herkömmlicher Bauart, deren Sicherheitskonzept zu einem wesentlichen Bestandteil auf sogenannten Crash- oder Dämpfungselementen zur Sicherstellung der passiven Sicherheit beruht, ist es bekannt, Crashelemente im Rahmen einer Tragstruktur oder in Verbindung mit Stoßfängern einzusetzen, um im Falle eines Aufpralls einen gewissen Anteil der Crashenergie zu absorbieren. Diese Absorption dient in erster Linie dem Schutz der Insassen vor Verletzungen, wie sie durch die starke Verzögerung bei einem Aufprall entstehen können, aber auch dem Schutz des Fahrzeugs vor größeren Beschädigungen, wie beispielsweise einem Verziehen der Tragstruktur. Übersteigt die beim Aufprall auftretende Crashenergie die von dem Crashelement bzw. einer Crashbox aufnehmbare bzw. absorbierbare Energie nicht, so muss bei einer Instandsetzung des Fahrzeugs nach dem Unfall lediglich der Stoßfänger bzw. das Crashelement ausgetauscht werden.
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Bekannt ist, dass Crashelemente beispielsweise durch quer zur Aufprallrichtung in die Tragstruktur eingekerbte Faltsicken realisiert werden können, welche im Crashfall ziehharmonikaartig zusammengeschoben und/oder gefaltet werden und dadurch Energie absorbieren.
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Die
DE 103 21 574 betrifft ein Führerhaus für Kraftfahrzeuge mit einem sich in Richtung einer Fahrzeuglängsachse erstreckenden Fahrzeugrahmen und mindestens einem federnden und/oder dämpfenden Lagermittel zwischen dem Fahrzeugrahmen und dem Führerhaus, wobei zwischen dem Fahrzeugrahmen und dem Führerhaus ein in Richtung der Fahrzeuglängsachse wirkendes Stoßmittel zur Aufnahme von Stoßenergie im Kollisionsfall vorgesehen ist. Hierdurch wird erreicht, dass bei der Verschiebung des Führerhauses zumindest ein Teil der abzubauenden kinetischen Energie aufgenommen wird.
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Aus der
DE 42 02 589 C1 ist eine Sandwichstruktur mit einem textilen Vorformling bekannt, bei dem zwei in Parallelabstand voneinander angeordnete, aus einem Fadensystem gebildete Decklagen über Kernfäden zu einem hohlen Faserwerk vereinigt sind.
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Die
DE 37 23 681 A1 offenbart ein niedriggewichtiges Bauteil großer Steifigkeit und Druckfestigkeit. Dieses Bauteil auf Velour-Gewebebasis weist mindestens eine erste und eine zweite Lage sowie diese Lagen miteinander verbindende Zwischenstege auf. Das Velourgewebe besteht aus einem technischen Garn, z. B. Aramid-, Kohle-, Keramik- oder Glasfasern, und ist ausgehärtet verharzt, wobei die Zwischenstege starre Beabstandungselemente zwischen den beiden Lagen bilden. Ein solches Bauteil stellt sich selbst nach völligem Zusammendrücken wieder selbstständig zurück.
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Der Vorderwagen eines in der
DE 100 57 566 offenbarten Kraftfahrzeuges ist so ausgelegt, dass durch Deformation einzelner Fahrwerkbauteile, wie des Vorderachsfahrschemels beziehungsweise des Trägerwerks, insbesondere der Längs-, Kotflügel- sowie Verbindungsträger, gezielt Formänderungsenergie aufgenommen werden kann und somit der Insassenschutz gewährleistet wird. Durch die Deformation von Fahrwerkbauteilen, welche der Vorderachse zugeordnet sind, wird in erster Linie der Fußraum der Fahrgastzelle geschützt. Dabei soll in der Anfangsphase des Crashs möglichst viel kinetische Energie in Deformationsenergie umgewandelt werden. Gegen Ende des Crashs soll sich die deformierte Konstruktion zunehmend steif verhalten.
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Die
DE 28 45 548 C2 beschreibt ein Fahrzeug mit einem oberen und einem unteren Längsträger sowie mit einem Verbindungsträger, welcher die Längsträger verbindet. Von einer Verbindungsstelle des oberen Längsträgers mit dem Verbindungsträger erstreckt sich zur Stirnwand der Fahrgastzelle hin ein mit dem oberen Längsträger im Wesentlichen fluchtenden Stützträger. Der Stoßfänger stützt sich an der Stirnwand der Fahrgastzelle ab und weist eine definierte Deformationszone auf. Die Deformationszone ist nahe der Verbindungsstelle des oberen Längsträgers mit dem Verbindungsträger angeordnet und derart ausgebildet, dass diese sich bei frontaler Krafteinwirkung auf den oberen Längsträger zeitlich nach diesem, aber vor dem unteren Längsträger verformt. Der Stützträger ist mit einem Querschnitt ausgestaltet, welcher von der Deformationszone aus zur Stirnwand der Fahrgastzelle hin zunimmt.
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Weiter beschreibt die
DE 26 24 188 A1 einen als Hohlprofil ausgebildeten Längsträger eines Kraftfahrzeugrahmens mit unterschiedlichem Wanddickenverlauf und zur Fahrzeugmitte hin zunehmender Knicksteifigkeit, wobei besagter Längsträger über seine Länge hinweg in wenigstens zwei durch Umfangsnähte miteinander verbundene Trägerschüsse quergeteilt ist, deren Wandstärke und/oder Werkstoffgüte in Richtung auf die Fahrzeugmitte zu von Trägerschuss zu Trägerschuss jeweils größer bzw. besser ist als die Wandstärke bzw. Werkstoffgüte des davorliegenden Trägerschusses.
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Die
DE 195 26 398 A1 offenbart ein Konstruktionsteil für eine Kraftfahrzeugkarosserie mit einem vorderen, einem mittleren und einem hinteren Bereich, wobei besagte Bereiche einen polygonalen Querschnitt aufweisen. Der mittlere Bereich weist eine Querschnittsänderung vom vorderen zum hinteren Bereich sowie eine Druckfestigkeit auf, die größer der Druckfestigkeit des vorderen und hinteren Bereiches ist. Der vordere Bereich ist dabei so ausgebildet, dass dieser im Zuge eines Frontalzusammenstoßes in Druckrichtung verformt wird. Hergestellt ist das Konstruktionsteil aus einem rechteckigen, extrudierten Hohlteil, wobei der vordere und mittlere Bereich durch Pressen verformt wird.
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Die
DE 699 10 426 T2 offenbart einen deformierbaren Träger für Fahrzeuge in Form einer sogenannten Kollisionsschiene, die ausschließlich aus einem Kompositmaterial, welches in einer Matrix angeordnete Fasern umfasst, gebildet ist. Die Kollisionsschiene weist einen hohlen, quadratischen oder rechteckigen Querschnitt auf, der sich seinerseits linear von einem größten Querschnitt an einem einer Trennwand benachbarten Fußabschnitt zu einem kleinsten Querschnitt am vorderen Kopfabschnitt der Kollisionsschiene verjüngt. Ferner verjüngt sich die Wanddicke der Kollisionsschiene linear von einer größten Wanddicke am Fußabschnitt zu einer kleinsten Wanddicke am Kopfabschnitt.
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Aus der
DE 195 10 763 C2 ist ein Fahrzeugaufbau mit einem Montagerahmen bekannt, wobei der Montagerahmen aus vorderen und hinteren Querträgern und aus zwei diese verbindenden und mit Montagepunkten zur Aufnahmen von Motor, Getriebe und/oder Achsaggregaten versehenen Längsträgern besteht und mit einem Bodenrahmen des Fahrzeugs verschraubt ist. Einer der Querträger dient dabei als Träger für einen Stoßfänger. Die Deformationsbereiche sind mit mehreren parallel zueinander angeordneten Längsschlitzen versehen.
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Aus der
DE 38 15 510 A1 ist eine Bodengruppe für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei der an einem Bodenblech mindestens eine Entkopplungssicke vorgesehen ist, die etwa parallel zu einem Querträger mit geringem Abstand zu diesem verläuft, wobei die Breite der Entkopplungssicke den am Querträger auftretenden elastischen Durchbiegungen angepasst ist. Die Entkopplungssicke kann dabei bei der Herstellung des Bodenbleches mit eingeformt werden.
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Aus der
DE 195 11 868 A1 ist eine Stoßstange für eine zwei Längsträger aufweisende Fahrzeugkarosserie bekannt. Diese besteht aus einem sich über die Karosseriebreite erstreckenden Biegeträger und zwei im Abstand voneinander auf dessen Rückseite rechtwinklig abstehenden Verformungsgliedern, die fest mit dem Biegeträger und den Längsträgern verbunden sind. Zur Schaffung einer Stoßstange mit hohem Energieabsorbtionsvermögen sind die Verformungsglieder verformungssteifer ausgebildet als der Biegeträger.
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Schließlich ist aus der
DE 1 405 867 ein Kraftfahrzeug mit einem Tragrahmen bekannt. An einem vorderen und einem hinteren Ende des Tragrahmens sind als Deformationsglieder ausgebildete Endteile angeschlossen, welche eine Schwachstelle besitzen, deren geometrische Mittellinie bzw. deren Momentenachse durch entsprechende Knotenpunkte des Tragrahmens verläuft. Die deformierbaren Endteile leiten dabei bei einem Aufprall die Stoßkräfte auf die stärkste Stelle des Tragwerkes, wobei die Deformation der Endteile selbst bis zu einer vorbestimmten Querebene des Kraftfahrzeuges zugelassen wird, um den Schutz der Fahrgäste zu erhöhen.
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In den letzten Jahren sind neben den bereits etablierten Leichtbauwerkstoffen wie Kohle- und Glasfaserwerkstoffen einige neuartige Leichtbauwerkstoffe entwickelt worden, die sich in Teilbereichen schon in der industriellen Erprobungs- und Bewährungsphase befinden. Eine vielversprechende neuartige Werkstoffklasse stellen zellulare metallische Werkstoffe dar, welche das Ziel verfolgen, durch den definierten Einbau von Poren in die Struktur, vielfach eine Metallstruktur, eine nicht unwesentliche Masseneinsparung zu erzielen.
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In der Natur ist eines der grundlegendsten Konstruktionsprinzipien, Materie zellular auszubauen. Diese Idee wird immer häufiger aufgegriffen und versucht, durch sogenannte zellulare Werkstoffe zu imitieren. Ein zellularer oder poröser Werkstoff ist per definitionem ein monolithischer Feststoff, beispielsweise aus Metall, einer Legierung, Keramik, Glas, Kunststoff oder einem Kompositwerkstoff mit einer gezielt eingestellten dispersen Phase, beispielsweise einer Gasphase, beispielsweise Luft oder eine zweite Werkstoffkomponente zum Aufbau hybrider Werkstoffe. Typischerweise liegt der Anteil der dispersen Phase im Bereich von ungefähr 45 % bis 95 %, wobei als Oberbegriff hierfür die Porosität steht. Die Porosität wird durch offene oder geschlossene Poren, die Porenform, die Porengrößenverteilung, die Ausrichtung der Poren sowie durch weitere Einflussgrößen beschrieben. Sie hat hierbei unabhängig von ihrer spezifischen Ausprägung einen maßgeblichen Einfluss auf die Werkstoffeigenschaften.
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Die Herstellung von Bauteilen mit wesentlichen metallischen Eigenschaften, zu denen elektrische oder thermische Leitfähigkeit sowie Duktilität zählen können, und hoher Steifigkeit bei deutlich reduzierter Dichte ermöglichen die zellularen metallischen Werkstoffe. Sie sind durch die realisierbaren Eigenschaftskombinationen für eine Vielzahl von Anwendungen interessant.
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Besonders interessant sind zellulare metallische Werkstoffe durch ihre Kombination von Steifigkeit und Duktilität für den Einsatz als Schockabsorber. Diese Kombination ermöglicht die Aufnahme großer Energiebeträge durch eine Verformung. Besonders bei Sicherheitssystemen im Automobilbau sind diese Eigenschaften hochgradig erwünscht, aber bisher noch nicht im gewünschten Ausmaß zu realisieren.
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Allerdings kann ausschließlich eine Hohlkugelstruktur nicht als Dämpfungselement Verwendung finden, da im Falle einer Krafteinwirkung, wie sie beispielsweise bei einem Aufprall, also bei Einwirkung eines Impulses, auftritt, die Struktur zumindest teilweise zerstört wird. Denn durch den Aufprall werden einzelne Elemente der Struktur, also Hohlkugeln, während der Aufnahme der Verformungsenergie aus dem Verbund der Hohlkugeln gelöst und reduzieren durch dieses Ausbrechen die gesamte aufzunehmende Energiemenge. Das macht auch eine Berechnung der aufnehmbaren Energiemenge unmöglich. Die Hohlkugeln können also ohne ein festes Gefüge, in dem sie auch bei der zu erwartenden Krafteinwirkung verbleiben, nicht als berechenbares Dämpfungselement eingesetzt werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Dämpfungskörper der genannten Art anzugeben, der den gegenwärtigen und denkbaren zukünftigen Anforderungen an die Aufnahme von kinetischer Energie durch Verformung bei einem Aufprall, beispielsweise im Straßen-, Schienen-, Luft- oder Wasserverkehr, durch eine hohe Energieabsorption genügt, aber besonders leicht ausgeführt und kostengünstig sowie ressourcenschonend herzustellen ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem der zellulare Werkstoff eine Ummantelung aufweist und wobei die Ummantelung eine Stärke von 0,4 mm bis 10 mm aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass eine geeignete Kombination aus der Größe der verwendeten Hohlkugeln und ihrer Wandstärke in ihrer Gesamtstruktur einen zellularen Werkstoff bildet, der bei geringem Gewicht eine hohe kinetische Energie aufnehmen kann und dass bei zuverlässigem Verbleib der Hohlkugeln in der die Energie aufnehmenden Struktur die Relation aus Krafteinwirkung und Verformungsenergie die derzeitigen Möglichkeiten weit übersteigt.
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Damit eine möglichst hohe Dämpfungsrate erzielt werden kann, weist die Ummantelung vorteilhafterweise eine Wandstärke von 0,4 mm bis 4 mm auf.
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Um ein möglichst geringes Gewicht des Dämpfungselementes zu erreichen, ist der im Dämpfungselement enthaltene zellulare Werkstoff vorteilhafterweise aus einer Vielzahl von Hohlkugeln ausgebildet.
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Um eine besonders hohe Dämpfungsrate durch eine besonders hohe Stabilität der Hohlkugeln gegen Verformung, also gegen Druckeinwirkung von außen, zu erzielen, sind diese vorteilhafterweise im Wesentlichen aus einem Metall und/oder einer vorwiegend metallischen Legierung oder aus einem keramischen oder überwiegend keramischen Werkstoff ausgeführt.
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Damit ein ausgewogenes Verhältnis zwischen dem Gewicht des zellularen Werkstoffs und der einem Aufprall entgegengesetzten Widerstandskraft zu erzielen ist, weisen die den zellularen Werkstoff bildenden Hohlkugeln vorteilhafterweise einen Durchmesser von einem bis fünf Millimetern und/oder eine Dichte von 200 bis 750 Gramm pro Liter, in einer besonders herausragenden Eignung für die geplante Anwendung einen Durchmesser von zwei bis vier Millimetern und/oder eine Dichte von 200 bis 500 Gramm pro Liter auf.
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Um ein Ausbrechen der Hohlkugeln des Dämpfungselementes im Falle einer Krafteinwirkung und eine damit einhergehende ungewollte und nicht kalkulierbare Senkung der Dämpfungsrate zu vermeiden, ist eine Mehrzahl der Hohlkugeln zweckmäßigerweise zu einem Verbundkörper verbunden.
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Damit einem zu erwartenden Aufprall in einer Längsrichtung des Dämpfungselementes eine besonders geeignete, berechenbare Widerstandskraft entgegengesetzt werden kann und die Verformungsenergie gleichmäßig aufgenommen wird, vor allem aber die Formgebung des Verbundkörpers durch die Fertigung einer Form kostengünstig zu realisieren ist, ist der aus zellularem Werkstoff gebildete Verbundkörper vorteilhafterweise in der geometrischen Form eines Kegels oder eines Kegelstumpfes ausgeführt. Dabei kann die Wandung des Kegels oder Kegelstumpfes im Falle der Kraftaufnahme und Verformung aufgrund eines Aufpralls energieabsorbierend sowie teleskopartig ineinander einschiebbar ausgeführt sein.
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Um ein Ausbrechen der Hohlkugeln des Dämpfungselementes im Falle einer Krafteinwirkung durch die Ummantelung hindurch und eine damit einhergehende ungewollte und nicht kalkulierbare Senkung der Dämpfungsrate zuverlässig zu vermeiden, weist die Ummantelung der Hohlkugeln vorteilhafterweise eine Anzahl von Schichten auf.
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Um im Falle einer Verwendung eines sehr widerstandsfähigen Materials für die Ummantelung, beispielsweise ein Metall oder eine Metalllegierung oder ein hochschlagfester Kunststoff, dennoch die beim Aufprall entstehende Verformungsenergie zu einem großen Teil in den zellularen Werkstoff leiten zu können, weist die Ummantelung vorteilhafterweise eine Anzahl von Sollbruchstellen auf. Beispielsweise könnte die Ummantelung zumindest einen umlaufenden Bereich aufweisen, in welchem die Wandung einen im Wesentlichen springenden muffe-/treppenartigen Versatz aufweist, wobei der Versatz als Sollbruchstelle ausgebildet ist, welche bei einem Aufprall bei einer vorbestimmten Energieaufnahme aufbricht.
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Damit die Verformungsenergie nur zu einem berechenbaren, gegenüber dem zellularen Werkstoff kleineren Anteil von der Ummantelung aufgenommen wird, diese aber zuverlässig die Hohlkugeln am Ausbrechen aus der Hohlkugelstruktur im Falle einer Krafteinwirkung durch Aufprall hindert, ist diese vorteilhafterweise aus Kohlefaser oder einem Kohlefaserverbundwerkstoff ausgebildet.
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Um ein Ausbrechen der Hohlkugeln des Dämpfungselementes im Falle einer Krafteinwirkung und eine damit einhergehende ungewollte und nicht kalkulierbare Senkung der vorgesehenen Dämpfungsrate zu vermeiden, ist die Ummantelung mindestens auf einer der Stirnseiten des Dämpfungselementes geschlossen oder umschließt die gesamte Hohlkugelstruktur.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass zellularer Werkstoff ein geringes Gewicht in Relation zu einer hohen Dämpfungsrate aufweist, diese Dämpfungsrate aufgrund der Kenntnis der Eigenschaften des Dämpfungselementes, umfassend den zellularen Werkstoff sowie die zugehörige Ummantelung, berechenbar ist und der Dämpfungskörper somit den jeweiligen Anforderungen angepasst werden kann und darüber hinaus der zellulare Werkstoff einfach und kostengünstig zu produzieren und zu bearbeiten ist und in unterschiedliche, den Gegebenheiten angepasste geometrische Formen gebracht werden kann.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 einen Dämpfungskörper in perspektivischer Seitenansicht,
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2 die Dämpfungselemente des Dämpfungskörpers in beispielhafter Anordnung in perspektivischer Seitenansicht,
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3 einen Ausschnitt des Dämpfungskörpers mit einer Anzahl von Dämpfungselementen in Seitenansicht,
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4 ein Dämpfungselement in perspektivischer Seitenansicht,
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5 ein Dämpfungselement im Schnitt, und
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6 ein Dämpfungselement nach erfolgtem Aufprall im Schnitt.
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Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt den gesamten Dämpfungskörper 1 in einer beispielhaften Ausführung, wie sie in der Front eines Fahrzeugs zur Aufnahme der kinetischen Energie bei einem Frontalzusammenstoß oder -aufprall eingebaut sein könnte. Unter Berücksichtigung aerodynamischer und/oder ästhetischer Aspekte kann der Dämpfungskörper 1 auch in einer anderen Form ausgeführt sein, wenn die Aufprallrichtung und die der Aufprallrichtung entgegengesetzte Ausrichtung der in dem Dämpfungskörper 1 eingesetzten, hier nicht dargestellten Dämpfungselemente Berücksichtigung finden.
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Der Dämpfungskörper umfasst eine Haube 2, die auf einer Grundplatte 4 aufsetzt und in der Form an die geometrischen Gegebenheiten der Einbaustelle angepasst werden kann. Die Haube 2 wird auf der der Grundplatte 4 entgegengesetzten Seite durch eine dem Aufprall zugewandte Abdeckplatte 3 verschlossen oder nahezu verschlossen. Die Grundplatte 4 dient zur Aufnahme und Befestigung der Dämpfungselemente und kann mit der Haube 2 fest oder lösbar verbunden sein.
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In der 2 ist eine Anzahl von Dämpfungselementen 6 und ihre Positionierung in einer beispielhaften Anordnung auf der Grundplatte 4 des Dämpfungskörpers 1 offenbart. Jedes Dämpfungselement 6 ist für die Aufnahme einer vorausberechneten kinetischen Energie durch Verformung ausgelegt und wird durch einen Aufprall, der in Längsrichtung des Dämpfungselementes 6, also von der der Krafteinwirkung zugewandten Seite des Dämpfungselementes 6 in Richtung der Grundplatte 4, erfolgt, unter Aufnahme der Aufprallenergie verformt, wobei die Stärke der Verformung von der einwirkenden Kraft und von der Ausführung des Dämpfungselementes 6 abhängig ist.
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Die in der 1 gezeigte, hier nicht dargestellte Haube 2 dient unter anderem dazu, die einwirkende Kraft gleichmäßig auf die unter der Haube 2 angeordneten Dämpfungselemente 6 zu verteilen, um der einwirkenden Aufprallenergie eine möglichst große Widerstandskraft entgegenzusetzen.
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Die 3 zeigt einen Ausschnitt des Dämpfungskörpers 1 mit einer Anzahl von Dämpfungselementen 6 in Seitenansicht, die auf der Grundplatte 4 des Dämpfungskörpers 1 aufsetzen. In dieser Ausführung ist es für die Ausrichtung des Dämpfungskörpers 1 in der Montageposition wichtig, dass der zu erwartende Aufprall in der Längsrichtung des Dämpfungselementes 6, also entlang der eingezeichneten Längsachse 7, erfolgt. Dazu muss der Dämpfungskörper 1 derart im oder am Fahrzeug angebracht sein, dass der zu erwartende Aufprall tatsächlich und mit hoher Wahrscheinlichkeit in der erwarteten und vorausberechneten Richtung erfolgt. Andererseits wird zwar auch Aufprallenergie absorbiert, aber nicht in dem durch den Dämpfungskörper 1 ermöglichten Ausmaß, wobei dieses Ausmaß beispielsweise durch die besondere Ausformung und Ummantelung des Dämpfungskörpers 1 eine Steigerung der möglichen Energieaufnahme des zellularen Werkstoffs um mindestens 250 % umfasst.
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Dieses Ausmaß wird später anhand der 5 und 6 näher erläutert.
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Die 4 zeigt ein Dämpfungselement 6 in perspektivischer Ansicht. In dieser Ausführung handelt es sich um zwei in Aufnahmerichtung der einwirkenden Kraft hintereinander angeordnete Kegelstümpfe, wobei einer der Kegelstümpfe als Fuß 8 ausgebildet ist, zum Aufsetzen und/oder Befestigen auf der Grundplatte 4 und einem weiteren Kegelstumpf 10, dessen hauptsächliche Funktion die des Crashelementes ist. Die Kegelstumpfform wurde gewählt, um die Verformung hauptsächlich auf den zellularen Werkstoff einwirken zu lassen und eine Faltung der Ummantelung mit Behinderung der Verformung durch die ansonsten denkbare Auffaltung weitestgehend zu vermeiden.
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Dem Dämpfungselement ist als stabilste Auslegung für die Widerstandskraft gegen einen Aufprall ein runder Querschnitt zugeordnet, da sich während der aufgrund des Aufpralls verursachten Verformung die Hohlkugeln eine Bestrebung zur Ausdehnung und somit Volumenvergrößerung haben und diesem Widerstand eine Kraft entgegengesetzt werden muss. Dafür ist idealerweise ein kreisförmiger Querschnitt die maximal wirksame geometrische Form, da dieser bei gleichbleibendem Umfang den größtmöglichen Flächeninhalt, insbesondere im Vergleich zu anderen Querschnitten der bekannten geometrischen Figuren in der Ebene, aufweist.
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In der 5 ist ein Querschnitt durch das Dämpfungselement 6 aufgezeigt mit einer Vielzahl von Hohlkugeln 12, deren Gesamtheit den zellularen Werkstoff des Dämpfungselementes 6 bildet, und der Ummantelung 14.
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Bei dem zellularen Werkstoff handelt es sich um Hohlkugeln 12, die beispielsweise als metallische Hohlkugeln ausgebildet sind. Die Herstellung dieser metallischen Hohlkugeln 12 kann durch Beschichtung von organischen Trägern, zum Beispiel Polystyrolkugeln, und anschließendes Entbinden und Sintern erfolgen. Durch dieses Verfahren ist es möglich, nahezu alle pulverförmigen, sinterbaren Werkstoffe zu einer zellularen Struktur zu verarbeiten. Aus den definiert herstellbaren Einzelzellen, den metallischen Hohlkugeln 12, können zellulare Strukturen aufgebaut werden, die sich im Vergleich zu anderen zellularen metallischen Werkstoffen durch eine hohe Reproduzierbarkeit der Struktureigenschaften auszeichnen. Stabile Hohlkugelstrukturen entstehen durch Versintern, Verkleben oder Verlöten von Einzelhohlkugeln 12, welche beispielsweise als Schüttgut bereitgestellt werden können.
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Diese Hohlkugelstrukturen, die nach dem erwähnten Verfahren hergestellt werden, weisen eine besonders hohe Stabilität auf und lassen sich wie jeder andere metallische Werkstoff durch Bohren, Löten, Sägen, Schweißen, Stanzen und/oder Zerspanen verarbeiten. Die Hohlkugelstrukturen verfügen nicht nur über eine hohe Flexibilität in der Werkstoffauswahl, sondern auch in der Geometrie. Durch diese hohe Flexibilität können sowohl strukturelle als auch funktionelle Eigenschaften je nach den Anwendungserfordernissen eingestellt werden.
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Auch der Aufbau gradierter zellularer Strukturen ist realisierbar. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn von einem Bauteil gefordert wird, dass sein Material an einer hochbelasteten Stelle eine besonders hohe Festigkeit aufweist, während an anderer Stelle besonders gute Dämpfungs- oder Verschleißeigenschaften gefordert sind. Neben einer extrem niedrigen Strukturdichte von möglichen Porositäten von bis zu 97 % zeichnen sich diese Hohlkugelstrukturen durch ein sehr hohes und gut einstellbares Energieabsorptionsvermögen, durch eine geringe Wärmeleitfähigkeit in Höhe von etwa 1 % vom Grundwerkstoff, ein hohes mechanisches Dämpfungsvermögen, exzellente Schallabsorption und eine hohe spezifische Oberfläche aus. Die Hohlkugelstrukturen können Kugeldurchmesser von 0,4 mm bis 10 mm und Wandstärken von 20 μm bis 500 μm aufweisen. Sie eignen sich zur Herstellung von Platten, Rohren, Net-Shape-Bauteilen und vielem mehr. Entsprechende Sandwich-Strukturen sind mit vielen Metallen und Kunststoffen wie beispielsweise CFK realisierbar.
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Die Hohlkugelstrukturen weisen im Vergleich zu konventionellen Materialien, wie z. B. Mineralwolle, unter anderem in der Schallabsorption, viele Vorteile auf, unter anderem Verschmutzungsresistenz und Hitzebeständigkeit. Durch die Kugelform der Hohlkörper lässt sich nahezu jede beliebige Form in einem Verbund herstellen.
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Die 6 zeigt das Dämpfungselement 6 nach erfolgtem Aufprall und der mit dem Aufprall in Längsrichtung einhergehenden Verformung der Hohlkugelstruktur des Dämpfungselementes 6. Die Hohlkugeln 12 werden verformt und/oder gestaucht oder sogar durch die Aufnahme der einwirkenden kinetischen Energie zerstört.
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Das Ausmaß der Verformung ist unter anderem abhängig von der einwirkenden Kraft. Bei einer größeren einwirkenden Kraft als in dieser Darstellung gezeigt, würde die Verformung nach Zerstörung des weiteren Kegelstumpfes 10 bis in den als Kegelstumpf ausgeführten Fuß 8 des Dämpfungselementes 6 reichen unter gleichzeitiger Zerstörung der Ummantelung 14.
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Es ist davon auszugehen, dass im Falle eines Aufpralls auf den Dämpfungskörper 1 in der beschriebenen Ausführung der auf den Dämpfungskörper 1 einwirkenden Kraft ein Widerstand durch Verformung entgegengesetzt wird, der die Widerstandskraft von ausschließlich zellularem Werkstoff um mindestens 250 % übersteigt.
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Um sicherzustellen, dass auch bei hoher Krafteinwirkung keine Hohlkugeln 12 aus der Hohlkugelstruktur ausbrechen, werden die Hohlkugeln 12 zu einem Verbundkörper verbunden sowie dieser ummantelt. Die Ummantelung kann unter Verwendung besonders geeigneter, widerstandsfähiger Materialien auch mit einer Stärke von 0,4 bis 1mm ausgebildet sein, um die gestellte Aufgabe, das Halten der Hohlkugeln 12 in der Hohlkugelstruktur, zu erfüllen. In einer besonders geeigneten Ausbildung ist die Ummantelung 14 derart ausgelegt, dass die Krafteinleitung senkrecht zur Ausrichtung der Fasern des verwendeten Kohlefaserwerkstoffs oder Kohlefaserverbundwerkstoffs erfolgt.
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Für die Entstehung des Verbundkörpers, also der Verbindung der Hohlkugeln 12 miteinander, stehen mehrere denkbare Verfahren zur Verfügung. Zu diesen Verfahren zählen beispielsweise das Versintern oder das Verkleben der Hohlkugeln 12 durch ein Zwei-Komponenten-Epoxyd-System. Bei diesem Verfahren werden die Oberflächen der Hohlkugel 12 mit Epoxydklebstoff benetzt und anschließend in eine Form gegeben. An den Kontaktstellen der Hohlkugeln 12 bilden sich Klebestellen, die die Hohlkugeln 12 im Verbund halten.
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Zusätzlich wird die Hohlkugelstruktur durch die Ummantelung 14 mindestens teilweise umschlossen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Dämpfungskörper
- 2
- Haube
- 3
- Abdeckplatte
- 4
- Grundplatte
- 6
- Dämpfungselement
- 7
- Längsachse
- 8
- Fuß
- 10
- weiterer Kegelstumpf
- 12
- Hohlkugel
- 14
- Ummantelung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10321574 [0005]
- DE 4202589 C1 [0006]
- DE 3723681 A1 [0007]
- DE 10057566 [0008]
- DE 2845548 C2 [0009]
- DE 2624188 A1 [0010]
- DE 19526398 A1 [0011]
- DE 69910426 T2 [0012]
- DE 19510763 C2 [0013]
- DE 3815510 A1 [0014]
- DE 19511868 A1 [0015]
- DE 1405867 [0016]
