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Die Erfindung betrifft eine Aufprallschutzvorrichtung für ein Fahrzeug sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Aufprallschutzvorrichtung.
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Es ist allgemein bekannt, dass im Falle einer Kollision eines Fahrzeugs mit einem anderen Fahrzeug oder einem anderen Objekt die Energieaufnahme bei konventionellen Crashsystemen grundsätzlich auf einer plastischen Werkstoffdeformation in einem Bauteil des Fahrzeugs basiert. Der für die plastische Deformation des Werkstoffs vorgesehene Bauteilabschnitt wird dabei auch als Knautschzone bezeichnet. Dabei wird die Energie aus der Kollision in den Werkstoff durch (interne) Reibung eingeleitet und weiter durch die Werkstoffdeformation abgebaut.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Sicherheit in einem Fahrzeug zu verbessern beziehungsweise das Gewicht des Fahrzeugs und/oder eine Erstreckung einer Knautschzone des Fahrzeugs bei gleichbleibender Sicherheit zu reduzieren.
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Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Aufprallschutzvorrichtung für ein Fahrzeug. Die Aufprallschutzvorrichtung weist ein Strukturelement und eine an einer Außenfläche des Strukturelements angeordnete Vielzahl von Drehkörpern auf, wobei ein jeweiliger Drehkörper durch eine Drehachse des Drehkörpers zum Ausführen einer Vielzahl von Umdrehungen um die Drehachse drehbar gegenüber dem Strukturelement gelagert ist, und wobei die Drehachsen der Drehkörper parallel zueinander an der Außenfläche des Strukturelements angeordnet sind, und jeweils parallel zu einer jeweiligen Tangentialebene der Außenfläche des Strukturelements sind, wobei die Tangentialebene die Außenfläche des Strukturelements innerhalb einer senkrechten Projektion des Drehkörpers auf die Außenfläche berührt.
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Die Drehachse des Drehkörpers ist insbesondere diejenige Achse des Drehkörpers, um die sich der Drehkörper bei entsprechender Lagerung dreht. Für die Lageranordnungen kommen insbesondere Nadellager, Rollenlager, und weiterhin bevorzugt Gleitlager in Frage.
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Das Strukturelement ist bevorzugt ein Schweller des Fahrzeugs. Ein Schweller ist insbesondere derjenige Abschnitt des Fahrzeugs, der sich längs unterhalb eines Türeinstiegs auf einer linken und einer rechten Seite des Fahrzeugs und in Längsrichtung zwischen einem vorderen Radkasten und einem hinteren Radkasten auf der jeweiligen Seite des Fahrzeugs befindet.
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Weiterhin bevorzugt ist das Strukturelement ein Unterboden des Fahrzeugs, insbesondere ein Unterboden eines Batteriemodul des Fahrzeugs. Ganz besonders ein Batteriemodul des Fahrzeugs ist gegen Beschädigungen bei Kollisionen oder vor von der Fahrbahn hochgeschleuderten oder durch einen Luftstrom hochgewirbelten Steinen zu schützen, um die Integrität der jeweiligen Batterie zu gewährleisten.
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Das Batteriemodul ist insbesondere ein Batteriegehäuse.
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Als Strukturelement kommt insofern im Allgemeinen ein Strukturelement einer Karosserie des Fahrzeugs oder eines Fahrgestells des Fahrzeugs in Frage. Weitere mögliche Strukturelemente sind die Wandung eines Tanks des Fahrzeugs, insbesondere eines Wasserstofftanks, oder eine Seitenwand eines Batteriemoduls des Fahrzeugs.
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Die Drehkörper bewirken insbesondere den Effekt, dass eine Tangentialkomponente einer äußeren auf die Drehkörper einwirkenden Kraft keine Impulsübertragung auf das Strukturelement bewirkt, und eine Impulsumlenkung in Richtung der Tangentialkomponente erfolgt. Die Drehkörper wirken dabei insbesondere als bewegliches Lager, das keine Kraftübertragung in der Tangentialrichtung der Oberfläche des Strukturelements erlaubt. Durch das Ausschalten der Tangentialkomponente der äußeren auf die Drehkörper einwirkenden Kraft findet konsequenterweise auch keine Impulsübertragung in der Tangentialrichtung statt. Dies führt vorteilhaft zu einer verteilten Last und einer abgeschwächten Impulsüberleitung der äußeren Kraft in das Strukturelement. Die Verteilung der Krafteinleitung erlaubt es daher insbesondere, dass die Knautschzone des Fahrzeugs kleiner ausgelegt werden kann und außerdem dass bei gleichbleibender Knautschzone und bei gleichbleibenden Strukturelementen die Beschädigung an dem Strukturelement im Falle einer Kollision des Fahrzeugs mit einem anderen Fahrzeug oder einem anderen Objekt verringert werden kann.
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Die senkrechte Projektion des Drehkörpers auf die Außenfläche ist insbesondere eine Projektion, deren Abbildungsrichtung senkrecht auf der lokalen Oberfläche des Strukturelements steht. Die Projektion nutzt insofern insbesondere den kürzesten Abstand zwischen dem Drehkörper und der Außenfläche des Strukturelements. Demnach liegt der Berührpunkt der lokalen Tangentialebene an der Außenfläche des Strukturelements innerhalb dieser projizierten Fläche des Drehkörpers. In anderen Worten ist die Drehachse des jeweiligen Drehkörpers parallel zu derjenigen Ebene, die das Strukturelement zwischen dem Drehkörper und dem Strukturelement berührt.
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Die Drehkörper sind dabei jeweils so gelagert, dass durch eine äußere Krafteinwirkung und Impulsübertragung die Drehkörper in eine Rotationsbewegung versetzt werden. Die Rotationsbewegung wird jedoch bevorzugt nur durch eine begrenzte Reibung in der Lagerung abgebremst. In anderen Worten übersteigt die für die Lagerung der Drehkörper charakteristische Reibkraft nicht einen vordefinierten Grenzwert. So wird vorteilhaft gewährleistet, dass der durch die äußere Impulseinwirkung verursachten Rotationsbewegung lediglich die Trägheit der Drehkörper, insbesondere aus dem Trägheitsmoment der Drehkörper um ihre jeweilige Drehachse, zunächst entgegenwirkt, jedoch nicht eine allzu hohe Reibkraft, die den Effekt der kraftableitenden Rotationsbewegung in eine tangentiale Richtung zum Strukturelement schmälern würde.
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Das Fahrzeug selbst kann ein PKW, LKW, Bus, Schienenfahrzeug, Wasserfahrzeug (beispielsweise Schiff), Unterwasserfahrzeug, oder ein Luftfahrzeug sein.
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Es ist eine vorteilhafte Wirkung der Erfindung, dass die notwendige Knautschzone zum Aufnehmen der Energie bei einer Kollision des Fahrzeugs mit der erfindungsgemäßen Aufprallschutzvorrichtung wesentlich reduziert werden kann und dadurch Insassen und empfindliche Fahrzeugkomponenten, wie z. B. Elektrobatterien, wesentlich besser geschützt werden können.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Drehkörper zylinderförmige Walzen, wobei die Drehachse einer jeweiligen Walze eine Rotationssymmetrieachse der jeweiligen Walze ist.
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Vorteilhaft ermöglichen es die zylinderförmigen Walzen, in Summe eine relativ große Fläche durch ihre Funktionsweise abzudecken und damit zu schützen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Drehkörper Kugeln, wobei die Drehachse einer jeweiligen Kugel eine Rotationssymmetrieachse der jeweiligen Kugel ist.
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Kugeln sind vorteilhaft günstig in der Herstellung und weiterhin vorteilhaft sehr flexibel an der Außenfläche des Strukturelement verteilbar. Weiterhin vorteilhaft sind die Kugeln analog zu einem Käfig eines Kugellagers gelagert, so dass die in verschiedenen Richtungen einwirkenden äußeren Kräfte in einer Vielzahl von tangentialen Richtungen abgeleitet werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Strukturelement eine Vielzahl von Aussparungen zum zumindest anteiligen Aufnehmen eines Drehkörpers je Aussparung auf und die kleinste Tiefe der Aussparungen in das Strukturelement ist größer oder gleich einem Rotationsradius des jeweiligen Drehkörpers, wobei die Drehachsen in der Tangentialebene der Außenfläche des Strukturelements angeordnet sind.
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Die Aussparungen erlauben vorteilhaft eine platzsparende Unterbringung und Anordnung der Drehkörper. So befinden sich bevorzugt die Drehkörper zumindest teilweise innerhalb des durch die Aussparungen gebildeten (Halb-)Raums, und sind damit insbesondere platzsparend untergebracht. Weiterhin vorteilhaft und insbesondere dann, wenn die konkave Form der Aussparungen an die konvexe Oberflächenform der jeweiligen rotierenden Oberflächen der Rotationskörper angeglichen ist, bieten die Aussparungen dann eine große Oberfläche zum Aufnehmen der Drehkörper, wenn durch eine intensive Krafteinwirkung ausgehend von einer Kollision eine Lageranordnung des jeweiligen Drehkörpers brechen sollte, und der Drehkörper in die Aussparung gedrückt werden würde.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Drehachsen der Drehkörper jeweils außerhalb der Außenfläche des Strukturelements angeordnet.
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Im Unterschied zur vorhergehenden Ausführungsform sind in dieser Ausführungsform die Drehkörper ausschließlich außerhalb der Außenfläche des jeweiligen Strukturelements angeordnet. Dies ermöglicht vorteilhaft eine leichte Montage, besondere eine leichte nachträgliche Montage der Drehkörper an das Strukturelement.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Strukturelement ein Schweller des Fahrzeugs.
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Der Schweller des Fahrzeugs ist wie oben beschrieben ein Bauteil der (selbsttragenden) Karosserie des Fahrzeugs, das sich jeweils auf einer linken und einer rechten Seite des Fahrzeugs zwischen dem vorderen und dem hinteren Radkasten je Seite des Fahrzeugs erstreckt. Vorteilhaft werden an diesem Bauteil durch die Drehkörper die sonst kritischen Seitenkollisionen an dem Fahrzeug in eine Tangentialrichtung des Schwellers abgelenkt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Strukturelement ein Boden eines Batteriemoduls des Fahrzeugs und die Außenseite des Strukturelements eine Unterseite des Bodens.
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Insbesondere der Boden eines Batteriemoduls des Fahrzeugs ist durch aufgewirbelte Steine und hochgeschlagene Steine für Beschädigungen gefährdet. Eine Beschädigung an einem Batteriemodul führt jedoch schlimmstenfalls zur Zerstörung und zur Unbrauchbarkeit des Batteriemoduls, wodurch auch umweltschädliche und gesundheitsgefährdende Stoffe in die Umwelt aus dem Batteriemodul gelangen können. Vorteilhaft bewirkt die Anordnung der Drehkörper am Unterboden des Batteriemoduls eine tangentiale Ablenkung eines einschlagenden Körpers, so dass die Krafteinwirkung auf das Batteriemodul vorteilhaft abgeschwächt werden kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erstreckt sich eine Länge des jeweiligen Drehkörpers über zumindest zwei Drittel der Höhe der Außenseite des Strukturelements.
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Die Höhe der Außenseite des Strukturelements ist dabei insbesondere eine Abmessung der Außenseite des Strukturelements in Richtung der Drehachse des Drehkörpers. Gemäß dieser Ausführungsform sind die Drehkörper, insbesondere walzenförmige Drehkörper, länglich ausgebildet. Das heißt, dass eine Dimension des Drehkörpers bevorzugt in der Richtung der Drehachse des Drehkörpers um ein Vielfaches länger ist, als sein Durchmesser, der sich senkrecht zur Drehachse erstreckt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ein Abstand zwischen den jeweiligen Drehkörpern kleiner als der zweifache Rotationsradius eines Drehkörpers.
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Durch diese enge Anordnung der jeweiligen Drehkörper zueinander wird vorteilhaft eine fein verteilte Krafteinleitung einer externen Kraft, insbesondere bei Kollision mit einem anderen Körper, erreicht.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Aufprallschutzvorrichtung wie oben und im Folgenden beschrieben.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der – gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung – zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen:
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1 eine Aufprallschutzvorrichtung für ein Fahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine Aufprallschutzvorrichtung für ein Fahrzeug gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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3 eine Aufprallschutzvorrichtung für ein Fahrzeug gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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4 eine Aufprallschutzvorrichtung für ein Fahrzeug gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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5 ein Fahrzeug mit einer Aufprallschutzvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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6 ein Fahrzeug mit einer Aufprallschutzvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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7 ein Fahrzeug mit einer Aufprallschutzvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
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8 eine Aufprallschutzvorrichtung für ein Fahrzeug gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
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1 zeigt eine Aufprallschutzvorrichtung 1 für ein Fahrzeug 100. Die Aufprallschutzvorrichtung 1 weist ein Strukturelement 10 und eine an einer Außenfläche des Strukturelements 10 angeordnete Vielzahl von Drehkörpern 20 auf. Das Strukturelement 10 ist hierbei ein Schweller des Fahrzeugs 100. Ein jeweiliger Drehkörper 20 ist ferner durch eine Drehachse des Drehkörpers 20 zum Ausführen einer Vielzahl von Umdrehungen um die Drehachse drehbar gegenüber dem Strukturelement 10 gelagert. Die Drehachsen der Drehkörper 20 sind parallel zueinander an der Außenfläche des Strukturelements 10 angeordnet und jeweils parallel zu einer jeweiligen Tangentialebene der Außenfläche des Strukturelements 10, wobei die Tangentialebene die Außenfläche des Strukturelements 10 innerhalb einer senkrechten Projektion des Drehkörpers 20 auf der Außenfläche berührt. In diesem Beispiel sind die Drehkörper 20 zylinderförmige Walzen, wobei die Drehachse einer jeweiligen Walze eine Rotationssymmetrieachse der jeweiligen Walze ist. Durch entsprechend vorgelagerte Lageranordnungen mit Gleitlagern befinden sich die Drehachsen der Drehkörper 20 jeweils außerhalb der Außenfläche des Strukturelements 10. In den 1 bis 5 sind die Drehachsen jeweils mit einer Strichpunktlinie gekennzeichnet.
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2 zeigt eine Aufprallschutzvorrichtung 1 für ein Fahrzeug 100, aufweisend wiederum ein Strukturelement 10 und eine an einer Außenfläche des Strukturelements 10 angeordnete Vielzahl von Drehkörpern 20. Das Strukturelement 10 ist hierbei ein Schweller des Fahrzeugs 100 und weist eine Vielzahl von Aussparungen 12 zum zumindest anteiligen Aufnehmen eines Drehkörpers 20 je Aussparung 12 auf. Die kleinste Tiefe der Aussparungen 12 in das Strukturelement 10 ist hierbei größer oder gleich einem Rotationsradius des jeweiligen Drehkörpers 20, wobei die Drehachsen in der Tangentialebene der Außenfläche des Strukturelements 10 angeordnet sind.
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3 zeigt eine Aufprallschutzvorrichtung 1 für ein Fahrzeug 100. Die Aufprallschutzvorrichtung 1 weist wiederum ein Strukturelement 10 und eine an einer Außenfläche des Strukturelements 10 angeordnete Vielzahl von Drehkörpern 20 auf. Das Strukturelement 10 ist hierbei wiederum ein Schweller des Fahrzeugs 100. Die Drehkörper 20 sind in diesem Fall Kugeln, wobei die Drehachse einer jeweiligen Kugel eine Rotationssymmetrieachse der jeweiligen Kugel ist.
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4 zeigt eine Aufprallschutzvorrichtung 1 für ein Fahrzeug 100. Die Aufprallschutzvorrichtung 1 weist wiederum ein Strukturelement 10 und eine an einer Außenfläche des Strukturelements 10 angeordnete Vielzahl von Drehkörpern 20 auf. In diesem Fall ist das Strukturelement 10 ein Boden eines Batteriemoduls des Fahrzeugs 100 und die Außenseite des Strukturelements 10 ist eine Unterseite dieses Bodens. Der Abstand zwischen den jeweiligen Drehkörpern 20 ist ferner kleiner als der zweifache Rotationsradius eines Drehkörpers 20. Eine Länge des jeweiligen Drehkörpers 20 erstreckt sich weiterhin über zumindest zwei Drittel der Höhe der Außenseite des Strukturelements 10, sodass der Boden des Batteriemoduls großflächig geschützt ist.
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5 zeigt ein Fahrzeug 100 mit einer Aufprallschutzvorrichtung 1 nach einer der 1 bis 3.
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6 zeigt ein Fahrzeug 100 mit einer Aufprallschutzvorrichtung 1 nach einer der 1 bis 3. Die Aufprallschutzvorrichtung 1 befindet sich hierbei an einer Front des Fahrzeugs 100. Das Fahrzeug 100 ist hierbei von oben gezeigt.
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7 zeigt ein Fahrzeug 100 mit einer Aufprallschutzvorrichtung 1 nach einer der 1 bis 3. Die Aufprallschutzvorrichtung 1 befindet sich hierbei an einer Hinterseite des Fahrzeugs 100. Das Fahrzeug 100 ist hierbei von hinten gezeigt.
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8 zeigt eine Aufprallschutzvorrichtung 1 für ein Fahrzeug 100. Die Aufprallschutzvorrichtung 1 weist wiederum ein Strukturelement 10 und eine an einer Außenfläche des Strukturelements 10 angeordnete Vielzahl von Drehkörpern 20 auf. In diesem Fall ist das Strukturelement 10 ein Boden eines Batteriemoduls des Fahrzeugs 100 und die Außenseite des Strukturelements 10 ist eine Unterseite dieses Bodens. Die Drehkörper 20 sind hierbei Kugeln.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen, beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente, vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehende Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aufprallschutzvorrichtung
- 10
- Strukturelement
- 12
- Aussparung
- 20
- Drehkörper
- 100
- Fahrzeug
