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Die Erfindung betrifft ein aufprallenergieabsorbierendes Bauteil, insbesondere für ein Fahrzeug, welches mehrere Strukturelemente mit einer sich verjüngenden, insbesondere konus-, kegel- oder pyramidenartigen Außenform umfasst. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein System aus mehreren derartigen aufprallenergieabsorbierenden Bauteilen.
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Energieabsorbierende Bauteile oder kurz Energieabsorber sind prinzipiell bekannt. Dabei handelt es sich um Bauteile, die durch ihre Geometrie und Dimensionierung so ausgelegt sind, dass sie sich bei einer vorgegebenen Belastung, z. B. bei einem Aufprall, unter Aufnahme von Energie definiert verformen. Sie bestehen aus energieabsorbierenden Strukturelementen. Konventionelle Energieabsorber bzw. deren Strukturelemente bestehen überwiegend aus Aluminium bzw. Stahl oder Schäumen bzw. Elastomeren sowie Faserverbundwerkstoffen. Ferner sind Wabenstrukturen bekannt.
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Die
DE 198 56 162 A1 betrifft ein energieabsorbierendes Strukturelement aus Kunststoff, insbesondere für ein energieabsorbierendes Bauteil, insbesondere für Kraftfahrzeuge, wobei die Strukturelemente im absorbierenden Bauteil in Beanspruchungsrichtung im Wesentlichen flächendeckend nebeneinander angeordnet sind.
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Bekannte Kraftfahrzeuge, deren Karosserien aus Metall bzw. Blech gefertigt sind, können z. B. über sogenannte Knautschzonen erhebliche Aufprallenergien bei Unfällen absorbieren. Es werden jedoch zunehmend auch Kraftfahrzeuge aus Kunststoffen oder Faserverbundwerkstoffen, beispielsweise karbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) hergestellt. Aus derartigen Materialien hergestellte Karosserien weisen geringere aufprallenergieabsorbierende Eigenschaften bzw. keine Knautschzonen oder dergleichen auf.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein alternatives aufprallenergieabsorbierendes Bauteil anzugeben, welches insbesondere bei einem Aufprall Energie absorbieren kann und einen sicheren Aufprallschutz bietet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein aufprallenergieabsorbierendes Bauteil mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.
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Es wird ein energieabsorbierendes Bauteil, insbesondere für ein Fahrzeug oder Kraftfahrzeug vorgeschlagen, welches mehrere Strukturelemente mit einer sich verjüngenden bzw. verbreiternden, insbesondere konus-, kegel- oder pyramidenartigen Außenform umfasst, wobei:
- - die Strukturelemente in Beanspruchungsrichtung im Wesentlichen hintereinander angeordnet und jeweils zum Teil, insbesondere in Längsrichtung ineinander eingeschoben sind;
- - eine Innenform der Strukturelemente wenigstens einen ersten Teilabschnitt aufweist, welcher als Anlagebereich oder Anlagefläche zum teilweise Einschieben der Strukturelemente ineinander an deren konus- oder kegelartige Außenform angepasst ist; und
- - die Innenform der Strukturelemente wenigstens einen zweiten Teilabschnitt aufweist, welcher derart ausgelegt sein kann, dass im teilweise ineinander eingeschobenen Zustand der Strukturelemente zwischen der Innenfläche des umgebenden Strukturelements und der Spitze bzw. dem verjüngten Bereich des teilweise eingeschobenen Strukturelements, insbesondere in Längsrichtung des umgebenen Strukturelements, ein definierter Freiraum bzw. ein Abstand verbleibt.
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Dadurch, dass die Strukturelemente in Beanspruchungsrichtung im Wesentlichen hintereinander angeordnet und jeweils zum Teil ineinander eingeschoben sind, können die Strukturelemente bei einem Aufprall vollständig ineinander eingeschoben werden, wobei durch eine dadurch bedingte Deformation bzw. Explosion der einzelnen Strukturelemente Aufprallenergie absorbiert wird. Durch den zweiten Teilabschnitt eines Strukturelements, welcher eine andere Form als der erste Teilabschnitt eines Strukturelements aufweisen kann und welcher sich z. B. nicht so stark verjüngt oder im Wesentlichen gerade ausgeführt ist, kann ein definierter Freiraum bzw. ein Abstand oder ein Spiel zwischen den teilweise ineinander eingeschobenen Strukturelementen verbleiben. Dadurch wird ein Zusammenschieben der Strukturelemente bei einem Aufprall unterstützt. Das erfindungsgemäße aufprallenergieabsorbierende Bauteil kann beispielsweise im Unterbodenbereich eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden. Auch können aufprallenergieabsorbierende Bauteile mit unterschiedlichen Eigenschaften, insbesondere in unterschiedlichen Größen, mit unterschiedlichen Anzahlen an Strukturelementen und/oder mit Strukturelementen die bezüglich Größe, Dicke, Materialbeschaffenheit, Material und/oder Festigkeit des Absorptionselements voneinander verschieden sind, an weiteren Stellen in dem Fahrzeug verbaut sein. Beispielsweise ist der Einsatz von Miniaturbauteilen in einer größeren Anzahl denkbar. Auch ist ein Einsatz im militärischen Bereich beispielsweise bei Panzerungen oder bei Ummantelungen von Kernkraftwerken oder dergleichen möglich. Ein Einfluss von Wirkmitteln kann somit vermindert werden. Das aufprallenergieabsorbierende Bauteil kann den Schock eines Aufpralls absorbieren bzw. abfangen. Dabei wird Pulsenergie in Verformungsenergie umgewandelt. Der zweite Teilabschnitt kann so ausgestaltet sein, dass beim weiteren Einschieben entsprechende Kräfte ausgeübt werden müssen.
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Die nacheinander angeordneten Strukturelemente des aufprallenergieabsorbierenden Bauteils bilden sozusagen ein Gestänge. Mit anderen Worten das aufprallenergieabsorbierende Bauteil ist sozusagen ein Gestänge, das aus den nacheinander angeordneten Strukturelementen gebildet wird.
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Sehr vorteilhaft ist es, wenn die Strukturelemente an einem von ihrer Spitze abgewandten Bereich ihrer Außenfläche mit einem ringförmigen Absorptionselement versehen sind. Das ringförmige Absorptionselement kann derart ausgelegt sein, dass zusätzliche Deformationsenergien aufgewendet werden müssen, um das ringförmige Absorptionselement beim Zusammenschieben zu zerstören. Dadurch wird zusätzliche Aufprallenergie absorbiert.
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Bei einem aufprallbedingten, vollständigen Einschieben des teilweise eingeschobenen Strukturelements in das umgebende Strukturelement kann dieses derart auseinander gedrückt werden, dass eine Dehnung oder eine Zerstörung des ringförmigen Absorptionselements erfolgt.
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Das ringförmige Absorptionselement kann aus Kunststoff, einer Metalllegierung oder aus einem textilen Werkstoff gebildet sein. Für das ringförmige Absorptionselement kann ein Material gewählt werden, welches auf die bei einem Aufprall herrschenden physikalischen Kräfte abgestimmt ist. Dabei kann sichergestellt sein, dass der Ring bei den auftretenden Kräften definiert dehnt, bricht bzw. zerstört wird. Es können beispielsweise eine Metalllegierung, insbesondere eine Aluminiumlegierung, Kunststoffe, wie beispielsweise karbonfaserverstärkte Kunststoffe oder textile Werkstoffe gewählt werden. Das ringförmige Absorptionselement kann auch als Drahtwicklung ausgeführt sein.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Strukturelemente an einem von ihrer Spitze abgewandten Bereich mit wenigstens einer Sollbruchstelle, insbesondere einer Aussparung, Materialausdünnung oder dergleichen versehen sind. Hierdurch lässt sich die Absorption der Aufprallenergie bzw. das Verhalten des Strukturelements beim Aufprall noch genauer steuern.
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Die Strukturelemente können in der Außenfläche in Längsrichtung mit einem, insbesondere durchgehenden Vorsprung oder Rücksprung versehen sein, welcher zur formschlüssigen Verbindung beim Einschieben der Strukturelemente ineinander an einen korrespondierenden Rücksprung oder Vorsprung in der Innenfläche der Strukturelemente angepasst ist. Durch derartige Vorsprünge und Rücksprünge (Einkerbungen) kann eine exakte Führung der einzelnen Strukturelemente ineinander erreicht werden. Vorsprung oder Rücksprung können sowohl an der Innenfläche als auch an der Außenfläche der Strukturelemente angeordnet sein.
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Vorteilhaft ist es, wenn das aufprallenergieabsorbierende Bauteil mit einer Ummantelung, insbesondere aus Aluminium versehen ist. Das aufprallenergieabsorbierende Bauteil bzw. das Gestänge kann außen ummantelt sein, damit es einerseits in Form bleibt und andererseits die Einzelteile bzw. die Strukturelemente bei einem Fahrzeugaufprall von der Ummantelung aufgefangen werden, da sie sonst frei umherfliegen könnten und zu Verletzungen der Insassen des Kraftfahrzeugs führen könnten. Für die Ummantelung kann beispielsweise Aluminium, insbesondere ein dünnes Alublech vorgesehen sein. Jedoch kommen auch andere Materialien wie Papier/Karton oder Verpackungsmaterialien in Betracht.
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Die Strukturelemente können aneinander, insbesondere durch Kleben befestigt sein. Hierdurch wird eine zusätzliche Stabilität erreicht.
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Die Strukturelemente können beispielsweise als Konuse bzw. Kegel ausgeführt sein oder beliebige sich verjüngende oder verbreiternde Formen, z. B. die Form einer Pyramide mit drei, vier, fünf oder mehr Seiten, aufweisen.
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Das energieabsorbierende Bauteil kann unterschiedliche Strukturelemente aufweisen, die bezüglich Größe, Dicke, Materialbeschaffenheit, Material und/oder Festigkeit des Absorptionselements voneinander verschieden sind. Die Strukturelemente eines jeweiligen energieabsorbierenden Bauteils können somit unterschiedlich sein in Größe, Dicke, Materialbeschaffenheit, Material und Festigkeit des Absorptionselements usw. Dies bewirkt, dass die Strukturelemente eines energieabsorbierenden Bauteils unterschiedliche Dehn- und Bruchstärken aufweisen. Dadurch wird gewährleistet, dass bei unterschiedlichen Aufprallenergien die Strukturelemente in unterschiedlicher Weise beansprucht werden. Das energieabsorbierende Bauteil kann somit an unterschiedlich stark einwirkende Aufprallenergien angepasst sein. Beispielsweise kann das energieabsorbierende Bauteil ausgelegt sein auf Aufprallenergien in einem Geschwindigkeitsbereich von 20 km/h bis maximal 130 km/h. In diesem Geschwindigkeitsbereich fängt das energieabsorbierende Bauteil eventuell auftretende Aufprallenergien beispielhaft wie folgt abgestuft ab:
- - bei einer Aufprallenergie bei einer Geschwindigkeit unter 20 km/h geschieht nichts;
- - bei einer Aufprallenergie bei einer Geschwindigkeit von 40 km/h werden die ersten drei Strukturelemente des Bauteils eingeschoben und/oder deren Absorptionselemente bzw. Ringe beansprucht; und
- - bei einer Aufprallenergie bei einer Geschwindigkeit von 70 km/h werden die ersten fünf Strukturelemente des Bauteils eingeschoben und/oder deren Absorptionselemente bzw. Ringe beansprucht.
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Mehrere energieabsorbierende Bauteile, insbesondere mit unterschiedlichen Eigenschaften, z. B. in unterschiedlichen Größen, mit unterschiedlichen Anzahlen an Strukturelementen und/oder mit Strukturelementen die bezüglich Größe, Dicke, Materialbeschaffenheit, Material und/oder Festigkeit des Absorptionselements voneinander verschieden sind, können wiederum zu einem neuen energieabsorbierenden Bauteil zusammengefasst werden, welches dann als Ganzes verbaut wird. Ein derartiges System aus mehreren energieabsorbierenden Bauteilen ist in Anspruch 12 angegeben.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Nachfolgend sind anhand der Zeichnung prinzipmäßig Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 Eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen aufprallenergieabsorbierenden Bauteils;
- 2 eine schematische Seitenansicht des erfindungsgemäßen aufprallenergieabsorbierenden Bauteils aus 1;
- 3 eine vereinfachte seitliche Schnittansicht des erfindungsgemäßen aufprallenergieabsorbierenden Bauteils aus 2;
- 4 eine vereinfachte seitliche Ansicht eines Strukturelements eines erfindungsgemäßen aufprallenergieabsorbierenden Bauteils;
- 5 eine vereinfachte seitliche Schnittansicht des Strukturelements eines erfindungsgemäßen aufprallenergieabsorbierenden Bauteils aus 4;
- 6 eine perspektivische Ansicht eines Strukturelements eines erfindungsgemäßen aufprallenergieabsorbierenden Bauteils mit einem Absorptionsring und einer Sollbruchstelle;
- 7 eine schematische Rückansicht eines Strukturelements eines erfindungsgemäßen aufprallenergieabsorbierenden Bauteils;
- 8 eine erste schematische Seitenansicht eines Strukturelements mit einem Vorsprung der Außenfläche;
- 9 eine weitere schematische Seitenansicht eines Strukturelements mit einem Rücksprung der Außenfläche; und
- 10 eine perspektivische Ansicht eines Strukturelements aus 8 mit einem Vorsprung.
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1 zeigt ein aufprallenergieabsorbierendes Bauteil 1, insbesondere für ein Fahrzeug oder Kraftfahrzeug, welches mehrere Strukturelemente 2 mit einer sich verjüngenden, insbesondere konus- oder kegelartigen Außenform 3 umfasst. Die Strukturelemente 2 können z. B. in ein Abschlusselement 4 eingebracht sein und damit im Unterboden des Kraftfahrzeugs verbaut sein. Ein derartiges Abschlusselement könnte auch an dem gegenüberliegenden Ende des aufprallenergieabsorbierenden Bauteils 1 angeordnet sein.
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Wie weiter aus 1 ersichtlich, sind die Strukturelemente 2 in Beanspruchungsrichtung im Wesentlichen hintereinander angeordnet und jeweils zum Teil, insbesondere in Längsrichtung ineinander eingeschoben. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Strukturelemente 2 an einem von ihrer Spitze 2a abgewandten Bereich 2b ihrer Außenfläche mit einem ringförmigen Absorptionselement 5 versehen. Die Strukturelemente weisen hierzu eine umlaufende Nut 6 auf, in welche das ringförmige Absorptionselement 5 eingebracht werden kann (siehe 4). Die Nut 6 kann in weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispielen auch ohne Vorsprung auf ihrer der Spitze 2a des Strukturelements 2 abgewandten Seite ausgebildet sein. Dadurch lässt sich das Absorptionselement 5 leichter auf das Strukturelement 2 aufschieben.
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In der 2 ist eine seitliche Ansicht des aufprallenergieabsorbierenden Bauteils 1 gezeigt. 3 zeigt eine vereinfachte seitliche Schnittansicht des aufprallenergieabsorbierenden Bauteils 1 (Schnitt B-B in 2).
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Wie aus 3 ersichtlich, weist eine Innenform 7 der Strukturelemente 2 wenigstens einen ersten Teilabschnitt 7a auf, welcher als Anlagebereich zum teilweisen Einschieben der Strukturelemente 2 ineinander an deren konus- oder kegelartige Außenform 3 angepasst ist. Ferner weist die Innenform 7 der Strukturelemente 2 wenigstens einen zweiten Teilabschnitt 7b auf, welcher derart ausgelegt ist, dass im teilweise ineinander eingeschobenen Zustand der Strukturelemente 2 zwischen der Innenfläche 8 des umgebenden Strukturelements 2 und der Spitze 2a des teilweise eingeschobenen Strukturelements 2, insbesondere in Längsrichtung des umgebenden Strukturelements 2, ein definierter Freiraum 9 bzw. ein Abstand verbleibt.
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4 zeigt eine seitliche Ansicht eines Strukturelements 2.
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In 5 ist das Strukturelement 2 in einer vereinfachten seitlichen Schnittansicht (Schnitt A-A in 4) dargestellt.
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6 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Strukturelements 2 mit einem in die Nut 6 einbringbaren ringförmigen Absorptionselement 5. Bei einem aufprallbedingten, vollständigen Einschieben des teilweise eingeschobenen Strukturelements 2 in das umgebende Strukturelement 2 wird letzteres derart auseinander gedrückt, dass eine Dehnung oder eine Zerstörung des ringförmigen Absorptionselements 5 erfolgt. Das ringförmige Absorptionselement 5 kann aus einer Metalllegierung oder aus einem textilen Werkstoff gebildet sein. Alternativ kann das ringförmige Absorptionselement 5 als Drahtwicklung ausgeführt sein.
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Wie aus 6 weiter ersichtlich, kann das Strukturelement 2 in einem von seiner Spitze 2a abgewandten Bereich 2b mit wenigstens einer Sollbruchstelle 10, insbesondere einer Aussparung versehen sein.
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7 zeigt eine vereinfachte Rückansicht eines Strukturelements 2.
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Wie aus 8 ersichtlich, kann das Strukturelement 2 an der Außenfläche in Längsrichtung mit einem, insbesondere durchgehenden Vorsprung 11 versehen sein, welcher zur formschlüssigen Verbindung beim Einschieben der Strukturelemente 2 ineinander an einen korrespondierenden Rücksprung (nicht dargestellt) in der Innenfläche 8 der Strukturelemente 2 angepasst ist.
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Wie in 9 gezeigt, kann die Außenfläche des Strukturelements 2 in Längsrichtung auch mit einem, insbesondere durchgehenden Rücksprung 12 versehen sein, welcher zur formschlüssigen Verbindung beim Einschieben der Strukturelemente 2 ineinander an einen korrespondierenden Vorsprung (nicht gezeigt) in der Innenfläche 8 der Strukturelemente 2 angepasst ist.
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10 zeigt eine perspektivische Ansicht des Strukturelements 2 mit einem Vorsprung 11.
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Das aufprallenergieabsorbierende Bauteil 1 kann mit einer nicht dargestellten Ummantelung, insbesondere aus Aluminium versehen sein.
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Die Strukturelemente 2 können aneinander, insbesondere durch Kleben befestigt sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- aufprallenergieabsorbierendes Bauteil
- 2
- Strukturelement
- 2a
- Spitze des Strukturelements
- 2b
- von der Spitze abgewandter Bereich des Strukturelements
- 3
- Außenform
- 4
- Abschlusselement
- 5
- ringförmiges Absorptionselement
- 6
- Nut
- 7
- Innenform
- 7a
- erster Teilabschnitt
- 7b
- zweiter Teilabschnitt
- 8
- Innenfläche
- 9
- Freiraum/Abstand
- 10
- Sollbruchstelle
- 11
- Vorsprung der Außenfläche des Strukturelements
- 12
- Rücksprung der Außenfläche des Strukturelements (Einkerbung)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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