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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme kinetischer Energie in einem Fahrzeug.
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In Fahrzeugen werden verschiedene Schutzvorrichtungen eingesetzt, um Verformungen von kritischen Fahrzeugteilen oder -strukturen infolge eines Aufpralls, die zu einer Gefährdung der Insassen führen könnten, zu begrenzen. Für die Genehmigung von Fahrzeugen sind Nachweise der Widerstandsfähigkeit solcher Teile oder Strukturen erforderlich.
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Die Ladegutssicherungsfunktion einer Rückwand bzw. einer hinteren Rücksitzbank oder einer Trennwand eines Fahrzeugs wird in der EU durch ein Verfahren geprüft, das im Anhang 9 der „Regelung Nr. 17 der Wirtschaftskommission der Vereinten Nationen für Europa (UN/ECE) - Einheitliche Bestimmungen für die Genehmigung von Fahrzeugen hinsichtlich der Sitze, ihrer Verankerungen und Kopfstützen“ vorgegeben ist. Bei diesem Prüfverfahren wird eine Verschiebung loser Gepäckstücke simuliert, indem Gepäckstück-Dummys eine definierte Beschleunigung erfahren und von hinten gegen die Rückwand, Rücksitzbank oder Trennwand prallen. Die dabei eingeleitete hohe kinetische Energie darf nicht dazu führen, dass ein solcher Dummy in den Fahrzeuginnenraum durchschlägt.
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Bei den in Serienfahrzeugen umgesetzten Lösungen zur Aufprallsicherung werden meist massive und damit schwere Metallkonstruktionen verwendet. Solche Verstärkungen halten auftreffende Gegenstände zwar ab, bauen deren kinetische Energie aber nicht ab.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Lösungen zu vermeiden und eine verbesserte Aufprallsicherung in einem Fahrzeug zu schaffen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Aufnahme kinetischer Energie in einem Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Aufnahme kinetischer Energie in einem Fahrzeug umfasst wenigstens ein Absorptionselement, welches zumindest teilweise aus einem Faser-Kunststoff-Verbund besteht. Das Absorptionselement ist an wenigstens zwei voneinander beabstandeten Stellen an einer Tragstruktur befestigt und auf Zug belastbar. Gemäß der Erfindung weist das Absorptionselement mehrere miteinander verbundene Fasern auf, deren Lauflängen zwischen den Befestigungsstellen unterschiedlich groß sind.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass Faser-Kunststoff-Verbunde im Vergleich zur industriellen Verwendung metallischer Werkstoffe viele Vorteile bietet. Je nach Wahl des Fasertyps, der Faserorientierung, der Halbzeugform, des Harzes, der Geometrie sowie der Prüf- und Einsatzbedingungen lassen sich Bauteile mit unterschiedlichen Eigenschaften herstellen. Dabei weisen strukturelle Komponenten aus Faser-Kunststoff-Verbunden eine Energieabsorptionscharakteristik auf, die diese besonders geeignet für den Einsatz in Aufprallschutzvorrichtungen erscheinen lässt. Neben einem hohen spezifischen Energieabsorptionsgrad weisen Faser-Kunststoff-Verbunde bei einem Aufprall eine annähernd konstante Deformationskraft auf.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird gemäß deren bevorzugter Anwendung ein besonders gestalteter Faser-Kunststoff-Verbund in einem Fahrzeug zur Aufnahme der kinetischen Energie eines aufprallenden Gegenstands, insbesondere eines Gepäckstücks, genutzt. Es wurde erkannt, dass das Energieabsorptionspotential des erfindungsgemäßen Faser-Kunststoff-Verbunds mit den unterschiedlich langen Fasergruppen besonders hoch ist. Grundlage der Energieabsorption ist das sogenannte intralaminare Crushing an der Faser-Matrix-Grenzfläche durch Auszug der Einzelfilamente aus der Matrix. Die aus einem solchen Faser-Kunststoff-Verbund gefertigten Absorptionselemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich auf spezifische erwartete Zugbeanspruchungen skalieren.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vergleichsweise kostengünstig hergestellt werden und eignet sich dank der verwendeten Materialien und Eigenschaften der Absorptionselemente für den Ultraleichtbau von Fahrzeugen.
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Ein Absorptionselement der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist vorzugsweise eine Gruppe erster Fasern auf, die eine kürzere Lauflänge als wenigstens eine Gruppe zweiter Fasern des Absorptionselements hat. Die unterschiedlichen Lauflängen der Fasergruppen ermöglichen das bewusst in Kauf genommene intralaminare Materialversagen an der Faser-Matrix-Grenzfläche.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich die ersten Fasern im Wesentlichen gerade zwischen den Befestigungsstellen, während die zweiten Fasern einen gekrümmten Verlauf haben.
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Dabei können sich die zweiten Fasern (mehrfach) um die ersten Fasern winden, sodass ein kompakter Strang erhalten wird.
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Um einen erweiterten Abbau kinetischer Energie bei langer bzw. hoher Belastung zu ermöglichen, ist eine Gestaltung des Absorptionselements vorgesehen, bei der auch die Lauflängen der zweiten Fasern zwischen den Befestigungsstellen unterschiedlich groß sind.
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Besonders bevorzugt und geeignet für den Einsatz in der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Fasern aus einem Material auf Basis von Polyethylen mit ultrahoher molarer Masse (UHMW-PE), die in eine Epoxidmatrix eingebettet sind.
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Die Tragstruktur, an der das wenigstens eine Absorptionselement befestigt ist, kann ein Teil der Fahrzeugkarosserie sein.
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Alternativ kann die Tragstruktur eine an einen Gepäckraum des Fahrzeugs angrenzende Rücksitzbank oder Rückwand oder ein Teil davon sein. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird dann verhindert, dass die Rücksitzbank bzw. Rückwand bei einem harten Aufprall von Gepäckstücken durchschlagen wird.
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Die Absorptionselemente sind vorzugsweise in die Tragstruktur integriert, insbesondere so, dass sie nicht sichtbar sind.
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Hierzu können die Absorptionselemente in ein formgebendes Trägermaterial eingeschäumt sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Aufnahme kinetischer Energie in einem Fahrzeug vor einer Belastung;
- - 2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Aufnahme kinetischer Energie in einem Fahrzeug vor einer Belastung;
- - 3 eine Seitenansicht der zweiten Ausführungsform aus 2;
- - 4 einen Ausschnitt eines Absorptionselements einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Aufnahme kinetischer Energie in einem Fahrzeug vor einer Belastung;
- - 5 den Ausschnitt des Absorptionselements aus 4 nach einer Belastung;
- - 6 ein Y-förmiges Absorptionselement vor bzw. nach einer Belastung; und
- - 7 die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Aufnahme kinetischer Energie in einem Fahrzeug nach einer Belastung.
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In 1 ist eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung 10 zur Aufnahme kinetischer Energie in einem Fahrzeug dargestellt. Diese Vorrichtung 10 ist zur Ladegutsicherung in einem Kraftfahrzeug vorgesehen und weist mehrere längliche, stabförmige Absorptionselemente 12 auf. Die Absorptionselemente 12 sind zwischen beabstandeten, fest an einer Tragstruktur 14 des Fahrzeugs angebrachten Halteelementen 16 (z. B. Hülsen oder Stahlstanzteile) eingespannt und auf Zug belastbar.
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Die Tragstruktur 14 kann ein Teil der Karosserie oder ein bzw. mehrere fest verankerte Fahrzeugteile sein. Die Halteelemente 16 sind so angeordnet, dass sich die Absorptionselemente 12 über einen Bereich erstrecken, in dem mit dem Aufprall eines schweren Gegenstands zu rechnen ist. Insbesondere kann die Tragstruktur 14 eine an den Gepäckraum angrenzende Rückwand oder Rücksitzbank des Fahrzeugs sein, und die Absorptionselemente 12 erstrecken sich über die Rückwand bzw. Rücksitzbank. Die Absorptionselemente 12 und Halteelemente 16 sind in eine solche Tragstruktur 14 integriert und vorzugsweise durch Umschäumen (z. B. PU-Schaum) kaschiert, sodass die Absorptionselemente 12 Teil einer fachwerkartigen Struktur sind.
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Die 2 und 3 zeigen eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung 10, bei der die Absorptionselemente 12 am unteren Halteelement 16 anders angeordnet und an den oberen Halteelementen 16 leicht gekrümmt sind.
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Nachfolgend werden die Absorptionselemente 12 der Vorrichtung 10 genauer beschrieben. In 4 ist schematisch ein Ausschnitt eines Absorptionselements 12 im unbelasteten Zustand gezeigt, der dem Einbauzustand entspricht. Das Absorptionselement 12 ist aus einem Faser-Kunststoff-Verbund gebildet und weist mehrere in eine Matrix eingebettete Fasern 18, 20 auf, wobei sich Fasern auf Basis von Polyethylen mit ultrahoher molarer Masse (UHMW-PE) in Verbindung mit einer Epoxidmatrix besonders eignen. Die Herstellung erfolgt als Endlosfaser in einem Wickelprozess. Ein Beispiel für eine solche Faser ist unter dem Markennamen Dyneema® von Royal DSM N.V. bekannt.
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Wie in 4 zu erkennen ist, erstreckt sich eine erste Gruppe von Fasern 18 Faser-Kunststoff-Verbund im Wesentlichen gerade. Die Fasern der ersten Gruppe werden nachfolgend als erste Fasern 18 bezeichnet. Eine zweite Gruppe von Fasern 20 im selben Faser-Kunststoff-Verbund, die nachfolgend als zweite Fasern 20 bezeichnet werden, hat dagegen einen mehrfach gekrümmten Verlauf. Genauer gesagt schlingen sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die zweiten Fasern 20 helixartig um die gerade verlaufenden ersten Fasern 18. Die ersten Fasern 18 sind mit den zweiten Fasern 20 zumindest teilweise verbunden.
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Aufgrund des gekrümmten Verlaufs der zweiten Fasern 20 ergeben sich insgesamt unterschiedliche Lauflängen der Fasergruppen 18, 20 zwischen den Halteelementen 16, an denen das Absorptionselement 12 befestigt ist. Im gestreckten Zustand hätten die zweiten Fasern 20 eine größere Länge als die gerade verlaufenden ersten Fasern 18. Außerdem haben die einzelnen zweiten Fasern 20 aufgrund der unterschiedlichen individuellen Krümmungsverläufe wiederum unterschiedliche Lauflängen (die aber alle größer als die Lauflänge der ersten Fasern 18 sind).
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Das Funktionsprinzip der Vorrichtung ist wie folgt: Bei einem starken Aufprall eines schweren Gepäckstücks oder eines anderen Gegenstands (nachfolgend: Ladegut) auf die Tragstruktur 14 mit der integrierten Vorrichtung 10 werden die fest eingespannten Absorptionselemente 12 auf Zug belastet.
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In einer ersten Stufe versagen aufgrund der abrupt einwirkenden hohen Kraft zuerst die als Zugbänder dienenden geraden ersten Fasern 18, wodurch bereits ein erster Teil der kinetische Energie des Ladeguts abgebaut (genauer gesagt umgewandelt) wird.
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Die weiter auf die Absorptionselemente 12 einwirkende Kraft führt in einer zweiten Stufe zu einem intralaminaren Versagen der Faser-Matrix-Anhaftung aufgrund der unterschiedlichen Lauflängen zwischen den geraden ersten Fasern 18 und den gewundenen zweiten Fasern 20 (Faser-Matrix-Grenzflächen-Versagen; siehe 5). Bei diesem Prozess wird ein Großteil der kinetischen Energie des Ladeguts absorbiert.
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Bei weiterer Krafteinwirkung kann in einer dritten Stufe bis zur vollständigen Streckung der zweiten Fasern 20 weiter kinetische Energie absorbiert werden. Auch in dieser Phase erfolgt der Energieabbau durch eine intralaminare RelativBewegung, hier aufgrund der Lauflängenunterschiede innerhalb der Gruppe der zweiten Fasern 20.
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In 6 ist beispielhaft ein Y-förmiges Absorptionselement 12 vor einer Belastung (oben) und nach einer Belastung (unten) zu sehen. Man erkennt, dass nach der Belastung aufgrund des Versagens der ersten Fasern 18 der mittlere Abschnitt des Absorptionselements 12 insgesamt einen gewundenen Verlauf hat (wie in der zuvor beschriebenen zweiten Phase der Belastung).
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7 zeigt eine der zweiten Ausführungsform entsprechende Vorrichtung zur Aufnahme kinetischer Energie in einem Fahrzeug nach einer Belastung durch simulierte Gepäckstücke 20. Um die Funktionstauglichkeit der Absorptionselemente 12 besser sichtbar zu machen, wurde auf eine Rückwand verzichtet, d.h. nur die Absorptionselemente 12 trennen den Gepäckraum von der Fahrgastzelle des Fahrzeugs.
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Wie in 7 zu erkennen ist, haben die Absorptionselemente 12 die kinetische Energie der simulierten Gepäckstücke 20 vollständig absorbiert und dabei die zuvor beschriebenen drei Belastungsstufen durchlaufen. Der Großteil der kinetischen Energie wurde durch Versagen der ersten Fasern 18 der Absorptionselemente 12 und intralaminare Verschiebungen (Versagen der Faser-Matrix-Grenzfläche) abgebaut, insbesondere in den eingekreisten Bereichen der Absorptionselemente 12.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung zur Aufnahme kinetischer Energie in einem Fahrzeug
- 12
- Absorptionselemente
- 14
- Tragstruktur
- 16
- Halteelemente
- 18
- erste Fasern
- 20
- zweite Fasern
- 22
- simulierte Gepäckstücke
