-
Die Erfindung betrifft eine Sicherheitseinrichtung
zum Schutz von Fußgängern und
Zweiradfahrern mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs
1.
-
Die Verletzungsschwere eines Fußgängers oder
Zweiradfahrers, der auf die Fronthaube eines Personenkraftwagens
aufprallt, ist entscheidend von dem zur Verfügung stehenden Verformungsraum
unterhalb der Fronthaube abhängig.
Im Stand der Technik sind bereits eine Vielzahl von Lösungen zur
Minderung der Verletzungsschwere sogenannter ungeschützter Verkehrsteilnehmer
bekannt, darunter auch Systeme, die während der Kollision selbsttätig aktiviert
werden. Die negative Beschleunigung bei einem Kopfaufprall kann
beispielsweise dadurch reduziert werden, dass die Fronthaube von
einer Ausgangsposition in eine Aufprallposition angehoben wird,
um auf diese Weise einen größeren Verformungsweg
zur Verfügung
zu stellen. Im einfachsten Fall kann die Verschiebung der Haube
sogar mit Hilfe der vom Fahrzeug zu absorbierenden genetischen Energie des
ungeschützten
Verkehrsteilnehmers realisiert werden. Auch unter Zuführung von
Fremdenergie können
Verschiebungen der Fronthaube sensorisch ausgelöst werden. Fronthauben können beispielsweise
mittels elektrischer Stellmotoren pneumatisch, mittels hydraulisch
oder pyrotechnisch bewegter Kolben oder auch mittels vorgespannter
Federn in eine Aufprallposition verlagert werden. Bei sensorisch
aktivierten Systemen, insbesondere bei Hubvorrichtungen, ist es
bei einer Fehlauslösung
technisch relativ aufwändig,
die angehobene Fronthaube wieder in ihre Ausgangsposition zurückzustellen.
Fehlauslösungen
sind unter anderem auch darauf zurückzuführen, dass ein bevorstehender
Anprall des Kraftfahrzeugs aus einer Vielzahl von Messdaten einer Precrash-Sensorik
und/oder Kontaktsensorik errechnet wird, wobei die erforderlichen
Sensoren, insbesondere Annäherungssensoren,
im Bereich der Stoßfänger angeordnet
sind, nicht jedoch im Bereich der Fronthaube selbst.
-
Konstruktiv weniger aufwändige Lösungen sehen
nachgiebig gestaltete Befestigungspunkte der Fronthaube an dem Kraftfahrzeug
vor, so dass die Aufprallenergie in den Befestigungspunkten, insbesondere
in den Scharnieren in Verformungsarbeit umgewandelt wird. Nachteilig
bei diesen passiven Sicherheitsmaßnahmen ist, dass eine Anpassung
des Nachgiebigkeitsverhaltens der Fronthaube an die jeweilige Crashsituation
nicht möglich
ist.
-
Ausgehend von diesem Problemfeld
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Sicherheitseinrichtung
zum Schutz von Fußgängern und
Zweiradfahrern beim Aufprall auf eine verlagerbar gehalterte Fronthaube
eines Personenkraftwagens bereitzustellen, mit welcher das Risiko
von Fehlauslösungen
gemindert und eine örtliche
Erfassung des Aufpralls möglich
ist.
-
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale
des Patentanspruchs 1 gelöst.
-
Erfindungswesentlich ist, dass der
zur Aktivierung der einzelnen Stellglieder erforderliche Sensor
ein an der Fronthaube angeordneter piezoelektrischer Foliensensor
ist. Da die Fronthaube je nach Fahrzeugtyp eine relativ große Oberfläche besitzt und
zur Reduzierung des Strömungswiderstandes möglichst
glatt gestaltet sein soll, kommen die im Stand der Technik bekannten
Annäherungssensoren nicht
in Frage. Einerseits müssten
eine Vielzahl von Sensoren flächig
auf die Fronthaube aufgebracht werden, zum anderen würden durch
die Sensorik ungewünschte
Unebenheiten in der Oberfläche
der Fronthaube auftreten. Die Erfindung nutzt zur Überwindung
dieser Nachteile die positiven Eigenschaften piezoelektrischer Foliensensoren,
die unmittelbar an der Fronthaube angeordnet werden.
-
Piezoelektrische Foliensensoren sind
aus der Luft- und Raumfahrt bekannt, wo sie an verschiedenen Tragflügelprofilen
zur Erforschung von Laminarströmungen
zum Einsatz kommt. Der Vorteil ist, dass durch die flächige Gestalt
des Sensors bei Dicken von nur 1/100 mm keine Turbulenzen entstehen.
-
Piezoelektrische Foliensensoren einer
metallbedampften Kunststoffschicht, die beim Erstarren durch Anlegen
eines starken elektrischen Feldes ausgerichtet werden, aus PVDF
(Polyvinylidenfluorid), einem Kunststoff mit hochgradig dipolaren
Molekülen,
sind sehr dünne
aktive elektromechanische Wandler, die circa 12 % einer mechanischen
Energie in elektrische Energie oder elektrische in mechanische Energie
umwandeln können.
Wird mechanischer Druck auf den Foliensensor ausgeübt, verschieben
sich in ihr die elektrischen Ladungen, so dass ein Stromfluss entsteht.
Ein piezoelektrischer Foliensensor reagiert auch wenn er gebogen
oder gestreckt wird oder wenn Temperaturschwankungen auftreten.
Die hohe Festigkeit und Empfindlichkeit des Materials erlaubt den
Einsatz in einem sehr weiten dynamischen Frequenzbereich. Insbesondere die
geringe Schichtdicke (ab 9 Mikrometer) und die hohe Flexibilität der Foliensensoren
erlauben die Herstellung von extrem dünnen Sensorfeldern, die optimal
der Oberflächenkrümmung der
Fronthaube angepasst werden können.
-
Die Krümmungen selbst verursachen
ihrerseits keine nennenswerten Störungen. Anschlussleitungen
können
in eine Klebeschicht eingebettet und mit geringem mechanischen Aufwand
mit einer Verstärkerelektronik
verschaltet werden.
-
Die Piezofolientechnik erlaubt die
Integration einer sehr hohen Zahl von Sensoren mit einer feinen Ortsauflösung bis
in dem Sub-mm-Bereich bei guter Kanaltrennung. Mit speziellen Kompensations-
und Klebetechniken können
einzelne Eigenschaften der Foliensensoren gezielt betont oder unterdrückt werden.
-
Der Foliensensor kann sowohl die
ganze Fronthaube bedecken als auch nur Teilbereiche der Fronthaube.
Insbesondere kann es im Rahmen der Erfindung ausreichend sein, wenn
nur als besonders kritisch anzusehende Teilbereiche der Fronthaube mit
einem piezoelektrischen Foliensensor bedeckt sind. Das können Bereiche
sein, in denen die Wahrscheinlichkeit eines Aufpralls sehr groß oder aber
die Verformung sehr gut messbar ist.
-
Die Foliensensoren eignen sich nicht
nur zur Anordnung an der äußeren Oberfläche einer
Fronthaube (Patentanspruch 2), sondern ebenso für eine Anordnung an der Innenseite
der Fronthaube (Patentanspruch 3).
-
Nach Patentanspruch 4 ist es vorgesehen, piezoelektrische
Foliensensoren in die Struktur der Fronthaube einzubetten. Beispielsweise
ist es möglich,
piezoelektrische Foliensensoren in GFK/CFK-Werkstücke einzubetten.
-
Piezoelektrische Foliensensoren in
ihrer Funktion als Drucksensor geben bei Erfassung einer mechanischen
Kraft ein elektrisches Signal ab, das egebenenfalls unter Zwischenschaltung
eines Verstärkers
an eine nachgeschaltete Recheneinheit weitergegeben wird. Die Recheneinheit
steuert daraufhin die einzelnen Stellglieder der Fronthaube an.
-
Durch die spezielle Sensorik, die
erst bei unmittelbarem Aufprall eines Hindernisses ein elektrisches
Signal generiert, wird es bei diesem speziellen Anwen dungsfall als
vorteilhaft angesehen, wenn die Fronthaube möglichst zeitnah, das heißt unmittelbar nach
dem Aufprall nachgiebiger gestaltet wird als sie es im nicht aktivierten
Zustand ist. Dies wird nach den Merkmalen des Patentanspruchs 5
dadurch erreicht, dass wenigstens ein Stellglied ein Aufpralldämpfer ist.
Ein Aufpralldämpfer,
der insbesondere an dem Befestigungspunkt der Fronthaube an dem
Personenkraftwagen angeordnet ist, stellt im Normalfall eine feste
Bindung zwischen der Fronthaube und dem Personenkraftwagen dar,
beispielsweise in Form eines unnachgiebigen Scharnierpunktes. Bei der
Erfindung hingegen verhält
sich dieser Befestigungspunkt bei einem Aufprall eines Fußgängers oder
Zweiradfahrers auf die Fronthaube nicht starr, sondern durch Zwischenschaltung
des Aufpralldämpfers
nachgiebig. Dadurch wird eine wesentliche Reduzierung der Aufprallbeschleunigung
erzielt. Die konkrete Ausgestaltung des Stellgliedes kann unterschiedlich
realisiert sein. Wesentlich ist, dass das Stellglied gemäß den Merkmalen
des Patentanspruchs 5 eine Dämpfungsfunktion
erfüllt.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung
gemäß den Merkmalen
des Patentanspruchs 6 ist wenigstens ein als Aufpralldämpfer konfiguriertes
Stellglied ein hydraulisch wirkender Aufpralldämpfer. Dies kann in einfachster
Weise ein Kolben-Zylinder-System sein, wobei der Austausch eines
Hydraulikfluids aus dem Kolben in ein Ausgleichbehältnis durch
ein Überströmventil
blockierbar ist. Bei einer sensorischen Aktivierung wird das Überströmventil
geöffnet und
das Hydraulikfluid wird durch Verlagerung eines wenigstens mittelbar
mit der Fronthaube gekoppelten Kolbens aus dem Zylinder herausgedrückt und
einem Ausgleichgefäß zugeführt. Das
Ausgleichsgefäß kann in
dem Zylinder des Aufpralldämpfers
selbst ausgebildet sein.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung
ist Gegenstand des Patentanspruchs 7. Danach ist wenigstens ein
Stellglied ein durch Entriegelung eines Stellmechanismus aktivierbarer
mechanisch wirkender Aufpralldämpfer.
Vorzugsweise ist hierunter ein Dämpfer
zu verstehen, der die bei einem Aufprall auf die Fronthaube zugeführte Energie
in Federarbeit umwandelt. Federarbeit kann dabei an einer Vielzahl unterschiedlicher
federnd gestalteter Werkstoffe und Konstruktionselemente verübt werden.
Je nach mechanischer Einkoppelung der Kraft können Zug-, Druck-, Biege- oder
Drehfedern zum Einsatz kommen, wobei Drehstab-, Blatt-, Teller-
und insbesondere auch Schraubenfedern unterschiedlicher Kennlinie zur
Verrichtung von Federarbeit geeignet sind. Selbstverständlich können auch
nichtmetallische Werkstoffe, wie in Form von Gummifedern zum Einsatz
kommen. Wichtig ist, dass bei federnden Aufpralldämpfern bzw.
Stellgliedern eine Grundstellung der Stellglieder durch einen Sperrmechanismus
sichergestellt wird. In der Grundstellung ist ein derartig mechanisch
wirkender Aufpralldämpfer
ebenso wie ein hydraulischer Aufpralldämpfer nicht aktiviert und erhält seine
Fähigkeit
zur Verrichtung von Federarbeit, d.h. seine Dämpfungseigenschaft erst durch Entriegelung
eines Sperrmechanismus. Die Entriegelung des Sperrmechanismus ist
also mit der Aktivierung des Aufpralldämpfers gleichzusetzen, wobei die
Entriegelung durch einen von einer Recheneinheit ausgehenden Impuls
eingeleitet wird.
-
Obwohl es sich bei piezoelektrischen
Foliensensoren um Kontaktsensoren handelt und nicht um sogenannte
Annäherungssensoren,
kann es in bestimmten Anwendungsfällen gewünscht sein, die Fronthaube
oder Bereiche der Fronthaube aktiv von Stellgliedern in eine Aufprallposition
zu verlagern. Hierbei muss natürlich
sichergestellt sein, dass die Beschleunigung der Fronthaube während der
Verlagerung in die Aufprallposition nicht kontraproduktiv für die Verletzungsschwere
ist. Es ist im Rahmen der Erfindung aber durchaus vorstellbar, dass
die Sicherheitseinrichtung unterschiedliche Stellglieder für unterschiedliche
Unfallszenarien umfasst, insbesondere aktiv wirkende Stellglieder
zur Verlagerung in eine angehobene Aufprallposition, falls ein Precrash-Sensor
einen bevorstehenden Anprall des Kraftfahrzeugs errechnet hat. Hierfür sind weitere
Messwertgeber an dem Personenkraftwagen erforderlich.
-
Selbstverständlich erfolgt eine Aktivierung der
Stellglieder im Rahmen der Erfindung nur dann, wenn vorgegebene
Schwellwerte überschritten
werden. Dadurch wird sichergestellt, dass die Sicherheitseinrichtung
nicht bei Umge bungseinflüssen,
wie thermisch induzierten Spannungen, Windlasten, Niederschlägen oder
auch auf das Kraftfahrzeug herabfallende Objekte, wie beispielsweise
Pflanzenteile, ausgelöst
wird.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand
eines in schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
-
1 in
schematischer Darstellung im Querschnitt eine Fronthaube mit einem
piezoelektrischen Foliensensor und zwei Befestigungspunkten;
-
2 zeigt
die Fronthaube der 1 in
der Grundstellung in einem Ausführungsbeispiel
mit zwei unterschiedlich konfigurierten Stellgliedern und
-
3 das
Ausführungsbeispiel
der 2 im Fall der Aktivierung.
-
1 zeigt
in stark vereinfachter Darstellung in teilweisem Längsschnitt
eine Fronthaube 1 eines nicht näher dargestellten Personenkraftwagens.
Die Fronthaube 1 ist leicht gewölbt, wobei das in der Bildebene
linke Ende der Fronthaube 1 zur Fahrzeugfront weist und
das in der Bildebene rechte Ende der Fronthaube 1 zur Windschutzscheibe
weist.
-
Die Fronthaube 1 ist an
ihrem vorderen Ende 2 durch ein vereinfacht dargestelltes
Schloss 3 gegenüber
dem Personenkraftwagen verriegelt. An ihrem hinteren Ende 4 ist
die Fronthaube 1 über
ein schematisch angedeutetes Scharnier 5 schwenkbeweglich
gegenüber
dem Auflager 6 des Personenkraftwagens gelagert. Zwischen
dem Auflager 6 und dem Scharnier 5 ist ein Stellglied 7 angeordnet,
dessen Funktion anhand der 2 und 3 nachfolgend erläutert wird.
-
Auf der äußeren Oberfläche 8 der
Fronthaube 1 ist ein piezoelektrischer Foliensensor 9 angeordnet,
der an die Kontur der äußeren Oberfläche 8 angepasst
ist. Der Foliensensor 9 ist in diesem Ausführungsbeispiel
in die Front haube 1 eingebettet, so dass seine in der Bildebene
obere Außenfläche 10 übergangslos
an die äußere Oberfläche 8 der
Fronthaube angepasst ist bzw. Bestandtel der äußeren Oberfläche 8 der
Fronthaube 1 ist.
-
Der piezoelektrische Foliensensor 9 generiert
nur bei Beaufschlagung mit einer Druckkraft elektrische Signale,
die zur Weiterverarbeitung an eine mit CPU bezeichnete Rechnereinheit 11 weitergeleitet
werden. Die 2 zeigt
den Ausgangszustand, wobei die eingezeichneten Pfeile den Signalweg
darstellen. die Pfeilbezeichnung X=0 verdeutlicht, dass kein Signal
von dem Foliensensor 9 ausgeht. Wird durch den Foliensensor 9 ein
Aufprall auf die Fronthaube 1 detektiert, wie es die Eindellung 12 im
Bereich des Kraftvektors F verdeutlichen soll, springt das Signal
X von dem Wert 0 auf den Wert 1 um. Die Rechnereinheit 11 generiert
daraus in ein Stellssignal, das einerseits dem Schloss 3 am
vorderen Ende der Fronthaube 1 und andererseits dem Stellglied
7 am hinteren Ende 4 der Fronthaube 1 zugeleitet
wird. In dem in den 2 und 3 darstellten Ausführungsbeispiel
wird deutlich, dass das Schloss 3 ebenfalls als Stellglied 13 ausgebildet
ist, und zwar als mechanisch wirkender Aufpralldämpfer 14, an dem durch
den Einfluss des Kraftvektors F Federarbeit durch Spannen einer
Schraubendruckfeder 15 verrichtet wird.
-
Das Stellglied 7 am hinteren
Ende 4 ist hingegen als hydraulischer Aufpralldämpfer 16 gestaltet.
Der Aufpralldämpfer 16 umfasst
einen Hubkolben 17, der in einem Dämpferzylinder 18 geführt ein
Hydraulikfluid 19 aus dem unteren Bereich des Dämpferzylinders 18 durch
ein Überströmventil 20 dem oberen
Bereich des Dämpferzylinders 18 wieder
zuführt.
Anstelle des oberen Bereiches des Dämpferzylinders 18 ist
es selbstverständlich
möglich,
das Hydraulikfluid 19 auch einem anderen Ausgleichsbehältnis zuzuführen. In
der in 2 dargestellten Grundposition
ist das Überströmventil 20 geschlossen.
Der Aufpralldämpfer 16 verhält sich
unnachgiebig bzw. starr.
-
Das Stellglied 13 am vorderen
Ende 2 der Fronthaube 1 ist mit einem Sperrmechanismus 21 versehen.
In diesem Ausführungsbeispiel
ist der Sperrmecha nismus 21 ein beispielsweise elektromagnetisch
verlagerbarer Riegel 22, der in eine Aussparung 23 eines
vertikal verlagerbaren Kopplungsstücks 24 fasst.
-
3 zeigt
den Sperrmechanismus 21 in entriegelter Stellung, wobei
das Kopplungsstück 24 zwischen
Fronthaube 1 und Schraubendruckfeder 15 in ein
Führungsteil 25 des
Stellglieds 13 eingefahren ist und unter Verrichtung von
Federarbeit die Schraubenfeder 15 spannt. Das hintere Stellglied 7 ist
ebenfalls in der eingefahrenen Position, d.h. das Hydraulikfluid 19 ist
so weit wie möglich
durch das Überströmventil 20 gepresst
worden. Beide Stellglieder 13, 16 haben ihre maximale
Dämpfungsarbeit
verrichtet.
-
- 1
- Fronthaube
- 2
- vorderes
Ende v. 1
- 3
- Schloss
- 4
- hinteres
Ende v. 1
- 5
- Scharnier
v. 1
- 6
- Auflager
- 7
- Stellglied
- 8
- äußere Oberfläche v. 1
- 9
- Foliensensor
- 10
- Außenfläche v. 9
- 11
- Recheneinheit
(CPU)
- 12
- Eindellung
in 1
- 13
- Stellglied
- 14
- Aufpralldämpfer
- 15
- Schraubendruckfeder
v. 14
- 16
- Aufpralldämpfer
- 17
- Hubkolben
v. 16
- 18
- Dämpferzylinder
v. 16
- 19
- Hydraulikfluid
in 18
- 20
- Überströmventil
v. 16
- 21
- Sperrmechanismus
an 13
- 22
- Riegel
v. 21
- 23
- Aussparung
in 24
- 24
- Kopplungsstück v. 13
- 25
- Führungsteil
v. 14