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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Deformationselement gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Ein
aus der
DE 38 33 048
C2 bekanntes Deformationselement ist durch einen Rohrabschnitt
aus Faserverbundwerkstoff gebildet, der neben Kohlenstoff- oder
Glasfasern auch Aramidfasern aufweist. Die Energieumwandlung erfolgt
durch Umstülpen des
Rohrabschnitts, wobei zum Einleiten des Umstülpvorganges sich an das freie
Rohrende ein Bauteil mit einer konkaven, den äußeren Stülpradius bestimmenden Hohlkehle
anschließt.
Das bekannte Deformationselement ist geprägt durch ein geringes Gewicht
und eine kurze Baulänge
sowie durch einen günstigen
Kraft- Weg- Verlauf.
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Aus
der
GB 2 134 211 A ist
ein Deformationselement mit einem Rohrabschnitt aus Faserverbundwerkstoff
bekannt, wobei neben Kohlenstoff- oder Glasfasern auch die Verwendung
von Aramidfasern vorgesehen ist. Die Energieumwandlung erfolgt durch
Umstülpen
des Rohrabschnitts, wobei sich zum Einleiten des Umstülpvorgangs
an das freie Rohrende ein Bauteil mit einer konkaven, den Stülpradius
bestimmenden Hohlkehle anschließt
und wobei in dem Rohrkörper
ein Einsatz aus einer Matrix aus eingebetteten Glasfasern angeordnet
ist.
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Aus
der
DE 195 26 119
A1 ist ein Deformationselement bekannt, bei dem in einem
Führungsrohr ein
Einsatz in Form eines länglichen
Hohlkörpers
mit radial abstehenden, einstückig
angeformten Abstandshaltern angeordnet ist.
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Schließlich zeigt
und beschreibt die
DE
197 17 473 A1 ein Energieabsorberelement, bestehend aus
mehreren ineinandergefügten,
rohrförmigen
Elementen, die aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. Bevorzugt
werden Faserverbundwerkstoffe eingesetzt, die beispielsweise Kohlenstoff-
oder Glasfasern enthalten. Durch die vorgeschlagene Anordnung stabilisieren
sich im Schadensfall beispielsweise ein Metallrohr und ein darüber geschobenes Kunststoffrohr
gegenseitig, so dass einerseits die Knickstabilität des Metallrohres
durch das Kunststoffrohr erhöht
wird und die Fließeigenschaften
bei der Deformation verbessert werden und andererseits das Kunststoffrohr
durch das Metallrohr präzise
geführt wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Deformationselement
so weiter zu bilden, dass es für
ein höheres
Kraftniveau Verwendung finden kann, ohne dass sich dadurch dessen
Größe verändert. Außerdem soll
das neue Deformationselement eine höhere Beul- und Knickfestigkeit
aufweisen, wodurch das Deformationselement bei schräger Krafteinleitung
ein höheres
Maß an
Energieumwandlung gewährleistet.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Der
in dem Rohrkörper (Stülprohr)
angeordnete Einsatz besteht aus in einer Matrix eingebetteten Kohlenstoff-
oder Glasfasern. Als Matrix kann beispielsweise ein Epoxidharz dienen.
Ein derartiger Verbundkörper
kann bei einer Belastung eine sehr große Energie absorbieren; er weist
jedoch dabei ein relativ unkontrolliertes Verhalten auf, da die
Materialien derart spröde
sind, dass sie bei einem Aufprall zersplittern und zerbröseln, also
die mechanische Verbindung aufgelöst wird. Deshalb werden diese
Verbundkörper
auch als Crushing-Element bezeichnet.
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In
der vorgeschlagenen Verwendung, nämlich als Einsatz in einem
Stülprohr
aus Faserverbundwerkstoff, ist das beschriebene Verhalten bei einem Aufprall
in keiner Weise schädlich;
im Gegenteil, es wird das sehr hohe Energieumwandlungsvermögen bei
kompakten Abmessungen und geringem Gewicht ausgenutzt.
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Durch
die vorgeschlagene Lösung
werden die Vorteile beider Elemente zur Energieumwandlung, nämlich dem
Stülprohr
und dem Einsatz, genutzt und Synergien erreicht. So bleibt auch
nach Beginn der Verformung des Stülprohres die Längs- und Querführung erhalten.
Im Gegensatz zu Einzelrohren wird durch das Kombisystem eine erhöhte Knickfestigkeit
erzielt, so dass ein größerer Stülpwinkel
möglich
ist. Wird das System als Deformationselement im Bug- oder Heckbereich
eines Fahrzeuges eingesetzt, dann hat der mögliche Stülpwinkel eine große Bedeutung
bei einem Schrägaufprall.
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Der
Einsatz, also das Crushing-Element, kann sehr kostengünstig, beispielsweise
als Meterware, hergestellt werden. Die sehr hohe spezifische Energieabsorption
erfordert nur einen geringen Bauraum, der ausreichend in dem Stülprohr vorhanden ist.
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Der
Einsatz liegt teilweise an der Innenwandung des Rohrkörpers an
oder reicht zumindest abschnittsweise fast bis an die Innenwandung
des Rohrkörpers
heran. Je näher
Abschnitte des Einsatzes an die Innenwandung des Rohrkörpers herangeführt sind,
um so höher
ist die Knicksteifigkeit und die Führung des Stülprohres
nach begonnener Deformation.
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Der
Einsatz weist einstückig
angeformte Abstandshalter auf. Ein solcher Profilkörper kann
beispielsweise ein Rohr mit 70 mm Durchmesser und 2,5 mm Wandstärke sein,
das mindestens drei radial vorstehende Rippen als Abstandshalter
umfasst, welche den Einsatz zentrieren und das gewünschte Knick-
und Führungsverhalten
gewährleisten.
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Es
ist natürlich
möglich,
nicht nur einen länglichen
Rohrkörper
zu verwenden, sondern in paralleler Anordnung mehrere Rohrkörper, die
zweckmäßig einstückig hergestellt
werden und mit Abstandshaltern versehen sind.
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Profilkörper können in
einfacher Weise als Meterware erzeugt und dann konfektioniert werden. Hinsichtlich
ihres Querschnitts ist ein großes
Spektrum möglich,
das von einer einfachen Kreuzform bis zu komplexen Querschnitten
reicht, welche beispielsweise in einer Richtung eine höhere Biegefestigkeit aufweisen.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausgestaltung können in serieller Anordnung
mindestens zwei Einsätze
in dem Rohrkörper
angeordnet sein. Jeder dieser Einsätze ist dann auf ein bestimmtes Kraftniveau
ausgelegt, wobei derjenige Einsatz, der zunächst verformt wird, ein geringeres
Energieabsorptionsvermögen
aufweist.
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Besonders
zweckmäßig ist
es, wenn an demjenigen Ende des Einsatzes eine Materialschwächung vorgesehen
ist, an dem die Verformung beginnen soll. Die Materialschwächung, beispielsweise eine
Abschrägung
eines rohrförmigen
Einsatzes, stellt einen „Trigger" dar und stellt sicher,
dass der Einsatz in der gewünschten
Abfolge zerstört
wird.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung kann der Einsatz im Belastungsfall
gegen eine Begrenzungsfläche
des Deformationselementes oder ein angrenzendes Karosseriebauteil
gepresst werden. Die Verwendung einer Fläche in dem Deformationselement
für diesen
Zweck stellt sicher, dass das Deformationselement weitgehend variabel
eingesetzt werden kann und eine vollständig funktionsfähige, vormontierte
Baugruppe bildet.
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Um
zu verhindern, dass in dem Hohlraum zwischen dem Einsatz und dem
Rohrkörper
bzw. innerhalb eines hohl ausgeführten
Einsatzes bei der Deformation des Einsatzes ein Druck aufgebaut
wird, ist es vorteilhaft, wenn die Fläche, gegen die der Einsatz
gepresst wird, mit mindestens einer Entlüftungsöffnung versehen ist.
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Die
vorstehende Beschreibung ist vorrangig auf die Ausgestaltung des
Einsatzes gerichtet. Es ist bewusst offen gelassen, in welcher Weise
das den Einsatz aufnehmende Stülprohr
ausgeführt
ist, da für dieses
die verschiedensten Ausgestaltungen möglich sind.
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Mehrere
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen
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1 einen
teilweise dargestellten Längsschnitt
durch ein symmetrisch aufgebautes Deformationselement,
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2 einen
teilweise dargestellten Längsschnitt
durch ein anderes, ebenfalls symmetrisch aufgebautes Deformationselement,
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3 den
Schnitt III-III aus 2,
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4 einen
Schnitt ähnlich
der Schnittdarstellung in 3, jedoch
mit einem anderen Einsatz,
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5 einen
Schnitt ähnlich
der Schnittdarstellung in 3, jedoch
mit einer weiteren Variante des Einsatzes und
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6 einen
Schnitt ähnlich
der Schnittdarstellung in 3, wobei
der Einsatz durch einen Profilkörper
gebildet ist.
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In
der 1 ist ein Deformationselement 1 schematisch
im Halbschnitt dargestellt. Das Deformationselement 1 umfasst
einen Rohrkörper 2 (Stülprohr),
der aus einem Faserverbund aus Kohlenstoff- oder Glasfasern und
Aramidfasern aufgebaut ist.
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Weiter
weist das Deformationselement 1 ein Stützteil 3 zur Einleitung
von Längsdeformationskräften in
den Rohrkörper 2 auf.
Dieses Stützteil 3 umfasst
ein Halterohrteil 4, auf welches der Rohrkörper 2 mit
einem endseitigen Rohrabschnitt 5 formschlüssig aufgesteckt
und durch eine Nietverbindung 6 am Halterohrteil 4 befestigt
ist.
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Ferner
ist das Stützteil 3 mit
einem an das Halterohrteil 4 anschließenden Hohlkehlenteil 7 versehen.
Dieses Hohlkehlenteil 7 ist mit einer konkaven, einen äußeren Stülpbogen
bestimmenden Hohlkehle 8 ausgebildet, die sich in dem in 1 dargestellten
Zustand an das Rohrende 9 des Rohrabschnitts 5 anschließt.
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In
dem Beispiel weist der Rohrkörper 2 einen Durchmesser
von etwa 9 cm auf, wobei z. B. 12 am Umfang regelmäßig versetzte
und abscherbare Nieten 10 der Nietverbindung 6 angebracht
sind.
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Wie
aus 1 weiter ersichtlich, ist die Rohrendkante 11 des
Rohrendes 9 abgeschrägt
ausgebildet. Ferner kann am Stützteil 3 ein
Befestigungsflansch angeformt sein, der hier allerdings nicht dargestellt
ist.
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Von
dem Rohrkörper 2 wird
ein Einsatz 12 umschlossen, welcher ebenfalls rohrförmig ausgeführt ist.
Der Einsatz 12 ist als Verbundkörper ausgeführt, bei dem Glas- oder Kohlestofffasern
in einer Matrix aus Epoxidharz eingebettet sind. Das freie Ende
des Einsatzes 12 ist mit Abschrägungen 13 versehen.
Der Einsatz 12 reicht bis zum Boden 14 des Hohlkehlenteiles 7.
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Das
Deformationselement 1 ist beispielsweise Bestandteil einer
Längsträgerstruktur
eines Kraftfahrzeuges. Der Rohrkörper 2 ist
mit dieser Längsträgerstruktur
verbunden (nicht dargestellt). Der Einsatz 12 kann ebenfalls
an der Längsträgerstruktur
befestigt sein; es ist jedoch auch möglich und ausreichend, den
Einsatz 12 nur in dem Rohrkörper 2 zu fixieren.
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Bei
einer Krafteinleitung in das Deformationselement 1, wie
es beispielsweise bei einem Aufprall des mit bevorzugt zwei solchen
Deformationselementen 1 ausgerüsteten Fahrzeuges erfolgen kann,
werden die Nieten 10 der Nietverbindung 6 abgeschert,
so dass sich eine Relativbewegung zwischen dem Stützteil 3 und
dem Rohrkörper 2 ergibt.
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Im
weiteren Verlauf der Deformation des Deformationselements 1 gleitet
der Rohrabschnitt 5 auf dem Halterohrteil 4 und
anschließend
in dem Hohlkehlenteil 7, wo das Rohrende 9 zur
Energieumwandlung umgestülpt
wird.
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Gleichzeitig
wird der Einsatz 12, ausgehend von seiner Abschrägung 13,
durch die Krafteinleitung auf dem Boden 14 des Stützteiles 3 zerstört. Aufgrund
der Materialeigenschaften des Einsatzes 12 erfolgt die
Zerstörung
derart, dass kleinste Teilchen unter hoher Energieabsorption erzeugt
werden. Ein sich in dem Rohrkörper 2 durch
die Verkürzung
ergebender Druckanstieg kann durch die im Boden 14 des
Stützteiles 3 ausgebildeten
Entlüftungsöffnungen 15 abgebaut
werden.
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2 zeigt
in gleicher Darstellung ein abgewandeltes Deformationselement, wobei
für gleiche Teile
gleiche Bezugszeichen verwendet werden.
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Im
Gegensatz zu dem Deformationselement 1 in 1 ist
bei der Ausführungsform
gemäß 2 der
Rohrkörper 2 nicht
durch eine Nietverbindung 6 mit dem Stützteil 3 verbunden,
sondern nur eine Verklebung zwischen beiden Bauteilen vorgesehen.
Die Verklebung ist dabei so bemessen, dass die Verbindung bei definierten
Scherkräften
gelöst
wird.
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Als
Einsatz 12 wird in 2 ebenfalls
ein Rohrkörper
mit einer vorderen Abschrägung 13 verwendet.
Dieser ist jedoch mit radial vorstehenden Abstandshaltern 16 ausgeführt, wie
dies deutlich aus der Schnittdarstellung in 3 zu erkennen
ist. Die bis nahe an die Innenwandung des Rohrkörpers 2 reichenden
Abstandshalter 16 erhöhen
die Knick- und Beulfestigkeit des Deformationselementes 1,
so dass auch eine schräg
auftreffende Kraft das Verformungsverhalten des Deformationselementes 1 nur wenig
beeinträchtigt.
Außerdem
stellen die Abstandshalter 16 eine zuverlässige Führung in
Längs- und
Querrichtung sicher. Der Einsatz 12 kann aus dem vorgeschriebenen
Material bestehen. Er lässt sich
kostengünstig
als Stangenmaterial herstellen.
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4 zeigt
einen Einsatz 12, der aus drei Einzelrohren 17 mit
je einem Abstandshalter 16 besteht.
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In 5 ist
der Einsatz 12 ebenfalls durch einen Hohlkörper mit
Abstandshaltern 16 gebildet. Der Hohlkörper weist hier eine sechseckförmige Gestalt auf.
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Schließlich zeigt 6 einen
Einsatz in Form eines sternförmigen
Vollprofils.
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Neben
den in den 3 bis 6 wiedergegebenen
Querschnitten für
einen Einsatz sind je nach den baulichen Gegebenheiten und dem gewünschten
Verformungsverhalten bzw. Kraftniveau die verschiedensten Querschnitte
denkbar. In den Figuren ist außerdem
nicht dargestellt, dass selbstverständlich auch mehrere Einsätze 12 in
serieller Anordnung vorgesehen sein können, um einen gestuften Kräfteverlauf über den
Verformungsweg zu erreichen.