DE112011100760T5

DE112011100760T5 - Energieabsorptionssystem zum Schutz von Fussgängern

Info

Publication number: DE112011100760T5
Application number: DE112011100760T
Authority: DE
Inventors: Joel Matthew Cormier; Donald Scott Smith; Richard Francois Audi
Original assignee: Oakwood Energy Management Inc
Current assignee: Oakwood Energy Management Inc
Priority date: 2010-03-01
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2012-12-13
Also published as: US20110210570A1; WO2011109291A3; US8287011B2; WO2011109291A2

Abstract

Energie absorbierende Struktur (10) zum Schutz eines getroffenen Objekts, wie zum Beispiel eines Fußgängers (12). Die Struktur weist eine Aufprallfläche auf, die dem getroffenen Objekt zugewandt ist und mindestens teilweise eine Streckmetallstruktur (18) aufweist. Ein Paar stützende Wandflächen (20, 22) liegen im Wesentlichen in einer Ebene im Hinblick auf eine normale Komponente der Aufprallkraft. Sie verlaufen von der Aufprallfläche in einer von dem getroffenen Objekt weg weisenden Richtung. Die im Wesentlichen in einer Ebene liegenden Flächen weisen zudem mindestens teilweise eine Streckmetallstruktur auf. Ein Paar basaler Flächen (26, 28), die die in einer Ebene liegenden Flächen stützen, weisen ebenfalls mindestens teilweise eine Streckmetallstruktur auf.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung bezieht sich auf eine Energie absorbierende Struktur zum Schutz von Fußgängern vor den Kräften in Zusammenhang mit dem Aufprall eines Objekts wie zum Beispiel eines Kraftfahrzeugs.
STAND DER TECHNIK
Dem Insassenschutz galt seit vielen Jahren das Hauptaugenmerk von weltweiten Sicherheitsbehörden und Gesetzgebern. Viele der Strukturen im und um den Motorraum herum sowie an der Fahrzeugfront sind zur Maximierung des Insassenschutzes bei einem Aufprall mit hohen Geschwindigkeiten ausgelegt. Während diese Behörden sich in der Vergangenheit auf den Insassenschutz konzentriert haben, war ihnen auch bewusst, dass es eine hohe Sterblichkeitsrate in Zusammenhang mit oder infolge der Tatsache gab, dass Fußgänger von Kraftfahrzeugen angefahren werden. Diese Behörden haben die Notwendigkeit erkannt, die Anzahl der Verkehrstoten und schweren Verletzungen von Fußgängern zu vertretbaren Kosten für die OEM-Fahrzeughersteller und letztlich den Verbraucher zu verringern, ohne den Insassenschutz zu beeinträchtigen.
Neue – sowohl bereits geltende als auch vorgeschlagene – Gesetze verlangen, dass die Frontpartie von Kraftfahrzeugen in einigen Märkten weniger steif sein darf, so dass die Schwere der Verletzungen von Fußgängern, wenn diese von Kraftfahrzeugen angefahren werden, verringert wird. Diese Gesetze legen die Vorrichtungen, Prüfbedingungen und Leistungskriterien für den Schutz sowohl der Beine als auch des Kopfes von Fußgängern fest. Zu den Bereichen, die diesen Schutz erfordern, gehören das Stoßfängersystem, Kühlergrill, Motorhaube, Scheinwerfer, Kühlerhaube, Kotflügel, Scheibenwischer, Säulen und alle starren Strukturen hinter diesen Komponenten, die im Falle eines Aufpralls ein erhebliches Verletzungsrisiko für Fußgänger darstellen können.
Diese Gesetze hatten Auswirkungen auf das Design von Energie absorbierenden Systemen – sie erfordern neue Zugeständnisse und Kompromisse in Sachen Gestaltung, Masse, Aerodynamik, Versatz, Spaltmaße, Steifigkeit, Systemverpackung und andere Sicherheitsanforderungen. Entsprechende Systeme müssen eng zusammenarbeiten, um die Schlüsselkriterien einzuhalten oder zu übertreffen und das gesetzlich vorgeschriebene Sicherheitsniveau zu erreichen. Die Herausforderung besteht darin, Lösungen zu entwickeln, die hoch effizient, problemlos einzustellen und preiswert sind, ein geringes Gewicht aufweisen und die kleinsten Abmessungen und das geringste Volumen beanspruchen („Grundfläche”).
Einige Fußgängerschutzgesetze erfordern eine relativ nachgiebige Außenfläche („Außenhaut”), die so zerknautscht wird, dass die auf die Beine oder den Kopf des Fußgängers einwirkenden Kräfte verringert werden. In Bereichen, wo die Struktur der derzeitigen Komponenten und Systeme nicht ohne weiteres neu gestaltet werden kann, um die Kriterien zu erfüllen, muss Einbauraum für Energie absorbierende Gegenmaßnahmen zwischen dem von dem Aufprall betroffenen Objekt und dem starren Strukturelement geschaffen werden, das eine Verletzungsgefahr für den Fußgänger darstellt (siehe 1). Dies erhöht die Notwendigkeit für hoch effiziente Energieabsorber, die den gewünschten Energiebetrag über den kürzesten Weg, mit der geringsten Masse und den niedrigsten Systemkosten aufnehmen können.
Eine Herausforderung bei der Integration eines Energieabsorbers zum Schutz von Fußgängern in die Fahrzeugsysteme besteht darin, den Energieabsorber zwischen Schichten aus Metall anzuordnen, die anschließend einen Lackiervorgang bei hohen Temperaturen durchlaufen müssen. Diese Temperaturen können über 380°F betragen. Nur wenige Kunststoffe, die in der Vergangenheit zu Energie absorbierenden Strukturen verarbeitet worden sind, sind in der Lage, diesen Temperaturextremen standzuhalten.
Polyurethan- und expandierter Polypropylen-Schaumstoff sind für Energie absorbierende Anwendungen in Kraftfahrzeugen eingesetzt worden. Auch wenn diese Werkstoffe sich ohne weiteres entsprechend der Form und Kontur des Energie absorbierenden Volumens formen lassen, sind sie relativ ineffizient, schwer und kostspielig. Außerdem besitzen sie eine Tendenz zum Splittern oder Aufspalten, wenn sie gegen einen Schweißflansch oder eine schmale Reaktionsfläche stoßen. Darüber hinaus kann auch ihre Maßhaltigkeit durch den Lackierzyklus suboptimal sein.
Spritzgegossene Energieabsorber, allgemein als Rippeneinsätze oder Eierkartons bezeichnet, sind ebenfalls als Energieabsorber im gesamten Fahrzeug verwendet worden. Während diese Absorber so geformt werden können, dass sie in den Einbauraum passen, und eine hohe Effizienz aufweisen, sind sie aber auch schwer, vom Gesichtspunkt der Verhaltensoptimierung her schwierig einzustellen und müssen aus teuren technischen Kunststoffen hergestellt werden, um den Lackierungszyklus zu überleben.
Einige Energieabsorber benutzen hoch effiziente warmgeformte Polymer-Formen, die sich verformen und zerknautschen, um die Aufprallkräfte aufzunehmen. Diese Strukturen können kompatibel und kostengünstig sein, wenn sie an Kunststoffverkleidungssystemen wie Dachhimmel, Türverkleidungen und Prallflächen/Stoßfängerverkleidungen angebracht werden. Ohne sekundäre Befestigungsmittel sind diese Energieabsorber jedoch nur schwierig an der Metallkarosserie und anderen Metallkomponenten zu befestigen. Es wäre nicht möglich, diese Befestigungsmittel auf der Rückseite eines Blechkotflügels oder einer Motorhaube anzubringen. Während es möglich ist, sie zwischen zwei Materialschichten anzuordnen, erreicht der Lackiervorgang, der nach dem Verbinden der Schichten miteinander folgt, eine Temperatur, bei der sich der Kunststoff dauerhaft verformt und an Maßhaltigkeit verliert, sofern sie nicht aus einem teuren technischen Kunststoff hergestellt sind. Wenn sie nach dem Lackieren angebracht werden, haben sich diese Absorber als hoch effizient und kostengünstig erwiesen, weisen aber dennoch gewisse Einschränkungen auf. Weil Kunststoffe bei hohen Temperaturen zur Erweichung neigen, während sie bei niedrigeren Temperaturen steifer und spröde werden, treten gewisse Schwankungen des Verhaltens auf, wenn sich die Temperaturen unter typischen Fahrzeugbetriebsbedingungen ändern. Im Gegensatz dazu ist das Verhalten von Metall relativ unempfindlich gegenüber solchen Temperaturschwankungen.
Ein in USPN 6.846.026 beschriebenes Energie absorbierendes Stoßfängersystem zum Schutz von Fußgängern besteht aus einem niedriglegierten Kohlenstoffstahlblech, das zu einem U-Profil geformt ist, das Energie in wiederholbarer Weise aufnimmt. Während dieser Absorber relativ effizient ist und den Vorteil einer Metallkonstruktion aufweist, um den Lackierprozess zu überleben, ist seine Masse möglicherweise höher als die eines Absorbers, der nicht aus einem massiven Materialblech aufgebaut ist. Andere Blechstrukturen sind ebenfalls als Energieabsorber verwendet worden, weisen aber üblicherweise einen Masse- und Kostennachteil auf, der ihre Leistungsvorteile oft überwiegt. Ein teilweise aus Streckmetall bestehender Energieabsorber ist in den gemeinsamen US-Patenten Nr. 5.700.545 und 6.017.084 beschrieben.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein leichtgewichtiger, hoch effizienter, einstellbarer und preiswerter Energieabsorber, der seine Fähigkeit zur Energieaufnahme unter schwankenden Umgebungstemperaturbedingungen wie etwa der Temperatur des Lackierprozesses behält und sich gleichzeitig problemlos an anderen Komponenten befestigen lässt, ist erwünscht.
In einer Ausführungsform wird eine Energie absorbierende Gegenmaßnahme („Absorber”) zum Schutz eines Fußgängers offen gelegt, der von einem aufprallenden Objekt, zum Beispiel einem Kraftfahrzeug, getroffen wird. Der Absorber weist Folgendes auf:
eine Aufprallfläche, die dem Fußgänger zugewandt ist, wobei die Aufprallfläche mindestens teilweise eine Streckmetallstruktur aufweist,
ein Paar Oberflächen, die im Wesentlichen in einer Ebene im Hinblick auf eine normale Komponente der Aufprallkraft liegen und von der Aufprallfläche in einer der Aufprallrichtung entgegengesetzten Richtung verlaufen, wobei die im Wesentlichen in einer Ebene verlaufenden Oberflächen mindestens teilweise eine Streckmetallstruktur aufweisen, und
ein Paar basale Flächen, die die im Wesentlichen in einer Ebene verlaufenden Oberflächen stützen, wobei die basalen Flächen ebenfalls mindestens teilweise eine Streckmetallstruktur aufweisen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt schematisch eine repräsentative Umgebung, in der eine Ausführungsform einer Energie absorbierenden Gegenmaßnahme („Absorber”) zum Schutz eines Fußgängers vor den nachteiligen Folgen eines Aufpralls dient.
2A zeigt eine Zelle in einer Oberfläche auf gleicher Ebene vor dem Aufprall in einer Streckmetallstruktur, bei der eine Hauptachse der Zelle orthogonal oder rechtwinklig zu einer normalen Komponente der Aufprallkräfte liegt.
2B zeigt eine Zelle in einer Oberfläche auf gleicher Ebene vor dem Aufprall in einer Streckmetallstruktur, bei der eine Nebenachse der Zelle orthogonal oder rechtwinklig zu einer normalen Komponente der Aufprallkräfte liegt.
3 zeigt eine perspektivische Teilansicht eines Probekörpers eines Streckmetall-Energieabsorbers nach dem Aufprall.
4 zeigt eine Aufsicht des in 3 gezeigten Probekörpers.
5 zeigt eine Seitenansicht der in 3 gezeigten Ausführungsform. 6 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines gefalteten Profils eines Teils des in 5 gezeigten Energieabsorbers.
7 zeigt eine Rückansicht des in 3 gezeigten Probekörpers.
8 zeigt alternative Querschnittsformen („Hutprofile”) von Energieabsorbern nach mehreren Aspekten der Erfindung.
9 zeigt vier alternative Situationen repräsentativer Umgebungen, in denen eine Energie absorbierende Gegenmaßnahme, wie sie zum Beispiel in 1 gezeigt ist, angeordnet ist.
10 zeigt ein Diagramm der relativen Festigkeit einiger alternativer „Hutprofile” des Streckmetalls bei unterschiedlichen Achsenausrichtungen: Die LWD-Kurve zeigt eine wegen ihrer überlegenen Festigkeit bei gleicher Masse bevorzugte Ausführungsform.
11 zeigt ein Diagramm mit „Hutprofilen” eines 300er Streckmetalls mit unterschiedlichen Strangabmessungen zur Demonstration der Möglichkeit der Verhaltenseinstellung durch Änderung der Abmessungen und/oder der Strangausrichtung.
12 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Absorbers, bei dem Material entfernt worden ist und Wellen in der Region auftreten, wo eine Stützwand auf eine Grund- oder Befestigungsfläche trifft.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Wie verlangt, werden hierin detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offen gelegt. Es gilt jedoch als vereinbart, dass die offen gelegten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Die Abbildungen sind nicht unbedingt maßstabsgerecht. Einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind hierin beschriebene spezifische strukturelle und funktionelle Einzelheiten nicht als einschränkend anzusehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um dem Fachmann zu vermitteln, die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise anzuwenden.
Unter Bezugnahme auf 1 bis 7 umfasst bei einer Ausführungsform ein Aspekt der Erfindung eine Energie absorbierende Gegenmaßnahme („Absorber”) 10 zum Schutz eines Fußgängers 12, der von einem aufprallenden Objekt getroffen wird, etwa der Prallfläche eines Stoßfängers oder einem anderen starren Strukturelement 16, das an der Fahrzeugfront befestigt ist. Der Absorber 10 weist eine Aufprallfläche 24 auf, die dem Fußgänger 12 zugewandt ist. Die Aufprallfläche 24 kann mindestens teilweise eine Streckmetallstruktur 18 aufweisen und kann wellenförmig oder flach, kuppelförmig oder tellerförmig sein bzw. eine Kombination dieser Formen aufweisen („kurvenförmig geschwungen”). Ein Paar verformbare stützende Wandflächen 20 und 22 liegt im Wesentlichen in der gleichen Ebene im Hinblick auf eine normale Komponente der Aufprallkraft (F). Sie verlaufen von der Aufprallfläche 24 in einer der Aufprallrichtung entgegengesetzten Richtung. Wie die Aufprallfläche 24 und die basalen Flächen 26 und 28 sind die stützende Wandflächen 20 und 22 aus Flächen gebildet, die ausgewählt sind aus der Gruppe mit viereckigen, allgemein sinusförmigen, polygonalen und hexagonalen Formen und Kombinationen davon. Die im Wesentlichen in einer Ebene verlaufenden Oberflächen 20 und 22 weisen mindestens teilweise eine Streckmetallstruktur 18 auf. Ein Paar basale Flächen 26 und 28 stützt die im Wesentlichen in einer Ebene verlaufenden Oberflächen 20 und 22. Die basalen Flächen 26 und 28 können ebenfalls mindestens teilweise eine Streckmetallstruktur 18 aufweisen.
Ein Gitter aus Streckmetall 18 bietet die Möglichkeit, in ihrer Ebene gerichtete Energie aufzunehmen, da die Stränge, die die Zellen 18 bilden (2A und 2B), sich in drei Dimensionen biegen können (siehe 4 bis 7). Bei einer Ausführungsform ist ein Stahlblech zu linearen Anordnungen länglicher rautenförmiger Zellen 18 gestreckt. Diese Zellen (2A und 2B) haben zwei Achsen, von denen eine (AM, die Nebenachse) kürzer ist als die andere (EI, die Hauptachse).
Wenn die lange Achse relativ parallel zu der Aufprallkraft (ein Fußgänger oder ein anderes getroffenes Objekt) ausgerichtet ist, bieten die Zellen des Streckmetalls im Vergleich zu demselben Streckmuster eine höhere Beständigkeit, wenn sie um 90 Grad in der Ebene gedreht sind.
Durch Ausrichten der rautenförmigen Zellen derart, dass die langen Achsen der Stützwände relativ parallel zu der Aufprallkraft angeordnet sind (2B), entstehen mehr Metallstränge, die im Wesentlichen senkrecht zu einer normalen Komponente der Aufprallkraft (F) ausgerichtet sind. Dadurch können bei einem Aufprall mehr Stränge gebogen oder gestaucht werden (6) und so die Aufprallenergie aufnehmen. Wenn N die Anzahl der Zellen in einer Stützwand ist, gilt 0 < N < 1.000.000. Gleiches gilt für X als die Anzahl der Zellen in einer Aufprallfläche und Y als die Anzahl der Zellen in jeder basalen Fläche.
Ein weiterer Aspekt des offen gelegten Energieabsorbers ist die Möglichkeit, sein Verhalten einzustellen. Dies kann erreicht werden durch Ändern des Streckmetallmusters (festgelegt durch die geometrische Form des Streckwerkzeugs), der Ausgangsmaterialstärke (was die Abmessungen des Strangs beeinflusst – vor allem senkrecht zur Aufprallrichtung) und des Abstands zwischen Streckungen (was die Abmessungen der Stränge vor allem parallel zur Aufprallrichtung steuert).
Eine getestete Ausführungsform (siehe 10 und 11) kann als ein „Hutprofil” angesehen werden. Für den Fachmann ist jedoch ersichtlich, dass das Verhalten über die Länge des Absorbers 10 weiter eingestellt werden kann durch Änderung der Geometrie (Wellenformen, Krümmung der Wandabschnitte 20 und 22, die konkav, konvex, gerippt oder linear sein können – siehe 8) oder selektives Entfernen von Material (zur Schwächung bestimmter Abschnitte des Absorbers nach Bedarf – siehe 12) usw. Ein Designfaktor berücksichtigt, dass es vor dem Aufprall zwei oder mehr Metallgitterwände gibt, die im Wesentlichen parallel zueinander sind und mit einem oder mehreren Stützsockeln 26 und 28 und einer weiteren Reaktionsfläche 24 zusammenwirken. Die Wände 20 und 22 knicken am Ende ein und fallen mindestens teilweise zusammen, um die Aufprallkraft aufzunehmen (7).
Eine Möglichkeit zur Herstellung der Streckmetallstruktur besteht darin, ein Metallblech, das in Rollenform angeliefert werden kann, mit Löchern zu versehen. Das mit Löchern versehene Metall wird sodann zu einem Metallgitter gestreckt, das verschiedene Konfigurationen aufweisen kann. Gegebenenfalls kann ein Schritt zum Abflachen folgen. Bei einigen Herstellungsverfahren bewirkt das Strecken eine Kaltverfestigung des Materials und verleiht ihm eine bessere Steifigkeit verglichen mit nicht gestrecktem Material. Durch das Abflachen kann das Streckmetall ungefähr wieder auf seine ursprüngliche ungestreckte Dicke reduziert werden. Dies bewirkt eine weitere Kaltverfestigung des Stahls und verbessert seine Biegesteifigkeit.
Als ein Beispiel für eine Streckmetallstruktur 18 weist niedriglegierter Kohlenstoffstahl technische Vorteile verglichen mit einigen Energieabsorbern nach dem Stand der Technik auf. Repräsentative Werkstoffe sind unter anderem niedriglegierte Kohlenstoffstähle 1008 und 1010, aluminiumberuhigter Zugstahl, verzinkter Stahl, Aluminium (5005 H 34) und dergleichen. Falls gewünscht, kann eine Schutzschicht auf das Streckmetall aufgebracht werden, um ihm Korrosionsbeständigkeit zu verleihen.
Für den Fachmann ist ersichtlich, dass die gestreckte Zellenstruktur neben mechanischen Perforationsverfahren durch Anwendung von Ätzen, Gießen oder anderen Formgebungsverfahren auf Materialien gebildet werden kann. Andere Formen von „Streckmetall”, unter anderem Platten und Bleche, die nicht vollständig in kontinuierlicher Form vorliegen (zur Massen- und Verhaltensoptimierung), können eingesetzt werden. So können die einzelnen Zellen zum Beispiel als Rundlöcher oder Langlöcher (wenn isotrope Eigenschaften gewünscht werden) oder als hexagonale oder andere polygonale Löcher ausgeführt werden. Der hier verwendete Begriff „Streckmetall” soll sowohl diese als auch entsprechende gleichwertige Strukturen umfassen.
Das Streckmetall, aus dem die Energie absorbierende Struktur 10 gebildet ist, ist von Anbietern wie der McNichols Company aus Tampa, Florida, erhältlich. Das Material ist in verschiedenen Ausführungsarten erhältlich und kann je nach den Energieabsorptionseigenschaften der Struktur aus verschiedenen Materialien bestehen.
Gegebenenfalls wird das Streckmetall 18 für die Energie absorbierende Struktur 10 nach der vorliegenden Erfindung durch selektives Zuschneiden und Abscheren hergestellt, um eine Anordnung von Metallsträngen zu erhalten. Durch dieses Verfahren wird eine lokale Kaltverfestigung hervorgerufen, die durch Tempern oder eine andere Wärmebehandlung verringert werden kann.
Wie am besten in 3, 4, 7 und 9 gezeigt, kann die Energie absorbierende Gegenmaßnahme 10 an dem starren Strukturelement 16 befestigt sein oder nicht. In den gezeigten Beispielen erfolgt die Befestigung mit Schrauben 38, aber es können auch andere Mittel zur Befestigung des Absorbers 10 an dem starren Strukturelement vorgesehen werden. Hierzu gehören unter anderem Schweißen, Nieten, Klammern, Mutter und Schrauben, U-förmige Nägel, Klebstoff, Klebeband und dergleichen.
2A und 2B zeigen eine rautenförmige Öffnung oder Zelle, die repräsentativ für Öffnungen oder Zellen in Streckmetall ist. Bei einigen Ausführungsformen können die Öffnungen polygonal sein und eine beliebige Anzahl von Seiten aufweisen. Die Seiten können gebogen oder gerade sein. Für den rautenförmigen Fall (2A und 2B) sind vier Metallstränge gezeigt.
Betrachten wir die in 1 dargestellten Kraftübertragungsbeziehungen. Das Symbol „F” steht für eine Aufprallkraft, die zum Beispiel auf einen Fußgänger 12 einwirkt. Eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion wird durch den Fußgänger auf das aufprallende Objekt 14, etwa die Aufprallfläche eines Stoßfängersystems, ausgeübt. Diese Reaktionskräfte werden auf eine Energie absorbierende Gegenmaßnahme 10 übertragen, durch die sie zumindest teilweise absorbiert werden, ehe sie auf ein starres Strukturelement 16, etwa einen Stoßfänger, übertragen werden.
Die Aufprallkräfte (F) werden zunächst durch das Streckmetall absorbiert, aus dem die Stützwände 20 und 22 gebildet sind. Diese Flächen 20 und 22 in der gezeigten Ausführungsform sind senkrecht zu der Aufprallfläche 24 und den basalen Flächen 26 und 28 angeordnet. Unter Bezugnahme vor allem auf 4 und 5 ist ersichtlich, dass die Ebene der Wände 20 und 22 vor dem Aufprall im Wesentlichen waagerecht, senkrecht oder in einer dazwischen liegenden Ebene verlaufen kann. Bei einigen Ausführungsformen (zum Beispiel 8) können die Stützflächen 20 und 22 zueinander geneigt oder gebogen sein. Es ist zu erkennen, dass bei einigen Ausführungsformen die basalen Flächen 26 und 28 bezogen auf den Hut nach innen gezogen sein können, statt nach außen (wie gezeigt). Die drei versetzten Konfigurationen unten in 8 umfassen Situationen, in denen die Reaktionsfläche des starren Strukturelements 16 und eine oder mehrere Wände 20 und 22 aufgrund der Fahrzeugüberlappung für den „Versatz” zueinander ausgerichtet sein können, um Struktur-, Leistungs- und/oder Styling-Anforderungen zu erfüllen.
Wie in 3 bis 7 gezeigt, können die Stützflächen 20 und 22 mit Befestigungsflächen 26 und 28 an dem starren Strukturelement 16 oder dem aufprallenden Objekt 14 wie etwa der Motorhaube eines Fahrzeugs oder einer anderen A-Fläche desselben befestigt sein.
Es ist ersichtlich, dass die Stützsockel 26 und 28 verschiedene Abmessungen annehmen können. Unter ansonsten gleichen Bedingungen gilt zum Beispiel, je schmaler sie sind, desto mehr Energieabsorber können in einem bestimmten Volumen ausgerichtet oder nebeneinander angeordnet werden. Alternativ oder wahlweise können die Befestigungsflächen 26 und 28 ein abgerundetes oder sinusförmiges Aussehen annehmen, wodurch benachbarte Energieabsorber miteinander verschachtelt angeordnet werden können, um den Wirkungsgrad des Einbauvolumens zu erhöhen.
Es ist zu beachten, dass das Energie absorbierende Element 10 aus Flächen 20 und 22 gebildet sein kann, die anders als viereckig sind. Andere Konfigurationen können eine allgemein sinusförmige oder polygonale Konfiguration oder eine hexagonale Konfiguration und deren Entsprechungen umfassen.
Wie vorstehend erwähnt, kann mehr als ein Energie absorbierendes Element 10 vorgesehen sein – entweder allein oder im Sandwich eingeschlossen zwischen dem aufprallenden Objekt 14 und dem starren Strukturelement 16 (1).
In 1 sowie 2A und 2B ist ein aufprallendes Objekt gezeigt, dass eine Kraft auf eine Spitze A der Zelle 18 in der Anordnung aus Streckmetall überträgt. Die Absorption des Aufpralls erfolgt in erster Linie durch das Knicken oder Falten der Seitenwände 20 und 22 (7). Das Knicken oder Falten der Wände 20 und 22 erfolgt in den Fußbereichen 30 und 32 und den Schulterbereichen 34 und 36 dieser Wände 20 und 22. In den Fußbereichen 30 und 32 sind die Wände 20 bzw. 22 mit den basalen Befestigungsflächen 26 und 28 verbunden. In den Schulterbereichen 34 und 36 gehen die Seitenwände 20 und 22 in die Aufprallfläche 24 über.
Wie in 6 gezeigt, werden bei und nach dem Aufprall Zellen zunehmend zusammengefaltet, so dass nach dem Aufprall Randzellen der Aufprallfläche 24 näher an dem Schulterrand der Wände 20 und 22 zugewandten Zellen liegen und diese berühren können. Gleiches gilt für dem Fuß der Wände 20 und 22 zugewandte Zellen im Verhältnis zu dem Rand der basalen Befestigungsflächen 26 und 28 zugewandten Zellen.
Die Aufprallkräfte werden auch durch Verformung und Wechselwirkungen zwischen benachbarten Zellen absorbiert. In 2A und 2B ist eine repräsentative rautenförmige Öffnung gezeigt, die durch vier Stränge Streckmetall gebildet ist. Die Last ist allgemein durch den Vektor AC dargestellt, der in die Komponentenvektoren AB und AD aufgelöst ist. Der Komponente AB wirkt eine Kraft H' mit der Komponente EB entgegen. Daher folgt auf die Aktion der Kraft AB die Reaktion der Kraft EB. Eine Unterstützung für EB erfolgt durch die Reaktion einer benachbarten Zelle.
Die tatsächlichen Verformungsmechanismen bei einer mikrostrukturellen oder finiten Elementanalyse sind detaillierter und/oder komplexer. Es ist zu beachten, dass die offen gelegte Erfindung alle vorhersehbaren Strangformen und Verformungsmechanismen umfasst.
Ähnliche Einschränkungen gelten für die gegenüberliegenden Ecken I und M. Daher wirken das Gitter oder die Anordnung von Zellen zusammen, um eine progressive Reaktion auf die Aufprallkräfte zu bewirken, die durch die Kollision des Objekts mit der Energie absorbierenden Struktur erzeugt werden.
Mit zunehmender Verdichtung werden einige Öffnungen 18 verbogen (siehe 6) und einige Stützwände 20 und 22 werden abgeflacht, ähnlich wie der Balgen eines Akkordeons oder einer Ziehharmonika beim Zusammendrücken (siehe 7). Schließlich ist die Anordnung 18 jedoch nicht mehr länger in der Lage, die Aufprallkräfte aufzunehmen. An diesem Punkt fallen einige Öffnungen 18 zusammen, und die Anordnung kann kein weiteres Potenzial mehr zur Absorption der Aufprallkräfte bereitstellen. Dennoch sind bei der Energieabsorption die aufgenommenen Kräfte bei der Verdichtung des Streckmetalls im Wesentlichen konstant geblieben (siehe 10 und 11), während die auf den Fußgänger einwirkenden Kräfte dadurch verringert werden, dass die Gegenmaßnahme einen Teil der kinetischen Energie des Ereignisses aufnimmt, wodurch die Schwere des Aufpralls und die resultierenden Kräfte auf den Fußgänger verringert werden.
Wenn die lange Achse AM (2B) relativ parallel zu der Aufprallkraft (Fußgänger) ausgerichtet ist, bieten die Zellen des Streckmetalls 18 im Vergleich zu demselben Streckmuster eine höhere Beständigkeit, wenn sie um 90 Grad in der Ebene gedreht sind (2A).
Durch Ausrichten der rautenförmigen Zellen derart, dass ihre langen Achsen AM relativ parallel zu der Aufprallkraft (F) angeordnet sind, entstehen mehr Metallstränge, die im Wesentlichen senkrecht zu einer normalen Komponente der Aufprallkraft (F) ausgerichtet sind. Dadurch können bei einem Aufprall mehr Stränge verbogen oder gestaucht werden (6) und so die Aufprallenergie aufnehmen.
In 8 sind alternative Querschnittsformen einschließlich bestimmter versetzter Ansichten gezeigt. Zu den bevorzugten Ausführungsformen gehören unter anderem die konischen, omega-förmigen und an zwei Seiten eingezogenen Hutprofile, wobei die Omega-Konfiguration vielleicht stärker bevorzugt wird, weil mehr von ihrer Aufprallfläche 24 zur Absorption von Energie verfügbar ist als bei den anderen in 8 gezeigten Konfigurationen.
Ein weiterer Aspekt des offen gelegten Energieabsorbers ist die Möglichkeit, sein Verhalten einzustellen. Dies kann erreicht werden durch Ändern des Streckmetallmusters (festgelegt durch die geometrische Form des Streckwerkzeugs), der Ausgangsmaterialstärke (was die Abmessungen des Strangs beeinflusst – vorzugsweise vor allem senkrecht zur Aufprallrichtung) und des Abstands zwischen Streckungen (was die Abmessungen der Stränge vor allem parallel zur Aufprallrichtung beeinflusst).
Andere Blechstrukturen sind ebenfalls als Energieabsorber verwendet worden, weisen aber üblicherweise einen Masse- und Kostennachteil auf, der ihre Leistungsvorteile oft überwiegt.
Die offen gelegten Absorber besitzen unter anderem diese Merkmale:

1. Leicht einzustellen über die Ausgangsmaterialstärke.
2. Leicht einzustellen über das Streckmetallwerkzeug.
3. Leicht einzustellen über den Lochabstand des Ausgangsmaterials.
4. Die LWD-Formausrichtung erlaubt einteilige Energieabsorber über die gesamte Stoßfängerlänge.
5. Niedrige Kosten.
6. Schweißkompatibilität mit artgleichem Metall.
7. Das Verhalten des Metalls ist temperaturunempfindlich.
8. Das Metall kann einen Lackierzyklus überstehen.
9. Das Metallgitter erlaubt eine Entwässerung.
10. Das Metallgitter kann eine zweifache Funktion als Filtergrill erfüllen.
11. Möglichkeit der schnellen Produktion durch Walzformen.
12. Möglichkeit der schnellen Produktion durch Stanzen.
13. Möglichkeit des Einfärbens durch Pulverbeschichtung.
14. Porös zur Aufbringung von Mastix/Dichtmassen.

In 8 sind die alternativen Endansichten („Hutprofile”) vor dem Aufprall gezeigt. Hierzu gehören ein Hut, ein eingezogener Hut, ein konischer Hut (mit konvex nach außen geformten stützenden Wandflächen), ein omega-förmiger Hut, ein an zwei Seiten eingezogener Hut, ein konvexer Hut, ein versetzter Hut, ein eingezogener Hut und ein winklig versetzter Hut. Neben anderen Alternativen kann eine Auswahl hierunter getroffen werden, um die Einstellung der Energieabsorptionseigenschaften entsprechend den gewünschten Energieabsorptionskriterien für eine bestimmte Anwendung zu unterstützen.
Während die getestete Ausführungsform als ein „Hutprofil” charakterisiert werden kann, ist für den Fachmann ersichtlich, dass das Verhalten über die Länge sowohl durch Änderung der Geometrie (Wellenformen, Krümmung der Wandabschnitte, die konkav, konvex, gerippt oder linear sein können) als auch durch selektives Entfernen von Material (zur Schwächung bestimmter Abschnitte des Absorbers nach Bedarf) usw. weiter eingestellt kann. Eine gewisse Gemeinsamkeit alternativer Ausführungsformen sind jedoch zwei oder mehr Metallgitterwände 20 und 22, die vor dem Aufprall im Wesentlichen parallel zueinander sind und mit einem oder mehreren Stützsockeln 26 und 28 und einer weiteren Reaktionsfläche 24 zusammenwirken, und Gitterzellen an der Schulter 34 und 36 und am Fuß 30 und 32 knicken ein und fallen mindestens teilweise zusammen, um einen Teil der Aufprallkraft aufzunehmen.
9 zeigt vier alternative Situationen, die allgemein in 1 beschrieben sind. In Situation 1 spielt ein A-Flächenteil (zum Beispiel eine Pkw-Kühlerhaube) die Rolle des aufprallenden Objekts 14 (1). Die Befestigungsflächen 26 und 28 der Energie absorbierenden Gegenmaßnahme 10 sind an einer Reaktionsfläche des starren Strukturelements 16 befestigt (1). Es ist zu erkennen, dass in den Situationen 3 und 4 auch die Krone 24 des Hutprofils als eine Befestigungsfläche dienen kann bzw. das A-Flächenteil 14 und das starre Strukturelement 16 (Reaktionsfläche).
Situation 2 entspricht Situation 1, wobei jedoch das „Hutprofil” 10 umgedreht und seine Krempe am A-Flächenteil 14 befestigt ist.
Situation 3 entspricht Situation 1, aber die Befestigungsflächen liegen oben und an der Krempe des Huts und sind oben und unten am Hut zu finden.
In Situation 4 ist der Hut umgedreht, aber immer noch sowohl an dem aufprallenden Objekt 14 als auch dem starren Strukturelement 16 befestigt.
Das Diagramm in 10 zeigt die relative Festigkeit des „Hutprofils” des Streckmetalls 18 bei unterschiedlichen Achsenausrichtungen. Die LWD-Kurve (lange Hauptachse parallel zur Aufprallrichtung, 2B) zeigt eine wegen ihrer überlegenen Festigkeit bei gleicher Masse bevorzugte Ausführungsform. Während der Verdichtung der expandierten Masse nimmt die pro Verdrängungs- oder Wegeinheit der Energie absorbierenden Struktur absorbierte Kraft beim Aufprall zu. Danach bleibt die absorbierte Kraft im Wesentlichen konstant, während die kinetische Energie des Objekts abgeführt wird. Daher nimmt die Verdrängungsweg-Lastkurve nahezu Rechteckwellenform an.
In 10 sind zur Illustration die Last-Verdrängungseigenschaften von Probekörpern aus Stahlstreckmetall gezeigt. Bei genauer Prüfung ist festzustellen, dass die pro Wegeinheit absorbierte Kraft über einen Weg von etwa 10 bis 35 mm bei der Verdichtung des Streckmetalls im Wesentlichen konstant bleibt. Daher besteht ein Vorteil der Erfindung darin, dass sie eine hohe Knautscheffizienz aufweist. Schaumstoffabsorber neigen dazu, in ihrer Wirkung langsam einzusetzen und dann bei 65 bis 85% des verfügbaren Hubs zwischen dem aufprallenden Objekt 14 und dem starren Strukturelement 16 zu verharren. Der Absorber 10, mit dem die Kurven in 10 und 11 erhalten wurden, setzt in seiner Wirkung schnell ein. Vor einem relativ normalen Aufprall mit einem halbkugelförmigen Eindringkörper (aufprallendes Objekt 14) hatten die Absorber alle eine Höhe von ca. 37 mm.
Unter Berücksichtigung dessen, dass der Absorber erst nach Erreichen eines Hubwegs von ungefähr 35 mm stecken bleibt, zeigen Berechnungen, dass die gezeigten Absorber einen Wirkungsgrad von über 90% aufweisen. Dies ist wünschenswert, wenn Wechselwirkungen zwischen Außendesign, Leistung und Einbauplatz berücksichtigt werden.
Das Diagramm in 11 zeigt ein Hutprofil eines „300er” Streckmetalls mit unterschiedlichen Strangabmessungen zur Demonstration der Möglichkeit der Einstellung des Energieabsorptionsverhaltens durch Änderung sowohl der Abmessungen als auch der Strangausrichtung.
In 10 und 11 geben die „300er” Daten in den gezeigten Beispielen den Abstand von einem Punkt in einer Zelle bis zum entsprechenden Punkt in einer benachbarten Zelle an, die mit der ersten Zelle ausgerichtet ist, ausgedrückt in Tausendstel Zoll. In den gezeigten Beispielen gibt die zweite Zahl (z. B. 0,038) die Dicke des Streckmetallprofils an. Angaben wie 0,041, 0,029 und 0,033 geben die Dicke eines Schenkels einer Zelle (Strangbreite) in Tausendstel Zoll an.
Während beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung zeigen und beschreiben. Vielmehr dient der in der Patentschrift verwendete Wortlaut eher der Beschreibung statt der Einschränkung, und es gilt als vereinbart, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und Umfang der Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus können die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu erhalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5700545 [0010]
US 6017084 [0010]

Claims

Energie absorbierende Struktur zum Schutz eines getroffenen Objekts, wie zum Beispiel eines Fußgängers oder anderen Körpers oder Objekts, der bzw. das auf die Struktur auftritt, die Struktur aufweisend: eine Aufprallfläche, die dem getroffenen Objekt zugewandt ist, wobei die Aufprallfläche mindestens teilweise eine Streckmetallstruktur aufweist, ein Paar stützende Wandflächen, die im Wesentlichen in einer Ebene im Hinblick auf eine normale Komponente der Aufprallkraft liegen und von der Aufprallfläche in einer von dem getroffenen Objekt weg weisenden Richtung verlaufen, wobei die stützenden Wandflächen mindestens teilweise eine Streckmetallstruktur aufweisen, und ein Paar basale Flächen, die die stützenden Wandflächen stützen, wobei die basalen Flächen ebenfalls mindestens teilweise eine Streckmetallstruktur aufweisen.
Energie absorbierende Struktur nach Anspruch 1, weiter aufweisend ein aufprallendes Objekt, das zwischen dem getroffenen Objekt und der Aufprallfläche der Struktur angeordnet ist.
Energie absorbierende Struktur nach Anspruch 1, weiter aufweisend ein starres Strukturelement, vor dem das getroffene Objekt geschützt werden soll, wobei das Element aus einer Gruppe mit einem Stoßfänger, einem Kotflügel, einer Versteifung, einer Halterung, einer Strebe und anderen starr befestigten Strukturen ausgewählt ist.
Energie absorbierende Struktur zum Schutz eines Fußgängers, die nach dem Aufprall eine Reaktionskraft vermittelt, die Struktur aufweisend: eine Aufprallfläche, die vor dem Aufprall kurvenförmig geschwungen ist, wobei die Aufprallfläche mindestens teilweise eine Streckmetallstruktur aufweist und als Reaktion auf die Aufprallkraft verformt wird, ein Paar verformbare stützende Wandflächen, die im Wesentlichen in einer Ebene im Hinblick auf eine normale Komponente der Aufprallkraft liegen und von der Aufprallfläche in einer der Aufprallrichtung entgegengesetzten Richtung verlaufen, wobei die verformbaren Flächen mindestens teilweise eine Streckmetallstruktur mit Zellen aufweisen, die aus Verbindungsgittern gebildet sind, von denen mindestens einige unter dem Einfluss der Aufprallkraft zusammenfallen und entgegengesetzte Stränge in einer Zelle mindestens teilweise zusammenlaufen und dadurch Aufprallkräfte zumindest teilweise aufnehmen und den Fußgänger mindestens teilweise schützen, und ein Paar basale Flächen, die die verformbaren Flächen stützen, wobei die basalen Flächen ebenfalls mindestens teilweise eine Streckmetallstruktur aufweisen.
Energie absorbierende Struktur nach Anspruch 4, wobei die Zellen der stützenden Wandflächen eine Dichte von N Zellen aufweisen, wobei 0 < N < 1.000.000.
Energie absorbierende Struktur nach Anspruch 5, wobei die Aufprallfläche aus einer mindestens teilweisen Streckmetallstruktur mit Zellen gebildet ist, wobei für die Anzahl der Zellen X die Beziehung 0 < X < 1.000.000 gilt.
Energie absorbierende Struktur nach Anspruch 5, wobei das Paar basale Flächen aus einer mindestens teilweisen Streckmetallstruktur mit Zellen gebildet ist, wobei für die Anzahl der Zellen Y die Beziehung 0 < Y < 1.000.000 gilt.
Energie absorbierende Struktur nach Anspruch 1, wobei die Streckmetallstruktur Zellen aufweist, deren Form ausgewählt ist aus einer Gruppe mit einer Rautenform, einer viereckigen Form, einer polygonalen Form, einer runden Form, einer ovalen Form, einer länglichen Form und einem Schlitz.
Energie absorbierende Struktur nach Anspruch 1, wobei die Streckmetallstruktur in dem Paar stützende Wandflächen Zellen aufweist, die in einer rautenförmigen Konfiguration ausgebildet sind, wobei mindestens einige der Rauten eine Hauptachse und eine Nebenachse aufweisen und so konfiguriert sind, dass die Hauptachse im Wesentlichen parallel zu einer Hauptkomponente der mit einem Aufprall verbundenen Kräfte verläuft.
Verfahren zum Einstellen der Energieabsorptionseigenschaften einer Energie absorbierenden Struktur mit den Schritten: Bilden eines Streckmetallmusters durch Auswählen einer geometrischen Form eines Streckwerkzeugs, gegebenenfalls Auswählen der Wandmaterialstärke, was die Abmessungen der Stränge beeinflusst, die die Zellen in dem Streckmetall bilden, und gegebenenfalls Ändern des Abstands zwischen benachbarten Zellen, was die Abmessungen der Stränge beeinflusst, auf die die Aufprallkräfte einwirken.
Verfahren nach Anspruch 10, weiter umfassend das Einstellen der Energieabsorptionseigenschaften über die Länge der Energie absorbierenden Struktur durch Auswählen der Geometrie aus der Gruppe mit Wellenformen, Krümmung des Wandabschnitts und selektives Entfernen von Material.
Energie absorbierende Struktur nach Anspruch 1, wobei die Aufprallfläche, das Paar stützende Wandflächen und das Paar basale Flächen ein Hutprofil definieren und das Hutprofil in einer Form konfiguriert ist, die ausgewählt ist aus einer Gruppe mit einem zylinderförmigen Hut, einem konischen Hut, einem omega-förmigen Hut, einem an zwei Seiten eingezogenen Hut, einem konvexen Hut, einem versetzten Hut, einem eingezogenen Hut, einem winklig versetzten Hut und Kombinationen davon.
Energie absorbierendes System zum Schutz eines getroffenen Objekts, wie zum Beispiel eines Fußgängers oder eines anderen Körpers oder Objekts, das System aufweisend: ein aufprallendes Objekt, das auf das getroffene Objekt auftrifft, eine Energie absorbierende Gegenmaßnahme mit einer Aufprallfläche, einem Paar stützende Wandflächen und einem Paar basale Flächen und ein starres Strukturelement.
Energie absorbierendes System nach Anspruch 13, wobei das aufprallende Objekt die A-Fläche eines Kraftfahrzeugs umfasst.
Energie absorbierendes System nach Anspruch 13, wobei die Energie absorbierende Gegenmaßnahme an dem starren Strukturelement befestigt ist.
Energie absorbierendes System nach Anspruch 13, wobei die Energie absorbierende Gegenmaßnahme an dem aufprallenden Objekt befestigt ist.
Energie absorbierendes System nach Anspruch 13, wobei die Energie absorbierende Gegenmaßnahme an dem aufprallenden Objekt und dem starren Strukturelement befestigt ist.
Energie absorbierendes System nach Anspruch 13, wobei die Aufprallfläche an dem aufprallenden Objekt befestigt ist und das Paar basale Flächen an dem starren Strukturelement befestigt ist.
Energie absorbierendes System nach Anspruch 13, wobei das Paar basale Flächen an dem aufprallenden Objekt befestigt ist und die Aufprallfläche an dem starren Strukturelement befestigt ist.
Energie absorbierende Struktur nach Anspruch 1, wobei das Paar stützende Wandflächen aus Flächen gebildet ist, die ausgewählt sind aus der Gruppe mit viereckigen, allgemein sinusförmigen, polygonalen und hexagonalen Formen und Kombinationen davon.
Energie absorbierendes System nach Anspruch 13, wobei mehrere Energie absorbierende Strukturen zwischen dem aufprallenden Objekt und dem starren Strukturelement angeordnet sind.
Energie absorbierende Struktur nach Anspruch 1, wobei die Streckmetallstruktur Zellen aufweist, die bei und nach dem Aufprall mindestens teilweise zunehmend zusammengefaltet werden, so dass nach dem Aufprall Randzellen einer Aufprallfläche näher an einem Schulterrand der stützenden Wandflächen zugewandten Zellen liegen und diese berühren können und einem Fuß der stützenden Wandflächen zugewandte Zellen näher an einem Rand der basalen Flächen zugewandten Zellen liegen und diese berühren können.
Energie absorbierende Struktur nach Anspruch 1, wobei die Streckmetallstruktur Zellen aufweist, die sich nach dem Aufprall verformen und wodurch das Paar stützende Wandflächen abgeflacht wird.
Verfahren nach Anspruch 10, weiter umfassend den Schritt des Abflachens des Streckmetalls vor dem Formen in eine dreidimensionale Form.