DE19518366A1 - Energieabsorptionselement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Absorptionselement zur Absorption kinetischer Energie, z. B. von Energie, die bei Unfällen von Kraftfahrzeugen frei wird. Das Absorptionselement ist insbesondere als Teil eines Absorptionssystems von Stoßfängern eines Fahrzeugs geeignet, die bei einem Aufprall freiwerdende Energie aufzunehmen, um Strukturdeformationen am Fahrzeug zu verhindern. Das Absorptionselement kann ebenso auch als Teil einer Sitzstruktur und anderer passiver Sicherheitselemente dienen.

Energieumwandelnde Systeme, besonders für den Einsatz im Stoßfängerbereich von Fahrzeugen sind bekannt und werden erfolgreich eingesetzt. Es sind Stoßfän­ gersysteme weit verbreitet, die durch energieabsorbierende Elemente Bagatell­ unfälle (bei einer Aufprallgeschwindigkeit bis etwa 8 km/h) schadenfrei über­ stehen. Um günstige Risikoeinstufungen bei den Fahrzeugversicherern zu erzielen, werden seit geraumer Zeit von vielen Fahrzeugherstellern stoßabsorbierende Systeme angestrebt, die deutlich über eine Crashgeschwindigkeit von 10 km/h belastbar sind. (In den USA werden generell Stoßfängersysteme mit einer schaden­ freien Crashgeschwindigkeit von bis zu 8 km/h eingesetzt). Man kann hier unterscheiden zwischen sogenannten reversiblen und nichtreversiblen Systemen. Reversible Systeme sind z. B. hydraulische Dämpfer mit Gasdruckfedern. Solche Systeme haben recht gute Umwandlungseigenschaften und ein hohes Leistungs­ vermögen. Bei geringeren Umwandlungsraten werden quasireversible oder nicht­ reversible Systeme, z. B. Schaumblöcke aus Energieabsorptions (EA)-Schaum, PU-Schaum oder Aluminiumschaum verwendet.

Der zur Verfügung stehende Einbauraum für die genannten Systeme ist in der Regel klein. Die hohe umzusetzende kinetische Energie erfordert ideale Kraft­ verformungskennlinien solcher Absorptionssysteme. Eine weitere Anforderung an die Absorptionssysteme ist ihre Unabhängigkeit gegenüber Klima und Witterungs­ einflüssen.

Die Alterungsbeständigkeit und eine einwandfreie Funktionsweise unabhängig von der Umgebungstemperatur werden vorausgesetzt. Alle bekannten Systeme arbeiten jedoch unter den genannten Bedingungen teilweise unzureichend und nicht repro­ duzierbar. Die leistungsfähigsten Systeme (hydraulische Dämpfungssysteme) sind technisch aufwendig in der Herstellung und Wartung und daher vergleichsweise teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Energieabsorptionselement zu entwickeln, das über der Leistungsfähigkeit heute eingesetzter Hydraulikdämpfer liegt und höhere Umwandlungsraten aufweist, d. h., kinetische Energie, z. B. von bewegter Fahrzeugmasse, auf kleinstmöglichem Raum in Wärmeenergie um­ wandelt. Das System sollte einfach in der Handhabung, kostengünstig und leicht sein, sowie ein reproduzierbares Verhalten im gesamten üblichen Gebrauchs­ zeitraum zeigen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Absorptionselement zur Ab­ sorption von kinetischer Energie, insbesondere zum Einsatz als Teil einer Sicher­ heitsstruktur, z. B. in Fahrzeugen, bestehend mindestens aus einem Absorptions­ blech, einem Niederhalter und einem Auflager, die mit lösbaren Befestigungs­ elementen auf dem Flansch einer Tragestruktur verbunden sind, so daß das Absorptionsblech zwischen Niederhalter und Auflager mit einer vorgegebenen Kraft in einer Art Klemmverbindung gehalten wird, einem Stempel, bevorzugt mit rechtwinkligem Querschnitt, der gegebenenfalls über ein Befestigungselement mit dem Absorptionsblech verbunden ist, wobei die Tragestruktur einen solchen Innen­ querschnitt aufweist, daß der Stempel mit dem verbundenen Absorptionsblech bei Energieaufnahme in die Tragestruktur eintauchen kann.

Das erfindungsgemäße Absorptionselement ermöglicht es, durch die gewählte Anordnung seiner Bestandteile die einwirkende kinetische Energie nahezu ideal auf einem gegebenen Verformungsweg umzusetzen. Die vorgegebene Kraft ist dabei nahezu geschwindigkeitsunabhängig und über den gesamten Verformungs­ weg konstant. Bei einem vorgegebenen maximal zulässigen Verformungsweg führt dies zu einer maximalen Energieumwandlung, ohne daß dabei durch Kraftspitzen die tragende Struktur, die das Absorptionselement trägt, verformt oder zerstört wird.

Summarisch werden mit dem erfindungsgemäßen Absorptionselement über dem Stand der Technik die folgenden Vorteile erzielt.

Bei einem vorgegebenen Verformungsweg wird eine nahezu 100%ige Absorption erreicht (d. h. das Element weist eine nahezu ideale Kraftverformungskennlinie auf). Das Element ist kostengünstig herzustellen und schnell wieder in Stand zu setzen nach einer Verformung. Das Absorptionselement weist ein geringes Ge­ wicht auf und läßt sich leicht dem Belastungsfall anpassen. Das Absorptions­ element weist ein Temperatur- und Alterungsunabhängiges Verhalten auf.

Typische geeignete Materialien für das Absorptionsblech sind Baustähle, z. B. der Güte St 37 bis zu Tiefziehblechqualitäten St 14/St 12. Das Blechelement kann durch Lackierung, Phosphatierung, Verzinkung etc. korrosionsgeschützt sein. Der Blechstreifen wird z. B. als Bandstahlware abgelängt und anschließend gegebenen­ falls mittels Preßverfahren vorgeformt. Auflager bzw. Niederhalter, die gegebenen­ falls je als Rahmen ausgebildet sein können, werden üblicherweise durch Stanz- bzw. Tiefziehen hergestellt.

Geeignetes Material für den Stempel sind gegebenenfalls glasfaserverstärkte Thermoplaste, beispielsweise PA 6, PA 66, PBT oder auch Metalle. Für die Herstellung des Stempels eignet sich je nach Werkstoff das Spritzgieß-, Druckguß- bzw. das Stanz- oder Tiefziehverfahren.

Das Energieabsorptionselement gemäß der Erfindung eignet sich insbesondere zum Einsatz im vorderen oder hinteren Stoßfängersystem eines Kraftfahrzeugs, aber auch für Kniefänger, Sitzstrukturen und andere passive Sicherheitsbauelemente. Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert.

In den Figuren zeigen

Fig. 1 einen Horizontalschnitt durch ein erfindungsgemäßes Energieab­ sorptionselement

Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch eine entsprechende Versuchs­ anordnung und

Fig. 3 bis 6 Kraft-/Verformungsdiagramme gemessen mit einer Versuchs­ anordnung nach Fig. 2.

Das Absorptionselement besteht aus einem Absorptionsblech 1, zwei Spannrahmen 2 und 3, einem Stempel 4 und mindestens vier Schrauben 5 zum Vorspannen des Blechstreifens 1 zwischen den Spannrahmen 2 und 3. Der Stempel 4 wird mit einer Schraube 6 auf den Blechstreifen 1 befestigt. Der Blechstreifen 1 ist mit einer genau definierten Eindrucktiefe 7 vorgeformt. Das Gesamtsystem wird auf den Flansch 8 eines Trägers 9 befestigt. Bei einem Aufprall auf eine Barriere oder ähnliches dringt der Stempel 4 in den Träger 9 ein und verformt dabei den Blech­ streifen 1. Dieser wird über den Biegeradius 10 des Spannrahmens 3 kontinuier­ lich gebogen und gezogen und absorbiert dadurch Energie. Desweiteren wird der Blechstreifen 1 durch die beiden Spannrahmen 2 und 3, die über die Schrauben 5 vorgespannt sind, gezogen und absorbiert dabei ebenfalls infolge von Reibung Energie. In einer Variante ist der Blechstreifen 1 als ungebogener gerader Blech­ streifen ohne definierte Eindrucktiefe vorgegeben (siehe auch Fig. 2).

Beispiel 1

Mit einer Versuchsanordnung entsprechend Fig. 2 wurden Kraft- /Verformungs­ kennlinien ermittelt, die das Verhalten eines entsprechenden Absorptionselementes wiedergeben. Die Auflagerblöcke 10 umfassen hierin die Funktion des Spann­ rahmens 3 und des Trägers 9 mit Flansch 8. In Fig. 3 wurde ein Abstand der Auflager 10 von 55 mm einer Blechdicke von 2 mm und ein Spaltabstand zwischen Stempel 4 und Auflager 10 von beidseitig 2,5 mm gewählt. Der gerade Blechstreifen wurde mit einer Vorspannkraft von 15, 25 und 30 Nm gehalten. Über einen Hydraulikzylinder wurde der Stempel jeweils in das Blech gedrückt. Der Widerstand spiegelt sich in den jeweiligen Verformungskurven wieder. Wie ersichtlich geht bei 12 mm Verformungsweg jeweils die Kennlinie in einen horizontalen Verlauf über. Dem entspricht der Einbiegevorgang in ein U-Profil des Bleches 1.

Beispiel 2

In einem weiteren dem Beispiel 1 entsprechenden Versuch wurde nach Erreichen des U-Profils entspannt und ausschließlich gleich wieder die Belastung aufgegeben (siehe Unterbrechung der Kurve in Fig. 4). Der Auflagerabstand betrug 56 mm, die Blechdicke 3 mm, die Spaltbreite 3 mm und das Anzugsmoment 40 Nm.

Beispiel 3

In Beispiel 3 wurde die Blechdicke weiter erhöht (4 mm), der Auflagerabstand betrug 56 mm, die Spaltbreite 4,25 mm und die Eindringgeschwindigkeit des Stempels 0,6 m/min. Die übereinanderliegenden Kurven geben das Verhalten der Anordnung bei 0, 20 und 40 Nm Vorspannung wieder.

Beispiel 4

Beispiel 3 wurde wiederholt mit gleichen Bedingungen, jedoch mit einem U-förmigen Blechstreifen, der 12 mm tief vorgeformt war. Die Eindringge­ schwindigkeit betrug hier 4,42 m/min. Die Kurve gibt den erwünschten, nahezu idealen Kraft-/Verformungsverlauf bei einer Vorspannung von 20 Nm wieder.

Claims (3)

1. Absorptionselement zur Absorption von kinetischer Energie, insbesondere zum Einsatz als Teil einer Sicherheitsstruktur in Fahrzeugen, bestehend mindestens aus einem Absorptionsblech (1), einem Niederhalter (2) und einem Auflager (3), die mit lösbaren Befestigungselementen (5) auf dem Flansch einer Tragestruktur (9) verbunden sind, so daß das Absorptions­ blech (1) zwischen Niederhalter und Auflager mit einer vorgegebenen Kraft in einer Art Klemmverbindung gehalten wird, einem Stempel (4), bevorzugt mit rechtwinkligem Querschnitt, der gegebenenfalls über ein Befestigungselement (6) mit dem Absorptionsblech (1) verbunden ist, wobei die Tragestruktur (9) einen solchen Innenquerschnitt aufweist, daß der Stempel (4) mit dem verbundenen Absorptionsblech (1) bei Energie­ aufnahme in die Tragestruktur (9) eintauchen kann.

2. Absorptionselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptionsblech (1) den Stempel (4) in Form eines U-Profils umfaßt und vor Energieaufnahme in die Tragestruktur bündig eintaucht.

3. Verwendung des Absorptionselementes nach Anspruch 1 oder 2 als energieabsorbierende Sicherheitsstruktur in Kraftfahrzeugen.