DE19702995A1 - Energieabsorbierender Formkörper - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen energieabsorbierenden Formkörper aus
zwei in Kraftangriffsrichtung hintereinander angeordneten Schaum
stoffschichten, die unterschiedliche Formänderungswiderstände
aufweisen.
Formkörper aus Polymerschaumstoffen werden vielfältig zur Auf
nahme von Stoßenergien eingesetzt. Sie haben dabei die Aufgabe,
diese Energien durch Verrichtung von Verformungsarbeit abzubauen.
Polymerschäume werden zum Beispiel als elastische Energieabsorber
in Stoßfängersystemen von Personenkraftwagen eingesetzt, wobei
der Schaumstoff einem Biegeträger vorgeschaltet ist, der wiederum
an 2 nachgeschalteten Fahrzeuglängsträgern abgestützt und befest
igt wird. Solche Stoßfängersysteme werden in der Regel derart di
mensioniert, daß die beim Fahrzeugaufprall eingeleiteten Stoß
energien in Europa bis 4 km/h und in den USA bis 5 mph elastisch
oder zumindest ohne sichtbare Schäden aufgenommen werden. Als
Werkstoffe kommen für diese Anwendung als elastischer Energieab
sorber vorzugsweise ein geschlossenzelliger expandierter Polypro
pylenschaum in der Dichte von 20 bis 120 g/dm³ oder ein offen
zelliger halbharter Polyurethanschaum in der Dichte von 60 bis
160 g/dm³ zum Einsatz.
Aus Versicherungsgründen werden viele Fahrzeuge hinter dem Biege
träger des Frontstoßfängersystems mit Überlastschutzelementen für
die Fahrzeuglängsträger ausgestattet, deren Aufgabe es ist,
Schäden an den Längsträgern bis 15 km/h Aufprallgeschwindigkeit
zu vermeiden. Gegenwärtig sind dafür meist metallische, dünnwan
dige Hohlkörper vorgesehen, vorzugsweise Rohrkonstruktionen, die
eine Umsetzung der Stoßenergie in Verformungsarbeit durch Umstül
pen, Beulen oder Knittern ermöglichen. Von Nachteil sind bei die
sen Ausführungen die sich stark reduzierende Energieabsorption,
wenn die Aufprallrichtung von der Längsachse der rohrförmigen Ab
sorptionselemente abweicht.
Weitere Nachteile sind das höhere Gewicht und die erforderlichen
mechanischen Vorbearbeitungen an den metallischen Absorptionsele
menten. Die den Biegeträgern nachgeschalteten Absorptionselemente
sollen in der Praxis nach vorangegangenen Stoßvorgängen leicht
austauschbar sein und erfordern daher zusätzliche Befestigungs
elemente und Montageschritte.
Es wurde gefunden, daß ein schadensfreier Aufprall mit 4 km/h
bzw. 5 mph sowie die begrenzte Krafteinleitung bei 15 km/h mit
einem Formkörper erreicht wird, der besteht aus zwei Schaumstoff
schichten A und B, die in Kraftangriffsrichtung hintereinander
angeordnet sind, wobei die Schaumstoffschicht A ein Polypropylen-
Schaumstoff einer Dichte von 20 bis 120 g·dm-3 und die Schaum
stoffschicht B ein Polystyrol-Schaumstoff der Dichte 20
bis 60 g·dm-3 ist.
Die Kombination der Schaumstoffe A und B bewirkt, daß ein ebener
Formkörper konstanten Querschnitts die eingeleitete Stoßenergie
auf einem nahezu konstanten Druckspannungsniveau im Bereich
zwischen 20 und 80% Stauchung aufnimmt, wobei sich der Schaum
stoff A im Bereich zwischen <0 und <70% Stauchung, vorzugsweise
zwischen 20 und 50% elastisch verformt und der Schaumstoff B im
Bereich von <0 und <30% Stauchung, vorzugsweise zwischen 5 und
20%. Unter Druckspannung versteht man die wirkende Druckkraft,
bezogen auf den beanspruchten Querschnitt eines Formkörpers.
Dabei ist es für die Funktion unerheblich, ob die Elastizitäts
grenzen exakt in den angegebenen bevorzugten Stauchungsbereichen
liegen, oder ob in diesen Stauchungsbereichen schon erste plasti
sche Verformungsanteile auftreten. In der Praxis sind bleibende
Stauchungen von <5% ein akzeptabler Wert. Dagegen ist es wich
tig, daß die Schaumstoffschicht A den Großteil der Stoßenergie
bei kleinen Aufprallgeschwindigkeiten bis 4 km/h oder 5 mph ela
stisch oder nahezu elastisch aufnimmt und durch Verformungsarbeit
abbaut, während die Schaumstoffschicht B nur unwesentlich defor
miert wird. Bei hohen Aufprallgeschwindigkeiten bis 15 km/h nimmt
der Schaumstoff B den Großteil der Stoßenergie auf, wobei nun
durchaus große plastische Verformungen und Risse in dem einge
setzten Polymerschaum auftreten können.
Die Schaumstoffschicht A ist ein Polypropylen-Schaumstoff mit
einer Dichte von 20 bis 120 g·dm-3, vorzugsweise von 50 bis
80 g·dm-3.
Polypropylene im Sinne der Erfindung sind Homo- und Copolymere
des Propylens mit bis zu 15 Gew.-% an Olefincomonomeren. Beson
ders bevorzugt sind Random-Copolymerisate des Propylens mit 1 bis
6 Gew.-% Ethylen. Polypropylen-Schaumstoffe können nach verschie
denen Methoden hergestellt werden, beispielsweise durch Vermi
schen von Polypropylen-Schmelze mit flüchtigen Treibmitteln unter
Druck und Extrusion unter Aufschäumen, oder bevorzugt durch Ver
sintern von Polypropylen-Schaumpartikeln bei Temperaturen ober
halb des Erweichungspunktes des Polypropylens.
Die Herstellung von Schaumstoffpartikeln aus Propylenpoly
merisaten ist an sich bekannt. Sie erfolgt im allgemeinen durch
Imprägnieren von teilchenförmigen Propylenpolymerisaten, vorzugs
weise von Extrudergranulat, in wäßriger Suspension mit einem
Treibmittel, z. B. einem Kohlenwasserstoff und/oder einem anorga
nischen Gas unter Druck und erhöhter Temperatur und anschließen
dem Entspannen der Suspension. Besonders gut geeignet sind runde
Partikel mit einem Durchmesser von 2 bis 10 mm und einer Schütt
dichte zwischen 10 und 80 g/l. Diese Partikel werden bei Tempera
turen oberhalb des Erweichungsbereichs des Propylenpolymerisats,
vorzugsweise zwischen 130 und 150°C in einer geschlossenen Form zu
einem Formkörper verschweißt.
Polystyrole im Sinne der Erfindung sind Homo- und Copolymerisate
des Styrols mit bis zu 50 Gew.-% an Comonomeren, beispielsweise
α-Methylstyrol, Acrylnitril oder Ester der (Meth-)Acrylsäure. Die
Polystyrole können auch mit anderen Polymeren, beispielsweise
Kautschuken oder Polyphenylenoxid abgemischt sein.
Die Schaumstoffschicht B ist ein Polystyrol-Schaumstoff mit einer
Dichte von 20 bis 60 g·dm-3, vorzugsweise von 40 bis
50 g·dm-3.
Polystyrol-Schaumstoffe werden nach bekannten Verfahren entweder
durch Vermischen von Polystyrol-Schmelze mit flüchtigen Treibmit
teln unter Druck und Extrusion unter Aufschäumen hergestellt,
oder durch Versintern von vorgeschäumten Teilchen. Vorgeschäumte
Teilchen werden erhalten durch Behandeln von treibmittelhaltigen
Polystyrol-Partikeln mit Wasserdampf; die treibmittelhaltigen Po
lystyrol-Partikel werden entweder durch Imprägnieren von Polysty
rol-Partikeln mit flüchtigen Treibmitteln oder durch Polymerisa
tion in wäßriger Suspension von Styrol (gegebenenfalls zusammen
mit Comonomeren) in Gegenwart von Treibmitteln hergestellt.
Die erfindungsgemäßen energieabsorbierenden Formkörper werden
durch Verbinden der Schaumstoffschichten A und B hergestellt.
Dies kann durch Formschluß geschehen, z. B. durch zusammenstecken
entsprechend geformter Schaumstoffteile. Man kann die Verbindung
auch durch Kleben herbeiführen, z. B. mit handelsüblichen Schmelz
klebern, oder durch lösungsmittelfreie Klebstoffe, wie z. B.
Epoxidharz-Kleber.
Die energieabsorbierenden Formkörper können insbesondere als
Stoßfänger-Systeme im Automobilbau eingesetzt werden, daneben
auch als Seitenaufprallschutz in Türen und als Crash-Elemente in
Sitzen von Kraftfahrzeugen, ferner als Knieaufprallschutz, in
Kopfstützen und Kopfaufprallpolster in instrumententafeln.
Bei der bevorzugten Anwendung im Stoßfängerbereich wird die stei
fere Schaumstoffschicht B mit einem Stoßfängerträger als Widerla
ger verbunden, so daß eine Krafteinwirkung unmittelbar auf die
Schaumstoffschicht A erfolgt.
Neben dieser Kombination kann auch die Gestaltung variiert wer
den, ohne daß sich an dem beschriebenen Prinzip des zweistufigen
Energieabsorbers wesentliches ändert. So ist als Alternative ein
Tausch der beiden Positionen der Schaumstoffschichten A und B
denkbar, was den zusätzlichen Vorteil hätte, daß die der Kraftan
griffsrichtung zugewandte steifere Schicht B bei räumlich ge
krümmten Stoßkörpern als Lastverteiler fungiert, wodurch der Ver
formungsweg bei Stoßbelastung mit kleinen Aufprallgeschwindigkei
ten reduziert werden kann.
Weiterhin kann es sinnvoll sein, die als Überlastschutz einge
setzte steifere Schicht B bei Stoßfängeranwendungen nur lokal vor
dem Biegeträger im Bereich der beiden Fahrzeuglängsträger zu pla
zieren, wenn es die durch Fahrzeugmasse und Aufprallgeschwindig
keit gegebenen Anforderungen zulassen, daß kleine Volumina aus
reichen oder wenn nur ein Offset-Crash mit 40% Überdeckung der
Fahrzeugbreite zur feststehenden Wand verlangt wird und somit in
Stoßfängermitte kein Überlastschutzabschnitt notwendig ist.
Der Vorteil des zweistufigen Energieabsorbers auf Schaumstoffba
sis gegenüber den gängigen Ausführungen ist der, daß bei Stoßfän
geranwendungen die als Überlastschutz wirkende Schaumstoffschicht
B vor dem Stoßfängerträger angeordnet werden kann und somit eine
einfachere Montage ohne zusätzliche Befestigungselemente sowie
ein kostengünstiges Auswechseln im Falle eines Aufpralls möglich
ist. Ein weiterer Vorteil ist die Gewichtseinsparung und damit
auch die Minderung des Treibstoffverbrauchs durch den Einsatz von
leichten Schaumstoffen.
Claims (3)
1. Energieabsorbierender Formkörper, bestehend aus zwei Schaum
stoffschichten A und B, die in Kraftangriffsrichtung hinter
einander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schaumstoffschicht A ein Polypropylen-Schaumstoff einer
Dichte von 20 bis 120 g·dm-3 und die Schaumstoffschicht B
ein Polystyrol-Schaumstoff der Dichte 20 bis 60 g·dm-3 ist.
2. Energieabsorbierender Formkörper nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Druckspannungsniveau der Kombination
der Schaumstoffe A und B zwischen 20 und 80% Stauchung auf
einem nahezu konstanten Niveau liegt, wobei der Schaumstoff A
sich im Bereich zwischen <0 und 70% Stauchung und der
Schaumstoff B sich im Bereich zwischen <0 und 30% Stauchung
elastisch verformen läßt.
3. Energieabsorbierende Formkörper nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß Schaumstoffteile aus dem Schaumstoff B nur
abschnittsweise hinter einem Schaumstoffteil aus dem Schaum
stoff A positioniert sind.
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