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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Deformationselement für
eine Aufprallbarriere zur Durchführung
eines Aufprallversuchs an einem Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch
1.
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Eine Aufprallbarriere zur Durchführung eines Aufprallversuchs
soll ein aufprallendes Fahrzeug simulieren und weist üblicherweise
einen fahrbaren Schlitten und einen Energieabsorber auf, der meist aus
mehreren einzelnen Deformationselementen zusammengesetzt ist. Dabei
sind die Deformationselemente größtenteils
Aluminiumwaben, die ab einem bestimmten Druck irreversibel deformiert
werden und die Energie des Aufpralls aufgrund dieser Deformation
absorbieren. Während
der Deformation entweicht die in den Aluminiumwaben eingeschlossene
Luft, damit die Messergebnisse nicht aufgrund von unberechenbaren
Luftdruckunterschieden verfälscht
werden. Aufgrund der dadurch erreichten eindeutigen, konsistenten
und vorhersagbaren Deformationscharakteristik der Aluminiumwaben
kann das Deformationsverhalten einer Fahrzeugkarosserie sehr gut
simuliert werden. Außerdem
weist die Karosserie eines Fahrzeugs nicht ein homogen verteiltes
Deformationsverhalten auf, sondern es gibt härtere und weichere Bereiche.
Auch diese Eigenschaft muss von einer Aufprallbarriere simuliert
werden und wird üblicherweise
mittels eines Energieabsorbers erreicht, der aus Aluminiumwaben
mit unterschiedlichen Deformationscharakteristika zusammengesetzt ist.
Die einzelnen genauen Anforderungen an die Energieabsorber sind
in europäischen
und nationalen Richtlinien festgehalten. Besonders gängige Beispiele
für Deformationselemente
aus Aluminiumwaben sind in den US Patentschriften
US 5,620,276 und
6,004,066 beschrieben.
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Weiterhin sind aus dem Stand der
Technik, beispielsweise dem deutschen Gebrauchsmuster
DE 9408056 , Deformationselemente bekannt,
die statt Aluminium einen speziellen Schaumstoff verwenden, der
an der dem Aufprall entgegengesetzten Seite Aussparungen aufweist,
um eine Deformation des Schaumstoffs zu ermöglichen.
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Außerdem ist in der deutschen
Offenlegungsschrift DE-A- 3925821 vorgeschlagen worden, einen Schaumstoff
zu verwenden, der in einem mit Löchern
versehenem Behältnis
aufbewahrt wird und bei einem Aufprall durch die Löcher entweicht,
wodurch eine Deformation des zu deformierenden Elements möglich ist.
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Je nach Dichte des Schaumstoffs beziehungsweise
nach Größe der Aussparungen
oder Löcher
weisen diese Deformationselemente ebenfalls unterschiedliche Deformationscharakteristika
auf.
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Nachteilig an allen aus dem Stand
der Technik bekannten Deformationselementen ist jedoch, dass sie
einerseits nach einem Aufprall irreversibel deformiert sind und
ausgetauscht werden müssen, und
andererseits, dass aufgrund der unterschiedlichen Deformationscharakteristika
der Deformationselemente viele verschiedene Arten von Energieabsorbern
gelagert werden müssen.
Die Lager- und Versuchskosten werden dadurch sehr hoch. Außerdem ist
der Umbau – d.h.
der Abbau des zerstörten oder
nicht passenden Deformationselements und die Montage des neuen Deformationselements – ausgesprochen
zeit- und kostenintensiv.
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Aufgabe vorliegender Erfindung ist
es deshalb, ein Deformationselement bereitzustellen, mit dem der
Kostenaufwand für
einen Aufprallversuch reduziert werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
ein Deformationselement mit den Eigenschaften des Patentanspruchs
1.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Deformationselements
liegt darin, dass eine reversibel deformierbare und dadurch mehrfach
verwendbare Struktur verwendet wird, die ein Fluid beinhaltet, das bei
einem Aufprall aus einem durch den Aufprall belasteten Bereich in
einen anderen Bereich umverlagert wird, wodurch eine Deformation
der Struktur möglich
ist. Die Umverlagerung kann dabei durch die Abgabe des Fluids über Öffnungen
im Deformationselement an die Umgebung, oder durch das Ausströmen des
Fluids in einen anderen nicht deformierten Bereich oder in ein Auffangbehältnis erreicht
werden. Wird das Fluid jedoch dem deformierten Bereich aktiv oder
passiv wieder zugeführt,
oder nimmt der Bereich das Fluid nach einer gewissen Zeit selbstständig wieder
auf, bildet sich die Deformation zurück und ein erneuter Aufprallversuch
kann durchgeführt
werden. Die Absorption der Aufprallenergie erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Deformationselement
hauptsächlich über einen
hydraulischen Energieverlust, der durch die durch die Umverlagerung
des Fluids erzeugten Strömung
entsteht. Selbstverständlich
können
auch verschiedene Deformationselement mit unterschiedlichen Deformationscharakteristika
miteinander kombiniert werden, um eine besonders realistische Simulation
eines Aufpralls zu erzielen.
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Besonders vorteilhaft ist außerdem ein
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Deformationselements
bei dem seine Deformationscharakteristik über die Parameter, die die
Umverlagerungsrate des Fluids steuern, eingestellt werden kann.
Zu diesen Parametern zählen
unter anderem die Fluideigenschaften selbst, sowie die Durchmesser
der Öffnungen
durch die das Fluid strömt.
Unter den Öffnungen
sind hier Öffnungen
oder Aussparungen zu verstehen, die eine Fluidströmung zulassen.
Sie können beispielsweise über den
Durchmesser einer zusätzlich
angebrachten Strömungsdrossel
oder durch die Materialeigenschaften des Deformationselements selbst
realisiert sein. Erfolgt ein Aufprall, wird das Fluid mit der definierten
Umverlagerungsrate aus dem deformierten Bereich in einen anderen
Bereich umverlagert, wodurch eine gesteuerte Deformierung des Deformationselements
ermöglicht
wird.
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Bei einem besonders vorteilhaften
Ausführungsbeispiel
wird ein offenporiger und elastischer Schaumstoff verwendet, dessen
mittlere Porengröße die Umverlagerungsrate
bestimmt. Außerdem
kann der Schaumstoff zusätzlich
ein hinreichend großes Eigenrückstellvermögen aufweisen,
so dass auf eine aktive Rückführung des
abgegeben Fluids in den deformierten Bereich verzichtet werden kann,
der Schaumstoff aber dennoch in seine Ursprungsform zurückkehrt.
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In einem anderen besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird die Deformationscharakteristik des Deformationselements über die
Art des verwendeten Fluids, insbesondere über seine Viskosität eingestellt.
Besonders vorteilhaft ist hierbei ein antitixotropes Fluid. Dabei
verändert
sich die Viskosität des
Fluids dahingehend, dass es bei hoher dynamischer Belastung weniger
viskos ist als bei geringer dynamischer Belastung. Diese Eigenschaft
des Fluids simuliert sehr gut das Deformationsverhalten einer Karosserie.
Aber auch die Verwendung eines tixotropen Fluids oder eine geschickte
Kombination von Deformationselementen mit tixotropen und anti-tixotropen
Fluiden, aus denen die Aufprallbarriere zusammengesetzt wird, ist
realisierbar. Außerdem kann
das Fluid elektro-/oder magnetorheologische Eigenschaften aufweisen,
wodurch die Deformationscharakteristik weiter beeinflusst wird.
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Zusätzlich können bei weiteren Ausführungsbeispielen
Strömungsdrosseln
oder Strömungssperren
die Umverlagerungs- bzw. Abgaberate des Fluids steuern. Insbesondere
bei der Verwendung von Lochblenden, deren Strömungsöffnungen einen variablen Durchmesser
aufweisen, ist es möglich,
eine Aufprallbarriere mit nur einem einzigen Deformationselement
auszustatten, wobei die unterschiedlichen Deformationscha rakteristika
des Deformationselements über
die Anordnung und den Durchmesser der Strömungsöffnungen in der Lochblende
eingestellt werden.
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Die Strömungssperre dagegen verhindert nicht
nur die Fluidabgabe, bevor sich nicht ein bestimmter Druck in dem
deformierten Bereich des Deformationselements aufgebaut hat, sondern
kann auch die Fluidaufnahme verzögern
bzw. verhindern. Dies ist vor allem bei Schaumstoffen mit großem Eigenrückstellvermögen nötig. Würde eine
solche Strömungssperre
nicht vorhanden sein, könnten
die Rückstellkräfte das
Aufprallmessergebnis verfälschen.
Die Fluidaufnahme erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel vorteilhafterweise
an der gleichen Stelle, wie die Umverlagerung, es ist jedoch auch
eine ortsundefinierte Fluidaufnahme realisierbar. Außerdem können zwei
unterschiedliche Strömungssperren
verwendet werden, wobei die eine für die Fluidumverlagerung, die
andere für
die Fluidaufnahme verwendet wird.
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Für
eine besonders kontrollierte Umverlagerung des Fluids ist in einem
weiteren Ausführungsbeispiel
das Deformationselement derart ausgebildet, dass das Fluid nur an
einer bestimmten Stelle abgegeben werden kann. Dies kann beispielsweise bei
Schaumstoff dadurch realisiert werden, dass bestimmte Flächen oder
Wandungen oder Teile davon durch Vulkanisieren oder andere Herstellungsprozesse
thermischer oder chemischer Art fluidundurchlässig gemacht werden, andere
dagegen fluiddurchlässig
bleiben. Oder es wird eine Hülle
auf den Schaumstoff aufgeklebt wird, die eine Abgabe des Fluids
an anderen als der beabsichtigten Stelle verhindert.
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Außerdem kann als Fluidreservoir
ein Faltenbalg mit definierter Abgabestelle verwendet werden.
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Besonders vorteilhaft ist ein Ausführungsbeispiel,
bei dem an der Abgabestelle des Fluids ein Fluidauffangbehältnis vorgesehen
ist, das das aus dem Deformationselement im Fall eines Aufpralls
ausströmende
Fluid auffängt
und für
die Wiederaufnahme in das Deformationselement bereitstellt. Gerade
bei Fluiden mit speziellen Viskoseeigenschaften ist dies von Vorteil,
da diese Fluide teuer und eventuell umweltbelastend sind.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel
weist das erfindungsgemäße Deformationselement
ein Schutzschild auf, das an seiner Stirnseite, d.h. der Seite,
an der der Aufprall erfolgt, angebracht ist. Dieses Schutzschild
kann irreversibel deformierbar sein. Besonders vorteilhaft ist ein
deformierbares Aluminiumblech, das leicht zu deformieren ist und
deshalb nur einen geringen und sehr leicht zu definierenden Anteil
der Aufprallenergie bei seiner Deformation absorbiert. Mit einer
Verfälschung
der Messergebnisse muss deshalb nicht gerechnet werden. Das irreversibel
deformierbare Schutzschild hat außerdem den großen Vorteil,
dass ein Deformationsabbild des Aufpralls für weitere Auswertungen zur
Verfügung
steht. Außerdem
können
durch das deformierte Schutzschild Rückstellkräfte, die beispielsweise bei
einem selbsttätig
aufblasbaren Schaumstoff auftreten, minimiert werden.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte
Ausführungsbeispiele
sind in den Unteransprüchen
definiert.
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Im folgenden wird das der Erfindung
zugrundeliegende Prinzip anhand von vorteilhaften Ausführungsbeispielen
und Figuren erklärt.
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Dabei zeigen:
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1:
einen schematischen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Deformationselements;
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2:
einen schematischen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Deformationselements;
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3a:
einen schematischen Querschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Deformationselements
vor einem Aufprall;
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3b:
einen schematischen Querschnitt durch das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel nach einem Aufprall;
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4:
eine schematische räumliche
Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Energieabsorbers;
und
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5:
eine schematische Seitenansicht einer Aufprallbarriere mit erfindungsgemäßen Deformationselementen.
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Im folgenden werden für gleiche
Figurenelemente dieselben Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt
ein Deformationselement 1 mit einem deformierbaren Fluidreservoir 2,
das hier als Faltenbalg ausgebildet ist und in dem sich ein Fluid 21 befindet,
für das
sich in diesem Fall besonders Luft eignet. An einer Stirnseite 11 des
Deformationselements 1, an der ein Aufprall erfolgt, ist
ein irreversibel deformierbares Schutzschild 3 angebracht.
Insbesondere Aluminiumblech eignet sich für das Schutzschild 3 besonders
gut, da es ein geringes Gewicht aufweist und das Deformationsabbild
zuverlässig
darstellt. An den Seiten 13 des Deformationselements 1 ist
zur Stabilisierung des Fluidreservoirs 2 ein Stützmantel 4 vorgesehen.
Er verhindert, dass das Fluidreservoir 2 seine Form verliert
und im Fall eines Aufpralls seitlich ausbricht. Der Stützmantel 4 kann
beispielsweise als eine teleskopartig verschiebbare querverbundene
Linearfüh rung
oder integral mit dem Fluidreservoir 2, beispielsweise
als Faltenbalg mit stabilen Wänden,
ausgebildet sein. Der Stützmantel 4 ist
weiterhin im vorderen Bereich mit dem Schutzschild 3 und
im hinteren Bereich mit einem rückwärtigen Abschlusselement 5 verbunden.
In dem in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel
ist das Abschlusselement 5 als eine Strömungsdrossel 51 ausgebildet.
Die Strömungsdrossel 51 ist
hier schematisch als Lochblende dargestellt, deren Lochgröße die Deformationscharakteristik
des Deformationselements aufgrund der Abgaberate des Fluids bestimmt. Dabei
kann die Lochblende Löcher
mit gleichem oder unterschiedlichem Durchmesser aufweisen oder der Durchmesser
kann variabel einstellbar sein, beispielsweise durch die Verwendung
zweier gegeneinander verschiebbarer Lochblenden.
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Auch 2 zeigt
ein Deformationselements mit innenangeordnetem Fluidreservoir 2,
das von einem Schutzschild 3 und einem Stützmantel 4 umgeben
ist und dessen Fluidabgabestelle durch eine Strömungsdrossel 51 abgeschlossen
ist. Zusätzlich weist
jedoch das in 2 dargestellte
Deformationselement eine Strömungssperre 52 auf,
die erst ab einem bestimmten Druck ein Ausströmen des Fluids durch die Strömungsdrossel 51 zulässt. Gute
Beispiele für
eine Strömungssperre
sind eine aufreißbare
Membran oder ein Überdruckventil
mit definierter Druckschwelle. Dadurch wird erreicht, dass erst
ab einem bestimmten Aufpralldruck eine Deformation möglich ist.
Zusätzlich
zeigt 2 ein Fluidauffangbehältnis 6,
in das das abgegebene Fluid 21 einströmt und für eine Wiederaufnahme in das
Deformationselement bereitsteht.
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Die 3a und 3b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Deformationselements
vor (3a) und nach (3b) einem Aufprallversuch,
bei dem die Rückwand 61 des
Fluidauftangbehältnisses 6 gleichzeitig
als Strömungssperre 52 wirkt
und die Seitenwände 62 des
Fluidauffangbehältnisses 6 die
Funktion des Stützmantels 4 übernehmen.
Das so ausgebildete Fluidauffangbehältnis 6 ist insgesamt
linear in Aufprallrichtung F bewegbar, um eine Beschädigung zu
vermeiden und einen Raum für
das aufzunehmende Fluid bereitzustellen. Da das Fluidauffangbehältnis jedoch
erst ab einem bestimmten Druck verschiebbar ist – realisiert beispielsweise
durch einen auf seiner Linearführung angeordneten
Scherstift – wirkt
die Rückwand 61 tatsächlich als
Strömungssperre.
Die Strömungsdrossel 51 selbst
wird nicht mit der Rückwand 61 mitbewegt.
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4 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Energieabsorbers mit verschiedenen
Deformationselementen 101 – 106, bei der das
Schutzschild 3 und die Strömungsdrossel 51 in
Explosionsdarstellung gezeigt sind. Dabei können die unterschied lichen
Deformationselemente 101 – 106 verschiedene Formen
und verschiedene Absorptionsfähigkeiten aufweisen.
Durch den Aufbau des Energieabsorbers aus Deformationselementen
mit unterschiedlichen Deformationscharakteristika ist gewährleistet,
dass die Eigenschaft einer Karosserie besonders gut simuliert wird:
Dies ist schematisch in 4 dadurch gezeigt,
dass die Deformationselemente 101, 103, 104,
und 106 dicker als die Deformationselemente 102 und 105 dargestellt
sind. Die Deformationselemente selbst bestehen in diesem Fall aus
einem elastischen Schaumstoff 8 mit offenen Poren, die
untereinander über
Kanäle
in Verbindung stehen, und der ein hohes Eigenrückstellvermögen aufweist, so dass er nach
einem Aufprall in seine ursprünglich Form
zurückkehrt.
Dabei ist der Schaumstoff 8 oben, unten und an den Seiten
mit einer Hülle 7 als
Stützmantel
umgeben, die ein seitliches Ausbrechen des Schaumstoffs verhindert
und eine Abgabe des Fluids nur an der Rückseite des Energieabsorbers
zulässt. Ebenfalls
an der Rückseite
des Energieabsorbers ist eine Strömungsdrossel 51 angeordnet,
die wiederum als Lochblende dargestellt ist. Die verschiedenen Durchmesser
der Strömungsöffnungen 511 und 512 ermöglichen
eine unterschiedliche Deformationscharakteristik des Energieabsorbers
in den Bereichen der Strömungsöffnungen 511 beziehungsweise
512 aufgrund der unterschiedlichen Strömungseigenschaften des Fluids
durch die Strömungsdrossel 51. Des
weiteren ist auch in diesem Ausführungsbeispiel ein
Schutzschild 3 vorgesehen, das einerseits den Schaumstoff 8 vor
Beschädigungen
schützt
und andererseits ein Deformationsbild des Aufpralls bereitstellt.
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5 zeigt
eine schematische Darstellung einer Aufprallbarriere in Seitenansicht.
Die Deformationselemente 107 und 108 sind ebenfalls
mit je einem Schutzschild 3 versehen, das mit seinen Rändern 31 auch
einen Teil der Seitenflächen
der Deformationselemente 107, 108 umgibt. Die
Deformationselemente 107, 108 selbst sind an der
Barriere 9 angebracht. Optimalerweise werden in diesem
Ausführungsbeispiel
Deformationselemente, wie in den 3a und 3b, verwendet, da diese aufgrund
des integrierten Fluidauffangbehältnisses
besonders platzsparend sind. Es ist jedoch auch möglich ein
separat ausgebildetes Fluidauffangbehältnis 6 hinter oder
unter der Barriere 9 anzubringen.
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Bezugszeichenliste:
- 1
- Deformationselement
- 11
- Stirnseite
- 12
- Rückseite
- 13
- Seitenfläche
- 101 – 108
- verschiedene
Ausbildungen des Deformationselements
- 2
- Fluidreservoir
- 21
- Fluid
- 3
- Schutzschild
- 31
- seitliche
Befestigung
- 4
- Stützmantel
- 5
- Abschlusselement
- 51
- Strömungsdrossel
- 511,
512
- Strömungsöffnungen
- 52
- Strömungssperre
- 6
- Fluidauffangbehältnis
- 61
- Rückseite
- 62
- Seitenwand
- 7
- Schutzhülle
- 8
- Schaumstoff
- 9
- Barriere